Caracterização de Máquina AC Síncrona

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

Motores síncronos de rotor de feridas trifásicos são menos populares do que os motores síncronos de rotor de ímã permanente devido aos pincéis necessários para o campo do rotor. Geradores síncronsos são muito mais comuns e disponíveis na maioria das usinas existentes, pois possuem excelente regulação de frequência e tensão. Os motores síncronos têm a vantagem de quase 0% de regulação de velocidade devido ao fato de que a velocidade do rotor é exatamente a mesma que a velocidade do campo magnético do estator, fazendo com que a velocidade do rotor seja constante, independentemente de quanto o eixo do motor é carregado. Assim, são muito adequados para aplicações de velocidade fixa.

Os objetivos deste experimento são entender os conceitos de iniciar um motor síncrona trifásico, curvas V para várias cargas onde a carga afeta o fator de potência do motor, e o efeito das cargas no ângulo entre a tensão do terminal e a parte traseira e.m.f.

As máquinas síncronas dependem do conceito de campo magnético rotativo introduzido para máquinas de indução. 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 um excitador ou por ímãs permanentes. Máquinas síncronsas de ímã permanente estão se tornando mais comuns devido à sua alta eficiência e tamanho compacto, mas eles normalmente utilizam materiais de terras raras. 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.

Para iniciar um motor síncrona de rotor de feridas trifásica, o enrolamento do campo é curto onde a máquina age como um motor de indução. Uma vez que a velocidade da máquina esteja próxima da velocidade síncrona, o curto-circuito é removido e uma tensão DC é aplicada em todo o campo enrolando. Isso bloqueia os campos magnéticos do rotor e do estator, e assim, o sincronismo do rotor e do estator é alcançado. Neste laboratório, o motor síncromo é iniciado por ter o interruptor superior em sua placa de interface na posição "Induction Start" e, uma vez que a velocidade atinge estado estável, o interruptor é virado para a posição "Synchronous Run".

1. Teste DC

1. Ligue a fonte de alimentação DC de baixa potência com um curto-circuito em seus terminais.
   1. Limite a corrente na fonte de alimentação DC de baixa potência para 1,8 A.
   2. Desligue o fornecimento e desconecte o curto-circuito.
2. Conecte os terminais de alimentação entre as portas 1 e 4 do motor síncrocro.
   1. Ligue a fonte e meça a tensão e a corrente DC. Varie a tensão conforme necessário para atingir uma corrente de 1,8 A.
   2. Desligue a oferta e repita as duas etapas anteriores para as portas 2 e 5 e as portas 3 e 6.
3. Desconecte a fonte de alimentação DC de baixa potência.

2. Start-up de máquina síncrona

1. Certifique-se de que o interruptor de desconexão trifásica, o interruptor síncrocro do motor e o interruptor do motor DC estejam desligados.
   1. Verifique se o VARIAC está em 0%.
   2. Conecte o VARIAC à tomada trifásica e conecte a configuração mostrada na Fig. 1.
   3. Lembre-se de definir o dimensionamento de 1 a 1000 da sonda de corrente do medidor de energia digital.
2. Verifique se o switch "Iniciar/Executar" está na posição "Iniciar".
3. Ligue o interruptor de desconexão trifásica.
4. Aumente rapidamente a saída VARIAC até que o medidor de energia digital leia em torno de 115 V.
5. Meça a corrente de armadura I_AC1,tensão de armadura V_AC1,potência real e fator de potência.
6. Lembre-se que a tensão de fase (linha-a-neutra) e a corrente de fase na fase "a" estão sendo medidas, de modo que a medição do fator de potência no medidor de potência está refletindo corretamente o fator de potência por fase.
7. Meça o torque e a velocidade da máquina.
8. Ligue a fonte de alimentação 125 V DC. Certifique-se de que todas as conexões estão limpas dos terminais de abastecimento.
   1. Pressione o botão "Iniciar" de alimentação e defina a saída de alimentação para 125 V.
9. Gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Executar". Preste atenção em como o som da máquina muda. O som da máquina torna-se mais suave à medida que o campo magnético do rotor se tranca no campo magnético rotativo do estator.
   1. Registre a corrente de armadura I_AC1,tensão de armadura V_AC1,potência real, fator de potência e a tensão de campo e corrente do visor de alimentação DC.
   2. Meça e regisse o torque e a velocidade da máquina.
10. Desligue a fonte de alimentação DC, gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Iniciar" e defina o VARIAC de volta para 0%.
11. Desligue o interruptor de desconexão trifásica. Deixe o resto do circuito intacto.

Figura 1: Um esquema da configuração para iniciar o motor síncrona. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Efeito da carga no ângulo de torque

