Aula 09 - Motores síncronos

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CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE 
ENERGIA II
PROFESSOR CELSO CARDOSO DE LIMA JÚNIOR
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RELEMBRANDO
AULA 01 
 Apresentação ao plano de ensino;
 Revisão conceitos básicos de eletromagnetismo;
 Introdução conversão eletromecânica de 
energia II;
Aula 02 
 Introdução aos tipos de Motores 
 Conceitos básicos aplicados a motores
Aula 
 03 Exercícios
Aula 04
 Máquinas CC.
 Funcionamento e aplicações
AULA 05 
 Controle de velocidade e torque
AULA 06 
 Exercícios
AULA 07
 Revisão
AULA 08
 Avaliação M1
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CRONOGRAMA
 Revisão e Resolução exercícios
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MÁQUINAS SÍNCRONAS
Motor Síncrono
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
Oriundo do termo síncronos (sin = mesmo e cronos = tempo). O sincronismo relaciona a
velocidade do campo girante criado pela fonte AC com a velocidade do rotor, ou seja, o rotor gira na
mesma velocidade que o campo girante no arranjo normal das máquinas síncronas.
Como os motores de indução, os motores síncronos têm enrolamento no estator que
produzem um campo magnético rotativo.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
Mas, ao contrário do motor de indução, o circuito do rotor de um motor síncrono é excitado
por uma fonte cc. O rotor engata na mesma rotação do campo magnético rotativo e o acompanha com
a mesma velocidade.
Se o rotor sair do sincronismo com o campo rotativo do estator, não se desenvolve nenhum
torque e o motor para.
Como um motor síncrono desenvolve torque somente quando gira na velocidade de
sincronismo, ele não tem partida própria e conseqüentemente precisa de algum dispositivo que faça o
rotor girar na velocidade de sincronismo.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
Como os motores de indução, os motores síncronos têm
enrolamento no estator que produzem um campo magnético
rotativo. Mas, ao contrário do motor de indução, o circuito do rotor
de um motor síncrono é excitado por uma fonte cc .
O rotor engata na mesma rotação do campo magnético
rotativo e o acompanha com a mesma velocidade.
Se o rotor sair do sincronismo com o campo rotativo do
estator, não se desenvolve nenhum torque e o motor para.
Como um motor síncrono desenvolve torque somente
quando gira na velocidade de sincronismo, ele não tem partida
própria e conseqüentemente precisa de algum dispositivo que faça
o rotor girar na velocidade de sincronismo.
Esquema elétrico de uma máquina síncrona.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
A freqüência das tensões geradas na armadura (estator) são definidas pela 
velocidade do rotor, através da expressão:
Onde:
f = freqüência (Hz)
n = velocidade (rpm)
P = nº de pólos
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
As máquinas síncronas podem ser geradores (alternadores), motores ou
compensadores.
Alternador é a designação genérica dada a qualquer gerador que gere tensão alternada,
sendo o mesmo classificado como síncrono ou assíncrono (minoria).
Enquanto o compensador síncrono é um motor síncrono operando em vazio tendo
como objetivo corrigir o fator de potência do sistema.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
As máquinas síncronas são fabricadas, geralmente, em grandes unidades (potências
relativamente grandes) e utilizadas para a geração de energia.
Comparadas com os transformadores e motores de indução, que são fabricados em
larga escala, as máquinas síncronas são onerosas, possuem enrolamento de campo especial para
corrente contínua e precisam de fonte C.C., além de necessitar velocidade constante, pois o
objetivo primordial é ter a freqüência constante igual a 60 Hz.
A máquina síncrona como motor, deve receber atenção especial em sua operação e tem
aplicação diferenciada e muito interessante no controle do fator de potência, além de ser uma
das poucas máquinas cuja velocidade na ponta do eixo é a mesma do campo girante magnético
(sincronia).
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
O motor síncrono, quando a tecnologia de capacitores ainda não havia atingido o ponto
satisfatório, foi muito utilizado para absorver potência reativa da rede, melhorando o fator
potência.
Atualmente, é difícil encontrá-lo nesse tipo de aplicação e não são muitas as indústrias
que o mantêm em atividade, mas toda a tecnologia nesse motor ajudou e pode ajudar a
desenvolver outras idéias e deve ser estudada com dedicação, além de auxiliar no entendimento
da máquina síncrona como gerador, o coração da produção de energia elétrica.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
A máquina síncrona possui um enrolamento trifásico no estator (parte fixa) e um
enrolamento de corrente contínua no rotor (parte móvel).
