Maquinas Sincronas

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
IPUC - Graduação em Engenharia de Energia
TRABALHO GERADOR SINCRONO:
Máquinas Elétricas
Guilherme Oliveira de Paula 
Belo Horizonte,11 de junho de 2018
Introdução
Um gerador síncrono é um tipo de máquina elétrica rotativa capaz de transformar energia mecânica (em forma de rotação) em energia elétrica. O princípio de funcionamento consiste em uma excitação de fluxo no rotor.
 	Diz-se síncrono, devido à igualdade entre a frequência elétrica com a frequência angular, ou seja, o gerador gira na velocidade do campo magnético, porque esta igualdade de frequência é denominada sincronismo.
 Assim como as máquinas de corrente contínua e as máquinas de indução (assíncronas), as máquinas síncronas podem ser utilizadas tanto como motores como geradores. Devido a razões construtivas e ao seu custo maior em relação às máquinas de indução, elas são, entretanto, mais utilizadas como geradores.
 Máquinas síncronas a imãs permanentes vêm tendo uma utilização cada vez maior em baixas e médias potências especialmente quando se necessitam de velocidade variável, alto rendimento e respostas dinâmicas rápidas. Praticamente toda a energia elétrica disponível é produzida por geradores síncronos em centrais elétricas; eles convertem assim energia mecânica em elétrica. 
Os geradores síncronos funcionam a base de princípio de que um condutor é submetido a um campo magnético variável, gerando uma tensão elétrica induzida cuja polaridade depende do sentido do campo e seu valor de fluxo que atravessa.
Desenvolvimento 
 Os tipos de geradores síncronos
 A principal diferença entre os tipos de geradores é a sua forma de alimentação continua para fluir na excitação do motor. 
Excitação independente: Alimenta o rotor através de anéis rotativos e escovas.
Excitação principal e excitação piloto: A máquina principal continuamente tem como um enrolamento do campo outra máquina de excitação independente acionada por ele mesmo. 
Eletrônica de potência: Desde a saída trifásica do gerador, retifica-se um sinal mediante a um retificador controlado, e desde o mesmo alimenta-se diretamente em continua ao rotor mediante de um jogo de contatores (anéis e escovas). O arranque se efetua utilizando uma fonte auxiliar (bateria) até conseguir arrancar. 
Sem escovas de diodos giratórias: A fonte é continua em um retificador localizado dentro do motor que é alimentado em CA por um gerador em um mesmo eixo, e o seu enrolamento de campo é excitado desde um retificador controlado que retifica o sinal gerado por umas imas permanentes em seu rotor. 
Excitação estática: O enrolamento do campo do rotor é alimentado desde um transformador e retificador que tomam a tensão e corrente de saída do estator. O transformador tem dois enrolamentos primários (tensão e intensidade) que se conectam em paralelo e em serie da saída do estator. O transformador diminui e retifica a tensão de saída, está se aplica ao rotor por meio das escovas e anéis deslizantes. Este é um sistema de auto regulação intrínseca, já que ao aumentar o consumo sobre o gerador tem o enrolamento em serie aumentando o fluxo do transformador, portanto, aumenta a excitação do gerador.
 Partes principais de um gerador:
Estator: parte fixa do gerador, também chamado de circuito de armadura, está composta por uma carcaça metálica e um enrolamento no qual se induzira uma tensão que medira o terminal ou terminais. Os enrolamentos do estator de um gerador CA estão conectados geralmente em conexão estrela.
 Rotor: também chamado de circuito de campo, e a parte móvel do gerador, quer dizer, La que irá girar a velocidade constante, está composto por uma carcaça metálica e um enrolamento, no qual se alimentara com cc para criar um campo magnético giratório. 
Ventilador: é o responsável de refrigerar o gerador de tal maneira que evite o superaquecer, está acoplada no eixo de rotação. 
Carcaça: É o invólucro do gerador, sua função principal é evitar o contato com os circuitos internos (proteção), assim como manter fixo o gerador. 
Eixo: fabricado, comumente, em aço forjado com carbono, de uma só peça tratada termicamente para alcançar uma estrutura homogênea livre de tensão. 
Sistema de excitação: um sistema de excitação ou um sistema de controle de excitação é uma combinação de aparatos desenhados para fornecimento e controlar a corrente de campo do gerador por meio de reguladores automáticos.
 Princípio de Funcionamento
No gerador síncrono, uma corrente cc é aplicada ao enrolamento de campo localizado no rotor, a qual produz um campo magnético.
O rotor então é acionado por uma máquina primária, produzindo um campo magnético girante no interior da máquina.
Este campo girante induzirá um conjunto de tensões trifásicas nos enrolamentos do estator.
O princípio de funcionamento de um gerador é muito semelhante ao de uma máquina de corrente contínua sempre que houver um movimento relativo entre um condutor e um campo magnético constante no entreferro (Br) haverá uma tensão induzida no condutor. 
No caso da máquina síncrona os condutores são fixos na armadura e o campo magnético é forçado pela máquina primária a se mover. Por sua vez, a máquina primária é acoplada mecanicamente ao rotor onde estão alojados os polos e exerce sobre eles uma força fazendo-os girar (Lei de Faraday). 
O movimento relativo entre o campo e o condutor faz com que surja uma tensão nos terminais do gerador. Ao ser ligado a uma carga a tensão induzida faz com que circule corrente pelo gerador e pela carga. A frequência elétrica da tensão induzida está “sincronizada” com a velocidade mecânica. 
