Motores Síncronos e Correção de Fator de Potência

PRÓREITORIA ACADÊMICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA II Prof José Nilton Cantarino Gil ASSUNTO Motores Síncronos Parte 2 Motor síncrono e a correção de fator de potência A figura 1 mostra um barramento infinito cuja saída está ligada por meio de uma linha de transmissão a uma planta industrial em um ponto distante A planta mostrada consiste em 3 cargas Duas são motores de indução e a outra é um motor síncrono com fator de potência variável Figura 1 Sistema de potência em um barramento infinito Fonte Chapman 2013 Qual é o efeito que a capacidade de alterar o fator de potência de uma das cargas tem sobre o sistema de potência A resposta está evidenciada no exemplo 1 a seguir Exemplo 1exemplo 53 Chapman O barramento infinito da figura 1 opera com 480 V A carga 1 é um MIT que consome 100kW com FP078 atrasado A carga 2 é um MIT que consome 200 kW com FP08 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 LT b Se o motor síncrono for ajustado para operar com FP 085 adiantado qual será a corrente na LT c Assuma que as perdas na LT são dadas por PPL 3IL2RL perdas na linha de que forma as perdas na linha comparamse nos dois casos Solução a Carga 1 Potência ativa 100 kW e FP078 atrasado acos 078 387º Q1 P1 tg 100 kW tg387º8022kVAr Carga 2 Potência ativa 200 kW e FP08 atrasado acos 08 368º Q2 P2 tg 200 kW tg368º 160kVAr Carga 3 Potência ativa 150 kW e FP085 atrasado acos 085 318º Q3 P3 tg 150 kW tg318º 93 kVAr Carga Ativa total Carga Reativa total Fator de potência equivalente do sistema Corrente de linha será b As potências ativas e reativas das cargas 1 e 2 não se alteram assim como a potência ativa da carga 3 Só nos resta calcular a potência reativa da carga 3 logo A carga ativa total será A carga reativa total será E agora o fator de potência do sistema será A corrente de linha agora será dada por c Calculando as perdas na linha de transmissão No caso do item a FP085 atrasado na máquina síncrona No caso do item b FP085 adiantado na máquina síncrona Como pode ser observado temos 28 menos de perdas na LT no caso b que no caso a isto é PPL no caso b é cerca de 72 da PPL do caso a Conforme pode ser observado e segundo Chapman dispor de uma ou mais cargas adiantadas motores síncronos sobreexcitados pode ser útil pelas seguintes razões Ainda segundo Chapman 2013 é de se esperar que qualquer motor síncrono presente em uma planta industrial opere sobreexcitado com a finalidade de realizar correção de fator de potência e aumentar seu conjugado máximo Entretanto o funcionamento de um motor síncrono sobreexcitado requer corrente de campo e fluxo elevados o que causa aquecimento significativo do rotor O operador deve ser cuidadoso para não sobreaquecer os enrolamentos de campo ultrapassando a corrente de campo nominal O capacitor síncrono ou condensador síncrono Um motor síncrono pode ser operado sobreexcitado para fornecer energia reativa ao sistema de potência No passado era comum adquirir um motor síncrono para funcionar em vazio com a finalidade única de fornecer energia reativa e auxiliar na correção do fator de potência do sistema Como nesse caso não há potência sendo retirada do motor os valores de EAsen e IAcos são nulos e a relação entre a tensão V e a corrente IA será como de um capacitor Aplicandose a LKT ao circuito equivalente de um motor síncrono na situação descrita temos que 𝐕𝜙 𝐄𝐴 𝑗 𝑋𝑠 𝐈𝐴 eq1 nesse caso o termo 𝑗 𝑋𝑠 𝐈𝐴 apontará para a esquerda e logo a corrente de armadura IA apontará para cima O diagrama fasorial será mostrado a seguir na figura 2 Figura 2 Diagrama fasorial de um motor síncrono funcionando como capacitor Fonte Chapman 2913 No passado motores que eram adquiridos com essa finalidade eram comumente denominados de condensadores ou capacitores síncronos Atualmente capacitores estáticos são de custos mais econômicos para se comprar que os capacitores síncronos no entanto algumas instalações industriais podem ainda possuir alguns em uso A curva V de um capacitor síncrono Figura 3 Curva V e Diagrama fasorial de um capacitor síncrono Fonte Chapman 2913 Na figura 3a mostra que como a potência ativa fornecida à máquina é somente para suprir as perdas