Geradores Síncronos - Características Construtivas, Velocidade Síncrona e Tensão Gerada

Gerador síncrono I APRESENTAÇÃO Considerando a área das máquinas elétricas dividese o tópico em dois estudos motores e geradores Os primeiros são aqueles equipamentos que convertem energia elétrica em mecânica e são utilizados como meios para processos industriais comerciais e residenciais Por outro lado os segundos são as máquinas que irão gerar a energia elétrica utilizada por todos Nesse cenário o estudo dos geradores é tão importante quanto o dos motores pois é quando você terá o primeiro contato com os princípios e as características que permeiam a operação dos geradores síncronos o mais comum tipo de gerador encontrado atualmente Nesta Unidade de Aprendizagem você verá maiores detalhes sobre as características construtivas e elementares sobre a operação dos geradores síncronos Com isso você formará uma base sólida de conhecimentos e fundamentos que o auxiliarão a analisar casos reais envolvendo geradores síncronos Bons estudos Ao final desta Unidade de Aprendizagem você deve apresentar os seguintes aprendizados Identificar os aspectos construtivos dos geradores síncronos Definir velocidade síncrona Reconhecer a tensão gerada por um gerador síncrono DESAFIO Imagens de grandes usinas hidrelétricas torres de resfriamento de geradoras termelétricas ou até mesmo a visão de uma infinidade de placas solares dispostas em uma planície é o que se imagina ao pensar em geração de energia Entretanto a geração de energia não está restrita apenas a usinas geradoras de grande porte mas também ocorre em diversos empreendimentos como hospitais hotéis escolas e até mesmo condomínios residenciais Todos os lugares são fortemente dependentes de energia para que mantenham suas edificações e serviços plenamente funcionais e para isso dependem da empresa de distribuição e de fontes de emergência próprias O trabalho do engenheiro de máquinas não se resume a apenas pensar em grandes projetos de us inas geradoras e como as máquinas síncronas nesses casos devem ser dimensionadas Na vida pr ofissional você poderá atuar na instalação dimensionamento projeto ou manutenção de pequen os geradores dedicados usados como fontes de emergência ou como redutores de custos energéti cos Suponha que você tenha sido contratado para realizar o dimensionamento de um gerador CA qu e alimentará uma carga trifásica de potência constante de 10 kW Você sabe que terá à disposiçã o um motor a diesel como máquina primária e que ele contém um ajuste de até 4 velocidades 1 800 1500 1200 e 1000 RPM Com base nessas especificações você buscou o fornecedor local de geradores que forneceu um pequeno catálogo com cinco máquinas Baseado nos seus conhecimentos requisitos e disponibilidades você é questionado Quais máquinas poderiam ser empregadas e quais não poderiam ser usadas Por quê Não esque ça de explicar e detalhar suas premissas INFOGRÁFICO Construtivamente existem dois tipos de máquinas síncronas as de polos lisos e as de polos salie ntes As primeiras são empregadas frequentemente em aplicações que requeiram alta velocidade como turbinas a gás termelétricas e turbinas a vapor enquanto que as segundas são utilizadas e m aplicações de menores velocidades como centrais eólicas e hidrelétricas de grande e pequeno porte Veja no Infográfico as principais diferenças além de um resumo elencando os principais conce itos presentes em cada um dos geradores DIFERENÇAS ENTRE OS GERADORES DE POLOS LISOS E OS DE POLOS SALIENTES Cada uma dessas máquinas tem uma aplicação específica As de polos lisos são usadas em usinas termoelétricas as de polos salientes em usinas hidrelétricas Veja mais especificidades e entenda mais sobre a diferença entre os dois tipos GERADOR SÍNCRONO DE POLOS LISOS VANTAGENS Máquina de maior simplicidade construtiva Permite uma menor quantidade de polos Usado em aplicações com máquinas primárias de alta velocidade termelétricas DESVANTAGENS Construção não favorece a distribuição