Ensaio de circuito aberto (CCA) Ensaio de curto-circuito (CCC) Determinação dos parâmetros do circuito equivalente Perdas elétricas e Rendimento

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1 Faculdade Pitágoras de Betim Engenharia Elétrica / Controle e Automação Máquinas Elétricas II Ensaio de circuito aberto (CCA) Ensaio de curto-circuito (CCC) Determinação dos parâmetros do circuito equivalente Perdas elétricas e Rendimento Professor: Marcelo Roger da Silva marcelo.roger@kroton.com.br 2016

2 Características de circuito aberto (CCA) Características de curto-circuito (CCC)

3 Características de circuito aberto e de curto-circuito Considerações iniciais: O valor da resistência de armadura e da reatância síncrona, das perdas elétricas e outras características fundamentais de uma máquina síncrona podem ser determinadas por dois ensaios: 1) Ensaio de circuito aberto: ensaio realizado com os terminais dos enrolamentos de armadura abertos, onde são observadas as características de saturação à vazio e as perdas rotacionais sem carga. 2) Ensaio de curto-circuito: nesse ensaio são curto-circuitados os terminais de armadura da máquina, onde podem ser observadas as perdas de curtocircuito na condição de corrente nominal. Ambos ensaios são realizados com a máquina em funcionamento singelo.

4 Características de circuito aberto e de curto-circuito Características de circuito aberto: Instrumentação mínima: Circuito de campo: voltímetro e amperímetro; Circuito de armadura: voltímetro e frequencímetro; Máquina primária: wattímetro; Velocidade mecânica (RPM): tacômetro; Método: Máquina com terminais de armadura abertos; Máquina primária acoplada ao eixo do rotor; Aciona-se a máquina primária até a velocidade nominal de rotação da máquina, medida com tacômetro; Injeta-se corrente contínua no enrolamento de campo, em valores parciais e crescentes até atingir a tensão e frequência nominais no enrolamento de armadura; A cada incremento do valor de corrente faz-se leitura da tensão nos terminais do enrolamento de armadura.

5 Características de circuito aberto e de curto-circuito Características de circuito aberto: LE: Linha de entreferro Informações do ensaio de circuito aberto: Tensão terminal, V T V NOM Corrente de campo, I F CCA Característica de circuito aberto é uma curva da tensão de armadura à vazio (V T ) pela corrente de campo (I F ); Como o enrolamento de campo é a única fonte de FMM, a característica de circuito aberto representa a relação entre a componente fundamental espacial do fluxo de entreferro e a FMM que atua sobre o circuito magnético;

6 Características de circuito aberto e de curto-circuito Características de circuito aberto: Informações do ensaio de circuito aberto: Tensão terminal, V T V NOM LE: Linha de entreferro CCA Os efeitos de saturação magnética podem ser observados. Com valores crescentes de corrente de campo, a curva inclina-se para baixo à medida que a saturação do material magnético produz aumento de relutância nos caminhos de fluxo da máquina; Corrente de campo, I F Linha de entreferro representa a característica da máquina não saturada em relação à curva real. Os desvios entre as curvas exprimem o grau de saturação da máquina.

7 Características de circuito aberto e de curto-circuito Características de circuito aberto: Diagrama fasorial (por fase) para ensaio de circuito aberto: I A = I B = I C = 0 A + = = + = + = Nota: Embora posicionada na coluna do rotor, a tensão interna, E F, é induzida no circuito de armadura.

8 Características de circuito aberto e de curto-circuito Características de curto-circuito: Instrumentação: Circuito de campo: voltímetro e amperímetro; Circuito de armadura: amperímetro; Máquina primária: wattímetro; Velocidade mecânica (RPM): tacômetro; I a I b I c Método: Máquina com terminais de armadura curto-circuitados; Máquina primária acoplada ao eixo do rotor; Aciona-se a máquina primária até a velocidade nominal de rotação da máquina, medida com tacômetro; Injeta-se corrente contínua no enrolamento de campo, em valores parciais e crescentes até atingir aproximadamente duas vezes o valor da corrente nominal de armadura; A cada incremento do valor de corrente de campo faz-se leitura do valor da corrente no enrolamento de armadura.

9 Características de circuito aberto e de curto-circuito Características de curto-circuito: Informações do ensaio de curto-circuito: Corrente de armadura, I A CCC Corrente de campo, I F 1. Característica de curto-circuito é uma curva da corrente de armadura (I A ) pela corrente de campo (I F ); 2. A curva de curto-circuito apresenta aspectos de não saturação da máquina, de perfeita linearidade e de comportamento altamente desmagnetizante.

10 Características de circuito aberto e de curto-circuito Características de curto-circuito: Diagrama fasorial (por fase) para ensaio de curto-circuito: V T 0 V; I A defasada aproximadamente 90 = + = = = Nota: V T tem valor ínfimo, devido aos terminais curto-circuitados. Representação vetorial sem escala.

