Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais

Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG) Departamento de Ensino de II Grau Coordenação do Curso Técnico de Eletrotécnica e Automação Industrial Disciplina: Prática de Laboratório de Máquinas Elétricas II Prof. Welington Passos de Almeida Prof. Colimar Marcos Vieira 2007

Índice Conteúdo 1ª Aula prática: Conteúdo Programático... 3 2ª Aula prática: Motor de Indução... 5 3ª Aula prática:motor de indução rotor bobinado... 7 4ª Aula prática :Partida Motor de indução... 10 5ª Aula prática :Ensaio rotor bloqueado... 12 6ª Aula prática : Ensaio a vazio motor de indução... 14 7ª Aula prática : Ensaio de carga motor de indução... 16 8ª Aula prática : Máquina Síncrona... 18 9ª Aula prática : Ensaio a vazio gerador síncrono... 20 10ª Aula prática : Ensaio em curto circuito gerador síncrono... 22 11ª Aula prática : Paralelismo geradores síncronos... 24 12ª Aula prática :Ensaio de carga motor síncrono... 26 IV BIBLIOGRAFIA:... 28 Máquinas Elétricas II Página 2

1ª Aula prática: Conteúdo Programático Assunto: Apresentação, objetivos gerais, conteúdo programático, bibliografia e avaliação. I APRESENTAÇÃO: Disciplina: Prática de Laboratório de Máquinas Elétricas II PLME II. Curso: Eletrotécnica e Automação Industrial Turma: 4º Módulo Carga Horária de 02 aulas semanais. II OBJETIVOS GERAIS: Ao final da disciplina o aluno será capaz de: 1. Identificar os componentes básicos da máquina assíncrona. 2. Executar os principais ensaios de laboratório em motores assíncronos. 3. Obter o circuito equivalente dos motores assíncronos a partir dos ensaios de laboratório. 4. Calcular o rendimento dos motores assíncronos a partir dos circuitos equivalentes obtidos nos ensaios e das condições de operação. 5. Determinar a regulação de velocidade dos motores assíncronos. 6. Identificar os componentes básicos da máquina síncrona. 7. Utilizar a terminologia específica empregada para a máquina síncrona. 8. Executar os principais ensaios de rotina da máquina síncrona. 9. Executar transferência de potência ativa e reativa entre geradores síncronos ligados a um barramento infinito. 10. Calcular o rendimento dos motores síncronos a partir dos ensaios e das condições de operação. III CONTEÚDO PROGRAMÁTICO: UNIDADE 1: MÁQUINAS ASSÍNCRONAS 1.1 Partes constituintes e aplicações. 1.2 Ensaio a vazio do motor de indução trifásico com o circuito de rotor aberto. 1.3 Medição da relação de transformação de um MIT, rotor bobinado. 1.4 Partida de um MIT, rotor bobinado. 1.5 Ensaio de rotor bloqueado de um MIT, rotor bobinado. Máquinas Elétricas II Página 3

1.6 Ensaio a vazio de um MIT, rotor bobinado. 1.7 Ensaio de carga de um MIT, rotor bobinado. UNIDADE 2: MÁQUINAS SÍNCRONAS 2.1 - Partes constituintes, emprego e aplicações. 2.2 - Partida de um motor síncrono. 2.3 - Ensaio a vazio de um gerador síncrono trifásico. 2.4 - Ensaio de curto-circuito de um gerador síncrono trifásico. 2.5 - Operação em paralelo de geradores síncronos trifásicos. 2.6 - Ensaio de carga do motor síncrono trifásico. 2.7 - Ensaio de carga do gerador síncrono trifásico. V AVALIAÇÃO: 1ª Avaliação escrita abrangendo os conteúdos das práticas de Máquinas de indução trifásica, valor: 30 pontos; 2ª Avaliação escrita abrangendo os conteúdos das práticas de máquinas síncronas, valor: 30 pontos; 3ª Avaliação escrita abrangendo os conteúdos das práticas de máquinas de indução trifásica e máquinas síncronas, valor: 40 pontos; 4ª Exame Especial, valor: 100 pontos: a) Avaliação da seqüência de ações para resolver um determinado problema, valor: 40 pontos; b) Avaliação da execução de ensaios e solução do problema, valor: 60 pontos Máquinas Elétricas II Página 4

