Aula MCA - Maquinas Sincronas - Motores AC e Geradores

CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA AULA MCA Máquinas Síncronas Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 1 Prof Dr Milton Tavares de Melo Neto Relembrando Tipos de Motores AC Motores AC Monofásicos Indução Gaiola Fase dividida Capacitor de Partida Capacitor Perm Duplo Capacitor Pólos Sombreados Bobinado Síncronos Histerese Relutância Ímã Permanente Polifásicos Indução Gaiola Bobinado Síncronos Máquina Síncrona Características O enrolamento de campo é posicionado no rotor O enrolamento de armadura é posicionado no estator O enrolamento de campo é alimentado em CC produzindo fluxo unidirecional no entreferro e no estator Quando o rotor gira o enrolamento de armadura é atravessado por campo variável surgindo em seus terminais tensão induzida variável Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 3 Máquina Síncrona Características A frequência de variação da tensão induzida é síncrona com a velocidade do eixo daí a denominação de máquina síncrona Os enrolamentos da armadura são posicionados com diferença angular de 120o de forma que a tensão induzida nos três enrolamentos serão defasadas de 120o O enrolamento de campo é alimentado através de escovas deslizantes sobre anéis coletores que giram com o rotor Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 4 Máquina Síncrona Emprego O controle da corrente de campo permite que o motor síncrono opere com fator de potência unitário indutivo ou capacitivo Usado em situações que demandem velocidade constante com carga variável Emprego da máquina síncrona como Gerador Independente da fonte primária e da capacidade o gerador síncrono é usualmente o mais indicado Com isso um sistema interligado pode operar com uma única frequência ou seja em sincronismo Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 5 Máquina Síncrona Gerador Com turbinas hidráulicas de alta inércia a velocidade do rotor deve ser baixa para isso o rotor deve ter muitos polos 74 polos em 60 Hz 973 RPM Com turbinas térmicas vapor ou gás de baixa inércia a velocidade do rotor pode ser alta com isso o rotor pode ter poucos polos 4 polos em 60 Hz 1800 RPM Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 6 Máquina Síncrona Gerador Máquinas com muitos polos e baixa velocidade em geral têm o rotor de polos salientes diâmetro grande comprimento pequeno eixo vertical Máquinas com poucos polos e alta velocidade em geral têm o rotor cilíndrico diâmetro pequeno comprimento grande eixo horizontal Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 7 Máquina Síncrona Gerador O enrolamento do estator armadura é trifásico e distribuído igual ao da máquina de indução Pode ser conectado em Y ou em D O controle independente da corrente de campo permite que o motorgerador síncrono opere com fator de potência indutivo ou capacitivo absorvendo ou injetando potência reativa Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 8 Máquina Síncrona Magnetização O campo do rotor produzido pela corrente de excitação If tornase um campo girante senoidal no entreferro com o acionamento da máquina primária O campo girante induz tensão trifásica senoidal nos enrolamentos do estator A velocidade do rotor e a frequência das tensões induzidas são relacionadas por A tensão induzida Ef é dada por Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 9 Máquina Síncrona Magnetização Portanto a tensão induzida é proporcional à velocidade da máquina e ao fluxo de excitação o qual depende da corrente If A curva ao lado representa a curva de magnetização da E máquina síncrona Inicialmente a tensão induzida Ef cresce linearmente com o aumento da corrente de campo porém para altos valores de If ocorre a saturação do núcleo e a relação tensão induzida versus corrente de campo deixa de ser linear Se os terminais do circuito de armadura estão em aberto a tensão induzida Ef é igual a tensão terminal e portanto pode ser medida através de um voltímetro Essa curva é denominada característica de circuito aberto OCC opencircuit characteristic ou característica de magnetização da máquina síncrona A relutância do núcleo não saturado é muito menor que a relutância do entreferro por isso a fmm está praticamente toda concentrada no entreferro resultando em um aumento linear do fluxoA parte linear da curva é denominada linha de