Aula16_CEE2

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16 – A máquina síncrona — construção 1
AplicaçõesAplicações
• Industriais
Acionamento em velocidade estritamente constante – moinhos, 
britadores, relógios
Geração de energia localizada e em sistemas “no-break” ou de 
emergência
Geração de energia em usinas comerciais (hidrelétricas, 
termelétricas, etc)
No Brasil, são fabricados para a operação em corrente alternada 
em 60 Hz ou 50 Hz
• Rurais
Geração de energia em centrais a diesel ou PCHs
Vantagensg
Torque variável em velocidade constante (motor)
Frequência gerada constante (gerador)Frequência gerada constante (gerador)
Permite o controle da potência reativa (gerador/motor)
16 – A máquina síncrona — construção 2
E l d G d U i Hid lét iExemplos de Geradores em Usinas Hidrelétricas
16 – A máquina síncrona — construção 3
E l d G dExemplos de Geradores
16 – A máquina síncrona — construção 4
E l d M tExemplos de Motores
16 – A máquina síncrona — construção 5
C t ã d E t t C E l t Nú lConstrução do Estator – Carcaça, Enrolamento e Núcleo
O enrolamento de estator é trifásico
O l d d á i í ifá i éO enrolamento de estator da máquina síncrona trifásica é 
construído da mesma forma que o enrolamento de estator da 
á i d i d ã t ifá imáquina de indução trifásica
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C t ã d E t t C E l t Nú lConstrução do Estator – Carcaça, Enrolamento e Núcleo
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C t ã d E t t C E l t Nú lConstrução do Estator – Carcaça, Enrolamento e Núcleo
16 – A máquina síncrona — construção 8
C t ã d E t t C E l t Nú lConstrução do Estator – Carcaça, Enrolamento e Núcleo
Em máquinas grandes as chapas que compõem o núcleoEm máquinas grandes, as chapas que compõem o núcleo 
magnético são empilhadas manualmente
16 – A máquina síncrona — construção 9
C t ã d E t t C E l t Nú lConstrução do Estator – Carcaça, Enrolamento e Núcleo
Em máquinas grandes o núcleo magnético é feito em seções paraEm máquinas grandes, o núcleo magnético é feito em seções, para 
permitir a ventilação (remoção de calor) das partes internas
16 – A máquina síncrona — construção 10
C t ã d E t t C E l t Nú lConstrução do Estator – Carcaça, Enrolamento e Núcleo
A isolação é um componente tecnológico fundamental para aA isolação é um componente tecnológico fundamental para a 
confiabilidade da operação das máquinas síncronas
16 – A máquina síncrona — construção 11
Di t ib i ã d E l t d E t t Idê ti àDistribuição do Enrolamento de Estator — Idêntica à 
Máquina de Indução
Fase A
F BFase B
Fase C
   tIti eefa cos2A distribuição dos enrolamentos faz f i d    f
  

 
3
2cos2  tIti eefb
com que a força magnetomotriz de 
cada fase no entreferro seja mais 
i d t id l
   3eefb
    2cos2  tIti
aproximadamente senoidal.
O estator funciona em corrente     3cos2  tIti eefcalternada.
16 – A máquina síncrona — construção 12
O d P l t d T ê F R lt t (E t t )Ondas Pulsantes das Três Fases e Resultante (Estator)
   meemR ptFt,   cos1F 


p
INk
F effee 2
24
2
3

FMM
 p22 
FMM 
fase A
FMM 
Velocidade 
síncrona:
fase B  rpm120 fs 
FMM 
f C
 
 rad/s2
p
f
ps fase C  rad/sp
16 – A máquina síncrona — construção 13
V t R lt t (E t t )Vetor Resultante (Estator)
Amplitude:p