senoidal da forma de onda da tensão não é utilizado em máquinas de baixa velocidade GERADOR SÍNCRONO DE POLOS SALIENTES VANTAGENS Contém uma distribuição senoidal da forma de onda da tensão e rotor de maior complexidade construtiva Geralmente usado em máquina de menor velocidade DESVANTAGENS A construção é mais cara e mais complexa O desenho dos polos salientes deve ser feito tendo em vista a minimização de harmônicas Custo mais alto de fabricação Não é empregado em aplicações de baixa velocidade CONTEÚDO DO LIVRO Como qualquer máquina elétrica o gerador síncrono é constituído por rotor e estator Porém em função de sua futura aplicação ou restrições do cliente existem múltiplas maneiras de executar o projeto de um gerador podendo ser necessária a alimentação externa ou mesmo não requerendo qualquer tipo de intervenção externa Além disso há alguns fundamentos importantes dos geradores síncronos como estimar a tensão interna da máquina e determinar a velocidade síncrona Essas informações são básicas para estu dos mais detalhados das máquinas síncronas mas particularmente relevantes na análise de gerad ores e da conexão deles com a rede de energia No capítulo Gerador síncrono I da obra Máquinas Elétricas I você verá como cada uma dessas partes influencia no projeto e quais elementos você deve analisar ao trabalhar na concepção de u m gerador desse tipo Boa leitura MÁQUINAS ELÉTRICAS I Vinícius Novicki Obadowski Gerador síncrono I Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Identificar os aspectos construtivos dos geradores síncronos Definir velocidade síncrona Reconhecer a tensão gerada no estator Introdução Geradores síncronos são as máquinas elétricas mais comumente usadas para geração de energia elétrica empregadas em fontes eólicas usinas hidrelétricas de barragem e a fio dágua plantas termoelétricas a carvão gás natural ou vapor aquecido pela fissão nuclear de átomos de urânio Naturalmente além dessas aplicações de grande porte você pode encontrar geradores síncronos em pequenas unidades geradoras como centrais de cogeração biomassa e aproveitamento hidráulico em pequenas quedas dágua Para saber como dimensionar um gerador para qualquer uma dessas aplicações você precisa conhecer o seu funcionamento seus principais parâmetros além de detalhes a respeito da sua construção A comunhão desses conceitos servirá para atuar com quaisquer geradores independentemente de seu porte pois os princípios construtivos são idênticos em uma máquina de 10 kW como em outra de 100 MW Tendo isso em mente neste capítulo você será apresentado aos princípios construtivos dos geradores síncronos à velocidade síncrona e à tensão gerada no estator Construção de geradores síncronos Do ponto de vista elétrico um gerador síncrono é constituído por um rotor movimentado por uma máquina primária e um estator de onde surgem as ten sões e correntes elétricas decorrentes da conversão eletromecânica de energia Lembrese de que as turbinas hidráulicas as turbinas a vapor ou quaisquer outros elementos mecânicos capazes de transmitir conjugado por meio de um eixo mecânico são chamados de máquinas primárias O rotor da máquina síncrona é a fonte de campo magnético podendo ser construído com polos lisos ou salientes além de outras duas formas com magnetos permanentes ou com eletroímãs O objetivo para ambas as formas é o mesmo permitir que o rotor seja fonte de campo magnético Para o caso de ímãs permanentes é autoevidente que a presença deles faz com que um campo magnético constante seja estabelecido perpetuamente na máquina A função do eletroímã é a mesma com apenas a diferença de que é possível ajustar a intensidade do campo magnético a qual a máquina está submetida A Figura 1 a seguir traz um exemplo ilustrativo da construção de um rotor de polos lisos com as visões lateral e frontal Perceba que esse é um rotor com eletroímã dado pela presença de um enrolamento de campo além disso estão apontados a direção e o sentido do vetor densidade magnética gerado por