MAQ_Unid 5_MAQ SINCRONAS_parte-1 (5)

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Máq.Ac. Elétricos (Prof. Evandro) 1
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UNIDADE UNIDADE 0505
MÁQUINAS SÍNCRONASMÁQUINAS SÍNCRONAS
Disciplina: Máq. Ac. Elétricos
Prof.: Evandro 2
Máquinas Síncronas
Conteúdo programático
• Princípio de funcionamento e partes constituintes. 
• Circuito equivalente para a máquina síncrona. 
• Operação como motor síncrono. 
• Partida de motores síncronos. 
• Efeito do aumento de carga. 
• Curva em V de um motor síncrono.
• Aplicações dos motores síncronos.
• Geradores síncronos trifásicos.
(Obs.: A sequencia de exposição ao longo das aulas pode diferir da exposta 
acima.)
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5.1 – INTRODUÇÃO
 Classificação das Máquinas Elétricas Rotativas
• Máquinas de Corrente Contínua (CC)
• Máquinas de Corrente Alternada (CA)
– Síncrona 
– Assíncrona
• Máquinas especiais
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Máquinas de Corrente Alternada (CA)
Se dividem em:
– Trifásica
• Assíncrona
• Síncrona
– Monofásica
• Assíncrona
• Síncrona
– Universal
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Máquinas Síncronas
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• Características gerais das máquinas síncronas
– A máquina síncrona é uma máquina de indução.
– A frequência elétrica da tensão no estator, está 
sincronizada com a velocidade mecânica do rotor.
• Classificação das máquinas síncronas:
- Gerador (ou Alternador) Síncrono
- Motor Síncrono
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5.2 – ASPECTOS FÍSICOS DE FUNCIONAMENTO
5.2-1 Partes Construtivas Principais
O estudo dos aspectos construtivos das máquinas elétricas 
tem por objetivos principais:
i. mostrar a colocação dos enrolamentos nas máquinas 
elétricas rotativas;
ii. demonstrar a composição genérica destas máquinas.
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Características importantes no processo de conversão 
eletromecânica de energia num determinado 
dispositivo eletromecânico:
- Enrolamento de campo: 
• Onde se aplicada a corrente de excitação. 
→ resultando na produção de um campo magnético (que no 
caso das máquinas CA, é girante). 
- Enrolamento de armadura: 
• Onde é gerada a fem induzida de trabalho (gerador).
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
 Estator
Onde se localizam os enrolamentos de armadura.
- Carcaça
- Núcleo do estator 
Estator de uma máquina trifásica (3Ø) de 2 polos
O padrão básico de dois pólos (a-c’-b-a’-c-b’) distribuído nos 
360° do estator.
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
 Atividade em sala (relativa ao slide anterior)
- Fazer as conexões (fechamento) dos enrolamentos da 
armadura (estator).
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
Máquina trifásica (3Ø) de 4 pólos – Enrol.s de armadura
Estator Diagrama de conexões
O padrão básico de dois pólos é repetido duas vezes nos 360°
do estator. 14
5.2-1 Partes Construtivas Principais
 Atividade (relativa ao slide anterior)
- Fazer as conexões (fechamento) dos enrolamentos da 
armadura (estator)
.
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
 Rotor
Onde se localizam os enrolamentos de campo.
Tipos de rotor:
• Pólos Lisos
• Pólos Salientes
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
 Rotor
• Pólos Lisos
(outras denominações: rotor Cilíndrico, Pólos Não Salientes).
– Possui Enrolamento Distribuído
(ao longo das ranhuras do rotor)
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
 Rotor
• Pólos Salientes
– Possui Enrolamento Concentrado 
(em cada perna = polo)
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
Máquina trifásica de 4 pólos
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
Máquinas com rotor de polos Salientes e de polos Lisos
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
 Atividade (relativa ao slide anterior)
- Avaliar se as conexões da figura b) do slide anterior estão 
corretas, ou mesmo completas.
.
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
 Escovas e Anéis Coletores
─ As escovas e os anéis são fixos no eixo.
─ O contato entre ambos é contínuo.
