Máquinas Síncronas

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- Fevereiro de 2000 -
Antonio Tadeu Lyrio de Almeida
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
ÍNDICE
CAPÍTULO 1: CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE ELETROMAGNETISMO 1
SAINT EXUPERY 1
RESUMO 1
1.0 - TENSÃO INDUZIDA 1
2.0- CAMPO MAGNÉTICO CRIADO POR CORRENTE 2
3.0 - FORÇA E CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO 3
4.0 - AÇÕES MOTORA E GERADORA 3
EXERCÍCIOS 4
CAPÍTULO 2: PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS GERADORES SÍNCRONOS 6
GOLBERY DO COUTO E SILVA 6
RESUMO 6
1.0 - INTRODUÇÃO 6
2.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO - GERADOR MONOFÁSICO 6
3.0 - PRINCÍPIO DE FUNCINAMENTO - GERADOR TRIFÁSICO 8
4.0 - CONSIDERAÇÕES SOBRE TENSÕES INDUZIDAS 8
4.1 - DISTRIBUIÇÃO DE FLUXO 8
4.2 - FATOR DE DISTRIBUIÇÃO 9
4.3 - FATOR DE PASSO 10
4.4- F.E.M. INDUZIDA NOS ENROLAMENTOS DA ARMADURA. 11
4.5. FORMAS DE ONDA DE TENSÃO GERADA 12
5.0 - CONEXÕES DOS ENROLAMENTOS DA ARMADURA 12
QUESTÕES 13
CAPÍTULO 3: PARTES E ACESSÓRIOS DOS GERADORES SÍNCRONOS 15
VOLTAIRE 15
RESUMO 15
1.0 - INTRODUÇÃO 15
2.0 - CLASSIFICAÇÃO DOS GERADORES SÍNCRONOS 15
2.1 - QUANTO AO NÚMERO DE FASES 15
2.2 - QUANTO AO ROTOR 15
2.3 - QUANTO À POSIÇÃO DO EIXO 17
2.4 - QUANTO AO SISTEMA DE EXCITAÇÃO 17
3.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR 18
3.1 - CARCAÇA 18
3.2 – NÚCLEO DA ARMADURA 19
3.3 – ENROLAMENTOS DO ESTATOR 19
4.0 - PARTES COMPONENTES DO ROTOR 21
4.1 - MÁQUINAS COM PÓLOS SALIENTES 21
4.2 - PÓLOS SALIENTES 21
4.3 - ENROLAMENTOS AMORTECEDORES 23
4.4 - MAQUINAS COM PÓLOS LISOS 24
5.0 - CONSIDERAÇÕES FINAIS 24
QUESTÕES 25
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 26
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
CAPÍTULO 4: CARACTERÍSTICAS E EQUAÇÕES DOS GERADORES SÍNCRONOS 27
THOMAS FULLER 27
RESUMO 27
1.0 - OPERAÇÃO EM VAZIO 27
2.0 - CARACTERÍSTICA EM CURTO-CIRCUITO PERMANENTE 27
3.0 - RELAÇÃO DE CURTO-CIRCUITO (RCC) 28
4.0 - OPERAÇÃO EM CARGA - REAÇÃO DA ARMADURA 28
4.1 - CONSIDERAÇÕES GERAIS 28
4.2 - REAÇÃO DE ARMADURA PARA CARGAS RESISTIVAS. 29
4.3 - REAÇÃO DA ARMADURA PARA CARGAS INDUTIVAS 29
4.4 - REAÇÃO DA ARMADURA - CARGA CAPACITIVA 30
4.5 - REAÇÃO DA ARMADURA - GERADORES TRIFÁSICOS 31
4.6 - CONSIDERAÇÕES FINAIS 31
5.0 - REATÂNCIAS DA MÁQUINA 31
5.1 - REATÂNCIA DE REAÇÃO DA ARMADURA 31
5.2 - REATÂNCIAS DE DISPERSÃO 32
5.3. REATÂNCIAS DE EIXO DIRETO E EM QUADRATURA 32
5.4 - OUTRAS CONSIDERAÇÕES 33
5.5 - CONCLUSÕES 34
6.0 - EQUAÇÕES E DIAGRAMAS FASORIAIS 34
7.0 - POTÊNCIAS 36
7.1 - CONSIDERAÇÕES GERAIS 36
7.2 - CARACTERÍSTICAS ANGULARES DE UM GERADOR SÍNCRONO 36
7.3 - COORDENAÇÃO TENSÃO - POTÊNCIA 38
8.0 - CURVAS CARACTERÍSTICAS DO GERADOR 39
9.0 - REGULAÇÃO DE TENSÃO 40
QUESTÕES TEÓRICAS 40
QUESTÕES NUMÉRICAS 41
CAPÍTULO 5: PARALELISMO DE GERADORES 43
ULISSES GUIMARÃES 43
RESUMO 43
1.0 - INTRODUÇÃO 43
2.0 - CONDIÇÕES PARA O PARALELISMO 43
3.0 - MÉTODOS PARA O SINCRONISMO 44
QUESTÕES 46
CAPÍTULO 6: DISTRIBUIÇÃO DE CARGA ENTRE GERADORES 47
WINSTON CHURCHILL 47
RESUMO 47
1.0 - INTRODUÇÃO 47
2.0 - GERADORES DE MESMO PORTE EM PARALELO 48
3.0 - GERADOR EM PRALELO COM SISTEMA DE GRANDE PORTE 48
4.0 - CONSIDERAÇÕES FINAIS 49
QUESTÕES 49
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
CAPÍTULO 7: CURVAS DE CAPABILIDADE DE MÁQUINAS SÍNCRONAS 50
RONALD REAGAN 50
RESUMO 50
1.0 - INTRODUÇÃO 50
2.0 - FATORES QUE LIMITAM A CAPACIDADE DE UM GERADOR 50
3.0 - DESCRIÇÃO DA CURVA DE CAPABILIDADE 51
4.0 - UTILIZAÇÃO DA CURVA DE CAPABILIDADE 52
5.0 - CONSIDERAÇÕES COMPLEMENTARES [1] 52
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 53
CAPÍTULO 8: SISTEMAS DE EXCITAÇÃO 54
THOMAS KOCH 54
RESUMO 54
1.0 - INTRODUÇÃO 54
2.0 - EXCITATRIZES ROTATIVAS 54
3.0 - EXCITATRIZ ESTÁTICA 55
4.0 - EXCITATRIZ “BRUSHLESS” 57
5.0 - GERADORES AUTO-REGULADOS DE ANÉIS 61
CAPÍTULO 9: REGULADORES DE TENSÃO 63
JUSCELINO KUBSTCHECK 63
RESUMO 63
1.0 - INTRODUÇÃO 63
2.0 - REGULADORES ELETROMECÂNICOS DE TENSÃO 63
2.1 - REGULADOR DE CONTATOS VIBRANTES (TIPO TIRRIL) 63
2.2 - REGULADOR DE AÇÃO RÁPIDA (TIPO BROWN BOVERI) OU DE SETOR ROLANTE 64
2.3 - REGULADOR TIPO SERVOMOTOR OU SIEMENS 65
3.0 - REGULADOR ELETRÔNICO DE TENSÃO 66
4.0 - A COMPENSAÇÃO “CROSS-CURRENT” 68
5.0 - ENTRADA E REJEIÇÃO DE CARGA 69
6.0 - O AJUSTE DE ESTABILIADE DO REGULADOR 70
7.0 - O REGULADOR DE TENSÃO E A FREQUÊNCIA 71
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
CAPÍTULO 10: CURTO-CIRCUITO E REATÂNCIAS 72
LEOPARDI 72
RESUMO 72
1.0 - CURTO-CIRCUITO TRIFÁSICO BRUSCO 72
2.0 - REATÂNCIAS E CONSTANTES DE TEMPO EM REGIMES TRANSITÓRIOS 74
2.1 - PERÍODO SUBTRANSITÓRIO 74
2.2 - PERÍODO TRANSITÓRIO 74
2.3 - PERÍODO OU REGIME PERMANENTE 74
2.4 - CONSTANTES DE TEMPO 74
3.0 - REATÂNCIAS DE SEQUÊNCIA NEGATIVA E ZERO 74
4.0 - IMPORTÂNCIA DAS REATÂNCIAS 75
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 75
CAPÍTULO 11: PERDAS, RENDIMENTO E AQUECIMENTO 76
PROVÉRBIO CHINÊS 76
RESUMO 76
1.0 - PERDAS 76
1.1 - PERDAS NO FERRO DEVIDO A FLUXOS PARASITAS E PRINCIPAL 76
1.2 - PERDAS POR EFEITO JOULE NOS ENROLAMENTOS DE ARMADURA 78
1.3 - PERDAS NO CIRCUITO DE EXCITAÇÃO 78
1.4 - PERDAS POR ATRITO E VENTILAÇÃO 78
1.5 - PERDAS ADICIONAIS DEVIDO A CIRCULAÇÃO DE CORRENTE PELOS ENROLAMENTOS DA ARMADURA 78
2.0 - RENDIMENTO 79
3.0 - AQUECIMENTO 81
3.1 - CONDIÇÕES GERAIS 81
3.2 - ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA EM MÁQUINAS SÍNCRONAS 82
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 1: Conceitos Fundamentais Sobre Eletromagnetismo - 1
CAPÍTULO 1: CONCEITOS FUNDAMENTAIS
SOBRE ELETROMAGNETISMO
"O essencial é invisível aos olhos"
Saint Exupery
RESUMO
As máquinas elétricas tem seu princípio de
funcionamento baseado nas leis da indução e conjugado
eletromagnético. Este texto apresenta de forma
simplificada algumas destas leis e fenômenos aplicados ao
seu estudo.
1.0 - TENSÃO INDUZIDA
Sabe-se que sempre que houver movimento
relativo entre um campo magnético e um condutor será
induzida uma tensão (f.e.m. - força eletromotriz) em seus
terminais; esta é simplificadamente, a lei de Faraday, a qual
foi quantificada por Newmann, ou seja:
e = V l B senθ (1)
onde:
e - força eletromotriz (tensão) induzida em um
determinado instante [V];
v - velocidade relativa entre campo e condutor [m/s];
l - comprimento do condutor imerso no campo
magnético [m];
B - indução magnética [Wb/m2];
θ - ângulo formado entre o campo magnético e a
velocidade instantânea do condutor, tomando-se “B”
como referência [rad].
