EEE462 Laboratório de Máquinas Elétricasrichard/LABMAQ/Apostila 2020.pdf · As práticas apresentadas nesta apostila foram, inicialmente, propostas pelo professor Heloi Moreira

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA POLITÉCNICA - Departamento de Engenharia Elétrica

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EEE462

Laboratório de Máquinas Elétricas

Instalação do rotor de uma das 20 unidades geradoras da UHE Itaipu, 1984 16 m de diâmetro, 1760 toneladas

78 polos, 737 MVA

Apostila do Aluno

Edição 2020 – 1


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Introdução

A disciplina de Laboratório de Máquinas Elétricas tem o objetivo de complementar o

aprendizado da disciplina teórica de Máquinas Elétricas, da graduação em Engenharia Elétrica.

Para isso, as instalações do laboratório contam com um acervo de máquinas de corrente

contínua e alternada instaladas em bancadas instrumentadas para a medição de seus diversos

parâmetros.

O interessante deste laboratório é que ele pode dar ao aluno um sentimento sobre a

operação de máquinas que vai além dos livros. Tamanho, velocidade e potência; como se

apresenta a saturação do núcleo ou a reação de armadura em números e gráficos que os

próprios alunos poderão medir e construir; ou de onde vêm os parâmetros utilizados na

modelagem em circuitos elétricos equivalentes constituem alguns exemplos do que será visto.

As práticas apresentadas nesta apostila foram, inicialmente, propostas pelo professor

Heloi Moreira e, posteriormente, aprimoradas pelos professores Sandoval Carneiro Jr., Richard

M. Stephan, Antonio Carlos Ferreira, Juan Carlos Mateus, Flávio Goulart dos Reis Martins e Elkin

Rodriguez.


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AULA PRÁTICA 1: MOTOR E GERADOR DE CORRENTE CONTÍNUA 1. OBJETIVOS:

a. Levantar a curva de magnetização do Gerador de Corrente Continua. b. Levantar as curvas características do Gerador de Corrente Continua e do Motor

de Corrente Continua em Excitação Independente. c. Calcular a eficiência da conversão eletromecânica entre o Gerador de CC e o

Motor de CC. 2. TRABALHO PREPARATÓRIO Responda as seguintes questões: 2.1 O que é a regulação de velocidade nos motores CC? 2.2 Qual é a melhor maneira de controlar a velocidade dos motores de CC? 2.3 Qual é a diferença entre um motor CC em excitação independente e um motor CC em

derivação? 2.4 Quais são os cuidados necessários para se partir um motor de corrente contínua? 2.5 Esquematize as ligações necessárias para a partida de um motor de CC em derivação.

Descreva as etapas de partida. 2.6 O que acontece com a velocidade de um motor de CC em derivação e a vazio quando se

aumenta a corrente de campo? 2.7 O que acontece quando um motor CC em derivação subitamente perde o circuito de campo

quando está rodando? 2.8 O que é o efeito de reação de armadura? O que pode ser feito para contra restar este efeito? 2.9 Como pode ser invertido o sentido de rotação do motor CC? 2.10 Quais fatores determinam o conjugado mecânico do motor CC? 3. EXECUÇÃO Esta experiência será conduzida com o grupo Motor CC – Gerador CC (MCC – GCC) do laboratório de máquinas. 3.1 Observe e descreva o grupo motor – gerador na bancada. Registre o arranjo e anote as

especificações das placas. 3.2 Faça a partida do motor mantendo o gerador sem campo.

Vf(V)

If(A)

Va(V)

Ia(A)

Velocidade

(rpm)


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3.3 Conecte o circuito de campo do gerador e ajuste a corrente de campo até obter a tensão nominal do gerador. Recolha as informações de tensão e corrente no gerador, mantendo a velocidade constante.

3.4 Iniciando com a tensão no valor nominal do gerador, aplique gradativamente cargas de lâmpadas, até atingir corrente e tensão nominais; Se necessário, ajuste a velocidade do motor CC para atingir a tensão e corrente no gerador CC.

3.5 Com os parâmetros do motor de CC ajustados para um ponto de carga do gerador CC, definido pelo professor, abra a carga do gerador CC.

3.6 Varie a corrente de carga do gerador CC de zero até o seu valor nominal, mantendo constantes para o motor CC, a tensão de armadura e a corrente de campo.