Como gerador, excitamos o rotor e aplicamos força mecânica para que o campo
magnético no rotor corte as bobinas no estator, tendo a tensão alternada trifásica gerada.
Como motor é preciso aplicar tensão trifásica ao estator, em que é produzido um campo
girante com freqüência determinada pela rede e velocidade de acordo com a freqüência e o
número de pólos do enrolamento.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
Ao rotor aplicamos tensão contínua para produzir um campo magnético fixo que
acompanha o campo girante fielmente.
Na figura existem dois pólos no rotor criados pela excitação em corrente contínua
aplicada e um campo magnético girante no estator com velocidade determinada pela freqüência
da rede e pelo número de pólos da máquina..
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
O problema do motor síncrono é a incapacidade de atingir a velocidade síncrona,
partindo da inércia, sob carga, sem procedimentos especiais, tais como:
a) Construção de uma gaiola envolvendo o rotor.
Coloca-se barras no sentido longitudinal da máquina, curto-circuitada nas extremidades
por anéis. Nesta configuração, na partida, correntes bastantes elevadas são induzidas nestas
barras em função da baixa impedância, aumentando consideravelmente o fluxo magnético,
fazendo com que o motor parta.
Quando o rotor da máquina está girando em regime permanente, a velocidade do
campo girante é a mesma velocidade do eixo do motor, neste momento nenhuma tensão é
induzida nestas barras e elas simplesmente não agem.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
b) Dispositivos de partida externa.
Outro motor acoplado ao eixo fornecendo torque suficiente para a partida do motor
síncrono.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
c) Utilizando um conversor de freqüência ajustável.
Tem-se então um campo girante com velocidade angular variável. Nesta circunstância,
inicialmente regula-se o conversor para geração de um campo girante com uma frequência
baixa, de tal forma que rotor comece a girar. A seguir, aumenta-se a freqüência do campo
girante até a velocidade síncrona.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Funcionais
Conclusão:
O motor síncrono é incapaz de partir sem a ajuda sob certas situações de carga.
Em vazio talvez parta, mas com carga, dificilmente.
Normalmente se utiliza outro motor acoplado ao eixo do motor síncrono para imprimir
velocidade ao motor síncrono até atingir 90% da velocidade do campo girante no estator.
Então o motor auxiliar é desacoplado e o motor síncrono busca a sincronia com o campo
magnético no estator e toma o controle da situação.
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MOTOR SÍNCRONO
Universo tecnológico dos
motores síncronos.
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MOTOR SÍNCRONO
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MOTOR SÍNCRONO
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MOTOR SÍNCRONO
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
As partes básicas da máquina síncrona são:
a) Induzido ou armadura (estator). Com enrolamento trifásico distribuído em ranhuras.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
b) Indutor (rotor).
Com enrolamento de campo de excitação com excitação cc. Esse enrolamento é conectado a
uma fonte externa por meio de anéis e escovas. Dependendo da construção do rotor, uma
máquina síncrona pode ser do tipo rotor cilíndrico (ou pólos lisos) oudo tipo pólos salientes.
(a) Rotor de pólos lisos. 
(b) Rotor de pólos salientes.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
c) Conjunto de escova e anéis.
Têm por função conectar a fonte de corrente contínua com os pólos do rotor. Tratando-se de
componentes que se desgastam e que podem produzir faíscas e interferência eletromagnética.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
d) Carcaça.
Sua função principal é apoiar e proteger o motor, alojando também o pacote de chapas e
enrolamentos do estator. Podem ser construídas nos tipos horizontal e vertical e com grau de
proteção de acordo com as necessidades do ambiente.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
e) Eixo.
Os eixos são fabricados de aço forjado ou laminado e usinados e tem como função apoiar as
bobinas do rotor.
1 Cubo do rotor, 
2 Aranha, 
3 Pólos, 
4 Eixo, 
5 Enrolamento de campo, 
6 e 7 Enrolamento amortecedor.
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MOTOR SÍNCRONO
Aspectos Construtivos.
f) Mancais de rolamento ou deslizamento.
