FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO INTEGRADO II Experiência 08: GERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO FUNCIONAMENTO E ENSAIOS: VAZIO CURTO CIRCUITO E REGULAÇÃO Prof. Norberto Augusto Júnior
1- Objetivos Compreender o princípio de funcionamento do gerador síncrono, acionado por uma máquina motriz com rotação constante. Realizar ensaios de vazio e rotor bloqueado e determinar a impedância síncrona. Verificar o comportamento da tensão gerada para os diversos tipos de carregamentos, através do gráfico da Característica Externa, (Va x Ia), para corrente de excitação If constante e da Característica de Excitação ou de Regulação (Ia x If) para Va constante. As características são analisadas para os diversos tipos da corrente de carga (resistiva, indutiva ou capacitiva) 2- Introdução Teórica A quase totalidade dos geradores elétricos, ou seja, de pequenas potências para as atividades rurais e de lazer seja os grandes geradores das centrais de geração de energia elétrica, tais como hidrelétricas, térmicas, nucleares, etc. possuem o gerador síncrono como principal conversor de energia mecânica em energia elétrica. Os geradores síncronos convertem a energia mecânica proveniente da máquina acionante, por exemplo, das turbinas hidráulicas nas usinas hidroelétricas, das turbinas à gás das centrais térmicas ou ainda das turbinas á vapor das centrais nucleares em energia elétrica. Afim de que a freqüência da tensão gerada permaneça rigorosamente constante a rotação das turbinas é controlada por um regulador de velocidade que ajusta a entrada da água, vapor ou gás dependendo do tipo do respectivo acionador necessário para a conversão da potência mecânica em elétrica. Para que a tensão gerada seja constante, para qualquer tipo de carga, um regulador de tensão ajusta a corrente de campo, dependendo do valor e do tipo da carga, resistiva, indutiva ou capacitiva. Para a geração da FEM em uma bobina é necessário que os condutores estejam em movimento e cortem linhas de campo magnético de induções. A figura esquematiza a geração da FEM em um condutor imerso no campo magnético e a respectiva força contrária ao movimento, produzido por uma corrente, caso a respectiva FEM gerada alimentar uma carga. r r r F = i B l r r r e = v B l ou ou F = i B l e = v B l 2
USJT FTCE Lab. Integr. II Gerador Síncrono Funcionamento e Ensaios: Vazio Curto Circuito e Regulação Prof. Norberto Augusto Jr. Equação da Força desenvolvida no condutor de comprimento l (m) Equação da FEM induzida no Condutor de comprimento l(m) A tensão gerada depende da velocidade relativa do deslocamento dos condutores no campo magnético e da intensidade do fluxo magnético. Demonstra-se que; f ( Hz ) = e N ( rpm) p ( pólos) 120 Va (V ) = 4,44 f ( Hz ) Nespiras φ (Weber ) = K N (rpm) I f (Weber ) A disposição do campo magnético para os pequenos geradores síncronos, com potências limitadas a 20 kva é no estator, ou seja, de pólos fixos, semelhante a construção do máquina C.C. Todavia para os geradores de média e grande potencia, devido da maior simplicidades de construção é no rotor, ou seja, de pólos girantes. Os pólos girantes são construídos na configuração de pólos salientes, normalmente para máquinas de baixas velocidades, quando acionados por turbinas hidráulicas ou de pólos lisos, para os geradores de alta velocidade, quando, por exemplo, são acionados por turbinas a gás ou vapor. As figuras ilustram os tipos de construção dos pólos girantes. Construção de Pólos Salientes Construção de Pólos Lisos 3
Estator de Gerador Síncrono Trifásico Gerador Síncrono acionado por Turbina à Vapor Rotor de Pólos Salientes - Baixas Velocidades Rotor de Pólos Lisos - Altas Velocidades 4
