2ª EXPERIÊNCIA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

4ª EXPERIÊNCIA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS
Título : Máquina Síncrona ( Gerador )
Objetivos :
I) Estudar o comportamento de um gerador síncrono através dos ensaios em vazio e em curtocircuito.
II) Determinar experimentalmente os valores das reatâncias associadas aos eixos direto e quadratura da
máquina síncrona.
III) Verificar as características de carga e de regulação de tensão de um gerador síncrono.
Material Utilizado:
01 multimedidor
01 multímetro digital
01 amperímetro analógico
01 tacômetro
01 máquina C.C. com as seguintes características:
220Vcc / 2kW / 1800 rpm Campo :300Vcc / 5A
01 máquina síncrona com as seguintes características:
Delta 133/
Estrela 230V
Delta266V
Estrela/440V 60
60HZ 1800rpm Campo : 300Vcc / 0.6A
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Resumo Teórico:
I)
Curva de Magnetização da Máquina Síncrona:
Curva de magnetização de uma maneira geral, é a correspondência entre fluxo (ou densidade de fluxo) e a
f.m.m. de excitação da estrutura magnética. Como o valor eficaz da f.e.m. induzida na máquina síncrona é
proporcional ao fluxo, e a f.m.m. é proporcional à corrente contínua de excitação, a curva de magnetização é
normalmente apresentada como f.e.m. em função da corrente de excitação.
A máquina síncrona, motor ou gerador, apresenta uma curva de magnetização (também chamada de curva
de saturação em vazio) que lembra a curva de magnetização dos transformadores, com a diferença de que a
corrente magnetizante na máquina síncrona é fornecida pela fonte de tensão contínua de excitação
(excitatriz).
O levantamento dessa curva é feito com a máquina síncrona funcionando como gerador em vazio, acionado
por um motor elétrico (por exemplo o motor de corrente contínua).
Mede-se a tensão Vo (valor eficaz) nos terminais em vazio de uma das fases (que deve ser praticamente o
mesmo que nas outras fases de uma máquina equilibrada) e a corrente contínua de excitação. O gráfico 2.1
que se pode traçar com os valores obtidos é a curva de magnetização, ou seja, Eo = f(Iexc). Para cada
velocidade de acionamento da máquina síncrona teremos uma curva.
A equação (1.1) mostra que a f.e.m. gerada é diretamente proporcional ao fluxo magnético. Este fluxo é
induzido pela corrente de excitação.
Em vazio tem-se apenas o fluxo do indutor
. Como a máquina síncrona tem o circuito magnético do fluxo
do indutor em parte estabelecido no material ferromagnético e em parte no ar (entreferro), a curva é uma
composição, em ordenadas, da diferença de potencial magnético no ferro e no entreferro. Apresenta uma
parte praticamente linear para baixos valores de corrente de excitação e sofre o efeito de saturação para altos
valores. Além disso para máquinas já anteriormente utilizadas, as peças polares do indutor apresentam
remanência e, conseqüentemente, a curva de magnetização inicia com uma f.e.m E(rem). que se manifesta
para Iexc.=0.
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Esse ensaio é também denominado ensaio em vazio.
Fig. 2.1 Curvas características do ensaio em vazio.
II) Ensaio em Curto-Circuito:
No ensaio em curto-circuito notaremos que a curva Icc x Iexc. Para
diversas rotações é a mesma devido à independência em relação à rotação.
Fig. 2.2 Curvas características do ensaio em curto-circuito.
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III) Determinação da Reatância Síncrona - Diagrama de Potier:
De posse das correspondências Icc =f(Iexc) e Vo = f(Iexc) , onde Icc e Vo são valores de fase, podese
calcular a reatância síncrona para qualquer condição de excitação, ou seja, para qualquer corrente de
excitação. Conhecendo a reatância síncrona é possível calcular a corrente de excitação necessária para
manter a tensão requerida para uma determinada carga.
Quando o circuito magnético não está saturado, a reatância síncrona Xs independe da magnitude da Iexc. A
saturação tem grande influência quando a Iexc é elevada, então a reatância síncrona tende a crescer.
O Diagrama de Potier é uma aproximação somente, mas apresenta resultados satisfatórios para geradores de
alta velocidade (1500-3000 rpm / 50 Hz e 1800 e 3600 rpm / 60 Hz). É adequado para geradores de pólos
lisos ou rotor cilíndrico.
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A) Plotar as duas curvas Icc =f(Iexc) e Vo = f(Iexc) no mesmo gráfico.
Fig. 2.3 Diagrama de Potier
B) Para a tensão em vazio igual à tensão nominal Vnom., verifique a corrente de excitação resultante, Iexc.1,
e para esta, a corrente de curto-circuito correspondente Icc1. A reatância síncrona por fase, saturada, é dada
por:
A reatância síncrona por fase, não saturada é:
C) Determinação da reatância síncrona em p.u.:
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Onde:
IV) Determinação das Reatâncias Associadas aos Eixos Direto e Quadratura:
Outro método para se determinar a reatância síncrona de uma máquina de indutor cilíndrico perfeito, seria
acioná-la na velocidade síncrona por meio de outro motor, e ligar seu induzido à linha, porém sem excitá-la
com corrente contínua. Assim sendo, se desprezarmos as perdas, a corrente Ia, absorvida da linha será uma
corrente magnetizante.