A figura 1 esclarece o exposto, supondo campo
magnético uniforme (ou seja, “B” possui o mesmo valor
em qualquer ponto).
Na figura 1 mostra-se o sentido da f.e.m induzida,
o qual é dado pela regra de Fleming, ou seja:
a) sentido de “e” dado pelo polegar da mão
direita;
b) sentido de “v” dado pelo indicador da mão
esquerda;
c) sentido de “B” dado pelo dedo médio da mão
direita.
Figura 1 - Força eletromotriz induzida em um condutor.
Observe-se que o ângulo entre “v” e “B” na figura 1 é
90o.
Pelo exposto, para que haja um aumento ou diminuição
da tensão induzida nos terminais a-b do condutor deve-se
alterar as grandezas relacionadasna expressão (1). Assim,
para uma modificação na velocidade é necessário atuar
mecanicamente sobre o condutor e, para a mudança da
intensidade de campo, deve-se utilizar um eletroimã, o qual
permite o seu controle. Em relação ao comprimento imerso
no campo, pode-se adotar a hipótese de executar um
eventual aumento, colocando-se mais condutores em série
com o primeiro; desta forma, se houverem “N” condutores
em série, resulta:
e = N v l B (2)
Por outro lado, supondo-se que o condutor execute um
movimento circular uniforme, como esquematizado na
figura 2, tem-se:
φ = ωt (3)
onde:
ω - velocidade angular [rad/s];
t - tempo [s].
Figura 2 - Condutor em movimento circular uniforme.
Sabe-se que no movimento circular uniforme:
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 Capítulo 1: Conceitos Fundamentais Sobre Eletromagnetismo - 2
V = ω . R
Substituindo (3) e (4) em (2), resulta:
e = N . ω . l . B . senωt (5)
como:
φmax = B . A (6)
A = l . D (7)
D = 2 . R (8)
como:
ω = 2πf (9)
obtém-se:
e = π . Nf φmax senωt = emax senωt (10)
A expressão (10) permite dizer que a tensão
induzida nos terminais de um condutor em movimento
circular uniforme, imerso em campo magnético igualmente
uniforme, é alternada e senoidal.
Se ao invés de apenas um condutor, houver uma
espira, como a mostrada na figura 3, executando o
movimento em condições idênticas tem-se:
eesp = 2 . e = 2emax senωt (11)
Figura 3 - Espira imersa em campo magnético e
executando movimento circular uniforme.
O valor eficaz da tensão é:
E E f N N fRMS max max= = =
2
2
4 44
π φ φ. (12)
O valor médio é:
E
E
N fmed
RMS
max= =111
4
.
φ (13)
2.0- CAMPO MAGNÉTICO CRIADO POR CORRENTE
Corrente circulando por um condutor cria um
campo magnético cuja intensidade é dada pela lei de Biot-
Savart e sentido pela regra de Ampère.
A lei de Biot-Savart é dada por:
H l NI. Re .= = φ (14)
onde:
H - intensidade de campo [A/m];
l - comprimento do circuito magnético [m];
Re - relutância do circuito magnético, dado por:
R
l
Ae
= .
1
µ (15)
µ - permeabilidade magnética do meio;
A - seção transversal do circuito magnético [m2]
Figura 4 - Campo magnético criado por corrente
Pela figura 5 e expressão (14) nota-se que é possível
controlar a imantação de um determinado material
magnético, ou seja, aumentar ou diminuir o fluxo
magnético, dentro de certos limites, alternando-se a
corrente que circula pelas espiras. Esta corrente recebe o
nome de “corrente de excitação” e se relaciona como fluxo
magnético através da chamada curva de saturação.
Figura 5 - Imantação de um material magnético.
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 Capítulo 1: Conceitos Fundamentais Sobre Eletromagnetismo - 3
Figura 6 - Curva de saturação (exemplo)
3.0 - FORÇA E CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO
Um condutor percorrido por corrente imerso em
um campo magnético fica submetido a uma força de
origem eletromagnética (Força de Lorentz).
Figura 7 - Força agindo sobre um condutor (F)
Se uma espira percorrida por corrente for inserida
no interior do campo magnético, tem-se a situação
mostrada na figura 8.
Figura 8 - Força sobre uma espira (F).
Observando-se que surgem forças sobre ambos os
lados da espira, separados por uma distância “d”,
caracterizando a existência de um conjugado, ou seja:
M = F . d (16)
Simplificadamente, pode-se dizer que a força de
Lorentz é dada por:
F = B . I . l senθ (17)
Então o conjugado desenvolvido por uma espira
com um condutor apenas é:
M = B.I.l.d.senθ = B.A . I. senθ (18)
ou ainda:
M = θ . I . senθ (19)
onde:
θ - é o ângulo entre a normal ao plano da espira e o
campo.
Desta forma, pode-se concluir que o conjugado
eletromagnético resulta da interação entre fluxo magnético
e a corrente da parte que gira.
4.0 - AÇÕES MOTORA E GERADORA
Observe-se que no caso mostrado na figura 8, ao
girar a espira no interior de campo magnético será induzida
uma tensão, a qual é denominada força contra eletromotriz,
cujo sentido se opõe à variação de fluxo. Por outro lado, no
caso mostrado na figura 1, verifica-se que o conjugado
eletromagnético também surgirá se houver circulação de
corrente pela espira. Desta forma, é possível concluir que:
a) a ação geradora fornece uma tensão induzida e,
se houver circulação de corrente, contrário ao
de giro da espira;
b) a ação motora fornece conjugado no eixo e
induz tensão nos terminais da espira (f.c.e.m.).
Aplicados estes conceitos às máquinas elétricas,
verifica-se que a ação geradora e motora diferenciam-se
pelo sentido de transferência de potência, ou seja:
a) Ação Motora: potência absorvida da rede e
transmitida no eixo do motor; será considerada
como positiva para a análise a seguir;
b) Ação Geradora: potência fornecida à rede,
sendo esta absorvida de uma máquina primária
acoplada no eixo; será considerada como
negativa.
Desta forma, tem-se que o sentido da potência no
eixo é dada por:
a) Motor: P > 0
b) Gerador: P < 0
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 1: Conceitos Fundamentais Sobre Eletromagnetismo - 4
Por outro lado, sabe-se que a potência mecânica
no eixo [W] de uma máquina é dada por:
P M M n= =. . .ω
π2
60
(20)
onde:
M - conjugado (ou torque) desenvolvido no eixo [N.m];
ω - velocidade angular do eixo [rd/seg.];
n - velocidade angular do eixo [rpm].
Como:
M > 0 ou M < 0
e,
ω > 0 ou ω < 0
obtém-se as seguintes situações operacionais:
a) M > 0 e ω > 0; então P > 0, ação motora;
b) M < 0 e ω > 0; então P < 0, ação geradora;
c) M < 0 e ω < 0; então P > 0, ação motora;
d) M > 0 e ω < 0; então P < 0, ação geradora;
Tais relações, é claro, referem-se a um
determinado sentido de giro, adotado como positivo.
A figura 9 esclarece o exposto.
ME – Máquina Elétrica; MM – Máquina Mecânica
Figura 9 - Situações operacionais para as máquinas
elétricas.
EXERCÍCIOS
1) Descreva quatro efeitos da conversão eletromecânica de
energia.
2) Estabeleça a Lei de FARADAY:
a) em suas próprias palavras;
b) em termos de uma equação indicando todos os
fatores desta equação.
3) Estabeleça a Lei de LENZ.
4) Desenhe um diagrama para uma bobina de uma única
espira girando num campo magnético uniforme.
Mostre:
a) o sentido da f.e.m. induzida em cada lado da
bobina;
b) o sentido da circulação da corrente quando se
liga uma carga aos seus terminais;
c) a polaridade dos terminais em relação à carga.
5) A partir do diagrama traçado na questão anterior,
explique, partindo do terminal positivo:
a) o sentido de circulação de corrente da bobina;
b) o sentido de circulação da corrente na carga;
c) compare com a circulação de corrente interna
e externamente a uma bateria que alimenta
uma carga e explique.
6) Explique por que:
a) se induz tensão alternada em um condutor que
gira em um campo magnético uniforme;
b) a forma de onda é senoidal.
7) Para uma bobina com uma única espira explique:
a) por que não se induz f.e.m. quando a mesma
está perpendicular ao campo?
b) Sob que condições a forma de onda não será
senoidal?
8) O que é força magnetomotriz? Relacione os principais
fatores que a afetam.
9) O que é relutância?
10) Defina corrente de excitação ou de campo.
11) Como tal corrente se relaciona com o fluxomagnético?
12) Explique, de forma simplificada, o porque da
saturação de um material magnético.
13) Qual é o efeito sobre um condutor percorrido por
corrente elétrica, quando este está imerso em um campo
magnético? Mostre o sentido das várias grandezas
interrelacionadas.
14) Cite, pelo menos, dois problemas em máquinas
elétricas que tem origem na força de Lorentz.
15) Como é possível o surgimento de conjugado em uma
espira imersa em um campo magnético e percorrido por
corrente?
16) O que é ação motora e geradora?
17) Mostre os fatores que influenciam a potência
mecânica no eixo de uma máquina elétrica.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 1: Conceitos Fundamentais Sobre Eletromagnetismo - 5
18) Quais as diferenças entre gerador e motor,
considerando-se o conjugado e a velocidade.
19) Para que um motor execute uma ação geradora, o que
poderia ser feito?
20) Mostre, igualmente, como é possível reverter o fluxo
da potência elétrica.
21) Por que se diz que ação geradora é uma ação de
frenagem?
22) No sentido citado na questão anterior, porque um
gerador fornece energia continuamente, sem haver sua
parada total?
23) O que são os quatro quadrantes de operação de uma
máquina elétrica? Ilustre através de um desenho.
