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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
8/18/2019 Ensaio Maquina Sincrona
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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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Laboratórios da Máquina Síncrona – Introdução.
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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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Laboratórios da Máquina Síncrona – Introdução.
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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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Laboratórios da Máquina Síncrona – Introdução.
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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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Laboratórios da Máquina Síncrona – Introdução.
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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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Máquina Síncrona – Ensaios; 1ª parte – Máquina isolada da rede.
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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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Máquina Síncrona – Ensaios; 1ª parte – Máquina isolada da rede.
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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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