23 LABORATÓRIO 4: Ensaio de Circuito Aberto e de Curto

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LABORATÓRIO DA DISCIPLINA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS
LABORATÓRIO 4: Ensaio de Circuito Aberto e de CurtoCircuito Trifásico de Máquina Síncrona
Objetivos:
• Determinar a relação entre a f.e.m. gerada e a corrente de
excitação para a condição de circuito aberto da máquina;
• Determinar a relação entre a corrente de armadura e a
corrente de campo para a condição de curto-circuito
trifásico nos terminais da máquina;
• Determinar a reatância síncrona de eixo direto.
teste por um agente motor. A corrente de campo c.c. varia por meio
de um reostato e, a cada ponto, a tensão correspondente de fase é
medida. Uma curva com estes pontos está representada como (a) na
Figura 4.2 e é freqüentemente chamada de característica em vazio.
A parte reta desta curva é chamada de característica do entreferro
(b) porque considera a máquina sem saturação [1].
Teoria:
O transformador (como também o motor de indução
trifásico) é, essencialmente, um dispositivo de fluxo constante, isto
é, a amplitude do fluxo de operação resultante é determinada pela
tensão c.a. aplicada. Em contraste, o fluxo resultante no entreferro na
máquina síncrona depende do módulo da corrente de campo (ou de
excitação) no enrolamento de campo (colocado, normalmente, na
estrutura do rotor), assim como do valor da corrente de armadura (ou
carga – está-se considerando aqui a máquina síncrona como uma
unidade isolada; se ela fosse considerada conectada ao barramento
infinito, o fluxo no entreferro seria invariante).
Consequentemente, quando se analisa o gerador síncrono,
torna-se necessário introduzir a curva de magnetização que se aplica
para seu circuito magnético. Se os dados de projeto estão
disponíveis, a curva de magnetização pode ser calculada. Caso
contrário, se a máquina está disponível em um laboratório, a curva
de magnetização pode ser obtida fazendo-se um simples ensaio de
circuito aberto. O diagrama de fiação para tal teste está indicado na
Figura 4.1. O rotor é acionado na velocidade síncrona ao longo do
Figura 4.1 - Diagrama de fiação para determinação da característica em vazio do
gerador síncrono.
Outra característica útil relacionada com a análise de
geradores síncronos é a característica de curto-circuito. É
determinada aplicando-se um curto-circuito nos terminais a, b e c do
diagrama da Figura 4.1, acionando o rotor na velocidade síncrona e
medindo as correntes de linha durante o curto-circuito, para vários
valores de corrente de campo. O gráfico da corrente de linha de
curto-circuito versus corrente de campo conduz à curva (c) da Figura
4.2 [1].
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Figura 4.2 - Curvas características: (a) característica de circuito aberto não-linear;
(b) característica de entreferro (linear); (c) característica de curto-circuito.
Uma vez determinadas as curvas características da máquina
síncrona (conforme mostrado na Figura 4.2), pode-se determinar a
reatância síncrona. Observe que, apesar do ensaio ter sido feito com
a máquina funcionando como gerador, as curvas obtidas são válidas
também para a condição da máquina funcionando como motor. Se os
dados de projeto estão disponíveis, de forma que tanto as espiras
efetivas como a relutância do circuito magnético podem ser
calculadas, então também pode ser obtido o valor da reatância
síncrona da máquina. Caso contrário, xs pode ser calculada da
característica do entreferro e de curto-circuito, isto é, através do uso
das curvas (b) e (c) da Figura 4.2.
Para se entender como isso acontece, deve-se examinar o
diagrama fasorial do gerador síncrono sob condições de curtocircuito, com a corrente de campo ajustada ao valor que causa
circulação da corrente de armadura nominal. A f.m.m. do
enrolamento de armadura permanece a mesma, mas a tensão no
terminal é zero. Conseqüentemente, o diagrama fasorial é aquele
mostrado na Figura 4.3 (a). Observa-se que a corrente de campo é
usada quase inteiramente para neutralizar o efeito da f.m.m. do
enrolamento de armadura. O restante, Rsc, é suficientemente grande
apenas para superar a queda na impedância de dispersão, que, para
todos os propósitos práticos, é igual à queda na reatância de
dispersão. Observa-se também que a corrente de armadura em
condições de curto-circuito está atrasada em relação à tensão de
excitação de aproximadamente 90º. Por razões óbvias, para valores
tão baixos de fator de potência, as grandezas R , A e F são
essencialmente colineares.
Além disso, outro aspecto a ser observado na Figura 4.3 (a) é
que a tensão de excitação em curto-circuito é praticamente igual à
queda na impedância síncrona. Essa observação fornece a chave para
a determinação de xs. Se Fsc for mantida e o curto-circuito removido,
a tensão de circuito aberto produzida por esta corrente de campo é,
obviamente, Efsc. Portanto, conhecido Fsc, a característica do
entreferro pode ser usada do modo ilustrado na Figura 4.3 (b) para se
obter Efsc. De modo similar, da característica de curto-circuito, a
corrente correspondente produzida por Fsc pode ser calculada. A
reatância síncrona é, então, a relação entre estas duas grandezas.