estamos considerando praticamente zero temos que com fator de potência 1 IA0 Se incrementamos a corrente de campo acima desse ponto a corrente de linha e a potência reativa fornecida à carga aumentará de forma linear até chegar à saturação Na figura 3b podemos observar o efeito do aumento da corrente de campo sobre o diagrama fasorial do motor Partida de motores síncronos Até agora quando falamos sobre motores síncronos admitimos que ele já estava girando à uma velocidade síncrona dependendo do número de polos e a frequência da rede Vamos detalhar agora como será seu comportamento até atingir sua velocidade síncrona Para entendermos a natureza do problema vamos observar a figura 4 a seguir que mostra como o conjugado atua em um ciclo do campo girante quando a máquina é alimentada em 60Hz Figura 4 Problemas de partida no motor síncrono Fonte Chapman 2013 A figura 4a mostra a máquina no instante t0 e nesse momento estamos admitindo que os campos BR e BS estão alinhados produzindo um torque induzido0 no eixo do motor pois 𝜏𝑖𝑛𝑑 𝑘 𝐁𝑅 Χ 𝐁𝑆 eq2 A figura 4b mostra a situação no instante que o campo girante se deslocou 90º isto é no instante t1240 s onde com campos BR e BS seu produto vetorial resulta em um torque no sentido antihorário no sentido do deslocamento do campo girante No instante t1120 s quando o campo girante já descolocou 180º os vetores BR e BS estão em oposição como mostra a figura 4c e o torque induzido volta a ser nulo A próxima situação a ser apresentada retrata o comportamento do torque induzido quando os vetores BR e BS estão ortogonais de novo porém pela orientação dos mesmos o torque será agora no sentido horário ou seja contrário ao do campo girante como mostrado na figura 4d Finalmente o torque volta a zero com os vetores BR e BS de novo alinhados completando uma volta completa e o torque induzido voltando a zero como mostra a figura 4e Desse modo o conjugado médio é zero durante um ciclo completo fazendo o motor vibrar intensamente a cada ciclo elétrico pois ora o conjugado tem um sentido e ora outro provocando um sobreaquecimento após um curto período Três abordagens básicas podem ser utilizadas para dar partida segura em um motor síncrono Segundo Chapman 2013 são os seguintes Partida de motor pela redução da frequência elétrica Se o campo magnético do estator de um motor síncrono girar em uma velocidade suficientemente baixa não haverá problemas para que o rotor acelere e entre em sincronismo com o campo girante A velocidade do campo girante poderá ser aumentada até a velocidade de funcionamento aumentandose gradualmente até atingir seu valor normal de 50 ou 60Hz Essa abordagem faz muito sentido mas tem um grande problema as redes de sistemas de potência são mantidas cuidadosamente nas frequências de 50 ou 60Hz e até pouco tempo atrás possuir uma fonte de energia que forneça frequência variável era algo só admissível em situações muito especiais Essa situação no passado era produzida por um gerador dedicado o que com certeza implicava em custos altos Atualmente os controladores com inversores de frequência estão cada vez com custos mais acessíveis e os pacotes de acionamentodrives de frequência variável permitem o controle desde fração de Hz até frequências acima das nominais Temos que nos lembrar que a tensão interna gerada EA depende da velocidade da máquina EAk logo com velocidade reduzida EA também é reduzida e deveremos aplicar tensões baixas para limitar a corrente de partida Partida do motor com uma máquina motriz externa O segundo modo de dar partida em um motor síncrono é acoplandoo a um motor de partida externo e levando a máquina síncrona até a velocidade plena A seguir a máquina síncrona pode ser colocada em paralelo com o sistema de potência como gerador e o motor de partida poderá ser desacoplado do eixo da máquina Quando o motor de partida é desligado o eixo da máquina síncrona desacelera o campo BR fica atrasado de BS e a máquina começa a funcionar como motor Vale a pensa ressaltar que esse procedimento não é tão absurdo como inicialmente parece ser uma vez que os motores síncronos de grande porte possuem excitatrizes montadas no próprio eixo que podem ser utilizadas como motores de partida Em muitos