Máquinas Síncronas e Suas Aplicações

Prof Marcel Parentoni Máquinas Síncronas Motores Síncronos ELE606 Conversão Eletromecânica de Energia II Tópicos Aplicações Circuito Elétrico Equivalente e Equações de Tensão Características Terminais Estado Operacional Motor Diagramas Fasoriais Alterações de Carga Controle do Regulador de Tensão Corrente de Excitação Diagramas Fasoriais Condições de Subexcitação Excitação Normal e Sobrexcitação Curvas V Ajuste de Potência Reativa Correção de Fator de Potência Compensador Síncrono Partida Aplicações Motores Síncronos Por que utilizar Correção do Fator de Potência Velocidade fixa Alta Capacidade de Torque Alto Rendimento Maior Estabilidade na Utilização com Inversores de Frequência 4 Aplicações Mineração britadores moinhos correias transportadoras e outros Siderurgia laminadores ventiladores bombas e compressores Papel e celulose extrusoras picadores desfibradores compressores descascadores e refinadores Saneamento bombas Transmissão de energia compensadores síncronos 5 Exemplo de aplicação de um Compensador Síncrono Estado Operacional Motor Estados Operacionais Desenho feito durante a aula de 160721 Estados Operacional Gerador Estados Operacional Motor Circuito Elétrico Equivalente e Equações de Tensão Características Terminais Alterações de Carga Alterações de carga Aumento do conjugado da carga Observar as variações das Potências Ativa e Reativa Ajuste de Potência Reativa Ajuste de Potência Reativa de um Motor Síncrono Operando em Paralelo com a Rede Desenho feito durante a aula de 230721 Ajuste de Potência Reativa de um Motor Síncrono Operando em Paralelo com a Rede Ajuste de Potência Reativa de um Motor Síncrono Operando em Paralelo com a Rede CURVAS V Ajuste de Potência Reativa de um Motor Síncrono Operando em Paralelo com a Rede CURVAS V Curvas V Comparação Gerador vs Motor Quanto mais deslocada pra cima estiver a Curva V maior a potência ativa fornecida GERADOR MOTOR SUBEXCITADO SOBREEXCITADO FP ADIANTADO FP ATRASADO FORNECE Q INDUTIVA FORNECE Q CAPACITIVA SUBEXCITADO SOBREEXCITADO FP ATRASADO FP ADIANTADO CONSOME Q CAPACITIVA CONSOME Q INDUTIVA Quanto mais deslocada pra cima estiver a Curva V maior a potência ativa consumida Exemplo Ensaios para Levantamento das Curvas V de um Motor Síncrono Assistir o vídeo do ensaio laboratorial de obtenção das Curvas V do Motor Síncrono httpsyoutubeIq9ECeWQNGg EXEMPLO 51 Um motor síncrono de 208 V 45 HP FP 08 adiantado ligado em Δ e 60 Hz tem uma reatância síncrona de 25 Ω e uma resistência de armadura desprezível Suas perdas por atrito e ventilação são 15 kW e as perdas no núcleo são 10 kW Inicialmente o eixo está impulsionando uma carga de 15 HP e o fator de potência do motor é 080 adiantado a Desenhe o diagrama fasorial desse motor e encontre os valores de IA IL e EA b Agora assuma que a carga no eixo seja aumentada para 30 HP Desenhe o comportamento do diagrama fasorial em resposta a esse aumento c Encontre IA IL e EA após a alteração de carga Qual é o novo fator de potência EXEMPLO 52 O motor síncrono do exemplo anterior de 208 V 45 HP FP 08 adiantado ligado em Δ e 60 Hz está alimentando uma carga de 15 HP com um fator de potência inicial de FP 085 atrasado A corrente de campo IF nessas condições é 40 A a Desenhe o diagrama fasorial inicial desse motor e encontre os valores IA e EA b Se o fluxo do motor for incrementado em 25 desenhe o novo diagrama fasorial do motor Quais são agora os valores de EA IA e o fator de potência do motor c Assuma que o fluxo no motor varie linearmente com a corrente de campo IF Faça um gráfico de IA versus IF para o motor síncrono com uma carga de 15 HP EXEMPLO 51 Um motor síncrono de 208 V 45 HP FP 08 adiantado ligado em Δ e 60 Hz tem uma reatância síncrona de 25 Ω e uma resistência de armadura desprezível Suas perdas por atrito e ventilação são 15 kW e as perdas no núcleo são 10 kW Inicialmente o eixo está impulsionando uma carga de 15 HP e o fator de potência do motor é 080 adiantado a Desenhe