GERADORES SÍNCRONOS OU ALTERNADORES

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ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL FERREIRA VIANA – FAETEC 
Professora: Margareth N. Silva 
Disciplina: Máquinas Elétricas 
 
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GERADORES SÍNCRONOS OU ALTERNADORES 
A geração de energia elétrica em grandes blocos processa-se pela ação de máquinas rotativas que 
acionadas mecanicamente por uma máquina primária (turbina hidráulica, a vapor, a gás, ou máquina de 
combustão interna, ou turbina eólica) produzem através de campos de indução eletromagnéticos, uma 
onda senoidal de tensão com freqüência fixa e amplitude definida pela classe de tensão do gerador. 
Os geradores síncronos trifásicos representam a máquina mais comum de geração em um sistema 
de potência. A palavra síncrona significa que o campo girante no entreferro tem a mesma velocidade 
angular que a do rotor. A freqüência f da tensão induzida é diretamente proporcional ao número de pólos e 
a velocidade de rotação do rotor. A freqüência é determinada por: 
 
 
em que ‘p’ é o número de pólos da máquina e ‘n’ o número de rotações por minuto ou velocidade 
(síncrona) do rotor em rpm. 
O circuito equivalente por fase de um gerador síncrono, figura 106, sob condição de estado 
permanente é mostrado na figura abaixo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 1063 – Circuito equivalente por fase do gerador 
síncrono 
Armadura Campo 
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As partes principais de uma máquina girante são rotor e estator. Em uma máquina síncrona os 
enrolamentos de campo estão situados no rotor e os enrolamentos de armadura no estator. 
A corrente nos enrolamentos de campo é CC e produz um fluxo magnético constante por pólo. A 
rotação do rotor com relação ao estator causa a indução de tensão nos enrolamentos de armadura. 
Os enrolamentos de armadura de um gerador trifásico podem ser associados em estrela ou 
triângulo. A ligação ‘estrela’ é utilizada na maioria dos geradores dos sistemas de energia elétrica. 
Geralmente, o neutro é aterrado neste tipo de ligação sendo este aterramento feito através de uma 
resistência ou reatância cuja finalidade é a de reduzir a corrente de curto circuito. 
Os geradores síncronos são construídos com dois tipos de rotores: rotores de pólos salientes e 
rotores de pólos lisos ou simplesmente, rotores cilíndricos. Os rotores de pólos salientes são em geral 
acionados por turbinas hidráulicas de baixa velocidade (entre 50 e 300 rpm) a fim de extrair a máxima 
potência de uma queda d’água, e os rotores cilíndricos são acionados por turbinas a vapor de alta 
velocidade (até 3600 rpm). 
Nas máquinas de pólos salientes porque o rotor está diretamente ligado ao eixo da turbina e o valor 
de freqüência nominal é de 60Hz, é necessário um grande número de pólos. Os rotores de baixa 
velocidade possuem um grande diâmetro para prover o espaço necessário aos pólos. 
Os geradores síncronos de alta rotação são mais eficientes que seus equivalentes de baixa rotação. 
Para gerar a freqüência desejada o número de pólos não poderá ser inferior a dois e assim a velocidade 
máxima fica determinada. Para 60Hz a velocidade máxima é de 3600 rpm. A alta velocidade de rotação 
produz uma alta força centrífuga, a qual impõe um limite superior ao diâmetro do rotor. No caso de um 
rotor girando a 3600 rpm, o limite elástico do aço impõe um diâmetro máximo de 1,2m. Por outro lado, 
para construir um gerador de 1000MVA a 1500MVA o volume do rotor tem de ser grande. Para isso os 
rotores de alta potência, alta velocidade são bastante longos. 
Um controle automático de geração – CAG, figura 107, regula a velocidade e potência de saída do 
gerador para garantir uma freqüência do sistema constante sob condições normais de operação. 
 
