TLME-2.3 Motor Síncrono Trifásico

TLME-2.3
—1—
MÁQUINAS ELÉCTRICAS II
** 2001 / 2002 **
SE
FEUP
LEEC
TLME-2.3
Motor Síncrono Trifásico – sincronização e arranque
1.
Introdução
As máquinas eléctricas síncronas têm funcionamento reversível podendo trabalhar como gerador
ou como motor. Para trabalharem como motor têm de estar ligadas a uma rede eléctrica, que s
alimentará em energia.
A ligação de uma máquina síncrona trifásica à rede eléctrica geral obedece a um conjunto de
condições de ligação (condições de sincronismo das fases):
–
igualdade da amplitude das tensões nos terminais de ligação;
–
igualdade de frequência dos dois sistemas de tensão;
–
igualdade de ordem de sucessão de fases.
No momento da ligação à rede a máquina não funciona como gerador nem como motor.
Se se aumentar a velocidade da máquina primária, aumentar-se-á a potência fornecida à
máquina síncrona e esta funcionará como gerador. Se, em seguida se alterar o valor da corrente
eléctrica de excitação do gerador, a máquina síncrona fornecerá (sobre-excitada), ou consumirá
(sub-excitada), energia reactiva.
Se se diminuir a velocidade da máquina primária, a máquina síncrona passará a funcionar
como motor. Se, então, estiver sobre-excitada o motor síncrono fornecerá, à rede, energia
reactiva; se a máquina síncrona estiver sub-excitada o motor consumirá energia reactiva da rede
eléctrica.
Quando a máquina síncrona é, apenas, utilizada como gerador (ou receptor) de energia
reactiva, sendo o seu consumo (ou produção) de energia activa nulo (desprezando a energia
consumida em perdas) diz-se que a máquina síncrona funciona como compensador síncrono.
N. B. —
2.
Este trabalho necessita de uma preparação prévia à sua execução
no laboratório.
Objectivos
O objectivo deste trabalho de Laboratório é o domínio de uma conjunto de operações e de
técnicas necessárias à condução da máquina síncrona: sincronização, paralelo com a rede
eléctrica, arranque como motor.
3.
Bibliografia
[CCC–1] Carlos Castro Carvalho; “Máquinas Síncronas”, 1971 [B_FEUP]
Manuel Vaz Guedes;“Máquinas Eléctricas Síncronas –arranque dos motores síncronos”,
M. Kostenko L Piotrosvky; “Máquinas Eléctricas”, Vol. II
M. G. Say; “Alternating Current Machines”, Pitman, 1976
© Manuel Vaz Guedes, 2002
FEUP 2002
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4. Trabalho a Efectuar
4.1. Material Necessário
– Grupo Motor de Indução – Máquina Síncrona
–– Voltímetro CA — Amperímetro CA
— 3 Voltímetros CA
4.2.
– Rectificador
— Ondulador
— Osciloscópio
– Frequêncimetro
– Estroboscópio
Montagem Geral
TI
Maq.
Síncrona
M
∆f
3
~
3
~
U
V
W1
V
W
W2
A
TI
A
Sincronização
A .1.
Montagem a Realizar
Alimentar o motor de indução com rotor bobinado pelo estator através do ondulador. Alimentar o
circuito de excitação da máquina síncrona com o rectificador.
∆f
M
V
3
~
Maq.
Síncrona
3
~
U
V
V
W
f
A
Efectuar as montagens necessárias para utilizar os diversos métodos de condução da máquina
síncrona até à sincronização com a rede eléctrica geral: efeito estroboscópico, lâmpadas de
sincronização, medida das grandezas eléctricas (tensão; frequência).
A a — utilizar o efeito estroboscópico para colocar o grupo de máquinas rodando à
velocidade de sincronismo das fases;
Ver o Apêndice LME — estroboscopia
A b — experimentar as duas ligações de lâmpadas para detectar a ordem de
sucessão das fases e definir o momento em que os dois sistemas de tensão estão
em fase;
Ver o Apêndice LME — sincronização
A c — medir do valor da amplitude da força electromotriz (tensão em vazio) e da
frequência da máquina síncrona e da amplitude da tensão da rede eléctrica
geral.
A d — definir o momento de sincronismo das fases entre a máquina síncrona e a rede
eléctrica geral.
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Com a aparelhagem de medida e de indicação disponível
–
Realizar a montagem.
–
Colocar o reóstato de excitação no ponto de resistência máxima.
