Aula Motores Síncronos - Circuito Equivalente, Regulação, etc

Motores Sncronos

Circuito Equivalente, Desempenho, Potncia, Paralelismo de Geradores

Mquinas Eltricas

CIRCUITO EQUIVALENTE

Ef Tenso induzida devido ao fluxo produzida na excitatriz (Tenso vazio)

Ear Tenso produzida pelo fluxo de reao de armadura (com a presena de carga)

O fluxo de armadura composto pelo

fluxo de disperso e o fluxo concatenado

com o enrolamento de campo (Fa=Fl+Far)

Tenso gerada eficaz:

Onde:

e = 2..fe Laf : indutncia mtua mxima entre o campo e a

armadura

If : corrente de campo

2

I.L.E fafeaf


Circuitos equivalentes por fase da mquina sncrona. (a) Motor e (b) Gerador.

Onde:

Eaf- Tenso gerada Ia- Corrente de armadura Xs- Reatncia sncrona Va- Tenso de Terminal

Ra- Resistncia de armadura


Gerador:

ou

Motor:

ou

Onde: - Xs a Reatncia Sncrona que combina os efeitos da reatncia

de armadura (Xa) e da reao da armadura.

- Zs a Impedncia Sncrona igual a Ra + j.Xs

)EI.X(jI.RVE araaaaaaf

)EI.X(jI.RVE araaaaaaf

asaasaaaaf I.ZVI.jXI.RVE

asaasaaaaf I.ZVI.jXI.RVE


Diagrama fasorial para gerador com vrias cargas

(a) Em fase (b) Em atraso

(c) Em adianto


Regulao de tenso de geradores sncronos

100(%)

f

fgf

V

VER

REGULAO DE TENSO

Exerccio:

Um gerador trifsico, ligao estrela, de 1.000 kVA, 4.600 V, tem uma resistncia de armadura de 2 /fase e uma reatncia de armadura sncrona Xs de 20 /fase. Encontre a tenso gerada por fase e a regulao, a plena carga, para:

a) Fator de potncia unitrio;

b) Fator de potncia de 0,75 em atraso;

c) Fator de potncia de 0,75 em avano;

d) Fator de potncia de 0,4 em avano.

REGULAO DE TENSO

Exerccio:

Observa-se que um motor sncrono trifsico de 60 Hz tem uma tenso de linha de 460 V nos terminais e uma corrente de terminal de 120 A com um fator de potncia de 0,95 indutivo. Nessas condies de operao, a corrente de campo de 47 A. A reatncia sncrona da mquina igual a 1,68 . Supondo que a resistncia de armadura seja desprezvel.

Calcule (a) a tenso gerada Eaf, (b) o valor da indutncia mtua Laf entre o campo e a armadura, e (c) a potncia de entrada eltrica do motor em kW e HP.


Exerccio:

Supondo que a potncia de entrada e a tenso de terminal do motor sncrono do problema anterior permaneam constantes, calcule (a) o ngulo de fase da tenso gerada e (b) a corrente de campo necessria para conseguir um fator de potncia unitrio nos terminais do motor.


A potncia mxima que uma mquina sncrona pode fornecer determinada pelo conjugado mximo que pode ser aplicado sem que ocorra perda de sincronismo com o sistema externo ao qual est conectada.

OPERAO EM REGIME PERMANENTE

Mudana na corrente de campo necessria para manter a tenso terminal constante, quando a carga (em kVA) varia, para diversos fatores de potncia da carga.


FP

capac.

FP unit.

FP

indut.

A corrente de excitao do campo (If) necessria para manter a tenso terminal constante (Vf), com um FP atrasado fixo, aumenta com o aumento da demanda em kVA nos terminais da carga.

Curva V para Geradores Sncronos:


Diagrama fasorial para motor sobre-excitado, desprezando a resistncia de armadura.


DESEMPENHO DO MOTOR

Abaixo pode-se visualizar o diagrama fasorial para o motor sobre-excitado a vazio, suprindo as perdas rotacionais e no ncleo.

DESEMPENHO DO MOTOR

Ao aplicar carga subitamente a velocidade cai momentaneamente, aumentando o ngulo de potncia.

Este aumento provoca um aumento da corrente de armadura (devido a diferena fasorial das tenses), exigindo mais potncia de entrada.

Esta modificao provoca o aumento do fator de potncia.

DESEMPENHO DO MOTOR

Por causa da inrcia, o campo girante do estator gira mais rpido que o rotor, com isso, o torque de partida resultante nulo.

PARTIDA DO MOTOR

Dois mtodos so normalmente utilizados para a partida de motores sncronos:

Aplicar frequncia varivel

Partir como motor de induo

PARTIDA DO MOTOR

Partir com uma frequncia baixa (prxima de zero) e aumentando gradativamente at a frequncia nominal.

PARTIDA DO MOTOR

Enrolamento amortecedor (gaiola de partida)

Na partida a excitatriz no energizada (em geral, conectada a um resistor) e a mquina parte como um MIT, em seguida a excitatriz alimentada.