 
 
 
 
Figura 107 - Sistema de controle da geração 
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O regulador de velocidade (GOV) controla a velocidade do gerador para que seja mantida 
constante atuando sobre o registro para controle do fluxo de entrada. 
De acordo com a Figura que mostra o circuito equivalente por fase do gerador, a equação do 
gerador síncrono operando em estado permanente é dada para qualquer corrente de carga por: 
 
 
Dependendo da impedância da carga, a corrente Ia em cada fase de um gerador síncrono pode ser 
atrasada, em fase, ou adiantada da tensão terminal Vt. 
Considerando um gerador ligado a um barramento infinito em que Vt é mantida constante, a 
magnitude da tensão gerada Eg é controlada regulando a excitação do campo CC. À medida que a 
magnitude do campo de excitação CC aumenta, a tensão gerada Eg e a potência reativa de saída 
aumentam. Um limite na capacidade de potência reativa de saída é alcançado quando a corrente de campo 
CC atinge seu valor máximo permissível. Quando o gerador está suprindo potência reativa ao sistema, o 
gerador está operando a um fator de potência atrasado – o gerador vê o sistema como se fosse uma carga 
indutiva. Se a magnitude da f.e.m. gerada excede a tensão terminal, o gerador é dito estar operando no 
modo superexcitado. Ainda, pode ocorrer um sobreaquecimento do rotor quando operando a um fator de 
potência atrasado. 
À medida que o campo de excitação CC diminui, a magnitude da f.e.m gerada diminui até igualar-
se à tensão terminal. Sob estas circunstâncias, o gerador é dito estar operando a uma excitação normal e 
aproximadamente a um fator de potência unitário. 
Se a excitação de campo CC é diminuída ainda mais, o gerador iniciará a absorver potência reativa 
do sistema. O gerador estará operando com um fator de potência adiantado. Nestas circunstâncias, a 
magnitude da f.e.m gerada é inferior à da tensão terminal, e o gerador estará operando no modo 
subexcitado. A capacidade do gerador em manter sincronismo sob estas condições é enfraquecida dada 
que a corrente de excitação é pequena. Portanto, a capacidade de produzir ou absorver reativos é 
controlado pelo nível de excitação. Aumentando-se a excitação, aumentam os reativos produzidos. 
Reduzindo-se a excitação, diminuem os reativos produzidos e o gerador passará a absorver reativo do 
sistema. Por convenção, os reativos supridos pelo gerador recebem sinal positivo, ao passo que os reativos 
absorvidos recebem sinal negativo. 
As condições acima expostas podem ser representadas graficamente na figura abaixo. 
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Tem-se, portanto, a seguinte regra de grande importância: Uma máquina síncrona superexcitada 
(funcionando como motor ou como gerador) produz potência reativa e age como se o sistema fosse uma 
carga indutiva (absorvedor); sob o ponto de vista da rede, o gerador é como um capacitor em paralelo. 
Uma máquina subexcitada, ao contrário, consome potência reativa da rede e, conseqüentemente, age como 
se o sistema fosse um capacitor; sob o ponto de vista da rede, o gerador é como uma bobina em paralelo. 
Todos os equipamentos apresentam um limite de capacidade de transporte de energia. Na 
determinação das limitações de potência de um equipamento é necessário levar em conta tanto a produção 
de potência em MW quanto a potência reativa em Mvar. Os geradores possuem curvas de capabilidade, 
figura 109 a) que delimitam sua região de operação. A operação do gerador fora da área sombreada pode 
provocar problemas de superaquecimento como mostra a abaixo. 
 
 
 
Figura 108 – Gerador síncrono conectado a barramento infinito operando 
sobreexcitado, normal e subexcitado 
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 163A parte superior do eixo vertical na Figura (b) indica os Mvar supridos ao sistema, enquanto a 
parte inferior indica os Mvar absorvidos pelo gerador. A curva da Figura (b) mostra três zonas de 
aquecimento que afetam a capabilidade de geração do equipamento. Entre os pontos: 
A-B Curva de limite de campo - indica a capacidade do gerador quando a corrente de campo está a 
um valor máximo permissível devido às limitações térmicas dos enrolamentos de campo. 
B-C Curva de limite de armadura – indica a máxima corrente de armadura permitida devido às 
limitações térmicas dos condutores de armadura; a geração é limitada pelo aquecimento nos enrolamentos 
do estator. 
C-D Curva de limite de estabilidade - indica a máxima capacidade de absorção de potência reativa 
do gerador quando operando a fator de potência adiantado. 
A determinação da curva de capabilidade mostrada na Figura (a) e (b) é obtida para a condição 
simultânea de: (a) A-B operação sob tensão terminal constante e corrente de campo (portanto Ef) em seu 
limite térmico máximo; (b) B-C operação sob tensão terminal constante e corrente de armadura no 
máximo valor permitido pela limitação térmica. A segunda condição (b) corresponde a um valor constante 
de potência aparente de saída dada por: 
 