☎
Chamar o docente para verificação
▲
Provocar o arranque do motor de indução trifásico.
Colocar o grupo a rodar à velocidade de sincronismo aproveitando o
efeito estroboscópico
▲
Ligar o circuito de excitação do alternador.
➚
Elevar o valor da tensão de saída até à tensão nominal da rede eléctrica.
utilizar a montagem com três lâmpadas
❈● Verificar
que
as
três
lâmpadas
têm
o
comportamento inerente à situação da montagem
feita e a uma sucessão correcta das três fases
—
❈●
U
R
V
W
S
W
V
T
se isso não se verificar, trocar duas fases.
o acender e apagar das lâmpadas deve ser lento…
–
U
Regular a velocidade do motor de forma a que a
frequência da tensão do alternador coincida com a frequência da rede
➠
Verificar que estão correctas todas as condições de sincronismo entre a
máquina síncrona e a rede geral
✍ Tomar nota da informação relevante
P&R
?1 Quais são as grandezas físicas cujo valor condiciona a segurança desta experiência (ou a
a qualidade de serviço da instalação eléctrica) ? Qual o valor limite para essas grandezas ?
?2 Servindo-se da estrela de fasores das tensões de um sistema trifásico, explique justificando,
a condição de sincronismo de fases entre um alternador síncrono e uma rede eléctrica.
?3 Apresentar um ante-projecto e uma memória descritiva de uma pequena instalação de
sincronização do alternador trifásico utilizando um sincronoscópio. Apresentar um guia
com as operações de colocação em paralelo do alternador com a rede com o auxílio do
sincronoscópio, destinado a ser utilizado por um montador–electricista.
Paralelo com a Rede Eléctrica
Com a experiência adquirida na realização da parte A deste trabalho de laboratório
actuar no interruptor no momento oportuno para realizar o paralelo da máquina síncrona com a
rede eléctrica.
☎
Chamar o docente para acompanhamento do restante trabalho
–
Verificar o valor da tensão.
Reverificar as condições para efectuar o paralelo
●
Quando as lâmpadas se apagarem ligar o alternador à rede
✍
Tomar nota do valor da corrente eléctrica de excitação
➷
Diminuir a tensão no ondulador
▲
Desligar o ondulador
❇
AlterarGRADUAL e CUIDADOSAMENTE o valor da corrente de excitação
da máquina síncrona, a funcionar como compensador síncrono.
)
Utilizar o efeito estroboscópico para verificar o ângulo de carga δ.
▲
Reduzir a excitação e desligar a máquina síncrona da rede eléctrica geral.
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P&R
?4 Apresente um esquema de medida a aplicar neste trabalho de laboratório B para poder
verificar o fluxo da energia reactiva entre o compensador síncrono e a rede eléctrica.
Justifique.
Ver o Apêndice LME — Sistemas trifásicos – medida de potência
?5 Justificar como a máquina eléctrica síncrona, funcionando como compensador síncrono,
integrada numa rede eléctrica pode contribuir para a regulação da tensão dessa rede.
?6 Apresentar o ante-projecto de um sistema automático de sincronização, analógico ou
digital, realçando o seu princípio de funcionamento. (Sug.: consulte os fabricantes ou
revendedores)
Arranque do Motor Síncrono
Um motor síncrono trifásico, devido às suas características específicas que resultam das
suas particularidades construtivas, apresenta problemas quando tem de passar do estado de
repouso ao funcionamento em velocidade de regime — durante o arranque.
Ao longo do tempo e para as diversas situações de aplicação do motor síncrono têm sido
utilizados vários métodos de arranque, que habitualmente são agrupados nas seguintes
possibilidades:

 • com motor auxiliar
arranque  • síncrono, ou por variação de frequência

 • assíncrono
Na realização laboratorial dos diferentes métodos de arranque apenas interessa a condução do
motor síncrono à situação de sincronismo das fases com a rede eléctrica geral, não se chegando
a efectuar a ligação da máquina síncrona à rede eléctrica geral.
Arranque com Motor Auxiliar
Será utilizado como motor auxiliar um motor de indução trifásico com rotor bobinado
alimentado por um ondulador.
C 1 .1.
Montagem a Realizar
∆f
M
V
3
~
Motor
Síncrono
3
~
U
V
V
W
f
A
Prestar atenção ao valor das grandezas físicas importantes.