Fonte: Nascimento Jr. (2008, p. 168).
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Partes Construtivas Principais
 Rotor
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
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MÁQUINA SÍNCRONA - Gerador
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MÁQUINA SÍNCRONA - Gerador
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
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5.2-1 Partes Construtivas Principais
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MÁQUINA SÍNCRONA - Gerador
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MÁQUINA SÍNCRONA - Gerador
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Motor síncrono trifásico de alta velocidade
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 Velocidade do CMG ou Velocidade Síncrona (ns)
(CMG: Campo Magnético Girante)
onde 
p: número de pólos (magnéticos) da máquina.
f: freqüência elétrica (Hz) da tensão nos enrolamentos do estator 
(armadura):
- No caso de motor: é a frequencia da rede de alimentação.
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 Escorregamento (S)
Diferença entre a velocidade síncrona ns e a velocidade do rotor
n (ou nr).
onde
• ns: velocidade síncrona (do CMG)
• n: velocidade do rotor
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 Exemplo 1
Sistema de geração da usina de Itaipu: 
- turbina Francis/gerador com velocidade de 92.3 rpm a 60 Hz 
(lado brasileiro) e 90,9 rpm a 50 Hz (lado paraguaio).
Determine o número de pólos das máquinas.
Resp.: p = 78 (Brasil) 
p = 66 (Paraguai)
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5.2-2 – Princípio de Funcionamento
• Por ser também uma máquina de indução: pela lei de 
Faraday a tensão induzida, por exemplo, no 
enrolamento da “fase a” do estator é:
5.2-2 Princípio de Funcionamento
Gerador síncrono
• Aplicações dos geradores (ou alternadores) 
síncronos
São utilizados principalmente, na geração de energia elétrica
nas usinas hidrelétricas, térmicas e nucleares.
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5.2-2 - Princípio de Funcionamento
 Gerador síncrono
– Objetivo: gerar energia (tensão) elétrica alternada no 
estator.
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5.2-2 - Princípio de Funcionamento
Gerador síncrono
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5.2-2 Princípio de Funcionamento
 Gerador síncrono elementar (alternador)
– Com o movimento relativo do campo magnético 
produzido pelo enrolamento de campo (presente no 
rotor) em relação aos enrolamentos da armadura
(instalados no estator) é gerado um valor instantâneo 
da força eletromotriz (f.e.m) induzida nos 
enrolamentos da armadura.
Esquema de Funcionamento de 
um Gerador Elementar 
(Armadura Fixa)
Fonte: Weg S.A. ([200-?], p. 46).
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5.2-2 Princípio de Funcionamento
Gerador síncrono
• Tensão Gerada
A tensão gerada nos alternadores síncronos depende:
- da velocidade da máquina, e 
- do fluxo de excitação de campo do gerador (Ø). 
Assim, tem-se: 
(1 Wb = 1.108 linhas de campo magnético)
(SENAI, 1988).
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5.2-2 Princípio de Funcionamento
 Tensão Gerada
Sendo:
▪ ωe = velocidade angular elétrica (rad/s);
▪ ωm = velocidade angular mecânica (rad/s).
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5.2-2 Princípio de Funcionamento
 Tensão Gerada
Sendo:
fe: frequencia elétrica da tensão gerada (Hz);
p: número de polos;
n (ou ns): rotação síncrona (rpm).
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5.2-2 Princípio de Funcionamento
 Tensão Gerada
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 Exemplo 2
Um gerador CA tem oito pólos e opera numa velocidade 
de 900 rpm. Calcule:
a) A frequencia da tensão gerada;
b) A velocidade da máquina primária requerida para 
gerar 25 Hz e 50 Hz.
Resp.: a) 60 Hz) 
b) ____ rpm
____ rpm
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 Exemplo 3
Um alternador síncrono de seis pólos tem 480 espiras por 
fase (estator). O fluxo por pólo é de 4,8 x 106 linhas e 
a velocidade é 1200 rpm. 
Calcule o valor da tensão gerada por fase.
Resp.: 6.137,8 V
5.2-2 Princípio de Funcionamento
 Motor síncrono
– Objetivo: energia mecânica (rotacional) no eixo, a 
uma velocidade fixa (quando em regime permanente.
