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Apostila 2 – Disciplina de Conversão de Energia B

Introdução à Máquina Síncrona

1. IntroduçãoEsta apostila descreve resumidamente as principais características construtivas etecnológicas das máquinas síncronas. Também são abordados os processos de geraçãode tensão nos terminais da máquina em vazio.

Assim como as máquinas de corrente contínua e as máquinas de indução (assíncronas), asmáquinas síncronas podem ser utilizadas tanto como motores como geradores. Devido arazões construtivas e ao seu custo maior em relação às máquinas de indução, elas sãoentretanto mais utilizadas como geradores. Como motores elas são em geral utilizadas emaltas potências (acima de 600 CV), onde apresentam vantagens importantes em relaçãoaos motores de indução. Por outro lado, máquinas síncronas a imãs permanentes vemtendo uma utilização cada vez maior em baixas e médias potências especialmente quandose necessita de velocidade variável, alto rendimento e respostas dinâmicas rápidas. Tantoas máquinas síncronas tradicionais de rotor bobinado como as máquinas síncronas aimãs permanentes necessitam em geral um conversor para o seu acionamento e controle,caso seja necessários que elas operem como motor com velocidade variável.

Uma utilização típica da máquina síncrona funcionando como gerador é em centraiselétricas, independente do seu tipo (hídrica, a carvão, a diesel, etc...). Praticamente toda aenergia elétrica disponível é produzida por geradores síncronos em centrais elétricas; elesconvertem, assim energia mecânica em elétrica. Geradores síncronos também sãoutilizados para geração de energia elétrica em centrais de pequeno porte e em gruposgeradores de emergência, os quais são instalados em indústrias, hospitais, aeroportos,etc... Neste caso o gerador não está ligado a um grande sistema de energia, masfuncionando de forma isolada.

2. Princípio de Funcionamento do Gerador SíncronoA máquina síncrona é composta do estator, que aloja um enrolamento monofásico outrifásico e onde será induzida tensão pelo movimento do rotor. No enrolamento do estatorserá induzida uma tensão alternada, a qual produzirá uma corrente igualmente alternadaquando o mesmo se encontrar sob carga. O rotor contém um enrolamento que éalimentado com corrente contínua e que serve para criar campo magnético principal namáquina.

O princípio de funcionamento de um gerador é muito semelhante ao de uma máquina decorrente contínua (Figura 1 e 2). Conforme foi visto em disciplinas anteriores, sempre quehouver um movimento relativo entre um condutor e um campo magnético haverá umatensão induzida no condutor. No caso da máquina síncrona os condutores são fixos naarmadura e o campo magnético é forçado pela máquina primária a se mover. Por sua vez,a máquina primária é acoplada mecanicamente ao rotor onde estão alojados os pólos eexerce sobre eles uma força fazendo-os girar. O movimento relativo entre o campo e ocondutor faz com que surja uma tensão nos terminais do gerador. Ao ser ligado a umacarga a tensão induzida faz com que circule corrente pelo gerador e pela carga. A potência

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mecânica transferida pela máquina primária é assim convertida em energia elétrica(descontadas as perdas). O enrolamento de campo (alojado nos pólos) é alimentado poruma fonte de corrente contínua por meio de anéis deslizantes. Existem sistemas em quenão existem anéis e escovas, sendo que a tensão contínua necessária ao enrolamento decampo é fornecida por meio de um sistema de excitação estático (brushless), formado poruma ou mais excitatrizes montadas no eixo e por dispositivos a base de semicondutores.O gerador síncrono produz uma tensão do tipo alternada senoidal, podendo sermonofásica ou trifásica.

Numa máquina existem não apenas um condutor sendo movimentado no campomagnético, mas uma série de condutores ligados em série, fazendo com que a potênciaconvertida seja maior que no caso de apenas um condutor. Com este arranjo a potência damáquina é maior, aumentando o grau de aproveitamento dos materiais.

3. Partes Construtivas PrincipaisAs partes construtivas principais de um gerador síncrono são mostradas na figura 1 deforma esquemática e são discutidas brevemente no que segue.

