Relatorio Final Ensaio a Vazio e Em Curto Maquinas Sincronas

Universidade Federal de Uberlândia FEELT – Faculdade de Engenharia Elétrica Máquinas Síncronas Prof. Carlos Henrique Salerno

Relatório – Ensaios em Vazio e em Curto Circuito de uma Máquina Síncrona para Obtenção de Reatância Síncrona

Aluno: Alaor Bernardino da Silva Neto Matrícula: 1042051-2

Sumário

Introdução Teórica

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Características de Circuito Aberto e Perdas Rotacionais em Vazio 3 Característica de Curto-Circuito e Perdas de Curto-Circuito 4 Objetivos do Ensaio, Equipamentos Utilizados e Montagem 6 Dados coletados na aula prática e seus respectivos gráficos 8 Cálculos Realizados - Reatância Síncrona 11 Conclusões e Considerações Finais 12 Bibliografia

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Introdução Teórica Características de Circuito Aberto e Perdas Rotacionais em Vazio Como as características de magnetização para uma máquina de corrente contínua, a característica de circuito aberto de uma máquina síncrona é um gráfico de tensão terminal de armadura em circuito aberto em função excitação de campo quando a máquina está girando à velocidade síncrona, como mostrada pela curva “cca”  na figura 1 logo abaixo. A característica é freqüentemente traçada em termos por unidade, onde a tensão unitária é a tensão nominal e a corrente de campo unitária é a excitação correspondente à tensão nominal na linha de entreferro. Essencialmente, a característica de circuito aberto representa a relação entre a componente espacial fundamental do fluxo de entreferro e a fmm no circuito magnético, quando o enrolamento de campo constitui a única fonte de fmm. Quando a máquina já existe, a característica de circuito aberto usualmente é determinada experimentalmente, acionando-a mecanicamente à velocidade síncrona, com os terminais de armadura em aberto, e medindo a tensão terminal correspondente a uma série de valores de corrente de campo. Se medir a potência mecânica necessária para mover a máquina síncrona durante o ensaio de circuito aberto, obtêm-se as perdas rotacionais em vazio. Estas perdas compreendem atrito, ventilação e perdas no ferro correspondentes ao fluxo na máquina em vazio. As perdas por atrito e ventilação à velocidade síncrona são constantes, enquanto as perdas no ferro em circuito aberto são uma função do fluxo, que é aproximadamente proporcional à tensão de circuito aberto.

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Figura 1 – características de circuito aberto, em termos de volts e ampères de campo (a), e em por unidade (b). Logo após, a junção das curvas em um só gráfico [1].

A potência mecânica exigida para mover a máquina à velocidade síncrona e sem excitação corresponde às perdas por atrito e ventilação. Quando o campo é excitado, a potência mecânica é igual a soma das perdas por atrito, ventilação , e no ferro, em circuito aberto. As perdas no ferro em circuito aberto, portanto, podem ser encontradas pela diferença entre estes dois valores de potência mecânica. Uma curva de perdas no ferro em circuito aberto em função da tensão de circuito aberto é mostrada na figura 2.

Figura 2 – Perdas no ferro em um circuito a vazio[1].

Característica de Curto-Circuito e Perdas de Curto-Circuito Se os terminais de armadura de uma máquina síncrona que está sendo acionada como gerador à velocidade síncrona são curto-circuitados através de amperímetros apropriados, como mostrado na figura 3, e a corrente de campo é gradualmente aumentada até que a corrente de armadura atinja um valor máximo seguro (talvez o dobro da corrente nominal), podem ser obtidos a partir dos quais a corrente de armadura de curto-circuito pode ser traçada em função da corrente de campo. Essa relação é conhecida como a característica de curto-circuito. Uma característica de circuito aberto “cca” e uma característica de curto-circuito “ccc” são mostradas na figura 4.

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Figura 3 – ligação para ensaio em curto-circuito [1].

Figura 4 – características de circuito aberto e de curto circuito [1].

A relação fasorial entre a tensão de excitação Ef  e a corrente de armadura em regime permanente Ia sob condição de curto-circuito polifásico é: Ef = Ia (Ra + jX s ) (1.1) Como a resistência é menor do que a reatância síncrona, a corrente de armadura se atrasa à tensão de excitação de aproximadamente 90°. Conseqüentemente, a onda de fmm da reação de armadura está aproximadamente em linha com o eixo dos pólos de campo, e em oposição à fmm do campo. A reatância síncrona não saturada pode ser encontrada a partir dos dados de circuito aberto e curto circuito. Numa excitação de campo qualquer, a tensão de excitação para a mesma corrente de campo corresponde ao valor projetado na linha de entreferro. Note-se que deverá ser usada a tensão na linha de entreferro, porque a máquina está funcionando em curto-circuito em condição não saturada. Se a tensão por fase correspondente é Ef, e a corrente de armadura por fase correspondente é Ia, então, com a resistência da armadura desconsiderada, o valor não saturado Xs(ñs) da reatância síncrona é:

