Maq Sincronas - Cap 6

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CAPÍTULO 6 - MOTOR SÍNCRONO 
 
 
6.1 CARACTERÍSTICAS 
 
• Alto rendimento 
• Velocidade constante (depende da freqüência da rede) 
• Não tem torque de partida, o que exige um meio auxiliar de aceleração para então, 
próximo da (ou na) velocidade síncrona, ser ligado à rede. 
• Exige excitação por corrente contínua, normalmente no rotor 
• Permite a variação do FP 
• Normalmente é de polos salientes 
• Em carga sujeita a súbitas variações, para se evitar oscilações do motor usa-se o 
enrolamento amortecedor na construção do rotor (gaiola de esquilo), que é usado também 
para a partida do motor. 
 
 
Fig. 6.1 – Polo de uma máquina síncrona mostrando enrolamento amortecedor. (Fonte: Kosow [1], p.231) 
 
Obs: 
No GERADOR, o enrolamento amortecedor melhora a estabilidade da máquina, isto é, a 
máquina fica mais rígida e com menos oscilação (o transitório é diminuído). A corrente de 
curto-circuito fica aumentada. O enrolamento amortecedor é responsável pelo período 
subtransitório da máquina síncrona. 
 
 
6.2 - MOTOR SÍNCRONO – PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO 
 
Vamos supor inicialmente o motor em repouso. Alimentando o enrolamento de campo 
(montado no rotor) criam-se distribuições espaciais senoidais de fluxo magnético sob as 
sapatas polares, distribuição estas que são estáticas (não variáveis no tempo). Alimentando-se 
o enrolamento trifásico da armadura (montado no estator) com 3 correntes alternadas 
defasadas de 120° elétricos no tempo, cria-se o campo girante. O campo girante é uma 
distribuição espacial senoidal de fluxo magnético que viaja ao longo do entreferro com 
velocidade síncrona de n = 120f/P rotações por minuto. Vai então ocorrer uma interação 
campo do rotor – campo girante do estator. Num dado instante tem-se a seguinte 
situação mostrada esquematicamente a seguir. 
 
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Os polos sul do estator repelem os polos sul do rotor e os polos norte do estator atraem 
os polos sul do rotor e vice-versa. Resulta em duas componentes de força sobre o rotor: uma 
radial, de deformação e outra tangencial no sentido do campo girante do estator. O motor 
inicia um movimento no sentido do campo girante. Um pequeno tempo depois haverá a 
seguinte nova situação: 
 
Nesta nova situação a componente tangencial da força sobre o rotor tem sentido oposto 
ao do campo girante. Como se vê o valor médio da força tangencial atuante no rotor é nula e, 
em conseqüência, o motor síncrono não tem torque de partida próprio. É preciso montar um 
método auxiliar para a partida do motor síncrono. Nos motores de pequeno porte e médio 
porte emprega-se uma gaiola de esquilo para a partida do motor. Ranhuras paralelas ao eixo 
são rasgadas nas sapatas polares do rotor e dentro dessas ranhuras são alojadas barras 
condutoras, normalmente de latão. Todas essas barras axiais são interligadas nas suas 
extremidades do rotor formando uma gaiola cilíndrica (squirrel cage – gaiola de esquilo). 
 
O processo de partida do motor síncrono se dá com descrito a seguir: 
Sem carga mecânica acoplada ao eixo do motor e com o enrolamento de campo 
desenergizado, liga-se a armadura trifásica a uma rede trifásica. Cria-se assim um campo 
girante do estator. O campo girante tem velocidade n = 120f/P (rpm) em relação ao rotor 
(inicialmente em repouso) induzindo tensões nas barras da gaiola. Como a gaiola é 
curtocircuitada nas duas extremidades, nela aparece corrente elétrica e força magnética (as 
barras da gaiola estão com corrente dentro do campo magnético girante). O motor síncrono 
parte como se fosse um motor de indução assíncrono e acelera até atingir uma velocidade 
ligeiramente inferior a do campo girante. Neste instante energiza-se o enrolamento de campo. 
Quando o torque de interação campo girante – campo do rotor tiver o mesmo sentido 
do campo girante ocorre o chamado agarramento magnético dos polos e o motor sincroniza, 
isto é, ele passa a girar com a mesma velocidade do campo girante. Após o sincronismo o 
rotor gaiola fica eletromagneticamente neutro (não há mais velocidade relativa gaiola - campo 
girante, logo não há tensão induzida e corrente na gaiola). 
Após o sincronismo o motor síncrono pode ser carregado. O agarramento magnético 
ocorre porque, sendo pequena a velocidade relativa rotor campo girante, é grande o tempo de 
atuação do torque motor campo girante – campo do rotor, o que permite ao rotor ganhar a 
pequena velocidade do campo girante. 
 