3.1 Estator

O estator da máquina síncrona é muito semelhante ao de um motor de indução. Écomposto de chapas laminadas dotadas de ranhuras axiais onde é alojado o enrolamentodo estator. As chapas possuem características magnéticas de alta permeabilidade, criandoum caminho magnético de baixa relutância para o fluxo, diminuindo assim o fluxo dispersoe concentrando o campo no entreferro. A construção do rotor a partir de chapas tem amesma justificativa que para os demais tipos de máquinas: diminuição das perdasprovocadas por correntes parasitas (correntes de Foucault), as quais estariam presentesem maior grau, caso fosse empregado uma construção maciça. As chapas são em geraltratadas termicamente a fim de reduzir o valor das perdas específicas por correntesinduzidas. Não existe, em geral, uma isolação física entre as chapas que compõem o rotore o estator. O enrolamento do estator pode ser tanto monofásico como trifásico. Em geralas máquinas síncronas são trifásicas, sendo que geradores monofásicos são maisutilizados em pequenas potências, ou quando não existe uma rede trifásica disponível,como em áreas rurais. Quando construídos para baixa tensão as bobinas do estator sãoformadas de fios com seção circular e esmaltados; as ranhuras do estator são neste casodo tipo semi-abertas (Figura 3a). No caso de enrolamentos de alta tensão os condutoressão de seção retangular e as bobinas recebem uma camada extra de isolação com materiala base de mica, sendo que as ranhuras são do tipo aberta (Figura 3b). A conexão dosenrolamentos segue o mesmo padrão que para as máquinas de indução, havendomáquinas com enrolamentos para ligação série-paralela, estrêla-triângulo e máquinas comtripla tensão nominal. Estas ligações foram abordadas e discutidas na apostila 1.

3.2 Rotor

O rotor é também formado de chapas laminadas justapostas que em geral são do mesmomaterial que o estator. Do ponto de vista construtivo existem dois tipos básicos derotores: rotores contento pólos salientes e rotores contendo pólos lisos (Figura 4a e 4b,respectivamente). Esta diferenciação conduz a modelos equivalentes diferentes, mas nãoaltera em nada o princípio de funcionamento, que permanece idêntico para ambos.

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Rotores de pólos lisos são em geral empregados em turboalternadores, onde o número depólos é 2 ou 4. Este emprego provém do fato que rotores com pólos lisos são maisrobustos sendo assim mais aptos a trabalharem em altas rotações (3600 e 1800 rpm). Osgeradores em pólos saliente são em geral empregados com número de pólos igual ousuperior que 4. A escolha do número de pólos é ditado pela rotação mais apropriada paramáquina primária. Turbinas hidráulicas, por exemplo, trabalham com baixa rotação, sendopor isso necessário geradores com alto número de pólos. A velocidade de rotação daturbina hidráulica varia em função da pressão hidráulica existente e em função da altura daqueda d´água, sendo que ela se situa entre 50 a 600 rpm. Além disso a velocidade tambémvaria em função do tipo da turbina (Francis, Kaplan, Pelton, etc...). Este tipo de geradorem geral é construído com eixo vertical, possuindo grande diâmetro e pequenocomprimento axial; esta relação entre comprimento e diâmetro é ditada pela baixa rotaçãoa que estão sujeitos (alto número de pólos). Turbogeradores em geral são construídoscom eixo horizontal e possuem diâmetro reduzido e comprimento axial maior que odiâmetro, devido ao fato de girarem a altas rotações. Grupos geradores a diesel, por outrolado, utilizam geradores com número de pólos entre 4 e 8. No caso de pólos salientes oenrolamento de campo, também chamado de enrolamento de excitação, é alojado noespaço interpolar. No caso de pólos lisos o enrolamento de campo é distribuído emranhuras, as quais em geral cobrem apenas uma parte da superfície do rotor. Além doenrolamento de campo, o rotor pode conter também um enrolamento semelhante ao dorotor da máquina de indução em gaiola. Este enrolamento é chamado de enrolamentoamortecedor e é alojado em ranhuras semi-abertas e de formato redondo sobre a superfíciedo rotor. Conforme o nome sugere, ele serve para amortecer oscilações que ocorrem emcondições transitórias, como por exemplo uma retirada brusca de carga, alteraçõessúbitas de tensão, variações de velocidade, etc.... Ele confere, assim, uma maiorestabilidade à máquina. Neste enrolamento só é induzida tensão quando ocorremfenômenos transitórios na máquina, em condições normais e em regime permanente nãohá nem tensão nem corrente induzida neste enrolamento; as suas dimensões são portantoreduzidas em relação ao enrolamento do estator e do rotor. No caso de motoressíncronos ele pode também funcionar como dispositivo arranque, funcionando da mesmaforma que o enrolamento em gaiola de esquilo dos motores de indução. O enrolamentoneste caso se chama enrolamento de partida e a partida do motor é chamada de partidaassíncrona; neste caso o motor não possui, via de regra, carga no eixo durante a partida.