entreferro Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 10 Máquina Síncrona Torque A máquina síncrona não tem torque de partida devido à oscilação do campo girante do estator em alta frequência e elevada inércia do rotor Se o estator de uma máquina síncrona de dois polos for conectado a uma fonte trifásica 60 Hz campo girante sob uma velocidade de 3600 rpm será produzido no entreferro Na figura abaixo o campo girante é representado por dois polos no estator girando a 3600 rpm Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 11 No instante t 0 torque no sentido horário é produzido sobre os polos do rotor fazendo com que o mesmo gire no sentido dos polos do estator campo girante No instante t t1 os polos do estator giraram de 180o porém os polos do rotor pouco moveram devido à elevada inércia do rotor Portanto neste instante um torque antihorário age no rotor fazendo com que o mesmo tenda a girar no sentido contrário do campo girante O torque líquido no rotor em uma revolução é nulo e o motor não desenvolve torque de partida O motor não irá acelerar e sim vibrar Máquina Síncrona Partida Partir com frequência reduzida diminuindo a velocidade do campo girante Partida como motor de indução 1 Usase uma gaiola externa ao enrolamento de campo para acelerar a máquina na partida 2 Próximo da velocidade síncrona s 2 a 5 o enrolamento de campo é alimentado em CC o que leva a máquina ao sincronismo 3 A gaiola ajuda a máquina a recuperar a velocidade síncrona em caso de perturbações sendo por isso denominado de enrolamento amortecedor Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 12 Máquina Síncrona RA Se os terminais do estator são conectados a uma carga trifásica corrente circula pelo circuito de armadura Ia que cria um segundo campo girante no entreferro o qual também gira a velocidade síncrona A magnitude do fluxo resultante no entreferro assumindo que não há saturação é a soma do fluxo reação da armadura devido à corrente de armadura Ia e do fluxo de campo devido à corrente de campo If Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 13 Máquina Síncrona Circuito Equivalente A corrente de campo If produz o fluxo ff no entreferro resultando em uma tensão induzida Ef nos terminais do estator A corrente de carga Ia na armadura produz um fluxo fa Pequena parte desse fluxo estará limitado ao estator e não atingirá o rotor sendo denominado fluxo de dispersão fal A maior parte será concatenado com o rotor através do entreferro e é denominado por reação da armadura far Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 14 Máquina Síncrona Circuito Equivalente ar também produzirá uma tensão induzida Ear nos terminais do estator em quadratura com ar ar e Ear aumentam com o carregamento do gerador Ia sendo melhor representado através de uma reatância fixa associada com a reação da armadura Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 15 Máquina Síncrona Circuito Equivalente A tensão resultante na armadura é Er Ef Ear Chegase então ao circuito Ef Er Ear Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 16 Máquina Síncrona Circuito Equivalente Adicionando ao circuito a reatância de dispersão do estator Xal e a resistência do enrolamento Ra temse Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 17 Máquina Síncrona Circuito Equivalente A duas reatâncias combinadas definem a reatância síncrona da máquina Xs Xar Xal E Zs Ra jXs define a impedância síncrona Assim temse o modelo equivalente da máquina síncrona em regime permanente e por fase polos lisos Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 18 Máquina Síncrona Fator de Potência O controle independente da corrente de campo permite que o motorgerador síncrono opere com fator de potência indutivo ou capacitivo absorvendo ou injetando potência reativa Condensador Síncrono máquina síncrona girando em vazio com controle automático de If para controle de tensão Na indústria motores síncronos operam sobreexcitados ou seja consumindo corrente de armadura capacitiva com o objetivo de compensar a corrente indutiva drenada pelos motores de indução melhorando assim o fator de potência total da planta Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto 19 Contato miltonmelonetoupebr Boa noite Referências Chapman Stephen J Fundamentos de Máquinas Elétricas Livro Electrical Machine Design Gray 20 Profº Dr Milton Tavares de Melo Neto