24) Explique como se aplica a Lei de LENZ à ação motora
e à geradora.
25) Explique, ilustrando através de um desenho, a
afirmativa de que a ação geradora sempre é
acompanhada de uma ação motora e vice-versa.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 2: Princípio de Funcionamento dos Geradores Síncronos - 6
CAPÍTULO 2: PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
DOS GERADORES SÍNCRONOS
“Não interrompa uma pessoa que lhe conta uma história que você já sabe. Uma história
nunca é contada duas vezes da mesma maneira e é sempre bom ter mais uma versão”
Golbery do Couto e Silva
RESUMO
Este texto analisa o princípio de funcionamento dos
geradores síncronos mono e trifásicos. São mostradas as
grandezas básicas e fornecidos alguns termos utilizados
no jargão técnico.
1.0 - INTRODUÇÃO
Máquinas síncronas são conversores rotativos
que transformam energia mecânica em elétrica, ou vice-
versa, utilizando-se dos fenômenos da indução e
conjugados eletromagnéticos. Assim, podem exercer uma
ação motora ou geradora.
Um motor síncrono apresenta aspectos
construtivos similares ao do gerador e, sendo assim,
diferem apenas na forma de serem empregados. A
máquina atuando como motor absorve energia elétrica de
uma fonte de tensão alternada para desenvolver um
conjugado que poderá acionar uma carga mecânica em
seu eixo. O gerador, por outro lado, tem a velocidade de
seu eixo estabelecida por uma máquina primária,
fornecendo energia elétrica com tensões e correntes
alternadas. Naturalmente, para que ambas as operações
sejam possíveis, é necessário que a máquina seja excitada
utilizando-se de uma fonte de energia elétrica contínua.
Observe-se que as máquinas elétricas, de uma
forma geral, são reversíveis, ou seja, um gerador síncrono
sob determinadas condições pode agir como motor, ou
vice-versa.
Quanto às aplicações dos geradores síncronos,
também conhecidos por alternadores, são óbvias pois
praticamente toda a geração de energia elétrica mundial
ocorre empregando este tipo de máquina elétrica.
Os motores síncronos são aplicados em
acionamentos onde a velocidade deve-se manter
constante e/ou com cargas de grande porte. Além disto, se
forem superexcitados, pode-se utilizá-los como
compensadores síncronos, atuando no nível de reativo do
sistema ao qual está ligado.
2.0 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO - GERADOR
MONOFÁSICO
Considere-se a figura 1 onde se mostra uma
espira imersa em um campo magnético uniforme, criado
pelos pólos Norte e Sul.
Figura 1 - Gerador elementar.
Sendo o fluxo constante e girando-se a espira
com uma velocidade angular ω definida, resulta em
movimento relativo entre esta e o campo. Desta forma,
pela lei de Faraday-Lenz, nos terminais desta espira será
induzida uma tensão, a qual poderá ser aplicada a um
circuito externo através de anéis coletores escovas.
Analisando-se o fluxo e adotando-se a espira
como referência, pode-se dizer que este é variável no
tempo e dado por:
φ = φn cosωt = BA cosωt (1)
como:
e N
d
dt
= −
φ
 (2)
tem-se:
e E tmax= senω (3)
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 2: Princípio de Funcionamento dos Geradores Síncronos - 7
Assim, verifica-se que a força eletromotriz
induzida é alternada, como representado na figura 2.
Observe-se que, conforme diminui o número de linhas
cruzando a espira, aumenta-se a tensão induzida e, vice-
versa.
Figura 2 - Força eletromotriz induzida nos terminais de
uma espira.
Da figura 2 tem-se que a espira ao chegar no
ponto 3, polaridade da tensão induzida inverte. Em outras
palavras, o fluxo magnético que atravessa a espira a partir
de uma de suas faces, o faz na face oposta.
A cada giro da espira obtém-se um ciclo
completo da tensão gerada; o mesmo é válido para cada
par de pólos (p) distribuídos alternadamente (um norte e
um sul). Se a rotação da espira é “n” rpm e “f”, a
freqüência da tensão induzida (Hertz), resulta:
f
pn
=
60
 (4)
onde:
p = pares de pólos; e, n = velocidade em rpm.
Observe-se que, até o presente ponto, os pólos
estão representados por ímãs permanentes. Entretanto, em
geral, a formação do campo magnético ser dá através de
eletroímãs, ou seja, pela circulação de corrente contínua
em espiras localizadas ao redor das chamadas “sapatas
polares”. A este conjunto de espiras denomina-se
“enrolamentos de campo”.
Por outro lado, na figura 1, observe-se que a
tensão induzida pode ser aplicada a um circuito externo
através de um conjunto de anéis e escovas.
Naturalmente, para potências elevadas este
sistema não é adequado. Em outras palavras, para
máquinas reais tem-se várias espiras ao invés de uma,
constituindo um circuito estático denominado
“enrolamento da armadura” e pólos girantes.
Assim, a alimentação do enrolamento de campo
é efetuado por uma fonte de energia elétrica contínua
externa à máquina através dos anéis coletores e escovas,
já que os níveis de corrente e tensão deste circuito são
menores que o da armadura para alternadores comerciais.
A figura 3 mostra esquematicamente os pólos
girantes e respectivo enrolamento de campo.
Figura 3 - Pólos girantes e enrolamento de campo.
Dependendo da velocidade básica da máquina
primária podem ser utilizados mais pólos, de modo a se
obter uma determinada freqüência, conforme se verifica
na expressão(4). A figura 4 mostra um rotor com vários
pólos (roda polar).
Figura 4 - Roda polar
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 2: Princípio de Funcionamento dos Geradores Síncronos - 8
Uma representação simplificada da máquina
com pólos girantes e armadura fixa é mostrada na figura
5.
Figura 5 - Gerador monofásico simplificado - Armadura
fixa e pólos girantes.
Note-se que, em máquinas reais, utiliza-se várias
espiras para formar o enrolamento e, o mesmo, é
distribuído ao longo da armadura e não concentrado
como mostrado na figura 5.
3.0 - PRINCÍPIO DE FUNCINAMENTO - GERADOR
TRIFÁSICO
O emprego de geradores monofásicos são
restritos a poucos casos, sendo os trifásicos os mais
utilizados.
Em princípio, pode-se considerar que o
alternador trifásico é composto por três monofásicos
iguais construídos em uma mesmamáquina, dispostos a
um ângulo equivalente a 120o elétricos um do outro como
mostrado na figura 6.
Figura 6 - Gerador trifásico elementar - enrolamentos
concentrados.
Considerando-se que, na figura 6, os
enrolamentos A-A’, B-B’ e C-C’ são três geradores
monofásicos independentes (ou fases), tem-se como
resultado a indução de três tensões distintas. Entretanto,
verifica-se que, obrigatoriamente, o zero de cada uma
delas se dará a 120o das tensões induzidas nos
enrolamentos.
Por outro lado, idealmente, para que as tensões
sejam simétricas, o número de espiras do enrolamento de
cada fase deve ser igual.
Note-se que, estando a máquina em operação a
tensão gerada poderá ser alterada apenas se houver
atuação na velocidade do rotor e do fluxo magnético, o
qual por sua vez depende da corrente de excitação (ou de
campo).
A figura 7 mostra as tensões geradas pelo
gerador trifásico elementar em análise.
Figura 7 - Tensões induzidas nos enrolamentos de um
alternador trifásico.
Para que haja circulação de correntes nos
enrolamentos, eles poderão ser conectados em delta ou,
geralmente, em estrela.
Nas máquinas reais, reafirma-se, os
enrolamentos são distribuídos ao longo da armadura de
tal modo que se obtenha uma forma de onda de tensão o
mais próximo possível da senoidal. Além disso, assim
como nos geradores monofásicos, pode-se ter vários
pólos conforme a velocidade básica da máquina primária.
4.0 - CONSIDERAÇÕES SOBRE TENSÕES
INDUZIDAS
4.1 - Distribuição de Fluxo
Denomina-se bobina a um conjunto de “N”
espiras em série. Se, por outro lado, a máquina possui “p”
pares de pólos e bobinas idênticas, as quais estão alojadas
sobre cada par de pólos na mesma posição em relação a
eles, o enrolamento é dito concentrado. Este é o caso
esquematizado na figura 6.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
________________________________________________________________________________
 Capítulo 2: Princípio de Funcionamento dos Geradores Síncronos - 9
A distribuição do fluxo no entreferro da máquina
para um enrolamento concentrado é a mostrada na figura
8a, e para dois pólos consecutivos (um norte e um sul) na
figura 8b.
Figura 8 - Distribuição de fluxo no entreferro.
Na figura 8 tem-se:
“τ” - passo polar;
“e” - tensão induzida;
1-1 - início - fim da bobina.
Para a situação da figura 8, a tensão deverá ter a
mesma forma de onda que a distribuição de fluxo
mostrada e, como se verifica, ela é alternada, mas não
senoidal. Portanto, contém harmônicos, que no caso,
serão múltiplos ímpares da freqüência fundamental.
Os geradores devem ser projetados para
fornecerem tensões cujas formas de onda sejam
basicamente senoidais, ou seja, contenham a menor
distorção possível. Observe-se que níveis elevados de
harmônicos podem causar vibrações, ruídos, perdas no
núcleo devido às altas freqüências presentes, bem como,
um acréscimo nas perdas por efeito Joule nos
enrolamentos do estator.
Os fabricantes de geradores utilizam
considerações especiais de projeto para minimizar a
influência destes harmônicos sobre a forma de onda
resultante. Além de um formato adequado dos pólos e
entreferros convenientes, adota-se medidas relacionadas
com os enrolamentos da armadura, os quais, como se
sabe, influem diretamente na tensão gerada.
4.2 - Fator de Distribuição
Uma das medidas citadas anteriormente é
executar um arranjo uniforme distribuído dos
enrolamentos. Em outras palavras, tem-se que o número
de espiras requeridas por par de pólo não e concentrado
em uma bobina, mas sim distribuída entre diversas
bobinas conectadas em série e alojadas em “q” ranhuras.
A figura 9 ilustra o exposto.
Figura 9 - Enrolamentos distribuídos.
