RESUMO MÁQUINAS SÍNCRONAS

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MÁQUINAS SÍNCRONAS
O motor síncrono possui o enrolamento de campo no rotor, e o enrolamento de armadura
está no estator. No campo de rotor é conectada uma fonte de corrente contínua, e na
armadura é conectada uma fonte de corrente alternada
● Aspecto construtivo lembra
a máquina de corrente contínua;
● Fonte CC ligada ao rotor;
● Armadura está no estator
(onde acontece a maior indução
de tensão);
● Enrolamento de campo no
rotor (diferente da máquina CC).
● Rotor de pólos lisos e de
pólos salientes;
Máquina de pólos lisos
● São utilizados em aplicações que exigem maiores
velocidades (1500-3000 rpm);
● Geralmente 2 ou 4 polos;
● Distribuição de fluxo magnético é mais próxima de uma
senóide, portanto fornece uma tensão gerada mais senoidal;
● Utilizada em geração de eletricidade.
Máquina de pólos salientes
● Pólos salientes junta conceitos da máquina de pólos lisos
e máquina de relutância;
● São utilizados em aplicações de menor velocidade
(100-1500 rpm);
● Possuem muitos polos, de 4 a 60 polos;
● O fluxo magnético não é tão senoidal, e, portanto, a tensão
gerada não é tão próxima de uma senoide;
● Utilizado principalmente em hidrogeradores.
● Geralmente usadas como gerador;
● Ea = K. .w; Ea = K’.If.w;ϕ
●
Circuito Equivalente por fase
● O circuito por fase é praticamente igual ao da máquina de corrente contínua, a
diferença reside na reatância síncrona, 𝑋𝑆, que não é representada na máquina CC;
● Vt depende da ligação do motor (estrela ou triângulo);
● Distorção do fluxo magnético no entreferro (representado pelo indutor jXs);
● Auto Indutância do enrolamento de armadura (indutor jXs);
● Resistência do cobre da armadura (Ra);
● Geometria dos pólos (lisos ou salientes);
● Gerador: Ea = Vt +Ia.(Ra + jXs);
● Motor: Vt = Ea +Ia.(Ra + jXs)
● Ra geralmente é desprezado, pois |Xs| >> Ra
● A tensão interna, 𝐸𝑎, depende do fluxo magnético 𝜙, e da velocidade 𝜔𝑠. É desejável
que 𝜔𝑠 seja o mais estável possível.
● , o controle da tensão induzida na armadura é
feito pelo controle do fluxo magnético que origina Ea;
● A corrente de armadura faz com que um campo magnético seja gerado. E tal campo
magnético irá interagir com aquele oriundo do circuito de campo, distorcendo-o. Esta
distorção fará com que a tensão de fase na própria armadura se altere (reação de
armadura, modelada por jXs).
Diagrama Fasorial
● Ângulo de carga: Diferença angular entre a tensão terminal (normalmente a
referência, com 0º) e a tensão induzida Ea;
● Ângulo : Fator de potência, defasagem entre Vt e Ia / Ia.Ra;Θ
● Se o ângulo entre estes dois fasores excede os 90º , então o rotor perderá o
sincronismo, passando a "deslizar", ou seja, o campo magnético do estator irá
passar muitas vezes pelo campo magnético do rotor. E a cada ultrapassagem o
sentido do conjugado se inverterá. Isto gera uma grande trepidação no motor,
podendo danificá-lo seriamente.
● A velocidade do motor síncrono é dita constante, independentemente da carga.
● Quanto maior é a carga no eixo do motor, mais atrasado fica o fator de potência .
Determinado motor síncrono opera em regime permanente com uma carga aplicada em seu
eixo. Subitamente, a carga no eixo aumenta e, inicialmente, o rotor perde um pouco de
velocidade. Perdendo velocidade, faz com que o campo magnético do rotor fique um
pouco mais para trás em relação ao campo girante.Quando isto acontece, o ângulo de
conjugado 𝜹 aumenta, causando um aumento no conjugado induzido. Como este se dá no
sentido do movimento, faz com que o motor retorne a velocidade original, agora com
ângulo de conjugado maior.
Tendo um ângulo de conjugado maior, isto significa que, em um diagrama fasorial, a
separação entre ܸV e Ea aumenta. Entretanto, como Ea é uma função da velocidade doϕ
motor e da corrente de campo (e ninguém mexeu no circuito de campo), o seu módulo
permanece constante, mesmo que o ângulo de conjugado tenha aumentado.
● Gerador:
○ Ea adiantado de Vt, 𝜹 será positivo;
○ Sobreexcitado: |Ea| > |Vt| (indutivo); fornece reativos, < 0θ
○ Subexcitado: |Ea| < |Vt| (capacitivo); > 0θ
● Motor:
○ Vt adiantado de Ea, 𝜹 será negativo;
○ Sobreexcitado: |Ea| > |Vt| (capacitivo); > 0θ
○ Subexcitado: |Ea| < |Vt| (indutivo); < 0θ
● Os diagramas de gerador e motor são espelhados.
