Sincronização de Máquina AC Síncrona

Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.

Geradores síncronos de rotor de feridas trifásicas são a principal fonte de energia elétrica em todo o mundo. Eles requerem um motor principal e um excitante para gerar energia. O motor principal pode ser uma turbina girada por fluido (gás ou líquido), assim as fontes do fluido podem ser água escorrendo de uma represa através de um bocal longo, vapor de água evaporada usando carvão queimado, etc. A maioria das usinas, incluindo carvão, nuclear, gás natural, óleo combustível, e outras utilizam geradores síncronsos.

O objetivo deste experimento é entender os conceitos de ajuste das saídas de tensão e frequência de um gerador síncrona trifásica, seguido por sincronizar-o com a grade. Os efeitos da corrente de campo e variações de velocidade na potência de saída do gerador também são demonstrados.

As máquinas síncronas dependem do mesmo conceito de campo magnético rotativo que foi introduzido para máquinas de indução CA. Correntes trifásicas, fluindo no estator da máquina, produzem um campo magnético rotativo de magnitude constante em uma frequência desejada. A diferença entre as máquinas síncronas e assíncronas é que este último tem enrolamento curto ou uma "gaiola de esquilo" no lado do rotor, enquanto as máquinas síncronas têm um campo magnético fixo no lado do rotor. Este campo magnético é fornecido por ímãs mais excitantes ou permanentes. Máquinas síncronas de ímã permanente estão se tornando mais comuns devido à sua alta eficiência e tamanho compacto, mas eles normalmente utilizam material de terras raras, o que é indesejável de uma perspectiva estratégica de disponibilidade de material. O termo síncrona é usado porque o campo magnético do rotor, que é independente do estante, trava para o campo magnético rotativo e faz com que o rotor gire na mesma velocidade (ou velocidade síncrona) que o campo magnético rotativo do estante.

Os excitadores fornecem o campo DC para o gerador e podem ser escovados ou sem escova. A configuração utilizada nesta demonstração é um excitador escovado, onde o DC é aplicado ao enrolamento do rotor (campo) da máquina síncrona através de pincéis internos e anéis de deslizamento. A excitação permanente do ímã também é possível, mas além do escopo deste experimento.

Para conectar o gerador em uma planta à rede elétrica, três fatores nas tensões de saída do gerador devem coincidir com os da rede: magnitude, frequência e sequência de fases. Enquanto sincronizadores automáticos são geralmente utilizados em grandes usinas, um método simples é usado neste vídeo para sincronização manual. Este método é o "método de três lâmpadas". O método fornece a inspeção visual de ter as três fases no lado do gerador e o lado da grade da mesma magnitude, frequência e sequência de fase quando todas as lâmpadas se desligarem devido às tensões correspondentes, cuja quantidade diferencial, vista pelas lâmpadas, é zero.

Após a sincronização, e uma vez que o gerador está ligado à grade, o controle de velocidade não é mais necessário para esta demonstração, uma vez que a grade age como um "ônibus infinito" onde a dinâmica do gerador tem efeito mínimo na rede. Assim, a frequência e a tensão do gerador lêem exatamente como as do lado da rede. Mas ainda há algum efeito do motor principal: se o motor principal tentar acelerar o gerador, a velocidade do gerador não muda, mas sim, o gerador produz mais energia na rede. Por exemplo, se o gerador for considerado ideal, aumentar a velocidade aumenta efetivamente a potência mecânica de entrada, mas como a velocidade é fixa, o torque de entrada aumenta e, portanto, a potência elétrica de saída do gerador aumenta. No entanto, se o motor principal tentar desacelerar o gerador, o torque diminui e, em algum momento, inverte o sinal, fazendo com que o gerador reduza sua potência de saída até que o fluxo de energia seja invertido, e ele age como um motor.

1. Inicialização do Prime-Mover

O principal motor deste experimento é o dinamômetro, que funciona como um motor que gira o rotor gerador (campo).