PARTIDA DO MOTOR

Diagrama fasorial da mquina sncrona desconsiderando a resistncia do enrolamento de armadura:

POTNCIA

A potncia desenvolvida pode ser escrita como:

Do diagrama fasorial pode-se dizer que:

ou

Portanto,

coscos afatm IqEIqVP

cossaf xIsenEab senx

EI

s

f

a cos

senx

EVqP

s

ft

m

POTNCIA

O ngulo chamado de ngulo de potncia.

Se = 0 a mquina sncrona no pode desenvolver nenhuma potncia til.

A potncia mxima ocorre com = 90.

POTNCIA

Em um motor sncrono, h duas fontes possveis de excitao: corrente alternada na armadura ou corrente contnua no enrolamento de campo.

Se a corrente de campo for o mnimo suficiente para suprir a FMM necessria, nenhuma componente magnetizante ou potncia aparente (kVA) ser necessria na armadura e o motor ir operar com fator de potncia unitrio.

FATOR DE POTNCIA

Se a corrente de campo for menor, isto , o motor sncrono est subexcitado, o dficit de FMM dever ser preenchido pela armadura e o motor ir operar com um fator de potncia indutivo.

Se a corrente de campo for maior, isto , o motor sncrono est superexcitado, a FMM em excesso dever ser contrabalanada na armadura e uma componente capacitiva de corrente estar presente; o motor funcionar ento com um fator de potncia capacitivo.

FATOR DE POTNCIA

Mquinas sncronas a vazio podem ser instaladas em sistemas de potncia para corrigir o fator de potncia ou para controlar o fluxo de kVA reativos.

Essas mquinas, chamadas compensadores sncronos, podem ser mais econmicas em grandes tamanhos de potncia do que os capacitores estticos.

FATOR DE POTNCIA

Geradores normalmente so conectados a um barramento infinito. Nesta situao a tenso e a frequncia raramente se modificam.

PARALELISMO DE GERADORES

Para um gerador ser conectado a um barramento infinito necessrio possuir a mesma tenso, frequncia, fase e sequncia de fase.

Um sincronoscpio pode ser utilizado para verificar estas condies.

Um conjunto de lmpadas pode ser utilizado para identificar as condies para o paralelismo.


Gerador conectado a um barramento infinito


a) Mesma frequncia, mesma fase e sequncia, mas tenses diferentes

As trs lmpadas brilham com a mesma intensidade


b) Mesma tenso, mesma sequncia, mas frequncias diferentes

As trs lmpadas piscam juntas em uma frequncia que depende de f1-f2.


c) Mesma tenso, mesma frequncia, mas sequncia de fases diferentes

As trs lmpadas acendem com intensidades luminosas diferentes. Se as frequncia forem diferentes elas piscariam separadamente.


d) Mesma tenso, mesma frequncia, mesma sequncia, mas fases diferentes

As trs lmpadas acendem com a mesma intensidade luminosa.


Para permitir a operao em paralelo dos geradores sncronos necessria a sincronizao.

Mtodo das lmpadas apagadas


Antes de fechar as chaves (ou disjuntores) que colocam as duas mquinas em paralelo necessrio:

Ajustar a velocidade do agente motor do gerador de um gerador para se igualar ao do outro;

Ajustar a corrente de campo para igualar as tenses dos geradores;

Adequar as fases das tenses.


As lmpadas ficaro apagadas caso as condies anteriores sejam satisfeitas.

As lmpadas ficaro acesas caso a frequncia seja a mesma e as tenses sejam diferentes.

Caso as frequncias sejam diferentes as lmpadas vo piscar com a diferena de frequncia.


Paralelismo de Geradores Efeito da Excitao de campo (controle de VAr)

Considerando uma carga com fator de potncia unitrio, com geradores em paralelo fornecendo potncias iguais tem-se que as tenses geradas e os ngulos de potncia so iguais.

Neste caso, se a corrente de campo de G1 for aumentada, o ngulo de potncia deste gerador dever diminuir para manter a potncia de sada constante.

Para compensar este efeito necessrio reduzir a corrente de campo de G2, provocando a circulao de reativos de um gerador para o outro.


Paralelismo de Geradores Efeito da potncia da fora motriz (controle de W)

Considerando que a reduo da potncia motriz de G1 necessrio aumentar a potncia motriz de G2 para manter a frequncia constante.

O efeito desta mudana pode ser vista no diagrama abaixo.


Caractersticas de Potncia e Torque

Por fase temos:

Para Ra = 0 Zs = Xs e s = 90 para mquina trifsica


Lugar geomtrico de potncias

Raio:

Centro:

Capabilidade

A regio de operao de uma mquina sncrona est restrita s seguintes consideraes:

1. Aquecimento da armadura, determinada pela corrente de armadura

2. Aquecimento do campo, determinada pela corrente de campo

3. Limite de estabilidade em regime permanente

Considerando Vt

constante, a regio

de aquecimento da

armadura dada por

um crculo na origem

de raio S = Vt.Ia

Capabilidade

Os pontos de interseo M (para geradores) e

N (para motores) so os pontos timos de

operao pela mxima utilizao do campo e

da armadura, dentro do limite de estabilidade.

Capabilidade

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