ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MARÍTIMA
M422 - SISTEMAS E INSTRALAÇÕES
ELÉCTRICAS DE NAVIOS
TRABALHO LABORATORIAL Nº 4
ENSAIO DA MÁQUINA SÍNCRONA
Por:
Prof. José Dores Costa
Prof. Luis Filipe Baptista
2011/2012
SISTEMAS ELÉCTRICOS E ELECTRÓNICOS DE NAVIOS
TRABALHO PRÁTICO Nº 4
ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO E OBJECTIVOS ........................................................................ 2
2. ARRANQUE DO GRUPO MOTOR-GERADOR ................................................. 2
3. ENSAIO EM VAZIO ............................................................................................ 3
4. ESQUEMA EQUIVALENTE EM REGIME ESTACIONÁRIO .............................. 4
5. ENSAIO EM CARGA .......................................................................................... 4
6. CARACTERÍSTICAS EXTERNAS ..................................................................... 5
7. CARACTERÍSTICA DE REGULAÇÃO ............................................................... 6
8. COMENTÁRIOS ................................................................................................. 7
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SISTEMAS ELÉCTRICOS E ELECTRÓNICOS DE NAVIOS
TRABALHO PRÁTICO Nº 4
TRABALHO LABORATORIAL Nº 4
ENSAIO DA MÁQUINA SÍNCRONA
1. INTRODUÇÃO E OBJECTIVOS
As máquinas síncronas com excitação variável são normalmente utilizadas como
geradores (vulgo alternadores) mas, como qualquer máquina eléctrica rotativa, são
reversíveis, isto é, podem também funcionar como motores. Como alternadores, são
normalmente utilizadas em sistemas centralizados de produção de energia eléctrica ligados
a uma rede trifásica infinita (sistemas termoeléctricos e hidroeléctricos), sendo também
utilizados como geradores de emergência ou para alimentação de redes isoladas. Também
são largamente utilizadas em aproveitamentos de energias renováveis, com funcionamento
autónomo ou interligadas com a rede.
O objectivo do trabalho é proporcionar a experiência prática com este tipo de máquinas
funcionando como gerador (alternador), em sistemas trifásicos.
O sistema que está instalado no laboratório, e que será usado nos ensaios, está
representado na Fig. 1: um motor assíncrono com rotor bobinado (M) acciona um
alternador síncrono trifásico (G); o controlo de velocidade, dentro de certos limites, é
realizado através das resistências rotóricas (Rr); a corrente de excitação do alternador é
regulada através dum reóstato de campo (Rc).
Fig. 1: Esquema do quadro elétrico do gerador síncrono.
Um conjunto de resistências trifásicas variáveis, ou outras cargas, podem ser ligadas ao
barramento do alternador.
2. ARRANQUE DO GRUPO MOTOR-GERADOR
O arranque do grupo motor-gerador da Fig. 1, obtém-se da seguinte forma:
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1. Com Rr no valor máximo, arranca-se o motor M e, reduzindo progressivamente Rr,
acelera-se o motor até à sua velocidade máxima;
2. Atuando sobre o reóstato de campo (Rc) ajusta-se a corrente de excitação até que a
tensão composta do alternador, em vazio seja Uc=380V (aproximadamente).
2.1. Responda às seguintes questões:
a) Qual o motivo pelo qual os 50 Hz nunca serão atingidos?
b) Com o gerador em vazio, qual é o escorregamento de M quando as resistências
rotóricas são curto-circuitadas?
c) Qual é a velocidade de sincronismo do alternador?
d) Qual é o número de pares de pólos do motor M?
e) Qual é o número de pares de pólos do alternador G?
2.2. Tome nota das características das placas sinaléticas do motor e do alternador.
3. ENSAIO EM VAZIO
As resistências Rr e Rc são colocadas no seu valor máximo. Com o alternador em vazio,
arranque o motor reduzindo progressivamente Rr até que este atinja a sua velocidade
máxima. Reduza então Rc progressivamente (a corrente de excitação aumenta) até que a
tensão composta do alternador seja Uc =380V.
3.1. Observe a variação de Uc em função da velocidade e da corrente de excitação, Iex. Que
conclui?
3.2. Com o ensaio em vazio pretende determinar-se a relação Uc=f(Iex), mantendo a
velocidade constante. Para isso, proceda da seguinte forma:
• Arranque com o grupo até à sua velocidade máxima (a velocidade de rotação é
mantida constante durante o resto do ensaio);
• Aumente a corrente de excitação, Iex, desde zero até ao seu valor máximo (sempre
crescentemente) e para diferentes valores de Iex obtenha os correspondentes valores
de Uc;
• Uma vez atingido o valor máximo de Iex, proceda de igual forma para valores
decrescentes de Iex até que Iex≈0.
• Registe os valores lidos na tabela 1 e represente graficamente Uc =f(Iex).