2ª Aula prática: Motor de Indução Assunto: Introdução do motor de indução trifásico. Fundamentos Teóricos Um Campo magnético girante com amplitude constante e velocidade angular constante ocorre no estator da máquina de indução trifásica quando lhe é aplicada uma tensão trifásica com amplitude e freqüência constantes no seu enrolamento de armadura. Isto acontece por causa da composição vetorial das correntes circulantes em cada fase, que combinada com a posição geométrica dos enrolamentos da armadura (defasados de 120º geométricos) produz o campo magnético rotativo no sentido horário ou anti-horário, dependendo da seqüência de fases da tensão aplicada. A cada instante o fluxo mútuo resultante no entreferro da máquina (φ m ) desencadeia uma série de ações que faz a máquina operar equilibradamente em cada ponto de carga. O diagrama vetorial, a seguir, mostra o funcionamento equilibrado da máquina de indução trifásica para uma tensão senoidal instantaneamente positiva aplicada no enrolamento da armadura, isto é, com valores instantâneos no I e II quadrantes trigonométricos. Onde: V a = Tensão na armadura (amplitude e freqüência constantes) I a = Corrente na armadura (amplitude variável) θ a = Ângulo do fator de potência na armadura φ a = Fluxo na armadura (amplitude variável) E a = Tensão induzida na armadura (amplitude variável) E r = Tensão induzida no rotor (amplitude e freqüência variáveis) θ r = Ângulo do fator de potência no rotor I r = Corrente no rotor (amplitude e freqüência variáveis) φ r = Fluxo no rotor (variável) φ m = Fluxo mútuo resultante no entreferro (constante) As partes constituintes das máquinas de indução trifásica são: Máquinas Elétricas II Página 5

Carcaça Núcleo do estator ou da armadura Enrolamento do estator ou da armadura Eixo do rotor Núcleo do rotor Enrolamento do rotor: a) Bobinado ou enrolado; b) Gaiola de esquilo. Obs.: Quando o rotor é bobinado, a máquina exige anéis coletores, escovas, molas e porta escovas. A velocidade angular do campo magnético girante (N s ) a partir de: (N s = 120.f / P), onde N s é a velocidade angular ou velocidade síncrona (rpm), f é a freqüência da tensão do enrolamento da armadura e P é o número de pólos da máquina.. A diferença entre a velocidade síncrona do campo magnético girante e a velocidade efetiva do rotor é chamada de deslize ou de escorregamento (s): s(%) = [(N s N r ).100%] / N s, Onde: N r = Velocidade do rotor (rpm) s% = Escorregamento percentual A tensão, freqüência e a reatância do rotor dependem exclusivamente do escorregamento (s): f r = s. f, onde f r é a freqüência da tensão no rotor; E r = s. E bl, onde E r é Tensão induzida no rotor e E bl é a tensão induzida com o rotor bloqueado; X r = s. X bl, onde X r é a reatância do rotor e X bl é a reatância do rotor com rotor bloqueado. O número de pares de pólos é inversamente proporcional à velocidade angular se o período ou freqüência forem constantes. O número de pares de pólos é diretamente proporcional à freqüência se a velocidade for mantida constante. Máquinas Elétricas II Página 6

3ª Aula prática: Motor de indução rotor bobinado Assunto: Ensaio do MIT, rotor bobinado, com o circuito de rotor aberto. Fundamentos Teóricos Neste ensaio determina-se a potência de histerese e correntes de Foucault com circuito de rotor aberto (P hfcra ) desenvolvido pelo motor de indução trifásico para a condição de tensão e freqüência nominais aplicadas na armadura. A equação de tensão por fase do motor de indução trifásico é dada por: V af = Z af x I af + Z mf x I af Onde, V af = tensão na armadura por fase Z af = impedância de armadura por fase I af = corrente de armadura por fase Z mf = impedância de magnetização por fase A potência total com o circuito de rotor aberto (P tcra ) é dada por: P tcra = P hfcra + P rea Onde, P tcra = W 1 + W 2 = (3) 1/2. V a. I a. Cos θ a P hfcra = P tcra - P rea = 3. (V mf ) 2 / R mf Cos θ a = fator de potência da armadura V mf = tensão de magnetização por fase R mf = resistência de magnetização por fase P rea = potência nas resistências do enrolamento da armadura P rea = 3. R af. (I af ) 2 = 3/2 R linha. (I a ) 2 Onde, R af = resistência de armadura por fase R linha = resistência de armadura por linha Máquinas Elétricas II Página 7