Verifica-se na figura 9 que o bobinado está
distribuído em duas ranhuras por fase e por pólo. O
enrolamento completo contém 8 bobinas, agrupadas aos
pares e cada duas estão deslocadas uma em relação a
outra.
A figura 10 mostra a distribuição de fluxo para
um enrolamento distribuído e a forma de onda de tensão
obtida.
Figura 10 - Distribuição de fluxo e forma de onda de
tensão.
Note-se na figura 10 que existem “q” ranhuras
(no caso cinco) sofrendo a influência de um dos pólos.
Como a distância entre pólos (passo polar) é 180o
elétricos tem-se que o ângulo elétrico entre ranhuras é:
q
180
q
o
e ==
τ
α (5)
No caso mostrado na figura 10,
o
e 36=α elétricos (6)
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 2: Princípio de Funcionamento dos Geradores Síncronos - 10
Como uma ranhura forma αe graus com a
ranhura seguinte, a tensão induzida na primeira estará
defasada de αe da segunda. Sendo assim, a tensão total
será a soma fasorial (geométrica) destas tensões, como
explicitando na figura 11.
Figura 11 - Tensões induzidas.
Se αe fosse nulo, a soma das tensões seria
aritmética (enrolamentos concentrado), o que fornece um
valor de tensão maior, sendo assim, define-se “fator de
distribuição” por:
Tensões das ritmeticaA Soma
nsõesTe das eometricaG Soma
kd = (7)
Observe-se que a soma aritmética das tensões
correspondente a “αe” nulo, ou seja, equivalente à tensão
induzida em enrolamento concentrado. Desta forma,
resulta:
TCdTOT E.kE = (8)
onde :
ETOT - tensão total induzida no enrolamento distribuído;
ETC - tensão total induzida no enrolamento concentrado,.
Note-se que, o fator de distribuição apenas é
afetado pelo número de ranhuras distribuídas sob um
dado pólo. O número de ranhuras, por outro lado, pode
ser fracionário. Pode-se dizer de forma bastante
generalizada, que máquinas de grande porte possuem
número de ranhuras fracionárias por pólo.
Pelo exposto, verifica-se que, obrigatoriamente,
tem-se:
1k0 d ≤≤ (9)
A análise da expressão (9) leva a uma questão:
por que utilizar-se de um fator de distribuição menor que
a unidade, já que a tensão induzida será menor que a de
um hipotético enrolamento concentrado.
A resposta torna-se óbvia se for considerado que
os harmônicos de tensão também seguem as expressões
(7) e (8), ou seja:
Harmônico Dado um/p Tensões Aritmética Soma
armônicoH adoD um/p ensõesT Geométrica Soma
kdv = (10)
e
tcVdvTOTV E.kk = (11)
onde:
Kdv - fator de distribuição para um harmônico de tensão
de ordem v;
ETOTV - soma geométrica das tensões para a “v-ésima”
freqüência múltipla da fundamental;
ETCV - soma aritmética das tensões para a “v-ésima”
freqüência múltipla fundamental.
Assim, pela escolha adequada do fator de
distribuição pode-se eliminar ou reduzir harmônicos de
tensão.
Quanto a este aspecto verifica-se que um número
de ranhuras fracionárias por pólo comporta-se melhor que
o inteiro.
4.3 - Fator de Passo
O passo de uma bobina é a distância média em
graus elétricos, entre os seus dois lados. Quando o passo
de uma bobina é igual ao polar, tem-se o chamado “passo
pleno”, ou seja:
Figura 12 - Bobina de passo pleno.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 2: Princípio de Funcionamento dos Geradores Síncronos - 11
Se, y < τ , diz-se que a bobina possui “passo
curto” ou “fracionário”.
A utilização de bobinas com passo fracionário é
quase universal pois possui as seguintes vantagens sobre
as com passo pleno:
a) consegue-se economizar cobre na parte
inativa da bobina (cabeça da bobina);
b) permite reduzir ou eliminar a distorção na
forma de onda de tensão causada por
harmônicos.
Figura 13 - Bobina da armadura.
Se um enrolamento possui um passo de 2/3 isto
significa que os dois lados da bobina estão dispostos a
(2/3) 180o ou 120o elétricos. A figura 14 mostra uma
bobina de passo fracionário inserida na armadura de umamáquina com quatro pólos.
Figura 14 - Bobina de passo fracionário.
Na figura 14, verificou-se que o ângulo
mecânico (ou físico) entre ambas as partes da bobina é de
60o; isto se deve ao fato de que:
me .p αα = (14)
onde:
−mα graus mecânicos.
Portanto, para uma máquina com dois pares de
pólos e 
o
e 120=α elétricos, tem-se:
oe
m 602
120
p
===
α
α mecânicos (15)
A bobina com passo fracionário,
obrigatoriamente, induzirá uma tensão menor que o passo
pleno, ou seja:
TCpTOT E.kE = (16)
onde:
kp - fator de passo.
Pelo exposto, verifica-se que:
1k0 p ≥≥ (17)
Para os harmônicos de tensão, obtém-se:
E kpv ETOTV TCV= . (18)
onde:
kpv - fator de passo para um harmônico de tensão de
ordem v.
Desta forma, pela escolha adequada do fator de
passo pode-se eliminar ou reduzir harmônicos de tensão.
4.4- F.E.M. induzida nos enrolamentos da armadura.
Chamando de “m” o número de fases de uma
máquina síncrona e que um enrolamento possua “Nb”
bobinas com “Ne” espiras, tem-se que o número total de
espiras em uma fase é:
m
N.N
N eb= (19)
Assim, a tensão gerada por fase é dada por:
θ.f.N.k.k.44,4E dp= (20)
sendo:
f - freqüência [Hz]; e
θ - fluxo magnético [Wb/m2].
Para um harmônico de ordem “v”, tem-se:
vvdvpvv .f.N.k.k.44,4E θ= (21)
onde:
fv - freqüência múltipla da fundamental [Hz];
θv - harmônico de fluxo magnético [Wb/m2].
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 2: Princípio de Funcionamento dos Geradores Síncronos - 12
Observe-se que atuando-se adequadamente nos
fatores de passo e de distribuição é possível eliminar ou
reduzir os níveis harmônicos de tensão, fazendo com que
a forma de onda da tensão resultante se aproxime de uma
senoide.
4.5. Formas de onda de tensão gerada
Como visto, os geradores devem ser projetados
para fornecerem tensões cujas formas de onda sejam
basicamente senoidais, ou seja, contenham a menor
distorção possível.
A distribuição harmônica pode ser definida
através de:
E
E
FD
n
v∑
=
2
 (22)
onde:
Ev - valor eficaz da componente harmônica de ordem
“v”, com v > 1;
E - valor eficaz da tensão incluindo a fundamental.
É possível utilizar-se outro fator para avaliar a
forma de onda gerada, denominado “fator de desvio
(FDv)”, ele é definido por (23).
E
v E
E
FD
∆
= (23)
onde:
∆E - máximo desvio da forma de onda da tensão gerada
em relação a uma onda de tensão senoidal equivalente;
EE - amplitude da senoide equivalente.
Por outro lado, uma das mais importantes
considerações em relação à forma de onda é o chamado
“fator de interferência telefônica (FIT)”. O FIT é medido
do efeito indutivo de um sistema de potência sobre
circuitos telefônicos próximos, o qual se traduz em ruídos
no aparelho receptor. Note-se que a audição humana não
é muito sensível a sons com freqüência de ressonância
usual de aparelhos telefônicos comuns.
Naturalmente, a forma de onda do gerador pode
causar o efeito descrito e o seu FIT deve ser determinado.
Existem dois tipos de FIT, ou seja:
a) FIT balanceado: o efeito citado pode ser
efetivamente neutralizado pela transposição
dos condutores de linhas e é o único tipo
presente em enrolamentos em delta; estrela
com neutro isolado ou máquinas com passo
de bobina de 2/3;
b) FIT - valor residual: é a medida das
freqüências múltiplas do terceiro harmônico,
as quais não podem ser eliminadas pela
transposição e são consideravelmente mais
indesejáveis que o balanceamento,
principalmente em sistema aterrado.
O FIT pode ser calculado por:
U
E...EE
(%)FIT
2
v
2
v
2
2
2
2
2
1
2
1 τττ +++
= (24)
onde:
Ev - valor eficaz do harmônico da ordem “v” da tensão
de linha nos terminais da máquina;
U - valor eficaz da tensão de linha nos terminais;
τv - fator de ponderação para a freqüência correspondente
ao harmônico de ordem “v”.
5.0 - CONEXÕES DOS ENROLAMENTOS DA
ARMADURA
Os enrolamentos da armadura da maioria dos
geradores trifásicos são conectados em ligação estrela.
Por outro lado, geradores de pequeno porte permitem
religações de modo a poderem fornecer pelo menos duas
tensões diferentes.
O enrolamento de cada fase é dividido em duas
partes iguais. Se ligada as duas partes em série, cada uma
ficará submetida à metade da tensão gerada. Outrossim,
executando a conexão em paralelo das duas partes, a
tensão dos enrolamentos será a metade da anterior. A
figura 15 exemplifica.
Figura 15 - Ligação série-paralela.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 2: Princípio de Funcionamento dos Geradores Síncronos - 13
Naturalmente é possível executar a conexão
série paralela para a ligação delta.
Se desejado um terceiro nível de tensão,
intermediário entre os possíveis na conexão (por exemplo
380 [V], no caso da figura 15), é comum executar a
conexão série e atuar no sistema de excitação da
máquina.
Observe-se que, em motores síncronos, ainda é
possível utilizar a conexão estrela-triângulo.
As características desta ligação são:
a) Redução do custo do isolamento pois a
tensão na fase é 58% menor que as tensões
nos terminais (linha). O número de espiras
por fase são 58% menor que na conexão
delta para a mesma tensão;
b) Existência de neutro, o qual poderá ser
aterrado se desejado;
c) Eliminação de eventuais terceiros
harmônicos das tensões de linha bem como
de seus múltiplos.