Devido ao fato de não haver em regime permanente variações de fluxo em relação aorotor, este pode também ser construído de um material sólido, ao invés de lâminas. Assim,em algumas máquinas todo o ou parte do rotor é construído de material sólido, a fim deaumentar a rigidez mecânica. Neste caso, a própria superfície do rotor funciona comoenrolamento amortecedor, sendo desnecessário um enrolamento amortecedo inserido emranhuras.

Independente da forma construtiva, os pólos são alimentados com corrente contínua ecriam o campo principal que induz tensão na armadura. A alimentação do enrolamento deexcitação pode ser feita por meio de anéis e escovas. A grande maioria dos geradores demédia e baixa potência, utiliza sistemas de excitação sem escovas, chamado de sistema deexcitação brushless. Neste caso a excitação é fornecida por meio de excitatrizes auxiliaresmontadas no eixo da máquina e de dispositivos a base de semicondutores. Detalhes destaforma de excitação podem ser encontrados em catálogos de fabricantes.

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3.3 Conjunto de Escovas e Anéis

Têm por função conectar a fonte de corrente contínua com os pólos do rotor. Tratando-sede componentes que se desgastam e que podem produzir faíscas e interferênciaeletromagnética, em geral se empregam geradores com excitação sem escovas,denominados geradores brushless (Figura 5).

4. Valores NominaisOs principais valores nominais das máquinas síncronas são discutidos a seguir. Osvalores nominais se referem ao funcionamento da máquina como gerador.

4.1 Tensão Nominal

É a tensão de trabalho do enrolamento do estator. Existem máquinas de baixa tensão(tensão abaixo de 600 volts) e máquinas de alta tensão (tensão acima de 600 volts).Quando a máquina funciona como gerador e não estiver ligado a um grande sistema, deve-se prover a máquina de um regulador de tensão, o qual atua na fonte de corrente contínuaque alimenta os pólos do rotor e tem por função manter a tensão no valor nominal.

4.2 Potência Nominal (Gerador)

É a potência aparente fornecida ao circuito elétrico conectado aos terminais do gerador,dada pela seguinte equação:

ll IVS ⋅= (monofásico) (1)

ll IV3S ⋅⋅= (trifásico) (2)

A potência ativa fornecida pelo gerador depende da característica da carga, sendo dadapelas expressões:

( )ϕ⋅⋅= cosIVP lle (monofásico) (3)

( )ϕ⋅⋅⋅= cosIV3P lle (trifásico) (4)

cos( )ϕ - fator de potência do gerador (igual ao da carga quando o gerador trabalhaisolado)

lI - Corrente de linha

lV - Tensão de linha

Considerando o caso em que o gerador trabalha de forma isolada (Figura 6)., ou sejadesconectado de um grande sistema de energia, o fator de potência com que o geradortrabalha depende exclusivamente da característica da carga a ele ligada. Todo o geradordeve, assim, ser capaz de fornecer a potência nominal dentro dos limites de fator depotência estabelecidos pelo fabricante. A faixa de valores para o de fator de potência sesitua em geral entre 0.8 e 1.0. A potência ativa e reativa fornecida pelo gerador é nestecaso idêntica à da carga a ele ligada. A tensão terminal é mantida no valor nominal pormeio do regulador de tensão.

