Tema 5_A maquina Sincrona_Alternador trifasico_Parte 1

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A MAQUINA SÍNCRONA TRIFÁSICA
Alternador Trifásico (Gerador 
Síncrono Trifásico)
Zefanias Mabote
Novembro 2021
Escola Superior de Ciencias Nauticas - Março/21 - ZMabote
ALTERNADOR TRIFÁSICO (GERADOR 
SÍNCRONO TRIFÁSICO)
Generalidades
Definição: Máquinas rotativas que giram à velocidade de sincronismo, ou seja à 
velocidade do Campo Girante.
Velocidade de sincronismo – velocidade que resulta da expressão: 
P
f
ns
120

São a principal fonte de energia eléctrica no mundo, convertendo energia
mecânica em eléctrica desde uma fracção de kVA até cerca de 1500 MVA. O seu
estátor é idêntico às máquinas de indução. Possuem um enrolamento distribuído
trifásico agrupado por pares de pólos.
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A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Normalmente, o indutor está no rotor e pode ser constituído por
ímanes permanentes ou electromagnetes DC. O n.º de pólos é igual
ao n.º de conjuntos de enrolamentos do estátor.
Fig 1. Geração de energia eléctrica a partir de um gerador síncrono
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Generalidades
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Generalidades
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A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Numa máquina síncrona trifásica – alternador trifásico – circula
corrente da armadura no estator e alimenta-se o rotor com corrente
contínua.
Podem operar em paralelo, pois aumentam a fiabilidade de um
sistema de potência. São elevadas as vantagens económicas de
custos de operação.
O funcionamento em paralelo com a rede também permite a
paragem programada de máquinas para a manutenção.
Disposição do induzido (Fixo)
Vantagens do induzido fixo
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A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
O circuito da armadura é distribuído formando um circuito
trifásico percorrido por corrente alternada. É nestes
enrolamentos onde se induz a tensão.
Portanto, o campo está no rotor e a armadura, no estator.
Menor nível de isolamento (anéis e escovas dimensionados para menores
correntes e tensões).
Maior facilidade de ligação ao exterior.
Possibilidade de geração de electricidade a níveis de tensão superiores.
Fig. 2. Gerador síncrono elementar
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Principio de Funcionamento
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
fNNE  2
fNkfNkE  44.42
 2f
120Pnf s
Para um enrolamento distribuído será então:
sendo k , factor do enrolamento (dependem da forma construtiva da maquina).
A frequência da tensão induzida é dada por
ou
se n for a velocidade do motor em rpm.
Força electromotriz induzida
para um enrolamento concentrado.
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A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Constituição
Indutor, Induzido, Excitatriz
Campo indutor
Três métodos de excitação
 Excitação separada, (alimentação através de anéis no rótor)
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A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Excitatriz sem escovas (brushless) – máquinas potentes
Alternador de indutor fixo (estátor) e induzido móvel (rótor, trifásico).
Rectificação por díodos ou tirístores que produzem corrente contínua para o
indutor da máquina síncrona.
Excitatriz (gerador DC) – máquinas de pequena potência
Colocada no mesmo veio da máquina síncrona. O comutador alimenta os
anéis da máq. Síncrona.
Rotor. Pólos salientes (eixo vertical – diâmetro maior – menor 
comprimento do eixo)
Usam-se em máquinas de baixa velocidade e grande n.º de pólos, ate 100
pólos (centrais hidroeléctricas por exemplo)
Fig. 3. Rotor de pólos salientes com excitação brushless.
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A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
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Rotor. Pólos lisos (eixo horizontal - 5 a 6 m de comprimento)
Usam-se em máquinas de alta velocidade (2 ou 4 pólos)
 Turbinas de gás ou vapor (turbinas térmicas de turbo alternadores, 3000
rpm a 1500 rpm)
 Turbinas hidráulicas Pelton 375 rpm, Kaplan 100 rpm e Francis 150 rpm
(hidroeléctricas)
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
A Maquina Síncrona. Alternador trifásico
Fig. 4. Sistema de excitatriz com gerador DC.
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Sistemas de excitação
Fig. 5. Sistema de excitação brushless (sem escovas) ou electrónica.
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Sistemas de excitação
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Problemas da excitação com escovas
 Exigem maior manutenção na maquina devido ao seu desgaste.
 As escovas podem provocar grandes quedas de tensão e perdas de
potência nas maquinas com grandes correntes de campo.
 Utiliza-se em quase todas as maquinas síncronas pequenas visto que
nenhum outro método é adequado devido ao custo.
Excitação sem escovas
 Utilizam-se para maquinas de grande potência.
Um excitador sem escovas é um gerador de CA pequeno, cujo circuito do
campo esta montado no estator e o seu circuito da armadura montado no eixo
da maquina.
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A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Enrolamentos amortecedores (conferem estabilidade a máquina)
Enrolamentos em gaiola de esquilo colocados nos pólos. Em condições
normais, não transportam corrente. Quando ocorrem mudanças bruscas na
carga, a velocidade do rotor começa a flutuar, produzindo variações de
fluxo. Começam a circular correntes elevadas que produzem forças
contrárias e amortecem as variações de velocidade.
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Fig. 6. Enrolamento amortecedor
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
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Com base nos resultados do ensaio em vazio e de curto-circuito pode-se
determinar impedância síncrona do alternador saturada e não saturada.
22
as
sc
occ
s RX
I
V
Z 
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Característica em vazio (circuito aberto)
O alternador é levado até a velocidade nominal enquanto o circuito da
armadura é mantido aberto (sem carga). Varia-se a corrente de excitação e
faz a leitura dos valores da tensão terminal.
Característica de curto-circuito
O alternador é levado a velocidade de sincronismo por meio do motor
primário.
Com os terminais da armadura em curto-circuito, varia-se a corrente de
excitação e faz-se a leitura da corrente da armadura.
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Ensaio em vazio e de curto-circuito
Fig. 7. Ensaio em vazio e de curto-circuito
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Fig.8. Característica em vazio e em curto-circuito
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A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
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Fig. 9. Ensaio com carga puramente indutiva (factor de potência nulo).
Ensaio com carga puramente indutiva
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Fig. 10. Característica externa e de regulação
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Características em carga
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Circuito equivalente
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Fig. 11. Circuito equivalente de 
um alternador trifásico.
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
Fig. 12. Diagrama vectorial 
para 
carga resistiva, indutiva e 
capacitiva.
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Carga 
resistiva
Carga 
indutiva
Carga 
capacitiva
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Característica angular de potência e torque
O alternador é normalmente conectado a um barramento infinito e operando
com velocidade constante. Existe um limite de potência que o alternador pode
fornecer sem que perca o sincronismo.
As expressõesanalíticas da potência transferida entre a maquina e a rede no
regime permanente são obtidas a partir da tensão do barramento, tensão
induzida pela maquina e os parâmetros da maquina.
Assim:
   