1. Certifique-se de que o interruptor de desconexão trifásica, o interruptor síncrocro do motor "S_1"e o interruptor do motor DC "S_2"estejam desligados.
   1. Observe que, embora "S₁" esteja no lado síncrocro do motor, ele é usado para conectar/desconectar a carga "RL" nos terminais da máquina DC.
   2. Verifique se o VARIAC está em 0%.
2. Conecte a configuração mostrada no Fig. 2 e defina "R_L"para 200 Ω.
3. Verifique se o switch "Iniciar/Executar" está na posição "Iniciar".
4. Ligue o interruptor de desconexão trifásica.
5. Aumente rapidamente a saída VARIAC até que o medidor de energia digital leia em torno de 115 V.
6. Ligue a fonte de alimentação 125 V DC. Certifique-se de que todas as conexões estão limpas dos terminais de abastecimento.
7. Pressione o botão de partida de alimentação e defina a saída de alimentação para 125 V.
8. Gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Executar".
9. Registre a corrente de armadura I_AC1,tensão de armadura V_AC1,potência real, fator de potência e tensão de campo e corrente do visor de alimentação DC.
10. Meça e regisse o torque e a velocidade da máquina.
11. Mantenha a luz estroboscópica acesa perto do eixo e meça o ângulo inicial δ_o.
    1. Para configurar a luz estroboscópica, conecte-a em uma tomada de alimentação regular e ligue-a.
    2. Com o botão grosseiro, ajuste a leitura de velocidade na luz estroboscópica para estar perto o suficiente de 1.800 RPM, que é a velocidade síncrona de 1 máquina de quatro polos de 60 Hz. A velocidade síncroca é calculada em rodadas por minuto (RPM) como n=120xf/P onde f é a frequência e P é o número de polos.
    3. Coloque a luz estroboscópica para enfrentar a borda do eixo do motor e ajuste o botão Fino até que o eixo pareça estacionário. O olho humano é enganado para ver o eixo como estacionário, tendo a frequência de luz estroboscópica (ou leitura de velocidade) correspondendo à velocidade do eixo.
12. Ligue "S_1"e repita os passos 3.9 a 3.11, mas meça o novo ângulo como δ₁.
13. Ligue "S_2"e repita os passos 3.9 a 3.11, mas meça o novo ângulo como δ₂.
14. Desligue "S_2"e mude "R_L"para 100 Ω.
15. Ligue "S_2"e repita os passos 3.9 a 3.11, mas meça o novo ângulo como δ₃.
16. Desligue a fonte de alimentação DC, gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Iniciar", desligue "S_1"e "S2", e defina o VARIAC de volta para 0%.
17. Desligue o interruptor de desconexão trifásica. Deixe o resto do circuito intacto.

Figura 2: Um esquema da configuração para estudar o efeito da carga no ângulo de torque. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Efeito da corrente de campo no fator de energia

Esta seção investiga um lado da Curva V.

1. Certifique-se de que o interruptor de desconexão trifásica, o interruptor síncrocro de motor S₁e o interruptor do motor DC S₂ estejam desligados.
2. Verifique se o VARIAC está em 0%.
3. Conecte a configuração mostrada em Fig. 3, que só é diferente da Fig. 2 adicionando o resistor de campo da série "R_F",e defina "R_L"para 200 Ω.
4. Defina "R_F"para a posição de 10 Ω. "R_F"não requer medição para este experimento, uma vez que o objetivo é variar apenas a corrente de campo.
5. Verifique se o switch "Iniciar/Executar" está na posição "Iniciar".
6. Ligue o interruptor de desconexão trifásica.
7. Aumente rapidamente a saída VARIAC até que o medidor de energia digital leia 115 V.
8. Ligue a fonte de alimentação 125 V DC. Certifique-se de que todas as conexões estão limpas dos terminais de abastecimento.
9. Pressione o botão de partida de alimentação e defina a saída de alimentação para 125 V.
10. Gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Executar".
11. Para "R_F"= 10, 6, 3 e 1, grave a corrente de armadura I_AC1, tensão de armadura V_AC1, potência real, fator de alimentação, tensão de campo e corrente do visor de alimentação DC.
12. Meça e regisse o torque e a velocidade da máquina.
13. Redefinir "R_F"para 10 Ω.
14. Ligue "S_1",e repita os passos 4.11 a 4.13.
15. Ligue "S_2",e repita os passos 4.11 a 4.13.
16. Desligue "S_2"e mude "R_L"para 100 Ω.
17. Ligue "S_2",e repita os passos 4.11 a 4.13.
18. Desligue a fonte de alimentação DC, gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Iniciar" e defina o VARIAC de volta para 0%.
19. Desligue o interruptor de desconexão trifásica e desconecte a configuração.

Figura 3: Um esquema da configuração para estudar o efeito da mudança da corrente de campo. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A resistência da fase DC pode ser estimada a partir do teste DC como a razão de tensão DC para corrente DC quando aplicada entre um terminal de fase e o neutro. A resistência do campo pode ser medida de forma semelhante, aplicando tensão DC ao enrolamento do campo e medindo a corrente do campo. A reação síncrona(X_s),de volta e.m.f. da máquina (E_A), e sua constante relacionada k_φ pode ser encontrada a partir da medição real da potência (P_3φ) na máquina: P _3φ=3V_φE_Acos(δ)/X_s (ignorando a resistência do estator R_s) e equações básicas de fluxo de energia para o circuito equivalente por fase (Fig 4).

As curvas V determinam o fator de potência da máquina, como visto pela fonte (grade). As curvas V demonstram que a máquina pode fornecer energia reativa (fator de energia líder) sob certas condições e, portanto, age como um capacitor que pode aumentar a estabilidade da tensão na rede. Ao operar sob tal condição, a máquina é denominada "condensador síncrona".

Figura 4: Um esquema do circuito equivalente por fase utilizado para os resultados representativos.

Máquinas síncronsas são comuns em aplicações que requerem velocidade constante no eixo do motor com regulamentos de velocidade muito apertados. Tais aplicações incluem relógios elétricos e discos rígidos, mas estendem-se a condensadores síncronos, que são motores síncronos que operam na região principal do fator de potência para fornecer energia reativa a uma carga. Correção do fator de potência é outro termo usado com aplicações condensadoras síncronsas. Observe que os motores síncronos mais comuns são motores de ímã permanente, enquanto os geradores síncronos mais comuns são geradores síncronos de rotor de feridas.