Gerador Síncrono de Pólos Lisos Gerador Síncrono de Pólos Salientes Para os geradores trifásicos de pólos girantes, a característica construtiva do estator é idêntica ao do motor assíncrono, ou seja, três bobinas idênticas, defasadas no espaço de 120º. O rotor é constituído por bobinas que percorridas pela corrente contínua de excitação, I F, produzem o campo magnético do rotor que cortam os condutores do estator (armadura) e produzem a FEM em cada bobina e defasadas de 120º. As figuras ilustram as tensões geradas em um gerador trifásico de pólos girantes para dois instantes diferentes. 5
Quando o gerador síncrono fornece energia elétrica para a carga, as correntes trifásicas que percorrem as bobinas do estator possuem duas componentes. Uma ativa portadora da potência elétrica, que é convertida em trabalho, por exemplo, energia elétrica em mecânica (motores), energia elétrica em luminosa (lâmpadas) e a outra componente reativa devido aos campos magnéticos (bobinas dos motores) e elétricos (capacitores) das cargas. A energia vinculada a essa componente reativa flutua na linha. O gerador envia energia para a carga que armazenada nos campos elétricos ou magnéticos e em seguida a energia é devolvida para o gerador. A energia reativa só ocorre no sistema elétrico e não é efetivamente transformada em trabalho. Mesmo assim, as instalações devem ser projetas para a flutuação entre gerador/carga. A potência total (S em Volt Amper) é a soma da potência ativa (P em Watts) e da potência reativa (Q em Volt Amper Reattivo). O ângulo φ é angulo da impedância Z da carga, da defasagem entre as componentes ativa e reativa de corrente ou ainda da defasagem entre as componentes ativa e reativa da potência. A potência total é determinada por: S P + jq = = S /φ. O fator de potência é o cosseno de φ ou FP = cosφ Convencionou-se que a potência reativa indutiva é positiva e a potência reativa capacitiva negativa e representada pelos triângulos de potência. 6
A) Triângulo de Potência para Carga de Característica Capacitiva S = Potência Aparente (Volt Amper) φ Potência Reativa (Volt Amper Reativo) Potência Ativa (Watts) B) Triângulo de Potência para Carga de Característica Indutiva S = Potência Aparente (Volt Amper) φ Potência Reativa (Volt Amper Reativo) Potência Ativa (Watts) As correntes trifásicas circulando no enrolamento trifásico da armadura produzem um campo magnético girante, e que para melhor compreensão é decomposto em dois campos, um alinhado com os pólos do rotor e outro defasado de 90º elétricos dos pólos com os seguintes efeitos: 1) A componente da corrente ativa da carga produz um campo magnético que se posiciona à 90º elétricos do campo principal do rotor e produz um torque resistente que se opõe ao movimento e proporcional a intensidade dessa componente de corrente. O regulador de velocidade controla a alimentação do fluido (água, vapor, gás, etc.) na máquina motriz e garante a rotação constante para qualquer carga. 2) A componente da corrente reativa da carga produz um campo magnético que se posiciona alinhado com o campo principal do rotor. Caso a corrente reativa for do tipo indutivo, a componente do campo magnético da armadura é oposta ao campo principal, produzindo desmagnetização e como conseqüência forte queda de tensão gerada. Caso a carga for do tipo capacitivo a componente do campo magnético da armadura é no mesmo sentido ao do campo principal, magnetizando os pólos do gerador e portanto aumento da tensão gerada. O efeito do comportamento magnetizante ou desmagnetizante da carga é refletido na queda de tensão do parâmetro reatância síncrona, Xs do gerador síncrono. O regulador de tensão controla a corrente de campo de modo a ajustar o fluxo magnético do campo de modo que para qualquer tipo de carga, resistiva, indutiva ou capacitiva a tensão gerada seja constante. 7
