UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
EXPERIÊNCIA 02: TROCAS DE POTÊNCIA REATIVA E ATIVA DA MÁQUINA SÍNCRONA
BRUNO HENRIQUE DOS SANTOS
GABRIEL DE ASSIS CAMPOS
GABRIEL PEREIRA DE SOUZA
GERMANO GIANELLI FARIAS DE SOUZA
ITAJUBÁ
2019
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Maquinas Elétricas 2, Manuais, Projetos, Pesquisas de Máquinas Elétricas
relatório de laboratório de maquinas
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2019
1 / 12
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
EXPERIÊNCIA 02: TROCAS DE POTÊNCIA REATIVA E ATIVA DA MÁQUINA SÍNCRONA
BRUNO HENRIQUE DOS SANTOS GABRIEL DE ASSIS CAMPOS GABRIEL PEREIRA DE SOUZA GERMANO GIANELLI FARIAS DE SOUZA
ITAJUBÁ 2019
EXPERIÊNCIA 02: TROCAS DE POTÊNCIA REATIVA E ATIVA DA MÁQUINA SÍNCRONA
- BRUNO HENRIQUE DOS SANTOS - - GABRIEL DE ASSIS CAMPOS -
- GABRIEL PEREIRA DE SOUZA -
- GERMANO GIANELLI FARIAS DE SOUZA -
1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
As máquinas síncronas (MS) podem operar de duas maneiras básicas: como motor, consumindo potência ativa e reativa do sistema e como gerador, inserindo energia no sistema. Para ambos os casos, é necessária a realização da conexão da MS à rede e isso deve ser feito de maneira correta para que não cause nenhum problema na estrutura da mesma. A ligação da máquina na rede tem quatro requisitos principais: módulos das tensões nominais de mesma amplitude, frequência igual, mesma sequência de fase e defasagem angular das tensões igual. Há várias maneiras de verificação do paralelismo entre a máquina e a rede para a correta ligação. Uma delas é a utilização de 3 lâmpadas ligadas entre as fases da MS e da rede. O objetivo é a utilização das lâmpadas como monitoramento de sincronismo entre as fases. A ligação pode ser feita como na figura abaixo, tendo como observação que a MS está representada como “Generator 1” e a rede como “Generator 2”.
Figura 1 – Ligação de lâmpadas para verificação de paralelismo. Fonte: Máquinas Síncronas, Máquinas Eléctricas ESTG-IPL, 2000/2001. Algumas alterações podem ser feitas no circuito mostrado para facilitar a visualização do momento exato de sincronismo. Uma das possíveis alterações é a ligação de apenas uma lâmpada entre fases homólogas e das outras duas entre fases não homólogas, deixando assim o momento exato para se virar a chave e finalmente conectar o gerador à rede quando apenas duas lâmpadas estiverem acesas. Um dado importante para obter de uma MS é sua curva V, que mostra a relação entre as correntes de armadura e campo, para tensão na armadura e potência ativa constantes, de acordo com o fator de potência que a máquina opera. Para a obtenção dessa curva é necessário ter em mãos os valores da corrente de excitação e da armadura. Vale lembrar que as curvas V do motor síncrono são simétricas, sendo que as curvas com fator de potência indutivo e capacitivo são permutadas. Abaixo, representadas nas figuras, as curvas em V de um gerador síncrono e de um motor síncrono:
Figura SEQ Figura * ARABIC 1 - Curva "V" de uma MS. Fonte: Máquinas elétricas, Fitzgerald, pag 270.
Figura 2 - Curvas "V" de um Motor Síncrono.. Fonte: Máquinas elétricas, Fitzgerald, pag 272.
2. OBJETIVOS
O objetivo desta experiência é a observação da máquina síncrona (MS) quando conectada a uma rede elétrica (barramento infinito), familiarização com os ajustes de excitação e fluxo de potência na máquina síncrona, observação da troca de potências ativa e reativa da máquina síncrona com o sistema (rede) e levantamento da curva em “V” de uma máquina síncrona.
A) Para fazer a sincronização da máquina devemos ter tensões eficazes entre o gerador e a linha iguais, para que não haja circulação de correntes, para isso colocamos multímetros entre duas fases, verificando a coerência das tensões. As frequências entre o gerador e a rede devem ser iguais, e isso pode ser notado pelo modo do fogo girante (quando as lâmpadas estiverem apagadas a frequência estará sincronizada). Além disso a defasagem angular entre o gerador e a rede deve ser iguais. Se isso ocorrer, uma das lâmpadas se apagará, enquanto as outras continuaram acesas (foi tomado como referência a lâmpada da fase “A” apagada).
