Máquinas Síncronas

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Máquinas Elétricas
Instituto Federal de Santa Catarina
Professor: Janderson Duarte
Máquinas Síncronas
 Introdução 
 Podem ser utilizadas: motores e geradores
 como as máquinas assíncronas e de corrente contínua
 Razões construtivas
 custo maior em relação às máquinas de indução
 são mais utilizadas como geradores
 Em geral são trifásicas  geradores monofásicos 
 utilizados em pequenas potências
 quando não existe uma rede trifásica disponível (áreas rurais)
 Como geradores
 centrais elétricas, independente do seu tipo 
 hídrica, a carvão, a diesel, etc...
 praticamente toda a energia elétrica disponível é produzida por 
geradores síncronos em centrais elétricas
 também são utilizados para geração de energia elétrica
 em centrais de pequeno porte 
 em grupos geradores de emergência
 instalados em indústrias, hospitais, aeroportos, etc... 
 não está ligado a um grande sistema de energia  funcionando de 
forma isolada
Máquinas Síncronas
Máquinas Síncronas
 Características
Máquinas Síncronas
 Características
 possui dupla excitação 
 no estator (induzido ou armadura) 
 circulam correntes alternadas trifásicas equilibradas, formando o 
campo girante
 em alguns aspectos, o estator é idêntico ao estator de motor de 
indução trifásico
 no rotor (indutor ou campo)
 circula uma corrente contínua, formando um eletroímã
 pode ser:
 liso (ou cilíndrico)  máquinas bipolares
 de pólos salientes  máquinas multipolares
Máquinas Síncronas
 Aspectos Construtivos
 Conjunto de escovas e anéis:
 função:
 conectar a fonte de corrente contínua com os pólos do rotor 
 componentes
 que se desgastam 
 que podem produzir faíscas e interferência eletromagnética
Geradores Síncronos
 Princípio de Funcionamento
 A máquina síncrona é composta:
 Estator: aloja um enrolamento monofásico ou trifásico
 onde será induzida tensão pelo movimento do rotor
 no enrolamento do estator será induzida uma tensão alternada 
produz uma corrente igualmente alternada quando o mesmo se 
encontrar sob carga
 Rotor: contém um enrolamento alimentado com corrente contínua
 serve para criar campo magnético principal na máquina
 Sempre que houver um movimento relativo entre um condutor e um 
campo magnético haverá uma tensão induzida no condutor
 Gerador síncrono:
 os condutores são fixos na armadura e o campo magnético é forçado 
pela máquina primária a se mover
 a máquina primária é acoplada mecanicamente ao rotor onde estão 
alojados os pólos e exerce sobre eles uma força  fazendo-os girar
 movimento relativo entre o campo e o condutor  surge tensão nos 
terminais
Geradores Síncronos
 Princípio de Funcionamento
 Gerador síncrono:
 ao ser ligado a uma carga: 
 tensão induzida faz circular corrente pelo gerador e pela carga
 a potência mecânica transferida pela máquina primária é assim 
convertida em energia elétrica
 descontadas as perdas
 o enrolamento de campo (alojado nos pólos)
 alimentado por uma fonte de corrente contínua por meio de anéis 
deslizantes
 para sistemas em que não existem anéis e escovas
 a tensão contínua necessária ao enrolamento de campo é fornecida 
por meio de um sistema de excitação estático (brushless)
 sistema de excitação estático: formado por uma ou mais excitatrizes 
montadas no eixo e por dispositivos a base de semicondutores
 o gerador síncrono produz uma tensão do tipo alternada senoidal
 monofásica ou trifásica
Geradores Síncronos
 Valores nominais
 Rendimento
η: rendimento em percentual (%)
Pm: potência mecânica fornecida pela máquina primária no eixo (Watt)
Pe: potência elétrica fornecida à carga ligada aos terminais (Watt)
Pp: perdas (watt)
 a curva de rendimento em função da carga é semelhante à curva 
para o motor de indução, sendo o rendimento muito próximo do 
nominal na faixa de 75% a 100% da potência nominal
100100 ⋅
−
=⋅=
m
pm
m
e
P
PP
P
P
η
Geradores Síncronos
 Valores nominais
 Freqüência 
 a máquina síncrona sempre gira à velocidade síncrona 
 exceto em condições transitórias ou sob algum tipo de oscilação
 a velocidade síncrona é definida pela rotação da máquina primária, a 
qual fornece a potência ativa para o sistema ligado ao gerador
 a freqüência da tensão gerada depende assim da velocidade de giro e 
do número de pólos
Para uma máquina primária que gira a 1800 rpm e um gerador de 4 pólos:
][
120
Hzpnf s ⋅=
][60
120
41800 Hzf =⋅=
Motores Síncronos
 Definição 
 A velocidade do seu rotor é sincronizada com o campo girante
 não há escorregamento (s)
 Velocidade síncrona:
 Considerações:
 freqüência de alimentação constante
 número de pólos constante
 Motor síncrono CA  máquina de velocidade constante
][120 rpm
p
fns
⋅
=
Motores Síncronos
 Princípio de funcionamento – Produção do torque
 Dois campos magnéticos presentes no funcionamento do MS:
 campo magnético girante: produzido pela corrente trifásica na 
armadura
 campo magnético fixo: produzido pela corrente contínua nas bobinas 
do campo do rotor
 Devido as forças magnéticas:
 os pólos de nomes contrários do estator e do rotor ficam acoplados
 O rotor é arrastado pelo campo girante
 O rotor gira com velocidade exatamente igual a do campo girante  estão 
engrenados ou sincronizados
Máquinas Síncronas
 Circuito equivalente de uma máquina síncrona.
