Máquina Síncrona 3

Partes da máquina

Principio de funcionamento do gerador síncrono

Modelo elétrico

Regulação de tensão

Ensaios na máquina síncrona

Exercícios

Partes da Máquina Síncrona 3 Estator parte fixa externa enrolamento de armadura

idêntico ao do motor de indução

Rotor parte móvel interna enrolamento de campo alimentado por corrente contínua por meio de escovas

Entreferro é o espaço entre o estator e rotor.

Ação geradora: onde se tem tensão 3 induzida.

Ação motora: onde se aplica tensão 3

Máquina CC x Máquina CA

Máquina CC Máquina Síncrona

Rotor

Estator

Excitação do campo

enrolamento de armadura

enrolamento de campo

enrolamento de campo

enrolamento de armadura

excitação independente ou

auto excitado

excitação independente

Máquina CC x Máquina CA

máquina cc máquina ca

Principio de funcionamento do gerador síncrono

Enrolamento de campo alimentado por tensão contínua

Pólos norte e sul se definem no rotor da máquina

A máquina primária (exemplo: turbina) faz o rotor girar. As linhas de força cortam os enrolamentos do estator da máquina. Dessa forma surgem neles tensão induzida

Tipos de rotores

Pólo salienteMuitos pólos

Velocidades médias ou baixas

Muito usado nas hidroelétricas pelo fato das turbinas operarem em baixa velocidade

Grande circunferência da armadura do estator

Tipos de rotores

Pólo não-saliente (cilíndrico)2 ou 4 pólos

Alta velocidade

Usado nas usinas a vapor ou a gás

Pequena circunferência da armadura do estator

Rotor saliente – UHE Tucuruí (PA)

81 rpm

Circuito elétrico

A tensão gerada Eg é a tensão terminal disponível na saída da máquina quando o gerador está operando a vazio:

EgVa

Quando o gerador alimenta uma carga, Eg = Va?

Não, existem as quedas de tensão interna a máquina!

Circuito elétrico Os enrolamentos de armadura possuem

resistência Ra

Quem sou eu?

Fluxo de dispersão

Como fica então o circuito elétrico do gerador síncrono?

Circuito elétrico

O circuito elétrico do gerador síncrono por fase é dado por:

Eg Va

Em que:

Eg: tensão gerada internamente

Ia: corrente de armadura

Ra: resistência de armadura

Xs: Reatância síncrona (fluxo de dispersão e fluxo de magnetização)

Va: tensão de saída

Ra + j XsIa

Circuito elétrico

O circuito elétrico do gerador síncrono por fase é dado por:

Eg Va

Eg = Va + Ia (Ra+j Xs)

Ra + j XsIa

Circuito elétrico

Ligações dos enrolamentos do estator:Lembre que a máquina é 3, então .... Ra + j Xs

Eg Va

Ia

Ra + j Xs

Eg Va

Ia

Ra + j Xs

Eg Va

Ia

Os terminais podem ser ligados em Y ou em

Como resolve o circuito 3 ?

Monofásico equivalente

Circuito elétrico Relação entre a corrente de armadura e a tensão nos terminais para diferentes tipos de carga

2-Carga com fator de potência em atraso (indutivo):Por definição: a corrente de fase da armadura Ia está ATRASADAATRASADA em relação a tensão nos terminais Va de um ângulo θ.

3-Carga com fator de potência em avanço (capacitivo):Por definição: a corrente de fase da armadura Ia está ADIANTADAADIANTADA em relação a tensão nos terminais Va de um ângulo θ.

1-Carga com fator de potência unitário (puramente resistivo):Por definição: a corrente de fase da armadura Ia está EM FASEEM FASE em relação a tensão nos terminais Va.

Exercícios 1) (Kosow, pgs 173 e 174) Um gerador síncrono, ligação Y, de 1000kVA, 4600 V, tem uma resistência de armadura de 2 por fase e uma reatância síncrona de 20 por fase. Encontre a tensão gerada por fase, a plena carga para os seguintes fatores de potência:

a) Fator de potência unitário

b) Fator de potência 0,75 atrasado

c) Fator de potência 0,75 adiantado

Obs: Saiba que 4600 V é a tensão de linha disponível e que 1000kVA é a potência aparente 3!

Resp: 3840,67 /40,81º V/fase

Resp: 4820,27 /20,86º V/fase

Resp: 2366,46 /59,97º V/fase

Regulação de Tensão Regulação de tensão de geradores síncronos para vários fatores de potência

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 50 100 150

FP unitário

FP em atraso

FP em avanço2655V

Corrente de armadura por fase (A)

Tens

ão g

erad

a po

r fas

e (V

)

Quanto tenho que gerar, para obter 2655 V?

V26553

4600

Obs: gráfico referente ao exercício 1

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 50 100 150

FP unitário

FP em atraso

FP em avanço

125 A

Regulação de Tensão Regulação de tensão de geradores síncronos para vários fatores de potência

2655V

Corrente de armadura por fase (A)

Tens

ão g

erad

a po

r fas

e (V

)

Obs: gráfico referente ao exercício 1

}Regulação de

tensão

%100

%100%0

V

VVRV

Exercício

2655V

2) (Kosow, pgs 176) Usando os dados obtidos no exercício 1, calcule a regulação de tensão para cada situação.

Regulação de tensão

Fator de potência unitário

Fator de potência 0,75 atrasado

Fator de potência 0,75 adiantado

44,61 %

81,49 %

-10,89 %

Você concluiu que ....