Os passos para o sincronismo são:
- Fazer com que o gerador tenha tensões eficazes de linha iguais as da rede, pois casos estas sejam diferentes haverá circulação de correntes elevadas que podem danificar o gerador, queimando os enrolamentos, causando superaquecimento e reduzindo a vida útil do mesmo;
- O gerador deve operar com a mesma sequência de fases da rede. Caso isto não ocorra as fases terão tensões nominais diferentes umas das outras, causando curto-circuito e podendo queimar o gerador;
- (^) A defasagem angular do gerador e da rede devem ser as mesmas, pois caso não sejam circularão correntes pelo gerador podendo danificá-lo;
A frequência do gerador deve ser ligeiramente superior à da rede para que ao ser colocado em paralelo com o sistema elétrico de potência o mesmo “flutue”, fornecendo uma pequena quantidade de potência ativa e pouca ou nenhuma potência reativa ao sistema. Caso a frequência do gerador seja inferior a frequência do sistema elétrico de potência o mesmo consumirá potência, funcionando como motor, pois a frequência do gerador se iguala ao do sistema.
O passo 1 pode ser executado com o auxílio do multímetro conectado entre as fases A e B do gerador, observando o valor medido pelo mesmo e ajustando-se a tensão nos terminais do gerador para que esta seja igual à da rede. Pode-se satisfazer a condição do passo 2 com o auxílio do indicador de sequência de fase. Outro modo de se satisfazer esta condição seria observar as lâmpadas. Caso a sequência de fases fosse invertida, estas acenderiam e apagariam simultaneamente pois o circuito se reduziria ao circuito do método dos fogos pulsantes. O sincronismo com a rede é feito fazendo com que as lâmpadas acendam e apaguem muito lentamente, com a frequência medida pelo frequencímetro um pouco superior a 60 Hz, e fechando-se as chaves quando a lâmpada da fase A estiver apagada e as outras acesas. Deste modo a defasagem angular é nula e a frequência pouco superior à da rede, completando assim os últimos dois passos. Com a máquina em sincronismo com a rede variou-se a corrente de excitação da mesma de 120 mA a 480 mA e mediu-se a corrente de armadura, a tensão de linha e as potências indicadas pelos wattímetros. A leitura do wattímetro foi multiplicada por 20 já que o fator de multiplicação para a bobina de 240 V é de 10. Em seguida desligou-se a máquina de corrente contínua, fazendo com que a máquina síncrona operasse agora como motor. Novamente variou-se a corrente de excitação de 120 mA a 480 mA e mediu-se a corrente de armadura, a tensão de linha e as potências indicadas pelos wattímetros, finalizando assim o experimento.
B) Ajustando a tensão de armadura da máquina de corrente continua partimos o gerador. Após a partida os terminais do reostato da armadura são curto-circuitados. Com o auxílio de um tacômetro e acompanhada a velocidade de rotação, mantida muito próximo de 1800 rpm, ajustada através do reostato de campo. Com isso mantemos a máquina em flutuação. Na condição de flutuação temos:
Tabela 1: Indicações dos instrumentos na condição de flutuação. I (^) exc [mA] IA [A] V (^) L [V] W 1 [W] W 2 [W] W (^) T [W] cos φ Q [VAr] 0,310±0,020 0,3±0,1 219,4±2,4 90 30 120 0,756 -103,
No caso de a máquina estar flutuando as potencias a�vas e rea�vas deveriam ser nulas, o que não ocorreu neste experimento. Logo podemos concluir que os valores encontrados não foram os esperados.
4.2 TROCA DE POTÊNCIA REATIVA COM A REDE Mantendo a configuração da figura 1 foram efetuadas as medidas apresentadas na tabela a seguir.
C) Os valores de I (^) exc foram escolhidos em torno do ponto de flutuação, até atingimos os pontos de sobreexcitação e subexcitação. De modo a se ter um espaçamento uniforme as primeiras cinco medidas têm um espaçamento de 45 mA para I (^) exc e a partir do ponto de flutuação (310 mA) o espaçamento passa a ser de 34 mA. Isto foi feito para que a última medida não ultrapassasse 480 mA – limite do reostato de campo.
D) Sabemos que a potência ativa, tomando valores por fase, é dada por: (8) Analisando a equação (8), desprezando a resistência de armadura, temos que: Va = Er (9) Daí vem: (9)
Então, na condição de flutuação 𝛿 deveria ser 0° e sen(0°) = 0. Portanto, a potência seria zero. Porém, temos que o sistema (rede) não está carregado, os valores do barramento são diferentes do nominal e há uma diferença entre esta tensão e ajustada no gerador. Também há uma circulação de corrente, portanto há presença de potência ativa.
