Medição do ângulo de carga em máquinas síncronas

O ângulo de carga entre a tensão interna induzida do rotor e a tensão externa da rede elétrica é um parâmetro essencial para avaliar e determinar pontos de operação de máquinas síncronas. No entanto, os engenheiros não podem medir esse ângulo diretamente. Estudantes realizam exercícios práticos de laboratório em um novo Laboratório de Eletromobilidade na HTL BULME. Eles usam um codificador incremental no eixo. O codificador ajuda a analisar, definir e visualizar a posição do rotor no DewesoftX.

A HTL BULME Graz-Gösting é uma das maiores e mais conhecidas escolas da Áustria. Oferece formação em quatro áreas principais: eletrónica, informática técnica, e-tecnologias e engenharia mecânica e industrial. Os alunos recebem formação teórica e prática.

Os futuros engenheiros aprendem de forma prática sobre materiais e componentes, além de compreenderem como os sistemas funcionam em conjunto através de atividades em laboratórios e oficinas. Equipamentos modernos são essenciais para a formação, incluindo máquinas CNC, óculos de realidade virtual, impressoras 3D e laboratórios especializados. Estes laboratórios focam-se em EMC, energias renováveis, produção e tecnologia de medição.

Máquinas síncronas

As máquinas síncronas são fundamentais para o fornecimento de energia elétrica. É essencial compreender os seus principais pontos de funcionamento. Para isso, utilizámos um diagrama de circuito simplificado (ESB), que inclui a tensão do rotor UP, a reatância síncrona Xd e a tensão da rede UN.

A tensão do rotor depende da velocidade do eixo e da corrente de excitação do rotor. A frequência está relacionada com o número de pares de polos, p, enquanto a tensão da rede está associada à amplitude da tensão e à frequência.

We can create the corresponding mesh equation assuming the consumer counting arrow system.

Com esta equação de malha, é possível derivar um diagrama vetorial claro para descrever e avaliar os pontos de funcionamento.

O equilíbrio entre a potência ativa e reativa determina o ponto de funcionamento da máquina síncrona. O binário mecânico do eixo influencia a potência ativa, enquanto a magnitude da tensão do rotor influencia a potência reativa.

O ângulo de carga ϑ, formado pelos vetores de tensão UP e UN, aparece repetidamente nestas equações.

Como mostra o ESB, a tensão interna induzida do rotor UP só pode ser medida com os terminais abertos e desligados da rede elétrica. Durante o funcionamento, a queda de tensão UXd na impedância síncrona longitudinal impede a medição direta de UP e, consequentemente, a determinação direta do ângulo de carga ϑ.

Antes de operar a máquina síncrona, é necessário sincronizá-la. Este processo exige que o nível de tensão, a posição, a frequência e a sequência de fases do sistema da máquina coincidam com os da rede. Quando isso acontece, os vetores de tensão UP e UN tornam-se coincidentes. Assim, a máquina pode ser ligada à rede sem fluxo de corrente, ou seja, está sincronizada.

Durante a sincronização, mede-se a tensão induzida no rotor uP(t) e gera-se um sinal de tensão virtual idêntico no processador matemático. Um sensor de posição mede a frequência mecânica do eixo. Neste caso, foi utilizado um sensor incremental que fornece 1024 impulsos por rotação.

Podemos determinar a posição ou o ângulo do eixo numa rotação contando os impulsos individuais e o impulso de referência. Também é possível medir a velocidade ao longo de várias rotações. Ajustamos o sinal de tensão virtual para coincidir com a tensão induzida no rotor uP(t), utilizando o ângulo medido do eixo e um ângulo de correção até que ambos os sinais coincidam.

A ligação mecânica entre o rotor e o eixo é fixa. Isso garante que o sinal de tensão virtual corresponda à tensão real do rotor. Esta relação permite medir o ângulo de carga comparando a tensão da rede com a tensão virtual, ou seja, medindo o desfasamento entre os dois sinais.

Dependendo do ponto de funcionamento, a tensão virtual pode adiantar-se ou atrasar-se em relação à tensão da rede. Em funcionamento ideal em vazio, ambas as tensões são iguais.

É importante notar que ambos os sinais de tensão têm a mesma frequência. Os vetores de tensão rodam em conjunto devido aos campos magnéticos do rotor e do estator, ligados por uma “mola magnética” imaginária. Dependendo do binário no eixo, esta mola fica mais ou menos tensionada.

O ângulo máximo teórico do rotor para um ponto de funcionamento estável é de 90°. Para evitar a perda de sincronismo e por razões de segurança, o ângulo real é significativamente inferior.

Também é necessário considerar o número de pares de polos, p, para compreender a relação entre os ângulos elétrico e mecânico do eixo.

Implementação da medição

A implementação prática ocorre no novo Laboratório de Eletromobilidade, onde estão disponíveis várias máquinas de acionamento, conversores de frequência e a respetiva tecnologia de medição. Os estudantes trabalham de forma autónoma e, sob supervisão, montam os circuitos de medição. Definem os pontos de funcionamento e registam dados como corrente, tensão e potência. O diagrama vetorial é uma ferramenta simples e muito útil para medições de potência, permitindo visualizar rapidamente o ponto de operação.