Ef
XS ra +
-
Vt
f
f
w
4, 44
 - Tensão eficaz por fase na armadura.
 - Fluxo magnético por pólo.
N - n de espiras do enrolamento.
K - Fator de enrolamento, 0,85 - 0,95 
f wE f N K
Ef
φ
φ
= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
°
 - Reatância síncrona.
 - Reatância de disperção na armadura.
 - Reatância devido ao fluxo no entreferro.
s ar al
s
ar
al
X X X
X
X
X
= +
 Tensão induzida nos enrolamentos de um gerador 
síncrono:
Paralelismo de geradores
 Para se obter maior confiabilidade é interessante realizar 
o paralelismo.
 Vantagens:
• Se um gerador deixar de funcionar, o sistema não pára, outros 
geradores suprem a energia necessária;
• Em uma parada para manutenção o gerador em questão pode parar que 
outros assumirão sua carga;
• Quando a demanda aumenta, basta colocar novos geradores em paralelo 
no sistema;
 Requisitos para ligar geradores em paralelo:
• Possuir a mesma tensão e a mesma regulação de tensão;
• Possuir a mesma sequência de fases;
• Possuir a mesma frequência. 
Excitatrizes
 Excitatriz: É a fonte responsável pelo fornecimento da energia 
para o enrolamento de campo. As tensões variam de 50 a 1500V, 
e as potências entre 1 a 5% da potência da máquina.
 Tipos de excitatrizes:
 Excitatriz Rotativa: Gerador CC shunt ou composto, ligado 
através de escovas e anéis. A realimentação ocorre através do 
controle da alimentação do campo da gerador CC.
Excitatriz Rotativa
Excitatrizes
 Excitatriz Estática: A fonte é um retificador controlado à tiristor
que alimenta o campo da máquina através de anéis e escovas (É 
o mais utilizado).
Excitatriz Estática
Excitatrizes
 Excitatriz Sem Escovas (Brushless): Consiste em um gerador 
AC girante e um sistema de retificador a tiristor girante.
Excitatriz Brushless
Partida de motor síncrono
 O motor Síncrono não possui torque de partida, ele não consegue 
partir, entra em estado de vibração. Quando o rotor está parado 
e a armadura é alimentado o campo girante gira tão rápido que o 
sentido do torque já se inverteu.
 Método de partida:
• Utilizando um inversor de frequência;
• Transformando o motor síncrono em um motor de indução.
 Com o método do inversor o motor parte com frequência
baixa de forma que o rotor consiga acompanhar o campo 
girante. Com o motor partindo como um MIT, o rotor é curto-
circuitado e um enrolamento auxiliar é conectado na 
armadura.
Partida de motor síncrono
Partida com inversor de frequência.
Partida como motor de indução.
Correção do fator de potência utilizando 
máquina síncrona
 O motor Síncrono pode solicitar da rede uma corrente adiantada 
ou atrasada em relação a tensão, dependendo da corrente de 
campo.
 Desta maneira, ele pode absorver ou fornecer energia reativa, 
corrigindo assim o fator de potência.