Em alguns geradores trifásicos de pequeno porte
é possível executar a conexão “zig-zag” para aplicações
em circuitos monofásicos. Este tipo de conexão é
mostrado na figura 16.
Figura 16 - Conexão zig-zag.
Na conexão zig-zag, a potência de saída fica
reduzida em 33% em relação a conexão estrela.
QUESTÕES
1) O que são máquinas síncronas?
2) O que é um motor síncrono? Idem para um gerador.
3) Em que eles se diferem?
4) Quais são as aplicações dos motores síncronos? Idem
para os geradores.
5) Descreva o princípio de um gerador síncrono
monofásico.
6) Defina os termos “Armadura” e “Excitação” em uma
máquina síncrona.
7) Explique por que as grandezas induzidas possuem
uma freqüência dada por pn/60.
8) O que é roda polar?
9) Dê três razões para que os geradores síncronos
possuam armaduras estacionárias e pólos girantes.
10) Os enrolamentos em um gerador síncrono são
concentrados ou distribuídos ao longo da armadura?
Por que?
11) Descreva o princípio de funcionamento do gerador
trifásico.
12) Por que, em geral, os enrolamentos de um gerador
síncrono trifásico estão conectados em estrela?
13) O que é um enrolamento concentrado? Por que a
máquina não deve ter esta forma de enrolamento?
14) O que é um enrolamento distribuído? Por que ele é
interessante?
15) Explique o que são os fatores de passo e de
distribuição.
16) O que significa dizer que uma bobina tem passo
fracionário?
17) O que são harmônicos?
18) Quais os problemas que eles causam?
19) Sendo a distribuição de fluxo na máquina alternada,
mas não senoidal, o que se deve fazer para reduzir
os harmônicos da tensão gerada?
20) O que é fator de interferência telefônico (FIT)?
21) Pesquise sobre os limites para o FIT e harmônicos de
tensão em um gerador síncrono?
22) Explane, genericamente, como pode se conectar os
enrolamentos de um alternador trifásico.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 2: Princípio de Funcionamento dos Geradores Síncronos - 14
23) Porque os enrolamentos da armadura da maioria dos
geradores síncronos trifásicos são conectados em
ligaçãoestrela
24) Há possibilidade de um mesmo conjunto de
enrolamentos ser conectados para várias tensões?
Como?
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 15
CAPÍTULO 3: PARTES E ACESSÓRIOS DOS
GERADORES SÍNCRONOS
“O supérfluo é uma coisa muito necessária”
Voltaire
RESUMO
Apresenta-se a seguir as partes componentes das
máquinas síncronas, suas descrições e alguns dos
aspectos tecnológicos envolvidos em sua construção.
1.0 - INTRODUÇÃO
As máquinas elétricas rotativas, de uma forma
geral, possuem os seguintes componentes básicos:
a) Circuito magnético, o qual ë responsável
pela condução do fluxo magnético;
b) Enrolamentos da armadura (induzido), nos
quais são induzidas as tensões;
c) Enrolamento de campo, nos quais circulam
correntes que serão responsáveis pela criação
do campo magnético;
d) Componentes mecânicos, os quais podem ser
fixos, para suportar e proteger as partes
eletromagnéticas, e rotativos, para a
transmissão de energia;
e) Isolamento elétrico, composto de isolantes
sólidos (como papel e vernizes) e são
responsáveis pelo nível de tensão admissível
entre as diversas partes da máquina.
As partes fixas são denominadas genericamente
de "estator" e as móveis de "rotor".
Por outro lado, as máquinas síncronas
comerciais, na maioria absoluta dos casos, são
construídas com pólos girantes e armadura estacionária.
A título de ilustração do conjunto como um todo,
a figura 1 mostra um gerador síncrono desmontado.
2.0 - CLASSIFICAÇÃO DOS GERADORES
SÍNCRONOS
Não existe uma classificação normalizada dos
geradores síncronos, porém é interessante do ponto de
vista técnico agrupá-los como segue:
2.1 - Quanto ao Número de Fases
Eles podem ser monofásicos ou polifásicos
(normalmente trifásico).
Figura 1 - Gerador síncrono (Usina da REPI - Wenceslau
Brás/MG -IMBEL)
2.2 - Quanto ao rotor
O rotor poderá possuir pólos salientes ou lisos
(rotor cilíndrico)
O primeiro tipo de gerador possui no rotor, pólos
magnéticos individuais e salientes, como mostra a figura
2. São acionados, na maioria das vezes, por turbinas
hidráulicas (por exemplo, Francis, Pelton ou Kaplan) e o
seu rotor recebe o nome de roda polar.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 16
Figura 2 - Pólos salientes de uma máquina síncrona.
O gerador de pólos lisos possui o rotor com
forma cilíndrica, em cuja periferia o enrolamento de
campo é alojado em ranhuras. São projetados para
funcionarem em altas velocidades e recebem o nome de
“turbogeradores”. Em geral, são acionados por turbinas à
vapor, a gás ou por motores à explosão, como o Diesel.
1) anéis coletores; 2) anel de bandagem;
3) circuito magnético; 4) cunha não magnética;
5) ventilador; 6) eixo.
Figura 3 - Vista de um rotor com pólos lisos.
Em relação às máquinas primárias citadas, as
figuras 4, 5 e 6 mostram rotores de turbinas hidráulicas,
enquanto a figura 7, uma instalação com um turbogerador
(vapor) e a figura 8, grupos Diesel.
Figura 4 - Rotor de uma turbina Kaplan.
Figura 5 - Rotor de uma turbina Francis.
Figura 6 - Rotor de uma turbina Pelton.
Figura 7 - Instalação com turbogerador.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 17
Figura 8 – Grupo Diesel
2.3 - Quanto à posição do eixo
Podem ter eixo vertical ou horizontal.
Os geradores acionados por máquinas primárias,
tais como Diesel, turbinas a vapor, a gás ou Pelton,
possuem eixo horizontal. Este também é o caso da
maioria dos grupos para pequenas centrais hidrelétricas,
como exemplificado na figura 9.
Figura 9 - Gerador de eixo horizontal (Usina São José -
Divinópolis - MG)
Os geradores de médio e grande porte acionados
por turbinas hidráulicas, possuem eixo vertical, como o
mostrado na figura 10.
Figura 10 - Máquina síncrona de eixo vertical (Usina do
Vigário - Barra do Piraí/RJ - LIGHT).
2.4 - Quanto ao sistema de excitação
Podem ser excitados por uma fonte de energia
elétrica externa ou pela própria energia gerada
devidamente retificada (auto-excitada); assim, tem-se:
a) Excitatriz Rotativa: Em geral, um gerador de
corrente contínua acionado pelo eixo do gerador.
Neste caso tem-se “excitação própria”. Necessita de
escovas para alimentação de campo.
Figura 11 - Grupo de eixo horizontal e excitatriz rotativa
b) Excitatriz “Brushless”: Neste tipo de excitatriz, a
tensão de alimentação do campo é retificada por um
conversor rotativo localizado no eixo da máquina.
Somente pode ser considerada como excitação
independente se possuir um gerador de ímã
permanente de pólos fixos e armadura girante. Como
o próprio nome diz, não possui escovas para a
alimentação do campo.
Figura 12 - Gerador Brushless Toshiba de 20 MVA.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 18
c) Auto-Regulado: a corrente de campo é proporcional à
corrente fornecida pelo alternador. Para que isto seja
possível, utiliza-se de transformadores de corrente e
ponte retificadora externa à maquina. Necessita de
escovas.
Figura 13 - Gerador Auto Regulado (Fabricação
Bambozzi)
d) Excitatriz Estática: A tensão de alimentação do
campo provém de uma fonte independente do
alternador, sendo retificada por conversores
estáticos. A alimentação do campo é feita através de
escovas.
Figura 14 - Painel de excitatriz estática.
3.0 - PARTES COMPONENTES DO ESTATOR
Fazem parte do estator: a carcaça da máquina,
os enrolamentos e o núcleo magnético da armadura, os
mancais e, eventualmente, as escovas para alimentação
do campo.
Figura 15 - Armadura, carcaça e enrolamentos de gerador
Siemens de 10 MVA (Hidrelétrica de Paranoá,).
3.1 - Carcaça
A carcaça é a estrutura que suporta o núcleo do
estator é composta por chapas e perfis de aço.
Os esforços sobre carcaça são das mais variadas
ordens podendo-se citar, principalmente, àqueles devido
ao conjugado atuando no sentido radial, ao peso morto do
estator (incluindo-se aí, o peso do rotor e pressão da água,
no caso das máquinas verticais), as forças magnéticas de
arrasto e a expansão térmica.
Os estatores de máquinas horizontais de médio e
grande porte são ancorados e sustentados pelo chamado
"anel de base", o qual, por sua vez, se encontra ancorado
na estrutura de concreto armado e servem de apoio à
cruzeta inferior. Esta, por sua vez, é uma estrutura
metálica cuja função é servir de suporte adequado aos
mancais de escora e aos macacos hidráulicos de
levantamento do rotor (no caso de Itaipú, por exemplo),
bem como, servir de sustentação para rotor. Os esforços
citados anteriormente são transmitidos às fundações por
ambos os componentes descritos, os quais são mostrados
na figura 16.
Figura 16 - Anel de base e cruzeta inferior (Itaipú)
Na face externa da carcaça podem existir
trocadores de calor, conforme a potência da máquina. A
figura 17 mostra o corte em um radiador utilizado em
turbogeradores.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 19
Figura 17 - Corte de radiadores de turbogeradores
3.2 – Núcleo da Armadura
Normalmente montado com chapas de aço-
silício de alta permeância, visando reduzir as perdas por
histerese e Foucault. As chapas são prensadas através de
tirantese fixas à carcaça por meio de apoio ou
parafusamento. O núcleo pode possuir canais de
ventilação e, em sua parte inferior, existem ranhuras no
sentido vertical para abrigar o enrolamento da armadura.
Figura 18 - Núcleo da armadura (Usina de Itaipú)
3.3 – Enrolamentos do Estator
Os enrolamentos da armadura são constituídos
por bobinas formadas por condutores inseridos nas
ranhuras do núcleo e, normalmente, estão ligados em
estrela.
