Aula_14

•
UFJF

Jurandir Oliveira
02/11/2022
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Planejamento e Operação de Sistemas Elétricos

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ENE059
Prof.
Alexandre H.
Anzai
Aula 14
Sis. Exc. M. S.
Contr. e
Proteç.
ENE059 - Operação de sistemas elétricos de potência
Aula 14 - Sistemas de excitação de máquinas śıncronas.
Prof. Alexandre Haruiti Anzai
alexandre.anzai@engenharia.ufjf.br
09 de outubro de 2019
Prof. Alexandre H. Anzai (UFJF) ENE059 09 de outubro de 2019 1 / 14
ENE059
Prof.
Alexandre H.
Anzai
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Sis. Exc. M. S.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas.
1 Sistemas de excitação de máquinas śıncronas.
2 Sistemas de excitação de máquinas śıncronas.
3 Funções de controle e proteção.
Prof. Alexandre H. Anzai (UFJF) ENE059 09 de outubro de 2019 2 / 14
ENE059
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Alexandre H.
Anzai
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas.
Sistemas de excitação de máquinas śıncronas.
1 Sistemas de excitação de máquinas śıncronas.
2 Sistemas de excitação de máquinas śıncronas.
Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação estáticos
3 Funções de controle e proteção.
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC.
Os sistemas de excitação dessa categoria utilizam como fonte principal de alimentação,
geradores de corrente alternada associadas a conversores eletrônicos para retificação da
tensão para o circuito de campo;
O conversor eletrônico utilizado para retificar a sáıda da excitatriz AC pode ser do tipo
controlado ou não e podem ficar estacionários com o estator ou rodar junto ao eixo do rotor;
Os primeiros sistemas de excitação AC utilizavam uma combinação de amplificadores
magnéticos e rotativos como reguladores e a maioria dos sistemas de excitação mais
modernos usam amplificadores eletrônicos;
Desta forma é posśıvel se ter diversas configurações do sistema de excitação AC dependendo
de como é arranjado o conversor que faz a retificação da sáıda da excitatriz AC, do método
de controle da sáıda da excitatriz e da fonte de excitação para a excitatriz;
Em linhas gerais os sistemas de excitação AC podem ser divididos em duas categorias:
Sistemas com retificador estacionário em relação ao estator;
Sistemas com retificador rotativo em relação ao estator.
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC.
Os sistemas de excitação dessa categoria utilizam como fonte principal de alimentação,
geradores de corrente alternada associadas a conversores eletrônicos para retificação da
tensão para o circuito de campo;
O conversor eletrônico utilizado para retificar a sáıda da excitatriz AC pode ser do tipo
controlado ou não e podem ficar estacionários com o estator ou rodar junto ao eixo do rotor;
Os primeiros sistemas de excitação AC utilizavam uma combinação de amplificadores
magnéticos e rotativos como reguladores e a maioria dos sistemas de excitação mais
modernos usam amplificadores eletrônicos;
Desta forma é posśıvel se ter diversas configurações do sistema de excitação AC dependendo
de como é arranjado o conversor que faz a retificação da sáıda da excitatriz AC, do método
de controle da sáıda da excitatriz e da fonte de excitação para a excitatriz;
Em linhas gerais os sistemas de excitação AC podem ser divididos em duas categorias:
Sistemas com retificador estacionário em relação ao estator;
Sistemas com retificador rotativo em relação ao estator.
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
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Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC.
Os sistemas de excitação dessa categoria utilizam como fonte principal de alimentação,
geradores de corrente alternada associadas a conversores eletrônicos para retificação da
tensão para o circuito de campo;
O conversor eletrônico utilizado para retificar a sáıda da excitatriz AC pode ser do tipo
controlado ou não e podem ficar estacionários com o estator ou rodar junto ao eixo do rotor;
Os primeiros sistemas de excitação AC utilizavam uma combinação de amplificadores
magnéticos e rotativos como reguladores e a maioria dos sistemas de excitação mais
modernos usam amplificadores eletrônicos;
Desta forma é posśıvel se ter diversas configurações do sistema de excitação AC dependendo
de como é arranjado o conversor que faz a retificação da sáıda da excitatriz AC, do método
de controle da sáıda da excitatriz e da fonte de excitação para a excitatriz;
Em linhas gerais os sistemas de excitação AC podem ser divididos em duas categorias:
Sistemas com retificador estacionário em relação ao estator;
Sistemas com retificador rotativo em relação ao estator.
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Excit. AC
Excit. Esta.
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Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC.
Os sistemas de excitação dessa categoria utilizam como fonte principal de alimentação,
geradores de corrente alternada associadas a conversores eletrônicos para retificação da
tensão para o circuito de campo;
O conversor eletrônico utilizado para retificar a sáıda da excitatriz AC pode ser do tipo
controlado ou não e podem ficar estacionários com o estator ou rodar junto ao eixo do rotor;
Os primeiros sistemas de excitação AC utilizavam uma combinação de amplificadores
magnéticos e rotativos como reguladores e a maioria dos sistemas de excitação mais
modernos usam amplificadores eletrônicos;
Desta forma é posśıvel se ter diversas configurações do sistema de excitação AC dependendo
de como é arranjado o conversor que faz a retificação da sáıda da excitatriz AC, do método
de controle da sáıda da excitatriz e da fonte de excitação para a excitatriz;
Em linhas gerais os sistemas de excitação AC podem ser divididos em duas categorias:
Sistemas com retificador estacionário em relação ao estator;
Sistemas com retificador rotativo em relação ao estator.
