Máquinas Síncronas Trifásicas - Alternador

Instituto Politécnico de Setúbal

Escola Superior de Tecnologia

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Ramo de Energias Renováveis e Sistemas de Potência

Máquinas Eléctricas

2011/2012

Máquinas Síncronas Trifásicas - Alternador

Docente: Prof. Silviano Rafael

Discentes:

Diogo Anselmo nº 052166182

Tiago Martins nº 080250042

Filipe Valério nº 100250031

7 de Dezembro de 2011

IPS - Escola Superior de Tecnologia

2

Índice

ÍNDICE

RESUMO

INTRODUÇÃO

A MÁQUINA SÍNCRONA

INTRODUÇÃO

METODOLOGIA

ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS

ENSAIOS LABORATORIAIS

DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS

ESTUDO DO RENDIMENTO

FORNECIMENTO DE ENERGIA

DISPOSIÇÕES FINAIS

Escola Superior de Tecnologia Máquinas Eléctricas


ARÂMETROS

NERGIA ELÉCTRICA


2

3

4

4

5

6

6

7

21

24

27

29


3

Resumo

Este trabalho surge no âmbito de uma solicitação empresarial, para o estudo

e fornecimento de uma solução de conversão e

microgeração. Solicita-se, deste modo, o fornecimento de um conjunto, por

determinar, de geradores síncronos de baixa

zonas rurais de reduzida dimensão, com base em mini

Deseja-se conhecer as potencialidades

síncronas, no seu funci

disponibilizada toda a informação electrotécnica e electromecânica, de elevada

fiabilidade e que permita dar resposta a todas as questões do cliente. Sendo

que o problema de velocidade de accionamento já terá sido resolvido por outra

equipa de trabalho, o que nos permite assim considerar, para o nosso estudo,

que este factor é constante.

É desta forma que se inicia o presente estudo, salvaguardando apenas a

informação que a presente equipa

funcionamento do gerador sí

informação relativamente ao accionamento e controlo de velocidade de todo o

equipamento fornecido.

Este mesmo estudo será desenvolvido

aplicação dos geradores que se pretende forne

apresentadas várias informações técnicas

• Disposições técnicas

• Ensaios laboratoriais;

• Ensaios computorizados;

• Cálculo analítico e computorizado;

• Apresentação com

• Disposições finais.



surge no âmbito de uma solicitação empresarial, para o estudo

e fornecimento de uma solução de conversão electromecânica de energia para

se, deste modo, o fornecimento de um conjunto, por

determinar, de geradores síncronos de baixa potência, com vista a abastecer

zonas rurais de reduzida dimensão, com base em mini-eólicas e mini

as potencialidades da instalação de máquinas trifásicas

síncronas, no seu funcionamento como gerador, pelo que será desta forma




que nos permite assim considerar, para o nosso estudo,

constante.


ão que a presente equipa se disporá a desenvolver co

do gerador síncrono. Desta forma, está excluída toda a


Este mesmo estudo será desenvolvido procurando a melhor compreensão e

aplicação dos geradores que se pretende fornecer. Tal como indicado, serão

informações técnicas:

écnicas;

aboratoriais;

omputorizados;

Cálculo analítico e computorizado;

omputorizada de toda a informação;

inais.


surge no âmbito de uma solicitação empresarial, para o estudo

lectromecânica de energia para

se, deste modo, o fornecimento de um conjunto, por

potência, com vista a abastecer

eólicas e mini-hídricas.

da instalação de máquinas trifásicas

, pelo que será desta forma




que nos permite assim considerar, para o nosso estudo,


om o estudo do

Desta forma, está excluída toda a


a melhor compreensão e

cer. Tal como indicado, serão


4

INTRODUÇÃO

O trabalho de carácter académico

contexto da unidade curricular de Máquinas Eléctricas, do curso de

de Engenharia Electrotécnica e de Computadores, r

Renováveis e Sistemas de Potência. Assim, neste primeiro capítulo será

apresentada toda a infor

compreensão do estudo do gerador síncrono como um todo.

Com o iniciar deste relatório, decidiu dar

ênfase a toda a fracção teórica que serviu de base à elaboração do mesmo.

Como foi já referido,

fornecimento de geradores síncronos para

A MÁQUINA SÍNCRONA

Sejam motores ou alternadores síncronos,

síncrona essencialmente em Rotor e Estator.

No funcionamento como Gerador Síncrono, define

sendo este percorrido por correntes contínuas, que atrave

enrolamentos indutores que envolvem um núcleo ferromagnético, cuja função

será a de criar um campo magnético de intensidade apreciável. Com base

neste campo indutor e na Lei da Indução, geram

induzidas no Estator ou Induzi

desfasados fisicamente 120º, são desenvolvidas nos mesmos três forças

electromotrizes alternadas sinusoidais igualmente desfasadas.

Definindo assim o gerador síncrono como um elemento que transforma

energia mecânica em energia eléctrica,

obtida com vista à sua posterior distribuição.



Disposições Técnicas do Estud

O trabalho de carácter académico que agora se inicia é desenvolvido no

contexto da unidade curricular de Máquinas Eléctricas, do curso de

ctrotécnica e de Computadores, ramo de Energia


apresentada toda a informação introdutória, com vista a consolidar e facilitar a

compreensão do estudo do gerador síncrono como um todo.

Com o iniciar deste relatório, decidiu dar-se, nesta fase inicial, um especial


oi já referido, pretende-se efectuar um estudo acerca de um

fornecimento de geradores síncronos para acoplamento a fontes renováveis.