o diagrama fasorial desse motor e encontre os valores de IA IL e EA b Agora assuma que a carga no eixo seja aumentada para 30 HP Desenhe o comportamento do diagrama fasorial em resposta a esse aumento c Encontre IA 274 3687 A IB 208 0 V jXs IA 685 12687 EA 255 124 V Qual é o novo fator de potência Exemplo 51 Um motor síncrono de 208 V 45 HP FP 08 adiantado ligado em Δ e 60 Hz tem uma reactância síncrona de 25 Ω e uma resistência de armadura desprezível Suas perdas por atrito e ventilação são 15 kW e as perdas no núcleo são 10 kW Inicialmente o eixo está impulsionando uma carga de 15 HP e o fator de potência do motor é 080 adiantado a Desenhe o diagrama fasorial desse motor e encontre os valores de IA IL e EA b Agora assuma que a carga no eixo seja aumentada para 30 HP Desenhe o comportamento do diagrama fasorial em resposta a esse aumento c Encontre IA IL e EA após a alteração de carga Qual é o novo fator de potência IA 274 3687 A Vb 208 0 V EA 255 124 V Exemplo 51 Um motor síncrono de 208 V 45 HP FP 08 adiantado ligado em Δ e 60 Hz tem uma reactância síncrona de 25 Ω e uma resistência de armadura desprezível Suas perdas por atrito e ventilação são 15 kW e as perdas no núcleo são 10 kW Inicialmente o eixo está impulsionando uma carga de 15 HP e o fator de potência do motor é 080 adiantado a Desenhe o diagrama fasorial desse motor e encontre os valores de IA IL e EA b Agora assuma que a carga no eixo seja aumentada para 30 HP Desenhe o comportamento do diagrama fasorial em resposta a esse aumento c Encontre IA IL e EA após a alteração de carga Qual é o novo fator de potência b Quando a potência no eixo é aumentada para 30 HP o eixo desacelera momentaneamente e a tensão geral interna EA oscila por um ângulo maior δ mantendo constante o módulo Exemplo 51 Um motor síncrono de 208 V 45 HP FP 08 adiantado ligado em Δ e 60 Hz tem uma reactância síncrona de 25 Ω e uma resistência de armadura desprezível Suas perdas por atrito e ventilação são 15 kW e as perdas no núcleo são 10 kW Inicialmente o eixo está impulsionando uma carga de 15 HP e o fator de potência do motor é 080 adiantado a Desenhe o diagrama fasorial desse motor e encontre os valores de IA IL e EA b Agora assuma que a carga no eixo seja aumentada para 30 HP Desenhe o comportamento do diagrama fasorial em resposta a esse aumento c Encontre IA IL e EA após a alteração de carga Qual é o novo fator de potência b Quando a potência no eixo é aumentada para 30 HP o eixo desacelera momentaneamente e a tensão geral interna EA oscila por um ângulo maior δ mantendo constante o módulo P 33 EA sen δ XS δ arcsen XS P 33 EA Exemplo d Calcular a variação de Potência Reativa entre as duas situações EXEMPLO 52 O motor síncrono do exemplo anterior de 208 V 45 HP FP 08 adiantado ligado em Δ e 60 Hz está alimentando uma carga de 15 HP com um fator de potência inicial de FP 085 atrasado A corrente de campo IF nessas condições é 40 A a Desenhe o diagrama fasorial inicial desse motor e encontre os valores IA e EA b Se o fluxo do motor for incrementado em 25 desenhe o novo diagrama fasorial do motor Quais são agora os valores de EA IA e o fator de potência do motor c Assuma que o fluxo no motor varie linearmente com a corrente de campo IF Faça um gráfico de IA versus IF para o motor síncrono com uma carga de 15 HP EXEMPLO 52 O motor síncrono do exemplo anterior de 208 V 45 HP FP 08 adiantado ligado em Δ e 60 Hz está alimentando uma carga de 15 HP com um fator de potência inicial de FP 085 atrasado A corrente de campo IF nessas condições é 40 A b Se o fluxo φ for incrementado em 25 EA 125 EA1 125182 V 2275 V Entretanto a potência fornecida à carga deve permanecer constante Como o comprimento EA sen δ é proporcional à potência esse comprimento no diagrama fasorial deverá ser constante entre o nível do fluxo original e o nível do novo fluxo Portanto EA1 sen δ1 EA2 sen δ2 δ2 arcsenEA1EA2 sen δ1 arcsen182 V2275 V sen175 139 IA2 VΦ EA2jXS 208 0 V 2275 139 Vj25 Ω FP cos132 0974 