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Considerando, por outro lado, que o gerador trabalhe conectado a um grande sistema deenergia com tensão e freqüência fixas (Figura 7)., pode-se controlar a quantidade energiareativa, e o fator de potência com que o gerador trabalha, controlando-se a corrente deexcitação do mesmo. Contudo, a faixa de operação do fator de potência deve serrespeitada. A quantidade de energia ativa que o gerador fornece aos sistema a ele ligado écontrolado atuando-se sobre a máquina primária, a qual deve fornecer a potência ativa nosterminais mais as perdas.

Uma vantagem da máquina síncrona operando como motor é que o seu fator de potênciapode ser ajustado por meio da corrente de excitação, permitindo que o motor trabalhetanto com fatores de potência em adianto como em atraso. O motor síncrono pode, assimfornecer energia reativa para a rede e também absorver energia reativa. Por essacaracterística ele é também empregado como forma de corrigir o fator de potência deinstalações industriais.

4.3 Rendimento

O rendimento para a máquina funcionando como gerador é dado pela equação:

( )100

PPP

100PP

m

pm

m

e ⋅−

=⋅=η (%) (5)

η - rendimento em percentual (%)

mP - potência mecânica fornecida pela máquina primária no eixo (Watt)

eP - potência elétrica fornecida à carga ligada aos terminais (Watt).

pP - perdas (watt).

A curva de rendimento em função da carga é semelhante à curva para o motor de indução,sendo o rendimento muito próximo do nominal na faixa de 75% a 100% da potêncianominal.

4.4 Tipos de Conexões

Como o estator é praticamente idêntico ao de um motor de indução ele pode serconectado segundo as mesmas ligações que o motor de indução, abordadas na apostila 1:conexão série-paralela, conexão estrêla-triângulo e tripla tensão nominal.

4.5 Freqüência

A máquina síncrona sempre gira à velocidade síncrona (exceto em condições transitóriasou sob algum tipo de oscilação). A velocidade síncrona é definida pela rotação da máquinaprimária, a qual fornece a potência ativa para o sistema ligado ao gerador. A freqüência datensão gerada depende assim da velocidade de giro e do número de pólos, de acordo coma equação:

120pn

f s ⋅= (Hz) (6)

f - freqüência (Hz) da tensão gerada.

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p - número de pólos da máquina, determinado pela construção da máquina. Ele éescolhido em função da rotação da máquina primária.

sn - rotação da máquina primária (rpm).

De acordo com a equação acima, tomando-se uma máquina primária que gira a 1800 rpme um gerador de 4 pólos obtém-se :

60120

41800f =⋅= Hz.

Caso seja necessário que o gerador produza uma tensão a 50 Hz será necessário alterar arotação da máquina primária para 1500 rpm.

5. Tensão Induzida no Estator a VazioSendo o processo de indução de tensão no estator de máquinas síncronas essencial parao entendimento do seu funcionamento, no que segue é apresentado brevemente asequações básicas que regem este fenômeno. Maiores detalhes são encontrados nabibliografia. A análise permanece válida também para qualquer número de pólos.

A Figura 8 ilustra de forma esquemática o arranjo de uma máquina síncrona, onde parafacilitar a análise, os enrolamentos do estator são concêntricos, ou seja cada fase éalojada em duas ranhuras de passo diametral (não encurtado). Com base neste arranjo,pode-se estender a análise para o caso mais geral de enrolamentos distribuídos e compasso encurtado. O rotor possui dois pólos, a análise continua válida contudo para umnúmero de pólos maior que 2. O fluxo produzido pelo rotor é assumido como sendodistribuído de forma senoidal sobre a periferia do estator. Sendo que os geradores sãoempregados em sistemas com tensões senoidais, eles são projetados e construídos paraque a sua tensão induzida seja o mais próximo possível de uma senóide. Esta exigênciaimpõe que a distribuição da indução no entreferro deva ser muito próxima de uma senóide.Isto é obtido basicamente pela forma como os enrolamentos do estator são distribuídosao longo da superfície interna do estator. No caso da máquina de pólos salientes umainfluência acentuada na forma da tensão induzida é também exercida pela formageométrica dos pólos, os quais são cuidadosamente projetados para produzir uma induçãosenoidal no entreferro (figura 3a). No caso da máquina de pólos lisos a induçãoaproximadamente senoidal no entreferro é obtida pela forma como o enrolamento decampo é distribuído sobre a superfície do rotor e pela relação entre a parte ranhurada e aparte lisa do rotor (figura 3b). Desta forma, a hipótese de assumir uma distribuiçãoaproximadamente senoidal para a indução no entreferro está de acordo com ascaracterísticas construtivas tanto do gerador de pólos lisos como do gerador de pólossalientes. Sendo que a hipótese se aplica a ambos os tipos de geradores (pólos lisos esalientes) a formulação que segue se aplica igualmente a ambos. A velocidade de rotaçãodo rotor também é assumida constante.