Os mancais de rolamentos são construídos normalmente de rolamentos de esferas ou de rolos cilíndricos,
dependendo da rotação e dos esforços axiais e radiais a que são submetidos. Os mancais de deslizamento
podem ser lubrificados naturalmente (autolubrificáveis) ou lubrificados de forma forçada (lubrificação
externa). Os mancais têm a função de sustentarem o rotor na estrutura da máquina síncrona e permitirem
que o rotor gire de forma livre.
(a) Mancal de rolamento, 
(b) (b) Mancal de deslizamento.
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MOTOR SÍNCRONO
Tipos de excitação da Máquina Síncrona.
Podem ser excitados por uma fonte de energia elétrica externa ou pela própria energia
gerada devidamente retificada (auto-excidada); 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.
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MOTOR SÍNCRONO
Tipos de excitação da Máquina Síncrona.
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 considerado 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.
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MOTOR SÍNCRONO
Tipos de excitação da Máquina Síncrona.
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 máquina.
Necessita de escovas.
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MOTOR SÍNCRONO
Tipos de excitação da Máquina Síncrona.
d) Excitação Estática (com escovas).
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.
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MOTOR SÍNCRONO
Circuito Equivalente do Motor Síncrono (por fase).
O modelo do motor síncrono (circuito equivalente) é apresentado abaixo, onde:
jXs é a reatância síncrona (ohms).
Ra é a resistência de armadura (ohms).
Vt é a tensão da fonte aplicada ao estator (armadura).
Vg é a força contra-eletromotriz (gerada internamente no enrolamento do estator).
Ia Corrente do estator.
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MOTOR SÍNCRONO
Circuito Equivalente do Motor Síncrono (por fase).
A fórmula aplicada para o circuito equivalente acima é:
Vt = Vg + Ra . Ia + jXs . Ia
Podemos calcular Vg (fcem) usando a fórmula abaixo:
Vg = (Vt cos α– Ia . Ra) + j (Vt sen α + Ia Xs), ou
Vg = (Vt cos α – Ia . Ra) + j (Vt sen α – Ia Xs), ou
Vg = (Vf – Vf cos α ) + j(Vf sen α ), ou
Vg = (Vf – Vf cos α ) – j(Vf sen α )
O sinal + Ia Xs é usado para um fator de potência em avanço. O sinal – Ia Xs é usado para um fator
de potência em atraso. O ângulo α é chamado de ângulo elétrico correspondente ao torque.
A impedância no motor é dada pela fórmula:
Z = Ra + jXs
A queda de tensão no estator é calculada pela fórmula:
Er = Ia Z = Ia (Ra + jXs)
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MOTOR SÍNCRONO
Efeito da Carga Sobre Motores Síncronos.
Quando um motor síncrono funciona sem carga, o ângulo de torque é praticamente zero grau, a
força contra-eletromotriz Vg é igual a tensão aplicada ou a tensão do terminal Vt (desprezando as perdas do
motor) e o fator de potência é igual a 1. Aumentando-se as cargas e os ângulos de torque, a posição da fase
de Vg varia com relação a Vt que permite um fluxo de corrente maior no estator para suportar a carga
adicional. Vt e Vg não estarão mais em sentidos opostos.
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MOTOR SÍNCRONO
Efeito da Carga Sobre Motores Síncronos.
O ângulo β é chamado de ângulo de torque, a figura b mostra um motor trabalhando
subexcitado com um fator de potência indutivo, a corrente está atrasada da tensão nos terminais de
um ângulo θ. O ângulo β corresponde à diferença entre a posição do centro do eixo do rotor do
motor em relação ao centro no pólo do estator, é corresponde a um ângulo mecânico dado em
graus mecânicos.
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MOTOR SÍNCRONO
Efeito da Carga Sobre Motores Síncronos.
Para calcular o ângulo elétrico é necessário usar a equação abaixo:
α = Número de Pólos x (α /2);
Onde α corresponde ao ângulo elétrico (dado em graus elétricos) correspondente à
diferença entre a posição do centro do eixo do rotor do motor em relação ao centro no pólo do
estator.
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MOTOR SÍNCRONO
Correção do fator de potência com o uso de motor síncrono.
Uma vantagem incrível do motor síncrono é que ele funciona com um fator de potência (FP)
igual a um.
Variando-se a intensidade do campo cc no rotor, o fator de potência total de um motor
síncrono poderá ser ajustado ao longo de uma faixa considerável.
Assim, o motor simula uma carga capacitiva através da linha.