3.7 Com as grandezas medidas preencher a tabela 1.

Tabela 1. Característica conjugado x velocidade para o motor CC de excitação independente.

4. RELATÓRIO 4.1 Descreva de maneira organizada todos os procedimentos efetuados durante a execução da

experiência; assinale todos os pontos que você considerou relevantes. 4.2 Para cada ponto da tabela 1, calcule o conjugado aplicado. 4.3 Traçar a curva conjugado x velocidade, eficiência x velocidade, eficiência x corrente de carga.

Assuma que o motor e o gerador possuem eficiências iguais. 5. REFERÊNCIAS

1. S. J. CHAPMAN, Electric Machinery Fundamentals, 5a Ed., Mc Graw-Hill, 2013. 2.. A. E. FITZGERALD, C. KINGSLEY, S. UMANS, Electric Machinery, 7a Ed., Mc Graw-Hill, 2014. 3. M. MOURA SEVERINO, J. OLIVERA DA SILVA, Guia do aluno do Laboratório de Conversão de Energia, 2a Ed. 1997. Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica.

Motor CC Va=__________ V Vf=__________ V If=_________ A

Ia(A)

Gerador

CC

VL(V)

IL(A)

Velocidade (rpm)


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AULA PRÁTICA 2 – DETERMINAÇÃO DOS PERÂMETROS DO

MODELO CLÁSSICO DE MÁQUINAS SÍNCRONAS

1. OBJETIVOS

1.1. Determinar os parâmetros de máquinas síncronas a partir das características em curto-

circuito e circuito aberto utilizando o grupo Motor-Gerador Síncronos (MS-GS).

2. TRABALHO PREPARATÓRIO

2.1. Consulte a bibliografia e escreva um breve resumo dos seguintes tópicos:

- Enrolamentos amortecedores;

- Circuito equivalente de máquinas síncronas;

- Ensaios de curto-circuito e circuito aberto;

- Relação de curto-circuito.

2.2. Prepare a tabela da experiência:

Ensaio a Vazio Ea IF 10 linhas ... ...

Ensaio de Curto-circuito IF Ia 10 linhas ... ...

3. EXECUÇÃO

3.1. Observe cuidadosamente toda a bancada experimental. Tome nota dos dados de placa

do motor e do gerador, os instrumentos utilizados e suas escalas, e todas as conexões

terminais entre os equipamentos.

3.2. Partida do Grupo Motor-Gerador:

Observe as diferentes formas de partida do motor síncrono (MS). São utilizados o

soft-starter e a partida direta. Atente para os diferentes comportamentos.

3.3. Ensaio de Circuito Aberto:

Ligue o MS com a armadura do GS em aberto e sem corrente de campo. Em seguida,

aumente gradativamente a corrente de campo (IF), registrando também a tensão

induzida nos terminais da armadura (Va) até 10% acima da nominal. Em especial,

registre os valores com campo zero e a situação de tensão nominal.

3.4. Ensaio de Curto-circuito:

Ligue o MS com a armadura do GS em curto-circuito trifásico e sem corrente de campo.

Em seguida, aumente gradativamente a corrente de campo (IF), registrando também a

corrente de fase (Ia) até 10% acima da nominal. Em especial, registre os valores com

campo zero e a situação de corrente nominal.


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4. RELATÓRIO

4.1. Descreva de maneira organizada tudo o que foi observado no item 3.1. Utilize

esquemas elétricos, identificando toda a instrumentação e, se possível, fotos para

ilustrar seu aprendizado da melhor forma possível.

4.2. Descreva os procedimentos efetuados durante a execução dos itens 3.2 a 3.4. Assinale

todos os pontos que você considerou relevantes.

4.3. Trace as curvas características de circuito aberto e curto-circuito, indicando a linha de

entreferro.

4.4. Calcule a reatância síncrona não-saturada (XSN) e a reatância síncrona saturada à tensão

nominal (XSS).

4.5. Calcule a relação de curto-circuito (RCC) do gerador e mostre que RCC = 1/XSS(pu)

4.6. Trace a curva de Reatância Síncrona x Corrente de Campo.

4.7. Apresente o modelo do gerador síncrono ensaiado.

4.8. Anexe a tabela de medições dos ensaios no relatório.

5. REFERÊNCIAS

1. S. J. CHAPMAN, Electric Machinery Fundamentals, 5a Ed., Mc Graw-Hill, 2013. 2.. A. E. FITZGERALD, C. KINGSLEY, S. UMANS, Electric Machinery, 7a Ed., Mc Graw-Hill, 2014.


