Ensaio Maquina Sincrona

8/18/2019 Ensaio Maquina Sincrona

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Universidade Técnica de Lisboa

Instituto Superior Técnico

Sistemas Electromecânicos

Ensaio da Máquina Síncrona

Laboratório de Máquinas Eléctricas

2005


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Índice

Ensaio da Máquina Síncrona...........................................................................3 A. 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


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Laboratórios da Máquina Síncrona – Introdução.

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Ensaio da Máquina Síncrona

A. 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.

p

f N 60= (1)

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 factoaparecerá 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:

I jX r V E sa )( ++= (2)

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.

O esquema equivalente, figura 1, resulta da equação 2.

Do esquema equivalente, ou da equação 2 pode deduzir-se o

diagrama fasorial da figura 2.V

I r a jX s

E

Figura 1. Esquema equivalente.


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V

I

j X s I

r a I

E

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-circuitoO 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

As 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 nafigura 10.


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Máquina SíncronaMotor de Corrente

Contínua

DC I

DC V CARGA

S W

DC P

DC DC

mot

I V

T P

≈

ω= P Q

Figura 10. Esquema de ligações das duas máquinas.

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 potênciaque o alimenta é perdida por efeito de Joule. Esta potência é relativamente pequena.

No circuito do indutor (terminais CD) regula-se a corrente de excitação através

da resistência de campo C R colocada em série com ele, Fig 11. Aumentando esta

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.

Legenda

A-B: Induzido do motor de corrente contínuaC-D: Excitação ou indutor da máquina decorrente contínuaRc: Resistência de campo

(Máquina ASEA 100Ω, 0,5A 25W)(Máquina SIEMENS 650Ω, 1A)

Dcc: Disjuntor de corrente contínua

O circuito do induzido (terminais AB) 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

Dcc RcA

C

D

Figura 11. Esquema de ligações do circuito indutor da

máquina de corrente contínua.

C D

A B

A1

+

−

A1


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V

A

Rectificador + Medidas

R

S

T

N

A

B

R

S

T

Autotransformador

+

-

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. A 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.

A 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

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

aplicada ao circuito de excitação e assim variar a corrente.

AJ

K

Rdt

Dcc+

-

(a)

CA D

J K

U V W

A

A2


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(b)

Figura 13. Excitação da máquina síncrona. (a) Divisor potenciométrico (b) Fonte de alimentação.

V2

A

Sistema de sincronização de

fogos girantes

R

S

T

A

A

V1

F

F

F

U

V

W

S

L1

L2 L3

Figura 14. Sistema de sincronização de fogos girantes.

Legenda

Dca: Disjuntor de corrente alternadaJ-K: Excitação da máquina síncronaRdt: Resistência de campo (Máquina ASEA 680Ω, 1,8A, 630 W)


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Máquina Síncrona – Ensaios; 1ª parte – Máquina isolada da rede.

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b) Mantendo a corrente de excitação da máquina síncrona constante, varie (diminua)a velocidade de rotação actuando no valor da tensão de alimentação da máquinade corrente contínua. Observe a frequência e a amplitude das tensões. Queconclui?

T3 - Ensaio em curto-circuito

A característica de curto-circuito é a função I = f ( I f ) com tensão nula aos terminais doinduzido.

Anule a corrente de excitação do alternador, mantendo o grupo à velocidade desincronismo.

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 A3). Obtenha a característica decurto-circuito aumentando gradualmente a corrente de excitação até um máximo de 120% da

corrente nominal no induzido (Bancadas 16 e A I N 3= ; Bancadas 14, 17 e 18 A I fN 74,1= ).

I f [A]

I cc [A]

T4 - Características exteriores

A 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 Rb. À velocidade de sincronismocoloque Rb 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. Variegradualmente a carga não

Figura 7. Carga resistiva.


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ultrapassando os valores nominais para a corrente respectiva. Anote o valor de corrente deexcitação.

Carga trifásica resistiva ESSELTE STUDIUM - É constituída por um conjuntotrifásico 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 atençãoum 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 Lb,que, no início, deverá estar com o menorentreferro possível (maior indutância,menor corrente do induzido). No resto

proceda como no caso da carga resistivautilizando o mesmo valor de correntede excitação.

Carga trifásica IndutivaESSELTE STUDIUM - É constituída

por um conjunto trifásico de bobinascom número de espiras fixo enroladassobre um núcleo magnético. Ocoeficiente de auto-indução é ajustadoactuando numa manivela que vai fazervariar um entreferro. Quando este formínimo é o coeficiente de auto-induçãomáximo e vice versa. É possível escolher um de dois números de espiras. Estão identificadoscomo 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, noinício, deve ser mínima (posições doscomutadores (0, 0)). Tenha o cuidado de nãoultrapassar a tensão nominal.

Carga trifásica capacitiva ESSELTESTUDIUM - É constituída por um conjuntotrifásico de condensadores que se podemintroduzir em paralelo aumentando a cargaatravés de dois comutadores com a mesma

capacidade de regulação. Não deveráultrapassar-se a tensão nominal desta carga.

Figura 8. Carga indutiva.

Figura 9. Carga capacitiva.


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Tabela de resultados das características exteriores

Carga resistiva Carga indutiva Carga capacitiva

I f = I f = I f = I [A] V [V] I [A] V [V] I [A] V [V]

A partir dos valores lidos nos ensaios anteriores, desenhe as características exteriorestodas no mesmo gráfico.


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Máquina Síncrona – Máquina isolada da rede de energia.

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