esse circuito de campo Figura 1 Representação simbólica de um rotor com dois polos lisos Fonte Chapman 2013 p 192 Gerador síncrono I 2 O uso de polos salientes ou polos lisos é relacionado a custo de fabricação e aplicação Normalmente devido a dificuldades construtivas rotores de alta velocidade 1200 RPM rotações por minuto ou mais empregam polos lisos enquanto para baixas rotações 1200 RPM ou menos usase rotores de polos salientes Além disso existem algumas diferenças na forma de onda da tensão porém esse estudo está além do abordado neste capítulo Caso tenha interesse verifique os capítulos referentes ao tema em Chapman 2013 e Bim 2009 A presença de um eletroímã parece à primeira vista um desperdício de energia visto que é possível empregar um ímã permanente A possibilidade de variar o campo magnético permite que o gerador síncrono consuma ou forneça energia reativa problema bastante comum e com graves consequências às indústrias e usinas Por outro lado a Figura 2a apresenta um rotor de seis polos salientes com o detalhamento de um segmento do polo saliente marcando nele o circuito de campo daquele polo a indicação norte e um apontamento à presença de anéis deslizantes A Figura 2b serve como um complemento pois fornece a visão de um gerador síncrono real de oito polos salientes Atentese ao detalhe dos enrolamentos de campo em cada um dos polos relembrando alguns conceitos de teoria eletromagnética quanto maior o número de espiras mais intenso será o campo magnético produzido por elas Consequentemente ao trabalhar em um projeto dessas máquinas não se esqueça do fenômeno de saturação magnética 3 Gerador síncrono I Figura 2 a Rotor de um gerador síncrono de seis polos salientes b Rotor com oito polos salientes rotor de eletroímãs Fonte Chapman 2013 p 193 A Figura 3 a seguir detalha um polo saliente avulso Nela você pode identificar a laminação do polo e os enrolamentos ao seu redor A laminação visa a reduzir perdas por correntes parasitas pois a presença de um campo magnético em um condutor provoca tensão e no caso de um rotor ferromagné tico surge também uma corrente A presença de corrente e tensão no material do rotor faz com que ele esquente e perca energia para o ambiente então aquecendo a máquina A laminação faz com que a resistividade intrínseca do material se eleve reduzindo as correntes parasitas e consequentemente as perdas relativas a elas Outro ponto de destaque na construção de um rotor com eletroímã é a presença de anéis deslizantes e escovas Dado que o rotor está em constante movimento rotacional a alimentação do circuito de campo merece atenção Retomamos a Figura 2a na qual estão indicados os dois anéis um para o polo positivo e outro para negativo Duas escovas deslizam sobre os anéis para manter constantemente contato com eles garantindo a alimentação do circuito Entretanto as escovas e os anéis devem ser alvos frequentes de manutenção em função do atrito entre eles Outro aspecto negativo da presença desses elementos é a queda de tensão nas escovas decorrente do desgaste podendo gerar faísca e falhas na operação do gerador Gerador síncrono I 4 Figura 3 Detalhe de um polo saliente Fonte Chapman 2013 p 193 Alternativamente é possível alimentar o circuito de campo em um rotor com eletroímã por meio de uma fonte de corrente contínua montada diretamente no eixo da máquina Essa solução é chamada de excitatriz brushless termo inglês que significa sem escovas na qual um pequeno gerador também síncrono tem sua saída retificada a fim de alimentar o circuito de campo da máquina principal Essa solução técnica é a adotada para máquinas de grande porte maiores que 10 MW A Figura 4 a seguir apresenta um esquema elétrico da excitatriz brushless É importante destacar que esse componente é composto por um gerador síncrono e um retificador estático montado no rotor dessa excitatriz A tensão de saída do retificador é a fonte de alimentação do circuito de campo do rotor da máquina principal Cabe aqui destacar que a excitatriz é um