Os enrolamentos podem ser do tipo ondulado ou
imbricado, conforme mostrado nas figuras 19 e 20,
respectivamente. Nas figuras o rotor e a armadura estão
retificados.
Figura 19 - Enrolamento Ondulado.
Figura 20 - Enrolamento Imbricado.
Para a escolha do tipo de enrolamento é decisivo
o número necessário de conexões ao circuito, bem como
o dimensionamento axial da cabeça do enrolamento.
Enrolamentos ondulados são utilizados
especialmente em máquinas com maior número de pólos,
pois, neste caso, o passo polar é, geralmente, pequeno e o
fato de se ter um maior dimensionamento axial da cabeça
do enrolamento do que em enrolamentos imbricados não
é de grande importância. Pelo contrário, a possibilidade
de se reduzirem as conexões no circuito em enrolamentos
ondulados, garante vantagens construtivas consideráveis.
Adicionalmente deve ser observado o fato de uma
simplificação em máquinas, cujo enrolamento ondulado
possibilita circuitos em paralelo, sem anel de ligação.
Para as máquinas com pequeno número de
pólos, onde normalmente o passo polar é grande, é
preferível utilizar o enrolamento imbricado. Aqui a
vantagem do menor dimensionamento axial da cabeça do
enrolamento é mais importante que a desvantagem da
maior quantidade de conexões no circuito, sendo esta
correspondência, automaticamente, três vezes a
quantidade de pólos, em máquinas trifásicas.
As grandes máquinas usualmente utilizam
enrolamentos de barra em duas camadas, ou seja, cada
ranhura do estator contém duas barras.
Conforme [1], as barras de base (camada
inferior) e as barras acima destas (camadas superiores)
são inseridas na ranhura com um deslocamento de um
passo polar e ligadas uma à outra pelos seus lados
frontais.
Com esse arranjo e com a forma dada aos lados
frontais das barras forma-se um enrolamento com a
aparência de uma abobada. Essa forma é mais favorável
com respeito à configuração mecânica como também às
propriedades elétricas. A substituição de uma barra por
uma de reserva é fácil, pois a maioria delas é idêntica.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 20
O enrolamento de barras garante com suas
propriedades térmicas e mecânicas a máxima segurança
de funcionamento.
Curto-circuitos nas espiras ficam praticamente
excluídos, pois cada barra contém somente uma espira, e,
assim, a isolação da espira é idêntica à isolação principal.
A aplicação e o dimensionamento do enrolamento de
duas camadas de barras é devido à intensidade de
corrente do condutor.
As barras são construídas com numerosos
condutores parciais de seção mínima, conforme mostrado
na figura 21, isolados um contra o outro e ligados em
paralelo formando a chamada barra Roebel ilustrada na
figura 22.
Figura 21 - Seção transversal de uma ranhura
Figura 22 - Barra Roebel (com condutores parciais
transpostos).
Na barra Roebel, os condutores parciais são,
geralmente, posicionados em duas camadas vizinhas, na
direção da largura da ranhura.
Ainda conforme [1], a transposição dos
condutores parciais é feita de tal modo que todos eles
passem, no percurso do comprimento do núcleo, em cada
posição possível dentro da altura da barra. Tal formação
garante um fluxo transversal na ranhura
aproximadamente igual para cada condutor parcial.
Assim, a corrente se distribui uniformemente pelos
condutores parciais e as perdas adicionais são causadas
pelos condutores parciais e aquelas causadas pelo
deslocamento da corrente na ranhura, são muito
reduzidas.
Os condutores parciais são continuamente
isolados, dentro da ranhura e na cabeça do enrolamento.
Nas curvaturas em "S", como afirma [1], a
isolação dos condutores é reforçada com peças de tecido
de mica.
Para dar consistência e estabilidade a essa
formação de condutores, a barra é comprimida
empregando-se uma prensa com aquecimento elétrico e
mantendo-se, assim, as dimensões invariáveis na zona de
ranhura. Os espaços ocos restantes nas curvaturas "S" são
preenchidos com uma massa especial.
As barras assim pré-tratadas são envolvidas com
fita de mica em várias camadas, com meia-sobreposição
de maneira contínua sobre o lado frontal e de base da
barra.
A quantidade das camadas e, com isso, também
a espessura total do isolante, depende da tensão da
máquina.
Em cima destas camadas coloca-se como
proteção mecânica uma camada de fita de mica reforçada
com fibra de vidro. As barras assim envolvidas devem
secar em uma estufa. Depois, em um tanque tipo
Autoclave, as barras são impregnadas a vácuo com
resina, a qual garante uma penetração perfeita na isolação
devido a sua baixa viscosidade. As barras impregnadas
são colocadas em moldes com dimensões determinadas, e
endurecidas em estufa a temperatura elevada [1].
No caso de grande quantidade de barras, as
mesmas são fixadas em grupos de moldes de
impregnação após o envolvimento com a fita de mica.
Posicionadas no molde, elas são impregnadas a vácuo
ainda com resina e endurecidas em estufa a alta
temperatura.
A isolação das barras Roebel corresponde à
classe de isolação F.
As barras são inseridas nas ranhuras,
empregando-se fitas de escorregamento e de enchimento.
A ranhura é fechada com uma cunha e entre as barras
superiores e inferiores são colocados separadores.
Cada barra é inserida numa caixa em forma de
"U", de material semicondutor [1]. Entre a caixa e a barra
é aplicada, se necessário, uma camada de massa de resina
condutiva seca a frio.
Esta impede, através do assentamento da caixa
sem tolerância, o deslocamento da barra e garante uma
fixação mecânica das barras com o núcleo do estator,
devido à formação de um ressalto (uma borda côncava)
da massa nos canais de ventilação do núcleo [1].
Em máquinas com tensão nominal superior a 5
kV, as barras são completamente isoladas e possuem em
suas superfícies, dentro da ranhura, uma camada de
verniz condutivo para a proteção externa contra corona.
Essa isolação impede, juntamente com a caixa condutiva
em "U" e a massa de resina, eventuais diferenças de
tensão e com isso a descarga elétrica de corona entre a
barra e a face da ranhura. Além disso, as barras de
máquinas com tensão nominal superior a 7,5 kV recebem
na região externa da ranhura, uma camada semi-
condutiva (proteção contra corona nas extremidades), a
qual serve para controle do fluxo eletrostático do campo
no local da passagem da face da ranhura para superfície
frontal da barra.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 21
Em máquinas síncronas de médio porte,
usualmente, os enrolamentos são montados com a
bobinas pré-formadas. Dependendo do passo polar,
alguma deformação não pode ser evitada durante a sua
instalação nas ranhuras da armadura. De forma a prevenir
eventuais danos ao isolamento das bobinas, elas são
isoladas com fitas de mica seca, inseridas nas ranhuras e
ligada. Após este procedimento, o estator completo é
impregnado a vácuo com resina epóxi isenta de solventes
e finalmente endurecido (curado). Esse método é
conhecido por Micadur-completo na denominação da
ABB ou impregnação total Micalist para Siemens ou o
ainda, Tostinght II, para a Toshiba.
A figura 23 mostra as ranhuras, núcleo, cunhas e
enrolamentos de uma máquinasendo montada.
Figura 23 - Armadura de máquina.
4.0 - PARTES COMPONENTES DO ROTOR
4.1 - Máquinas com Pólos Salientes
Em máquinas de pólos salientes de médio porte,
o rotor é composto, basicamente, pelas partes
relacionadas na figura 24.
1 - Cubo do rotor; 2 - Aranha; 3 - Pólos; 4 - Eixo; 5 - Enrolamento de campo;
6 e 7 - Enrolamento amortecedor.
Figura 24 - Roda polar de uma máquina de pólos
salientes
A figura 25 mostra tais componentes para um
dos geradores da Usina de Itaipú.
Figura 25 - Roda polar - Usina de Itaipú (Siemens).
Normalmente, o anel magnético é construído
com chapas lisas de aço, empilhadas e aparafusadas
juntas de modo a formar uma estrutura sólida tal que o
comprimento radial do entreferro varie uniforme e
consistentemente com o aumento ou diminuição da
velocidade do rotor na faixa de zero até a velocidade de
disparo.
A aranha, por sua vez, consiste em um cabo
fundido, forjado ou soldado com braços conectados, os
quais podem ser desaparafusados ou soldados conforme
as limitações de transporte.
O eixo, normalmente, é de aço forjado, usinado e
tratado termicamente.
Figura 26 - Eixo inferior (Usina de Itaipú).
4.2 - Pólos Salientes
Os pólos podem ser sólidos ou laminados
dependendo dos esforços mecânicos e do tipo de
operação da máquina.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 22
Os pólos sólidos apresentam uma baixa
resistência elétrica e, assim, proporcionam a circulação de
correntes parasitas (existentes devido aos harmônicos de
fluxo) com valores relativamente altos. Desta forma,
atuam como o enrolamento gaiola de um motor de
indução, quando da eventualidade de condições de
operação assíncrona. Por outro lado, os pólos laminados
limitam as correntes parasitas e, em conseqüência,
também o seu efeito de amortecimento. Neste caso, é
necessário empregar-se um enrolamento amortecedor
para a requerida estabilidade de operação.
Figura 27 - Pólos salientes sólidos.
O método de fixação dos pólos à aranha do rotor
depende dos esforços causados pela força centrífuga
desenvolvida em sobrevelocidade máxima ou na
velocidade de disparo. Para as máquinas de médio e
grande porte é comum usar-se pólos que podem ser
retirados axialmente e que são encaixados em rasgos par
denominados no jargão técnico por "cabeça de martelo" e
"rabo de andorinha".
A figura 28 mostra uma roda polar pronta para a
colocação dos pólos e a figura 29, os mesmos já
instalados em um encaixe do tipo "rabo de andorinha".
Figura 28 - Roda polar preparada para receber os pólos
(Usina de Itaipú)
Figura 29 - Pólos com encaixe do tipo rabo de andorinha
(destaque)
A figura 30 mostra um corte transversal rotor de
pólos salientes onde a sua fixação é do tipo cabeça de
martelo". Em algumas máquinas de menor porte e
concepção mais antiga é possível encontrar-se
cantoneiras para a fixação dos pólos.