Obs: Torque Nulo: 
 
 
 
Rotor parado: 
 
t1: polo N do rotor atraído por 
um polo S do campo do estator 
que se aproxima (T sentido anti-
horário). 
 
t2: [seguinte] o mesmo polo N é 
atraído no sentido oposto por um 
polo passante (T sentido anti-
horário). 
 
? Tlíquido é NULO. 
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6.3 APLICAÇÕES 
 
 
Fig. 6.2 – Áreas de aplicação genéricas dos motores síncronos e de indução. (Fonte: Del Toro [2], p.251) 
 
6.4 DIAGRAMA FASORIAL E CIRCUITO EQUIVALENTE DO MOTOR SÍNCRONO 
 
O motor síncrono é semelhante ao gerador síncrono em todos os aspectos, porém a 
direção do fluxo de potência é invertida. Deste modo, pode-se deduzir que a direção da 
corrente que circula no motor também é invertida em relação ao gerador. Assim, o circuito 
equivalente do motor é exatamente igual ao do gerador, exceto pela direção da corrente Ia. O 
circuito equivalente (por fase) é mostrado na Fig. 6.3. As três fases podem ser conectadas em 
triângulo ou estrela. Devido à mudança de direção de Ia, a lei das tensões de Kirchhoff 
também muda. Reescrevendo as equações para o novo circuito equivalente temos 
Vt = Ef + jXSIa + IaRa ou Ef = Vf - jXSIa - IaRa. 
 
O diagrama fasorial correspondente à operação como motor é mostrado na Fig. 6.4. O 
vetor jXSIa tem direção de Ef para Vt, esta direção contrária é justificada pela direção contrária 
de Ia na definição do circuito equivalente do motor. A diferença básica entre o motor e o 
gerador pode ser observada no diagrama fasorial da máquina. A tensão de excitação ( Ef ) 
está atrasada em relação à tensão de barramento ( Vt ). Na Fig. 6.4 a corrente está 
adiantada em relação a Vt, assim, a potência reativa está sendo fornecida pelo motor. 
No motor a direção do torque induzido é na direção do movimento, no gerador o torque 
induzido é oposto à direção do movimento. 
 
 
 
Fig. 6.3 – O circuito equivalente do motor 
síncrono está à direita dos terminais ab 
 
= + ∴ = −f ft ta s a sV E jI x E V jI x 
 
 
Fig. 6.4 – Diagrama fasorial do motor 
síncrono (superexcitado) 
 
A Fig. 6-5 mostra corrente atrasada em relação a Vt em um motor de polos salientes, 
neste caso, a potência reativa está sendo absorvida pelo motor. 
 
OB’ = E = Va - RaIa - jXqIa 
 
Ef = Va - raIa - jxdId - jxqIq 
CV 
rpm
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Fig. 6.5 – Diagrama fasorial para motor síncrono de polos salientes (sub-excitado) 
 