Utilizamos um eixo intermédio para ligar a máquina síncrona em estudo à máquina de carga, onde está montado o codificador incremental. A máquina síncrona é ligada eletricamente à rede trifásica através de um quadro de sincronização específico. O ponto de funcionamento é definido pelo binário da máquina de carga e pela corrente de excitação em corrente contínua. A corrente é transmitida ao rotor em rotação através de anéis coletores.

Montámos um circuito de medição a 4 fios para registar a potência elétrica. As tensões de fase são medidas diretamente com entradas de alta tensão (HV), enquanto pinças de corrente medem a corrente. Estas pinças fornecem um sinal de tensão proporcional à corrente, que é registado pelas entradas de baixa tensão (LV).

Lista de equipamento

Utilizamos um dispositivo Dewesoft SIRIUS para aquisição e análise de dados. Este sistema flexível e robusto oferece amplificadores de sinal de alta qualidade e suporta uma ampla variedade de sinais e sensores, incluindo:

• tensão

• corrente

• IEPE

• carga

• ponte completa, meia ponte e quarto de ponte

• LVDT

• RTD

• termopares

• resistência

• contadores

• encoders

• entradas digitais

Os dispositivos SIRIUS oferecem uma gama dinâmica elevada, até 160 dB, dependendo da configuração, e possuem isolamento galvânico. Estão disponíveis com interfaces USB, EtherCAT® ou Gigabit Ethernet. Todos os instrumentos SIRIUS® incluem o software de aquisição DewesoftX.

O encoder gera um sinal digital de alta frequência, produzindo 1024 impulsos por rotação a 1500 rpm, o que corresponde a 25,6 kHz. As entradas analógicas não conseguem captar estes impulsos com precisão suficiente, pelo que utilizamos entradas SIRIUS SuperCounter®.

Estas entradas funcionam a 100 MHz, com resolução de 32 bits, e utilizam conectores LEMO 1B de 7 pinos. O cálculo de ângulo e frequência é feito diretamente no hardware, suportando modos como contagem de eventos e temporização de forma de onda, além de sensores como encoder, tacómetro e geartooth.

Hardware:

• SIRIUSi-HS-4xHV-4xLV+ a 20 kHz, com capacidade até 1 MHz em entradas analógicas e 100 MHz em entradas digitais

• 3 pinças de corrente Fluke I30, princípio Hall, intervalo ±20 A

• 3 adaptadores D9m-BNC

Software:

• DewesoftX Professional, versão base incluída

• Módulo Power, opção do DewesoftX

Encoders e sincronização

O encoder incremental regista a posição mecânica do rotor. Este encoder de eixo oco fornece 1024 impulsos por rotação, além de um impulso de referência. O sinal está disponível nos canais A e B, desfasados em 90° no tempo, permitindo determinar não só a velocidade, mas também o sentido de rotação.

Configuramos o encoder incremental através do menu correspondente no DewesoftX. Após algumas definições, como o tipo de encoder, impulsos por rotação e unidades, a configuração fica concluída. O ângulo e a velocidade passam então a estar disponíveis como sinais de medição.

Para criar a tensão virtual do rotor, utilizamos uma fórmula baseada no ângulo mecânico do eixo. Os cálculos são feitos em radianos e consideram o número de pares de polos, neste caso p = 2. A amplitude não é relevante, pois o interesse está apenas no desfasamento de fase.

É necessário criar um segundo sinal idêntico para utilizar um diagrama vetorial preciso na medição de potência. Este sinal deve estar em amperes. Assim, é possível inserir um ponto de medição de potência monofásica e visualizar os vetores de tensão e corrente. O ângulo de fase determinado também pode ser usado para apresentar o ângulo de carga.

Figure 13 shows the time curves before synchronization. The phase shift between the rotor and mains voltages remains synchronous and is visible. The slightly lower rotational speed can identify it. The rotor and the virtual voltage are aligned using a zero-phase angle. The same zero crossings and nearly identical pointers show this.

A Figura 14 mostra o instante após a sincronização. Ocorre um pequeno pico de tensão no momento da ligação, após o qual ambas as curvas de tensão se tornam idênticas. A medição na Figura 15 indica que o funcionamento ideal em vazio com I = 0 A não ocorre. Os dados mostram que a máquina síncrona opera como um motor, acionando mecanicamente o sistema (P > 0, ϑ < 0). Esta relação também é visível no ângulo de carga, que é ligeiramente negativo.

Operating points

The following figures show various characteristic operating points:

Conclusão

O nosso estudo sobre a visualização e determinação do ângulo de carga de uma máquina síncrona fornece conhecimentos essenciais para compreender os pontos de funcionamento e os processos de sincronização necessários para manter a máquina estável e eficiente. Utilizando um encoder incremental e técnicas matemáticas, é possível medir o ângulo de carga, identificar desfasamentos de fase e sincronizar a máquina com a rede.

Estes resultados aprofundam a compreensão do comportamento das máquinas síncronas e oferecem aplicações práticas em laboratório, ajudando os estudantes a consolidar conhecimentos teóricos e competências práticas. Demonstram também a importância de ferramentas avançadas de medição e análise na otimização do desempenho e na fiabilidade dos sistemas elétricos.

Como próximo passo, prevê-se aprofundar os cálculos com o plugin Motor Analysis da Dewesoft.