~
Manter a anterior montagem B
Com a aparelhagem de medida disponível
–
☎
➚
Realizar a montagem.
Chamar o docente para verificação
Elevar LENTA e GRADUALMENTE a tensão e a frequência do ondulador para
provocar o arranque do motor de indução trifásico
✍
Tomar nota dos valores e de todos os pormenores importantes
Note que o motor auxiliar pode conduzir o motor síncrono a uma velocidade ligeiramente inferior
© Manuel Vaz Guedes, 2002
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à do sincronismo, ou pode conduzir o motor síncrono a uma velocidade ligeiramente superior à
do sincronismo. Assim:
C 1 . a — velocidade ligeiramente inferior à do sincronismo (hiposincronismo)
▲
a essa velocidade liga-se o enrolamento estatórico do motor
síncrono à rede eléctrica geral, e só depois se promove a
excitação do motor síncrono (o que se traduz por uma
sobrintensidade de corrente que se atenuará em dois ou três ciclos).
C 1 . b — velocidade ligeiramente superior à do sincronismo (hipersincronismo)
▲
a essa velocidade desliga-se o motor auxiliar da rede; espera-se
que velocidade decaia até à velocidade de sincronismo; liga-se o
enrolamento estatórico do motor síncrono à rede eléctrica geral, e
só depois se promove a excitação do motor síncrono.
Diminuir a tensão no ondulador
➷
▲
Desligar a alimentação do circuito
P&R
?7 Qual o parâmetro construtivo do motor de indução trifásico que condiciona a existência
de uma situação de velocidade ligeiramente inferior à velocidade de sincronismo ou
ligeiramente superior à velocidade de sincronismo?
?8 Depois do arranque, o motor auxiliar fica ligado mecanicamente à máquina síncrona.
Quais as considerações, omissas neste texto, que se podem fazer sobre as soluções a
adoptar para esse problema ? Justifique.
?9 Para utilizar uma máquina eléctrica (motor síncrono) necessita de ter uma outra máquina
eléctrica (motor auxiliar). Apresente uma análise, baseada em critérios económicos, sobre a
aplicabilidade do método de arranque do motor síncrono com motor auxiliar.
Arranque Síncrono ou por Variação de Frequência
O motor síncrono será alimentado por um ondulador, variando-se a amplitude e a
frequência da tensão de alimentação.
C 2 .1.
Montagem a Realizar
U
∆f
Motor
Síncrono
V
V
3
W
~
M
3
~
A
Prestar atenção ao valor das grandezas físicas importantes, {quais ?}.
~
Alterar a anterior montagem C . 1
Com a aparelhagem de medida disponível
–
Realizar a montagem.
☎
Chamar o docente para verificação
➚
promover a excitação do motor síncrono
➚
Elevar LENTA e GRADUALMENTE a tensão e a frequência do ondulador
para provocar o arranque do motor síncrono trifásico
o
© Manuel Vaz Guedes, 2002
iniciar o trabalho com uma frequência de 1% da frequência
nominal
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✍
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o
actuando na excitação da máquina síncrona, evitar que o fluxo
magnético e a tensão tomem valores inadmissíveis
o
evitar que o motor perca o sincronismo durante operação de
elevação da frequência
Tomar nota dos valores e de todos os pormenores importantes
Note que o motor síncrono roda em sincronismo com a frequência da corrente alternada de
alimentação fornecida pelo ondulador.
•
Quando a frequência nominal é atingida, actua-se na excitação do motor síncrono
e eleva-se a tensão estatórica até ao valor nominal, efectuando-se depois a manobra
de confirmação da sincronização e de estabelecimento do paralelo com a rede
eléctrica geral.
O arranque síncrono ou por variação de frequência é muito suave e não implica a ocorrência de
sobrintensidades.
▲
A maior dificuldade com este tipo de arranque, consiste no necessidade de o
motor síncrono desenvolver nos primeiros momentos do arranque (0+) um
binário (de relutância) suficiente para iniciar o movimento de rotação do motor
e da carga mecânica ligada (bomba hidráulica).
P&R
?10 Justifique que o arranque síncrono, tal como foi realizado no Laboratório, podia ser
realizado utilizando como gerador na alimentação outra máquina síncrona. Relacione a
potência desse alternador com a potência do motor a arrancar (razão das potências).