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Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC.
Os sistemas de excitação dessa categoria utilizam como fonte principal de alimentação,
geradores de corrente alternada associadas a conversores eletrônicos para retificação da
tensão para o circuito de campo;
O conversor eletrônico utilizado para retificar a sáıda da excitatriz AC pode ser do tipo
controlado ou não e podem ficar estacionários com o estator ou rodar junto ao eixo do rotor;
Os primeiros sistemas de excitação AC utilizavam uma combinação de amplificadores
magnéticos e rotativos como reguladores e a maioria dos sistemas de excitação mais
modernos usam amplificadores eletrônicos;
Desta forma é posśıvel se ter diversas configurações do sistema de excitação AC dependendo
de como é arranjado o conversor que faz a retificação da sáıda da excitatriz AC, do método
de controle da sáıda da excitatriz e da fonte de excitação para a excitatriz;
Em linhas gerais os sistemas de excitação AC podem ser divididos em duas categorias:
Sistemas com retificador estacionário em relação ao estator;
Sistemas com retificador rotativo emrelação ao estator.
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Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC.
Os sistemas de excitação dessa categoria utilizam como fonte principal de alimentação,
geradores de corrente alternada associadas a conversores eletrônicos para retificação da
tensão para o circuito de campo;
O conversor eletrônico utilizado para retificar a sáıda da excitatriz AC pode ser do tipo
controlado ou não e podem ficar estacionários com o estator ou rodar junto ao eixo do rotor;
Os primeiros sistemas de excitação AC utilizavam uma combinação de amplificadores
magnéticos e rotativos como reguladores e a maioria dos sistemas de excitação mais
modernos usam amplificadores eletrônicos;
Desta forma é posśıvel se ter diversas configurações do sistema de excitação AC dependendo
de como é arranjado o conversor que faz a retificação da sáıda da excitatriz AC, do método
de controle da sáıda da excitatriz e da fonte de excitação para a excitatriz;
Em linhas gerais os sistemas de excitação AC podem ser divididos em duas categorias:
Sistemas com retificador estacionário em relação ao estator;
Sistemas com retificador rotativo em relação ao estator.
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śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC.
Os sistemas de excitação dessa categoria utilizam como fonte principal de alimentação,
geradores de corrente alternada associadas a conversores eletrônicos para retificação da
tensão para o circuito de campo;
O conversor eletrônico utilizado para retificar a sáıda da excitatriz AC pode ser do tipo
controlado ou não e podem ficar estacionários com o estator ou rodar junto ao eixo do rotor;
Os primeiros sistemas de excitação AC utilizavam uma combinação de amplificadores
magnéticos e rotativos como reguladores e a maioria dos sistemas de excitação mais
modernos usam amplificadores eletrônicos;
Desta forma é posśıvel se ter diversas configurações do sistema de excitação AC dependendo
de como é arranjado o conversor que faz a retificação da sáıda da excitatriz AC, do método
de controle da sáıda da excitatriz e da fonte de excitação para a excitatriz;
Em linhas gerais os sistemas de excitação AC podem ser divididos em duas categorias:
Sistemas com retificador estacionário em relação ao estator;
Sistemas com retificador rotativo em relação ao estator.
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC.
Os sistemas de excitação dessa categoria utilizam como fonte principal de alimentação,
geradores de corrente alternada associadas a conversores eletrônicos para retificação da
tensão para o circuito de campo;
O conversor eletrônico utilizado para retificar a sáıda da excitatriz AC pode ser do tipo
controlado ou não e podem ficar estacionários com o estator ou rodar junto ao eixo do rotor;
Os primeiros sistemas de excitação AC utilizavam uma combinação de amplificadores
magnéticos e rotativos como reguladores e a maioria dos sistemas de excitação mais
modernos usam amplificadores eletrônicos;
Desta forma é posśıvel se ter diversas configurações do sistema de excitação AC dependendo
de como é arranjado o conversor que faz a retificação da sáıda da excitatriz AC, do método
de controle da sáıda da excitatriz e da fonte de excitação para a excitatriz;
Em linhas gerais os sistemas de excitação AC podem ser divididos em duas categorias:
Sistemas com retificador estacionário em relação ao estator;
Sistemas com retificador rotativo em relação ao estator.
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Excit. AC
Excit. Esta.
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Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador estacionário.
−
+
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Îa
Rfd
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ω
Rfd1
Xfd1
V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador AC
referência DC
referência AC
entrada auxiliar
Nesta configuração o conversor retificador fica estacionário em relação ao estator da
máquina śıncrona;
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Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador estacionário.
−
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Rfd
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ω
Rfd1
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V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador AC
referência DC
referência AC
entrada auxiliar
Nesta configuração o conversor retificador fica estacionário em relação ao estator da
máquina śıncrona;
A sáıda do conversor alimenta o enrolamento de campo da máquina śıncrona através dos
anéis coletores;
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador estacionário.