 
Figura 109 – Curva de capabilidade 
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Uma potência aparente constante corresponde a um círculo centrado na origem de um plano PxQ, 
como o da Figura.a (gerador síncrono conectado a barramento infinito), cujo raio é Va.Ia. Como Va é 
mantido constante e Ia é considerado em seu valor limite térmico, tem-se que a curva B-C define o limite 
de operação da máquina, além do qual resultaria em sobre-aquecimento do estator. 
Consideração semelhante pode ser feita para a primeira condição (a) de operação. Tem-se que: 
 
 
Sob a consideração de R=0 tem-se que: 
 
 
 
 
Das equações acima resulta: 
 
 
 
 
 
A Equação acima corresponde a um círculo centrado em P=0 e Q=-Va2/XS com raio igual a 
(VaEg)2/Xs2, e determina o limite de aquecimento do enrolamento de campo na operação da máquina. É 
comum especificar o valor nominal (potência aparente e fator de potência) da máquina como sendo o 
ponto de interseção das curvas limites de aquecimento de armadura e campo. 
Se uma unidade opera além de sua capacidade especificada, o excesso de calor no estator e no 
rotor fará com que o isolamento dos enrolamentos se deteriore com rapidez. Isolamento exposto ao calor 
intenso torna-se quebradiço, apresenta fissuras e pode eventualmente transformar-se em material condutor. 
Um Regulador Automático de Tensão monitora a tensão terminal do gerador e controla sua 
excitação para manter a tensão nos terminais dentro de uma faixa especificada de tensão. O gerador é 
protegido de gerar e absorver potência reativa além de sua capabilidade através da proteção de super e sub 
excitação. 
 
 
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Vantagens da operação em paralelos de alternadores 
Um sistema eficiente consiste de varias estações centrais geradoras, operando em paralelo e em 
cada estação pode haver vários alternadores em paralelo. São várias as vantagens em se trabalhar com 
alternadores em paralelo, as principais são: 
• Se uma unidade deixar de funcionar, as demais estarão disponíveis para fornecer o serviço necessário. 
• É antieconômico operar uma grande unidade com cargas pequenas, isto diminui o rendimento. Várias 
unidades menores, operadas em paralelo, podem ser removidas ou adicionadas, de forma a atender as 
flutuações da demanda. 
• Havendo necessidade de reparo ou manutenção geral, as unidades menores facilitam as operações com 
relação às pecas de reposição ou reserva, bem como os serviços a executar. 
• Caso seja necessário aumento de carga, pode-se instalar unidades adicionais para acompanhar o acréscimo 
da demanda, sendo necessário menor investimento. 
• Existem limites físicos e econômicos para a capacidade possível de uma só unidade. 
 
 
12.2 
Condições necessárias para ligação de alternadores em paralelo 
• Os valor eficaz (CA) da tensão que se conecta a máquina a ser ligada em paralelo deve ser igual ao da rede 
e das máquinas em funcionamento, 
• As tensões de todos os alternadores devem ter a mesma forma de onda, 
• As tensões devem estar em oposição de fase (um alternador em relação ao outro ou em relação ao 
barramento), 
• A freqüência do alternador que vai ser conectado em paralelo deve ser igual a da rede e das máquinas em 
funcionamento, 
• As características combinadas de tensão total de alternadores e da velocidade da máquina primária devem 
ser descendentes com aplicação da carga, 
• Apenas as máquinas polifásicas a seqüência de fases das tensões polifásicas da máquina que entra no 
sistema deve ser a mesma do barramento. 
 