11 Determinação dos parâmetros do circuito equivalente da máquina

12 Determinação dos parâmetros do circuito equivalente da MS Resistência efetiva da armadura: Perdas Perdas de curto circuito Corrente de armadura A resistência efetiva da armadura é determinada a partir das perdas de curtocircuito (por fase) em função da corrente nominal de armadura. R = P " [ Ω ) fase ] I!

13 Determinação dos parâmetros do circuito equivalente da MS Reatância síncrona saturada - X SS : Tensão terminal LE CCA É a reatância que uma máquina síncrona oferece às correntes de armadura em regime permanente. V,! CCC Corrente armadura I (0) X 33= V,! I (0) Ω/fase I -. Corrente de campo

14 Determinação dos parâmetros do circuito equivalente da MS Reatância síncrona não saturada - X SNS : Tensão terminal E (67) LE CCA É a reatância que uma máquina síncrona oferece às correntes de armadura em regime transitório. CCC Corrente armadura X 383 = E (67) I! Ω/fase I! I -. Corrente de campo

15 Determinação dos parâmetros do circuito equivalente da MS Relação de curto-circuito: É definida como a relação entre a corrente de campo para obter tensão nominal em circuito aberto e a corrente nominal de armadura em circuito aberto. RCC= I - ::; I -::: Há uma relação inversa entre RCC e a corrente de curto-circuito nos terminais de uma máquina síncrona. RCC I == O valor de RCC é igual ao inverso da impedância síncrona, expresso em valores por unidade (pu). RCC= 1 Z A (pu) Valores típicos de RCC para máquinas síncronas: Pólos lisos: 0,5 < RCC < 0,7 Pólos salientes: 1,0 < RCC < 1,4

16 Perdas elétricas e Rendimento

17 Perdas elétricas e Rendimento A análise das perdas numa máquina rotativa é importante por três razões: As perdas determinam o rendimento da máquina e influenciam de forma apreciável o seu custo de operação. As perdas determinam o aquecimento da máquina e, dessa forma, determinam a potência de saída nominal sem deterioração indevida do isolamento. As quedas de tensão internas e corrente associadas às perdas devem ser levadas em consideração apropriadamente em um modelo de máquina.

18 Perdas elétricas e Rendimento Perdas consideradas numa máquina síncrona: Perdas mecânicas (atrito e ventilação) Perdas no ferro em circuito aberto (histerese e correntes parasitas) Perdas ôhmicas (por norma, somente as do enrolamento de armadura) Perdas suplementares (efeito pelicular principalmente) As diversas perdas e as condições de sua medição são rigorosamente definidas por institutos técnicos e agências reguladoras, tais como: American National Standards Institute (ANSI) Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) National Electrical Manufacturers Association (NEMA) Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT)

19 Perdas elétricas e Rendimento Em máquinas elétricas, o rendimento é determinado a partir das perdas. Nas máquinas eletromecânicas seu valor é variável, em razão das perdas se alterarem de acordo com as condições de operação. Nesse sentido, o rendimento (D%) das máquinas eletromecânicas é determinado por medições das perdas (Δp) ao invés de medir-se diretamente as potências de entrada (P E ) e a de saída (P S ) sob carga do equipamento. Assim: D % = 1 Δp P Ou D % = P 3 P D % = P 3 P 3 +Δp 100

20 Perdas elétricas e Rendimento Perdas rotacionais a vazio (ensaio de circuito aberto): Se for medida a potência requerida pela máquina primária (em Watts) para impulsionar a máquina síncrona durante o ensaio de circuito aberto, pode-se obter as perdas rotacionais a vazio(i J ). Perdas Perdas rotacionais a vazio As perdas rotacionais a vazio estão associadas ao atrito nos mancais e à ventilação, e também às perdas por histerese e correntes parasitas, que surgem da alteração da densidade de fluxo no ferro da máquina na ausência de carga. Corrente de campo

21 Perdas elétricas e Rendimento Perdas rotacionais a vazio (ensaio de circuito aberto): Na ausência de excitação, a potência mecânica requerida pela máquina primária ( L M ) necessária para acionar a máquina síncrona, na velocidade síncrona, corresponde às perdas por atrito e ventilação(i J ). Perdas Perdas atrito/ventilação =0 A L M =I J Corrente de campo

22 Perdas elétricas e Rendimento Perdas rotacionais a vazio (ensaio de circuito aberto): Quando o campo é excitado, a potência mecânica ( L " ) iguala-se, a vazio, à soma das perdas por atrito mais as perdas no ferro em circuito aberto. Perdas Assim, valor das perdas no ferro em circuito aberto ou à vazio, (I P ), podem ser obtidas a partir da diferença entre os dois valores mensurados. Consistem nas perdas por histerese e correntes parasitas que surgem da alteração da densidade de fluxo no ferro da máquina quando apenas o enrolamento principal de excitação está energizado. Perdas magnéticas Corrente de campo RST I P =L " I J I J =I P +I J