De acordo com a figura 4, o fluxo produzido pelo rotor é denominado de Φ e o fluxoconcatenado com as N espiras de cada fase é Φ⋅=λ N . A densidade de fluxo noentreferro é dada pela expressão:

)cos(B)(B m θ⋅=θ (7)

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mB - indução máxima no entreferro no centro do pólo

θ - ângulo elétrico medido a partir o eixo magnético do rotor (centro do pólo)

O fluxo sob um pólo é dado pela integral da indução, o qual resulta para uma máquina dep pólos:

p2

drL)cos(B2

2

m ⋅θ⋅⋅⋅θ⋅=Φ ∫

π+

π−

(8)

r - raio da superfície interna do estator

L - comprimento axial do estator

p - número do pólos da máquina

A constante 2/p que aparece na expressão acima decorre da conversão entre grauselétricos e graus mecânicos. Avaliando-se a expressão acima, resulta para o fluxo sob umpólo :

p2rLB2 m ⋅⋅⋅⋅=Φ (9)

Conforme o rotor gira o fluxo concatenado com cada fase varia com o coseno do ânguloentre o eixo magnético da fase e do rotor, dado por t⋅ω=α , onde t é o tempo e ω é avelocidade angular (rad/s) do rotor. O fluxo concatenado com a fase a é então:

)tcos(N)cos(N)cos(N)t( ⋅ω⋅Φ⋅=α⋅Φ⋅=α⋅Φ⋅=λ (10)

A origem do tempo, simbolizado por t, é escolhido como o instante em que o eixo da fasea coincide com o eixo magnético do rotor. De acordo com a Lei de Faraday, a tensãoinduzida no enrolamento da fase a é dada por:

)t(sinN)tcos(dtdN

dt)t(de ⋅ω⋅ω⋅Φ⋅−⋅ω⋅Φ⋅=λ= (11)

Na expressão acima existem dois termos para a tensão induzida. O primeiro deles échamado de tensão de transformação e se deve à variação temporal no fluxo. Este termoestá presente sempre que a amplitude do fluxo variar, mesmo que não haja movimento dorotor. O segundo termo, chamado de tensão de movimento, é devido ao movimento relativoentre o rotor e o estator. Ele existe somente quando este movimento existir. Esta tensão étambém denominada de força eletromotriz induzida.

No caso da máquina síncrona em regime permanente a corrente de excitação não varia e aamplitude do fluxo também permanece constante. Desta forma, em regime permanente, atensão induzida é dada por :

)t(sinNe ⋅ω⋅ω⋅Φ⋅= (12)

Considerando a equação (8), a tensão induzida pode, finalmente, ser escrita como:

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)t(sinprLBN4e m ⋅ω⋅ω⋅⋅⋅⋅⋅⋅= (13)

Pode-se ver que a distribuição senoidal da indução leva a uma tensão induzida igualmentesenoidal.

Deve-se notar que expressão acima também pode ser obtida a partir da tensão induzidaem condutor que se movimenta no campo magnético criado pelo rotor. A obtenção daequação (13) sob este ponto de vista é deixada como um exercício.

A partir da equação (12) pode-se obter o valor eficaz (RMS) da tensão induzida. Pelaequação (12), o valor máximo da tensão induzida é dado por:

Φ⋅⋅⋅π⋅=ω⋅Φ⋅= Nf2NEm (14)

f - freqüência do rotor (Hz)

Utilizando a equação (12), o valor eficaz da tensão induzida é:

Φ⋅⋅⋅=Φ⋅⋅⋅π⋅= Nf44,4Nf2

2E (15)

A tensão induzida se refere à uma das fases, as demais fases possuem tensões commesmas características, mas defasadas temporalmente de 120 graus elétricos. Estedefasamento se deve ao fato de as fases estarem defasadas espacialmente 120 grauselétricos ( os eixos magnéticos das fases estão defasados 120 graus). A constante N queconsta nas equações apresentadas é assim o número total de espiras em série numa fase.