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Exercícios 
 
1)O que são os enrolamentos amortecedores nos motores síncronos e qual a sua finalidade? 
Este enrolamento, também chamado “enrolamento amortecedor Leblanc”, é usado em motores síncronos cujo arranque 
é feito como motor assíncrono. 
O motor síncrono não tem binário de arranque, não podendo arrancar só por si. Pode arrancar com um motor auxiliar 
de corrente contínua ou um motor assíncrono ou por arranque direto como motor assíncrono. 
Neste último caso, existe no rotor, além do enrolamento de excitação de corrente contínua, um enrolamento em gaiola 
parcial. Quando o rotor fica sujeito ao campo girante produzido pelo estator formam-se, no enrolamento de gaiola, correntes 
induzidas que originam forças que colocam o rotor em movimento no sentido do campo girante, como acontece no motor 
assíncrono, até que, alimentando a excitação, o rotor atinge a velocidade de sincronismo do campo girante. Quando é atingido o 
sincronismo, deixa de haver variação do fluxo que atravessa o enrolamento em gaiola, deixando de haver neste, correntes 
induzidas e as forças que originaram o arranque. 
Quando há variações bruscas de carga, corre-se o risco de o motor perder o sincronismo, situação em que pára. No 
entanto, existindo o enrolamento de gaiola, quando há variações de velocidade, surgem variações no fluxo que atravessa o 
enrolamento, originando correntes induzidas que produzem binários que amortecem as variações, tendendo a manter o 
equilíbrio, razão por que o enrolamento se designa de amortecedor. 
 
2)Por que na partida, se curto-circuita o enrolamento de campo do motor síncrono? 
No arranque descrito anteriormente o enrolamento de excitação está em vazio e sujeito a fortes variações de fluxo, por 
ser atravessado pelo campo girante à velocidade de sincronismo e partir de uma situação de velocidade nula. Estas variações de 
fluxo produzem, no enrolamento de excitação, f.e.m. induzidas elevadas que podem ser perigosas. Por essa razão, este 
enrolamento é curto-circuitado no arranque por um resistor que é retirado quando se alimenta a excitação. 
 
3)Qual a diferença entre gerador síncrono e motor síncrono, e cite algumas aplicações para cada um destes. 
A diferença está na própria designação, pois um é gerador e o outro é motor. A máquina é a mesma, designando-se por 
máquina síncrona. 
O gerador síncrono, também chamado alternador, é a máquina geradora de energia elétrica por excelência. Utiliza-se 
em todos os tipos de centrais elétricas, hidrelétricas, térmicas (clássicas ou nucleares) ou outras e também nos grupos motor-
gerador. 
O motor síncrono é usado em aplicações em que se pretenda velocidade constante, queé uma das caraterísticas 
importantes deste motor. Outra aplicação importante é como compensador síncrono, pois permite compensar o fator de potência 
da rede onde está ligado, através da variação da excitação. 
 
4) Como verificar se uma máquina síncrona é de armadura estacionária ou girante? 
5) Comente sobre as vantagens da utilização de máquinas síncronas de armadura estacionária. 
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6) Quais as condições necessárias para que um gerador síncrono seja colocado em paralelo com o 
barramento infinito? Como ajustar a máquina no caso de uma das condições não ser atendida? 
7) Quais os métodos de partida de motores síncronos? 
8) Em que aplicações são utilizados os rotores de pólos salientes? Explique? 
9) Considere que um gerador síncrono foi adequadamente ajustado para operar temporariamente como 
compensador síncrono. Nessa situação, o gerador: 
a) funciona como se fosse um capacitor. 
b) opera sempre com tensão nominal. 
c) opera com fator de potência unitário. 
d) pode funcionar sincronizado ao sistema, permanentemente, com freqüência inferior a 58 Hz, caso o sistema 
tenha freqüência nominal igual a 60 Hz. 
e) quase que gera ou absorve somente potência reativa.