O método da reactância síncrona permite determinar a grandeza Xs, com base no ensaio
do gerador síncrono em vazio e em curto-circuito. Conhecidos os resultados dos ensaios experimentais e o valor da reactância síncrona, determina-se a tensão nos terminais da máquina e posteriormente a regulação de tensão, R%.
5.2.1 Método da Reactância Síncrona, Ensaio em Vazio e em Curto-circuito
O ensaio em vazio ou em circuito aberto permite determinar a f.e.m. gerada por fase, Eg, em função da corrente de excitação que circula no circuito do rotor, Iexc, estando
a máquina a rodar à velocidade nominal (de sincronismo). Para realizar este ensaio, é ligado um amperímetro ao circuito indutor para medir a corrente de excitação, Iexc
e um voltímetro entre quaisquer dois terminais do circuito induzido, medindo a tensão composta entre terminais, VC. Através da equação 5.9 calcula-se a tensão simples Va,
que neste caso é igual à f.e.m. gerada por fase, Eg.
O ensaio em curto-circuito permite determinar, em função da corrente de excitação, Iexc, a corrente que circula no enrolamento do induzido, Ia, mantendo a máquina primária
a rodar à velocidade síncrona. À semelhança do caso anterior, para realizar este ensaio é ligado um amperímetro ao circuito indutor para medir a corrente de excitação, Iexc.
Para medir a corrente que circula no enrolamento do induzido, Ia, coloca-se um am-
perímetro numa das fases. Considerando que as bobinas do estator estão ligadas em estrela, a corrente de linha, ILe na fase, Ia, são iguais. Na prática, para determinar Ia, é
usual colocar três amperímetros, um por cada fase, fazendo posteriormente a média das correntes obtidas.
As curvas características do ensaio em vazio e em curto-circuito por fase, são as repre- sentadas na figura 5.5. Verifica-se para o ensaio em vazio uma zona linear, cuja tangente coincide com a recta do entreferro, para baixos valores de corrente de excitação e uma zona de não linearidade para valores mais elevados. Nesta zona, quando o fluxo mag- nético excede um determinado valor limite, resulta a saturação do ferro. No ensaio em curto-circuito a característica é linear, independentemente do valor da corrente de exci- tação. Para compreender esta linearidade veja-se a equação 5.7, para cargas com factor de potência em atraso. Eliminando na equação o parâmetro Va, vem:
5 Gerador Síncrono
Figura 5.5: A característica em vazio determina em função da corrente de excitação Iexc, a
f.e.m. Eg, igual á tensão nos terminais, Va. A característica de curto-circuito,
determina em função de Iexca corrente do induzido Ia. A reactância síncrona
Xs, é função dos parâmetros anteriores.[15]
Note-se que, desprezando a resistência do condutor, a tensão nos terminais VC é zero
e consequentemente Va.
Como a reactância síncrona assume valores muito superiores, quando comparada com a resistência interna do induzido, Ra, é uma prática usual desprezar este último parâmetro,
assim a equação 5.11 é simplificada:
Eg = XsIa ⇔ Xs=
Eg
Ia (5.12)
Para um valor fixo de corrente de excitação, Iexc, determina-se a f.e.m. Eg do ensaio
em vazio e a corrente no induzido, Ia, do ensaio em curto-circuito. Determinados estes
dois valores, calcula-se a reactância síncrona, Xs.
Caso não se queira desprezar a resistência interna, Ra, é possível determina-la real-
izando um procedimento simples. Fazendo circular uma pequena corrente continua entre dois terminais do estator, mede-se o valor da tensão continua e da corrente, a resistência é determinada pela fórmula V = 2RaI. Note-se que, estando o estator ligado em estrela,
a queda de tensão dá-se em duas bobinas do estator, daí o facto de se considerar que a resistência total é 2Ra. Determinada a resistência Ra, utiliza-se a equação 5.11 descrita
anteriormente.
A utilização do método da impedância síncrona tem implícita uma aproximação que se prende com a zona de saturação descrita no ensaio em vazio. Considerando Ra de-
sprezável, a reactância síncrona, Xs, dada na equação 5.12, é função da f.e.m. gerada,
5 Gerador Síncrono
de excitação, Iexc, quando as características são lineares, pela fórmula, Xs é constante.
Assim, para uma dada corrente de excitação, a f.e.m. Eg determinada experimental-
mente no ensaio em vazio é igual à f.em. em curto-circuito. Na zona de saturação, como a característica do ensaio em vazio perde linearidade, a reactância síncrona, Xs,
para os dois ensaios é ligeiramente diferente. Ou seja, o valor da f.e.m. Eg medida no
ensaio em vazio, considerada válida na situação de curto-circuito, sofre na verdade uma aproximação.[15, 7, 17]
5.2.2 Funcionamento em Carga
Descritos os ensaios experimentais em vazio e curto-circuito do gerador síncrono, é agora possível descrever o funcionamento do dispositivo em função da carga aplicada aos seus terminais. Como foi descrito na secção 5.1.1, os parâmetros que caracterizam o gerador dependem do tipo de carga aplicada (indutiva ou capacitiva) e do factor de potência.
Normalmente as cargas são alimentadas pelo gerador a tensão constante, assim, pretende- se nesta análise que Va seja uma grandeza de valor constante. Para isso é necessário
regular a corrente de excitação, Iexc, que irá condicionar a f.e.m. Eg. A velocidade da
máquina primária é fixa, com velocidade de sincronismo, assume-se ainda que para uma dada carga, o factor de potência é constante. Recorrendo à equação 5.7, para o caso da carga indutiva, são constantes as grandezas: factor de potência, cosθ, (consequentemente senθ) pois a carga é fixa, a reactância síncrona, Xs, como se verificou na secção 5.2.1,
tensão nos terminais da máquina, Va, pelos motivos descritos anteriormente e a resistên-
cia do induzido, Ra. Esta última, como já foi referido, pode ser desprezada, bastando
para isso igualar o valor a zero.
Da equação 5.7 resultam como variáveis: corrente no induzido, Ia e a f.e.m. gerada,
Eg. Através da equação determina-se qual a f.e.m. necessária para manter a tensão Va
constante, em função da corrente Ia.
O gráfico da figura 5.6 exemplifica, para diferentes factores de potência, a f.e.m. Eg
necessária para manter a tensão nos terminais da máquina (Va = 2660V), a uma dada
corrente no induzido (Ia = 125A). Verifica-se que quanto mais baixo for o factor de
potência em avanço, maior será o acréscimo de tensão desde o vazio, Eg, até à plena
carga (visualizar a inclinação da curva). Por outro lado, quanto mais baixo for o factor de potência em atraso, maior a diminuição de tensão desde o vazio, Eg, até à plena carga.
Para o factor de potência unitário, a tensão aos terminais ainda apresenta uma queda quando a carga aplicada é puramente resistiva.
Nesta análise estão implícitas algumas hipóteses. O funcionamento do gerador com tensão Va constante, só é possível através da regulação da corrente de excitação, Iexc.
Acontece que, esta variação de corrente altera ligeiramente o factor de potência. Para o efeito despreza-se esta pequena variação.
Para determinar em percentagem a relação entre a f.e.m. gerada, Eg e a tensão nos
terminais Va, vem:
R% = Eg− Va Va
.100 (5.13)
5 Gerador Síncrono
Figura 5.6: F.e.m. necessária para manter a tensão nos terminais (Va= 2660V), a uma
dada corrente no induzido (Ia= 125A), para vários factores de potência.[7]
valores por fase.[15, 7, 17]