Princípios de Funcionamento das Máquinas Síncronas

Prof Marcel Parentoni Máquinas Síncronas Gerador de Polos Lisos ELE606 Conversão Eletromecânica de Energia II Tópicos Princípio de Funcionamento Circuito Elétrico Equivalente Diagramas Fasoriais Relações de Potência e Conjugado Característica a Vazio Característica de CurtoCircuito Cálculo da Reatância Síncrona Princípio de Funcionamento Princípio de Funcionamento Básico de um Gerador Elementar Princípio de Funcionamento Básico de um Gerador Elementar 5 1 Fluxo máximo 2 Fluxo nulo 3 Fluxo máximo 4 Fluxo nulo Princípio de Funcionamento de um gerador monofásico com armadura fixa e polos girantes 6 Excitação em corrente contínua aplicada na parte girante transformando o rotor em um eletroímã Movimento relativo entre o eletroímã polos e a armadura fixa 𝐸 𝑁 ⅆ ⅆ𝑡 Princípio de Funcionamento do Gerador Trifásico Três geradores monofásicos distintos 7 Princípio de Funcionamento do Gerador Trifásico Três geradores monofásicos distintos deslocados fisicamente 8 Princípio de Funcionamento do Gerador Trifásico Um gerador trifásico com as fases deslocadas de 120º 9 Conexões dos Geradores Síncronos Conexões dos Geradores Síncronos 11 É possível em geral para geradores de pequeno porte realizar religações de modo a fornecer pelo menos duas tensões diferentes Relações entre frequência elétrica e rotação mecânica 12 Relações entre frequência elétrica e rotação mecânica 13 m e m e 2 poles 2 poles Relações entre frequência elétrica e rotação mecânica 14 Relembrando ROTOR ESTATOR Corrente Contínua Campo Magnético Contínuo CAMPO INDUTOR Tensão induzida no estator Movimento 𝐼𝐹 𝐹𝑀𝑀𝑅𝑜𝑡 𝜙𝑅𝑜𝑡 𝐸𝐹 𝐼𝐴 𝐹𝑀𝑀𝐴𝑟𝑚 𝜙𝑅𝐴 𝐸𝑅𝐴 𝑉𝑇 𝐸𝐹 𝐸𝑅𝐴 𝑉𝑇 𝐸𝐹 𝐸𝑅𝐴 Corrente Alternada Campo Magnético Alternado ARMADURA INDUZIDO Tensão induzida mas não no rotor Como a velocidade do rotor é a mesma do campo magnético girante não há escorregamento Dessa forma não há tensão induzida no rotor Assim a Tensão de Reação de Armadura tem que ser induzida em algum lugar Tensão Terminal é a composição da tensão induzida pelo rotor no estator e da tensão de reação de armadura Reatância Síncrona no circuito da Armadura 𝐹𝑀𝑀 𝑁𝐼 𝐹𝑀𝑀 𝑅𝑒 𝐸 𝑁 ⅆ ⅆ𝑡 Circuitos Magneticamente Acoplados Grandezas Fasoriais Produção de Tensão Produção de Tensão Circuito Elétrico Equivalente Circuito Elétrico Equivalente 𝑉 𝐸𝐴 𝐸𝑒𝑠𝑡 Grandezas Fasoriais Além dos efeitos da reação de armadura as bobinas do estator têm uma autoindutância e uma resistência Se a autoindutância do estator for denominada LA com sua respectiva reatância denominada XA e a resistência do estator for denominada RA a diferença total entre EA e Vφ será dada por Vφ EA jXI A jRI A RA IA 49 A autoindutância e os efeitos de reação de armadura da máquina são ambos representados por reatâncias sendo costume combinálas em uma única reatância denominada da reatância síncrona da máquina Xs X XA 410 Portanto a equação final que descreve Vφ é Vφ EA jXs IA RA IA 411 Circuito Elétrico Equivalente Circuito Elétrico Equivalente Circuito Elétrico Equivalente Circuito Elétrico Equivalente Diagramas Fasoriais Diagramas Fasoriais Diagramas Fasoriais Carga Resistiva Diagramas Fasoriais Carga Indutiva Diagramas Fasoriais Carga Capacitiva Relações de Potência e Conjugado P entrada τ ap ω m Comparação Circuito Elétrico Equivalente Diagrama de Fluxo de Potências e Diagrama Fasorial P entrada τ ap ω m O ângulo δ entre V φ e E A é conhecido como ângulo interno ou ângulo de conjugado torque da máquina Relações de Potência Relações de Potência e Conjugado Característica a Vazio Característica de Curto Circuito e Cálculo da Reatância Síncrona Dos ensaios em vazio e em curtocircuito Cálculo da Reatância Síncrona Cálculo da Reatância Síncrona Reatância