3. Circuito Equivalente da Máquina Síncrona por fase: O gerador síncrono apresenta o seguinte circuito equivalente por fase: Equação de Funcionamento do Gerador Síncrono: E F = Vt + j.zs.ia Vt + j.xs.ia pois, R A << X S e Zs X S Nota: A tensão da armadura E F depende do ajuste da corrente de excitação I F. 4. Ensaios de Vazio (Circuito Aberto) e Rotor Curto Circuito 8
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5. Característica Externa A característica externa é a curva que apresenta para um determinado fator de potência da carga a tensão gerada na armadura pela corrente de armadura, mantendo constantes a corrente de campo e a rotação. A tensão gerada irá variar dependendo do nível da carga e do tipo carga. As cargas indutivas produzem campos magnéticos fortemente desmagnetizantes e, portanto o gerador apresenta as maiores de quedas de tensão. Por outro lado as cargas capacitivas produzem campos magnetizantes e a tensão gerada poderá inclusive ser superior a tensão de vazio. Os aspectos das curvas de tensão gerada em função da corrente de carga, para as diversas cargas, é ilustrado na figura. V 0 Linha de V T Define-se regulação percentual de tensão a variação de tensão, entre vazio V 0 e plena carga V T em relação a tensão de vazio V 0, ou seja: V Re g(%) = V V 0 T Assim, para as cargas resistivas, fator de potência unitário e para as cargas indutivas, fator de potência menor que a unidade, todavia indutivo, a tensão em carga é menor que a tensão de vazio e a regulação são positivas. Todavia, para as cargas capacitivas a tensão em carga poderá ser superior a tensão de vazio e a regulação ser negativa. 0 100 10
6. Características de Excitação ou de Regulação A característica de Excitação ou de Regulação é a curva que apresenta para um determinado fator de potência da carga a corrente de campo pela corrente de armadura, mantendo constantes a tensão gerada e a rotação. A corrente de campo irá variar dependendo do nível da carga e do tipo carga. As cargas indutivas produzem campos magnético fortemente desmagnetizantes e portanto a corrente de campo apresenta as maiores valores para compensar essa desmagnetização e evitar a queda de tensão. Por outro lado, as cargas capacitivas produzem campos magnetizantes e a corrente de campo deverá ser diminuída afim de evitar aumentos da tensão gerada. Observe que para manter a tensão gerada constante quanto mais capacitiva for a carga menor é a corrente de campo para o mesmo valor da corrente de carga. Para carga indutiva o efeito é contrário. Os aspectos das curvas da corrente de campo em função da corrente de carga, para as diversas cargas, é ilustrado na figura. 7. Parte Prática: 7.1) Anotar os dados de placa do Gerador Síncrono; 7.2) Anotar as Resistências de Campo e de Armadura do gerador síncrono Temperatura: Rf = Ω Ra = Ω (FASE) 11
7.3) Ensaio em Vazio: Montar o conjunto de máquinas constituídas de um motor trifásico CA, controlado por inversor controle vetorial sensorless (P202=3) acionando gerador síncrono trifásico em vazio conforme o diagrama abaixo; Nota: Ajuste em P003 a rotação do motor de indução para 1800rpm Registre os valores de Tensão e Corrente de Campo como segue; 1) N= 1.800 rpm (P003 =1.800rpm) Va (V) I F (A) 0 30 60 90 120 150 180 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 Freq. (Hz) 2) N= 1.500 rpm (P003 =1.500rpm) Va (V) I F (A) 0 30 60 90 120 150 180 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 Freq. (Hz) 12
7.4) Ensaio em Curto circuito: Montar o conjunto de máquinas constituídas de um motor trifásico CA, controlado por inversor controle vetorial sensorless (P202=3) acionando gerador síncrono trifásico em curto circuito conforme o diagrama abaixo; Nota: Ajuste em P003 a rotação do motor de indução para 1800rpm Registre os valores de corrente de Armadura e Corrente de Campo como segue; Ia (A) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I F (A) Zero 7.5) Característica Externa Montar o conjunto de máquinas constituídas de um motor trifásico CA, controlado por inversor controle vetorial sensorless (P202=3) acionando gerador síncrono trifásico em curto circuito conforme o diagrama abaixo; Nota: Ajuste em P003 a rotação do motor de indução para 1800rpm 13
