Overview
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.
Principles
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".
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Procedure
1. Teste DC
- Ligue a fonte de alimentação DC de baixa potência com um curto-circuito em seus terminais.
- Limite a corrente na fonte de alimentação DC de baixa potência para 1,8 A.
- Desligue o fornecimento e desconecte o curto-circuito.
- Conecte os terminais de alimentação entre as portas 1 e 4 do motor síncrocro.
- Ligue a fonte e meça a tensão e a corrente DC. Varie a tensão conforme necessário para atingir uma corrente de 1,8 A.
- Desligue a oferta e repita as duas etapas anteriores para as portas 2 e 5 e as portas 3 e 6.
- Desconecte a fonte de alimentação DC de baixa potência.
2. Start-up de máquina síncrona
- Certifique-se de que o interruptor de desconexão trifásica, o interruptor síncrocro do motor e o interruptor do motor DC estejam desligados.
- Verifique se o VARIAC está em 0%.
- Conecte o VARIAC à tomada trifásica e conecte a configuração mostrada na Fig. 1.
- Lembre-se de definir o dimensionamento de 1 a 1000 da sonda de corrente do medidor de energia digital.
- Verifique se o switch "Iniciar/Executar" está na posição "Iniciar".
- Ligue o interruptor de desconexão trifásica.
- Aumente rapidamente a saída VARIAC até que o medidor de energia digital leia em torno de 115 V.
- Meça a corrente de armadura IAC1,tensão de armadura VAC1,potência real e fator de potência.
- 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.
- Meça o torque e a velocidade da máquina.
- Ligue a fonte de alimentação 125 V DC. Certifique-se de que todas as conexões estão limpas dos terminais de abastecimento.
- Pressione o botão "Iniciar" de alimentação e defina a saída de alimentação para 125 V.
- 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.
- Registre a corrente de armadura IAC1,tensão de armadura VAC1,potência real, fator de potência e a tensão de campo e corrente do visor de alimentação DC.
- Meça e regisse o torque e a velocidade da máquina.
- Desligue a fonte de alimentação DC, gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Iniciar" e defina o VARIAC de volta para 0%.
- 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
- Certifique-se de que o interruptor de desconexão trifásica, o interruptor síncrocro do motor "S1"e o interruptor do motor DC "S2"estejam desligados.
- Observe que, embora "S1" esteja no lado síncrocro do motor, ele é usado para conectar/desconectar a carga "RL" nos terminais da máquina DC.
- Verifique se o VARIAC está em 0%.
- Conecte a configuração mostrada no Fig. 2 e defina "RL"para 200 Ω.
- Verifique se o switch "Iniciar/Executar" está na posição "Iniciar".
- Ligue o interruptor de desconexão trifásica.
- Aumente rapidamente a saída VARIAC até que o medidor de energia digital leia em torno de 115 V.
- Ligue a fonte de alimentação 125 V DC. Certifique-se de que todas as conexões estão limpas dos terminais de abastecimento.
- Pressione o botão de partida de alimentação e defina a saída de alimentação para 125 V.
- Gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Executar".
- Registre a corrente de armadura IAC1,tensão de armadura VAC1,potência real, fator de potência e tensão de campo e corrente do visor de alimentação DC.
- Meça e regisse o torque e a velocidade da máquina.
- Mantenha a luz estroboscópica acesa perto do eixo e meça o ângulo inicial δo.
- Para configurar a luz estroboscópica, conecte-a em uma tomada de alimentação regular e ligue-a.
- 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.
- 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.
- Ligue "S1"e repita os passos 3.9 a 3.11, mas meça o novo ângulo como δ1.
- Ligue "S2"e repita os passos 3.9 a 3.11, mas meça o novo ângulo como δ2.
- Desligue "S2"e mude "RL"para 100 Ω.
- Ligue "S2"e repita os passos 3.9 a 3.11, mas meça o novo ângulo como δ3.
- Desligue a fonte de alimentação DC, gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Iniciar", desligue "S1"e "S2", e defina o VARIAC de volta para 0%.
- 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.
- Certifique-se de que o interruptor de desconexão trifásica, o interruptor síncrocro de motor S1e o interruptor do motor DC S2 estejam desligados.
- Verifique se o VARIAC está em 0%.
- Conecte a configuração mostrada em Fig. 3, que só é diferente da Fig. 2 adicionando o resistor de campo da série "RF",e defina "RL"para 200 Ω.
- Defina "RF"para a posição de 10 Ω. "RF"não requer medição para este experimento, uma vez que o objetivo é variar apenas a corrente de campo.
- Verifique se o switch "Iniciar/Executar" está na posição "Iniciar".
- Ligue o interruptor de desconexão trifásica.
- Aumente rapidamente a saída VARIAC até que o medidor de energia digital leia 115 V.
- Ligue a fonte de alimentação 125 V DC. Certifique-se de que todas as conexões estão limpas dos terminais de abastecimento.
- Pressione o botão de partida de alimentação e defina a saída de alimentação para 125 V.
- Gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Executar".
- Para "RF"= 10, 6, 3 e 1, grave a corrente de armadura IAC1, tensão de armadura VAC1, potência real, fator de alimentação, tensão de campo e corrente do visor de alimentação DC.
- Meça e regisse o torque e a velocidade da máquina.
- Redefinir "RF"para 10 Ω.
- Ligue "S1",e repita os passos 4.11 a 4.13.
- Ligue "S2",e repita os passos 4.11 a 4.13.
- Desligue "S2"e mude "RL"para 100 Ω.
- Ligue "S2",e repita os passos 4.11 a 4.13.
- Desligue a fonte de alimentação DC, gire o interruptor "Iniciar/Executar" para a posição "Iniciar" e defina o VARIAC de volta para 0%.
- 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.
Motores síncronos são ideais em aplicações que requerem velocidade constante do rotor independente da carga variada do eixo, e são quase onipresentes em usinas de regulação de frequência e tensão. As máquinas síncrodas consistem em um núcleo giratório interno chamado rotor e um anel estacionário externo chamado estator. O campo magnético do rotor é fixo e é gerado usando ímãs permanentes ou uma fonte de energia DC. Em motores síncronos de três fases, a corrente flui para o estator da máquina com cada fase conectada ao seu próprio conjunto separado de bobinas de estator. Isso produz um campo magnético rotativo separado que corresponde a oscilações na corrente da linha de alimentação. Os campos magnéticos do estator e do rotor estão acoplados ou bloqueados, fazendo com que o rotor gire a uma velocidade exatamente a mesma da taxa de rotação do campo magnético do estator. O objetivo geral deste vídeo é introduzir máquinas síncronsas de três fases, demonstrar protocolos para iniciar e travar os campos magnéticos do rotor e do estator e ilustrar um protocolo para encontrar o efeito das cargas do motor no ângulo de torque.
Para superar a inércia inicial antes que os campos do estator e do rotor estejam alinhados, uma máquina síncrona de três fases é inicialmente executada como um motor de indução. Neste procedimento, o campo magnético rotativo do estator induz a corrente no rotor da gaiola do esquilo, posteriormente criando um campo magnético ao redor do rotor e induzindo a rotação. Uma vez que a velocidade da máquina se aproxima da velocidade síncrona, uma tensão DC é aplicada através do sinuoso campo. A partir deste ponto, a excitação eletromagnética controla o campo magnético do rotor. Com o campo magnético do rotor fixo, os campos magnéticos do rotor e do estator ficam bloqueados para alcançar o sincronismo rotor-estator. Consequentemente, a velocidade do motor síncromo é controlada pela velocidade de rotação do campo magnético do estator, e é independente da carga. Embora a carga do rotor não afete a velocidade do rotor em um motor síncromo, faz com que o rotor puxe ligeiramente atrás do estator. Enquanto o motor continua a funcionar em velocidade síncrola, o deslocamento angular é chamado de ângulo de torque, que é menor em cargas mais baixas e maior em cargas mais altas. À medida que a carga mecânica aumenta, o ângulo de torque aumenta até que o ângulo seja tão alto que o rotor é retirado do sincronismo. Esta alta carga mecânica está, portanto, acima do limite para o qual o motor pode lidar, e é chamado de torque de quebra. Agora que os motores síncronos foram introduzidos, vamos demonstrar procedimentos para inicialização, sincronização e caracterização.
Antes de iniciar o motor síncrocro, teste a fonte de alimentação DC usada para travar os campos magnéticos do rotor e do estator. Primeiro, um curto-circuito na fonte de alimentação DC de baixa potência e ligá-la. Reduza a corrente na fonte para um ponto oito amperes e, em seguida, desligue a alimentação e desconecte o curto-circuito. O teste DC mede a resistência sinuosa do estator. Primeiro, conecte os terminais de alimentação DC através das portas um e quatro do motor síncromo, e ligue a fonte. Em seguida, registo a tensão DC e a corrente através dessas portas. Varie a tensão conforme necessário para atingir um limite atual de um ponto e oito amperes. Regissuça a tensão e desligue a fonte. Repita as medidas de tensão e corrente descritas nas portas dois e cinco, e depois para as portas três e seis. Finalmente, desconecte o fornecimento dc para completar o teste DC.