gerador síncrono construído de forma distinta da usual analisando a Figura 4 você perceberá que a alimentação externa é feita no estator da excitatriz e a energia é gerada no rotor o que indica que a construção é feita de forma inversa a um gerador síncrono tradicional Em outras palavras o circuito de campo está montado no estator enquanto a saída de tensão trifásica está no rotor na máquina síncrona tradicional o circuito de campo está no rotor e a saída fica no estator 5 Gerador síncrono I Figura 4 Esquema elétrico da excitatriz brushless Fonte Chapman 2013 p 194 Como você pode notar é necessário que uma fonte externa de energia ainda seja disponibilizada para que a máquina tenha seu circuito de campo alimentado embora agora não se tenha a indesejada perda nas escovas e nos anéis Porém existe um meio de excitar o circuito de campo sem utilizar uma fonte externa por meio do uso de uma excitatriz piloto que é muito similar à excitatriz brushless porém sem a necessidade de uma fonte externa A Figura 5 apresenta um esquema elétrico dessa abordagem Gerador síncrono I 6 Figura 5 Esquema elétrico da excitatriz piloto Fonte Chapman 2013 p 196 Como você pode perceber a excitatriz brushless ainda está lá sendo que a diferença é que passa a ser possível alimentála por meio de outro gerador síncrono de ímãs permanentes Assim embora se exija uma construção mais detalhada e uma montagem de duas máquinas auxiliares no eixo principal o ganho é que a máquina funciona independentemente da presença de uma fonte externa A Figura 6 a seguir apresenta uma visão em recorte de uma máquina que demonstra essa estrutura 7 Gerador síncrono I Figura 6 Diagrama em corte de uma máquina síncrona ao final do eixo perceba a presença da excitatriz piloto Fonte Chapman 2013 p 196 Velocidade síncrona A particularidade que distingue as máquinas elétricas síncronas dos outros tipos é sua operação na velocidade síncrona Um gerador síncrono sempre produz tensões na frequência síncrona isso é a característica marcante dessa máquina pois mesmo pequenas variações na sua velocidade levam a alterações na frequência Com base nos fundamentos de máquinas elétricas de corrente alternada CA você sabe que o campo magnético da máquina síncrona por ser constante isto é não varia seu módulo com o tempo produz tensões no estator conforme os enrolamentos são cortados pelas linhas de campo do rotor Isso faz com que quanto mais polos uma máquina tenha maior seja o número de vezes que um dado enrolamento é cortado por diferentes polos norte e sul Consequentemente para uma dada velocidade quanto maior for o número de polos maior também será a frequência elétrica A seguinte equação resume esse conceito matematicamente Gerador síncrono I 8 onde fe é a frequência elétrica da tensão de saída da máquina síncrona em Hertz nm é a velocidade mecânica do rotor RPM e P é o número de polos da máquina Para compreender melhor considere o exemplo a seguir Dois geradores síncronos de 10 e 12 polos estão conectados a uma turbina a vapor com rotação nominal de 1200 RPM Calcule a frequência gerada por cada um dos geradores Resposta Logo a frequência elétrica do gerador 1 é 100 Hz e do gerador 2 é 120 Hz Embora sejam frequências não tradicionais em sistemas elétricos é bom ter conhecimento do conceito da equação pois eventualmente no meio profissional você depararseá com casos atípicos Tensão interna do estator Sobre os fundamentos das máquinas de corrente alternada você sabe que a tensão gerada em cada fase do estator é expressa por onde Ea é a tensão em cada fase NC é o número de espiras por fase ϕ é o valor do fluxo magnético e f é a frequência elétrica Essa expressão embora adequada ao gerador síncrono não é prática do ponto de vista da engenharia pois parâmetros como NC e f não variam de forma relevante durante a operação Nos livros mais tradicionais da área como Chapman 2013 Bim 2009 e Umans 2014 o uso corrente é uma redução dada por Ea Kϕω onde K é uma constante que representa características de