Se um sistema elétrico estiver funcionando com um fator de potência indutivo, os motores
síncronos ligados através da linha são ajustados para um FP capacitivo podendo aumentar e
melhorar o FP do sistema.
Qualquer melhora no FP aumenta a capacidade de fornecimento para a carga, aumenta a
eficiência e, em geral, melhora as características de funcionamento do sistema.
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MOTOR SÍNCRONO
Correção do fator de potência com o uso
de motor síncrono.
Para uma carga mecânica
constante, pode-se variar o FP de um
motor síncrono de um valor capacitivo
para um valor indutivo ajustando-se a sua
excitação de campo cc. A excitação de
campo é ajustada de modo que o FP seja
igual a 1.
Motor síncrono com um 
reostato para ajuste da 
excitação de campo na 
correção do FP.
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MOTOR SÍNCRONO
Correção do fator de potência com o uso
de motor síncrono.
Para uma carga mecânica
constante, pode-se variar o FP de um
motor síncrono de um valor capacitivo
para um valor indutivo ajustando-se a sua
excitação de campo cc. A excitação de
campo é ajustada de modo que o FP seja
igual a 1.
Motor síncrono com um 
reostato para ajuste da 
excitação de campo na 
correção do FP.
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EXERCÍCIOS
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício1: Um motor síncrono trifásico com rendimento de 85% absorve uma corrente de linha
eficaz de 10A e opera com uma tensão de 380V em estrela. Se a potência consumida é de 1800W e a
rotação do campo magnético da armadura (estator) é igual a 1800 rpm. Pede-se:
a) A potência aparente.
b) O fator de potência do motor.
c) A potência mecânica disponível no eixo no motor.
d) O torque.
e) O número de pólos do motor.
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício1: Um motor síncrono trifásico com rendimento de 85% absorve uma corrente de linha eficaz de 10A e opera
com uma tensão de 380V em estrela. Se a potência consumida é de 1800W e a rotação do campo magnético da armadura (estator) é
igual a 1800 rpm. Pede-se:
a) A potência aparente.
b) O fator de potência do motor.
c) A potência mecânica disponível no eixo no motor.
d) O torque.
e) O número de pólos do motor.
Respostas:
Sabendo que:
Ilinha = Ifase
Vlinha = 3 Vfase = 380 V
P = 1800 W
N = 85%
n =1800 rpm
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício1: Um motor síncrono trifásico com rendimento de 85% absorve uma corrente de linha eficaz de 10A e opera
com uma tensão de 380Vem estrela. Se a potência consumida é de 1800W e a rotação do campo magnético da armadura (estator) é
igual a 1800 rpm. Pede-se:
a) A potência aparente.
b) O fator de potência do motor.
c) A potência mecânica disponível no eixo no motor.
d) O torque.
e) O número de pólos do motor.
Respostas:
Sabendo que:
Ilinha = Ifase
Vlinha = 3 Vfase = 380 V
P = 1800 W
N = 85%
n =1800 rpm
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício1: Um motor síncrono trifásico com rendimento de 85% absorve uma corrente de linha eficaz de 10A e opera
com uma tensão de 380V em estrela. Se a potência consumida é de 1800W e a rotação do campo magnético da armadura (estator) é
igual a 1800 rpm. Pede-se:
a) A potência aparente.
b) O fator de potência do motor.
c) A potência mecânica disponível no eixo no motor.
d) O torque.
e) O número de pólos do motor.
Respostas:
Sabendo que:
Ilinha = Ifase
Vlinha = 3 Vfase = 380 V
P = 1800 W
N = 85%
n =1800 rpm
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício1: Um motor síncrono trifásico com rendimento de 85% absorve uma corrente de linha eficaz de 10A e opera
com uma tensão de 380V em estrela. Se a potência consumida é de 1800W e a rotação do campo magnético da armadura (estator) é
igual a 1800 rpm. Pede-se:
a) A potência aparente.
b) O fator de potência do motor.
c) A potência mecânica disponível no eixo no motor.
d) O torque.
e) O número de pólos do motor.
Respostas:
Sabendo que:
Ilinha = Ifase
Vlinha = 3 Vfase = 380 V
P = 1800 W
N = 85%
n =1800 rpm
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício1: Um motor síncrono trifásico com rendimento de 85% absorve uma corrente de linha eficaz de 10A e opera
com uma tensão de 380V em estrela. Se a potência consumida é de 1800W e a rotação do campo magnético da armadura (estator) é
igual a 1800 rpm. Pede-se:
a) A potência aparente.
b) O fator de potência do motor.
c) A potência mecânica disponível no eixo no motor.
d) O torque.
e) O número de pólos do motor.
