Ensaio da Máquina Síncrona

Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Sistemas Electromecânicos Ensaio da Máquina Síncrona Laboratório de Máquinas Eléctricas 2005

Índice Ensaio da Máquina Síncrona...3. Objectivos...3 B. Base teórica...3 Máquina isolada da rede...4 Ensaio em vazio...4 Ensaio em curto-circuito...4 Características exteriores...4 C. Esquema de ligações...4 C1. Máquina motriz...5 C2. Máquina síncrona...6 D - Ensaios...8 Máquina isolada da rede...8 Ensaio em vazio...8 T1 - Traçado da característica em vazio...8 T2 - Visualização das formas de onda geradas pela máquina....8 T3 - Ensaio em curto-circuito...9 T4 - Características exteriores...9 Fim dos ensaios...9 2

Laboratórios da Máquina Síncrona Introdução. Ensaio da Máquina Síncrona. Objectivos Mostrar o funcionamento da máquina síncrona como gerador isolado. Determinar os parâmetros desta máquina. Efectuar a manobra de paralelo com a rede. Mostrar as características de funcionamento em paralelo com a rede. B. Base teórica No estator das máquinas síncronas encontra-se alojado o enrolamento trifásico do induzido que é percorrido por um sistema trifásico de correntes. No rotor encontra-se o indutor que é percorrido por corrente contínua. Em funcionamento normal, esta máquina gira a velocidade constante que é determinada pela frequência de alimentação f e pelo número de pares de pólos p. f N = 60 (1) p Em funcionamento como gerador e isolado da rede, é necessário controlar a velocidade da máquina motriz de forma a obter-se velocidade e frequência constantes em qualquer regime de carga. Quando se usar esta máquina ligada a uma rede eléctrica de potência muito superior, como a frequência da rede é constante, a velocidade de rotação da máquina também será constante. Com o rotor em movimento a corrente no indutor criará um campo magnético girante. Por esse facto aparecerá um sistema trifásico de forças electromotrizes E no induzido. Esta força electromotriz designa-se por força electromotriz em vazio. Quando haja possibilidade de se fecharem correntes pelo induzido, aparecerá então um outro campo girante, síncrono com o primeiro. Pode então escrever-se a seguinte equação na convenção gerador e em regime permanente sinusoidal quando a máquina apresenta rotor cilíndrico: E = V + ( r + jx I (2) a s ) Onde: V - tensão aos terminais duma fase do induzido, I - Corrente numa fase do induzido, r a - resistência duma fase do induzido, X s - reactância síncrona. jx s r a I O esquema equivalente, figura 1, resulta da equação 2. E V Do esquema equivalente, ou da equação 2 pode deduzir-se o diagrama fasorial da figura 2. Figura 1. Esquema equivalente. 3

Laboratórios da Máquina Síncrona Introdução. E jx s I V r a I I Figura 2. Diagrama fasorial. Máquina isolada da rede Neste trabalho realizam-se os ensaios em vazio, em curto-circuito e determinam-se as características exteriores. Ensaio em vazio O Ensaio em vazio é efectuado com os enrolamentos do induzido em aberto. Mantém-se a velocidade de rotação constante e varia-se a corrente de excitação I f. Obtém-se a tensão aos terminais em função da corrente de excitação. Como I=0, E = V e portanto, neste ensaio, determina-se a relação entre E e I f. Ensaio em curto-circuito O ensaio em curto-circuito é efectuado com os enrolamentos do induzido curto-circuitados. Neste caso V=0. Obtém-se a corrente do induzido (em c.c.) em função da corrente de excitação. Com os resultados do ensaio em vazio e do ensaio em c.c. é possível determinar a reactância síncrona da máquina. Características exteriores s características exteriores são obtidas a velocidade constante e corrente de excitação constante, variando a impedância que se encontra aos terminais do gerador e medindo as correntes e as tensões aos terminais. Podem distinguir-se três casos mais simples: Carga resistiva pura Carga indutiva pura Carga capacitiva pura Um gerador eléctrico é uma máquina que transforma energia mecânica em energia eléctrica. Neste trabalho de laboratório utiliza-se uma máquina de corrente contínua como máquina motriz, fornecendo potência mecânica ao gerador síncrono através do veio mecânico. O esquema de ligações encontra-se representado na figura 10. 4