O tipo de enrolamento concentrado contendo apenas uma bobina, e que foi utilizado nadedução das expressões da tensão induzida, raramente é utilizado em máquinassíncronas. Em geral os enrolamentos estão distribuídos em mais de uma bobina alojadasem ranhuras. Além disso, o passo do enrolamento em geral é encurtado, ou seja os ladosdas bobinas não estão em posições diametralmente opostas (180 graus de dfasagem).Estas medidas contribuem para melhorar a dissipação térmica da máquina e tambémmelhoram significativamente a forma de onda da tensão induzida, fazendo com que amesma apresente um desvio menor em relação a uma senóide.

Considerando que o enrolamento possa ser distribuído e com passo encurtado, aexpressão do valor eficaz da tensão induzida é dada por:

Φ⋅⋅⋅⋅= NKf44,4E w (16)

wK - fator de enrolamento (17)

O fator de enrolamento é obtido pelo produto do fator de distribuição e o fator deencurtamento de passo. Numericamente ele se situa entre 0.8 e 0.95, provocando assimuma diminuição do fluxo em relação ao caso de enrolamentos concentrados.

6. Exercícios1) Um gerador síncrono monofásico com tensão nominal de 220 volts (tensão eficaz de

linha) é ligado a uma carga resistiva de 20 Ohms. Qual a potência fornecida à carga ?

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Sabendo que o rendimento do gerador para esta carga é de 90%, qual a potênciasendo fornecida pela máquina primária ?

2) Sendo o número de pólos do gerador do exercício 1 igual a 6, qual a rotação mecânicada máquina primária para que uma tensão com freqüência de 60 Hz seja obtida ?

3) Considerando os dados dos exercícios 1 e 2, qual o torque fornecido pela máquinaprimária ?

4) Mantendo a corrente do exercício 1 constante e alterando-se a característica da cargade tal forma que o fator de potência passe a ser de 0.8, determine: a potência fornecidaà carga e a potência fornecida pela máquina primária mantendo-se o mesmorendimento.

5) Qual a potência aparente do exercício 1 e 4 ?

6) O enrolamento de campo de uma máquina síncrona de dois pólos produz uma induçãono entreferro dada por Tesla)cos(8.0)(B θ⋅=θ . O comprimento da máquina é de 900mm e o seu raio é de 500 mm. A velocidade angular do rotor é 3600 rpm. Considerandoque o enrolamento do estator seja formado por uma bobina de passo inteiro e com 300espiras ligadas em série, determine:

a) fluxo Φ sob um pólo;

b) o fluxo concatenado com o enrolamento do estator;

c) qual a freqüência da tensão induzida a vazio;

d) o valor eficaz e o valor máximo da tensão induzida a vazio;

e) o que acontece com a tensão induzida ao se reduzir a velocidade para 1800 rpm? justifique a resposta.

f) qual o número de espiras necessária para gerar 220 volts a vazio;

g) o que acontece com a tensão induzida ao se dobrar o comprimento ? Justifiquea resposta;

h) o que acontece ao se dobrar o raio da máquina.

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Figura 1 - Representação esquemática de uma máquina síncrona elementar de pólos salientes.

Figura 2 - Vistas em corte frontal e lateral de uma máquina síncrona de pólos lisos .

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Figura 3 - (a) Ranhura do estator de baixa tensão, (b) Ranhura do estator de alta tensão.

Figura 5 - Arranjo esquemático de uma máquina síncrona com sistema de excitação semescovas (brushless).

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Figura 4 - (a) Rotor de pólos salientes, (b) Rotor de pólos lisos.

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Figura 6 - Arranjo esquemático de uma máquina síncrona operando de forma isolada.

Figura 7 - Arranjo esquemático de uma máquina síncrona operando em paralelo com umbarramento infinito.

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Figura 8 - Arranjo esquemático elementar de uma máquina síncrona de 2 pólos lisos.