Ajuste a corrente de campo do gerador síncrono para tensão de armadura de Va = 220 V em vazio e rotação de 1.800 rpm. Registre os valores de corrente de Armadura e Corrente de Campo como segue; A) Carga Resistiva Anote os valores na tabela abaixo, mantenha a rotação constante em 1.800 rpm e o campo do gerador síncrono constante. I F = A - Constante N = 1.800 rpm - Constante Carga Resistiva Va (V) Ia (A) P (kw) Q (kvar) F.P. Posição 0 220 Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4 Posição 5 B) Carga de Característica Indutiva (Resistiva + Indutiva) Anote os valores na tabela abaixo, mantenha a rotação constante em 1.800 rpm e o campo do gerador síncrono constante. I F = A - Constante N = 1.800 rpm - Constante 14
Carga Resistiva Va (V) Ia (A) P (kw) Q (kvar) F.P. Posição 0 220 Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4 Posição 5 B) Carga de Característica Capacitiva (Resistiva + Capacitiva) Anote os valores na tabela abaixo, mantenha a rotação constante em 1.800 rpm e o campo do gerador síncrono constante. I F = A - Constante N = 1.800 rpm - Constante Carga Resistiva Va (V) Ia (A) P (kw) Q (kvar) F.P. Posição 0 220 Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4 Posição 5 7.6) Característica de Excitação ou de Regulação A) Carga Resistiva Anote os valores na tabela abaixo, mantenha a rotação constante em 1.800 rpm e o campo do gerador síncrono constante. Va = 220 V - Constante N = 1.800 rpm Constante 15
Carga Resistiva Va (V) Ia (A) P (kw) Q (kvar) F.P. Posição 0 220 Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4 Posição 5 B) Carga de Característica Indutiva (Resistiva + Indutiva) Anote os valores na tabela abaixo, mantenha a rotação constante em 1.800 rpm e o campo do gerador síncrono constante. 220 V - Constante N = 1.800 rpm Constante Carga Resistiva Va (V) Ia (A) P (kw) Q (kvar) F.P. Posição 0 220 Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4 Posição 5 B) Carga de Característica Capacitiva (Resistiva + Capacitiva) Anote os valores na tabela abaixo, mantenha a rotação constante em 1.800 rpm e o campo do gerador síncrono constante. Va = 220 V - Constante N = 1.800 rpm Constante Carga Va (V) Ia (A) P (kw) Q (kvar) F.P. Posição 0 220 Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4 Posição 5 16
Relatório: 1) Apresentar as curvas características de magnetização do Gerador Síncrono (V a X I F ) nas rotações de 1800 rpm e 1500 rpm. Indicar a Reta do entreferro nas duas curvas 2) Apresentar a curva característica de curto circuito do Gerador Síncrono (I a X I F ) na rotação de 1800 rpm. 3) Apresentar a curva característica da impedância síncrona do Gerador Síncrono (Z S X I F ) na rotação de 1800 rpm. Determinar a impedância síncrona não saturada. 4) Apresentar as curvas de Característica Externa do Gerador Síncrono. Para a carga nominal, Calcule a regulação de tensão para cada uma das cargas. Justifique os aspectos. 5) Apresentar as curvas de Característica de Excitação ou de Regulação do gerador síncrono. Justifique os aspectos. 6) Qual a finalidade do regulador de velocidade da máquina acionante (motriz)? 7) Qual a finalidade do regulador de tensão do gerador síncrono? Bibliografia: Livro: Fundamentos de Máquinas Elétrica Autor Vicent Del Toro - PHB Livro: Máquinas Síncronas Autor Rubens Guedes Jordão LTC / USP Livro: Principles of Electric Machines and Power Eletronics Autor P.C. Sen John Wiley & Sons 17