construção do gerador síncrono Se o valor ω é expresso em radianos elétricos a constante vale 9 Gerador síncrono I Enquanto que se for dado em radianos mecânicos é necessário considerar a quantidade de polos também na expressão Normalmente durante seu trabalho como engenheiro esse parâmetro é fornecido pois ele está associado à geometria física da máquina Além disso considerando que dimensões perfeitas como as assumidas nos exemplos didáticos não são por vezes práticas o valor de K nem sempre é facilmente verificável por meio da equação embora ele não seja muito diferente O objetivo mais relevante nesta seção é que você saiba perceber as duas variáveis de influência na tensão interna o fluxo magnético e a velocidade do eixo expressos por ϕ e ω Em estudos mais aprofundados de geradores síncronos você verá como essa relação influencia outros parâmetros da má quina como curva a vazio e curvas de magnetização Lembrese de sempre rever conceitos de máquinas elétricas ao estudar o detalhamento de qualquer máquina como é o caso da síncrona BIM E Máquinas elétricas e acionamento Rio de Janeiro Elsevier 2009 CHAPMAN S J Fundamentos de máquinas elétricas 5 ed Porto Alegre AMGH 2013 UMANS S D Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley 7 ed Porto Alegre AMGH 2014 Leitura recomendada TEIXEIRA F H P Metodologia para projeto construção e ensaios em máquina síncrona de imã permanente MSIP 2006 Dissertação Mestrado em Engenharia Elétrica Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo São Carlos 2006 Disponível em httpwwwtesesuspbrtesesdisponiveis1818133tde27112006085220 Acesso em 1 maio 2019 Gerador síncrono I 10 Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem Na Biblioteca Virtual da Instituição você encontra a obra na íntegra Conteúdo SaGaH SOLUÇÕES EDUCACIONAIS INTEGRADAS DICA DO PROFESSOR Veja nesta Dica do Professor uma máquina síncrona operando como um gerador trifásico e tam bém o controle da amplitude e da tensão gerada Aponte a câmera para o código e acesse o link do vídeo ou clique no código para acessar EXERCÍCIOS 1 Uma das preocupações dos projetistas de máquinas elétricas ao desenvolverem gerad ores elétricos é com a qualidade da energia produzida Em função disso geradores sí ncronos são construídos com polos salientes pois a estrutura dos polos do rotor auxili a A na redução da distorção harmônica B no aumento do campo magnético do rotor C na redução do campo magnético do rotor D na melhora da distribuição da tensão E na redução da distribuição da tensão 2 O conhecimento da velocidade síncrona e de sua formulação permite que um engenhe iro estime rapidamente a velocidade de uma máquina CA qualquer enquanto trabalh a No caso dos geradores síncronos isso é especialmente verdade pois tratase també m da frequência da tensão gerada Supondo que um gerador de 4 polos esteja operan do a 2400 RPM qual é a frequência elétrica da tensão nos terminais do estator A 40 Hz B 50 Hz C 60 Hz D 70 Hz E 80 Hz 3 Em uma usina hidrelétrica os geradores síncronos conectados à rede básica operam a uma velocidade de 100 RPM Durante um acidente as comportas se abriram além do esperado provocando uma aceleração das máquinas Depois de algum tempo os g eradores estavam funcionando a 1027 RPM Qual é a frequência produzida teorica mente durante o acidente A 6062 Hz B 6162 Hz C 6262 Hz D 5962 Hz E 60 Hz 4 Um dos trabalhos mais relevantes durante o projeto de geradores síncronos é a estim ativa da constante de construção pois ela servirá como base para todas as simulações e estudos adotados Suponha que durante a fase básica de projeto você como encarre gado do projeto dobrou o número de espiras Qual ou quais efeitos deverão ser perce bidos na tensão de saída do gerador A A tensão de saída dobrará e a corrente de saída cairá pela metade B A tensão de saída diminuirá pela metade C A constante de construção dobrará fazendo com que a corrente de entrada ao menos dobr e D A constante de construção dobrará fazendo com que a tensão de saída ao