1 MAQUINA SINCRONA

1.1 ASPECTOS CONSTRUTIVOS DE MAQUINAS SINCRONAS

A Figura 1.1 mostra o rotor de um gerador pronto para ser inserido no ”poco”do

estator. Na Figura 1.2 o rotor e conduzido para ser fixado ao eixo, tendo-se o estator

como o elemento fixo, com as bobinas da armadura, nas quais ocorrera a inducao de

tensao. Observe-se que tanto na Figura 1.1 quanto na Figura 1.2 um dos retangulos

na roda indica a presenca de um polo da maquina. O detalhamento do circuito para

concepcao de um polo no rotor e melhor visto na Figura 1.3. Esses circuitos, em cada

cada polo, sao fixados a roda do gerador. A Figura 1.4 ilustra como e este dispositivo

no rotor.

Figura 1.1: Rotor de um gerador - usina hidreletrica de Tucuruı

A Figura 1.5 mostra ao fundo a peca que faz parte do rotor que e conhecida como

aranha.

A figura 1.6 mostra o rotor de uma turbina Francis para acionamento do gerador.

A figura 1.7 ilustra os detalhes do eixo proveniente da turbina. Na parte inferior do

eixo podem ser observados os servomotores para regulacao de velocidade da turbina.

A parte supeior do eixo e que devera ser acoplada ao eixo do rotor do gerador.

As Figuras 1.8 e 1.9 ilustram detalhes dos circuitos da armadura do gerador. Na Figura

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Figura 1.2: Rotor conduzido para fizacao ao eixo da turbina

1.8, ao centro, observe-se o local para acoplamento do eixo do rotor do gerador.

As Figuras 1.10 e 1.11 mostram detalhes do estator, incluindo aspectos construtivos das

ranhuras, vistos de cima para baixo. Na Figura 1.10, o nucleo estatorico e mostrado

com mais detalhes.

A Figura 1.12 ilustra como estao dispostos os varios componentes do rotor na denomi-

nada roda polar. Note-se a presenca dos enrolamentos de campo, amortecedores, aneis

coletores, aranha, polos e eixo.

As figura 1.13 ilustra a disposicao das bobinas de campo e no estator.

A Figura 1.14 apresenta as tensoes trifasicas resultantes no estator.

A Figura 1.15 mostra o diagrama esquematico de uma maquina sıncrona trifasica de

polos salientes, de dois polos. A abordagem que sera apresentada aplica-se tambem a

maquinas de polos lisos. Na figura, sao apresentados as bobinas estatoricas a-a’, b-b’, e

c-c’, os seus eixos (eixos de fase) e os eixos direto d e quadratura q, onde sao inseridos

as bobinas de campo f, e enrolamentos amortecedores de eixo d e q. Os eixos d e q sao

representativos do rotor e por isso giram eletricamente a mesma velocidade angular

eletrica do rotor, denominada aqui ωr. O eixo da fase a no estator e tomado como

referencia angular. Evidentemente, os dois outros eixos das bobinas estatoricas estao

defasados entre si de 120o.

Na descricao que sera abordada neste trabalho, sao consideradas inicialmente tres bobi-

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Figura 1.3: Detalhes de um polo no circuito do rotor do gerador

nas no rotor. Mas, outras bobinas poderiam ser inseridas.

A figura 1.16 mostra os circuitos referentes as bobinas existentes no rotor e no estator.

O angulo θ, como na Figura 1.15 representa o angulo pelo qual o eixo d esta avancado

em relacao ao eixo da fase a do estator. Como a maquina tem dois polos esse e tanto o

angulo mecanico quanto eletrico. No caso da maquina ser de p polos, o angulo mecanico

θr esta relacionado com o angulo eletrico θe por meio da expressao θe = p

2θm. A relacao

entre angulo e velocidade angular eletrica do rotor e dada por θe = ωrt.

Na notacao adotada aqui, k refere-se a enrolamento amortecedor, f a enrolamento de

campo. As tensoes nas fases a, b e c (tensao fase-neutro) sao ea, eb e ec, respectivamente.

As correntes de armadura nas fases a, b e c sao ia, ib e ic, respectivamente. A tensao de

campo e efd. Os enrolamentos amortecedores sao curto-circuitados em seus terminais,

de modo que, em regime permanente a corrente por eles e nula. No entanto, em regime

transitorio tais enrolamentos desempenham papel importante no amortecimento de

oscilacoes eletromecanicas. As correntes nos enrolamentos de campo, no enrolamento

de eixo d e no enrolamento de eixo q sao, respectivamente, ifd, ikd e ikq, respectivamente.

Vamos relacionar a grandeza fluxo enlacando uma bobina e a corrente que flui por ela.

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Figura 1.4: Detalhes da roda do rotor do gerador

Essas grandezas sao importantes, pois sao por meio delas que sao obtidas as equacoes

do gerador. Inicialmente, considere uma bobina enlacando um nucleo magnetico, como

mostrado na Figura 1.17.

A abordagem considerada para uma bobina sera estendida agora para duas bobinas,

considerando acoplamento magnetico entre elas. A Figura 1.18 ilustra essa situacao.

A notacao com ındice 1 indica enrolamento primario e 2 secundario; l indica dispersao

e m circulacao pelo caminho magnetico. As tensoes nas duas bobinas sao calculadas

como:

1.2 GRANDEZAS DA MAQUINA SINCRONA TRIFASICA

Utilizar-se-a o circuito da maquina sıncrona indicado na Figura 1.16 e cujas indutancias

sao apresentadas na Tabela ??, para deducao das equacoes relacionando tensoes, cor-

rentes e enlaces de fluxo, tanto no estator quanto no rotor.

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Figura 1.5: Detalhes da aranha do rotor do gerador

Na transformacao de Parq, surgem dois eixos fictıcios d e q. Neste trabalho, assume-

se que o eixo q esteja avancado de 900 em relacao ao eixo d. Assim, assumindo que a

tensao de transformacao seja desprezıvel, a tensao induzida eq no eixo q e induzida pelos

fluxos no eixo d . Ou seja, surgem os termos eqw = ωrΨd e edw =-ωrΨq. Um diagrama

fasorial envolvendo enlaces de fluxo e as repectivas tensoes induzidas e mostrado na

Figura 1.19. Considera-se que o eixo da fase a e a referencia angular e que o eixo d

esta posicionado a θ dessa referencia angular.

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Figura 1.6: Rotor de uma turbina Francis

Figura 1.7: Detalhes do eixo da turbina que e acoplado ao rotor

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Figura 1.8: Detalhes da armadura do gerador

Figura 1.9: Detalhes das bobinas no circuito de armadura do gerador

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Figura 1.10: Detalhes do nucleo da armadura do gerador ao fundo

Figura 1.11: Detalhes das ranhuras do nucleo da armadura do gerador

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Figura 1.12: Detalhes da roda polar do rotor do gerador

Figura 1.13: Disposicao das bobinas na representacao dos circuitos de campo e de estator

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