1 - Pólos; 2 - Cunhas; 3 - Colar isolante; 4 - Isolamento do corpo do pólo; 5 -
Condutores do enrolamento de campo; 6 - isolamento entre espiras; 7 e 8 -
Enrolamento amortecedor; 9 - Barra de interligação entre enrolamentos
amortecedores; 10 - Cabeça de martelo.
Figura 30 - Pólos com encaixe do tipo "cabeça de
martelo".
Em máquinas pequenas todos os componentes
são montados em uma única peça.
As bobinas e cada pólo são interligados entre si
de tal forma que haja um Norte e um Sul intercalados. O
conjunto todo compõe o enrolamento de campo, o qual é
conectado à anéis coletores (excetuam-se as máquinas
"brushless").
As figuras 31 e 32, mostram, respectivamente, a
interligação dos pólos e os anéis coletores.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 23
Figura 31 - Interligação dos pólos.
Figura 32 - Anéis coletores e escovas.
Em algumas máquinas é possível encontrar-se
um anel coletor adicional no eixo, de forma a aterrá-lo e
evitar que correntes indesejáveis surgidas de eventuais
desequilíbrios magnéticos circulem pelos mancais. A
figura 33 ilustra o exposto.
Figura 33 - Anel para aterramento do eixo
4.3 - Enrolamentos amortecedores
É prática comum prover os geradores acionados
por turbinas hidráulicas com enrolamento amortecedor. 
Ele oferece as seguintes características
operativas:
a) Redução das sobretensões induzidas no
enrolamento do campo pelos surtos de tensão
que atingem o enrolamento do estator e pelas
condições desequilibradas no estator, tais
como falha em uma bobina;
b) Redução das sobretensões no enrolamento do
estator causadas por falhas desequilibradas
na máquina, particularmente em máquinas
ligadas à capacitâncias, tais como linhas de
transmissão;
c) Redução efetiva na oscilação da saída do
gerador ocasionalmente experimentada em
máquinas ligadas às suas cargas através de
circuitos com alta resistência;
d) Pequena ajuda à estabilidade do sistema pela
redução da magnitude das oscilações do rotor
da máquina;
e) Mantêm a operação com carga assimétrica, se
necessário;
f ) Permite a partida da máquina, como motor de
indução.
As várias barras do enrolamento amortecedor
(cilíndricas ou perfiladas) são conectadas entre si,
formando o que se denomina por grade. As grades podem
ser descontínuas ou contínuas como as mostradas nas
figuras 34 e 35.
Figura 34 - Enrolamento amortecedor em grade contínua.
Figura 35 - Detalhe do enrolamento amortecedor.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 24
As grades descontínuas são mais utilizadas
devido à sua simplicidade mecânica e por permitir a
remoção do campo de um pólo só, sem as interferências
que ocorreriam caso a grade fosse contínua. Este último
tipo é utilizado, em geral, em motores síncronos ou em
máquinas de usinas reversíveis.
4.4 - Maquinas com pólos lisos
A figura 36 representa o corte longitudinal de
um turbogerador.
1 - Rotor cilíndrico; 2 - Carcaça do estator com câmara de ar; 3 - Pacote de chapas
do estator; 4 - Cabeça das bobinas do enrolamento estatórico; 5 - Cobertura dos
enrolamentos; 6 - Placas defletoras de ar ; 7 - Terminais do estator; 8 - Mancais;
9 - Excitatriz; 10 - Canal de ar quente; 11 - Resfriadores de ar; 12 - Canal de ar
frio.
Figura 36 - Corte longitudinal de um turbogerador
As máquinas de pólos lisos possuem, na maioria
dos casos, apenas um par de pólos (excepcionalmente,
dois pares) e, assim, são bastante rápidas. Note-se que,
em turbogeradores bipolares de grande porte, é possível
ter-se velocidades periféricas da ordem de 150 a 170 m/s
ou de 100 a 125 m/s nas tetrapolares.
Naturalmente, as forças centrífugas
desenvolvidas à estas velocidades resultam em grandes
esforços mecânicos em certas partes do rotor, tornando-se
necessário que ele possua uma estrutura do tipo
monobloco e que o aço empregado seja mais resistente
(em grandes máquinas utiliza-se o cromo-níquel-
mobidileno).
Os enrolamentos de campo e os amortecedores
são acomodados em ranhuras longitudinais, fresadas ao
longo de todo o comprimento ativo do rotor. Tais
ranhuras podem ser radiais ou paralelas, como ilustrado
na figura 37.
Figura 37 - Tipos de ranhuras em máquinas com pólos
lisos
A análise da figura 37 permite concluir que
existe uma região (cerca de um terço do intervalo polar)
que propicia o efeito de pólo. Além disto, é fácil
verificar-se que o entreferro ao longo da periferia do rotor
varia muito pouco.
No lado acoplado, o rotor apresenta um assento
para mancal e pode ser equipado com uma flange para
acoplamento e, ainda, com um ventilador axial.No lado acoplado, encontra-se um assento para
mancal, normalmente um ventilador axial empregado, os
anéis coletores e a excitatriz, como ilustra a figura 38.
Evidentemente esta descrição não é válida para as
máquinas brushless.
Figura 38 - Anéis coletores e mancal de um turbogerador.
5.0 - CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os hidrogeradores de grande porte ainda
apresentam uma cruzeta superior como a da figura 39.
Figura 39 - Cruzeta superior (Usina de Itaipú)
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 25
Note-se que a cruzeta consiste em uma estrutura
metálica, na qual os braços tangenciam o anel central que
envolve o eixo superior do gerador e que está fortemente
aparafusada no concreto e no próprio estator. Aloja, em
seu centro, os mancais de guia superiores e serve de apoio
para os anéis coletores.
A título ilustrativo, as figuras 40 a 43 mostram
algumas das etapas para a montagem de uma das
máquinas da Usina de Itaipú
Figura 40 - Rotor sendo içado pela ponte rolante.
Figura 41 - Transporte do rotor para o poço do estator.
Figura 42 - Assentamento do rotor.
Figura 43 - Máquina montada.
QUESTÕES
1) Quais são os componentes básicos de um gerador?
2) Descreva suas funções.
3) Classifique os geradores quanto:
a) ao número de fases;
b) ao rotor;
c) a posição do eixo;
d) ao sistema de excitação.
4) Em relação aos tipos construtivos de rotores utilizados
em geradores síncronos, pergunta-se:
a) quais os fatores básicos que determinam a escolha
do tipo construtivo?;
b) como é possível distinguir-se entre os tipos
construtivos com base na aparência geral?
5) Em relação à posição do eixo do gerador diga, de uma
maneira geral, quais são as máquinas primárias.
6) Descreva, em linhas gerais, o que são as excitatrizes
rotativas e "brushless"
7) O que é uma excitatriz estática?
8) O que são geradores auto-regulados?
9) Quais são as partes componentes do estator?
10) Descreva suas funções e como são constituídas.
11 ) Quais o tipos de enrolamentos da armadura?
12) Em linhas gerais, quais são os critérios para a escolha
de um determinado tipo de enrolamento?
13) Porque as grandes máquinas, usualmente, utilizam
enrolamentos de barra em duas camadas, ou seja, cada
ranhura do estator contém duas barras?
14) O que é barra Roebel? Porque é interessante a sua
utilização?
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 3: Partes Componentes dos Geradores Síncronos - 26
15) Quais são as partes componentes do rotor de uma
máquina de pólos salientes? Quais suas funções?
16) Quais são os tipos de fixação dos pólos salientes na
roda polar?
17) O que é enrolamento de campo?
18) O que são anéis coletores? Eles estão presentes em
todas as máquinas síncronas?
19) Porque em algumas máquinas utiliza-se um anel
coletor adicional no eixo?
20) 0 que são enrolamentos amortecedores?
21) Quais as suas características operativas?
22) Quais os seus tipos?
23) As máquinas de pólos salientes maciços,
normalmente, não utilizam enrolamentos amortecedores.
Explique o porque deste f ato.
24) Porque os turbogeradores são máquinas rápidas?
25) Quais as conseqüências deste fato?
26) Como são acomodados os enrolamentos
amortecedores e de campo em um turbogerador?
27) Mostre, ilustrando através de um desenho, que o
entreferro varia muito pouco ao longo da periferia do
rotor em máquinas de pólos lisos.
28) O que é cruzeta superior?
29) Pesquise sobre os mancais de geradores de pólos
salientes e de pólos lisos.
30) Pesquise sobre as máquinas primárias hidráulicas e a
vapor.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] - Siemens S/A - "Enrolamento do Estator - Barras.
Grupo Construtivo N0 2600" - Informativo Técnico.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 4: Características e Equações dos Geradores Síncronos- 27
CAPÍTULO 4: CARACTERÍSTICAS E EQUAÇÕES
DOS GERADORES SÍNCRONOS
“Todas as coisas são difíceis até se tornarem fáceis”
Thomas Fuller
RESUMO
Este texto analisa as diversas características
elétricas dos geradores síncronos em regime permanente.
As cargas são consideradas equilibradas.
1.0 - OPERAÇÃO EM VAZIO
Na operação em vazio, supondo a velocidade de
acionamento constante, a tensão de armadura é igual à
induzida nos enrolamentos e depende apenas do fluxo
magnético gerado pelos pólos, ou seja, em última análise,
da corrente de excitação que circula pelo enrolamento de
campo. Nestas condições, o fluxo principal está livre de
eventuais alterações introduzidas pela corrente de carga.
Assim, pode-se relacionar a tensão induzida e a corrente
de excitação através da denominada característica em
vazio, exemplificada na figura 1.
Figura 1 - Característica em vazio. Exemplo para
máquinas de pólos lisos e salientes.
Por outro lado, observe-se na figura 2 que o
relacionamento entre tensão induzida e corrente de
excitação é praticamente linear até o ponto em que
houver saturação.
Figura 2 - Característica em vazio para velocidades
diferentes.
Naturalmente, as curvas são válidas para uma
determinada velocidade, ou seja, alterando-se a
velocidade há a mudança na característica em vazio da
máquina.
