Introdução às Máquinas Elétricas: Máquinas Síncronas

Engenharia Elétrica MÁQUINAS ELÉTRICAS MÁQUINA CA SÍNCRONA Prof Mário L Botêga Jr Ementa 1 Introdução às máquinas elétricas 2 Motor de corrente contínua 3 Motor de corrente alternada assíncrono 4 Motor de corrente alternada síncrono 5 Gerador de corrente contínua 6 Gerador de corrente alternada 2 Prof Mário L Botêga Jr Máquinas de Corrente Alternada 3 Prof Mário L Botêga Jr Máquinas de Corrente Alternada As máquinas CA tradicionais classificamse em duas categorias SÍNCRONAS ASSÍNCRONAS A máquina síncrona recebeu esse nome porque seu rotor gira com a mesma velocidade do campo magnético girante produzido no enrolamento do estator 4 Prof Mário L Botêga Jr As máquinas síncronas podem operar como MOTOR GERADOR Operando como motor ROTOR BOBINADO IMÃS PERMANENTE Introdução às Máquinas Síncronas 5 Prof Mário L Botêga Jr São máquinas utilizadas em aplicações que demandam de velocidade constante na rotação síncrona com carga variável As máquinas com rotor bobinado são utilizadas para acionar grandes cargas motores de alta potência para mineração siderurgia cimento papel e celulose etc As máquinas com imãs permanente no rotor são utilizadas em baixas potências em aplicações de alto desempenho e alta eficiência máquinas ferramentas robôs etc Graças a seu fator de potência elevado e variável são também usados na correção de fator de potência compensador síncrono Introdução às Máquinas Síncronas Máquinas síncronas possuem características especiais tais como alto rendimento alto torque boa relação volume potência velocidade constante nas variações de carga baixo custo de manutenção entre outras 6 Prof Mário L Botêga Jr Tesla Model S acelera de 0 a 100 kmh em 21 s utilizando um motor síncrono de relutância httpbestcarsuolcombrbcmaisconstecnicomotoreseletricososdesafiosparaobteraltaspotencias Tesla Model S Porche 911 Carrera Introdução às Máquinas Síncronas Estrutura elementar a máquina síncrona sendo Parte fixa ESTATOR ou ARMADURA enrolamento polifásico de maior potência idêntico ao motor de indução Parte móvel ROTOR ou CAMPO enrolamento único de menor potência Cada enrolamento possui sua própria excitação sendo a armadura CA e o campo CC 7 Prof Mário L Botêga Jr CA CC Introdução às Máquinas Síncronas Aspecto geral do estator e rotor para uma máquina de baixa potência 8 Prof Mário L Botêga Jr Enrolamento do estator Rolamento Núcleo do estator Anéis coletores Enrolamento do rotor Polo saliente do rotor Ventilador Introdução às Máquinas Síncronas Nas máquinas síncronas as correntes do enrolamento do rotor são fornecidas pela parte estacionária por meio de anéis coletores e escovas de grafite 9 Prof Mário L Botêga Jr Introdução às Máquinas Síncronas Como o rotor é alimentado com tensão CC este transformase em um eletroímã que tenta se alinhar com os polos norte e sul instantâneos do campo magnético girante do estator Quando o campo magnético gira o rotor gira em sincronismo com o campo m e Quando o campo magnético girante é intenso ele exerce uma força de torção sobre o rotor torque eletromagnético e este portanto se torna capaz de acionar uma carga Caso o rotor saia de sincronismo desacoplamento magnético não se desenvolve nenhum torque e o motor para De forma que ou o motor síncrono funciona à velocidade síncrona ou não funciona 10 Prof Mário L Botêga Jr Introdução às Máquinas Síncronas Uma das desvantagens do motor síncrono puro é que ele não pode partir de uma posição