 INkF effee 2
24
2
3
V t
 pe 22 
Vetor 
fase A
Vetor 
Velocidade 
síncrona:
fase B  rpm120 fs 
Vetor 
f C
 
 rad/s2
p
f
ps fase C  rad/sp
16 – A máquina síncrona — construção 14
Ti d Má i Sí t à C t ãTipos de Máquinas Síncronas quanto à Construção
Pólos salientes
Número de polos ≥ 4
Em geral L < D
Baixa velocidade
Hidrogeradores
Motores
Polos lisos ou interiores
Motores 
Polos lisos ou interiores
2 ou 4 polos
E l L DEm geral L > D
Alta velocidade 
Turbogeradores
16 – A máquina síncrona — construção 15
C t ã d R t d Pól S li tConstrução do Rotor de Pólos Salientes
Estator em corrente alternadaEstator em corrente alternada
Diferentemente da máquina de 
indução a máquina síncronaindução, a máquina síncrona 
tem rotor que funciona em 
corrente contínuacorrente contínua
O rotor gira à velocidade s
16 – A máquina síncrona — construção 16
C t ã d R t d Pól S li tConstrução do Rotor de Pólos Salientes
Enrolamento de excitação
Enrolamento amortecedorEnrolamento amortecedor
16 – A máquina síncrona — construção 17
C t ã d R t d Pól S li tConstrução do Rotor de Pólos Salientes
Anéis coletores
16 – A máquina síncrona — construção 18
C t ã d R t d Pól Li I t iConstrução do Rotor de Pólos Lisos ou Interiores
16 – A máquina síncrona — construção 19
C t ã d R t d Pól Li I t iConstrução do Rotor de Pólos Lisos ou Interiores
Rotor antes de ser 
fresado
Rotor com o 
enrolamento instalado
Rotor fresado, pronto 
para instalar o 
enrolamento
16 – A máquina síncrona — construção 20
C t ã d R t d Pól Li I t iConstrução do Rotor de Pólos Lisos ou Interiores
Extremidade com os anéis coletores
Extremidade com as cabeças de ç
bobina
16 – A máquina síncrona — construção 21
Ci it M éti E it ã (R t )Circuito Magnético — Excitação (Rotor)
• Rotor de pólos lisos • Rotor de pólos salientes
 f (Wb): fluxo de excitação produzido pela corrente contínua do f (Wb): fluxo de excitação produzido pela corrente contínua do 
rotor
Ff (A·espira): força magnetomotriz de excitação
 INkF ffe4 (2 ú d l )
Ff (A espira): força magnetomotriz de excitação
 pF
ff
2f  (2p  número de polos)
16 – A máquina síncrona — construção 22
Princípio de Funcionamento (1)Princípio de Funcionamento (1)
E t t did t d l t d f• Estrutura expandida mostrando apenas enrolamento da fase a e com 
face do polo sobre a bobina de estator
 s
16 – A máquina síncrona — construção 23
Princípio de Funcionamento (1)Princípio de Funcionamento (1)
• Operação desprezando dispersão e resistência do enrolamento de estator, 
supondo corrente e tensão em fase no estator (carga resistiva)
MagnetizaçãoMagnetização
em quadratura
 
Condição de tensão máxima induzida na bobina
A corrente na bobina de estator não interfere em f porém produz
 s
A corrente na bobina de estator não interfere em f, porém produz 
distorção do fluxo nas faces polares
O torque é produzido pela interação entre fluxo e corrente (neste caso, 
à di ã d ã )oposto à direção de rotação)
A distorção de fluxo é evidência da conversão de energia (neste caso, 
de mecânica para elétrica – operação como gerador)de mecânica para elétrica operação como gerador)
O rotor se move pela ação da máquina primária, portanto, a tensão 
gerada tem frequência dada pelo número de cabeças polares por 
d á d dsegundo que cortam a área dos condutores
Corrente e tensão são alternadas, mantendo o torque unidirecional
16 – A máquina síncrona — construção 24
Princípio de Funcionamento (1)Princípio de Funcionamento (1)
Magnetização
em quadratura
 s
Diagrama incluindo a distorção g ç
de fluxo
16 – A máquina síncrona — construção 25
Princípio de Funcionamento (2)Princípio de Funcionamento (2)
E t t did t d l t d f• Estrutura expandida mostrando apenas enrolamento da fase a e com 
face do polo no centro da bobina
 s
16 – A máquina síncrona — construção 26
Princípio de Funcionamento (2)Princípio de Funcionamento (2)
• Novamente, a análise despreza dispersão e resistência do enrolamento de 
estator, contudo, supondo corrente defasada de 90º da tensão de estator
M i ãMagnetização
direta
C di d á i b bi ( i â l )
 s
Condição de corrente máxima na bobina (tensão instantânea nula)
A corrente na bobina de estator não distorce o fluxo nas faces polares, 
contudo reduz a magnetização (reduz f)contudo reduz a magnetização (reduz f)Neste caso o torque é nulo
Ampères-espiras de estator e de rotor estão em oposição, resultando 
d d fl l d f l i dredução do fluxo total e da força eletromotriz gerada
Com a oposição das forças magnetomotrizes de estator e de rotor, não 
há potência mecânica o que concordacom a condição de fator dehá potência mecânica, o que concorda com a condição de fator de 
potência nulo
16 – A máquina síncrona — construção 27
Princípio de Funcionamento (2)Princípio de Funcionamento (2)
Magnetização
direta
Di f i l
 s
Diagrama fasorial
Em geral, a máquina trabalha em uma condição intermediária entre aEm geral, a máquina trabalha em uma condição intermediária entre a 
magnetização em quadratura e a magnetização direta
16 – A máquina síncrona — construção 28
Relação de Forças MagnetomotrizesRelação de Forças Magnetomotrizes
• Estrutura do estator e do rotor