● Subexcitado: e 𝜹 tem o mesmo sinal.θ
Ensaio de circuito aberto
● Aciona a máquina síncrona à velocidade de sincronismo por uma máquina primária.
● Com os terminais do estator em circuito aberto, mede-se a tensão nos terminais
para diversos valores de corrente de excitação.
● A curva obtida é denominada característica de circuito aberto ou em vazio
● Com os terminais do estator em aberto, não há fluxo de corrente elétrica e, portanto,
essa curva representa a tensão gerada, |𝐸𝑎|, em função da corrente de campo, 𝐼𝑓;
● A partir de um determinado valor de 𝐼𝑓 , percebe-se os efeitos da saturação
magnética.
Ensaio de curto circuito
● Neste ensaio as fases do estator são curto-circuitadas entre si;
● A máquina é conduzida à velocidade síncrona pela máquina primária. Após,
mede-se as correntes no estator, |𝐼𝑎|, para diversos valores da corrente de
excitação, 𝐼𝑓 e calcula-se o valor médio das três fases.
● Obtém-se um gráfico que representa a característica de curto-circuito. Esta
característica apresenta-se linear devido ao efeito desmagnetizante da corrente
elétrica de estator que, nesta situação, apresenta teor essencialmente indutivo.
● 𝑋𝑠 = 𝑉ϕ (𝑐𝑐𝑡𝑜 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑜)𝐼𝑎 (𝑐𝑢𝑟𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜)
Potência e Torque
Um gerador síncrono geralmente é conectado a uma rede com tensão fixa e é operado com
velocidade de eixo também fixa. Entretanto há um limite de potência que pode ser entregue
para a rede e um torque máximo que pode ser aplicado antes de a máquina perder o
sincronismo.
Máquinas Síncronas de Pólos Salientes
● Aplicação: grandes geradores que necessitam gerar uma alta potência em baixa
rotação (ex: hidrelétricas)
CURVA V
A Curva V é um diagrama que mostra a relação da corrente de armadura em função da
corrente de campo para diferentes cargas.
● O fator de potência de uma
máquina síncrona pode ser controlado
através da corrente de campo. Como
se sabe, a corrente de armadura
também muda à medida que a corrente
de campo muda.
● Então, o objetivo dessa curva é
mostrar para uma carga constante
como a variação da corrente de campo
pode alterar a corrente de armadura e
o fator de potência.
A curva de capabilidade tem o objetivo de mostrar os pontos de operação da máquina
síncrona, seus pontos de máxima potência ativa e máxima potência reativa. Mostra os
diversos limites da máquina: limites térmicos, mecânicos, eletromagnéticos e de potência.
MÁQUINA DE PÓLOS SALIENTES
A máquina de pólos salientes possui um valor
diferente de relutância devido a diferença de
entreferro entre os pólos da máquina, devido a
essa diferença, é necessário criar dois eixos de
referência, o eixo direto (alinhado com o polo) e
o eixos em quadratura (ortogonal ao eixo
direto). A grande diferença reside no fato de
que temos que decompor a corrente de
armadura e a reatância síncrona, ou seja,
esses parâmetros terão um componente nos
eixos direto e outra no de quadratura. 𝑿𝒅
sempre é maior que 𝑿𝒒.
O eixo em quadratura está alinhado com a fem
𝐸𝑎, e o eixo direto ortogonal a ele.
OPERAÇÃO EM PARALELO
Alguns aspectos precisam ser considerados antes de conectar geradores em paralelo:
● Os geradores devem ter a mesma sequência de fases;
● As tensões precisam estar em fase;
● As tensões terminais e frequências nominais dos geradores precisam ser iguais;
● A frequência do novo gerador (o gerador que está entrando em paralelo) deve ser
ligeiramente superior à frequência do sistema que já está em operação.
● Os geradores vão dividir a potência ativa e reativa gerada, e elas dependem da
frequência e tensão gerada por cada gerador.
● A presença de mais geradores aumenta a confiabilidade do sistema de potência.
● Podemos controlar dois parâmetros: a velocidade do eixo, que é imposta pela
máquina primáriae a corrente de campo.
Controle da corrente de campo: A variação da corrente de campo terá influência sobre a
tensão terminal da máquina, que por sua vez influenciará a potência reativa.
Controle da velocidade do eixo: A variação da velocidade do eixo terá influência sobre a
frequência do sistema, que por sua vez influenciará a potência ativa
Paralelismo de geradores:
● Excitatriz: Controle da potência reativa, controlando a tensão aplicada no campo
do gerador, mudando a corrente de excitação da máquina.
● Governador de velocidade: Controle da potência ativa. Atua na turbina que aciona
o gerador, conectada diretamente ao eixo da máquina. Altera a velocidade para
que a potência ativa seja controlada
Anotações da aula ao vivo
● Muito mais usado como gerador síncrono.