E) No caso em que a MS opera como gerador, vemos que a potência ativa medida é negativa, fato este que não deveria acontecer já que a potência no gerador é positiva (fornece potência ao sistema). O que provavelmente ocorreu foi que ao conectarmos a MS ao sistema, a mesma operava com frequência um pouco inferior à da rede. Como num barramento infinito a frequência é constante, a MS tende a entrar na mesma frequência do sistema, mas neste caso consome potência ativa, funcionando como motor (diz-se que o gerador está motorizado). Já os valores obtidos para a potência reativa estão dentro do esperado visto que até a linha 5 da Tabela 1 Q é negativo, ou seja, a MS está na condição de subexcitação (Iexc < Iexc0) e absorve potência reativa do sistema, enquanto que as outras medidas são positivas pois a MS está na condição de superexcitação (Iexc > Iexc0) e fornece potência reativa ao sistema. O fator de potência é atrasado pois como descrito anteriormente a máquina está na verdade operando como motor.
F) Gráfico 1
Quando a máquina síncrona está operando como gerador, observamos na Tabela 2 que a potência ativa medida é positiva, portanto fornece potência ao sistema. Temos que em um barramento infinito a frequência é constante, portanto a MS tende a entrar na mesma frequência do sistema. Os valores encontrados para a potência reativa (Q) estão dentro do esperado, já que Q é negativo quando a MS está na condição de subexcitação (I (^) EXC < I (^) EXC0), na qual absorve potência reativa do sistema. Temos que as outras medidas são positivas, já que a MS está na condição de superexcitação (I (^) EXC > IEXC0 ), na qual fornece potência reativa ao sistema.
4.3 TROCA DE POTÊNCIA ATIVA COM A REDE Mantendo a configuração anterior, operamos a máquina síncrona como um motor síncrono em vazio, sob tensão e frequências nominais. Os dados obtidos desse ensaio se encontram abaixo:
Tabela 3 : Troca de Potência Ativa IEXC [A] IA [A] V (^) L [V] P (^) W1 [V] ±
P W2 [W]
P T [W]
cosⱷ Q [VAr] ± 0,120±0,017 2,3±0,1 217,8±2,3 70 -520 -450 0,403±0,268^ 1021, 0,165±0,017 2,0±0,1 217,5±2,3 20 -400 -380 0,463±0,383^ -727, 0,210±0,018 1,45±0,05 216,7±2,3 -40 -320 -360 0,596±0,557^ -484, 0,255±0,019 1,1±0,1 216,7±2,3 -100 -260 -360 0,792±0,745^ -277, 0,310±0,020 1,05±0,05 216,7±2,3 -90 -180 -270 0,866±1,053^ -155, 0,344±0,020 1,25±0,05 217,1±2,3 -240 -140 -380 0,910±0,763^ 173, 0,378±0,021 1,55±0,05 217,0±2,3 -290 -100 -390 0,764±0,668^ 329, 0,412±0,023 1,9±0,1 217,0±2,3 -340 -110 -450 0,749±0,568^ 398, 0,446±0,024 2,3±0,1 217,2±2,3 -390 10 -380 0,481±0,403^ 692, 0,480±0,025 1,75±0,05 218,7±2,3 -440 20 -420 0,466±0,350^ 796,
Novamente atendemos os limites de 120 mA para corrente mínima e 480 mA para a máxima e subdividimos os demais intervalos com relação aos espaços restantes na tabela. Podemos notar que os valores da potência reativa estão dentro do esperado. A máquina síncrona atua como motor no ensaio, por isso consome potência reativa. Nas primeiras medições ela aparece na condição de subexcitação, enquanto nas últimas ela está superexcitada. G) Os valores de I (^) exc foram escolhidos em torno do ponto de flutuação, até atingimos os pontos de sobreexcitação e subexcitação. De modo a se ter um espaçamento uniforme as primeiras cinco medidas têm um espaçamento de 45 mA para I (^) exc e a partir do ponto de flutuação (310 mA) o espaçamento passa a ser de 34 mA. Isto foi feito para que a última medida não ultrapassasse 480 mA – limite do reostato de campo.
H) No caso em que a máquina opera como motor (MCC desligada), os valores de P estão dentro do esperado, já que para esta condição a MS consome potência do sistema. Novamente vemos que até linha 8 da Tabela 2 Q é negativo e para as outras medidas é positivo porque a MS opera na condição de subexcitação e superexcitação respectivamente. A corrente I (^) A é positiva quando a MS opera como gerador e negativa quando a MS opera como motor.
I. Gráfico 2