Ω R af R Linha = 2 R af R af ou: R af R Linha R af = 2 A resistência de armadura por fase pode ser medida diretamente, se a conexão estrela ou triângulo for desfeita, caso contrário mede-se a resistência de linha e calcula-se a resistência de fase e corrige-se para a temperatura de trabalho (75ºC): (R af ) 75ºC = (R af ) ta [(234,5º + 75º) / (234,5º + ta)], Onde: (R af ) ta = resistência na temperatura ambiente (R af ) 75ºC = resistência na temperatura de 75 o C 234,5º = temperatura negativa no qual a resistência do cobre é praticamente igual a zero. Então, voltando à equação de potência total com o circuito de rotor aberto P tcra e isolando a variável potência de histerese e correntes de Foucault P hfcra teremos, P hfcra = P tcra - P rea ou P hfcra = W 1 + W 2-3 R af. I 2 af ou ainda P hfcra = [(3) 1/2. V a. I a. Cos θ a ] - [(3/2). R linha. (I a ) 2 ]. Este P hfcra é determinado para a tensão nominal aplicada na armadura V a e para a freqüência nominal da tensão aplicada na armadura f. Sabe-se que o P hf varia quadraticamente com a tensão aplicada na armadura e que o mesmo P hf varia linearmente com a freqüência aplicada na armadura, daí concluirmos que será possível determinar o desconhecido P hfx se a freqüência aplicada na armadura for mantida constante e a tensão aplicada na armadura V ax variar, teremos: (P hfcra / P hfx ) = [(V a ) 2 / (V ax ) 2 ] e isolando o valor do P hfx teremos a seguinte expressão: P hfx = [ P hfcra. ( V ax ) 2 ] / ( V a ) 2. Máquinas Elétricas II Página 8

Procedimentos 1 Medir a resistência de armadura por fase e corrigi-la para a temperatura de trabalho 75 0 C ; 2 Executar o diagrama de montagem: R W 1 S A V MIT V T W 2 3 Aplicar a tensão nominal e freqüência nominal no enrolamento da armadura e anotar as medições dos instrumentos: I a (A) I af (A) V a (V) V af (V) W 1 (W) W 2 (W) P tcra (W) E rl linha (V) E bl /fase (V) E bl = tensão do rotor por fase, com o rotor parado ou bloqueado. E rl = tensão do rotor de linha 4 Determinar P rea, P hf e a relação de transformação do MIT α MIT considerando as tensões de fase da armadura e do rotor. P rea (W) P hf (W) α MIT Máquinas Elétricas II Página 9

4ª Aula prática: Partida Motor de indução Assunto: Partida do MIT, rotor bobinado. Fundamentos Teóricos Neste ensaio vamos verificar a diminuição da corrente de partida do MIT, rotor bobinado, e a variação da velocidade do rotor em função da resistência inserida no circuito elétrico do rotor (R x ). Esta verificação será feita com o motor sem carga ou a vazio, mas este comportamento é geral e, portanto, válido também para o motor com carga. As equações base deste ensaio são: a) I r = E bl / [(R r + R x ) 2 + (S. X bl ) 2 ] 1/2, com a inserção de R x, a corrente I r diminui. b) Cos θ r = (R r + R x ) / [(R r + R x ) 2 + (S. X bl ) 2 ] 1/2, com a inserção de R x, o cos Θ r aumenta. c) T = K t. S. Ebl. I r. Cos θr = (K t. S. (E bl ) 2. (R r + R x )] / [(R r + R x ) 2 + (S. X bl ) 2 ], Com a inserção de R x, o torque aumenta e pode chegar até ao valor máximo, se (R r + R x ) = (S. X bl ). d) (S r / R r ) = S r+x / (R r + R x ), com a inserção de R x, o escorregamento aumenta. e) S r+x = (N s N r+x ) / N s, com o aumento do escorregamento S r+x, a velocidade N r+x diminui. 1 Medir a resistência do rotor por fase (R rf ); Procedimentos 2 Fazer a conexão do enrolamento da armadura para 220 V (Triângulo paralelo), de acordo com o diagrama de montagem a seguir: R S T I a MIT I r Reostato de Partida Máquinas Elétricas II Página 10