23 Perdas elétricas e Rendimento Perdas de curto-circuito (ensaio de curto-circuito): Atingido o valor nominal de corrente de armadura durante o ensaio de curto-circuito, o valor da potência requerida pela máquina primária ( L U ) equivale à soma das parcelas de perdas por atrito e ventilação(i J ), mais as perdas joulicas da corrente de armadura, denominadas perdas de curto-circuito(i VV ). Perdas Perdas de curto circuito As perdas de curto-circuito compreendem as perdas ôhmicas no cobre do enrolamento de armadura, mais as perdas por efeito pelicular e as perdas locais no ferro por fluxo disperso da armadura. Corrente de armadura I VV =L U I J

24 Perdas elétricas e Rendimento Perdas de curto-circuito (ensaio de curto-circuito): As perdas ôhmicas, por convenção, são calculadas com base nas resistências em corrente contínua do enrolamento a 75 C, denominadas(i V ). Perdas Perdas no cobre O valor da resistência do enrolamento à temperatura ambiente é corrigida para a temperatura normalizada que os enrolamentos são submetidos durante o ensaio de curto-circuito (75 C). Corrente de armadura W V = M " M X = 234,5+ ^M 234,5+^X

25 Perdas elétricas e Rendimento Perdas de curto-circuito (ensaio de curto-circuito): Se as perdas em resistência corrente contínua forem subtraídas das perdas de curto-circuito, obtém-se as perdas suplementares, (I _ ), que referem-se às perdas devido ao efeito pelicular e correntes parasitas no circuito de armadura mais as perdas locais no ferro produzidas pelo fluxo disperso da armadura. Perdas Perdas suplementares Corrente de armadura I _ =I VV I V

26 Perdas elétricas e Rendimento Perdas elétricas totais Equivale à soma de perdas rotacionais à vazio e perdas de curto circuito. Δp=pà +p Δp = perdas elétricas totais pà = perdas rotacionais à vazio p = perdas de curto-circuito pà =p b- +p a pà = perdas rotacionais à vazio p b- = perdas no ferro em circuito aberto p a = perdas por atrito e ventilação p =p` +p 3c p = perdas de curto-circuito p` = perdas ôhmicas no cobre p 3c = perdas suplementares

27 Exemplo de aplicação Os seguintes dados são tomados das características de circuito aberto e de curto-circuito de um gerador síncrono trifásico 45 kva, Y, 220 V, 6 polos, 60 Hz: a) Calcule o valor da indutância L AF. b) Calcule o valor da reatância síncrona saturada, da reatância síncrona não saturada e relação de curto-circuito. c) Se as perdas de curto-circuito da máquina são 1,80 kw, calcule o valor da resistência efetiva de armadura à temperatura de operação do enrolamento (75 C). d) Admitindo-se que as perdas rotacionais a vazio são 0,6 kw, calcule o rendimento nominal (estipulado 100% de carregamento e fator de potência 0,80 capacitivo).

28 Exemplo de aplicação Os seguintes dados são tomados das características de circuito aberto e de curto-circuito de um gerador síncrono trifásico 45 kva, Y, 220 V, 6 polos, 60 Hz: a) Calcule o valor da indutância L AF. L - = 2 E - e I - = 2 220/ 3 2π 60 2,84 =167,8 mh

29 Exemplo de aplicação Os seguintes dados são tomados das características de circuito aberto e de curto-circuito de um gerador síncrono trifásico 45 kva, Y, 220 V, 6 polos, 60 Hz: b) Calcule o valor da reatância síncrona saturada, da reatância síncrona não saturada e relação de curto-circuito. X 33 = V,! I lm = 220/ X 383 = E (67) = 202/ 3 I! = 0,836 Ω/fase = 0,988 Ω/fase RCC= I - ::; I -::: = 2,84 2,20 =1,29

30 Exemplo de aplicação Os seguintes dados são tomados das características de circuito aberto e de curto-circuito de um gerador síncrono trifásico 45 kva, Y, 220 V, 6 polos, 60 Hz: c) Se as perdas de curto-circuito da máquina são 1,80 kw, calcule o valor da resistência efetiva de armadura à temperatura de operação do enrolamento (75 C). R = p I! " = " =43,02 mω/fase

31 Exemplo de aplicação Os seguintes dados são tomados das características de circuito aberto e de curto-circuito de um gerador síncrono trifásico 45 kva, Y, 220 V, 6 polos, 60 Hz: d) Admitindo-se que as perdas rotacionais a vazio são 0,6 kw, calcule o rendimento nominal (estipulado 100% de carregamento e fator de potência 0,80 capacitivo). Δp=I`a +I = =2400 W P 3 = ,8 =36000 W η % = P 3 P 3 +Δp 100= =93,75%

32 Referências bibliográficas: FITZGERALD, KINGSLEY, UMANS; Máquinas Elétricas. 6 ed. Porto Alegre: Bookman, 2006, p