Sejam motores ou alternadores síncronos, “desmonta-se

síncrona essencialmente em Rotor e Estator.

No funcionamento como Gerador Síncrono, define-se o Rotor como Indutor,

sendo este percorrido por correntes contínuas, que atrave



neste campo indutor e na Lei da Indução, geram-se forças electromotrizes

induzidas no Estator ou Induzido. Sendo que os enrolamentos do Estator estão


electromotrizes alternadas sinusoidais igualmente desfasadas.


cânica em energia eléctrica, que no decorrer deste estudo será

obtida com vista à sua posterior distribuição.


1

Disposições Técnicas do Estud o

que agora se inicia é desenvolvido no

contexto da unidade curricular de Máquinas Eléctricas, do curso de licenciatura

amo de Energias


consolidar e facilitar a

, nesta fase inicial, um especial


se efectuar um estudo acerca de um

a fontes renováveis.

se” a máquina

se o Rotor como Indutor,

sendo este percorrido por correntes contínuas, que atravessam os



se forças electromotrizes

do. Sendo que os enrolamentos do Estator estão



que no decorrer deste estudo será


5

INTRODUÇÃO

Depois de efectuada a breve introdução teórica que serviu de apoio ao

desenvolvimento deste Caderno de Estudos,

apresentada toda a informação recolhida no decorrer dos ensaios laboratoriais.

Estes mesmos ensaios foram realizados metodicamente e com fins bastante

específicos, cronológica e tecnicamente adaptados a satisfazer cada uma das

necessidades de estudo presentes neste relatório.

Assim, foram efectuados vários ensaios laboratoriais. Estes decorreram no

mês de Novembro no Laboratório certificado D351 da Escola Superior de

Tecnologia de Setúbal, sita no Instituto Politécnico de Setúbal. N

referido mês, foram então efectuados extensivo

características da máquina

particularidades da mesma, como sendo:

• Característica de Vazio;

• Característica de Curto

• Característica Externa;

• Característica de Regulação;

• Determinação de Parâmetros;

• Característica de Rendimento;

• Característica de Potência;

Desta forma, seguidamente serão estudados cada um destes ensaios com

maior foco, sendo depois esta, a informação que servirá de su

restante estudo.



Estudo


desenvolvimento deste Caderno de Estudos, neste segundo capítulo é




ssidades de estudo presentes neste relatório.



Tecnologia de Setúbal, sita no Instituto Politécnico de Setúbal. N

referido mês, foram então efectuados extensivos ensaios para determinação de

áquina síncrona, bem como parâmetros e outras

particularidades da mesma, como sendo:

Característica de Vazio;

Característica de Curto-circuito;

Característica Externa;

Característica de Regulação;

Determinação de Parâmetros;

Característica de Rendimento;

Característica de Potência;

idamente serão estudados cada um destes ensaios com

maior foco, sendo depois esta, a informação que servirá de su


2

Estudo Laboratório


neste segundo capítulo é






Tecnologia de Setúbal, sita no Instituto Politécnico de Setúbal. No decorrer do

s ensaios para determinação de

íncrona, bem como parâmetros e outras

idamente serão estudados cada um destes ensaios com

maior foco, sendo depois esta, a informação que servirá de suporte a todo o


6

METODOLOGIA

Segundo as disposições entregues, a previsão do funcionamento e

condições de ensaios, deverá basear

pré-elaborados, pelo que foi este o método seguido. Utilizando o

Matlab, foram efectuada

aproximar e aprofundar no decorrer dos ensaios laboratoriais.

No decorrer depois da elaboração deste relatório

cuidada atenção a aspectos como a apresentação de resultados, gráficos,

ensaios e esquemas. Foram, sem

informáticos adequados, cujas evidências se apresentaram seguidamente.

ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS

Como informação adicional, apresentamos, ainda antes dos ensaios, as

especificações técnicas da máquina síncrona trifásica sobre a qual incidiram os

mesmos. Desta forma, primeiro apresentam

indicadas na máquina presente no

Tabela 1 - Características de Máquina Síncrona Trifásica

Motor

Gerador

Ligação Estrela Ligação

Triângulo Magnetização

Como se pode observar, são acima apresentadas todas as informações e

valores nominais correspondentes à máquina síncrona trifásica ensaiada em

laboratório. No entanto, visto que a

fornecimento de geradores síncronos, foi necessária a utilização de um motor

para accionamento do gerador ensaiado. Dest

máquina de corrente contínua utilizada, apresentam




condições de ensaios, deverá basear-se em gráficos e estudos matemáticos

elaborados, pelo que foi este o método seguido. Utilizando o

das previsões e ensaios com vista a um melhor

aproximar e aprofundar no decorrer dos ensaios laboratoriais.

pois da elaboração deste relatório, foi dada especial e


ensaios e esquemas. Foram, sempre que possível, utilizados programas


ÉCNICAS



mesmos. Desta forma, primeiro apresentam-se todas as características

indicadas na máquina presente no laboratório:

Características de Máquina Síncrona Trifásica

Potência Factor Potência Frequência1,2 kVA 0,8 1,0 kW - Tensão Corrente 220 V 3,5 A

Serial Nr. 5533127 V 6,1 A

220 V 1,4 A



laboratório. No entanto, visto que a solicitação deste caderno corresponde ao


para accionamento do gerador ensaiado. Desta forma, as características da

ontínua utilizada, apresentam-se abaixo:



se em gráficos e estudos matemáticos

elaborados, pelo que foi este o método seguido. Utilizando o software

com vista a um melhor

, foi dada especial e


pre que possível, utilizados programas




se todas as características

Características de Máquina Síncrona Trifásica

Frequência 50 Hz

1500rpm Outros

IP23 Serial Nr. 5533

Terco



solicitação deste caderno corresponde ao


a forma, as características da


7

Tabela 2 - Características de Máquina de Corrente Contínua

Potência Excitação2kW 220V

Desta forma, foi com base em ambas estas máquinas, que foram efectuados

todos os ensaios, e as

estudos. Indicando estas características, foi depois desenvolvido o estudo das

suas características e parâmetros, tendo em conta todos estes valores

nominais e as limitações electromecânicas de cada máquina.