3 Ajustar o reostato de partida para a posição 0 (zero), ou seja, de máxima resistência inserida (R x ); 4 Acionar o motor de indução MIT, anotando as leituras das correntes máximas de partida na armadura e no rotor, em seguida, anotar as leituras das correntes em regime de marcha normal na armadura e no rotor e finalmente anotar a velocidade do rotor; 5 Ajustar o reostato de partida para a posição de trabalho 1 (um), ou seja, de resistência inserida igual a zero (R X = 0) e repetir o procedimento número quatro (4), preenchendo o quadro abaixo: Parâmetros Posição do Reostato de partida Ia ( máxima de partida ) [A] Ia ( regime de marcha normal ) [A] Ir ( máxima de partida ) [A] Ir ( regime de marcha normal ) [A] Nr [rpm] Nr+x [rpm] 6 Calcular o valor de R x para a velocidade N r+x. Máquinas Elétricas II Página 11

5ª Aula prática: Ensaio rotor bloqueado Assunto: Ensaio com rotor bloqueado do motor de indução trifásico de rotor bobinado. Fundamentos teóricos Este ensaio é executado para determinar a impedância equivalente referida à armadura por fase ( Z eraf ), a resistência equivalente referida à armadura por fase ( R eraf ) e a reatância equivalente referida à armadura por fase ( X eraf ) do motor de indução trifásico. O ensaio consiste-se em travar mecanicamente o eixo do rotor, que neste caso é feito através de um suporte metálico, e ao mesmo tempo curto circuitar os terminais do enrolamento do rotor, aplicando uma tensão reduzida ( V bl ) no enrolamento de armadura até que circule por ele a corrente nominal. Os wattímetros indicarão a potência total com rotor bloqueado ( P tbl ), isto é, P tbl = W 1 ± W 2, que é constituída pela potência de Histerese e Foucault com rotor bloqueado ( P hfbl ) e pela potência na resistência equivalente referida a armadura ( P rera ) ou P tbl = P rera + P hfbl, mas o P hfbl = P hfcra. (V bl / V nominal ) 2 utilizando dados do ensaio com o circuito de rotor aberto. Logo, P rera = P tbl - P hfbl e com este valor de P rera calcula-se o valor da resistência equivalente referida a armadura por fase: P rera = 3 * R eraf * ( I af ) 2 ou R eraf = P rera / [3. ( I af ) 2 ]. A impedância equivalente referida a armadura por fase é obtida da seguinte forma: Z eraf = V bl / I af, os valores da tensão V bl e da corrente devem ser valores de fase do ensaio. E finalmente, a reatância equivalente referida à armadura por fase é determinada: X eraf = ( Z eraf 2 - R eraf 2 ) 1/2. Com estes resultados é possível estimar, em um cálculo de primeira ordem, a reatância de dispersão da armadura por fase X af a partir da proporção ( X af / R af ) = ( X eraf / R eraf ), ou X af = ( R af. X eraf ) / R eraf ), determinando em seguida a reatância de rotor bloqueado por fase X bl, X eraf = X af + [( α mit ) 2. X bl ] ou X bl = ( X eraf - X af ) / ( α mit ) 2. Da mesma forma, a resistência do rotor por fase R rf também pode ser determinada, R eraf = R af + [( α mit ) 2. R rf ] ou R rf = [( R eraf - R af ) / ( α mit ) 2 ]. Máquinas Elétricas II Página 12

Procedimentos 1 Fazer a conexão do enrolamento da armadura para 220 V ( // ) e executar o diagrama de montagem: R W 1 S A V MIT Curto-circuito Reforçado T W 2 2 Bloquear o eixo do rotor e aplicar a tensão V bl no enrolamento da armadura até que circule por ele a corrente nominal, anotar as leituras dos instrumentos e fazer os cálculos: V bl (V) I a (A) I af (A) W 1 (W) W 2 (W) P tbl (W) P hfbl (W) P rera (W) P reraf (W) Z eraf (Ω) X eraf (Ω) X af (Ω) R rf (Ω) X bl (Ω) Máquinas Elétricas II Página 13