6.5 OPERAÇÃO DO MOTOR SÍNCRONO EM REGIME PERMANENTE 
 
6.5.1 O Efeito de Mudanças de Carga em um Motor Síncrono 
 
Considere um motor síncrono que opera primeiramente com fator de potência 
adiantado, como mostrado na Fig. 6.6. Se a carga no eixo do motor é aumentada, o rotor, 
inicialmente, reduzirá a velocidade. O ângulo de torque δ torna-se maior, e o torque induzido 
aumenta. O aumento do torque induzido aumenta a velocidade do rotor, e o motor novamente 
volta à velocidade síncrona, mas com um ângulo de torque δ maior. 
A Fig. 6.6a mostra o diagrama fasorial do motor antes da mudança de carga. A tensão 
gerada interna EA é igual a Kφω e assim depende só do campo magnético e da velocidade da 
máquina. A velocidade é mantida constante pela fonte de alimentaçãoe a corrente de campo é 
constante. Então, |EA| deve ser constante com as mudanças de carga (observar arco de círculo 
na figura). As distâncias proporcionais da potência (EA.senδ e IA.cosθ) aumentarão, mas a 
magnitude de EA tem que permanecer constante. Com os aumentos de carga, EA se modifica 
da maneira mostrada na Fig. 6.6b. Como a modificação de EA, a quantidade jXSIA tem que 
aumentar para alcançar a diferença de EA para Vφ e então a corrente IA também aumenta. O 
fator de potência se modifica, ficando então cada vez mais atrasado. 
 
Figura 6.6 - (a) Diagrama Fasorial do Motor Síncrono (b) Efeito do Acréscimo de Carga 
no Diagrama Fasorial 
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6.5.2 O Efeito de Mudanças de Corrente de Campo um Motor Síncrono 
 
A Figura 6.7a mostra um motor síncrono que opera inicialmente com fator de potência 
atrasado. Note que um acréscimo no campo aumenta a magnitude de EA, mas não afeta a 
potência real provida pelo motor (a potência absorvida pelo motor muda apenas quando o 
torque na carga muda). Desde que uma mudança em IF não afeta a velocidade do eixo nM e 
que a carga permaneça inalterada, a potência absorvida ficará inalterada. Claro que, Vφ 
também é mantido constante pela fonte de alimentação do motor. A distância proporcional da 
potência real mostrada no diagrama fasorial (EA.senδ e IA.cosθ) deve ser, então, constante. 
Quando a corrente de campo aumenta, EA tem que aumentar, mas só pode fazer isso 
deslizando ao longo da linha de potência constante. Este efeito é mostrado na Fig. 6.7b. 
 
 
Figura 6.7 - Diagrama Fasorial do Motor Síncrono (b) Efeito do acréscimo de corrente de 
campo no Diagrama Fasorial com Potência ativa constante 
 
Note que conforme o valor de EA aumenta, a magnitude da corrente de armadura IA 
primeiro diminui e então aumenta novamente. Para baixos EA, a corrente de armadura se 
atrasa, e o motor é uma carga indutiva, age como uma combinação de indutor-resistor, 
consumindo potência reativa Q. Quando o campo é aumentada, a corrente da armadura pode, 
eventualmente, fazer com que EA = Vφ, e o motor parece puramente resistivo. Se a corrente de 
campo é ainda mais aumentada, a corrente de armadura torna-se adiantada, e o motor se 
torna uma carga capacitiva. Está agindo, agora, como uma combinação de condensador-
resistor, consumindo reativos negativos -Q ou, alternativamente, suprindo potência reativa Q 
para o sistema. Um gráfico de IA contra IF para uma máquina síncrona é mostrado na Fig. 6.8. 
Tal gráfico é chamado de curva V de um motor síncrono, pela razão óbvia que é moldado como 
a letra V. 
 
 
6.5.3 CONTROLE DO FATOR DE POTÊNCIA 
 
A curva “V” mostra a relação entre a corrente de armadura e a corrente de campo para 
tensão terminal e carga no eixo constantes. Uma família dessas curvas é mostrada na Fig. 6.8 
a seguir. 
Observe que conforme a carga varia, para que o mesmo FP seja mantido constante, If 
deve ter seu valor alterado. As curvas atingem seu valor mínimo com FP = 1, aumentando 
conforme o FP decresce. As curvas tracejadas são as curvas compostas do motor síncrono, que 
mostram que If deve ser alterada com a variação da carga para manter o FP constante. São 
semelhantes às curvas compostas do gerador (Ver 5.5). Deve ser notada a troca dos eixos e 
que se não fosse pelos pequenos efeitos da Ra, as curvas compostas do GERADOR e do MOTOR 
seriam idênticas, exceto que as curvas de FP indutivo e capacitivo seriam trocadas. 
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Fig. 6.8 – Família de curvas V para um motor síncrono. (Fonte: Kosow [1], p.252) 
 
A verificação se a componente reativa de Ia deve ser adiantada ou atrasada é mostrada 
na Fig. 6.9 a seguir. (observar também a Fig. 6.7). 
 