ENSAIOS LABORATORIAIS

Introdução

Resumidos os ensaios laboratoriais acima, somos agora a apresentar cada

um dos mesmos com maior incidência e espírito crítico. Estes serão

apresentados segundo um relatório particular a cada um deles, sendo depois

em cada secção desenvolvida a informação e retiradas conclusões

fundamentadas, face aos resultados apresentados.

Indicando, acessoriamente, pode

neste capítulo, com especial foco esta segunda parte, foi obtida utilizando

equipamentos de medida sofisticados e de grande fiabilidade. Por seu lado,

foram utilizadas máquinas síncronas adequadas

potências a dimensionar. Desta forma, em primeiro lugar é apresentado o

ensaio realizado para determinação

Síncrono.



Características de Máquina de Corrente Contínua

Excitação Induzido n 0,8A 220V 12A 1500rpm


todos os ensaios, e as suas conclusões transpostas para este caderno de



nominais e as limitações electromecânicas de cada máquina.

ABORATORIAIS




secção desenvolvida a informação e retiradas conclusões

fundamentadas, face aos resultados apresentados.

Indicando, acessoriamente, pode-se referir que toda a informação presente



foram utilizadas máquinas síncronas adequadas – digam-se equiparadas


ensaio realizado para determinação da Característica de Vazio do Gerador


Características de Máquina de Corrente Contínua

Sr. Nr. 1500rpm 5330


suas conclusões transpostas para este caderno de






secção desenvolvida a informação e retiradas conclusões

se referir que toda a informação presente



se equiparadas – às


da Característica de Vazio do Gerador


8

Característica de Vazio

Com este ensaio pretendia determinar

terminais do estator, força e

corrente no indutor (If). A relação entre tensão gerada em vazio (U) e corrente

de excitação (If) é a Característica de Vazio

Figura

Em vazio temos: ≅

Transpondo o esquema apresentado na f

ensaios, foram retiradas as informações que seguidamente se apresentam em

tabela. Com base nestes dados, foram realizadas simulações computorizadas

em Matlab para traçar a Característica de Vazio, aproximada aos mesmos.



Característica de Vazio

Com este ensaio pretendia determinar-se como variava a tensão aos

força electromotriz (Ef), em função de uma variação na

A relação entre tensão gerada em vazio (U) e corrente

Característica de Vazio.

1 - Esquema equivalente de Ensaio Vazio

≅

pondo o esquema apresentado na figura acima para a bancada de



para traçar a Característica de Vazio, aproximada aos mesmos.


a a tensão aos

em função de uma variação na

A relação entre tensão gerada em vazio (U) e corrente

igura acima para a bancada de



para traçar a Característica de Vazio, aproximada aos mesmos.


9

*valor obtido

1500

If (A)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4



Tabela 3 - Característica de Vazio

*valor obtido através de extrapolação:

1000 1500 1000 [V]

Figura 2 - Característica de Vazio

Ef (V)

1000rpm 1300rpm 1500rpm * 0.66 0.70 1.06 14.78 18.83 28.25 29.45 38.22 57.32 43.48 57.00 85.50 56.17 74.03 111.04 67.18 88.73 133.09 76.45 100.98 151.47 84.14 111.00 166.50 90.54 119.20 178.81 95.97 126.12 189.17

100.72 132.21 198.32 104.98 137.83 206.74 108.73 143.00 214.51 111.67 147.40 221.10 113.16 150.15 225.23



10

Como se pode observar pelos valores indicados na tabela 3 e seu gráfico

resultante, revela-se um incremento de tens

excitação, o que corresponde ao disposto teoricamente. Relativamente a este

ensaio, o efeito de histerese no ferro foi “anulado” através do cálculo da média

entre os valores de tensão do ensaio ascendente e descendente.

Observe que a tensão é p

próximo de 65% da sua tensão nominal. Acima deste ponto, os materiais

ferromagnéticos apresentam saturação e a tensão possui um menor

crescimento para acréscimo de corrente de excitação. Normalmente os

geradores operam no início da faixa de saturação a fim de facilitar a regulação.

Observe-se que este ensaio foi realizado para duas

de 1000rpm e 1300rpm (sendo depois obtidos valores para 1500rpm

algebricamente), bem como sem qualquer c

gerador. A presente curva de vazio decorre do facto de existir uma

proporcionalidade entre a Força

assim, tal como foi já indicado, esta característica não é linear devido às

características magnéticas do ferro. Verifica

excitação ao atingir o seu valor nominal, a força electromotriz aumenta muito

pouco, pelo que se entra na zona de saturação magnética. Outra informação

relevante deste ensaio, além da

remanescente. Isto é explicado pelo facto de a curva de vazio não se iniciar em

zero, mas sim num dado valor de tensão residual.



se pode observar pelos valores indicados na tabela 3 e seu gráfico

se um incremento de tensão com o aumento da

, o que corresponde ao disposto teoricamente. Relativamente a este

sterese no ferro foi “anulado” através do cálculo da média


Observe que a tensão é praticamente linear com a corrente de excitação até

% da sua tensão nominal. Acima deste ponto, os materiais



adores operam no início da faixa de saturação a fim de facilitar a regulação.