1. Certifique-se de que o interruptor de desconexão trifásica, o interruptor síncrocro do motor e o interruptor do motor DC estejam desligados.
2. Verifique se o VARIAC está em 0%.
3. Conecte o VARIAC à tomada trifásica e conecte a configuração mostrada na Fig. 1.
   1. Use o interruptor trifásica no lado da máquina síncrona como "S_1".
   2. Note que "S_1"e a configuração de três lâmpadas estão em paralelo.
   3. Observe também as polaridades das sondas do medidor de energia digital.
   4. Verifique se o switch "Iniciar/Executar" está na posição "Iniciar".
4. Defina "R_F"para máxima resistência.
5. Deixe o VARIAC a 0% e deixe "S_1"desligado.
6. Ligue o interruptor de desconexão trifásica.
   1. Ligue a fonte de alimentação DC de alta tensão.
   2. Certifique-se de que todas as conexões estão limpas dos terminais de abastecimento.
   3. Pressione o botão "V/I DIS" no fornecimento para exibir os pontos de funcionamento de tensão e corrente. Ajuste o botão de tensão para 15 V.
   4. Pressione "Iniciar" no painel de suprimentos DC. O dinamômetro deve ter uma grande corrente transitória extraída do suprimento dc. Se a luz "OCT" acender, aumente o limite acima da corrente.
7. A máquina deve girar lentamente.
   1. Aumente a tensão de saída dc para cerca de 160 V.
   2. Meça a velocidade de rotação do eixo.
   3. Ajuste a tensão de alimentação para atingir a velocidade de rotação de 1800 RPM.
   4. Regissão a corrente DC e a tensão no visor de alimentação.
8. Deixe a configuração intacta e não desligue nenhum dos equipamentos.

Figura 1: Uma configuração esquemática para o experimento do gerador síncrona trifásica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Sincronizar o Gerador Síncroto com a Grade

1. Mude o interruptor Iniciar/Executar no lado da máquina síncrona para "Executar". As três lâmpadas devem agora ligar.
   1. Ajuste "R_F"e a tensão de alimentação iterativamente para alcançar V_G=120 V, e ajuste a frequência do V_G no medidor de alimentação digital para 60 Hz. Valores dentro de +/- 2% são aceitáveis.
   2. Aumente ligeiramente a saída VARIAC para alcançar V_AC1=120 V.
2. Nesta fase, a grade está fornecendo 120 V a uma frequência de 60 Hz.
   1. Regissão de gravação de tensões, correntes e leituras de energia em ambos os medidores de potência. Não ignore +/- sinais na frente de qualquer número nos medidores.
3. As lâmpadas devem mudar seu padrão de iluminação.
   1. Se as lâmpadas forem todas brilhantes e fracas ao mesmo tempo, então o gerador e a grade têm a mesma sequência de fase. Chame-o de a-b-c para a sequência trifásica em uso.
   2. Se as lâmpadas pedalam, como as luzes da árvore de Natal, então o gerador e a grade têm sequências de fase diferentes, onde uma é a-b-c e a outra é a-c-b através do conjunto de lâmpadas.
      1. Neste caso, volte o VARIAC para 0%.
      2. Pressione "Pare" no painel de alimentação.
      3. Reduza a tensão DC para 15 V.
      4. Alterne as fases "b" e "c" no lado VARIAC.
      5. Repita todos os passos acima, começando na Etapa 2.1.
4. Esta etapa requer ação rápida: No instante em que todas as luzes se apagam, acenda "S_1". As luzes devem permanecer apagadas, já que "S_1"está agindo como um curto-circuito em seus terminais.
5. O gerador está sincronizado com a rede. Regisso das leituras de tensão, corrente e potência em ambos os medidores de potência. Não ignore sinais.
6. Deixe a configuração intacta.