6ª Aula prática: Ensaio a vazio motor de indução Assunto: Ensaio a vazio do MIT, rotor bobinado. Fundamentos teóricos O ensaio a vazio é executado para determinar a potência rotacional ( P rot ) do motor de indução trifásico. O MIT é posto a girar a vazio de maneira que a potência total ( P t ) é constituída pela potência na resistência equivalente referida a armadura ( P rera ) e pela potência rotacional : P t = P rera + P rot, logo, P rot = P t - P rera = P t - [ 3. R eraf. (I af ) 2 ], Onde, P t é a leitura dos wattímetros no ensaio a vazio, P t = W 1 + W 2 ; R eraf é a resistência equivalente referida a armadura, por fase, obtida no ensaio de curto-circuito; e I af é corrente de armadura por fase no ensaio a vazio. Sabendo-se o valor da potência de Histerese e Foucault para tensão e freqüência nominais (P hfcra ), pode-se determinar a potência por atrito e ventilação ( P av ), pois P rot = P hfcra + P av ou P av = P rot - P hfcra. A potência por atrito e ventilação varia linearmente com a velocidade, daí ser possível corrigir o valor de P av para velocidades variadas. Máquinas Elétricas II Página 14

Procedimentos 1 Executar o diagrama de montagem considerando a conexão do enrolamento da armadura feita para 220 V ( // ); R W 1 S A V MIT Reostato de Partida T W 2 2 Acionar o motor de indução MIT a vazio, com tensão e freqüência nominais, ajustar o reostato de partida para a posição de trabalho 1, anotar as leituras dos instrumentos e fazer os cálculos: V a (V) I a (A) I af (A) W 1 (W) W 2 (W) P t (W) P rera W) P rot (W) P av (W) N r (rpm) Máquinas Elétricas II Página 15

7ª Aula prática: Ensaio de carga motor de indução Assunto: Ensaio de carga do MIT, rotor bobinado. Fundamentos teóricos Este ensaio é executado para determinar o rendimento percentual pelo método carga-escorregamento (AIEE) para os vários pontos de carga do MIT. Para isto é necessário ter o conhecimento da potência rotacional P rot, da resistência de armadura por fase R af, e da velocidade do rotor N r para o qual foi determinado o P rot. Ao fazer a leitura da potência ativa total da armadura P t, através dos dois wattímetros, será possível determinar a potência de entrada do rotor ou potência total do rotor P tr : P tr = P t 3.R af. ( I af ) 2, ou P tr = ( W 1 ±W 2 ) 3.R af. (I af ) 2, ou ainda P tr = [( 3. ( I r ) 2.R r ) / s], ou ainda mais, P tr = P rr + P dr para qualquer ponto de carga, onde P rr é a potência nas resistências do rotor, e P dr é a potência desenvolvida pelo rotor. A potência nas resistências do rotor é obtida a partir de P tr, ou seja, P rr = (s. P tr ), já a potência desenvolvida pelo rotor é obtida da seguinte forma: P dr = 3. Er. I r. cos Θ r = P tr (s. P tr ) ou P dr = P s + P rot, onde P s = potência de saída ou P s = P dr P rot, ou ainda P s = P tr (s. P tr ) - P rot. O rendimento percentual (η%) é então pontualmente determinado a partir de P s : η% = ( P s / P t ). 100%, ou η% = [( P dr P rot ).100% / ( W 1 ±W 2 )] ou ainda η% = {[ P tr (s. P tr ) - P rot ] / (W 1 ±W 2 )}. O fator de potência Cos θ é dado por Cos θ = {P t / [(3) 1/2.V a. I a ]}, ou Cos θ = {(W 1 ±W 2 ) / [(3) 1/2.V a. I a ]}. O torque de saída T s pode ser dado em N.m, T s = (9,55. P s ) / N r, onde a potência de saída é dada em Watt e a velocidade efetiva do rotor é dada em rpm. O torque de saída T s pode ser dado em lb-pé, T s = (7,0402. P s ) / N r, onde a potência de saída é dada em Watt e a velocidade efetiva do rotor é dada em rpm. Para determinar o rendimento percentual pelo método convencional (η% conv ) é necessário ter o conhecimento de P rot para sua velocidade N r correspondente, além disso, deve-se saber o valor da resistência equivalente referida à armadura por fase (R eraf ). Neste caso, a potência de saída P s " é dado por P s = P t - 3.R eraf. ( I af ) 2 - P rot ou P s = ( W 1 ±W 2 ) - 3.R eraf. ( I af ) 2 - P rot, logo η% conv = [( P s ).100% / P t ], ou η% conv = {[( W 1 ±W 2 ) - 3.R eraf.( I af ) 2 - P rot ].100% / ( W 1 ±W 2 )}. Máquinas Elétricas II Página 16