adiantado EXEMPLO 52 O motor síncrono do exemplo anterior de 208 V 45 HP FP 08 adiantado ligado em Δ e 60 Hz está alimentando uma carga de 15 HP com um fator de potência inicial de FP 085 atrasado A corrente de campo IF nessas condições é 40 A a Desenhe o diagrama fasorial inicial desse motor e encontre os valores IA e EA b Se o fluxo do motor for incrementado em 25 desenhe o novo diagrama fasorial do motor Quais são agora os valores de EA IA e o fator de potência do motor c Assuma que o fluxo no motor varie linearmente com a corrente de campo IF Faça um gráfico de IA versus IF para o motor síncrono com uma carga de 15 HP EXEMPLO 52 O motor síncrono do exemplo anterior de 208 V 45 HP FP 08 adiantado ligado em Δ e 60 Hz está alimentando uma carga de 15 HP com um fator de potência inicial de FP 085 atrasado A corrente de campo IF nessas condições é 40 A a Desenhe o diagrama fasorial inicial desse motor e encontre os valores IA e EA b Se o fluxo do motor for incrementado em 25 desenhe o novo diagrama fasorial do motor Quais são agora os valores de EA IA e o fator de potência do motor c Assuma que o fluxo no motor varie linearmente com a corrente de campo IF Faça um gráfico de IA versus IF para o motor síncrono com uma carga de 15 HP Correção de Fator de Potência EXEMPLO 53 O barramento infinito da Figura 513 opera em 480 V A carga 1 é um motor de indução que consome 100 kW com FP 078 atrasado e a carga 2 é um motor de indução que consome 200 kW com FP 08 atrasado A carga 3 é um motor síncrono cujo consumo de potência ativa é 150 kW a Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 atrasado qual será a corrente na linha de transmissão nesse sistema b Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 adiantado qual será a corrente na linha de transmissão nesse sistema c Assuma que as perdas na linha de transmissão são dadas por PPL 3I2RL perdas na linha em que o índice PL significa perdas na linha De que forma as perdas na linha comparamse nos dois casos EXEMPLO 53 O barramento infinito da Figura 513 opera em 480 V A carga 1 é um motor de indução que consome 100 kW com FP 078 atrasado e a carga 2 é um motor de indução que consome 200 kW com FP 08 atrasado A carga 3 é um motor síncrono cujo consumo de potência ativa é 150 kW a Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 atrasado qual será a corrente na linha de transmissão nesse sistema b Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 adiantado qual será a corrente na linha de transmissão nesse sistema c Assuma que as perdas na linha de transmissão são dadas por PPL 3I²RL perdas na linha em que o índice PL significa perdas na linha De forma as perdas na linha compararamse nos dois casos Ptot P1 P2 P3 100 kW 200 kW 150 kW 450 kW Q1 P1 tg θ 100 kW tg arccos 078 100 kW tg 387 802 kvar Q2 P2 tg θ 200 kW tg arccos 080 200 kW tg 3687 150 kvar Q3 P3 tg θ 150 kW tg arccos 085 150 kW tg 318 93 kvar Qtot Q1 Q2 Q3 802 kvar 150 kvar 93 kvar 3232 kvar FP cos θ cos arctg QP cos arctg 3232 kvar450 kW cos 357 0812 atrasado IL Ptot 3VL cos θ 450 kW 3480 V0812 667 A EXEMPLO 53 O barramento infinito da Figura 513 opera em 480 V A carga 1 é um motor de indução que consome 100 kW com FP 078 atrasado e a carga 2 é um motor de indução que consome 200 kW com FP 08 atrasado A carga 3 é um motor síncrono cujo consumo de potência ativa é 150 kW a Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 atrasado qual será a corrente na linha de transmissão nesse sistema b Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 adiantado qual será a corrente na linha de transmissão nesse sistema c Assuma que as perdas na linha de transmissão são dadas por PPL 3I²RL perdas na linha em que o índice PL significa perdas na linha De forma as perdas na linha compararamse nos dois casos EXEMPLO 53 O barramento infinito da Figura 513 opera em 480 V A carga 1 é um motor de indução que consome 100 kW com FP 078 atrasado e a carga 2 é um motor de indução que consome 200 kW com FP 08 atrasado