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V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador AC
referência DC
referência AC
entrada auxiliar
Quando se utiliza conversores retificadores não controlados, o regulador controla o campo da
excitatriz AC que consequentemente controla a tensão terminal da excitatriz que então é
retificada para alimentar o circuito de campo da máquina śıncrona;
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador estacionário.
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+
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ω
Rfd1
Xfd1
V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador AC
referência DC
referência AC
entrada auxiliar
Um exemplo desta configuração pode ser visto na figura em que o rotor da excitatriz AC
gira junto com o eixo da máquina śıncrona, no exemplo a excitatriz possui um sistema de
auto-excitação que utiliza como fonte de potência o próprio circuito de armadura da mesma
através de um retificador controlado (tiristores)
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Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador estacionário.
−
+
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Rfd
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ω
Rfd1
Xfd1
V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador AC
referência DC
referência AC
entrada auxiliar
Uma outra configuração alternativa pode ser feita utilizando um retificador controlado
também na sáıda da excitatriz e neste caso o regulador controla diretamente a sáıda DC da
excitatriz pelo controle dos ângulos de disparo de condução dos tiristores;
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador estacionário.
−
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ω
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V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador AC
referência DC
referência AC
entrada auxiliar
Quando há um controle diretodo regulador no conversor a resposta do sistema de excitação
possui uma resposta mais rápida (baixas constantes de tempo)
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador estacionário.
−
+
Efd
Îa
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Xfd
ω
Rfd1
Xfd1
V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador AC
referência DC
referência AC
entrada auxiliar
Quando há um controle direto do regulador no conversor a resposta do sistema de excitação
possui uma resposta mais rápida (baixas constantes de tempo)
Um outro detalhe interessante é que nesta configuração, há dois modos de regulação
independentes, um DC e outro AC;
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Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador estacionário.
−
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Îa
Rfd
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ω
Rfd1
Xfd1
V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador AC
referência DC
referência AC
entrada auxiliar
O regulador AC tem como função manter a tensão terminal próxima do valor de referência e
o regulador DC tem como função manter a tensão do circuito de campo em seu valor de
referência. Em geral o regulador DC entra é manualmente colocado em operação quando o
regulador AC está defeituoso ou precisa ser desligado. As entradas auxilares no regulador AC
incluem funções adicionais de controle e proteção.
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador rotativo em relação ao estator.
S
−
+
N Efd
Îa
Rfd
Xfd
ωRfd1
Xfd1
Estrutura rotativa
V̂t
TP
TC
Regulador
controle manual
entrada auxiliar
Nesta configuração, não há a necessidade de anéis coletores ou escovas e a
sáıda DC do sistema de excitação alimenta diretamente o circuito de campo
da máquina śıncrona;
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador rotativo em relação ao estator.
S
−
+
N Efd
Îa
Rfd
Xfd
ωRfd1
Xfd1
Estrutura rotativa
V̂t
TP
TC
Regulador
controle manual
entrada auxiliar
A armadura da excitatriz AC e o retificador não controlado giram junto com o
rotor da máquina śıncrona;
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador rotativo em relação ao estator.
S
−
+
N Efd
Îa
Rfd
Xfd
ωRfd1
Xfd1
Estrutura rotativa
V̂t
TP
TC
Regulador
controle manual
entrada auxiliar
Uma pequena excitatriz piloto com imãs permanentes no rotor gira junto com
o eixo da máquina śıncrona e sua sáıda retificada alimenta o circuito de
campo da excitatriz AC;
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador rotativo em relação ao estator.
S
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N Efd
Îa
Rfd
Xfd
ωRfd1
Xfd1
Estrutura rotativa
V̂t
TP
TC
Regulador
controle manual
entrada auxiliar
O regulador de tensão, controla a alimentação do circuito de campo da
excitatriz AC e consequentemente controla a tensão terminal do gerador
principal.
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Excit. AC
Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador rotativo em relação ao estator.
S
−
+
N Efd
Îa
Rfd
Xfd
ωRfd1
Xfd1
Estrutura rotativa
V̂t
TP
TC
Regulador
controle manual
entrada auxiliar
Este sistema também é conhecido como sistema de excitação brushless e seu
desenvolvimento tinha como objetivo evitar problemas com o uso de escovas
quando o circuito de campo da máquina necessitava de altas correntes;
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Excit. Esta.
Contr. e
Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação AC.
Sistemas de excitação AC com retificador rotativo em relação ao estator.
S
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+
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ωRfd1
Xfd1
Estrutura rotativa
V̂t
TP
TC
Regulador
controle manual
entrada auxiliar
Uma desvantagem deste tipo é que ele não permite a medição direta da
corrente ou da tensão do circuito de campo.
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Proteç.