que este ensaio foi realizado para duas velocidade

e 1300rpm (sendo depois obtidos valores para 1500rpm

bem como sem qualquer carga aplicada aos terminais do

. A presente curva de vazio decorre do facto de existir uma

de entre a Força Electromotriz (Ef) e o Fluxo Indutor (


aracterísticas magnéticas do ferro. Verifica-se assim, que a corrente de



relevante deste ensaio, além da histerese do ferro, será o magnetismo


zero, mas sim num dado valor de tensão residual.


se pode observar pelos valores indicados na tabela 3 e seu gráfico

ão com o aumento da corrente de

, o que corresponde ao disposto teoricamente. Relativamente a este

sterese no ferro foi “anulado” através do cálculo da média


e de excitação até

% da sua tensão nominal. Acima deste ponto, os materiais



adores operam no início da faixa de saturação a fim de facilitar a regulação.

velocidades constantes

e 1300rpm (sendo depois obtidos valores para 1500rpm

cada aos terminais do

. A presente curva de vazio decorre do facto de existir uma

e o Fluxo Indutor (φf). Ainda


se assim, que a corrente de



histerese do ferro, será o magnetismo



11

Característica de Curto


(Ia), em função de uma variação na corrente no

Figura 3 - Esquema equivalente

Transpondo o esquema apresentado na f



em Matlab para traçar a

É de referir que este ensaio foi realizado

alternador síncrono, sendo depois medida a corrente da

valores dentro dos nominais,

com este ensaio que se obtém a relação entre a c

corrente de armadura (Ia)

através do gráfico apresentado.

Tabela



Característica de Curto -circuito

Com este ensaio pretendia determinar-se como variava a corrente na linha

), em função de uma variação na corrente no indutor (If).

Esquema equivalente - Ensaio Curto-circuito

ema apresentado na figura acima para a bancada de



para traçar a Característica de Curto-circuito.

e ensaio foi realizado “curto-circuitando” os terminais do

alternador síncrono, sendo depois medida a corrente da armadura

valores dentro dos nominais, de forma a não danificar a máquina síncrona. É

com este ensaio que se obtém a relação entre a corrente de excitação

(Ia), sendo esta relação linear, como se pode observar

através do gráfico apresentado.

Tabela 4 - Característica de Curto-circuito

If (A) Ia (A) 0.0 0.093

0.05 0.5 0.1 1.0

0.15 1.5 0.19 2.0 0.24 2.5 0.275 3.0 0.32 3.5


se como variava a corrente na linha

igura acima para a bancada de



os terminais do

armadura (Ia) até

de forma a não danificar a máquina síncrona. É

orrente de excitação (If) e a

como se pode observar


12

Figura

Como se pode observar pelos valores indicados na tabela 4

aumento da corrente na armadura

corrente de excitação (If)

É depois com base na c

analisados alguns dos parâmetros internos da máquina síncrona. Isto sucede

se pelo simples facto

praticamente indutiva, podendo assim desprezar

impedância (resistência do enrolamento

reactância síncrona (Xs

determinação dos parâmetros internos do gerador s



Figura 4 - Característica de Curto-circuito

var pelos valores indicados na tabela 4, revela

aumento da corrente na armadura directamente proporcional ao

), o que corresponde ao disposto teoricamente.

É depois com base na característica de curto-circuito e de v

analisados alguns dos parâmetros internos da máquina síncrona. Isto sucede

se pelo simples facto de que a corrente que percorre o enrolamento é

praticamente indutiva, podendo assim desprezar-se a componente real da

resistência do enrolamento) face à componente imaginária

Xs). Estes pressupostos serão depois aprofund

ção dos parâmetros internos do gerador síncrono.


, revela-se um

nte proporcional ao aumento da

, o que corresponde ao disposto teoricamente.

circuito e de vazio, que são

analisados alguns dos parâmetros internos da máquina síncrona. Isto sucede-

de que a corrente que percorre o enrolamento é

componente real da

face à componente imaginária ou

. Estes pressupostos serão depois aprofundados na


13

Característica Externa


em função de uma variação na corrente no indutor

Figura 5

Ao contrário do que acontecia com ambos os ensaios anteriores, neste caso

foram ligadas cargas aos terminais do

iriam depois determinar o traçar da

Figura



Característica Externa

Com este ensaio pretendia determinar-se como variava a tensão na carga

em função de uma variação na corrente no indutor (If).

- Esquema equivalente - Ensaio C. Externa


foram ligadas cargas aos terminais do gerador síncrono, cujas características

iriam depois determinar o traçar da Característica Externa.

Figura 6 - Característica Externa teórica


como variava a tensão na carga (U)


íncrono, cujas características


14

Como se pode verificar pelo gráfico acima, o tipo de carga,

indutiva ou capacitiva, influencia o traçar da característica externa do g

síncrono. Para uma carga capacitiva verifica

medida que a corrente na armadura aumenta,

reacção do induzido estar

resultante tende a ser reforçado

de tensão aos seus terminais.

cargas se podem obter valores de corrente na armadura superior

em curto-circuito.

Por outro lado, analisando os outros dois tipos de carga, verifica

situação tende a ser oposta à explicada. Observando

acima, repara-se que tanto para cargas indutivas

tem-se uma diminuição da tensão aos seus terminais.