 Objetivo: - Energizar os polos de campo magnético do estator, ou 
seja, criar um campo magnético girante (CMG) no circuito do 
estator.
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5.2-2 Princípio de Funcionamento
 Motor síncrono
– Objetivo: energia mecânica (rotacional) no eixo, a uma 
velocidade fixa (quando em regime permanente.
5.2-2 Princípiode Funcionamento
 Motor síncrono
 Objetivo: - Energizar os polos de campo magnético do 
estator, ou seja, criar um campo magnético girante (CMG) 
no circuito do estator.
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5.2-2 - Princípio de Funcionamento
Motor síncrono
5.2-2 Princípio de Funcionamento
 Campo Magnético Girante (CMG)
– CMG no estator de um motor síncrono
– Correntes (de magnetízação) circulam em cada uma das 
três fases e, em conjunto, criam um CMG. 
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5.2-2 Princípio de Funcionamento
 Campo Magnético Girante (CMG)
– CMG no estator de um motor síncrono
– Correntes (de magnetízação) circulam em cada uma das 
três fases e, em conjunto, criam um CMG. P substituir a 
figura das correntes.
5.2-2 Princípio de Funcionamento
 Campo Magnético Girante (CMG)
– Formação do CMG no estator
( Vide ANEXO I)
P substituir a figura das correntes.
 Formação do CMG
Determinação do eixo magnético de cada fase do estator
Eixos magnéticos das fases a, b e c (linhas pontilhadas) tem a 
indicação do sentido, considerando-se que corrente positiva é 
a que sai pelo terminal “a”, e entra pelo terminal “-a”. 
Regra do saca rolhas (mão direita) para obter a indicação do 
sentido do eixo magnético na fase. 
5.2-2 Princípio de Funcionamento
 Formação do CMG
a
b
c
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• Aplicações dos Motores Síncronos
─ Estes motores são na maioria das vezes mais 
econômicos para altas potências, sendo usados na 
correção do fator de potência:
Deste modo, são utilizados:
─ como condensadores (capacitores) nos 
consumidores industriais; e/ou
─ como reatores (indutores) nas subestações das 
concessionárias de energia elétrica.
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Motores Síncronos - Aplicações
A excitação (alimentação CC do enrolamento de campo) 
determina se a máquina está fornecendo ou absorvendo
reativo (indutivo).
• Corrente de excitação (If)
(Vide notas de aula manuscritas)
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Motores Síncronos - Aplicações
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Motores Síncronos - Aplicações
─ Quando a tecnologia de capacitores atingiu um ponto 
satisfatório reduziu-se substancialmente sua utilização 
na correção do fator de potência nas indústrias. 
(Livro Motor Síncrono. Geraldo Carvalho. p 299)
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 Exemplo 04
Em uma indústria, uma máquina síncrona trifásica (3Ø), de 400
kVA, e 4 kV é instalada em paralelo com motores de 
indução trifásicos.
São as seguintes as cargas das máquinas:
- Motores de indução: 500 kVA, com FP de 0,8 atrasado;
- Motor síncrono: 300 kVA, com FP unitário.
Pede-se:
a) Determine o FP geral da indústria para situação atual.
b) Para melhorar o FP geral, a máquina síncrona é sobre-
excitada, sem que ocorra qualquer aumento de carga. 
Sem sobrecarregar o motor síncrono (ou seja, 
respeitando seu limite de potência), qual é o acréscimo 
de FP possível? 
c) Encontre a corrente e o FP do motor síncrono nesta nova 
condição de operação.
Resp.: a) 0,92
b) 0,99
c) 57,73 A ; 0,75 cap
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5.3 – TORQUE ELETROMAGNÉTICO (Telm)
• Para produzir um torque eletromagnético (Telm) 
permanente, os campos magnéticos do estator (Øest) e 
do rotor (Ørot) precisam ser:
– constantes em amplitude, e 
– estacionários um com relação ao outro.
• Portanto, o Telm é a tendência para dois campos 
magnéticos se alinharem.