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AULA PRÁTICA 3A – DETERMINAÇÃO DAS REATÂNCIAS Xd E Xq DO GERADOR SÍNCRONO

1. OBJETIVOS

1.1. Sincronizar o Gerador Síncrono com a rede elétrica;

1.2. Determinar os parâmetros do modelo decomposto em eixos direto e quadratura de

máquinas síncronas de polos salientes.



- Paralelismo de geradores síncronos com a rede elétrica;

- Teoria de polos salientes em máquinas síncronas;


Medição de Xd Ia VaN

10 linhas ... ...

Medição de Xq

10 linhas ... ...

3. EXECUÇÃO




3.2. Ligue o MS com a armadura do GS em aberto e sem corrente de campo. Em seguida,

aumente a corrente de campo até ser induzida uma tensão nominal nos terminais da

armadura. Ajuste a tensão do barramento do variac Trifásico até o mesmo valor.

Execute a operação de sincronismo do GS com o barramento trifásico com auxílio de

um osciloscópio e o sequencimetro de lâmpadas. Finalmente, desligue o circuito de

campo do GS e diminua a tensão do barramento.

3.3. Gire o estator do gerador através da manivela de defasagem procurando o ponto de

corrente de armadura (Ia) máxima. Ajuste a tensão do barramento para obter Ia

nominal e em seguida diminua gradativamente a tensão anotando os valores de Ia e VaN

na respectiva tabela.


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3.4. Reduza a tensão do barramento e gire o estator do gerador através da manivela de

defasagem procurando o ponto de corrente de armadura (Ia) mínima. Ajuste a tensão

do barramento para obter Ia nominal e em seguida diminua gradativamente a tensão

anotando os valores de Ia e VaN na respectiva tabela.

4. RELATÓRIO




4.2. Descreva os procedimentos efetuados durante a execução do item 3. Assinale todos os

pontos que você considerou relevantes. Seja bastante criterioso ao explicar o

procedimento 3.2.

4.3. Apresente um resumo conceitual sobre as reatâncias Xd e Xq das máquinas síncronas

de polos salientes com o auxílio de diagramas fasoriais.

4.4. Explique, em termos de circuito magnético, o que acontece ao se defasar

mecanicamente o estator para causar uma variação da corrente de armadura com a

tensão do barramento fixa. Por que existe um ponto de máxima e um de mínima?

4.5. Calcule, mostre graficamente e discuta a respeito do comportamento das reatâncias Xd

e Xq em função da tensão de fase VaN.

4.6. Compare os resultados obtidos para Xd e Xq com os obtidos pelo método da experiência

3B.


5. REFERÊNCIAS



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AULA PRÁTICA 3B – DETERMINAÇÃO DAS REATÂNCIAS Xd E Xq DO GERADOR SÍNCRONO

1. OBJETIVOS

1.1. Sincronizar o Gerador Síncrono com a rede elétrica;

1.2. Determinar os parâmetros do modelo decomposto em eixos direto e quadratura de

máquinas síncronas de polos salientes.



- Paralelismo de geradores síncronos com a rede elétrica;

- Teoria de polos salientes em máquinas síncronas;


VaN w Ia (max) Ia (min)

10 linhas ... ... ...

3. EXECUÇÃO




3.2. Ligue o MCC com a armadura do GS em aberto e sem corrente de campo. Em seguida,

aumente a corrente de campo até ser induzida uma tensão de cerca de 100 V nos

terminais da armadura. Ajuste a tensão do barramento do variac Trifásico até o mesmo

valor. Execute a operação de sincronismo do GS com o barramento trifásico com auxílio

de um osciloscópio e o sequencimetro de lâmpadas. Finalmente, desligue o circuito de

campo do GS e diminua a tensão do barramento.

3.3. Altere a velocidade do MCC pelo controle de corrente de campo de forma a impor um

escorregamento entre o GS e a rede elétrica. Observe a variação do módulo da corrente

induzida, a relação entre sua frequência e o escorregamento.

3.4. Altere também a tensão do barramento de forma a obter diferentes tensões VaN e

máximos e mínimos de corrente, Ia(max) e Ia(min), em alguns escorregamentos diferentes.