No caso da carga indutiva, com ângulo de fase inferior a zero, tenderá a

desenvolver-se um fluxo de reacção em oposição ao fluxo principal. Com isto,

tem-se uma redução do fluxo resultante e conseq

aos terminais do gerador s

O mesmo efeito verifica

menor, ainda está presente o fluxo de reacção do induzido. Assim, para melhor

compreensão e interpretação dos resultad

apresenta-se a informação anterior, consolidada num só gráfico, bem como as

tabelas correspondentes



Como se pode verificar pelo gráfico acima, o tipo de carga,

influencia o traçar da característica externa do g

Para uma carga capacitiva verifica-se um aumento da tensão à

medida que a corrente na armadura aumenta, isto deve-se ao fact

reacção do induzido estar em fase com o fluxo principal. Desta forma, o fluxo

ultante tende a ser reforçado pelo fluxo de reacção, resultando no aument

de tensão aos seus terminais. Podemos também verificar que para este tipo de

cargas se podem obter valores de corrente na armadura superior

Por outro lado, analisando os outros dois tipos de carga, verifica

situação tende a ser oposta à explicada. Observando os gráficos apresentados

se que tanto para cargas indutivas puras como para resi

ão da tensão aos seus terminais.

o caso da carga indutiva, com ângulo de fase inferior a zero, tenderá a

se um fluxo de reacção em oposição ao fluxo principal. Com isto,

se uma redução do fluxo resultante e consequente diminui

aos terminais do gerador síncrono.

O mesmo efeito verifica-se no caso da carga resistiva, pois mesmo sendo


compreensão e interpretação dos resultados e das conclusões retiradas

se a informação anterior, consolidada num só gráfico, bem como as

tabelas correspondentes.


Como se pode verificar pelo gráfico acima, o tipo de carga, seja resistiva,

influencia o traçar da característica externa do gerador

se um aumento da tensão à

se ao facto do fluxo de

fluxo principal. Desta forma, o fluxo

resultando no aumento

Podemos também verificar que para este tipo de

cargas se podem obter valores de corrente na armadura superiores aos obtidos

Por outro lado, analisando os outros dois tipos de carga, verifica-se que a

os gráficos apresentados

como para resistivas

o caso da carga indutiva, com ângulo de fase inferior a zero, tenderá a

se um fluxo de reacção em oposição ao fluxo principal. Com isto,

uente diminuição da tensão

no caso da carga resistiva, pois mesmo sendo


das conclusões retiradas,

se a informação anterior, consolidada num só gráfico, bem como as


15

Figura 7 - Característica Externa teórica vs Característica Ex terna

Tabela



Característica Externa teórica vs Característica Ex terna experimental

Tabela 5 - Característica Externa Carga R

IA (A) U (V) 0.436 215.2 0.945 209.2 1.485 194.7 2.03 176.5 2.47 152.8 3.43 110.6


experimental


16

Tabela

Tabela

No desenho do gráfico dos valores teóricos, representados a verde no

mesmo, há que ter em conta que para a carga capacitiva procedemo

ajuste através da escolha de um ângulo que melhor aproximasse esses

mesmos valores aos pontos experimentais



Tabela 6 - Característica Externa Carga L

IA (A) U (V) 0.001 220.5 0.456 195.2 0.822 177.9 1.103 158.0 1.350 144.5 1.559 132.1 1.712 122.6 1.820 112.9 1.972 105.1 2.040 95.7 2.160 91.3 2.250 85.8

Tabela 7 - Característica Externa Carga C

IA (A) U (V) 0.46 238.6 0.959 256.3 1.495 270.9 2.07 286.2 2.7 299.6

ráfico dos valores teóricos, representados a verde no

, há que ter em conta que para a carga capacitiva procedemo


s pontos experimentais.


ráfico dos valores teóricos, representados a verde no

, há que ter em conta que para a carga capacitiva procedemos a um



17

Característica de Regulação

Com este ensaio pretendeu

a corrente de excitação

armadura (Ia) decorrente do tipo de carga aplicada

Assim, foram estudados os três tipos de cargas, cujos resultados foram

devidamente registados e depois elucidados sob a forma de gráficos, com as

respectivas curvas de regulação. Desta forma, apresentam

tabelas de resultados:

Tabela

Tabela



Característica de Regulação

pretendeu-se determinar como se deveria variar ou regular

excitação (If) em função de uma variação na corrente na

decorrente do tipo de carga aplicada.



respectivas curvas de regulação. Desta forma, apresentam-

Tabela 8 – Característica de Regulação Carga R

Tabela 9 – Característica de Regulação Carga L

IA (A) IF (A) 0.00 0.67 0.43 0.7 1.056 0.75 1.613 0.8 2.07 0.85 2.64 0.9 3.23 0.95 3.73 1.1

IA (A) IF (A) 0 0.67

0.21 0.72 0.41 0.77 0.615 0.82 0.806 0.85 1.012 0.92 1.232 0.98 1.404 1 1.64 1.07 1.825 1.11 2.04 1.16 2.2 1.2


como se deveria variar ou regular

em função de uma variação na corrente na



-se abaixo as


18

Tabela

Para uma carga resistiva, v

varia quando numa situação de regulação da excitação.