Respostas:
Sabendo que:
Ilinha = Ifase
Vlinha = 3 Vfase = 380 V
P = 1800 W
N = 85%
n =1800 rpm
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício 2: O bate estaca eleva o batente de 2 toneladas a uma altura 10 metros. Calcule o
trabalho realizado pela força peso e a potência do motor (despreze as perdas por atrito) se o
percurso de elevação foi feito em 20 s. Considere g=10m/s2.
massa = 2000Kg
h = 10m
t = 20s
Trabalho:
T = m.g.h = 2000x10x10 = 200KJ
Potência elétrica:
P = Trabalho/Δt = 200K/20 = 10KW
Potência Mecânica:
Pmecânica = Pelétrica / 736 = 13,58 CV
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício 3: Um guindaste eleva uma carga de 2 toneladas a uma altura de 1m em 5s. Determine
o rendimento do sistema se o motor utilizado é de 12 HP.
massa = 500 Kg
h = 1 m
Δt = 0,5 s
Trabalho:
T = m.g.h = 500x10x1 = 5KJ
Potência elétrica (entrada):
P = Trabalho/Δt = 5K/0,5 = 10KW
Potência elétrica (saída) = 12 HP = 12 x 746 = 8952 W
Rendimento:
n = Psaída / Pentrada = 8952/10000 = 0,8952
n (%) = 89,5 %
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício 4: Um motor síncrono de 20 pólos, 40 HP, 660V, 60 Hz, trifásico, ligado em estrela está
funcionando em vazio com a sua tensão gerada por fase exatamente igual a tensão de fase
aplicada à sua armadura (estator). À vazio, o rotor atrasa-se de 0,5 graus mecânicos em relação à
sua posição síncrona. A reatância síncrona é 10Ω e sua resistência efetiva de armadura é igual a
1Ω por fase. Calcule:
a) O giro do motor em relação à posição
síncrona em graus elétricos.
b) A fcme (Vg) da armadura resultante, por fase.
c) A corrente de armadura, por fase.
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício 4: Um motor síncrono de 20 pólos, 40 HP, 660V, 60 Hz, trifásico, ligado em estrela está funcionando em vazio
com a sua tensão gerada por fase exatamente igual a tensão de fase aplicada à sua armadura (estator). À vazio, o
rotor atrasa-se de 0,5 graus mecânicos em relação à sua posição síncrona. A reatância síncrona é 10Ω e sua
resistência efetiva de armadura é igual a 1Ω por fase. Calcule: a)O giro do motor em relação à posição síncrona em
graus elétricos. b) A fcme (Vg) da armadura resultante, por fase. c) A corrente de armadura, por fase.
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício 5: A carga de uma instalação industrial é de 400 kVA para um fator de potência de 0,75
indutivo. Qual deve ser o FP da carga adicional de 100 kW de um motor síncrono se ele
aumentar o FP da instalação toda para 100%?
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício 5: A carga de uma instalação industrial é de 400 kVA para um fator de potência de 0,75
indutivo. Qual deve ser o FP da carga adicional de 100 kW de um motor síncrono se ele aumentar o FP da instalação
toda para 100%?
Cálculo das potências para a industria.
S = 400 kVA (potência aparente)
FP = cosθ = 0,75
θ = arc cos 0,75 = 41,4º
P = S.cosθ = 400k x 0,75 = 300kW (potência 
ativa)
Q = S.senθ = 400k x sem 41,4º = 264,5 kVAR
(potência reativa)
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MOTOR SÍNCRONO
Exercício 5: A carga de uma instalação industrial é de 400 kVA para um fator de potência de 0,75
indutivo. Qual deve ser o FP da carga adicional de 100 kW de um motor síncrono se ele aumentar o FP da instalação
toda para 100%?
Cálculo para a correção do FP para 100% com o motor síncrono.
Motor.
P = 100 kW
Q = 264,5 kVAR
tg θ = 264,5k / 100k = 2,64
arc tg 2,64 = 69,28º
cos 69,28º = FP = 0,35
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PRÓXIMA AULA GERADORES SÍNCRONOS