menos quadrup lique E Somente será percebido o aumento da constante de construção sem nenhum efeito visível 5 A produção de um campo magnético constante nas máquinas síncronas é uma das dif iculdades presentes nos geradores síncronos fazendo com que eles sejam dependentes de fontes de tensão externa para suprir os eletroímãs presentes no rotor O uso de exc itatrizes mitiga essa necessidade porém além delas qual outra solução pode ser adot ada a fim de evitar que se utilize uma fonte externa A O uso de uma construção na qual o campo esteja fixo no estator ao invés de estar no rotor B O emprego de fontes de tensão por indução magnética C Empregar excitatriz sem escovas para fornecer tensão ao rotor D Substituir as escovas por uma conexão fixa estilo anel ao redor do rotor E Empregar magnetos permanentes nos polos do rotor do gerador NA PRÁTICA O desenvolvimento e o projeto de máquinas síncronas demandam que o profissional conheça nã o somente teoria eletromagnética a fundo como também detalhes a respeito de simulações numé ricas e a maneira como engenheiros lidam com máquinas em seu dia a dia no trabalho Acompanhe Na Prática todas as características e os passos necessários para realizar um projeto no cotidiano de um engenheiro PROJETO DE GERADOR No começo do projeto de qualquer novo gerador é esperado que algumas características mais gerais da máquina sejam definidas número de polos rotação de operação nominal tamanho máximo peso máximo se empregará ímãs permanentes eletroímãs Também devem ser definidos detalhes acerca da presença ou não de excitatrices em seu eixo Com essas definições mais elementares o projetista pode determinar outros parâmetros da máquina como frequência elétrica de operação tipo da carcaça além de estimar alguns parâmetros para dar início às simulações numéricas do gerador Nesta etapa o estudo do novo gerador será feito usandose modelagem computacional para estimar o campo magnético da máquina considerando sua geometria física tipo de magnetização curva de histerese Embora não empregado diretamente nesta etapa para o engenheiro que utilizará esta máquina no futuro com base neste estudo a constante de construção será calculada O uso desta constante para cálculos da máquina embora seja uma simplificação é muito útil para o engenheiro quando utilizando o gerador como produto Entretanto para o projeto das máquinas esse é um parâmetro a ser informado ao cliente enquanto que no projeto buscase estimar a distribuição de fluxo da melhor forma possível e empregando todas as ferramentas matemáticas a fim de estimar qual será a tensão produzida Consequentemente conhecer a operação da máquina embora necessário não é condição suficiente para o trabalho de projetista de máquinas elétricas SAIBA Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto veja abaixo as sugestões do professo r Fundamentos de Máquinas Elétricas Veja no livro de Stephen J Chapman 2013 mais informações e detalhes sobre as máquinas el étricas Além disso você terá acesso a um maior número de exemplos e de exercícios Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino Dinâmica de máquinas elétricas No livro de Isadora Cardozo Dias et al 2018 suas dúvidas com relação às máquinas elétricas s erão sanadas A obra uma leitura complementar importante traz diversas informações sobre as características das máquinas elétricas tão essenciais para a sociedade moderna Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino Metodologia para projeto construção e ensaios em máquina síncrona de imã permanente MSIP Leia neste artigo mais informações que complementam o que foi visto nesta Unidade de Apren dizagem como os detalhes construtivos do gerador síncrono Aponte a câmera para o código e acesse o link do vídeo ou clique no código para acessar Máquinas síncronas I Assista neste vídeo as aplicações de máquinas síncronas em instalações elétricas os objetivos e outros aspectos Aponte a câmera para o código e acesse o link do vídeo ou clique no código para acessar