Para uma carga indutiva, como tinha já sido estudado na característica

externa, assiste-se a uma diminuição mais acentuada da tensão aos terminais

da carga, pela influência do fluxo de reacção da armadura que tende a opor

ao fluxo principal. No caso de

caso, será necessária uma redução da corrente de excitação pois o fluxo de

reacção com efeito magnetizante irá aumentar a

Como se pode constatar, e depois verificado na representa

existe uma variação expressiva da excitação em função da corrente da

armadura, sendo que a excitação terá de aumentar para cargas mais indutivas,

devido ao efeito já mencionado acima e diminuir



Tabela 10 – Característica de Regulação Carga C

Para uma carga resistiva, verifica-se que a corrente da armadura pouco

varia quando numa situação de regulação da excitação.


se a uma diminuição mais acentuada da tensão aos terminais

da carga, pela influência do fluxo de reacção da armadura que tende a opor

ao fluxo principal. No caso de uma carga capacitiva acontece o oposto. Nesse


reacção com efeito magnetizante irá aumentar a tensão aos terminais da carga.

Como se pode constatar, e depois verificado na representa



devido ao efeito já mencionado acima e diminuir no caso de cargas capacitivas.

IA (A) IF (A) 0 0.67

0.426 0.57 0.834 0.49 1.212 0.4 1.614 0.31 1.99 0.23 2.4 0.15


se que a corrente da armadura pouco


se a uma diminuição mais acentuada da tensão aos terminais

da carga, pela influência do fluxo de reacção da armadura que tende a opor-se

uma carga capacitiva acontece o oposto. Nesse


tensão aos terminais da carga.

Como se pode constatar, e depois verificado na representação gráfica,



no caso de cargas capacitivas.


19

Figura

Característica de Potência

Com este ensaio pretendeu

(Ia) em função de uma variação na Corrente no Indutor

de potência constante.

Para esta situação, foi efectuado o paralelo com a rede, tal como será

estudado seguidamente, e depois retirados os valores cuja consideração seria

apreciável no decorrer deste estudo. Para esta situação foi então considerado

um valor constante de potência, e o

apresentam em tabela:



Figura 8 - Característica de Regulação

Característica de Potência – Curvas de Mordey

Com este ensaio pretendeu-se determinar como variava a corrente na carga

em função de uma variação na Corrente no Indutor (If) para uma situação

esta situação, foi efectuado o paralelo com a rede, tal como será



um valor constante de potência, e obtidos os seguintes resultados, que se


como variava a corrente na carga

para uma situação

esta situação, foi efectuado o paralelo com a rede, tal como será



btidos os seguintes resultados, que se


20

Tabela

Por fim, dando por concluído este ensaio, ilustra

transcrição gráfica destes resultados. No sentido crítico, pode

a potência activa se manteve aproximadamente constante, assim como o factor

de potência e a força electromot

lado, foi possível verificar a variação do carácter capacitivo para indutivo do

próprio alternador síncrono.



Tabela 11 - Ensaio das Curvas de Mordey

IA (A) IF (A) 1.6 0.4

1.229 0.51 0.90 0.6 0.69 0.7 0.62 0.8 0.802 0.9 1.05 1 1.42 1.1 1.77 1.2 2.15 1.3 2.48 1.4

Por fim, dando por concluído este ensaio, ilustra-se seguidamente a

transcrição gráfica destes resultados. No sentido crítico, pode-se observar que


ência e a força electromotriz (tensão aos terminais do gerador


próprio alternador síncrono.

Figura 9 - Curva de Mordey


se seguidamente a

se observar que


tensão aos terminais do gerador). Por outro



21

DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS

Com a conclusão de todos os ensaios para

da máquina síncrona, é agora apresentada a informação e conclusões

decorrentes dos ensaios realizados para determinação dos parâmetros

eléctricos da máquina.

Em primeiro lugar, segundo método do

aos terminais dos enrolamentos do estator e, depois, do rotor, onde com base

nas mesmas leituras foram determinados os valores a resistência do

enrolamento indutor e do enrolamento do induzido. Como indicado, estes

valores são depois utilizad

nos Estudos de Rendimento

enrolamentos.

Tabela 12 -

U (V)

Tabela 13 -

U (V)169.1190.9211.8

Com base nestas informações, e segundo

de corrente contínua, determinou

que posteriormente foi feita a mé

1 Este método consiste em aplicar uma tensão e corrente contínuas aos terminais de cada um dos

enrolamentos, onde depois, com base nos valores destes, determinar o valor óhmico de cada um destes

enrolamentos.



ARÂMETROS

Com a conclusão de todos os ensaios para determinação das características

íncrona, é agora apresentada a informação e conclusões


Em primeiro lugar, segundo método do Voltímetro-Amperímetro




valores são depois utilizados no traçar das características teóricas, bem como

Estudos de Rendimento, para determinar as perdas térmicas nos mesmos

Método Voltímetro-Amperímetro - Valor de Rs

U (V) Ia (A) P (W) 7.9 2.8 22.2 8.4 2.99 25.1 9 3.2 28.8

Método Voltímetro-Amperímetro - Valor de Rf

U (V) Ia (A) P (W) 169.1 1.056 147.9 190.9 1.204 194.8 211.8 1.204 194.8

Com base nestas informações, e segundo a Lei de Ohm, aplicada

de corrente contínua, determinou-se os seguintes valores para Rs e Rf

ue posteriormente foi feita a média de valores para uma maior exactidão:

Tabela 14 – Parâmetros Rs e Rf

Rs (Ω) Rf (Ω) 1.4086 132.8469

Este método consiste em aplicar uma tensão e corrente contínuas aos terminais de cada um dos



minação das características

íncrona, é agora apresentada a informação e conclusões


Amperímetro1, foi aplicada




os no traçar das características teóricas, bem como

, para determinar as perdas térmicas nos mesmos

Valor de Rs

Valor de Rf

a Lei de Ohm, aplicada a circuitos

para Rs e Rf, sendo

dia de valores para uma maior exactidão:

Este método consiste em aplicar uma tensão e corrente contínuas aos terminais de cada um dos



22

Cálculo de Impedância Síncrona e Reactância Síncron a

Num método diferente, foi abordada a questão da reactância síncrona da

máquina. Definida com base na característica de vazio, e o seu quociente com

a característica de curto

nominal definida para o gerador síncrono, f

Para a tensão nominal de 127V

mesmo valor utilizando o grá

valor de Ia.