Sistemas de excitação de máquinas
śıncronas. Sistemas de excitação estáticos
Sistemas de excitação estáticos
Neste tipo de sistema de excitação todos os componentes são estáticos ou estacionários, não
possuindo partes girantes ou rotativas;
Retificadores estáticos controlados ou não, fornecem a corrente de campo diretamente ao
circuito de excitação da máquina śıncrona através dos anéis coletores;
A alimentação dos conversores retificadores é feita do próprio barramento terminal da
máquina śıncrona ou de uma barra auxiliar utilizando um transformador abaixador para
adequar os valores de tensão aos conversores;
Em alguns casos é posśıvel extrair essa alimentação de enrolamentos auxiliares da própria
máquina;
Em termos gerais existem três configurações para os sistemas de excitação estáticos em
utilização:
Fonte de tensão controlada;
Fonte de tensão e corrente combinadas;
Fonte de tensão e corrente combinadas controlada;
Considerando o escopo da disciplina, será feita uma descrição apenas do sistema com fonte
de tensão controlada;
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Sistemas de excitação estáticos
Neste tipo de sistema de excitação todos os componentes são estáticos ou estacionários, não
possuindo partes girantes ou rotativas;
Retificadores estáticos controlados ou não, fornecem a corrente de campo diretamente ao
circuito de excitação da máquina śıncrona através dos anéis coletores;
A alimentação dos conversores retificadores é feita do próprio barramento terminal da
máquina śıncrona ou de uma barra auxiliar utilizando um transformador abaixador para
adequar os valores de tensão aos conversores;
Em alguns casos é posśıvel extrair essa alimentação de enrolamentos auxiliares da própria
máquina;
Em termos gerais existem três configurações para os sistemas de excitação estáticos em
utilização:
Fonte de tensão controlada;
Fonte de tensão e corrente combinadas;
Fonte de tensão e corrente combinadas controlada;
Considerando o escopo da disciplina, será feita uma descrição apenas do sistema com fonte
de tensão controlada;
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Sistemas de excitação estáticos
Neste tipo de sistema de excitação todos os componentes são estáticos ou estacionários, não
possuindo partes girantes ou rotativas;
Retificadores estáticos controlados ou não, fornecem a corrente de campo diretamente ao
circuito de excitação da máquina śıncrona através dos anéis coletores;
A alimentação dos conversores retificadores é feita do próprio barramento terminal da
máquina śıncrona ou de uma barra auxiliar utilizando um transformador abaixador para
adequar os valores de tensão aos conversores;
Em alguns casos é posśıvel extrair essa alimentação de enrolamentos auxiliares da própria
máquina;
Em termos gerais existem três configurações para os sistemas de excitação estáticos em
utilização:
Fonte de tensão controlada;
Fonte de tensão e corrente combinadas;
Fonte de tensão e corrente combinadas controlada;
Considerando o escopo da disciplina, será feita uma descrição apenas do sistema com fonte
de tensão controlada;
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Neste tipo de sistema de excitação todos os componentes são estáticos ou estacionários, não
possuindo partes girantes ou rotativas;
Retificadores estáticos controlados ou não, fornecem a corrente de campo diretamente ao
circuito de excitação da máquina śıncrona através dos anéis coletores;
A alimentação dos conversores retificadores é feita do próprio barramento terminal da
máquina śıncrona ou de uma barra auxiliar utilizando um transformador abaixador para
adequar os valores de tensão aos conversores;
Em alguns casos é posśıvel extrair essa alimentação de enrolamentos auxiliares da própria
máquina;
Em termos gerais existem três configurações para os sistemas de excitação estáticos em
utilização:
Fonte de tensão controlada;
Fonte de tensão e corrente combinadas;
Fonte de tensão e corrente combinadas controlada;
Considerando o escopo da disciplina, será feita uma descrição apenas do sistema com fonte
de tensão controlada;
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Neste tipo de sistema de excitação todos os componentes são estáticos ou estacionários, não
possuindo partes girantes ou rotativas;
Retificadores estáticos controlados ou não, fornecem a corrente de campo diretamente ao
circuito de excitação da máquina śıncrona através dos anéis coletores;
A alimentação dos conversores retificadores é feita do próprio barramento terminal da
máquina śıncrona ou de uma barra auxiliar utilizando um transformador abaixador para
adequar os valores de tensão aos conversores;
Em alguns casos é posśıvel extrair essa alimentação de enrolamentos auxiliares da própria
máquina;
Em termos gerais existem três configurações para os sistemas de excitação estáticos em
utilização:
Fonte de tensão controlada;
Fonte de tensão e corrente combinadas;
Fonte de tensão e corrente combinadas controlada;
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Neste tipo de sistema de excitação todos os componentes são estáticos ou estacionários, não
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Retificadores estáticos controlados ou não, fornecem a corrente de campo diretamente ao
circuito de excitação da máquina śıncrona através dos anéis coletores;
A alimentação dos conversores retificadores é feita do próprio barramento terminal da
máquina śıncrona ou de uma barra auxiliar utilizando um transformador abaixador para
adequar os valores de tensão aos conversores;
Em alguns casos é posśıvel extrair essa alimentação de enrolamentos auxiliares da própria
máquina;
Em termos gerais existem três configurações para os sistemas de excitação estáticos em
utilização:
Fonte de tensão controlada;
Fonte de tensão e corrente combinadas;
Fonte de tensão e corrente combinadas controlada;
Considerando o escopo da disciplina, será feita uma descrição apenas do sistema com fonte
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Neste tipo de sistema de excitação todos os componentes são estáticos ou estacionários, não