Normalmente, em máquinas trifásicas, estas
características são obtidas por fase.
2.0 - CARACTERÍSTICA EM CURTO-CIRCUITO
PERMANENTE
A característica em curto-circuito mostra a
relação entre a corrente de armadura, quando de um
curto-circuito trifásico em seus terminais, e a de
excitação, conforme se verifica na figura 3.
Figura 3 - Característica em curto-circuito.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 4: Características e Equações dos Geradores Síncronos- 28
Naturalmente, para a obtenção da citada
característica, a excitação deve ser incrementada
lentamente até que a corrente da armadura assuma
valores admissíveis pela máquina. Deve-se observar que,
em uma certa faixa, a corrente de curto-circuito
independe da velocidade de giro da máquina primária.
3.0 - RELAÇÃO DE CURTO-CIRCUITO (RCC)
Define-se “relação de curto-circuito (RCC)” ao
quociente da divisão do valor da corrente de campo que
produz a tensão de armadura nominal em vazio com
velocidade nominal e a corrente de campo requerida para
produzir a corrente nominal de armadura com velocidade
nominal, quando a máquina opera em curto-circuito, ou
seja:
n
o
i
i
RCC= (1)
Para se entender a importância da relação de
curto-circuito, considere-se duas máquinas com as
mesmas características nominais e relações de curto-
circuito diferentes. Em termos de operação, supondo-se
que haja uma determinada mudança na carga (ou seja, na
corrente de armadura), a máquina com a relação de curto-
circuito menor requer uma mudança maior e mais rápida
da corrente de campo para se adaptar à nova situação. Em
outras palavras, a RCC pode ser considerada como uma
medida da estabilidade da máquina ou de sensibilidade à
mudança de cargas (seja ela real ou uma falta).
Desta forma, a máquina com menor Rcc requer
um sistema de excitação mais confiável, sensível e capaz
de executar grandes alterações na corrente de campo.
Ambas as máquinas diferem fisicamente, pois a
de maior RCC emprega uma quantidade maior de
material em suas partes elétricas e magnéticas.
Naturalmente, o invólucro e partes estruturais também
mudam e, então, pelo exposto, o custo de uma máquina se
altera coma relação de curto-circuito.
De uma forma geral, comparando-se ambos os
geradores, tem-se que o de maior RCC:
a) é maior fisicamente,pesa e custa mais;
b) as correntes de curto-circuito assumem níveis
elevados (portanto, a impedância síncrona é
menor);
c) a relação entre as correntes de campo, as
quais fornecem a tensão de armadura
nominal em vazio e em plena carga, são
maiores;
d) há um pequeno incremento das perdas devido
ao maior tamanho da máquina, bem como,
melhores condições de dissipação de calor;
e) é mais saturada, permitindo uma regulação
de tensão melhor.
A relação de curto-circuito varia de 0,8 a 1,5
para os hidrogeradores e de 0,4 a 0,6 nos turbogeradores,
aproximadamente.
4.0 - OPERAÇÃO EM CARGA - REAÇÃO DA
ARMADURA
4.1 - Considerações Gerais
Ao se conectar uma carga aos terminais de um
gerador síncrono em vazio, estabelece-se uma circulação
de corrente no sistema formado pela máquina e carga.
Esta corrente cria um campo magnético ao fluir pelos
condutores que formam os enrolamentos da armadura,
conforme mostra a figura 4.
Figura 4 - Campo criado pela corrente de armadura.
Este efeito é denominado “reação da armadura”
e depende da relação de fase existente entre tensão e
corrente e, portanto, do fator de potência da carga.
A figura 5 é a representação esquemática do
rotor e armadura (sem núcleo e com um condutor por
ranhura) de uma máquina considerada como ideal (ou
seja, sem quedas de tensão internas).
A figura 5 fornece o sentido das correntes de
cargas resistivas, indutiva e capacitiva puras em relação à
tensão induzida em vazio.
Figura 5 - Reação da armadura
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 4: Características e Equações dos Geradores Síncronos- 29
4.2 - Reação de armadura para cargas resistivas.
Nas máquinas reais, se a corrente de armadura
está em fase com a f.e.m induzida, o fator de potência nos
terminais do gerador será um pouco inferior à unidade.
Por outro lado, considerando-se a máquina como ideal,
pode-se dizer que o fator de potência é unitário (carga
resistiva) e conforme ser verifica na figura 5, tem-se que
cada condutor produz um fluxo com os sentidos
mostrados; naturalmente, há a interação entre eles,
resultando em um único, como representado na figura 6.
Observe-se que o fluxo de reação de armadura
(φRA) é máximo na região interpolar e está atrasado de 90o
do principal (φ) no entreferro.
É possível imaginar a situação mostrada como
dois conjuntos de pólos girantes, sendo um deles
responsável pela criação do fluxo principal (φ) e, outro,
pelo fluxo de reação de armadura, conforme
esquematizado na figura 7.
O fluxo de reação de armadura e o principal
sempre giram à mesma velocidade e no mesmo sentido,
conforme será analisado em tópico posterior.
Figura 6 - Reação da armadura – carga resistiva pura.
Figura 7 - Representação esquemática de reação da
armadura.
De forma a facilitar a análise, é possível utilizar-
se da notação fasorial para representar as diversas
grandezas. Note-se que a f.e.m induzida E está atrasada
de 90o do fluxo principal e, desta forma tem-se a situação
mostrada na figura 8.
Figura 8 - Diagrama fasorial - carga resistiva.
Na figura 8, tem-se:
IA - corrente de armadura;
φR - fluxo resultante;
ERA - tensão induzida por φRA;
ER - tensão resultante.
Verifica-se que a reação de armadura para a
carga resistiva tende a distorcer o campo principal.
4.3 - Reação da Armadura para Cargas Indutivas
Nesta caso, considera-se uma máquina ideal, a
corrente está atrasada de 90o da tensão gerada.
Analisando-se a figura 5, verifica-se que cada condutor
produz um fluxo, resultando em um único, cuja direção é
a mesma do principal. A figura 9 representa a reação de
armadura para esta carga.
Figura 9 - Reação de armadura - carga indutiva.
Observe-se na figura 9, que o fluxo de reação da
armadura (φRA) produz como resultado um
enfraquecimento do fluxo magnético no entreferro. Um
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 4: Características e Equações dos Geradores Síncronos- 30
aumento de carga indutiva provoca uma desmagnetização
maior da máquina e a f.e.m induzida decresce; para
compensar este efeito é necessário aumentar a excitação
da máquina.
Para controlar, de forma automática, a corrente
de excitação utiliza-se um “regulador de tensão”. Os
reguladores agem no sentido de:
a) incrementar a corrente de excitação quando a carga
indutiva é aumentada nos terminais da máquina;
b) reduzir a corrente de excitação quando a carga
indutiva é diminuída nos terminais da máquina.
Observe-se que a atuação do regulador será
fundamental para assegurar uma tensão adequada nos
terminais da máquina.
Representando-se a reação da armadura por
pólos girantes tem-se a situação na figura 10 a seguir.
Figura 10 - Representação esquemática da reação da
armadura - carga indutiva.
O fluxo principal e o de reação da armadura
sempre giram à mesma velocidade e no mesmo sentido,
obrigatoriamente.
A figura 11 fornece o diagrama fasorial das
grandezas analisadas.
Figura 11 - Diagrama fasorial - carga indutiva.
4.4 - Reação da Armadura - Carga Capacitiva
Considerando-se uma máquina ideal, a corrente
está adiantada de 90o da tensão gerada. Analisando-se a
figura 5, verifica-se que cada condutor produz um fluxo,
resultando em um único, cuja direção é a mesma do
principal. A figura 12 representa a reação da armadura
para esta carga.
Figura 12 - Reação da armadura - carga capacitiva.
Observe-se na figura 12, que o fluxo de reação
da armadura produz como resultado um fortalecimento do
fluxo magnético no entreferro; em outras palavras, a
reação da armadura possui um efeito magnetizante,
resultando em um aumento na f.e.m induzida. De forma a
manter a tensão nos terminais da máquina em um valor
determinado, o regulador deve agir no sentido de:
a) diminuir a excitação, se a carga capacitiva
aumenta;
b) aumentar a excitação, se a carga capacitiva
diminui.
Representando-se a reação da armadura por
pólos girantes tem-se a situação mostrada na figura 13.
Figura 13 - Representação esquemática da reação da
armadura - carga capacitiva.
 MÁQUINAS SÍNCRONAS
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 Capítulo 4: Características e Equações dos Geradores Síncronos- 31
A figura 14 fornece o diagrama fasorial das
grandezas analisadas.
Figura 14 - Diagrama fasorial - carga capacitiva.
4.5 - Reação da Armadura - Geradores Trifásicos
Sabe-se que corrente alternada circulando por
um condutor cria um campo magnético igualmente
alternado; se, entretanto, tem-se três enrolamentos
montados a 120o elétricos, percorridos por correntes
defasadas de 120o uma da outra, há a criação de um
campo girante, cuja velocidade é igual à síncrona. Isto é o
que ocorre com um gerador trifásico pois os seus
enrolamentos são montados como descrito. Esta situação
é a “reação da armadura” para os geradores trifásicos.
Pode-se provar que se forem conectadas cargas
resistivas, indutivas ou capacitivas equilibradas nos
terminais do gerador, os efeitos da reação da armadura
são os mesmos para cada fase considerada
individualmente.
4.6 - Considerações Finais
Resumindo os efeitos da reação de armadura,
tem-se que para:
a) carga resistiva: o fluxo de reação da
armadura distorce o principal;
b) carga indutiva: o fluxo de reação da
armadura causa um efeito desmagnetizante,
opondo-se ao principal;
c) carga capacitiva: o fluxo de reação da
armadura causa um efeito magnetizante,
adicionando-se ao principal.
Para cargas intermediárias, o fluxo de reação da
armadura é a resultante dos vários efeitos em conjunto. A
figura 15 mostra o diagrama fasorial para uma carga
intermediária genérica.
Figura 15 - Diagrama fasorial