Utilizando a Lei de Ohm

Depois com este valor de impedâ

Xs sendo que este é:

Assim, apresentam-se ambos abaixo:



Cálculo de Impedância Síncrona e Reactância Síncron a



a característica de curto-circuito. Depois, segundo os valores da tensão

nominal definida para o gerador síncrono, foi assim analisado graficamente.

o nominal de 127V é retirado o valor de If sendo que com e

mesmo valor utilizando o gráfico da caracteristica de curto-circuito é retirado o

hm, chegamos ao valor de Zs:

Depois com este valor de impedância síncrona foi possivel retirar o valor de

!

se ambos abaixo:

Tabela 15 - Parâmetros Zs e Xs

Zs (Ω) Xs (Ω)

24.8834 24.8435




valores da tensão

oi assim analisado graficamente.

é retirado o valor de If sendo que com este

circuito é retirado o

ncrona foi possivel retirar o valor de


23

Ensaio com Carga RL

Assim, no seguimento no indicado nos pressupostos de estudo, foi realizado

o estudo com uma carga RL de valor absoluto

de 0.8 com carácter indutivo. Assim, com vista a estudar a evolução da

corrente de armadura, apresentam

obtidos.

A partir de uma corrente de excitação If que no nosso caso foi assumida

como tendo o valor de 0.5A obtêm



Figura 10 – Representação de Zs


o estudo com uma carga RL de valor absoluto de 50Ω e um factor de pot


corrente de armadura, apresentam-se os seguintes resultados matemáticos


omo tendo o valor de 0.5A obtêm-se Ef por métodos de analise gráfica e:

" 50#$%&'.)* ⇔ 40 - .30Ω]

" -

1.11822



e um factor de potência


se os seguintes resultados matemáticos


se Ef por métodos de analise gráfica e:


24

ESTUDO DO RENDIMENTO

Ensaio de Arranque –

Depois de estudados os parâmetros da máquina síncrona, procedeu

estudo do seu rendimento no funcionamento como alternador. Assim,

inicialmente, foi realizado um ensaio de paralelo com a rede tendo este em

seguida sido desacoplado do motor para que to

perdas rotacionais, aproximadamente constantes,

cálculo do rendimento por intermédio de simulação computorizada. Assim, os

resultados deste ensaio apresentam

Tabela

I

0.634

Desta forma, e com base nos resultados de ensaios previamente

efectuados, foram calculados os rendimentos ao nível do funcionamento

previsto. Segundo a simulação computorizada, procurou

perdas por efeito de Joule,

depois às perdas rotacionais já determinadas.



RENDIMENTO

Perdas

Depois de estudados os parâmetros da máquina síncrona, procedeu



seguida sido desacoplado do motor para que toda a sua potência fosse

perdas rotacionais, aproximadamente constantes, para depois se proceder ao


resultados deste ensaio apresentam-se abaixo:

Tabela 16 - Ensaio de Perdas Rotacionais

A (A) P (W) If (A)

0.634 86.4 0.73



previsto. Segundo a simulação computorizada, procurou-se determinar

perdas por efeito de Joule, ao nível dos enrolamentos da armadura,

depois às perdas rotacionais já determinadas.


Depois de estudados os parâmetros da máquina síncrona, procedeu-se ao



da a sua potência fosse de

para depois se proceder ao




se determinar as

da armadura, somadas


25

Assim, foi possível obter a curva de rendimento, que se adequava ao

esperado segundo o que estava disposto teoricamente, e segundo as

condições laboratoriais proporcionaram. Assim,

rendimento do gerador síncrono estudado:

Como se pode observar pela anális

uma zona sensivelmente linear de aumento do rendimento do gerador

a corrente da armadura

banda de valores em redor dos 85%. Assim, segundo as condições em que

foram efectuados os ensaios, conclui

compromete-se com um bom funcionamento e reduzidas

É possível também verificar pelos pontos retirados em laboratório que para

correntes de excitação diferentes

com novos valores, o valor de rendimento também irá variar assumindo novas

curvas.





condições laboratoriais proporcionaram. Assim, apresenta-se o gráfico do

rendimento do gerador síncrono estudado:

Figura 11 - Rendimento

Como se pode observar pela análise do gráfico apresentado acima

uma zona sensivelmente linear de aumento do rendimento do gerador

adura (Ia), sendo que esse valor depois estabiliza numa


foram efectuados os ensaios, conclui-se que o alternador trifásico estudado

se com um bom funcionamento e reduzidas perdas.


correntes de excitação diferentes, que por sua vez impõem tens

o valor de rendimento também irá variar assumindo novas




se o gráfico do

e do gráfico apresentado acima, existe

uma zona sensivelmente linear de aumento do rendimento do gerador segundo

sendo que esse valor depois estabiliza numa


se que o alternador trifásico estudado

perdas.


que por sua vez impõem tensões de vazio

o valor de rendimento também irá variar assumindo novas


26

Assim, com este ensaio foi possível determinar o rendimento do altern

sendo que este transforma potência mecânica em p

então estabelecer uma relação entre estas duas grandezas sendo que

quando “afectadas” por perdas inerente

perdas por histerese e correntes de Foucault

efeito de Joule e perdas mecânicas devido ao atrito.