Na próxima etapa do protocolo, a máquina síncrona é iniciada no modo motor de indução, e então os campos magnéticos do rotor e do estator são bloqueados. Primeiro, verifique se o interruptor de desconexão de três fases, o interruptor síncrocro do motor e o interruptor do motor DC estão desligados. Em seguida, verifique se a variac está definida como tensão de saída por cento. Com o equipamento desligado, conecte a variatura à tomada de três fases e conecte a configuração conforme mostrado. Em seguida, conecte um pequeno pedaço de fita ao eixo do rotor da máquina síncrona CA. Finalmente, defina o dimensionamento de 5 a 100 A da sonda de corrente do medidor de energia digital. Agora, ligue o motor ligando o equipamento. Primeiro, verifique se o switch 'Start-Run' está na posição 'Iniciar'. Em segundo lugar, ligue o interruptor de desconexão de três fases. Terceiro, aumente rapidamente a saída variada até que o medidor de energia digital leia cerca de 115 volts. Essas medidas correspondem à fase A, a linha à tensão de fase neutra e corrente para que a medição do fator de potência reflita corretamente o fator de potência por fase. Em seguida, meça o torque do motor no modo de indução. Por fim, meça a velocidade do motor usando a técnica de luz estroboscópica. Consulte o vídeo da Science Education, "DC Motors" para obter mais informações sobre essa técnica. Com a máquina iniciada, e os parâmetros iniciais medidos, ela está pronta para sincronização. Primeiro, ligue a fonte de alimentação DC de 125 volts. Em seguida, gire o interruptor 'Start-Run' para a posição 'Executar'. Preste atenção em como o som da máquina muda. À medida que o campo magnético do rotor se tranca no campo magnético rotativo do estator, o som da máquina torna-se mais suave. Com os campos magnéticos do rotor e do estator bloqueados, ou sincronizados, meça a corrente de armadura e o fator de tensão, potência e energia. Em seguida, meça a tensão de campo e a corrente do visor de alimentação DC. Em seguida, meça as características mecânicas, torque e velocidade. Por fim, desligue o equipamento começando com a fonte de alimentação DC. Em seguida, gire o interruptor 'Start-Run' para a posição 'Iniciar' e defina a saída variada para zero por cento. Por último, desligue o interruptor de desconexão de três fases.
Quando um motor DC é mecanicamente acoplado à máquina síncrona para fornecer uma carga mecânica, o ângulo de torque no motor síncromo pode ser modificado pela corrente de campo de desvio no motor DC. Este protocolo examina a relação entre a carga do campo do motor e o ângulo de torque. Com o equipamento desligado, conecte a configuração como mostrado e coloque o resistor de carga de desvio em dois quilos. Agora, ligue o equipamento como descrito anteriormente. Regissos parâmetros elétricos e mecânicos como antes. Em seguida, registo de torque com o campo de desvio carregado. Para isso, use o estrobo para congelar visualmente o eixo do motor síncrocro. Ajuste a frequência estroboscópica usando o nódulo 'curso' para aproximadamente corresponder a 1800 RPM, a velocidade síncrona de quatro puxar 60 máquinas hertz. Em seguida, aponte a luz estroboscópica na borda do eixo do motor e ajuste o nob 'fino' até que o eixo pareça estacionário Inicialmente, meça o ângulo de torque com RL definido para 200 ohm, e desligue S1 e S2. Em seguida, repita as medidas de ângulo com o campo de desvio carregado da seguinte forma. Vire S1 e meça o ângulo delta um, em seguida, ligue S2 e meça o ângulo delta dois. Por último, desligue o S2, troque rl para 300 ohm, e ligue O S2 de volta. Finalmente, desligue o equipamento como descrito anteriormente.
A resistência da fase DC foi 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 à fase contribui para perdas na máquina, e causa queda de tensão na armadura. A resistência de campo foi medida de forma semelhante, aplicando tensão DC ao sinuoso do campo e medindo a corrente de campo. A resistência de campo controla a corrente de campo. A tensão de campo pode ser variada com uma resistência de campo fixo para variar a corrente de campo. Finalmente, o ângulo de torque tornou-se maior com aumento da carga mecânica modificada variando a corrente de campo de desvio no motor DC. O poder real da máquina está então relacionado com o ângulo de torque como mostrado. Isso nos diz que a potência de saída é mais alta quando o ângulo de torque é zero.
Máquinas síncronsas são comuns em aplicações que requerem velocidade constante no eixo do motor com regulamentos de velocidade muito apertados. Geradores síncronos de rotor de três fases são a principal fonte de energia elétrica em todo o mundo. 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 demonstrado para sincronização manual no vídeo Science Education, "AC Synchronization Machine Synchronization". Motores síncronos são frequentemente usados para dispositivos simples, como moinhos de bolas. Um moinho de esferas é um dispositivo que mistura e moe materiais girando um cilindro contendo pequenas bolas metálicas. O impacto das bolas moe os materiais colocados dentro do cilindro. Estes moedores são usados frequentemente para misturar materiais como tintas, ou para pulverizar materiais como grãos vegetais.
Você acabou de assistir a introdução de Jove à caracterização da máquina síncrona ac. Agora você deve entender como as máquinas síncronas CA funcionam, como iniciar e sincronizar a máquina e reconhecer o efeito das cargas do motor no ângulo de torque. Obrigado por assistir.
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Results
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(Xs),de volta e.m.f. da máquina (EA), e sua constante relacionada kφ pode ser encontrada a partir da medição real da potência (P3φ) na máquina: P 3φ=3VφEAcos(δ)/Xs (ignorando a resistência do estator Rs) 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.
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Applications and Summary
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.
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