ss
f
ss
f
s
f
aa
Z
V
Z
E
Z
V
Z
E
Z
VE
ImasIVS
**
**
3
A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
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  





 
ss
f
Z
V
Z
VE
S
2
3
Desprezando a resistência do estator e ϕ=90ᵒ, logo:ss XZ 
s
f
s
f
X
VE
PPsen
X
VE
P 3903 maxmax 

Característica angular de potência e torque
  





  coscos3
2
ss
f
Z
V
Z
VE
P
  





  sen
Z
V
sen
Z
VE
Q
ss
f
2
3







ss
f
Z
V
X
VE
Q
2
cos3 
Onde:
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Característica angular de potência e torque
Sendo as perdas no estator nulas, então, a potência induzida é igual a
potência desenvolvida pela maquina.
Assim, o torque desenvolvido será:


sen
X
VEP
T
ss
f
s
3
sss
f P
X
VE
T

 maxmax 390 

A Máquina Síncrona. Alternador trifásico
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Característica angular de potência e torque
A potência e o torque variam sinusoidalmente com o ângulo de potência (δ).
A máquina pode ser carregada até a potência e torque máximos que é
conhecido como limite de estabilidade estática. A máquina perde o sincronismo
se δ > 90ᵒ.
Fig. 13. Característica angular de potência e torque
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FIM
OBRIGADO PELA ATENÇÃO!