Procedimentos 1 Anotar os seguintes dados dos ensaios anteriores: P rot (W) R af (Ω) R eraf (Ω) N r (rpm) 2 Executar o diagrama de montagem considerando a conexão do enrolamento da armadura feita para 220 V ( // ); 3 Acionar o MIT, mecanicamente, acoplado ao gerador monofásico que por sua vez é conectado à carga elétrica. Variar por quatro vezes a carga até o valor nominal e anotar as leituras dos instrumentos de medição na tabela abaixo: V a (V) 220 220 220 220 I a (A) 6 7 8 8,8 I af (A) N r (rpm) P rot (W) S ( VA ) W 1 (W) W 2 (W) P t (W) 3.R af. ( I af ) 2 (W) P tr (W) P rr (W) P dr (W) P s (W) η% T s (N.m) T s (lb-pé) Cos θ 3.R eraf. ( I af ) 2 (W) P s (W) η% conv Máquinas Elétricas II Página 17

8ª Aula prática: Máquina Síncrona Assunto: Introdução da máquina síncrona trifásica Fundamentos teóricos A máquina síncrona trifásica tem característica mista em relação à natureza de corrente, pois é excitada por corrente contínua no enrolamento de campo magnético e é excitada por corrente alternada no enrolamento trifásico da armadura. A força magneto motriz resultante dessas duas correntes produz uma reação que é traduzida em um torque no eixo e em uma tensão induzida no enrolamento da armadura. As partes constituintes principais da máquina síncrona são: 1 Carcaça; 2 Núcleo do campo; 3 Enrolamento do campo; 4 Núcleo da armadura; 5 Enrolamento da armadura; 6 Anéis coletores e escovas; 7 Eixo do rotor; 8 Enrolamento amortecedor. A Máquina Síncrona se classifica em máquina síncrona de pólos salientes, que é empregada em atividades que exigem baixa rotação, ou em máquina síncrona de pólos não salientes que é empregada em atividades que exigem alta rotação. Estando a máquina sincronizada, verifica-se uma tensão aplicada na armadura por fase ( V af ) e uma tensão gerada por fase ( E gf ) na armadura. A corrente de armadura por fase ( I af ) que é solicitada, dependerá da diferença entre os vetores V af, já que a impedância síncrona de fase ( Z sf ) é constante para um determinado ponto de excitação. A equação vetorial das tensões do gerador síncrono trifásico é, portanto, E gf = V af + Z sf I af, e a equação vetorial de tensões do motor é V af = E gf + Z sf I af. Como esta máquina opera com velocidade constante ( síncrona ), a tensão E gf dependerá somente do fluxo do campo ( resultante ), podendo ocorrer três casos: a) E gf. Cos α = V af, campo magnético com excitação normal ( cos θ = 1 ) e E gf E gf Eresultante I af V af Máquinas Elétricas II Página 18

b) E gf. cos α > V af, campo magnético sobre excitado ( cos θ = capacitivo ) E gf E resultante I af V af c) E gf. cos α < V af, campo magnético sub excitado ( cos θ = indutivo ) E gf E resultante V af I af Máquinas Elétricas II Página 19