te ensaio foi possível determinar o rendimento do altern

sendo que este transforma potência mecânica em potência eléctrica, podemos

então estabelecer uma relação entre estas duas grandezas sendo que

por perdas inerentes à máquina que se traduzem em

e correntes de Foucault (perdas no ferro), p

erdas mecânicas devido ao atrito.


te ensaio foi possível determinar o rendimento do alternador

ncia eléctrica, podemos

então estabelecer uma relação entre estas duas grandezas sendo que η=3435 ,

à máquina que se traduzem em

(perdas no ferro), perdas por


27

FORNECIMENTO DE ENERGIA

Introdução

Como uma abordagem final, será agora o

síncrona estudada, com a rede de potência infinita. Isto sugere

da necessidade da utilização dos alternadores síncronos estudados para

microgeração e, assim, fornecimento de energia eléctrica.

Metodologia

Para a ligação do alternador em paralelo com a rede são necessários três

parâmetros, a sequência das fases do alternador e da rede devem ser as

mesmas, a tensão do gerador deve ter o mesmo valor eficaz da tensão da rede

sendo que as suas fases devem coincidir, a

deve ser a mesma. Para obter estes parâmetros utiliza

composto por três lâmpadas dispostas em triângulo e um ponteiro, que

auxiliará na ligação à rede.

Para iniciar a ligação à rede é necessário que o al

velocidade de sincronismo, para isso utiliza

alternador. De seguida aumenta

do alternador aumente gradualmente, de modo a que seja o mais próximo

possível da rede.

Se a colocação das fases for a correcta então as três lâmpadas acendem

alternadamente no mesmo sentido, formando um

alternância das lâmpadas acenderem demasiado depressa significa que as

tensões não têm a mesma frequência, para isso será necessário ajustar a

velocidade do alternador de forma que a velocidade de rotação da iluminação

das lâmpadas diminua até parar

iluminação das lâmpadas inverte e é preciso ajustar outra vez a corrente de

excitação. Quando a rotação da iluminação estabilizar, então as tensões têm a

mesma frequência.



NERGIA ELÉCTRICA

a abordagem final, será agora o estudado o paralelo da máquina

síncrona estudada, com a rede de potência infinita. Isto sugere


microgeração e, assim, fornecimento de energia eléctrica.

ligação do alternador em paralelo com a rede são necessários três



sendo que as suas fases devem coincidir, as frequências das duas tensões

deve ser a mesma. Para obter estes parâmetros utiliza-se um sincronoscópio,


auxiliará na ligação à rede.

Para iniciar a ligação à rede é necessário que o alternador se encontre à

velocidade de sincronismo, para isso utiliza-se um motor auxiliar acoplado ao

alternador. De seguida aumenta-se a corrente de excitação para que a tensão


Se a colocação das fases for a correcta então as três lâmpadas acendem

alternadamente no mesmo sentido, formando um “fogo girante




das lâmpadas diminua até parar. Mas se for demasiado, a rotação de




estudado o paralelo da máquina

síncrona estudada, com a rede de potência infinita. Isto sugere-se na medida


ligação do alternador em paralelo com a rede são necessários três



s frequências das duas tensões

se um sincronoscópio,


ternador se encontre à

se um motor auxiliar acoplado ao

se a corrente de excitação para que a tensão


Se a colocação das fases for a correcta então as três lâmpadas acendem-se

fogo girante”. Se a




. Mas se for demasiado, a rotação de




28

Para ter a amplitude da tensão do alternador

ajustar a corrente de excitação do alternador. Com ajuda de dois voltímetros,

um na rede e outro no alternador, e alterando a corrente de excitação,

actuando no reóstato, é possível ter a tensão do alternador igual à da rede.

Para ter a mesma sequência de fase utiliza

Este ponteiro funciona como voltímetro e indica a diferença entre a tensão da

rede e o alternador. Quando este ponteiro indicar uma diferença nula de

tensão, nesse preciso instante

paralelo com a rede.



Para ter a amplitude da tensão do alternador igual à da rede é necessário




ara ter a mesma sequência de fase utiliza-se o ponteiro do sincronoscópio.



tensão, nesse preciso instante é o momento ideal para colocar o alternador em


igual à da rede é necessário




se o ponteiro do sincronoscópio.



é o momento ideal para colocar o alternador em


29

Disposições Finais

Terminado o relatório de apresentação dos resultados, apresentam

as disposições finais deste estudo, com vista à consolidação e apresentação

de conclusões gerais. Importa então assegurar a conclusão do estudo

laboratorial, em paralelo com a simulação computorizada, de forma a verificar

que todos os requisitos de fornecimento foram cumpridos e que toda a

informação consta neste

Verificou-se no decorr

crítico e um cuidado acentuado na análise dos dados retirados. Na sequência

dessas observações, foram mesmo realizados ensaios consecutivos, sobre o

mesmo fenómeno, com vista a despistar erros e obter os



Disposições Finais

Terminado o relatório de apresentação dos resultados, apresentam


rais. Importa então assegurar a conclusão do estudo



informação consta neste relatório.

se no decorrer de todos os ensaios, a necessidade de um sentido



mesmo fenómeno, com vista a despistar erros e obter os resultados


Terminado o relatório de apresentação dos resultados, apresentam-se agora


rais. Importa então assegurar a conclusão do estudo



er de todos os ensaios, a necessidade de um sentido



resultados mais

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Máquinas Síncronas Trifásicas - Alternador