Síncrona Não Saturada Reatância Síncrona Saturada e Não Saturada Reatância Síncrona Saturada e Não Saturada Reatância Síncrona Saturada e Não Saturada Razão de CurtoCircuito A razão de curtocircuito Outro parâmetro usado para descrever geradores síncronos é a razão de curtocircuito A razão ou relação de curtocircuito de um gerador é definida como a razão entre a corrente de campo requerida para a tensão nominal a vazio e a corrente de campo requerida para a corrente nominal de armadura em curtocircuito Podese mostrar que essa grandeza é simplesmente o inverso do valor por unidade da reatância síncrona aproximada em saturação que foi calculada usando a Equação 426 Embora a razão de curtocircuito não acrescente nenhuma informação nova a respeito do gerador que já não seja conhecida com base na reatância síncrona em saturação é importante conhecêla porque a expressão é encontrada ocasionalmente na indústria EXEMPLO 41 Um gerador síncrono de 200 kVA 480 V 50 Hz ligado em Y e com uma corrente nominal de campo de 5 A foi submetido a ensaios tendose obtido os seguintes dados 1 Para IF nominal VTVZ foi medida como sendo 540 V 2 Para IF nominal ILCC foi encontrada como sendo 300 A 3 Quando uma tensão CC de 10 V foi aplicada a dois dos terminais uma corrente de 25 A foi medida Encontre os valores da resistência de armadura e da reatância síncrona aproximada em ohms que seriam usados no modelo do gerador nas condições nominais EXEMPLO 41 Um gerador síncrono de 200 kVA 480 V 50 Hz ligado em Y e com uma corrente nominal de campo de 5 A foi submetido a ensaios tendose obtido os seguintes dados 1 Para IF nominal VTVZ foi medida como sendo 540 V 2 Para IF nominal ILCC foi encontrada como sendo 300 A 3 Quando uma tensão CC de 10 V foi aplicada a dois dos terminais uma corrente de 25 A foi medida Encontre os valores da resistência de armadura e da reatância síncrona aproximada em ohms que seriam usados no modelo do gerador nas condições nominais Solução O gerador recém descrito está ligado em Y de modo que a corrente contínua no teste de resistência flui através de dois enrollamentos Portanto a resistência é dada por 2RA VCC ICC RA VCC 2 ICC A tensão gerada interna com corrente de campo nominal é igual a EA VφVZ VT 3 540 V 3 3118 V A corrente de curtocircuito IA é simplesmente igual à corrente de linha porque o gerador está ligado em Y IACC ILCC 300 A R²A X²S EA IA 02 Ω² X²S 3118 V 300 A 02 Ω² X²S 1039 Ω 004 X²S 108 X²S 104 XS 102 Ω EXEMPLO 41 Um gerador síncrono de 200 kVA 480 V 50 Hz ligado em Y e com uma corrente nominal de campo de 5 A foi submetido a ensaios tendose obtido os seguintes dados 1 Para If nominal Vfyz foi medida como sendo 540 V 2 Para If nominal Ilcc foi encontrada como sendo 300 A 3 Quando uma tensão CC de 10 V foi aplicada a dois dos terminais uma corrente de 25 A foi medida Encontre os valores da resistência de armadura e da reatância síncrona aproximada em ohms que seriam usados no modelo do gerador nas condições nominais Solução O gerador recém descrito está ligado em Y de modo que a corrente contínua no teste de resistência flui através de dois enrolamentos Portanto a resistência é dada por 2RA VCCICC RA VCC225 A 10 V225 A 02 Ω A tensão gerada interna com corrente de campo nominal é igual a EA Φfvz VT3 540 V3 3118 V A corrente de curtocircuito IA é simplesmente igual à corrente de linha porque o gerador está ligado em Y IAcc ILcc 300 A R2A X2S EAIA 02 Ω² X2S 3118 V300 A 02 Ω² X2S 1039 Ω 004 X2S 108 X2S 104 XS 102 Ω Referências CHAPMAN Stephen J Fundamentos de máquinas elétricas AMGH Editora 2013 Umans Stephen D Máquinas Elétricas de Fitzgerald e Kingsley 7 edição 2014 Apostila de Máquinas Síncronas Prof Antônio Tadeu Lyrio de Almeida 2000 49