possuindo partes girantes ou rotativas;
Retificadores estáticos controlados ou não, fornecem a corrente de campo diretamente ao
circuito de excitação da máquina śıncrona através dos anéis coletores;
A alimentação dos conversores retificadores é feita do próprio barramento terminal da
máquina śıncrona ou de uma barra auxiliar utilizando um transformador abaixador para
adequar os valores de tensão aos conversores;
Em alguns casos é posśıvel extrair essa alimentação de enrolamentos auxiliares da própria
máquina;
Em termos gerais existem três configurações para os sistemas de excitação estáticos em
utilização:
Fonte de tensão controlada;
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possuindo partes girantes ou rotativas;
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circuito de excitação da máquina śıncrona através dos anéis coletores;
A alimentação dos conversores retificadores é feita do próprio barramento terminal da
máquina śıncrona ou de uma barra auxiliar utilizando um transformador abaixador para
adequar os valores de tensão aos conversores;
Em alguns casos é posśıvel extrair essa alimentação de enrolamentos auxiliares da própria
máquina;
Em termos gerais existem três configurações para os sistemas de excitação estáticos em
utilização:
Fonte de tensão controlada;
Fonte de tensão e corrente combinadas;
Fonte de tensão e corrente combinadas controlada;
Considerando o escopo da disciplina, será feita uma descrição apenas do sistema com fonte
de tensão controlada;
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Sistemas de excitação estáticos
Neste tipo de sistema de excitação todos os componentes são estáticos ou estacionários, não
possuindo partes girantes ou rotativas;
Retificadores estáticos controladosou não, fornecem a corrente de campo diretamente ao
circuito de excitação da máquina śıncrona através dos anéis coletores;
A alimentação dos conversores retificadores é feita do próprio barramento terminal da
máquina śıncrona ou de uma barra auxiliar utilizando um transformador abaixador para
adequar os valores de tensão aos conversores;
Em alguns casos é posśıvel extrair essa alimentação de enrolamentos auxiliares da própria
máquina;
Em termos gerais existem três configurações para os sistemas de excitação estáticos em
utilização:
Fonte de tensão controlada;
Fonte de tensão e corrente combinadas;
Fonte de tensão e corrente combinadas controlada;
Considerando o escopo da disciplina, será feita uma descrição apenas do sistema com fonte
de tensão controlada;
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Fonte de tensão controlada
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador
referência DC
controle manual
entrada auxiliar
Nesta configuração, a alimentação do sistema de excitação é obtida da tensão
terminal da máquina śıncrona, ou de uma barra auxiliar através de um
transformador, para então ser condicionada pelo regulador e pelo retificador
controlado;
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Proteç.
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Fonte de tensão controlada
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador
referência DC
controle manual
entrada auxiliar
Este tipo de sistema tem uma constante de tempo bem pequena, entretanto o
máximo valor da tensão de sáıda da excitatriz é dependente d valor de tensão
alternada na entrada do retificador;
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śıncronas. Sistemas de excitação estáticos
Fonte de tensão controlada
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador
referência DC
controle manual
entrada auxiliar
Desta forma, durante alguma falta no sistema que cause uma queda
acentuada da tensão terminal, a máxima tensão de campo dispońıvel fica
prejudicada;
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Fonte de tensão controlada
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador
referência DC
controle manual
entrada auxiliar
Apesar desta desvantagem, a resposta praticamente instantânea e a
capacidade de reforço do campo pós-falta superam este empecilho;
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Proteç.
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Fonte de tensão controlada
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
V̂t
TP
TC
Regulador DC
Regulador
referência DC
controle manual
entrada auxiliar
Além disso, é um dos sistemas relativamente mais baratos e de fácil
manutenção.
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Proteç.
Compens. carga
Limite sub.
Field-shorting
Funções de controle e proteção.
Sistemas de excitação de máquinas śıncronas.
1 Sistemas de excitação de máquinas śıncronas.
2 Sistemas de excitação de máquinas śıncronas.
3 Funções de controle e proteção.
Compensação de carga
Limitador de sub-excitação
Circuito para a corrente de retorno (Field-shorting circuit)
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Proteç.
Compens. carga
Limite sub.
Field-shorting
Funções de controle e proteção.
Funções de controle e proteção.
Os sistemas de excitação modernos desempenham um papel muito mais importante do que
meramente o de regular a a tensão terminal;
Dentre as funções desempenhadas pelo sistema de excitação estão também a de controle,
limitação e proteção;
Qualquer sistema de excitação pode conter algumas ou todas essas funções dependendo dos
requisitos e da aplicação espećıfica e do tipo de excitatriz empregada;
Em linhas gerais, a filosofia do sistema de excitação é a empregar as funções de controle
para manter as grandezas de interesse em valores espećıficos e de empregar as funções de
limitação para prevenir que algumas grandezas excedam seus limites;
No caso de algum dos limites ser violado, então as função de proteção entram em operação
podendo remover e isolar determinados componentes ou a unidade toda do restante do
sistema;
Uma breve descrição de alguns desses sistemas será apresentada para auxiliar no
entendimento e obtenção dos modelos de pequenas pertubações para um sistema de
excitação simplificado, para a máquina śıncrona e o regulador de tensão.