9ª Aula prática: Ensaio a vazio gerador síncrono Assunto: Ensaio a vazio do gerador síncrono trifásico. Fundamentos teóricos Para um gerador síncrono trifásico é válida a seguinte equação vetorial de tensões, por fase: E gf = V af + Z sf I af. No ensaio a vazio Iaf = 0, logo E gf = V af e não haverá reação alguma na armadura, utilizando-se apenas uma potência em corrente contínua para a magnetização do núcleo do campo magnético. Logo, a tensão gerada na armadura por fase, E gf = K t.φ.n, dependerá somente da intensidade do fluxo do campo magnético, uma vez que N, velocidade síncrona da máquina, é mantida constante. O ensaio a vazio se consiste em variar o fluxo do campo magnético a partir da corrente de campo igual a zero até chegar a um valor limite de corrente que produza a saturação do núcleo magnético e depois a corrente de campo é reduzida novamente até ser zerada. Procedimentos 1 Executar o diagrama de montagem a seguir: 2 Acionar o motor de corrente contínua mantendo a sua velocidade constante e igual a velocidade nominal síncrona do gerador; 3 Variar a corrente de campo, crescentemente, por dez vezes, a partir de zero até obter E g = 125% da tensão nominal, sendo que um dos pontos de variação deve ser E g = V nominal : E g (V) 288 E gf (V) I campo (A) 0 N (rpm) 1800 1800 Máquinas Elétricas II Página 20

4 Variar a corrente de campo, decrescentemente, por dez vezes, a partir de E g = 125%.V nominal até zerar a corrente de campo, sendo que um dos pontos deve ser E g = V nominal. E g (V) 288 E gf (V) I campo (A) 0 N (rpm) 1800 1800 5 Construir a curva de E gf = f(i campo ) em escala. Prever espaço para inserir duas ordenadas que serão obtidas após o ensaio de curto circuito: I af = f(i campo ) e Z sf = f(i campo ). Máquinas Elétricas II Página 21

10ª Aula prática: Ensaio em curto circuito gerador síncrono Assunto: Ensaio de curto-circuito do gerador síncrono trifásico. Fundamentos teóricos A tensão de armadura por fase V af é forçada a zerar quando os terminais da armadura são curto circuitados, ou seja, E gf = I af. Z sf, pois neste caso V af = o, desde que a velocidade do eixo da máquina seja mantida constante. A impedância síncrona por fase pontual será dada por Z af = E gf / I af, onde E gf é obtido no ensaio a vazio e I af é obtido neste ensaio de curto circuito para um mesmo ponto de excitação I campo. A reatância síncrona por fase será dada por X sf = [ ( Z sf ) 2 - ( R af ) 2 ] 1/2. Como a tensão induzida na armadura por fase E gf será sempre maior que a tensão nos terminais da armadura V af, a reação da máquina síncrona será desmagnetizante e a tensão gerada irá suprir apenas as perdas de potência internas da máquina síncrona. Procedimentos 1 Medir a resistência de armadura por fase R af e corrigi-la para a temperatura de 75ºC, o enrolamento da armadura é de cobre recozido esmaltado; 2 Fazer a conexão da armadura para 230V (YY) e curto circuitar os terminais de acordo com o diagrama de montagem: 3 Acionar o motor de corrente contínua com a velocidade constante e igual à velocidade síncrona do gerador; 4 Variar a corrente da armadura I a por dez vezes, até atingir o valor nominal, anotando as leituras dos instrumentos após cada variação; Máquinas Elétricas II Página 22

I af (A) 0,5 1 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 I campo (A) Z sf (Ω) X sf (Ω) 5 Calcular a impedância síncrona por fase Z sf considerando a curva de descida do gráfico da tensão gerada por fase E gf em função da corrente de campo I campo (método pessimista) obtido no ensaio a vazio, construir as curvas de I af = F(I campo ) e de Z sf = F (I campo ), no mesmo gráfico do ensaio a vazio e em escala. Máquinas Elétricas II Página 23

11ª Aula prática: Paralelismo dos geradores síncronos Assunto: Operação em paralelo de geradores síncronos trifásicos. Fundamentos teóricos Um barramento de potência infinita (BPI) é identificado por manter conectados vários geradores síncronos trifásicos em paralelo. Um sistema elétrico operando com o BPI tem pelo menos três vantagens: a) Possibilita a manutenção de geradores individuais, sem interromper o sistema; b) Aumenta a confiabilidade; c) Aumenta o rendimento operacional. Antes do gerador ser ligado ao BPI, é necessário que ele flutue no barramento, isto é, não forneça e nem receba potência sincronizante relativo ao próprio barramento. As condições de flutuação do gerador são: 1) Ter a mesma tensão eficaz do BPI; 2) Ter a mesma freqüência do BPI; 3) Ter a mesma seqüência de fases do BPI; 4) Ter as tensões em oposição de fase. Uma vez operando ligado ao BPI, a freqüência e a tensão de operação do gerador são fixadas pelo BPI, conduzindo a duas conseqüências: a) Haverá troca de potência sincronizante ativa, toda vez que houver uma tentativa de variação da freqüência da tensão gerada, mantendo assim a freqüência do BPI; b) Haverá troca de potência sincronizante reativa, toda vez que houver uma tentativa de variação da amplitude da tensão gerada, pela variação do fluxo de campo magnético, mantendo desta forma a tensão do BPI. Máquinas Elétricas II Página 24