Tensão gerada no estator Torque (ponto de vista do campo)
 FRR FpT  sen2 f2 faf 2  aaNkfE 
F é d id l t d d ( i tFe é produzida pela corrente de armadura (campo girante —
transparências 12 e 13)
16 – A máquina síncrona — construção 29
Exemplo 16.1. Um gerador síncrono trifásico de 60 Hz, dois polos, 
li d Y t l t d N 68 iligado em Y tem um enrolamento de campo com Nf = 68 espiras 
distribuídas e fator de enrolamento kf = 0,945. O enrolamento de 
d ( t t ) t N 18 i é i f f t darmadura (estator) tem Na = 18 espiras em série por fase e fator de 
enrolamento ka = 0,933. Dado o raio do cilindro rotórico r = 53 cm, o 
comprimento do entreferro g = 4 5 cm o comprimento da máquinacomprimento do entreferro g = 4,5 cm, o comprimento da máquina 
l = 3,8 m e a velocidade de acionamento de 3600 rpm, (a) calcule a 
força magneto motriz fundamental de pico produzida pelo enrolamentoforça magneto-motriz fundamental de pico produzida pelo enrolamento 
de campo no entreferro, para uma corrente de excitação If = 720 A; 
(b) calcule a indução de pico no entreferro; (c) calcule o fluxo por polo(b) calcule a indução de pico no entreferro; (c) calcule o fluxo por polo 
da máquina; (d) calcule o valor eficaz da tensão gerada em circuito 
aberto.aberto.
16 – A máquina síncrona — construção 30
Exemplo 16.2. Uma máquina síncrona trifásica de dois polos tem rotor 
100 d i t 60 d diâ t O diâ t i tcom 100 cm de comprimento e 60 cm de diâmetro. O diâmetro interno 
do estator é de 61,2 cm. Considerando que estator e rotor produzem 
forças magnetomotrizes senoidais e que a indução de pico no entreferroforças magnetomotrizes senoidais e que a indução de pico no entreferro 
é de 1,0 T, calcule: (a) a força magneto-motriz fundamental de pico 
resultante no entreferro; (b) o fluxo magnético por polo no entreferro;resultante no entreferro; (b) o fluxo magnético por polo no entreferro; 
(c) a energia magnética total armazenada no entreferro.
Respostas: (a) 9550 A·esp; (b) 0,6 Wb; (c) 450 J.
Exemplo 16.3. A máquina síncrona trifásica do exemplo anterior tem 
estator re-enrolado para quatro polos Considerando uma mesmaestator re enrolado para quatro polos. Considerando uma mesma 
indução de pico no entreferro de 1,0 T, recalcule os itens de (a) até (c).
R ( ) 9550 A (b) 0 3 Wb ( ) 900 JRespostas: (a) 9550 A·esp; (b) 0,3 Wb; (c) 900 J.
16 – A máquina síncrona — construção 31
Exemplo 16 4 Considere as condições de operação mostradas nasExemplo 16.4. Considere as condições de operação mostradas nas 
figuras a seguir. (i) Indique se há distorção de fluxo. (ii) Indique se há 
torque e qual a sua direção (iii) A máquina opera como motor outorque e qual a sua direção. (iii) A máquina opera como motor ou 
gerador? (iv) Considerando que 100 cabeças polares passam na área 
limitada pela bobina de estator a cada segundo qual a frequência delimitada pela bobina de estator a cada segundo, qual a frequência de 
operação da máquina? (v) Esboce o diagrama fasorial.
Entregar na g
segunda 14/05.