?11 Justifique a seguinte frase: “Como o motor síncrono, ainda parado, já está excitado, surge
um binário electromecânico que é de aceleração durante um semi-período e de frenagem
no semi-período seguinte. Para que a velocidade da máquina possa aumentar, da
situação de parada até à de velocidade nominal, a energia cinética necessária à roda
polar deve ser transmitida à máquina durante o semi-período acelerador”.
Arranque Assíncrono
O motor síncrono de pólos salientes irá funcionar como um motor de indução
(aproveitamento do binário assíncrono) servindo os elementos do rotor — enrolamentos indutor,
enrolamento amortecedor, peças ferromagnéticas maciças ou enrolamento específico — como
circuito secundário rotórico.
Apenas o circuito indutor serve de circuito secundário no motor síncrono utilizado no Laboratório
CUIDADO !…
C 3 .1.
Montagem a Realizar
U
∆f
V
V
Motor
Síncrono
3
W
M
3
~
resistência
elevada
~
eléctrica
Prestar atenção ao valor das grandezas físicas importantes, {quais ?}.
~
Alterar a anterior montagem C . 2
Com a aparelhagem de medida disponível
–
Realizar a montagem.
☎
Chamar o docente para verificação
➚
© Manuel Vaz Guedes, 2002
curto-circuitar os terminais de entrada do circuito indutor do motor
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síncrono com uma resistência eléctrica elevada
➚
Elevar LENTA e GRADUALMENTE a tensão e a frequência do ondulador
para provocar o arranque do motor síncrono trifásico como motor de
indução
o
✍
iniciar o trabalho com uma frequência de 1% da frequência
nominal
Tomar nota dos valores e de todos os pormenores importantes
Note que o motor síncrono tende (pequeno deslizamento) a rodar à velocidade de sincronismo
associada a cada valor da frequência variável da corrente alternada de alimentação.
•
Quando a velocidade nominal é atingida, altera-se o circuito eléctrico indutor do
motor síncrono retirando a resistência eléctrica e ligando-o à alimentação, depois
eleva-se a tensão até ao valor nominal, efectuando-se depois a manobra de
confirmação da sincronização e de estabelecimento do paralelo com a rede eléctrica
geral.
P&R
?12 Justifique que no arranque assíncrono podia suceder que, estando uma carga mecânica
de valor elevado ligada ao motor, o arranque só ocorreria até um deslizamento s = 0,07 e
a partir desse ponto a velocidade não aumentaria mais, acabando o grupo por não
atingir a velocidade de sincronismo.
?13 Considerando a impedância nominal do motor síncrono Zn
Un
, e as diversas
3 ⋅ In
reactâncias reduzidas a essa base, justificar a solução de colocação de uma bobina (com
reactância reduzida xB), em série com a rede eléctrica de alimentação (com reactância
reduzida xr), atendendo a que a máquina eléctrica tem uma reactância reduzida de
arranque xa.
U
r
I
x
r
=
~
x
B
Quando realmente se utiliza uma bobina de arranque, terminado o arranque, o que se
deve fazer à bobina ? Justifique.
(Note que em lugar de uma bobina de arranque real, a reactância xB pode representar a reactância
dos condutores de ligação e do transformador de alimentação do motor síncrono)
— TLME-2. 3 —
Resenha Histórica
O aproveitamento hidroeléctrico do Alto Rabagão (concelho de Montalegre; região do Barroso) foi o primeiro
aproveitamento português construído com o objectivo principal de regularização interanual, armazenando da
água nos anos de abundância para aproveitá-la na produção de energia eléctrica nos anos de seca. Projectado em
1958, entrando em serviço em 1964, foi dotado com dois grupos ternários máquina síncrona–turbina–bomba de
eixo vertical, com sentido único de rotação, destinados a elevar água para a albufeira a montante (10 km x 2 km;
1ooo milhões de kWh) a partir da albufeira da barragem da Venda Nova imediatamente a jusante do ponto de
restituição.
Nos grupos ternários de máquinas hidroeléctricas, as bombas são
rapidamente acopláveis aos veios dos grupos, por intermédio de sistemas
de embraiagem. As características de cada máquina são:
ALTERNADOR/MOTOR — 45 MVA; 10 kV; 50 Hz; 428 rot/min
potência absorvida na bombagem = 63 MW
TURBINA — 50 ooo CV; 428 rot/min; 49 m3/s [170 m de queda útil]
BOMBA — 43ooo CV; 428 rot/min; 37 m3/s [140 m de elevação]
TRANSFORMADOR TRIFÁSICO — 45 MVA; 10/165 kV
– MVG –
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