motores síncronos de médio até grande porte esse método o uso de motores de partida ou excitatrizes é o único meio de dar partida nessas máquinas uma vez que enrolamentos amortecedores como os que veremos a seguir iriam produzir correntes de partida acima dos limites aceitáveis Partida do motor usando enrolamentos amortecedores Este é sem dúvida o modo mais popular de dar partida em motores síncronos Os enrolamentos amortecedores constituemse de barras montadas em ranhuras nas faces do rotor do motor e colocadas em curtocircuito por um grande anel denominado anel de curto circuito O funcionamento na partida será como um motor de indução do tipo gaiola de esquilo e um diagrama simplificado do motor e uma foto de um polo do rotor mostrando os enrolamentos amortecedores montados na face serão mostrados a seguir Figura 5 Um polo de rotor de máquina síncrona com enrolamento amortecedor Fonte Chapman 2013 cortesia de GE Company Podemos observar na figura 5 as barras montadas nas face do polo de um rotor devidamente curtocircuitadas pelo anel de curtocircuito Figura 6 Um polo de rotor de máquina síncrona com enrolamento amortecedor Fonte Chapman 2013 cortesia de GE Company A figura 6 mostra um enrolamento amortecedor com as barras de curto circuito nas extremidades das duas faces polares do rotor Vamos assumir inicialmente que o enrolamento de campo principal do motor está desligado e que um conjunto trifásico de tensões é aplicado ao estator da máquina Quando a potência é aplicada no tempo t0 s vamos assumir que o campo BS é vertical e inicia um deslocamento no sentido antihorário como mostra a figura 7a Isso irá induzir uma tensão nas barras do enrolamento amortecedor que é dada pela equação O sentido da tensão induzida é para fora da página na parte superior do rotor e para dentro na parte inferior Isto faz com que tenhamos um campo resultante BW que aponta para a direita como mostra a figura 7a Figura 7 Conjugado produzido pelos enrolamentos amortecedores em uma máquina síncrona Fonte Chapman 2013 O conjugado induzido resultante é dado por 𝜏𝑖𝑛𝑑 𝑘 𝐁𝑊 Χ 𝐁𝑆 eq3 que tem sentido antihorário A análise do conjugado induzido durante um ciclo completo do campo magnético do estator é mostrado na figura 7 onde em alguns momentos quando BW e BS estão alinhados o torque induzido será zero e quando não estão alinhados tem sentido antihorário Dessa forma ou temos torque em um sentido determinado ou temos torque zero mas nunca em sentidos opostos Com o torque apontando em um sentido único o motor ganha velocidade e embora ele nunca possa atingir a velocidade síncrona ele poderá estar próximo o suficiente para podermos energizar o rotor e atingir a velocidade síncrona com os campos magnéticos do rotor e estator em sincronismo Em uma máquina real os circuitos dos enrolamentos de campo são colocados em curtocircuito durante a partida pois se estiverem abertos seriam induzidas tensões muito grandes neles Como normalmente são colocados em curtocircuito tensões perigosas não seriam induzidas e ainda iriam contribuir com um conjugado adicional de partida Em resumo segundo Chapman 2013 se uma máquina tiver enrolamentos amortecedores será possível dar partida nela executando o seguinte procedimento Efeitos dos enrolamentos amortecedores sobre a estabilidade do motor A presença de enrolamentos amortecedores em máquinas síncronas é na verdade um bônus grátis que teremos em relação à estabilidade da máquina pois quando está em sincronismo com o campo magnético do estator não são geradas correntes nas barras enquanto estivermos na velocidade síncrona Caso haja alguma tendência de redução ou aumento da velocidade da velocidade da máquina em função de quaisquer transitórios serão gerados torque pelos enrolamentos amortecedores que irão auxiliar na recomposição da velocidade síncrona O conjugado produzido pelos enrolamentos amortecedores acelera a máquina quando perde velocidade e desacelera quando a velocidade está acima do sincronismo Portanto esses enrolamentos tendem a amortecer a carga e outros transitórios da máquina e é essa a razão para sua denominação Geradores que operam em paralelo com sistemas de barra infinita também utilizam enrolamentos amortecedores