Máquina CC x Máquina CA

Regulação de tensão

Reação de armadura

Máquina CC Máquina CA

PobreBoa

Enrolamentos de compensação

Tentativas sem sucesso

Na prática, a regulação inerentemente pobre dos geradores síncronos é ignorada e em sua saída é mantido um valor constante de tensão através de

reguladores de tensão, que aumentam ou diminuem automaticamente a excitação do campo conforme varia a carga e o seu fator de potência.

Eg Va

Ra + j XsIaComo se obtém as grandezas Ra e Xs ?

Ensaios de laboratório!

Ensaios para obter Ra e Xs

Resistência de armadura: Ra

Ensaio com corrente contínua:

2xAVR cc

CCCA R)8,1a2,1(R

resistência efetiva da armadura por fase

Obs: Essa faixa de varição de 1,2 a 1,8 é dependente da freqüência, qualidade de isolamento, tamanho e capacidade do gerador.

Ensaios para obter Ra e Xs

Reatância síncrona: Xs Dois ensaios são necessários

Ensaio de circuito aberto: Levantamento da curva de magnetização a vazio.

Procedimento: Um amperímetro CC é ligado ao circuito de campo, para que se leia a corrente de campo, e um voltímetro CA é ligado a quaisquer dois terminais do estator, para se ter a tensão de linha V. Faz-se um número suficiente de leituras, partindo de uma corrente de campo nula. A corrente de campo e a tensão gerada por fase são registradas e desenha-se a curva de magnetização.

Ensaios para obter Ra e Xs

Reatância síncrona: Xs Dois ensaios são necessários

Ensaio de curto-circuito: Levantamento da curva de corrente de curtocircuito por fase

A3

AAAI 321a

Procedimento: Amperímetros CA são utilizados para a leitura das correntes de linha. Faz-se a leitura de pares de correntes: a corrente CC de campo versus a corrente CA da armadura em curto-circuito. Com esses pontos se constrói o gráfico.

Ensaios para obter Ra e Xs

Reatância síncrona: Xs Dois ensaios são necessários

Gráficos obtidos nos dois ensaios:

Ensaios para obter Ra e Xs

Reatância síncrona: Xs Dois ensaios são necessários

Comentários sobre o ensaio de curto:

A relação Ia x If é linear. A curto-circuito a tensão nos terminais é ZERO. Toda a tensão gerada Eg é empregada para equilibrar a queda na impedância síncrona interna, Ia Zs, por fase. Uma vez que Zs é quase constante para uma dada máquina, a corrente de curto-circuito varia diretamente proporcional à tensão gerada, e conseqüentemente a corrente de campo. Lembre que Eg = k n!

Eg

Ra + j XsIa

Ensaios para obter Ra e Xs

Reatância síncrona: Xs Dois ensaios são necessários

Utilizando as duas curvas para calcular Xs:

para a mesma corrente de campo tenho:

a corrente nominal e uma tensão gerada a circuito aberto.

Ensaios para obter Ra e Xs

Reatância síncrona: Xs Dois ensaios são necessários

Utilizando as duas curvas para calcular Xs:

Eg

Ra + j XsIa

Uma vez que a tensão nos terminais é ZERO, podemos escrever

a

gssag I

EZouZIE 2

a2ss RZX

Ensaios para obter Ra e Xs

Reatância síncrona não-saturada e saturada:

A reatância síncrona não-saturada obtida na parte linear da curva de magnetização corrente nominal

a

gNS I

EZ 2

a2NSNS RZX

A reatância síncrona saturada obtida na parte saturada da curva de magnetização tensão nominal

an

S IV

Z 2a

2SS RZX

Exercício3) (Kosow, pgs 181) Dados: gerador síncrono 3, 100kVA, 1100 V, estrela.

Ensaio corrente contínua: V= 6V I=10 A (use 1,5 p/ calcular Ra)

Ensaio a vazio: If = 12,5A V = 420V

Ensaio de curto-circuito: If = 12,5A Ia = corrente nominal

Calcule Ra e XNS

Resp: Ra = 0,45 /fase XNS= 4,59/fase

CuriosidadeOi! Meu nome é turbina Francis! Vou te contar

como eu cheguei aqui em Tucuruí, no Pará, a melhor

terra do mundo

CuriosidadeNasci na fábrica da

Alstom, em Taubaté (SP).Dei o maior trabalho para ir de Taubaté até o porto de Santos! Veja o que foi

necessário:

Remover postes de luz;

Desligar o sistema elétrico e telefônico de bairros;

Retirar alambrados, placas, semáforos e passarelas.

Ninguém merece!

CuriosidadeE mais ... a carreta que me

transportou ia numa velocidade de 5km/h. Do

porto de Santos fui de navio até Belém, e de lá de balsa até Tucuruí! Essa minha viagem levou 45 dias !!!!

Fonte: Revista Eletrobrás, ano 2, no 6, março 2006!

Exercícios complementares

Exercício4) (Apostila) Dados: gerador síncrono 3; 200 MVA; 15,8kV; estrela; 60 Hz.

Os valores medidos nos ensaios foram:

If(A) 0 150 300 450 600 750 900 1050 1200

CA(kV) 0 3,75 7,5 11,2 13,6 15 15,8 16,15 16,5

CC(kA) 0 1,4 2,8 4,2 5,6 7 8,4 9,8 11,2

Calcular a reatância síncrona não-saturada e saturada.

Resp: XNS = 1,237 Ω e XS = 1,085Ω

Obs: como nada foi comentado sobre Ra, faz-se Z=X

Exercício5) (Apostila) Usando a reatância saturada calculada no exercício 6, encontre

a tensão gerada Eg por fase quando a máquina entrega potência nominal.

Eg = 14,46 /26,56º V

Bibliografia

Máquinas Elétricas e Transformadores, I.L. Kosow, Sexta Edição Editora Globo S.A., 1972.