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Compens. carga
Limite sub.
Field-shorting
Funções de controle e proteção.
Funções de controle e proteção.
Os sistemas de excitação modernos desempenham um papel muito mais importante do que
meramente o de regular a a tensão terminal;
Dentre as funções desempenhadas pelo sistema de excitação estão também a de controle,
limitação e proteção;
Qualquer sistema de excitação pode conter algumas ou todas essas funções dependendo dos
requisitos e da aplicação espećıfica e do tipo de excitatriz empregada;
Em linhas gerais, a filosofia do sistema de excitação é a empregar as funções de controle
para manter as grandezas de interesse em valores espećıficos e de empregar as funções de
limitação para prevenir que algumas grandezas excedam seus limites;
No caso de algum dos limites ser violado, então as função de proteção entram em operação
podendo remover e isolar determinados componentes ou a unidade toda do restante do
sistema;
Uma breve descrição de alguns desses sistemas será apresentada para auxiliar no
entendimento e obtenção dos modelos de pequenas pertubações para um sistema de
excitação simplificado, para a máquina śıncrona e o regulador de tensão.
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Funções de controle e proteção.
Funções de controle e proteção.
Os sistemas de excitação modernos desempenham um papel muito mais importante do que
meramente o de regular a a tensão terminal;
Dentre as funções desempenhadas pelo sistema de excitação estão também a de controle,
limitação e proteção;
Qualquer sistema de excitação pode conter algumas ou todas essas funções dependendo dos
requisitos e da aplicação espećıfica e do tipo de excitatriz empregada;
Em linhas gerais, a filosofia do sistema de excitação é a empregar as funções de controle
para manter as grandezas de interesse em valores espećıficos e de empregar as funções de
limitação para prevenir que algumas grandezas excedam seus limites;
No caso de algum dos limites ser violado, então as função de proteção entram em operação
podendo remover e isolar determinados componentes ou a unidadetoda do restante do
sistema;
Uma breve descrição de alguns desses sistemas será apresentada para auxiliar no
entendimento e obtenção dos modelos de pequenas pertubações para um sistema de
excitação simplificado, para a máquina śıncrona e o regulador de tensão.
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Funções de controle e proteção.
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Os sistemas de excitação modernos desempenham um papel muito mais importante do que
meramente o de regular a a tensão terminal;
Dentre as funções desempenhadas pelo sistema de excitação estão também a de controle,
limitação e proteção;
Qualquer sistema de excitação pode conter algumas ou todas essas funções dependendo dos
requisitos e da aplicação espećıfica e do tipo de excitatriz empregada;
Em linhas gerais, a filosofia do sistema de excitação é a empregar as funções de controle
para manter as grandezas de interesse em valores espećıficos e de empregar as funções de
limitação para prevenir que algumas grandezas excedam seus limites;
No caso de algum dos limites ser violado, então as função de proteção entram em operação
podendo remover e isolar determinados componentes ou a unidade toda do restante do
sistema;
Uma breve descrição de alguns desses sistemas será apresentada para auxiliar no
entendimento e obtenção dos modelos de pequenas pertubações para um sistema de
excitação simplificado, para a máquina śıncrona e o regulador de tensão.
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Funções de controle e proteção.
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Os sistemas de excitação modernos desempenham um papel muito mais importante do que
meramente o de regular a a tensão terminal;
Dentre as funções desempenhadas pelo sistema de excitação estão também a de controle,
limitação e proteção;
Qualquer sistema de excitação pode conter algumas ou todas essas funções dependendo dos
requisitos e da aplicação espećıfica e do tipo de excitatriz empregada;
Em linhas gerais, a filosofia do sistema de excitação é a empregar as funções de controle
para manter as grandezas de interesse em valores espećıficos e de empregar as funções de
limitação para prevenir que algumas grandezas excedam seus limites;
No caso de algum dos limites ser violado, então as função de proteção entram em operação
podendo remover e isolar determinados componentes ou a unidade toda do restante do
sistema;
Uma breve descrição de alguns desses sistemas será apresentada para auxiliar no
entendimento e obtenção dos modelos de pequenas pertubações para um sistema de
excitação simplificado, para a máquina śıncrona e o regulador de tensão.
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Os sistemas de excitação modernos desempenham um papel muito mais importante do que
meramente o de regular a a tensão terminal;
Dentre as funções desempenhadas pelo sistema de excitação estão também a de controle,
limitação e proteção;
Qualquer sistema de excitação pode conter algumas ou todas essas funções dependendo dos
requisitos e da aplicação espećıfica e do tipo de excitatriz empregada;
Em linhas gerais, a filosofia do sistema de excitação é a empregar as funções de controle
para manter as grandezas de interesse em valores espećıficos e de empregar as funções de
limitação para prevenir que algumas grandezas excedam seus limites;
No caso de algum dos limites ser violado, então as função de proteção entram em operação
podendo remover e isolar determinados componentes ou a unidade toda do restante do
sistema;
Uma breve descrição de alguns desses sistemas será apresentada para auxiliar no
entendimento e obtenção dos modelos de pequenas pertubações para um sistema de
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Compensação de carga
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
Rc Xc
Excitatriz
V̂t
TP
TC
Regulador de tensão
Compensação de carga
O regulador automático de tensão tem a função de regular a magnitude da
tensão terminal do gerador, e algumas vezes uma compensação de carga é
usada para controlar a tensão em um ponto do sistema que pode estar interno
ou externo ao gerador;
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Contr. e
Proteç.