Tabela 1: Característica de vazio
Corrente de
campo, Iex
[A]
Tensão
composta,
Uc [V]
N: __________ rpm
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f: ___________ Hz
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4. ESQUEMA EQUIVALENTE EM REGIME ESTACIONÁRIO
O circuito equivalente por fase, em regime estacionário, duma máquina de polos
cilíndricos, está representado na Fig. 2, em que Xs representa a reactância síncrona da
máquina e E é a fem induzida (tensão em vazio).
Fig. 2: Esquema equivalente por fase.
A reactância Xs pode ser obtida através do designado ensaio em curto-circuito. Este ensaio
não será realizado. Mas vamos procurar estimar o valor de Xs procedendo a alguns ensaios
em carga.
5. ENSAIO EM CARGA
Para efectuar este ensaio, efectue os seguintes procedimentos:
1. Arranque com o grupo e proceda aos ajustes necessários para que o alternador
funcione em vazio com Uc =350V e f= 49 Hz. Ligue o alternador ao barramento e
ligue seguidamente diferentes cargas procedendo aos ajustes necessários para que a
tensão e a frequência se mantenham iguais a Uc =350V e f= 49 Hz, respetivamente.
Para cada uma das cargas, registe os valores da tabela 3.
2. Tendo em conta os resultados do ensaio em vazio, para cada um dos pontos de
funcionamento da Tabela 3, obtenha:
a)
b)
c)
d)
Os diagramas vectoriais com E, U e I;
Os correspondentes ângulos de potência;
A queda de tensão.
Admitindo que os polos são cilíndricos, com base nos resultados anteriores,
obtenha uma estimativa para Xs.
e) Compare os resultados experimentais com os correspondentes valores
teóricos.
Verifique também o que acontece às correntes no estator e no rotor do motor de indução
em função do escorregamento (e do binário).
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Tabela 3: Resultados experimentais em carga.
Alternador
Corrente de
campo, Iex [A]
Corrente na
linha, Ia [A]
Tensão
composta, Uc
[V]
Potência
activa, Pa [W]
frequência
[Hz]
cos φ
Regulação de
tensão, ΔU
[%]
Motor de indução
Potência
[W]
cos φm
Corrente no
estator, Ie [A]
Corrente no
rotor, Ir [A]
Velocidade
[rpm]
s [%]
5.3 Comente os resultados obtidos para o motor de indução relacionando-os com a carga
do alternador.
6. CARACTERÍSTICAS EXTERNAS
As características externas são as funções Uc =f(Ia), para Iex= const e f = const, traçadas
para diferentes valores de cos φ constante. Essas características estão representadas na Fig.
3.
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Fig. 3: características externas.
Deste modo, efetue os seguintes procedimentos:
a) Ligue as resistências de carga trifásicas ao barramento do alternador (cos φ =1) e
arranque o grupo pelo processo descrito no ponto 5. Ajuste Iex para que a tensão em
vazio seja igual a 360V; ajuste Rr para manter f=49Hz, sempre que a carga variar.
b) Ligue progressivamente as cargas e, para cada uma delas, registe os valores da
tabela 4. Represente graficamente Uc =f(Ia).
Tabela 4: Característica externa para cos φ ≈1
Tensão do
gerador, Uc
[V]
Corrente no
estator, Ia
[A]
Queda de
tensão, ΔU
[%]
7. CARACTERÍSTICA DE REGULAÇÃO
As características de regulação são as funções Iex =f(Ia), para Uc= const e f = const, traçadas
para diferentes valores de cos φ constante. Essas características estão representadas na Fig.
4.
Da análise do gráfico da Fig.4, pode ver-se que para manter Uc constante com cargas
resistivas ou indutivas crescentes, será necessário aumentar Iex, ao passo que com cargas
capacitivas crescentes será necessário diminuir Iex.
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Fig. 4: Características de regulação.
Deste modo, realize os seguintes procedimentos:
a) Para obter as características de regulação com cos φ=1, ligue as resistências de
carga trifásicas ao barramento do alternador; arranque o grupo pelo processo
descrito no ponto 4. Ajuste Iex para que a tensão em vazio seja igual a 360V e
mantenha esta tensão constante ao longo do ensaio. Ajuste Rr sempre que
necessário para manter f=49Hz constante ao longo do ensaio.
b) Ligue progressivamente as cargas e, para cada uma delas, registe os valores da
tabela 5. Calcule a queda de tensão para cada carga. Justifique os resultados
obtidos. Represente graficamente Iex =f(Ia).
Tabela 5: Característica de regulação.
Tensão do
gerador, Iex
[A]
Corrente no
estator, Ia
[A]
8. COMENTÁRIOS
Compare os resultados experimentais do funcionamento da máquina síncrona em carga
com os que poderia obter através do esquema equivalente e das características externas e
de regulação.
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