1 Executar os diagramas de montagem: Procedimentos 2 Ligar os instrumentos no painel de sincronismo e girar, no console, o controle de campo do gerador síncrono e do motor de corrente contínua, totalmente, no sentido anti horário para garantir o fluxo máximo na partida do motor de corrente contínua, e o fluxo mínimo no gerador síncrono; 3 Ligar o painel de sincronização, acionar o motor de corrente contínua, ajustando a sua velocidade para a velocidade nominal do gerador síncrono, colocar a ficha de sincronização, tomada tipo de telefone que habilita o sincronoscópio, o freqüêncimetro e o voltímetro, correspondente da máquina a ser conectada. Ajustar a tensão, a freqüência e seqüência de fases da tensão gerada para que se igualem aos parâmetros registrados no BPI; 4 Ligar o sincronoscópio e atuar no circuito de campo do motor de corrente contínua até que ele registre a oposição de fases e neste momento ligar o disjuntor de conexão ao BPI e desligar o sincronoscópio; 5 Atuar cuidadosamente nos controles de campo, de forma que a máquina síncrona forneça ou receba de 0,5 KW de potência ativa em relação ao BPI, anotar as leituras dos instrumentos. Máquinas Elétricas II Página 25

12ª Aula prática: Ensaio de carga motor síncrono Assunto: Ensaio de carga do motor síncrono trifásico. Fundamentos teóricos A solicitação de carga ou o ângulo de torque do motor síncrono trifásico pode ser representado pelos graus elétricos (α ) ou pelos graus mecânicos (β), ambos relacionados com o número de pares de pólos da máquina síncrona: (α / β) = (P / 2), onde P é o número de pólos. A potência total (P t ) do motor síncrono trifásico é P t = [(3) 1/2.V a. I a. cos θ] ou P t = W 1 + W 2, que é constituída pela potência desenvolvida na armadura (P da ) e pela potência nas resistências do enrolamento da armadura (P rea ), onde P da = P s + P rot ou P da = [3. E gf. I af. cos(ângulo entre E gf e I af )] e ainda, P rea = (3/2). R linha. (I a ) 2 ou P rea = 3. R af. (I af ) 2. A perda de potência rotacional (P rot ) é obtido no ensaio a vazio, quando a potência de saída (P s ) é zero: P rot = P t P rea P s. Para o motor síncrono trifásico P rot é constante, pois a velocidade N s não varia. Para qualquer ponto de carga onde P s O, essa potência de saída é obtida facilmente através da seguinte equação: Ps = P t P rea P rot. O rendimento percentual ( η% ) é a razão entre a potência de saída e a soma da potência total P t com a potência desenvolvida no enrolamento de campo P campo, vezes 100%: η% = [( P s ). 100%] / ( P t + P campo ), onde P campo = V campo. I campo. O torque mecânico de saída (T s ) dado em N.m é dado por T s = (9,55 x P s ) / N s. Para um motor síncrono trifásico que opera com o fator de potência unitário, o ângulo de torque (α ), a tensão gerada por fase ( E gf ) e a potência desenvolvida podem ser calculados para qualquer ponto de carga, desde que se saiba os valores de R af e de X af : E gf = [(V af R af. I af ) 2 + (X sf.i af ) 2 ] 1/2 e α = arctg (X sf. I af ) / (V af R af. I af ). O motor síncrono trifásico que utiliza o enrolamento amortecedor deve ser acionado inicialmente como se fosse um motor de indução trifásico comum, aplicando-se uma tensão trifásica no seu enrolamento de armadura e em seguida, aplicando-se uma tensão contínua no seu enrolamento de campo magnético para sincronizá-lo, e finalmente ajustando-se essa corrente de campo magnético até obter a corrente mínima no enrolamento de armadura ou o fator de potência unitário nessa mesma armadura. Máquinas Elétricas II Página 26