3. Efeito da variação da corrente de campo

1. Ajuste "R_F"em cerca de cinco passos de sua posição máxima até a posição mínima, e registe o seguinte para cada etapa: Velocidade do eixo; Torque e placa do eixo; Leituras de tensão, corrente e energia em ambos os medidores de energia; Leituras de tensão e corrente no fornecimento de DC.
2. Se esta variação "R_F"fornecer o mesmo sinal para todas as leituras de energia:
   1. Ajuste ligeiramente a saída de alimentação DC para obter um fluxo de energia reverso de/para a máquina síncrona.
   2. Lembre-se que a energia negativa significa que a máquina está gerando energia elétrica.
3. Ajuste a tensão de alimentação DC em cinco etapas sem exceder uma corrente DC total no visor de alimentação de 3,5 A. Regisso seguinte para cada etapa: Velocidade do eixo; Torque e placa do eixo; Leituras de tensão, corrente e energia em ambos os medidores de energia; Leituras de tensão e corrente no fornecimento de DC.
4. Mantenha a configuração intacta.

4. Desmontando a configuração

A sequência a seguir deve ser seguida antes de desmontar a configuração:

1. Volte o VARIAC para 0%.
2. Desligue a saída de alimentação pressionando "Stop".
3. Quando as máquinas pararem de girar, gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Iniciar" e desligue "S₁".
4. Desligue o interruptor de desconexão trifásica.
5. Desmonte a configuração.

A velocidade desejada do prime-mover é fixada em 1.800 RPM já que a máquina síncrona tem quatro polos(P) e opera em uma frequência f= 60 Hz, assim a velocidade síncrona é de 120f/P= 1.800 RPM.

Ao sincronizar a máquina síncrona (gerador) à rede, o prime-mover da máquina fornece rotação, mas um campo magnético no rotor da máquina deve ser fornecido. Isso é conseguido usando a fonte de alimentação DC, que fornece a bobina do rotor e constrói o campo magnético do rotor. A tensão AC é induzida no lado do estator pelo campo magnético DC rotativo no rotor, e a força do campo magnético do rotor é definida pela fonte de alimentação DC. A fim de aumentar gradualmente a tensão de saída CA do lado do estator, a fonte de alimentação DC é aumentada lentamente.

Uma vez alcançada a tensão CA desejada, as lâmpadas ciclo. Usando a fase "a" como exemplo, presume-se que a tensão do lado da grade é de 170cos (120πt) V que tem uma tensão RMS de 120 V= 170/sqrt(2) e uma frequência de 60 Hz (2π*60 rad/s). Uma vez que a fase "a" da máquina chega a 170cos (120πt) V, a tensão nos terminais da lâmpada torna-se zero e a lâmpada se apaga. No entanto, é muito difícil ter ambas as tensões na mesma fase, e a tensão da máquina é provavelmente 170cv (120πt + φ) V onde φ é uma diferença de fase não-zero. Ajustando a magnitude da tensão, utilizando o campo do rotor DC e a frequência, usando a velocidade do prime-mover, as tensões em cada uma das fases da máquina e suas tensões laterais de grade correspondentes devem coincidir devido a pequenas tensões de tensão e frequência.

Se a sequência de fase de a-b-c da grade for recebida com outra sequência a-c-b da máquina, as lâmpadas ciclo como as tensões através das lâmpadas nunca somam zero em todas as três fases ao mesmo tempo.

A máquina funciona como um gerador quando as leituras de energia mostram fluxo de energia na rede versus para dentro da máquina. Isso pode ser notado nos medidores de energia.

Geradores síncronsos são a espinha dorsal da geração de eletricidade em usinas elétricas em todo o mundo. Sincronizar um gerador à rede tornou-se prática padrão e é tipicamente automatizado combinando as sequências de fase, magnitudes de tensão e frequências do gerador à rede. O controle de tensão usando o campo magnético do rotor é obtido usando "excitadores", enquanto o controle de frequência é alcançado usando o controle de velocidade de uma turbina ou prime-mover, fornecendo rotação usando vapor, vento, água ou outros fluidos. Os controles de frequência geralmente são alcançados usando "governadores".