Pela equação (2.5) é possível calcular-se a reatância síncrona, bastando medir a tensão Va e a corrente de
magnetização absorvida.
Se, porém a máquina fosse de pólos salientes e os pólos do campo rotativo do induzido girassem com
velocidade ωs e sempre alinhados com as peças polares do indutor (eixo direto) teríamos, para a corrente de
magnetização absorvida da linha, uma corrente de eixo direto e o seu andamento no tempo seria o do gráfico
2.4. A relação entre os valores eficazes da tensão Va e dessa corrente Iad mag seria a reatância associada ao
eixo direto. Assim,
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Mas se os pólos do campo rotativo girassem alinhados com o eixo de quadratura das peças polares, teríamos
devido à maior relutância, uma corrente de magnetização maior que seria a corrente Iaq mag., cujo
andamento está no gráfico 2.4. Logo, a reatância associada ao eixo de quadratura seria
Fig. 2.4 Andamento das correntes absorvidas pela máquina síncrona sem excitação de C.C.. Com
peças polares sempre alinhadas com o campo rotativo do induzido (campo alinhado com o eixo direto)
Iad; e alinhado com o eixo de quadratura Iaq.
Na prática, a solução para se obter os valores de Iad mag e Iaq mag. é associar a máquina síncrona a ser
ensaiada por meio de um motor que apresente uma velocidade próxima da velocidade ωs que é dada pela
quantidade de pólos do induzido e pela freqüência da tensão de linha. Um oscilograma dessa corrente seria o
do gráfico 2.4, mas que, nos casos práticos, não é tão claro e simétrico. O contorno da corrente Ia terá uma
freqüência correspondente à diferença de velocidade entre campo rotativo e sapatas polares do indutor.
Desse oscilograma se consegue os valores máximos e eficazes de Iad mag e Iaq mag. para se poder aplicar
as equações (2.6) e (2.7). Se o fenômeno for bem lento com um amperímetro, consegue-se registrar
razoavelmente os valores dessa corrente.
É conveniente utilizar uma tensão Va reduzida para que o conjugado de relutância da máquina síncrona
(único conjugado que se manifesta sem excitação C.C.) seja pequeno e com isso diminua a tendência dela
sincronizar consigo o motor de acionamento. E com tensão reduzida teremos pequeno fluxo na estrutura
magnética; logo, as reatâncias medidas devem ser praticamente as não-saturadas.
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Fig 2.5 Andamento da corrente absorvida pela máquina síncrona sem excitação de C.C.. Alternância
de alinhamento com eixo direto e eixo quadratura.
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1.- Com os dados obtidos no ensaio de circuito aberto obtenha a curva Tensão Saída por fase/corrente de
excitação (gráfico) Para a tensão nominal do gerador calcule a corrente de excitatriz (2 Pontos)
2.- Com os dados obtido do ensaio de curto circuito obtenha a curva de Corrente de curto circuito do estator
em função da corrente de exitatriz (2pontos)
Ensaio circuito aberto
Ensaio de curto circuito
Dado If
Dado If
Vf
Icc
Corrente Tensão de
Corrente Corrente de
Campo
Campo
fase
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
curto
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Calcule a corrente de curto para a tensão nominal do gerador e a reatância de dispersão por fase saturada e
não saturada expresse os resultados em PU
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Apresente o formato de onda das correntes
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Reatância síncrona de eixo direto
Xsd 
Reatância síncrona de eixo em quadratura
Vnom
I admag
Xsq 
Vnom
I aqmag
3. Como se constrói o gráfico de capacidade do gerador síncrono ensaiado (2 pontos) (consultar material
ajuda)
4.- Utilize o matlab para fazer o diagrama de capabilidade do gerador síncrono (1 pto)
5.- Determinar as reatâncias de eixo direto e em quadratura Id e Iq (2ptos)
Com excitatriz em aberto ligar uma tensão e medir as correntes , a maquina deve estar girando a sua
velocidade síncrona neste caso 1800rpm
6.Como funciona um gerador síncrono brushless que vantagens tem sobre o com anel (0.5Ponto)
7. Que conexão em suas bobinas num gerador síncrono é mais conveniente Δ /Y (0.5ponto)
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Exemplo da forma de onda da máquina síncrona
Fig. 2.10
Experimento realizado no laboratório para a determinação das reatâncias associadas aos eixos direto
e quadratura.
Realizou-se o experimento com os seguintes dados iniciais:
Va = 30V, ωe = 1150rpm
A partir do gráfico da Fig. 2.10, obteve-se as correntes de quadratura e eixo direto.
Eixo direto:
Calculo do eixo direto: fotor de sonda 100mV por almper
100mV(escala do Amperímetro) ------- 1A
Id = 3,6A
360mV
Xd = 8,33Ω
------- Id
Logo Xd = Va/Id = Xd = 30/3,6
Eixo de Quadratura:
100mV(escala do Amperímetro) ------- 1A
Iq = 4,8A Logo, Xq= Va/Iq = Xq = 30/4,8
480mV
Xq = 6,25Ω
------- Iq
Analisando o gráfico da Fig. 2.10, também podemos verificar que o período de oscilação é de 16ms, ou seja,
f= 62,5Hz que é a freqüência da rede.
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