A carga 3 é um motor síncrono cujo consumo de potência ativa é 150 kW a Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 atrasado qual será a corrente na linha de transmissão nesse sistema b Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 adiantado qual será a corrente na linha de transmissão nesse sistema c Assuma que as perdas na linha de transmissão são dadas por PPL 3I2RL perdas na linha em que o índice PL significa perdas na linha De forma as perdas na linha comparamse nos dois casos Ptot P1 P2 P3 100 kW 200 kW 150 kW 450 kW Q3 P3 tg θ 150 kW tg arccos 085 150 kW tg 318 93 kvar Qtot Q1 Q2 Q3 802 kvar 150 kvar 93 kvar 1372 kvar FP cos θ cos arctg QP cos arctg 1372 kvar450 kW cos 1696 0957 atrasado IL Ptot3VL cos θ 450 kW3480 V0957 566 A EXEMPLO 53 O barramento infinito da Figura 513 opera em 480 V A carga 1 é um motor de indução que consome 100 kW com FP 078 atrasado e a carga 2 é um motor de indução que consome 200 kW com FP 08 atrasado A carga 3 é um motor síncrono cujo consumo de potência ativa é 150 kW a Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 atrasado qual será a corrente na linha de transmissão nesse sistema b Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 adiantado qual será a corrente na linha de transmissão nesse sistema c Assuma que as perdas na linha de transmissão são dadas por PPL 3I2RL As perdas na linha de transmissão no primeiro caso são PPL 3I2RL 3667 A2 2RL 1344700 RL As perdas na linha de transmissão no segundo caso são PPL 3I2RL 3566 A2 2RL 961070 RL Observe que no segundo caso as perdas na linha de transmissão são 28 menores do que no primeiro ao passo que a potência fornecida às cargas é a mesma Exemplo Ensaio de um Motor Síncrono Operando para Correção de Fator de Potência Assistir o vídeo do ensaio laboratorial de obtenção das Curvas V do Motor Síncrono httpsyoutubeQ2qKuuazut4 Repita o item c do exercício anterior para as várias situações registradas nesse ensaio Compensador Síncrono Relembrando Conceito de Barramento Infinito Como se consegue ter um barramento infinito Como manter tensão e frequências constantes no sistema mesmo com tantas variações de cargas Como ter um sistema tão forte assim Qual equipamento é o principal responsável por criar essas condições operacionais Barramento Infinito Reguladores de Tensão e Velocidade Frequência Barramento Infinito Regulador de Tensão Regulador de Velocidade Atua na excitação Monitora a tensão Atua na potência mecânica Monitora a frequência Todo gerador síncrono possui um sistema de controle individual O sistema de controle possui 2 reguladores independentes Regulador de velocidade frequência potência mecânica Regulador de tensão excitação Cada máquina faz seu trabalho de regulação e todas operam em paralelo Comportamento com inserções e retiradas de cargas Sistema interligado capaz de estabelecer um barramento infinito Ampliando a visão sistêmica Sistema Elétrico Sistema Elétrico Qual equipamento é capaz de regular tensão A Máquina Síncrona pode ajudar mais ainda o sistema a manter tensão constante Uma máquina de grande porte operando como motor em vazio Instalada em subestações Ajuste de reativo sobreexcitado ou subexcitado dependendo da situação de carga Esses motores síncronos especiais são conhecidos como Compensadores Síncronos 46 httpswwwyoutubecomwatchvF3TUvkI1dTo Funcionamento do Ajuste de Reativo de um Compensador Síncrono P Q Q compensador S Momentos de elevada carga Potência ativa alta Potência reativa indutiva alta Corrente elevada Queda de tensão elevada Compensador Síncrono trabalha sobreexcitado com FP adiantado consumindo potência reativa capacitiva Diminui a potência reativa indutiva total Diminui a potência aparente Diminui a corrente Diminui a queda de tensão Mantém a tensão constante P Q S Q compensador Momentos de baixa carga Potência ativa baixa Potência reativa indutiva baixa ou até negativa Efeito capacitivo das LTs passa a ser mais significativo Corrente baixa Tendência de elevação