tendo funções idênticas de auxiliar a máquina motriz Caso a máquina motriz tenha uma variação de conjugado variando a velocidade aplicada ao gerador os enrolamentos amortecedores produzirão torque que irão momentaneamente se opor à variação da velocidade melhorando a estabilidade Os enrolamentos amortecedores são responsáveis pela maioria da corrente subtransitória de uma máquina síncrona quando ocorre uma falta elétrica Um curtocircuito nos terminais do gerador é simplesmente uma outra forma de transitório e os enrolamentos amortecedores reagem muito rapidamente a ele Motores Síncronos e Geradores Síncronos O uso da máquina síncrona como motor ou gerador depende somente do fluxo de conversão de energia pois são fisicamente a mesma máquina Uma máquina síncrona pode fornecer ou consumir potência ativa de um sistema assim como também pode fornecer ou consumir potência reativa desse sistema As quatro combinações possíveis de fluxos de potência são mostradas na figura 8 Figura 8 Diagramas fasoriais de acordo com o fluxo de potência em máquinas síncronas Fonte Chapman 2013 Na figura 8 podemos observar que Especificações nominais de um motor síncrono Como fisicamente motores e geradores são as mesmas máquinas as especificações nominais básicas também são as mesmas Uma diferença importante é que uma EA elevada dá um fator de potência adiantado em vez de atrasado e portanto o efeito de limite máximo de uma corrente de campo é expresso como uma especificação nominal com um fator de potência adiantado Como a potência de saída de um motor é mecânica sua especificação nominal é dada em HP nos USA e em kW nos demais países do mundo em vez de ser especificada por um valor em VA e fator de potência como normalmente estão especificadas nos geradores Figura 9 Placa de identificação de um motor síncrono Fonte Chapman 2013 Cortesia de GE Company A placa de identificação de um motor síncrono é mostrada na figura 9 Como o motor é de origem USA sua potência está em HP Além da informação da figura um motor síncrono de menor porte também costuma ter seu fator de serviço em sua placa Em geral os motores síncronos são mais adaptados a aplicações de baixa velocidade e alta potência Síntese do assunto motores síncronos Um motor síncrono é fisicamente a mesma máquina que um gerador síncrono exceto pelo fluxo de potência invertido A velocidade de um motor síncrono é constante desde a carga em vazio até a plena carga A velocidade do motor é dada por A potência máxima que um gerador síncrono consegue produzir é e o conjugado máximo possível é dado por Caso esse valor for excedido o motor não conseguirá manter sua velocidade síncrona e dizemos que os polos sofrerão um escorregamento Se ignorarmos os efeitos das perdas elétricas e mecânicas a potência convertida da forma elétrica para a mecânica no motor será dada por Se a tensão de entrada V for constante a potência convertida e assim a potência fornecida será diretamente proporcional a EAsen Essa relação pode ser útil quando os diagramas fasoriais do motor síncrono são desenhados Se a corrente de campo aumentar ou diminuir a tensão EA irá também se modificar mas a projeção EAsen irá permanecer constante Essa condição irá facilitar a marcação das mudanças no diagrama fasorial do motor como mostrado na figura 10 e o cálculo das curvas V do motor síncrono figura 11 Figura 10 Diagrama fasorial de um motor síncrono com variação da excitação de campo Fonte Chapman 2013 Figura 11 Curvas V de um motor síncrono Fonte Chapman 2013 Um motor síncrono não tem conjugado líquido de partida e portanto não pode arrancar por si próprio Há 3 modos principais de partir um motor síncrono 1 Reduzir a frequência do estator a um valor seguro de partida 2 Usar uma máquina motriz externa 3 Colocar enrolamentos amortecedores no motor para acelerálo até próximo da velocidade síncrona antes que uma corrente contínua seja aplicada aos enrolamentos de campo Finalmente vale a pena lembrar que os enrolamentos amortecedores aumentam também a estabilidade de motores e geradores durante transitórios de carga Exercícios de Fixação Referências Bibliográficas CHAPMAN Stephen J Fundamentos de Máquinas Elétricas 5 ed Bookman McGraw Hill Porto Alegre 2013