Desta forma,
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x s' =
E fsc
Ia
= reatância síncrona não-saturada
Lembre-se que este é o valor não-saturado da reatância
síncrona, porque se está usando a característica do entreferro.
prevalecem no caso de curto-circuito são tais que existe uma queda
na reatância síncrona, Iscxs, que é de valor praticamente igual à
tensão terminal nominal porque a correspondente corrente de campo
0a é comum. Desta forma pode-se escrever
I sc xs = VR
Ou ainda,
xs* =
VR
= reatância síncrona saturada aproximada
I sc
Para servir de comparação, é instrutivo observar-se que o
valor não-saturado da reatância síncrona é, evidentemente, um valor
maior que o representado na equação anterior, visto que nos cálculos
é feito uso da tensão (Efsc) na linha do entreferro, ao invés da tensão
(VR) na característica de circuito aberto, para excitação 0a.
Figura 4.3 - Determinação da reatância síncrona não-saturada: (a) diagrama
fasorial em curto-circuito; (b) características em vazio e de curto-circuito.
Pode-se ainda, determinar a reatância síncrona saturada
aproximada. O método geralmente aceito para considerar um valor
saturado da reatância síncrona é lidar com a condição de densidade
de fluxo que é associada com a f.m.m. necessária para gerar a tensão
terminal em vazio. Para ilustrar, faça a corrente de campo que é
necessária para gerar a tensão nominal (Vr) ser representada por 0a
na Figura 4.4. Agora, se esta mesma corrente de campo for usada
num teste de curto-circuito, ter-se-á uma corrente de armadura de
curto-circuito (Isc) que está freqüentemente próxima do valor
nominal (IR). Na Figura 4.4 esta corrente está indicada como
ligeiramente menor que a corrente nominal. As condições que
Figura 4.4 - Dados gráficos usados para calcular o valor saturado da reatância
síncrona (valor aproximado).
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Pré-relatório:
1. Porque é levantada a curva Ef em função de If , e não do fluxo
por pólo em função da f.m.m.?
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2. Porque, alterando-se a rotação da máquina, o módulo da corrente
não sofre alteração?
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3. Explique o porquê da linearidade da corrente de curto-circuito,
mesmo na região de grande saturação da máquina.
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Material Experimental:
• Gerador síncrono;
• Motor de corrente contínua (agente motor);
• Fonte de corrente contínua (excitatriz do gerador);
• Multímetros.
Parte Prática:
a) Ensaio de circuito aberto:
1. Preencher a Tabela 4.1 com os dados da máquina;
2. Montar o circuito da Figura 4.1;
3. Dar partida ao motor c.c. ajustando sua velocidade à rotação
nominal da máquina síncrona, mantendo, durante o ensaio,
a máquina síncrona rigorosamente na sua rotação
nominal;
4. Anotar a tensão residual do gerador;
5. Preencher a Tabela 4.2 com valores crescentes de If e V
(varie If até If nominal);
Observação: Durante a coleta dos dados o valor da corrente da
fonte c.c. (If) deve somente aumentar. Este valor não pode ser
diminuído durante o ensaio por causa da curva de histerese da
máquina (ocorre então, para este caso, a desmagnetização do
laço de histerese).
b) Ensaio de curto-circuito:
1. Montar o circuito da Figura 4.1;
2. Curto-circuitar os terminais do gerador através de 3
amperímetros;
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3. Ligar a excitação do gerador através de uma fonte c.c.,
deixando-a em zero;
4. Dar partida ao motor, levando-o à rotação nominal da
máquina síncrona;
5. Aumentar gradativamente a excitação do gerador, anotando
na Tabela 4.3, a corrente de campo correspondente aos
valores indicados para a corrente de armadura;
6. Variar a velocidade do motor e verificar o resultado sobre o
valor da corrente de armadura.
Tabela 4.3: Valores IFxICC
Corrente de campo Corrente de c.c.
(mA)
(A)
1
2
3
4
5
6
Tabela 4.1: Dados da máquina ensaiada.
Número da máquina
Tipo de conexão
Tensão nominal
Corrente nominal de campo
Corrente nominal de armadura
Rotação nominal
Avaliação:
a) Ensaio de circuito aberto:
1. Trace a curva da tensão versus corrente de excitação em escala
conveniente;
Tabela 4.2: Valores de IFxVFASE
Corrente de campo
(mA)
0
Tensão de fase
(V)
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b) Ensaio de curto-circuito;
1. Trace a curva de corrente de curto-circuito versus corrente de
excitação em escala conveniente;
3. Os valores obtidos para x S' e x *S estão de acordo com o que foi
exposto na Teoria? Justifique.
Referências Bibliográficas
2. A partir dos ensaios, determine x S' e x *S conforme mostrada na
teoria;
[1] DEL TORO, V. Fundamentos de Máquinas Elétricas. LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S. A. Rio de Janeiro. 1999.
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