 
 
 
Fig. 6.9 –Efeito da variação da excitação no fator de potência 
 
Problema resolvido 6.19 Nasar página 144: 
Motor síncrono, rotor liso, trifásico, 2300 V, Y, Xs = 3 Ω/fase, Ra = 0,25 Ω/fase. 
Carga tal que o δ = -15º. Excitação ajustada de modo que |Ef| = |Vt|. 
Determine: (a) Corrente de armadura e (b) FP 
 
 
 
 
 
SOBRE-EXCITAÇÃO 
Normalmente 
excitada
Q gerada Q consumida
SUBEXCITAÇÃO
Ef’ Ef
Ef”
Vt
Local. 
de Ef 
Ef senδ=cte
Ia cosφ=cte 
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6.6 PARTIDA DO MOTOR SÍNCRONO 
 
6.6.1 - Introdução 
 
Existem vários métodos de partida, dependendo da capacidade do motor e dos recursos 
disponíveis. 
Na partida, o enrolamento de campo deve estar desenergizado (por quê?). Para se 
evitar que o campo girante de estator, que gira rapidamente, induza tensões extremamente 
elevadas nas muitas espiras do enrolamento de campo, comprometendo a sua isolação, 
costuma-se curto-circuitar (ou ligá-lo em paralelo a resistências) o enrolamento de campo na 
partida. Neste caso, ele passa a funcionar como uma espécie de gaiola. 
 
 
6.6.2 - Métodos 
 
Tal como já foi afirmado, um motor síncrono não possui torque de partida. Um dos 
métodos a seguir tem que ser usado para levá-lo à velocidade de sincronismo: 
 
1. Partida com enrolamentos amortecedores: partida como motor de indução (em 
primeiro lugar abre-se o campo). É o mais comum. Neste caso, não deve se alimentar o 
indutor até que a velocidade alcançada seja máxima, devendo para isso estar sem carga. 
Ao alimentar então o indutor, o torque oscilante criado provocará o salto para o 
sincronismo, podendo a partir dai acrescentar-se carga ao eixo. Em motores grandes, 
torna-se necessário o uso de métodos para diminuir a corrente de partida (os mesmos 
usados para motores de indução). 
 
2. Através de um motor de arranque externo, e procedendo tal como se de um gerador se 
tratasse, com todas as cautelas necessárias ao paralelo. Após estar interligado, pode-se 
desligar o motor de arranque passando a máquina síncrona a consumir potência elétrica 
para manter a velocidade. 
2.1. Partida com máquina de corrente contínua acoplada no eixo: adequada quando o 
motor síncrono não tem enrolamento amortecedor e é usado como uma máquina 
primária para um gerador de corrente contínua, que na partida, funciona como motor; 
(depois de estar o motor síncrono “sincronizado” reforça-se o campo da máquina CC 
para que a mesma passe a gerador.) 
 
2.2. Partida com a excitatriz: se a excitatriz do motor síncrono é um gerador de corrente 
contínua acoplado ao seu eixo, pode ser usada, como motor, para acioná-lo na partida; 
 
2.3. - Partida com motor de indução: o motor, de pequena capacidade, deve ter no mínimo 
um par de polos a menos que o motor síncrono. 
 
Observação: Os métodos anteriores podem ser usados quando: 
a) O motor síncrono está vazio ou com pequena carga; 
b) Os motores auxiliares possuam pelo menos de 5 a 10% da potência nominal do 
motor síncrono. 
 
3. Reduzir a velocidade de sincronismo para valores suficientemente baixos para que o torque 
oscilante consiga arrancar o motor. Isto pode ser feito com um conversor de freqüência. 
 
4. Partida com rotor bobinado: é adequado para partidas com cargas elevadas. Usa no rotor, 
além do enrolamento de campo, um enrolamento amortecedor bobinado (rotor tipo 
simplex). Possui cinco anéis coletores, dois para o campo e três para permitir a inserção de 
resistências externas no circuito do enrolamento amortecedor (ver método de partida do 
motor de indução com rotor bobinado). 
 