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(1.2) Se Ef e Ia são expressos em valores por unidade, a reatância será, por conseqüência, encontrada em valores por unidade. O mesmo vale se levarse em conta valores em volt por fase. Para o funcionamento em tensão nominal ou perto dela, às vezes supõe-se que a máquina é equivalente a outra não saturada, cuja característica de magnetização é uma linha reta passando pela origem e o ponto de tensão nominal na característica de circuito aberto. De acordo com esta aproximação, o valor da reatância síncrona sob tensão nominal é: (1.3) A relação de curto circuito é definida como a relação entre a corrente de campo para obter tensão nominal em circuito aberto, e a corrente de campo necessária para a corrente nominal de armadura em curto circuito. (1.4) O cálculo do Fator de Saturação (Ks): (1.5) Objetivos do Ensaio  Realizar os ensaios de circuito aberto e de curto-circuito do gerador síncrono;   Traçar as curvas de magnetização e de corrente de curto-circuito;  Estimar o valor da impedância síncrona. Equipamentos Utilizados  Bancada (fontes, instrumentos de medição);  Motor de corrente contínua;  Máquina síncrona, como gerador;  Amperímetros;   Tacômetro;  Reostato de 10 Ω. Montagem O motor de corrente contínua opera e a máquina síncrona atua como gerador.Há a necessária para acionar o motor, colocando-o a

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velocidade nominal. O MCC será alimentado pela tensão da rede e fornecerá potência mecânica no seu eixo.

Figura 5 – Esquema de ligação de duas máquinas [2].

Após atingir o sincronismo (1800rpm), os dados serão coletados. No ensaio a vazio serão registrados, para cada valor de corrente de campo, a tensão correspondente, sendo estes dados alocados em uma tabela. Já para o ensaio em curto-circuito, outra tabela será preenchida, onde serão verificadas as correntes de campo e de curto circuito. A relação entre estes valores tende a ser linear.

Figura 6 – Diagrama de ligação para ensaios em vazio [2]

Figura 7 – Diagrama de ligação para ensaios em curto circuito [2]

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Dados coletados na aula prática e seus respectivos gráficos Software utilizado: Microsoft Excel 2007 •

Tabela Referente aos Dados do Entreferro Valores de Valores de Corrente (A) Tensão (V) 0 0 0,2 20 0,4 40 0,6 60 0,8 80 1 100 1,2 120 1,4 140 1,6 160 1,8 180 2 200 2,2 220 2,4 240 2,6 260 2,8 280 3 300 3,2 320

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Tabela Referente ao Ensaio à Vazio Valores de Valores de Corrente (A) Tensão (V) 0,25 10 0,3 17 0,4 50 0,5 62 0,6 76 0,8 100 1 120 1,2 140 1,4 160 1,6 180 1,8 195 2 210 2,1 215 2,2 220 2,3 230 2,4 234 2,5 240

Tabela Referente ao Ensaio em Curto Circuito Valores de Valores de Corrente de Corrente de Campo (A) Armadura (A) 0,5 0,5 1 0,95 1,5 1,4 2 1,9 2,5 2,375 3 2,85

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 Junção dos Gráficos

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Cálculos Realizados - Reatância Síncrona     2

Considerando que o reostato utilizado regula a velocidade da máquina de corrente contínua em 1800 rpm; Considerando-se também que se utiliza uma máquina síncrona de potência S=1kVA, sendo a tensão de base igual a 220V Para a dada tensão (220V), tem-se uma corrente de excitação igual a 2,2A. Projetando-se este valor na curva de curto-circuito, encontra-se uma corrente de armadura igual a 2,09A. No ponto de saturação, a tensão é de 230V, o que corresponde a uma corrente de excitação de 2,3A, e a uma corrente de armadura igual a 2,185A, também a partir da projeção na curva de curto-circuito. O último ponto averiguado no experimento se encontra na área saturada. O valor de tensão de 240V equivale a uma corrente de excitação de 2,375A. A relação de curto circuito trata-se da relação entre a corrente de excitação (campo) equivalente a tensão nominal, e a corrente de excitação correspondente a corrente nominal (armadura) encontrada. Uma forma de averiguar os cálculos se dá quando encontramos o valor inverso desta relação de curto circuito. O inverso desta relação deverá ser um valor próximo ao valor da reatância síncrona saturada. O último cálculo se refere ao fator de saturação, encontrado diante a relação entre a corrente de campo à tensão nominal na saturação, e a corrente de campo desta mesma tensão, caso esta não saturasse (projeção desta na linha de entreferro). Sendo assim, o cálculo da reatância síncrona não saturada é:

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 Já para o cálculo da reatância síncrona saturada:

O cálculo da Relação de Curto Circuito

O cálculo do Fator de Saturação (Ks):

Conclusões e Considerações Finais Assim como para a maioria dos equipamentos ligados a área de Engenharia Elétrica, os ensaios a vazio e em curto circuito são considerados ensaios primordiais, para que se possam ter conclusões quanto a algumas características de máquina, como por exemplo, as suas perdas por atrito e ventilação, encontradas diante o valor de potencia mecânica referente à corrente de excitação causada, diagnosticada diante o ensaio. Algumas características como as reatâncias síncronas saturadas e não saturada serão encontradas diante as curvas levantadas com os dados coletados nestes ensaios. A relação de curto circuito e o fator de saturação também podem ser encontrados, a partir destes primeiros resultados. Para este relatório, os dados foram levantados em laboratório, a partir do acoplamento entre um motor de corrente contínua e uma máquina síncrona, funcionando como gerador. Diante dos dados coletados, foi utilizado o software Microsoft Excel para a geração das tabelas e gráficos referentes ao ensaio. Uma tabela adicional foi colocada, se referindo à curva de entreferro, que apresenta características lineares. Bibliografia •

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[1] Fitzgerald, A.E., KINGSLEY Jr, C.,KUSKO, A. - Máquinas Elétricas. Ed. Prentice-Hall do Brasil. RJ/ 1975; [2] Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR05052 – Máquinas Síncronas – Ensaios. Rio de Janeiro, 1984.

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