Superexcitado.Subexcitado.
Curvas V de um motor de indução.
Correção do fator de potência utilizando 
máquina síncrona
XS ra +
-
Vt
ia+
-
EgLf
IF
 Se ia estiver adiantado de Vt o gerador fornece energia reativa.
 Se ia estiver atrasado de Vt o gerador absorve energia reativa.
Fator de Potência
Fator de potência: é definido como a razão entre a potência ativa (P) e 
a potência aparente (S) consumidas por um dispositivo ou 
equipamento, independentemente das formas que as ondas de tensão 
e corrente apresentem. 
Observação: Os sinais variantes no tempo devem ser periódicos e 
de mesma freqüência.
onde:
0
1 ( ) ( )
T
in inP v t i t dtT
= ∫
= RMS RMSS V I
=
PFP
S
Fator de Potência
Impactos de um baixo fator de potência
Para um mesmo valor de potência ativa, os 
níveis de corrente são maiores
Maiores níveis de corrente causam um
aumento das perdas no sistema e podem 
tornar necessário um redimensionamento 
do sistema de fornecimento de energia
 Capacidade de fornecimento de 
energia do sistema (geração, 
transmissão e distribuição) é reduzida
 Multa por energia reativa excedente
Fator de Potência
Supondo uma rede monofásica com fonte de tensão senoidal e carga 
linear:
( )= ω( ) 2 senin RMSv t V t ( )= ω + φ( ) 2 senin RMSi t I t
= φcosRMS RMSP V I
= RMS RMSS V I
= = φcosPFP
S
S
Q
φ
= φsenRMS RMSQ V I
= RPotência Reativa (VA )Q
= Potência Aparente (VA)S
= Potência Ativa (W)P
P= −2 2Q S P
Fator de Potência
Carga resistiva
Vin = 220 V, Iin = 1,36 A
P = 300 W, S = 300 VA
FP = 1
• Carga RL (φ = 30°)
Vin = 220 V, Iin = 1,57 A
P = 300 W, S = 346,4 VA
FP = 0,866
Fator de Potência
Carga RL (φ = 60°)
Vin = 220 V, Iin = 2,73 A
P = 300 W, S = 600 VA
FP = 0,5
• Carga indutiva
Vin = 220 V, Iin = 2,73 A
P = 0 W, S = 600 VA
FP = 0
Fator de Potência
 Nas indústrias, é importante que o fator de potência seja 
elevado. O ideal é FP=1.
 No Brasil cobra-se multa por parte das concessionárias de 
energia elétrica caso o fator de potência esteja abaixo de 0,92, 
de acordo com a portaria n° 1.569, de 1993, DNAEE.
 A grande parte das indústrias possui um fator de potência baixo 
devido a característica de carga ser indutiva (motores). Desta 
forma, a correção pode ser feita com uso de banco de 
capacitores. 
Correção do Fator de Potência
 Correção com banco de capacitor.
2 1cQ Q Q= − 2
cQC
vω
=
⋅
Características de torque e potência
 Apesar de girar a uma velocidade constante, dita velocidade 
síncrona, a máquina síncrona perde o sincronismo e pára se um 
torque muito elevado for aplicado ao eixo do motor.
 O ângulo de torque δ, ângulo entre a tensão aplicada e a tensão 
induzida não deve exceder 90 graus.
max ( )T T seno δ= ⋅
Gráfico potência e torque em função do ângulo de torque.
Torque em função do ângulo de torque.
Vantagens e desvantagens da máquina 
síncrona
Vantagens:
 Permitem controle do fator de potência através da corrente de 
campo;
 Em elevadas potências e baixas velocidades são mais 
economicos;
 Apresentam bom rendimento, mesmo trabalhando com carga 
parcial;
 Para baixas velocidades, possuem menor peso do que seu 
equivalente assíncrono.
Desvantagens:
 Na partida, não poderá partir normalmente por que não possui 
comjugado de partida;
 Necessidade de utilizar fonte CC para alimentar o campo;
 Uma perturbação no sistema pode causar perda de sincronismo;
 O controle de um motor síncrono não é trivial.
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	Motores Síncronos
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	Excitatrizes
	Excitatrizes
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	Partida de motor síncrono
	Partida de motor síncrono
	Correção do fator de potência utilizando máquina síncrona
	Correção do fator de potência utilizando máquina síncrona
	Fator de Potência
	Fator de Potência
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