de tensão Compensador Síncrono trabalha subexcitado com FP atrasado consumindo potência reativa indutiva Aumenta a potência reativa indutiva total Aumenta a potência aparente Aumenta a corrente Aumenta a queda de tensão Mantém a tensão constante Apesar de o ajuste de reativo implicar diretamente na alteração do Fator de Potência a principal função de um compensador síncrono é contribuir para a manutenção da tensão constante Um motor síncrono instalado em uma planta industrial que além de operar seu processo de fabricação também é utilizado para corrigir o fator de potência opera em geral sempre sobreexcitado Um compensador síncrono instalado em uma subestação pode operar sobrexcitado consumindo potência reativa capacitiva em momentos de carga muito elevada e pode operar subexcitado consumindo potência reativa indutiva em momentos de baixa carga Objetivando assim em ambas situações compensar a potência reativa para que a tensão seja mantida o mais constante possível Partida de Motores Síncronos Problemas na partida de motores síncronos Como solucionar 1 Reduzir a velocidade do campo magnético do estator a um valor suficientemente baixo para que o rotor possa acelerar e entrar em sincronia durante um semiciclo da rotação do campo magnético 2 Usar uma máquina motriz externa para acelerar o motor síncrono até a velocidade síncrona e em seguida passar pelo procedimento de entrar em paralelo conectando a máquina à linha como um gerador A seguir ao desativar ou desconectar a máquina motriz a máquina síncrona tornase um motor 3 Usar enrolamentos amortecedores A função dos enrolamentos amortecedores e seu uso na partida de motores serão explicados a seguir 1 Redução da Frequência Elétrica Acionamentos Elétricos O segundo modo de dar partida a um motor síncrono é acoplandoo a um motor de partida externo e levando a máquina síncrona até a velocidade plena com o motor externo A seguir a máquina síncrona pode ser colocada em paralelo com o sistema de potência como gerador e o motor de partida pode ser des acoplado do eixo da máquina Quando o motor de partida é desligado o eixo da máquina desacelera o campo magnético do rotor BR fica para trás de B1q e a máquina síncrona começa a funcionar como um motor Uma vez que a entrada em paralelo esteja completa então o motor síncrono poderá receber carga de forma ordinária Esse procedimento não é tão absurdo como pode parecer porque muitos motores síncronos fazem parte de conjuntos de motorgerador e podese dar partida à máquina síncrona de um conjunto como esse usando outra máquina como motor de partida Além disso o motor de partida precisa superar apenas a inércia da máquina síncrona a vazio nenhuma carga é aplicada até que o motor entre em paralelo com o sistema de potência Como aparece a inércia do motor precisa ser superada o motor de partida pode ter uma característica nominal muito menor do que a do motor síncrono no qual ele está dando a partida Como motores síncronos de grande porte têm sistemas de excitação sem escovas montados em seus eixos frequentemente é possível usar essas excitatrizes como motores de partida Em muitos motores síncronos desde médio até grande porte um motor externo de partida ou o uso da excitatriz podem ser as únicas soluções possíveis porque os sistemas de potência aos quais eles estão ligados não são capazes de lidar com as correntes de partida necessárias para que enrolamentos amortecedores possam ser usados como será descrito na abordagem seguinte Indubitavelmente o modo mais popular de dar partida a um motor síncrono é empregando enrolamentos amortecedores Esses enrolamentos são barras especiais colocadas em ranuras abertas na face do rotor de um motor síncrono e em seguida colocadas em curtocircuito em cada extremidade por um grande anel de curtocircuito 3 Enrolamentos Amortecedores 3 Enrolamentos Amortecedores Referências CHAPMAN Stephen J Fundamentos de Máquinas Elétricas AMGH Editora 2013 Kosow Irving L Máquinas Elétricas e Transformadores 57