Laboratórios da Máquina Síncrona Introdução. I DC S W VDC Motor de Corrente Contínua Máquina Síncrona CRG P DC P mot = Tω P Q V DC DC Figura 10. Esquema de ligações das duas máquinas. I C1. Máquina motriz Um motor de corrente contínua é composto por dois circuitos eléctricos cujos terminais se encontram reunidos numa única placa de bancada, conforme esquema. O circuito de excitação, ou indutor, é um circuito passivo destinado a criar o campo magnético no entreferro. Não há conversão electromecânica de energia neste circuito. Toda a potência que o alimenta é perdida por efeito de Joule. Esta potência é relativamente pequena. C 1 D No circuito do indutor (terminais CD) regula-se a corrente de excitação através da resistência de campo R colocada em série com ele, Fig 11. umentando esta C B resistência diminui aquela corrente e vice-versa. Em todos os ensaios que realizar, neste trabalho, mantenha constante o valor de corrente de excitação desta máquina. Por razões de segurança, esta corrente nunca deve ser interrompida durante o funcionamento da máquina. Por essa razão não existem fusíveis intercalados no circuito que a alimenta. Deverá ser o primeiro circuito a ser ligado e o último a ser desligado. Dcc + Rc C 1 D Figura 11. Esquema de ligações do circuito indutor da máquina de corrente contínua. Legenda -B: Induzido do motor de corrente contínua C-D: Excitação ou indutor da máquina de corrente contínua Rc: Resistência de campo (Máquina SE 100Ω, 0,5 25W) (Máquina SIEMENS 650Ω, 1) Dcc: Disjuntor de corrente contínua O circuito do induzido (terminais B) é o circuito principal da máquina, onde ocorre a conversão electromecânica de energia e no qual a potência em jogo é a mais importante. O esquema de ligações encontra-se na figura 12. O circuito do induzido é alimentado com uma fonte de tensão ajustável, construída com um autotransformador com regulação de tensão em carga e uma ponte de rectificação a díodos. Para simplificar as montagens, o voltímetro e amperímetro que medem os valores de tensão e corrente do lado contínuo foram integrados na montagem da ponte de rectificação bem como a necessária protecção que é realizada com um fusível, Fig 12 5

Laboratórios da Máquina Síncrona Introdução. R S T N D C utotransformador R S T 2 V Rectificador + Medidas + - B Figura 12. Esquema de ligações do circuito do induzido da máquina de corrente contínua. Neste trabalho mantém-se a corrente de excitação constante. Neste caso, a velocidade de rotação é aproximadamente proporcional à tensão de alimentação. corrente absorvida no induzido é proporcional ao binário desenvolvido no veio. Para se ajustar a velocidade nos valores pedidos deverá aumentar-se progressivamente a tensão aplicada ao induzido actuando para isso no cursor do autotransformador. C2. Máquina síncrona. máquina síncrona também é constituida por dois enrolamentos; um monofásico colocado no rotor (terminais JK) e um trifásico colocado no estator (terminais UVW). Estes terminais encontram-se reunidos numa única placa de bancada, cujo esquema se representa na Fig. 13. Na mesma placa encontra-se ainda montado um amperímetro para leitura da corrente do enrolamento JK. O circuito do indutor (terminais JK) é alimentado com corrente contínua de amplitude ajustável. Para isso, utiliza-se uma montagem diferente da utilizada no circuito de excitação da máquina de corrente contínua. Esta nova montagem designa-se por divisor de tensão potenciométrico e J K encontra-se representada na figura 13. Permite ajustar a corrente de excitação entre o zero e um valor máximo. Nas máquinas da Leroy Somer utiliza-se uma fonte de alimentação projectada para este efeito. Esta fonte de alimentação dispõe de um cursor que permite variar a tensão U V W aplicada ao circuito de excitação e assim variar a corrente. + - Dcc Rdt J K (a) 6

Laboratórios da Máquina Síncrona Introdução. (b) Figura 13. Excitação da máquina síncrona. (a) Divisor potenciométrico (b) Fonte de alimentação. L1 Sistema de sincronização de fogos girantes V1 L2 L3 V2 R F U S F V T S F W Legenda Figura 14. Sistema de sincronização de fogos girantes. Dca: Disjuntor de corrente alternada J-K: Excitação da máquina síncrona Rdt: Resistência de campo (Máquina SE 680Ω, 1,8, 630 W) 7

Máquina Síncrona Ensaios; 1ª parte Máquina isolada da rede. D - Ensaios Máquina isolada da rede Ensaio em vazio Os terminais UVW da máquina síncrona deverão estar em aberto. Ligue um voltímetro de bancada entre dois dos terminais UVW da máquina síncrona. T1 - Traçado da característica em vazio característica em vazio define-se como a função V = f(i f ) com corrente I=0 no induzido, sendo V a tensão aos terminais da máquina e I f a sua corrente de excitação. Efectue as ligações conforme o esquema e não ligue qualquer tipo de carga ao gerador síncrono. Ligue o disjuntor de corrente contínua ( D CC ). Certifique-se de que a máquina de corrente contínua tem corrente de excitação (amperímetro 1) e regule a excitação da máquina síncrona de forma a que a corrente de excitação (amperímetro 3) seja nula. Certifique-se de que o cursor do autotransformador se encontra na sua posição mínima e ligue o disjuntor de corrente alternada ( D ). C Proceda ao arranque do motor de accionamento e leve-o à velocidade de sincronismo da máquina síncrona para a frequência nominal (1500 rpm, para as máquinas a ensaiar). Esta velocidade deverá ser mantida ao longo dos ensaios. ctuando na excitação da máquina síncrona, aumente progressivamente a corrente de excitação e obtenha a característica V=f(I f ) em primeiro para valores sempre crescentes (não ultrapasse 500 V) e em seguida para valores sempre decrescentes. Note que, para I f =0, se obtém V 0. Justifique. scendentes Descendentes I f [] V [V] I f [] V [V] T2 - Visualização das formas de onda geradas pela máquina. Utilizando um sistema de isolamento galvânico e um osciloscópio visualize as formas de onda das tensões entre as fases da máquina síncrona (terminais UVW) nas seguintes condições: a) Mantendo a velocidade de rotação constante, varie a corrente de excitação da máquina síncrona. Observe a frequência e a amplitude das tensões. Que conclui? 8