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4. RELATÓRIO




4.2. Descreva os procedimentos efetuados durante a execução do item 3. Assinale todos os

pontos que você considerou relevantes. Seja bastante criterioso ao explicar o

procedimento 3.2.

4.3. Apresente um resumo conceitual sobre as reatâncias Xd e Xq das maquinas síncronas

de polos salientes com o auxílio de diagramas fasoriais.

4.4. Explique o que acontece ao se impor um escorregamento para causar uma variação de

amplitude da corrente de armadura com a tensão do barramento fixa. Por que existe

um ponto de máxima e um de mínima?

4.5. Calcule, mostre graficamente e discuta a respeito do comportamento das reatâncias Xd

e Xq em função da tensão de fase VaN.

4.6. Compare os resultados obtidos para Xd e Xq com os obtidos pelo método da experiência

3A.


5. REFERÊNCIAS



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AULA PRÁTICA 4 – ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA CARGA NO

GERADOR SÍNCRONO ISOLADO DA REDE

1. OBJETIVOS

1.1. Observar a influência do fator de potência da carga.

1.2. Comparar o modelo clássico com o DQ

1.3. Verificar a regulação de tensão no gerador.



- Gerador Síncrono isolado em diferentes condições de carga;

- Relação entre Frequência-Ativo e Tensão-Reativo;


S P Q V I

Carga L1 L2 L1 L2 L1 L2 L1 L2 L1 L2 IF Ea

R(2 linhas)

L(2 linhas)

C(2 linhas)

3. EXECUÇÃO




3.2. Parta o grupo MS-GS e ajuste a corrente de campo para obter tensão nominal.

3.3. Combine as cargas e ajuste a corrente de campo para obter tensão nominal com

FP = 1 em 2 níveis de corrente. Complete a tabela de medidas em cada um dos casos,

desligando cada carga para medir Ea.

3.4. Recombine as cargas e ajuste a corrente de campo para obter tensão e corrente

nominais com FPs indutivos em 2 níveis de corrente. Complete a tabela de medidas em

cada um dos casos, desligando cada carga para medir Ea.

3.5. Recombine as cargas e ajuste a corrente de campo para obter tensão e corrente

nominais com FPs capacitivos em 2 níveis de corrente. Complete a tabela de medidas

em cada um dos casos, desligando cada carga para medir Ea.


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4. RELATÓRIO

4.1. Descreva de maneira organizada tudo o que foi observado no item 3.1. Utilize esquemas

elétricos, identificando toda a instrumentação e, se possível, fotos para ilustrar seu

aprendizado da melhor forma possível.



4.3. Monte diagramas fasoriais para as potências ativas, reativas e aparentes para cada uma

das cargas ensaiadas.

4.4. Monte diagramas fasoriais para as condições de carga observadas nos itens 3.3 a 3.5

contendo: Ea, Va, Ia e Z (modelo clássico) e Ea, Va, Id, Iq e Z (modelo DQ). Compare-os.

4.5. Calcule a regulação de tensão para os casos de carga observados nos itens 3.3 a 3.5

usando os fatores de potência medidos.

4.6. Calcule Ea utilizando XSS do modelo clássico da máquina síncrona obtido na

Experiência 3 e recalcule a regulação de tensão para os casos de carga observados nos

itens 3.3 a 3.5. Compare os resultados.

4.7. Compare as correntes de excitação (IF) utilizadas nos casos 3.3 a 3.5 e explique as

diferenças com base nos diagramas fasoriais.


5. REFERÊNCIAS



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AULA PRÁTICA 5 – LEVANTAMENTO DA CURVA V DO MOTOR SÍNCRONO

1. OBJETIVO

1.1. Verificar aspectos operacionais do motor síncrono sob várias condições de carga

(usando o gerador síncrono) e fator de potência.



- Diferença entre motor e gerador síncrono;

- Diagrama fasorial de motor síncrono;

- Curva V;

- Partida de motores síncronos;

- Aplicação de motores síncronos.


Carga Leve Ia IF

10 linhas ... ...

Carga Média

10 linhas ... ...

Carga Pesada

10 linhas ... ...

3. EXECUÇÃO




3.2. Observe o MS trabalhando a diferentes níveis de excitação e carregamento. O

acréscimo de resistores ao GS se refletirá em carga mecânica média e pesada no MS.

