Análise em curto-circuito e com carga conectada

Para esta última análise, foi simulada uma carga resistiva com características similares à carga usada nos testes de laboratório. O curto-circuito foi modelado da mesma maneira que nas simulações da máquina síncrona operando a vazio, escolheu-se uma corrente com um valor de 5% do valor nominal. A Figura 3.23 apresenta o comportamento da densidade de fluxo magnético em várias regiões da MS quando esta opera sob carga com curto-circuito na bobina de um dos polos.

Figura 3.23: Densidade de Fluxo Magnético da MS com Polo em Curto-Circuito e com Carga Conectada.

150 200 250 1 4 7 10131619_{22 25 28 31 34 37 40} 43 46 49 52 55 _{58 61} Te n são [ V] Tempo Va Vb Vc

A Figura 3.23 mostra que a distribuição da densidade de fluxo magnético nos dentes do estator e na coroa dos polos não é uniforme devido ao curto-circuito presente em um dos polos. Isto diminui o valor da densidade de fluxo magnético em 3 dos 4 polos e aumenta o fluxo magnético no polo restante, oposto ao polo em curto-circuito, como se nota na Tabela 3.7.

Tabela 3.7: Valores Densidade de Fluxo Magnético nos Polos com Curto-Circuito e Carga no Estator. Polo 1 Polo 2 Polo 3 Polo 4

Fluxo no centro do polo do rotor [T] 0,36 0,23 0,09 0,23

Fluxo na lateral direita do polo do rotor [T] 0,46 0,34 0,13 0,25

Fluxo na lateral esquerda do polo do rotor [T] 0,46 0,25 0,13 0,34

Fluxo no ponto médio da coroa do rotor [T] 0,23 0,16 0,06 0,16

Na Figura 3.24 podemos ver como é o comportamento da densidade de fluxo magnético em função do tempo no entreferro.

Figura 3.24: Comportamento da Densidade de Fluxo Magnético no Entreferro. Polo em Curto-Circuito e Carga no Estator.

O gráfico da Figura 3.24 mostra a distribuição da densidade de fluxo magnético nos polos quando um deles está em curto-circuito. Observa-se que o valor máximo da densidade de fluxo magnético também aumenta. Na Figura 3.25 visualiza-se o comportamento do fluxo magnético em cada um dos dentes do estator.

Figura 3.25: Densidade de Fluxo Magnético nos Dentes do Estator com Polo em Curto-Circuito e Carga Conectada.

No gráfico da Figura 3.25 podemos ver o comportamento do fluxo magnético nos dentes ao longo do estator. Pode-se notar que em alguns dentes a densidade de fluxo aumentou um 20% em relação ao valor em modo normal de operação e com carga (Figura 3.19). Este curto- circuito também afeta a amplitude da tensão em cada uma das fases do enrolamento estatórico como se observa na Figura 3.26.

Figura 3.26: Tensões Estatóricas da MS em Curto-Circuito Após Conectar uma Carga na Saída. Pode-se observar na Figura 3.26 como o curto-circuito na bobina de um polo reduz o valor da amplitude da tensão de saída em cada uma das fases, mas o ângulo de defasagem entre elas e a forma de onda senoidal permanecem iguais. Neste gráfico podemos ver que o valor da amplitude é aproximadamente 165,8 [V] que se aproxima do valor da tensão da MS observado

no teste de laboratório. Para compensar o valor da tensão reduzida pelo curto-circuito e normaliza-la, também se aumenta o valor da corrente de excitação. Na Tabela 3.8 podemos ver os valores da densidade de fluxo nos polos e nos gráficos seguintes podemos ver o efeito da normalização da tensão sobre a densidade de fluxo magnético quando as bobinas dos polos ainda apresentam curto-circuito.

Tabela 3.8: Valores da Densidade de Fluxo Magnético nos Polos com Curto-Circuito e Carga no Estator Após Normalizar a Tensão.

Polo 1 Polo 2 Polo 3 Polo 4

Fluxo no centro do polo do rotor [T] 0,48 0,31 0,12 0,31

Fluxo na lateral direita do polo do rotor [T] 0,61 0,46 0,18 0,34

Fluxo na lateral esquerda do polo do rotor [T] 0,61 0,34 0,18 0,46

Fluxo no ponto médio da coroa do rotor [T] 0,29 0,22 0,09 0,22

Figura 3.27: Densidade de Fluxo Magnético da MS com Polo em Curto-Circuito e com Carga Conectada Após Normalizar a Tensão.

Na escala de cores da Figura 3.27 observa-se o aumento da densidade de fluxo magnético em algumas regiões da MS, devido ao aumento da corrente de excitação para normalizar em 220 [V] a tensão de saída. As Figuras 3.28 e 3.29 apresentam o comportamento do fluxo magnético no entreferro e nos dentes do estator.

Figura 3.28: Comportamento da Densidade de Fluxo Magnético no Entreferro com Polo em Curto- Circuito e Carga Conectada Após Normalizar a Tensão em 220[V].

Figura 3.29: Densidade de Fluxo Magnético nos Dentes do Estator com Polo em Curto-Circuito e Carga Conectada Após Normalizar a Tensão em 220[V].

Nas Figuras 3.28 e 3.29 pode-se observar que quando a máquina síncrona trabalha sob carga e tem um curto-circuito na bobina de um dos polos, o comportamento da densidade de fluxo magnético é similar ao comportamento de esta grandeza, quando a máquina síncrona trabalha a vazio e com curto-circuito na bobina de um dos polos, somente muda a amplitude da densidade de fluxo, mas o comportamento é similar. Na Figura 3.30 se mostra a tensão de saída da MS após aumentar a corrente de excitação para normalizar a tensão em 220[V].

Figura 3.30: Tensão de Saída com Amplitude Normalizada em 220[V].

Após o aumento da corrente de excitação para compensar a tensão de saída, reduzida pelo curto-circuito, pode-se observar na Figura 3.31 que os resultados da simulação são muito próximos aos resultados obtidos no teste de laboratório.

Figura 3.31: Tensões Estatoricas da MS Medidos no Teste de Laboratório, com Polo em Curto-Circuito e Carga Conectada.

O teste feito no laboratório consistiu em fazer um curto-circuito na bobina de um dos polos da máquina síncrona real e que representasse um 5 % do valor total desta, após fazer isto iniciou-se a operação da máquina síncrona e se conectou uma carga na saída. Quando a máquina entrou a regime estacionário percebeu-se que para os valores de corrente de excitação da MS trabalhando sem curto-circuito e sob carga a tensão de saída diminuiu até 175 [V], por tanto podemos dizer que o curto-circuito afetou a amplitude da tensão de saída. Por último aumentou- se a corrente de excitação para normalizar a tensão de saída até os 220 [V]. Comparando os resultados da simulação da MS com os dados mostrados na Figura 3.31, podemos ver que os resultados da simulação são próximos aos dados do teste de laboratório, quando na simulação se fez um curto-circuito em um polo, o valor da tensão diminuiu até 165,8 [V] e no teste de laboratório quando se fez este curto-circuito o valor da tensão diminuiu até 175[V]

0 500 1 3 5 7 9 11 13_{15 17 19 21 23} 25 27 29 Ten são R M S [ V] Tempo Va Vb Vc

aproximadamente, apresentando um erro do 5,2 %. No gráfico da Figura 3.31 também se mostra que a tensão se normaliza em 220 [V] após aumentar a corrente de excitação, como aconteceu nas simulações e ensaios de laboratório com a máquina operando com curto-circuito.