de repouso apenas com a aplicação da tensão CA trifásica no estator 11 Prof Mário L Botêga Jr Como este motor desenvolve torque somente quando gira na velocidade síncrona ele não tem partida própria e consequentemente precisa de algum dispositivo que faça o rotor girar até atingir a velocidade síncrona Se a carga ultrapassar a potência máxima do motor este para definitivamente Introdução às Máquinas Síncronas No processo de partida de um motor síncrono o seu rotor deve ser levado até uma velocidade suficientemente próxima da síncrona para que ele possa se acoplar magneticamente com o campo girante e entrar em sincronismo Um tipo de partida simples é usar um outro motor seja CA ou CC que leva o rotor até aproximadamente 90 da sua velocidade síncrona O motor de partida é então desligado e o rotor acompanha o campo rotativo 12 Prof Mário L Botêga Jr Introdução às Máquinas Síncronas Um outro método de partida é um enrolamento secundário do tipo gaiola no rotor Este enrolamento de indução leva o rotor até uma velocidade quase síncrona s 2 a 5 e quando a corrente CC é ligada aos enrolamentos do rotor este entra em sincronismo com o campo Quando a gaiola está em sincronismo com o campo girante não é mais induzida FEM neste enrolamento A gaiola ajuda a máquina a recuperar a velocidade síncrona em caso de perturbações sendo por isso denominado de enrolamento amortecedor 13 Prof Mário L Botêga Jr Anel de curto circuito da gaiola Barras da gaiola Introdução às Máquinas Síncronas Outra técnica de partida é utilizar um rotor bobinado trifásico tal como no motor de indução ao invés do rotor em gaiola o chamado enrolamento amortecedor tipo rotor bobinado Podese identificar este rotor pelos cinco anéis coletores dois para o enrolamento do campo CC e três para o enrolamento bobinado do rotor 14 Prof Mário L Botêga Jr Introdução às Máquinas Síncronas O rotor de uma máquina síncrona pode ser de dois tipos Polos salientes Polos lisos 15 Prof Mário L Botêga Jr Este tipo de máquina em geral possui grande número de polos 48 96 proporcionando baixa rotação 150 75 rpm Introdução às Máquinas Síncronas O rotor de uma máquina síncrona pode ser de dois tipos Polos salientes Polos lisos 16 Prof Mário L Botêga Jr Este tipo de máquina em geral possui reduzido número de polos 2 4 proporcionando elevada rotação 3600 1800 rpm Máquinas Síncronas Conceitos Básicos 17 Prof Mário L Botêga Jr Velocidade síncrona velocidade mecânica O campo girante é uma onda de força magnetomotriz fmm que se desloca ao longo do entreferro com velocidade síncrona 120fP formando P polos girantes ao longo do entreferro Considerando a frequência de alimentação de 60 Hz podese montar a seguinte tabela Máquinas Síncronas Conceitos Básicos 18 Prof Mário L Botêga Jr Princípio de funcionamento a corrente contínua no enrolamento de campo produz um campo Br no rotor enquanto que a tensão trifásica aplicada no estator e produz um campo girante Bs A interação entre o campo magnético do estator Bs e do rotor Br produzirá um torque mecânico que tentará alinhar os dois campos Este torque fará com que o rotor gire na mesma velocidade do campo girante mas com um atraso angular um vez que eles nunca ficam perfeitamente alinhados mesmo sem carga pois a inércia do rotor provoca defasamento entre os campos O aumento da carga mecânica provoca um aumento do ângulo entre os campos do estator e do rotor Este defasamento é medido pelo ângulo chamado ângulo de carga ou de torque Quanto