TRABALHO LABORATORIAL Nº 4

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1 ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MARÍTIMA M422 - SISTEMAS E INSTRALAÇÕES ELÉCTRICAS DE NAVIOS TRABALHO LABORATORIAL Nº 4 ENSAIO DA MÁQUINA SÍNCRONA Por: Prof. José Dores Costa Prof. Luis Filipe Baptista 2011/2012

2 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO E OBJECTIVOS ARRANQUE DO GRUPO MOTOR-GERADOR ENSAIO EM VAZIO ESQUEMA EQUIVALENTE EM REGIME ESTACIONÁRIO ENSAIO EM CARGA CARACTERÍSTICAS EXTERNAS CARACTERÍSTICA DE REGULAÇÃO COMENTÁRIOS... 7 ENIDH/DEM MEMM 1

3 TRABALHO LABORATORIAL Nº 4 ENSAIO DA MÁQUINA SÍNCRONA 1. INTRODUÇÃO E OBJECTIVOS As máquinas síncronas com excitação variável são normalmente utilizadas como geradores (vulgo alternadores) mas, como qualquer máquina eléctrica rotativa, são reversíveis, isto é, podem também funcionar como motores. Como alternadores, são normalmente utilizadas em sistemas centralizados de produção de energia eléctrica ligados a uma rede trifásica infinita (sistemas termoeléctricos e hidroeléctricos), sendo também utilizados como geradores de emergência ou para alimentação de redes isoladas. Também são largamente utilizadas em aproveitamentos de energias renováveis, com funcionamento autónomo ou interligadas com a rede. O objectivo do trabalho é proporcionar a experiência prática com este tipo de máquinas funcionando como gerador (alternador), em sistemas trifásicos. O sistema que está instalado no laboratório, e que será usado nos ensaios, está representado na Fig. 1: um motor assíncrono com rotor bobinado (M) acciona um alternador síncrono trifásico (G); o controlo de velocidade, dentro de certos limites, é realizado através das resistências rotóricas (R r ); a corrente de excitação do alternador é regulada através dum reóstato de campo (R c ). Fig. 1: Esquema do quadro elétrico do gerador síncrono. Um conjunto de resistências trifásicas variáveis, ou outras cargas, podem ser ligadas ao barramento do alternador. 2. ARRANQUE DO GRUPO MOTOR-GERADOR O arranque do grupo motor-gerador da Fig. 1, obtém-se da seguinte forma: ENIDH/DEM MEMM 2

4 1. Com R r no valor máximo, arranca-se o motor M e, reduzindo progressivamente R r, acelera-se o motor até à sua velocidade máxima; 2. Atuando sobre o reóstato de campo (R c ) ajusta-se a corrente de excitação até que a tensão composta do alternador, em vazio seja U c =380V (aproximadamente) Responda às seguintes questões: a) Qual o motivo pelo qual os 50 Hz nunca serão atingidos? b) Com o gerador em vazio, qual é o escorregamento de M quando as resistências rotóricas são curto-circuitadas? c) Qual é a velocidade de sincronismo do alternador? d) Qual é o número de pares de pólos do motor M? e) Qual é o número de pares de pólos do alternador G? 2.2. Tome nota das características das placas sinaléticas do motor e do alternador. 3. ENSAIO EM VAZIO As resistências R r e R c são colocadas no seu valor máximo. Com o alternador em vazio, arranque o motor reduzindo progressivamente R r até que este atinja a sua velocidade máxima. Reduza então R c progressivamente (a corrente de excitação aumenta) até que a tensão composta do alternador seja U c =380V Observe a variação de U c em função da velocidade e da corrente de excitação, I ex. Que conclui? 3.2. Com o ensaio em vazio pretende determinar-se a relação U c =f(i ex ), mantendo a velocidade constante. Para isso, proceda da seguinte forma: Arranque com o grupo até à sua velocidade máxima (a velocidade de rotação é mantida constante durante o resto do ensaio); Aumente a corrente de excitação, I ex, desde zero até ao seu valor máximo (sempre crescentemente) e para diferentes valores de I ex obtenha os correspondentes valores de U c ; Uma vez atingido o valor máximo de I ex, proceda de igual forma para valores decrescentes de I ex até que I ex 0. Registe os valores lidos na tabela 1 e represente graficamente U c =f(i ex ). Corrente de campo, I ex [A] Tensão composta, U c [V] Tabela 1: Característica de vazio N: rpm f: Hz ENIDH/DEM MEMM 3