● Como motor fica difícil fazer o controle de velocidade e para dar partida necessita de
mecanismos auxiliares (motor auxiliar acionando o eixo e enrolamentos auxiliares).
● Barramento infinito: Frequência é constante, independente do número de geradores.
○ Na prática, é o ONS;
● Gerador em paralelo precisa entrar com a frequência um pouco maior que a do
sistema isolado (ex. 61 Hz p/ 60 Hz).
● Compensador síncrono (condensador) fica flutuando (só fornece reativos)
○ vantagem sobre o banco de capacitores: controle sobre a potência reativa,
através da corrente de campo.
● Uma das principais desvantagens é a dificuldade no controle da velocidade e baixo
torque, necessitando de partir com máquinas auxiliares;
Partida do motor síncrono (3 formas):
● Reduzir a velocidade do campo magnético girante a um valor bem baixo (utilizando
inversores de frequência), de modo que o rotor possa se acelerar junto com este
giro lento, e aos poucos ir subindo a velocidade do campo magnético girante até a
nominal.
● Usar uma máquina motriz para acelerar o rotor até a velocidade síncrona e em
seguida acoplar o rotor já em movimento ao estator do motor síncrono, retirando em
seguida a máquina motriz (alternativa mais cara).
● Usando enrolamentos amortecedores (alternativa mais usada).
● Motores síncronos possuem baixo conjugado de partida, independente do número
de pólos.
● A corrente de partida em motores sempre é elevada.
● Têm um rendimento típico alto (acima de 90%);
● Funcionam sem escorregamento.
Anotações de questões
● O enrolamento amortecedor, considerado um terceiro enrolamento do motor
síncrono, possui duas funcionalidades:
○ a primeira é auxiliar na partida do motor;
○ a segunda é amortecer oscilações no torque do motor ou gerador, o que
poderia causar uma perda de sincronismo, fora de sincronismo, circularão
correntes nestes enrolamentos, os amortecedores, que devido a lei de Lenz
criam um torque com sentido oposto ao da variação, que tente a repor a
situação de sincronismo.
● Em geral um gerador síncrono de polos lisos é utilizado em geradores de alta
velocidade, como os turbo diesel, por exemplo, já os geradores de baixa rotação são
os de polos salientes, geralmente utilizados em hidrogeradores.
● Curva V da máquina síncrona:
Quanto mais a esquerda menos
corrente de campo, ela está
subexcitada, podemos chamar
também de indutivo. Do lado direito
a máquina está sobreexcitada, o
que também é capacitivo.
Se a máquina estiver operando
com gerador subexcitado é FP
capacitivo, porém se estiver
operando como motor é FP
indutivo
SUBEXCITADA SOBREEXCITADA (GERADOR)⇐ ⇒
QUESTÕES
Um condensador síncrono é um motor síncrono projetado para correção de fator de
potência. Se encontra em flutuação, então além de não drenar potência ativa da rede não
entrega potência mecânica para a carga. Contudo, o condensador pode fornecer/consumir
potência reativa para a/da carga. O seu funcionamento, em termos de potência, é muito
semelhante à de um motor síncrono, e como pode ser visto na página 297 do livro
“Fundamentos de Máquinas Elétricas”, 5ª edição de Stephen J. Chapman, um motor
consome reativo se estiver operando com fator de potência atrasado, subexcitado. Quando
um motor consome reativo da rede, se costuma dizer que ele atua como um indutor, com
isso, a afirmação está incorreta ao dizer que o condensador síncrono se comporta como um
indutor quando está sobre-excitado.
● Podemos controlar a velocidade tanto variando o campo quanto a tensão terminal.
● V/f constante é no inversor para o controle da velocidade.
● O soft starter só na partida, ele não é usado para controlar a velocidade.
● De qualquer forma, o softstarter somente visa reduzir a corrente de partida, ele faz
isso reduzindo a tensão aplicada, entretanto não há qualquer controle sobre o torque
de partida, ele é reduzido, porque a tensão e a corrente são reduzidos. O controle é
sobre a tensão para então reduzir a corrente.
● Em um gerador síncrono de pólos salientes, o entreferro tem uma mesma
espessura, ao contrário do que ocorre nas máquinas de pólos lisos. Essa
característica permite que o gerador de pólos salientes possa ser acionado a
velocidades bem inferiores em relação àquelas normalmente desenvolvidas pelas
máquinas de pólos lisos, sob as mesmas condições de operação nominais de
potência e de tensão.
○ ERRADA, em um gerador síncrono de pólos lisos, o entreferro tem uma
mesma espessura.
Num sistema brushless, a tensão da armadura da excitatriz (enrolamento de campo) é
retificada por meio de diodos montados sobre o próprio eixo do gerador principal.
Velocidade constante para diferentes valores de carga.