maior for a carga no eixo do motor maior será o ângulo Máquinas Síncronas Circuito Equivalente do Motor 19 Prof Mário L Botêga Jr Circuito equivalente por fase Deste diagrama podese escrever 𝐸𝑓 𝜔𝑒𝐿𝑎𝑓𝐼𝑓 2 Onde Campo rotor Vf tensão de alimentação CC do enrolamento do campo If corrente do campo Rf resistência do campo Lf indutância do campo Armadura estator Va tensão terminal de alimentação CA do enrolamento da armadura Ia corrente da armadura Ra resistência da armadura Xs reatância síncrona Ef tensão induzida na armadura pelo fluxo do enrolamento de campo tensão gerada ou interna Sabese que Sendo Laf a indutância mutua entre armadura e campo Máquinas Síncronas Circuito Equivalente do Motor 20 Prof Mário L Botêga Jr Diagrama fasorial por fase da máquina síncrona operando como motor O ângulo entre Va e Ef define o ângulo de carga da máquina Para 0 a máquina opera como motor Caso 0 a máquina opera como gerador Para Ef Va a máquina opera no modo motor para fator de potência indutivo Caso Ef Va a máquina opera como gerador Máquinas Síncronas Circuito Equivalente do Motor 21 Prof Mário L Botêga Jr Potência mecânica 𝑃𝑚𝑒𝑐 𝑞 𝑉𝑎 𝐸𝑓 𝑋𝑠 𝑠𝑒𝑛 𝛿 Torque eletromecânico A potência será máxima quando 90 Lembrando que q é o número de fases 𝑇𝑚𝑒𝑐 𝑃𝑚𝑒𝑐 𝜔𝑠 Tmec n rpm 𝑃𝑚𝑒𝑐 𝑇𝑚𝑒𝑐 𝜔𝑠 Sobre potência Máquinas Síncronas Circuito Equivalente do Motor 22 Prof Mário L Botêga Jr Efeito da variação da carga no eixo do motor Va Ef1 Ef2 Ef3 Ef4 Ia1 Ia2 Ia3 Ia4 Máquinas Síncronas Circuito Equivalente do Motor 23 Prof Mário L Botêga Jr Controle do fator de potência Para uma potência mecânica fixa é possível ajustar a corrente reativa drenada da rede pela variação da corrente de campo CC De tal forma que pu por unidade Potência de saída pu Corrente de campo Corrente de armadura FP 08 adiantado FP 10 FP 08 atrasado FP capacitivo subexcitado FP indutivo sobreexcitado 𝐸𝑓 cos 𝛿 𝑉𝑎 Para FP unitário 𝐸𝑓 cos 𝛿 𝑉𝑎 Para FP capacitivo 𝐸𝑓 cos 𝛿 𝑉𝑎 Para FP indutivo Máquinas Síncronas Perdas 24 Prof Mário L Botêga Jr Um motor síncrono está sujeito às seguintes perdas Perdas Joule RI2 nos enrolamentos do estator Perdas Joule RI2 no rotor Perdas por histerese e correntes parasitas de Foucault no núcleo perdas no ferro Perdas por atrito nos mancais e ventilação também conhecidas como perdas rotacionais Potência elétrica na entrada estator Potência mecânica na saída eixo Perda Joule no estator Perda Joule no rotor Perdas no ferro Perdas rotacionais Máquinas Síncronas Perdas 25 Prof Mário L Botêga Jr Tmec e Pmec não são o torque e a potência disponíveis no eixo do motor Desprezando as perdas no ferro e as perdas no cobre do rotor pois estas perdas são baixas quando comparadas com pois as perdas do estator podese escrever 𝑃𝑒𝑖𝑥𝑜 𝑃𝑚𝑒𝑐 𝑃𝑐 𝑃𝑟𝑜𝑡 𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜 𝑃𝑒𝑖𝑥𝑜 𝜔𝑚 𝑇𝑚𝑒𝑐 𝑇𝑟𝑜𝑡 e Sendo as perdas no cobre do estator dada por 𝑃𝑐 𝑞𝑅𝑎𝐼𝑎2 Máquinas Síncronas de Imã Permanente 26 Prof Mário L Botêga Jr Servo motor Encoder sensor de velocidade e posição angular Imãs permanente no rotor Enrolamentos do estator sem o núcleo Máquinas Síncronas de Imã Permanente 27 Prof Mário L Botêga Jr Imã superficial Entreferro Imã permanente Núcleo do estator Ranhuras slots para as bobinas Núcleo do rotor eixo Imã interno Máquinas síncronas tipicamente de baixa potência podem ser obtidas substituindo o enrolamento de campo por imãs permanentes Isso garante a geração de um campo constante sem a necessidade de uma segunda fonte de alimentação São utilizados