5 4. ESQUEMA EQUIVALENTE EM REGIME ESTACIONÁRIO O circuito equivalente por fase, em regime estacionário, duma máquina de polos cilíndricos, está representado na Fig. 2, em que X s representa a reactância síncrona da máquina e E é a fem induzida (tensão em vazio). Fig. 2: Esquema equivalente por fase. A reactância X s pode ser obtida através do designado ensaio em curto-circuito. Este ensaio não será realizado. Mas vamos procurar estimar o valor de X s procedendo a alguns ensaios em carga. 5. ENSAIO EM CARGA Para efectuar este ensaio, efectue os seguintes procedimentos: 1. Arranque com o grupo e proceda aos ajustes necessários para que o alternador funcione em vazio com U c =350V e f= 49 Hz. Ligue o alternador ao barramento e ligue seguidamente diferentes cargas procedendo aos ajustes necessários para que a tensão e a frequência se mantenham iguais a U c =350V e f= 49 Hz, respetivamente. Para cada uma das cargas, registe os valores da tabela Tendo em conta os resultados do ensaio em vazio, para cada um dos pontos de funcionamento da Tabela 3, obtenha: a) Os diagramas vectoriais com E, U e I; b) Os correspondentes ângulos de potência; c) A queda de tensão. d) Admitindo que os polos são cilíndricos, com base nos resultados anteriores, obtenha uma estimativa para X s. e) Compare os resultados experimentais com os correspondentes valores teóricos. Verifique também o que acontece às correntes no estator e no rotor do motor de indução em função do escorregamento (e do binário). ENIDH/DEM MEMM 4

6 Alternador Corrente de campo, I ex [A] Corrente na linha, I a [A] Tensão composta, U c [V] Potência activa, P a [W] frequência [Hz] Tabela 3: Resultados experimentais em carga. cos φ Regulação de tensão, ΔU [%] Motor de indução Potência [W] cos φm Corrente no estator, I e [A] Corrente no rotor, I r [A] Velocidade [rpm] s [%] 5.3 Comente os resultados obtidos para o motor de indução relacionando-os com a carga do alternador. 6. CARACTERÍSTICAS EXTERNAS As características externas são as funções U c =f(i a ), para I ex = const e f= const, traçadas para diferentes valores de cos φ constante. Essas características estão representadas na Fig. 3. ENIDH/DEM MEMM 5

7 Fig. 3: características externas. Deste modo, efetue os seguintes procedimentos: a) Ligue as resistências de carga trifásicas ao barramento do alternador (cos φ =1) e arranque o grupo pelo processo descrito no ponto 5. Ajuste I ex para que a tensão em vazio seja igual a 360V; ajuste R r para manter f=49hz, sempre que a carga variar. b) Ligue progressivamente as cargas e, para cada uma delas, registe os valores da tabela 4. Represente graficamente U c =f(i a ). Tensão do gerador, Uc [V] Corrente no estator, I a [A] Queda de tensão, ΔU [%] Tabela 4: Característica externa para cos φ 1 7. CARACTERÍSTICA DE REGULAÇÃO As características de regulação são as funções I ex =f(i a ), para U c = const e f = const, traçadas para diferentes valores de cos φ constante. Essas características estão representadas na Fig. 4. Da análise do gráfico da Fig.4, pode ver-se que para manter U c constante com cargas resistivas ou indutivas crescentes, será necessário aumentar I ex, ao passo que com cargas capacitivas crescentes será necessário diminuir I ex. ENIDH/DEM MEMM 6

8 Fig. 4: Características de regulação. Deste modo, realize os seguintes procedimentos: a) Para obter as características de regulação com cos φ=1, ligue as resistências de carga trifásicas ao barramento do alternador; arranque o grupo pelo processo descrito no ponto 4. Ajuste I ex para que a tensão em vazio seja igual a 360V e mantenha esta tensão constante ao longo do ensaio. Ajuste R r sempre que necessário para manter f=49hz constante ao longo do ensaio. b) Ligue progressivamente as cargas e, para cada uma delas, registe os valores da tabela 5. Calcule a queda de tensão para cada carga. Justifique os resultados obtidos. Represente graficamente I ex =f(i a ). Tensão do gerador, I ex [A] Corrente no estator, I a [A] Tabela 5: Característica de regulação. 8. COMENTÁRIOS Compare os resultados experimentais do funcionamento da máquina síncrona em carga com os que poderia obter através do esquema equivalente e das características externas e de regulação. ENIDH/DEM MEMM 7