Máquina Síncrona Ensaios; 1ª parte Máquina isolada da rede. b) Mantendo a corrente de excitação da máquina síncrona constante, varie (diminua) a velocidade de rotação actuando no valor da tensão de alimentação da máquina de corrente contínua. Observe a frequência e a amplitude das tensões. Que conclui? T3 - Ensaio em curto-circuito característica de curto-circuito é a função I = f(i f ) com tensão nula aos terminais do induzido. nule a corrente de excitação do alternador, mantendo o grupo à velocidade de sincronismo. Curto-circuite os terminais do induzido, curto-circuitando os terminais RST. Com a pinça amperimétrica leia a corrente de curto-circuito aos terminais da máquina e a correspondente corrente de excitação (amperímetro 3). Obtenha a característica de curto-circuito aumentando gradualmente a corrente de excitação até um máximo de 120% da corrente nominal no induzido (Bancadas 16 e I N = 3 ; Bancadas 14, 17 e 18 I fn = 1, 74 ). I f [] I cc [] T4 - Características exteriores característica exterior é a função V = f(i) traçada para I f constante, mas não nula, para um determinado tipo de carga. Estas características são obtidas mantendo a velocidade de rotação constante. Em todos os tipos de carga tenha o cuidado de verificar e ajustar a velocidade de rotação. Não exceda a tensão nominal. Carga resistiva Ligue a carga em estrela. Efectue a ligação da carga resistiva R b. À velocidade de sincronismo coloque R b no seu valor máximo (circuito aberto; comutadores na posição (0,0)) e regule a excitação para que se obtenha uma tensão composta em vazio de 200V. Varie gradualmente a carga não Figura 7. Carga resistiva. 9

Máquina Síncrona Ensaios; 1ª parte Máquina isolada da rede. ultrapassando os valores nominais para a corrente respectiva. note o valor de corrente de excitação. Carga trifásica resistiva ESSELTE STUDIUM - É constituída por um conjunto trifásico de resistências que se podem introduzir em paralelo aumentando a carga através de dois comutadores, um de regulação fina e o outro de regulação grossa. Deve ter-se em atenção um outro comutador que selecciona a tensão máxima que o conjunto pode suportar (380/220V) ou (220/127V). Coloque este cursor na posição (220V/127V). Carga indutiva Ligue a carga em estrela. Efectue a ligação da carga indutiva L b, que, no início, deverá estar com o menor entreferro possível (maior indutância, menor corrente do induzido). No resto proceda como no caso da carga resistiva utilizando o mesmo valor de corrente de excitação. Carga trifásica Indutiva ESSELTE STUDIUM - É constituída por um conjunto trifásico de bobinas com número de espiras fixo enroladas sobre um núcleo magnético. O coeficiente de auto-indução é ajustado actuando numa manivela que vai fazer variar um entreferro. Quando este for Figura 8. Carga indutiva. mínimo é o coeficiente de auto-indução máximo e vice versa. É possível escolher um de dois números de espiras. Estão identificados como 220V ou 380V. Neste trabalho vamos utilizar o enrolamento designado por (220V). Carga capacitiva Ligue a carga em estrela. Repita os ensaios anteriores para carga capacitiva C b, que, no início, deve ser mínima (posições dos comutadores (0, 0)). Tenha o cuidado de não ultrapassar a tensão nominal. Carga trifásica capacitiva ESSELTE STUDIUM - É constituída por um conjunto trifásico de condensadores que se podem introduzir em paralelo aumentando a carga através de dois comutadores com a mesma capacidade de regulação. Não deverá ultrapassar-se a tensão nominal desta carga. Figura 9. Carga capacitiva. 10

Máquina Síncrona Ensaios; 1ª parte Máquina isolada da rede. Tabela de resultados das características exteriores Carga resistiva Carga indutiva Carga capacitiva I f = I f = I f = I [] V [V] I [] V [V] I [] V [V] partir dos valores lidos nos ensaios anteriores, desenhe as características exteriores todas no mesmo gráfico. 11

Máquina Síncrona Máquina isolada da rede de energia. 12