em aplicações de alto desempenho na indústria robótica máquinas ferramenta na automotiva bomba de combustível limpador de para brisas acionador de vidros e mais recentemente tração de carros elétricos Máquinas Síncronas de Imã Permanente 28 Prof Mário L Botêga Jr Curva de magnetização dos principais imãs permanente segundo quadrante Neodímioferroboro Alnico 5 Samáriocobalto Alnico 8 Cerâmico 7 ferrite Densidade de fluxo residual Br remanente Coercividade Hc Coercividade é a intensidade de campo magnético reverso Hc necessário para reduzir a densidade do fluxo magnético B a zero eliminando o campo remanente Br isto é a desmagnetização do imã Densidade de fluxo residual remanente é a densidade de fluxo B que permanece mesmo após o campo H ter sido retirado Máquinas Síncronas de Imã Permanente 29 Prof Mário L Botêga Jr Circuito equivalente desprezando a resistência de armadura Sendo Eam a tensão gerada pelos imãs 𝑃𝑚𝑒𝑐 𝑞𝐸𝑎𝑚𝐼𝑎 Acionamento de Máquinas Síncronas 30 Prof Mário L Botêga Jr Velocidade fixa Armadura diretamente da rede elétrica sendo a velocidade definida pelo número de polos Campo fonte CC ajustável imã permanente Velocidade variável Armadura inversor de frequência sendo a velocidade definida pelo número de polos e pela frequência de saída do inversor Campo fonte CC ajustável imã permanente 31 Prof Mário L Botêga Jr Exercícios 1 Um motor síncrono trifásico de 60 Hz opera com uma tensão de terminal de 460 V de linha e uma corrente de terminal de 120 A com um fator de potência de 095 atrasado Nestas condições de operação a corrente de campo é 47 A A reatância síncrona da máquina é 168 Ω Suponha que a resistência de armadura seja desprezível Calcule a A tensão gerada tensão interna b A indutância mutua entre armadura e campo c A potência elétrica trifásica na entrada do motor em kW e HP 32 Prof Mário L Botêga Jr Exercícios 2 Suponha que a potência de entrada e a tensão de terminal do motor do exercício 1 permaneçam constantes calcule a O ângulo de fase ou o ângulo de carga da tensão gerada b A corrente de campo necessária para se obter um FP unitário nos terminais da máquina 33 Prof Mário L Botêga Jr Exercícios 3 Um motor síncrono de seis polos conectado em Y 60 Hz alimentado por 2300 V de linha tem uma reatância síncrona de 5 Ω por fase Quando este motor entrega 200 HP seu rendimento é 90 excluindo as perdas de campo nesta situação seu ângulo de carga é 15 Desprezando a resistência de armadura as perdas rotacionais e considerando que o motor está sendo alimentado por uma barra infinita calcule a A tensão gerada tensão interna b A corrente de armadura c O fator de potência d O torque desenvolvido pelo motor 34 Prof Mário L Botêga Jr Exercícios 4 Um motor síncrono trifásico de quatro polos e imã permanente superficial tem uma indutância síncrona de 05 mH uma resistência de armadura de 11 mΩ e uma tensão gerada de 0 11 Vrpm ou 331 VHz Este motor foi projetado para funcionar com 1800 rpm nominais mas tem capacidade de sobre velocidade até 2400 rpm com potência reduzida O motor pode operara até uma tensão máxima de 208 V de linha e uma corrente de terminal máxima de 185 A A resistência de armadura pode ser desprezada Calcule a A potência e o torque máximo que o motor pode fornecer a uma velocidade de 1800 rpm b Com o acionamento fornecendo 185 A determine a tensão de alimentação de armadura 35 Prof Mário L Botêga Jr Curiosidade Motor Out Runner Estator Suspensão Rolamento Rotor Pneu convencional Inversor