Procure observar também a tensão e a corrente de armadura do GS no osciloscópio

durante os procedimentos:

Carga leve:

Parta o motor com o gerador em vazio. Ajuste IF de forma que Ia seja mínima. Em

seguida, diminua IF até obter Ia nominal. A partir deste ponto, aumente gradativamente

IF, medindo também IA e FP, completando a tabela no campo correspondente à carga

leve até atingir novamente IA nominal.


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Carga média:

Retorne o motor à corrente mínima. Insira cargas resistivas no gerador até que a

corrente do motor atinja 0,4 pu. Em seguida, diminua IF até obter Ia nominal. A partir

deste ponto, aumente gradativamente IF, medindo também IA e FP, completando a

tabela no campo correspondente à carga média até atingir novamente IA nominal.

Carga pesada:

Retorne o motor à corrente de 0,4 pu. Aumente a carga resistiva no gerador até que a

corrente do motor atinja 0,8 pu. Em seguida, diminua IF até obter Ia nominal. A partir

deste ponto, aumente gradativamente IF, medindo também IA e FP, completando a

tabela no campo correspondente à carga pesada até atingir novamente IA nominal.

4. RELATÓRIO




4.2. Descreva os procedimentos efetuados durante a execução do item 3.2. Assinale todos

os pontos que você considerou relevantes.

4.3. Trace as curvas V para os três níveis de carga a partir dos dados coletados. Trace as

linhas de tendência para fatores de potência unitário, 0,8 e 0,6 indutivo e capacitivo.

4.4. Estime pelo gráfico a corrente de excitação necessária para que o motor opere a

1,9 kW com FP 0,9 atrasado.

4.5. Calcule a relação FP’ = Ia1/Ia (corrente de armadura com FP = 1 dividida pela corrente

de armadura medida). Compare o resultado com os pares (Ia, FP) medidos.

4.6. O que se traduz em carga mecânica no caso de carga leve nesta experiência?

4.7. Desenhe diagramas fasoriais do motor síncrono operando nas 3 condições de carga (em

FP arbitrários). Destaque os lugares geométricos onde encontram-se Ia e Ea em função

da excitação. Explique sua relação com a potência e o comportamento do ângulo de

carga.


5. REFERÊNCIAS



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AULA PRÁTICA 6 – DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DE UM

MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

1. OBJETIVOS

1.1. Familiarizar-se com o inversor;

1.2. Determinar os parâmetros do circuito equivalente do MI;

1.3. Levantar a curva de carga do MI.



- Aspectos Construtivos de Motores de Indução;

- Curva torque x escorregamento de Motores de Indução;

- Circuito Equivalente do Motor de Indução;

2.2. Prepare as tabelas da experiência:

S P Q V I

Teste a vazio

Rotor bloqueado

Curva torque x velocidade S P Q força rotação

(10 linhas)

3. EXECUÇÃO




3.2. Familiarize-se com o inversor usando como referência o manual de instrução.

Identifique seus parâmetros e os comandos básicos do controlador.

3.3. Faça o ensaio a vazio do MI. Para isso, eleve a tensão com o auxílio do variac até que

seja atingido o valor nominal. Complete a tabela com os valores das potências, tensão

e corrente. Reduza a tensão e aguarde a parada total do MI.

3.4. Faça o ensaio de rotor bloqueado. Para isso, trave o eixo utilizando a alavanca de

bloqueio do dinamômetro. Em seguida, eleve cuidadosamente a tensão utilizando o

variac até obter corrente nominal no MI. Complete a tabela com os valores das

potências, tensão e corrente. Reduza a tensão e libere o bloqueio do dinamômetro.


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3.5. Acione o MI controlando pelo inversor. Em seguida, acione o dinamômetro como um

gerador CC. A variação da corrente de campo altera o carregamento do gerador,

refletindo como carga mecânica no eixo do motor. Complete a tabela com os valores

medidos. Atenção às unidades da instrumentação! Ao terminar, diminua novamente a

alimentação do MI.

4. RELATÓRIO






4.3. Calcule os parâmetros do circuito equivalente do MI e apresente seu modelo por fase.

4.4. Trace as curvas de conjugado x velocidade do MI. Utilize um único gráfico para

apresentar os dados de ambas as tabelas. Discuta a respeito destes resultados.

4.5. Calcule o escorregamento para os pontos medidos.

5. REFERÊNCIAS


Documents

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