Compens. carga
Limite sub.
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Funções de controle e proteção. Compensação de carga
Compensação de carga
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
Rc Xc
Excitatriz
V̂t
TP
TC
Regulador de tensão
Compensação de carga
Essa regulação da magnitude da tensão terminal é feita construindo-se um
circuito adicional dentro da malha de controle, como mostrado na figura;
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Proteç.
Compens. carga
Limite sub.
Field-shorting
Funções de controle e proteção. Compensação de carga
Compensação de carga
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
Rc Xc
Excitatriz
V̂t
TP
TC
Regulador de tensão
Compensação de carga
Esse circuito de compensação possui uma resistência ajustável Rc e uma
indutância ajustável Xc capaz de simular a impedância entre os terminais do
gerador e o ponto no qual se deseja controlar a magnitude da tensão;
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Proteç.
Compens. carga
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Funções de controle e proteção. Compensação de carga
Compensação de carga
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
Rc Xc
Excitatriz
V̂t
TP
TC
Regulador de tensão
Compensação de carga
Usando essa impedância e o valor da corrente de armadura, Îa, uma queda de
tensão é calculada e adicionada ou subtráıda do valor da tensão terminal e
amagnitude da tensão de compensação resultante V̂c que é realimentada no
regulador é dada por:
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Compens. carga
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Funções de controle e proteção. Compensação de carga
Compensação de carga
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
Rc Xc
Excitatriz
V̂t
TP
TC
Regulador de tensão
Compensação de carga
Usando essa impedância e o valor da corrente de armadura, Îa, uma queda de
tensão é calculada e adicionada ou subtráıda do valor da tensão terminal e
amagnitude da tensão de compensação resultante V̂c que é realimentada no
regulador é dada por:
|V̂c| = |V̂t + (Rc + jXc)Îa|
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Compens. carga
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Funções de controle e proteção. Compensação de carga
Compensação de carga
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
Rc Xc
Excitatriz
V̂t
TP
TC
Regulador de tensão
Compensação de carga
Se Rc e Xc forem positivos, a queda de tensão pelo compensador é adicionada
à tensão terminal e dessa forma o compensador estaria regulando a tensão em
um pontointerno ao gerador produzindo uma redução da tensão regulada;
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Funções de controle e proteção. Compensação de carga
Compensação de carga
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
Rc Xc
Excitatriz
V̂t
TP
TC
Regulador de tensão
Compensação de carga
Esse ajuste da compensação é utilizado para garantir uma partilha adequada
de potência reativa entre geradores conectados na mesma barra, muito
comum na geração hidráulica e em usinas que combinam unidades hidráulicas
e térmicas;
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Compens. carga
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Funções de controle e proteção. Compensação de carga
Compensação de carga
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
Rc Xc
Excitatriz
V̂t
TP
TC
Regulador de tensão
Compensação de carga
O compensador funcionará como um compensador de corrente reativa ao criar
artificialmente uma acoplamento entre os geradores;
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Compens. carga
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Funções de controle e proteção. Compensação de carga
Compensação de carga
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
Rc Xc
Excitatriz
V̂t
TP
TC
Regulador de tensão
Compensação de carga
Sem a atuação dessa compensação um dos geradores poderia tentar controlar
a tensão terminal do barramento em um valor um pouco maior que um outro
e assim um desses geradores iria fornecer toda a potência reativa enquanto o
outro iria absorver reativos e violar seu limite de sub-excitação;
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Funções de controle e proteção. Compensação de carga
Compensação de carga
+
−
Efd
Îa
Rfd
Xfd
Rc Xc
Excitatriz
V̂t
TP
TC
Regulador de tensão
Compensação de carga
Se Rc e Xc forem negativos, o compensador estará regulando a magnitude da
tensão em um ponto externo aos terminais do gerador e com esse ajuste o
compensador estará compensando a queda de tensão do transformador
elevador que o conecta ao sistema;
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Funções de controle e proteção. Limitador de sub-excitação
Limitador de sub-excitação
O limitador de sub-excitação tem como objetivo evitar que a redução
excessiva da corrente de excitação do gerador abaixo do valor do limite de
excitação ḿınima;
O sinal de controle do limitador de sub-excitação, é obtido das medidas da
tensão e corrente ou da potência ativa e reativa o gerador;
Se as leituras utilizadas forem a corrente e a tensão, então a caracteŕıstica do
limite parecerá circular no plano P-Q, caso se utilize as potências ativa e
reativa a caracteŕıstica será uma linha;
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Funções de controle e proteção. Limitador de sub-excitação
Limitador de sub-excitação
O limitador de sub-excitação tem como objetivo evitar que a redução
excessiva da corrente de excitação do gerador abaixo do valor do limite de
excitação ḿınima;
O sinal de controle do limitador de sub-excitação, é obtido das medidas da
tensão e corrente ou da potência ativa e reativa o gerador;
Se as leituras utilizadas forem a corrente e a tensão, então a caracteŕıstica do
limite parecerá circular no plano P-Q, caso se utilize as potências ativa e
reativa a caracteŕıstica será uma linha;
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Limitador de sub-excitação
O limitador de sub-excitação tem como objetivo evitar que a redução
excessiva da corrente de excitação do gerador abaixo do valor do limite de
excitação ḿınima;
O sinal de controle do limitador de sub-excitação, é obtido das medidas da
tensão e corrente ou da potência ativa e reativa o gerador;
Se as leituras utilizadas forem a corrente e a tensão, então a caracteŕıstica do
limite parecerá circular no plano P-Q, caso se utilize as potências ativa e
reativa a caracteŕıstica será uma linha;
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Funções de controle e proteção. Limitador de sub-excitação
Limitador de sub-excitação
O limite de ḿınima excitação é
composto pelo limite de
estabilidade estática ou de
pequenos sinais e o limite de
aquecimento do núcleo;
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Funções de controle e proteção. Limitador de sub-excitação
Limitador de sub-excitação
O limite de estabilidade estática
é obtido da curva P × δ do
modelo de regime permanente do
gerador śıncrono.