5. Outros: enrolamento de campo funcionando como gaiola, motor diesel, etc. 
 
 
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6.7 USO DO MOTOR SÍNCRONO COMO CORRETOR DO FATOR DE POTÊNCIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 6.10 – 
 
Exemplo 8-5 do kosow, p.264Fábrica: 2000 kW, FP = 0,6 em atraso, V = 6000 V 
Novo setor: conjunto motor-gerador 750 kW 
OPÇÃO 1: M. síncrono 1000 HP, 6000 V, FP = 0,8 avanço, η = 92 % (plena carga) 
OPÇÃO 2: M. de indução 1000 HP, 6000 V, FP = 0,8 atraso, η = 92 % (plena carga) 
Calcular: 
a) A corrente de carga e FP totais, utilizando motor de indução; 
b) A corrente de carga e FP totais, utilizando motor síncrono; 
c) A redução percentual de corrente de carga produzida, utilizando (b) como percentagem de (a); 
d) A melhora do FP total 
Carga 
L 
M.S. 
3f~ 
Vt (barramento) [fase] 
Im 
IL 
IT 
Im 
IL 
IT 
Im senθm
IL senθL
θm
θL
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6.8 CAPACIDADE DE MOTORES SÍNCRONOS 
 
Alguns motores síncronos existentes em plantas industriais são usados sobreexcitados 
como uma importante ferramenta de correção do fator de potência e também para aumento 
do torque disponível no eixo. Entretanto, o funcionando um motor síncrono sobreexcitado 
requer uma alta corrente de campo (e fluxo), o que pode causar significativo aquecimento no 
rotor. Um operador deve tomar cuidado para não sobreaquecer os enrolamentos do campo, 
excedendo a sua corrente de campo. 
 
As capacidades normalizadas são 
FP = 1 
FP = 0,9 avanço 
FP = 0,8 avanço (maior) 
 
 
Exemplo: 
 
MS de 100 HP com FP = 1,0 tem 80% da capacidade de corrente Ia de um MS de 
100 HP e FP = 0,8 
 
P = 100 HP = constante 
 
P V I A= 3 φ θcos 
 
3
sen [ ]t f
S
V E
P W
X
δ= 
 
Ambos entregarão 100 HP no eixo, mas o de FP =0,8 poderá se utilizado para correção do FP. 
 
 
 
Motor com FP=1 operando como sobre-excitado: 
- A capacidade em HP do motor diminui (vide curvas “V”) 
cos constanteAI θ⇔ =
sen constantefE δ⇔ =
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6.9 COMPENSADORES (CAPACITORES) SÍNCRONOS 
 
• Motores síncronos projetados exclusivamente para correção do FP e para serem 
operados sem carga 
• Construídos sem qualquer extensão dos eixos 
 
 
Fig. 6.11 – Diagrama fasorial do motor síncrono em vazio, com sobre-excitação 
 
• Sobre-excitados, sem carga, produzem Ia elevada, praticamente a 90º em relação à 
tensão (fase) do barramento. 
• Para capacidades e tensões elevadas os “capacitores síncronos” podem ser mais 
econômicos que os capacitores fixos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Bibliografia: 
[1] I. L. Kosow, Máquinas Elétricas Transformadores. Rio de Janeiro: Globo, 5a edição, 1985. 
[2] V. Del Toro, Fundamentos de Máquinas Elétricas. LTC Editora – 1ª edição, 1994. 
[3] A. E. Fitzgerald, C. Kingsley Jr. e A. Kusko. Máquinas Elétricas. São Paulo: Ed. McGraw-Hill 
do Brasil, 1975. 
[4] P. C. Sen, Principles of Electric Machines and Power Electronics. EUA: Jonh Wiley & Sons, 
1989. 
[5] A. G. Falcone, Eletromecânica, volume 1 e 2, Ed. Edgard Blucher Ltda, 1981, SP. 
[6] S. A. Nasar, Electric Machines and Power Systems: Vol. 1, Electric Machines. EUA: 
McGraw-Hill (IE), 1995. 
[7] S. A. Nasar, Máquinas Elétricas. São Paulo: Ed. McGraw-Hill (Schaum).