Velocidade síncrona: Velocidade do campo girante em uma máquina multipolos:
Campo girante é uma onda de f.m.m. que se desloca ao longo do entreferro com velocidade síncrona 120f/P formando “P” pólos girantes ao longo do entreferro.
Considerando a frequência de alimentação de 60 Hz pode-se montar a seguinte tabela:
A potência mecânica transferida pela máquina primária é assim convertida em energia elétrica (descontadas as perdas).
O enrolamento de campo (alojado nos pólos) é alimentado por uma fonte de corrente contínua por meio de anéis deslizantes. 
Os enrolamentos da armadura são posicionados com diferença angular de 120º, de forma que a tensão induzida nos três enrolamentos serão defasadas de 120º, pode ser conectado em Y ou em ∆.O enrolamento de campo (do rotor) é alimentado em CC.
 Existem sistemas em que não existem anéis e escovas, sendo que a tensão contínua necessária ao enrolamento de campo é fornecida por meio de um sistema de excitação estático (brushless), formado por uma ou mais excitatrizes montadas no eixo e por dispositivos.
O gerador síncrono produz uma tensão do tipo alternada senoidal, podendo ser monofásica ou trifásica. Numa máquina existem não apenas um condutor sendo movimentado no campo magnético, mas uma série de condutores ligados em série, fazendo com que a potência convertida seja maior que no caso de apenas um condutor. Com este arranjo a potência da máquina é maior, aumentando o grau de aproveitamento dos materiais.
A interação entre o campo magnético do estator (Bs) e do rotor (Br) produzirá um conjugado mecânico que tentará alinhar os dois campos. Este conjugado mecânico fará com que o rotor gire na mesma velocidade do campo girante (Bs) mas com um atraso angular, os 8 aumentos da carga mecânica são refletidos através de um aumento do ângulo entre os campos do estator e do rotor.
Para que o gerador síncrono possa ser conectado a rede, ambos os sistemas devem ter:
 A mesma magnitude de tensão RMS (eficaz); 
 A mesma frequência; A mesma sequência de fases;
 A mesma fase. O fator de potência dos geradores síncronos pode ser facilmente controlado devido ao fato de possuírem uma fonte separada de excitação, e desta forma, podem tanto aumentar a potência sem geração de potência reativa (gerador com fator de potência unitário), ou também gerar potência reativa necessária(gerador com fator de potência 0.8). Desta forma, o gerador síncrono, dependendo da aplicação, pode fornecer a potência útil de acionamento necessária com redução benéfica da potência total do sistema.
Medição dos parâmetros do modelo do gerador síncrono
Relação entre a corrente de campo e o fluxo
Reatância síncrona
A resistência de armadura
Esses parâmetros são encontrados a partir de dois testes, denominados de teste de circuito aberto e teste de curto circuito
Característica de circuito aberto:
Característica de curto circuito:
Procedimentos para o teste de circuito aberto
O gerador é acionado na velocidade nominal e os terminais permanecem sem carga;
A corrente de campo é gradualmente aumentada e registra-se o valor da tensão terminal em cada instante
Com esta característica é possível achar a tensão terminal para qualquer corrente de campo
Teste de curto circuito
Ajusta-se a corrente de campo para zero e os terminais do gerador são ligados entre si;
Então a corrente de linha é medida quando a corrente de campo aumenta
Operação isolada do Gerador síncrono
Efeito da variação da carga na operação do gerador
Para essa análise, a velocidade do gerador é mantida constante, além do fluxo do rotor também é assumido constante. Será avaliado primeiro a operação com fator de potência em atraso.
Se mais carga é adicionada no mesmo fator de potência, aumenta, mas permanece com o mesmo ângulo com respeito a tensão terminal.
Então, a tensão terminal é reduzida pois inicialmente consideramos que a tensão interna é considerada constante.
Conclusões:
Se cargas em atraso, ou seja, cargas com potência reativa indutiva (+Q) são adicionadas ao gerador, a tensão terminal decresce de forma significativa
Se cargas com fator de potência unitário são adicionadas, existe uma pequena redução na tensão terminal.
Se cargas em avanço, ou seja, cargas com potência reativa capacitiva (-Q) são adicionadas ao gerador a tensão terminal aumentará.
Como então é feito para que a tensão terminal permaneça constante, mesmo com a variação da carga?
Reduzindo a resistência de campo do gerador aumenta sua corrente de campo.
Um aumento na corrente de campo aumenta o fluxo na máquina
Um aumento no fluxo aumenta a tensão interna da máquina
Um aumento da tensão interna aumenta a tensão terminal do gerador
Referências bibliográficas
MOTORES SINCRONOS,(2016-NOVEMBRO),DISPONIVEL: http://www.estgv.ipv.pt/PaginasPessoais/eduardop/MqE/Motores%20s%C3%ADncronos.pdf 
MOTORES SINCRONOS WEG,(2016-NOVEMBRO),DISPONIVEL: http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-motores-sincronos-artigo-tecnico-portugues- br.PDF 
INTRODUÇÃO A MAQUINA SINCRONA,(2016-NOVEMBRO),DISPONIVEL: http://www.cpdee.ufmg.br/~gbarbosa/Disciplina%20de%20M%E1quinas%20El%E9tricas/Di sciplina%20de%20M%C3%A1quinas%20El%C3%A9tricas/apost02.pdf