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Funções de controle e proteção. Limitador de sub-excitação
Limitador de sub-excitação
O limite de aquecimento das
bordas do núcleo está relacionado
com o efeito que ocorre quando
se está numa situação de corrente
de campo muito baixa;
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Funções de controle e proteção. Limitador de sub-excitação
Limitador de sub-excitação
Nesta condição o fluxo
magnético do núcleo do rotor
atinge as lâminas do núcleo do
estator, incidindo sobre o núcleo
numa direção perpendicular às
laminações do núcleo;
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Funções de controle e proteção. Limitador de sub-excitação
Limitador de sub-excitação
Desta forma tem-se a produção
de uma quantidade excessiva de
corrente parasitas no núcleo do
estator resultando em
aquecimento acentuado em
pontos localizados nas bordas do
núcleo;
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Field-shorting
Funções de controle e proteção. Limitador de sub-excitação
Limitador de sub-excitação
Este fenômeno só acontece
quando a máquina está
severamente sub-excitada, pois
nesta condição apesar de o fluxo
magnético do rotor não ser
grande, o anel de retenção de
fluxo não fica saturado,
permitindo um fluxo acentuado
na direção perpendicular às
lâminas.
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Funções de controle e proteção. Limitador de sub-excitação
Limitador de sub-excitaçãoAlém disso há uma acentuação
do fluxo devido às altas correntes
de armadura que reforçam o
fluxo do rotor na perpendicular
limitando severamente a
operação do gerador.
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Field-shorting
Funções de controle e proteção.
Circuito para a corrente de retorno
(Field-shorting circuit)
Circuito para a corrente de retorno (Field-shorting circuit)
Como os retificadores não podem
conduzir correntes reversas, a
corrente de excitação do circuito
de campo dos sistemas de
excitação AC e estáticos não
pode ser negativa;
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Funções de controle e proteção.
Circuito para a corrente de retorno
(Field-shorting circuit)
Circuito para a corrente de retorno (Field-shorting circuit)
Em uma condição em que a
máquina pode estar pulando
“pulando”polos e em curto
circuito, as correntes induzidas
no enrolamento de campo do
gerador podem se tornar
negativas e se um caminho para
a circulação dessa corrente
negativa não for fornecido,
podem surgir tensões elevadas no
circuito de campo da máquina;
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Contr. e
Proteç.
Compens. carga
Limite sub.
Field-shorting
Funções de controle e proteção.
Circuito para a corrente de retorno
(Field-shorting circuit)
Circuito para a corrente de retorno (Field-shorting circuit)
Desta forma, é necessário um
circuito que forneça uma
caminho para a circulação da
corrente negativa que pode ser
um circuito de curto-circuito do
enrolamento de campo chamado
de crowbar ou com um varistor;
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Field-shorting
Funções de controle e proteção.
Circuito para a corrente de retorno
(Field-shorting circuit)
Circuito para a corrente de retorno (Field-shorting circuit)
O crowbar é um circuito formado
por um tiristor em série com um
resistor de descarga, o tiristor é
disparado quando há uma
condição de sobretensão causada
por correntes de campo
negativas;
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Circuito para a corrente de retorno
(Field-shorting circuit)
Circuito para a corrente de retorno (Field-shorting circuit)
O varistor funciona por um
prinćıpio semelhante, que tem
sua resistência variando de
acordo com a a tensão aplicada
sobre o mesmo, assim quando a
tensão atinge um valor elevado a
resistência diminui, permitindo a
passagem da corrente reversa
reduzindo a sobretensão sobre o
enrolamento de campo.
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	Sistemas de excitação de máquinas síncronas.
	Sistemas de excitação de máquinas síncronas.
	Sistemas de excitação AC.
	Sistemas de excitação estáticos
	Funções de controle e proteção.
	Compensação de carga
	Limitador de sub-excitação
	Circuito para a corrente de retorno (Field-shorting circuit)