Maquinas Síncronas (1)

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

CLÉBERTON REIZ JORDAN LUIZ DOURADO FILGUEIRAS LUCAS IOHAN DUTRA DE CASTRO MATHEUS DIAS DE LIMA

MOTOR E GERADOR DE POLOS LISOS E SALIENTES

Sinop - MT 2016

CLÉBERTON REIZ JORDAN LUIZ DOURADO FILGUEIRAS LUCAS IOHAN DUTRA DE CASTRO MATHEUS DIAS DE LIMA

MOTOR E GERADOR DE POLOS LISOS E SALIENTES

Pesquisa apresentada como requisito avaliativo para a disciplina Máquinas Elétricas do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT, Campus Sinop, sob a orientação do professor Emerson Ricardo de Moraes.

Sinop – MT 2016

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 3 2 PARÂMETROS ENTRE GERADORES E MOTORES DE POLOS LISOS E SALIENTES ................................................................................................................ 5 2.1 Velocidade de rotação das máquinas síncronas .............................................. 5 2.2 Tensão de fase e tensão interna gerada pelas máquinas síncronas .............. 5 2.2.1 Tensão de fase de um gerador síncrono de polos lisos ............................... 6 2.2.2 Tensão de fase de um motor síncrono de polos lisos .................................. 6 2.2.3 Tensão de fase de um gerador síncrono de polos salientes........................ 6 2.3 Potência e conjugado em máquinas síncronas................................................ 7 2.3.1 Potência e conjugado de máquinas síncronas de polos lisos ..................... 7 2.3.2 Potência e conjugado de máquinas síncronas de polos salientes .............. 8 3 ROTORES DE POLOS LISOS ................................................................................ 9 4 ROTORES DE POLOS SALIENTES ..................................................................... 11 4.1 Enrolamento amortecedor ................................................................................ 12 5 CONCLUSÕES ...................................................................................................... 14 6 REFERÊNCIAS...................................................................................................... 15

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1 INTRODUÇÃO Há duas classes principais de máquinas CA: máquinas síncronas e máquinas de indução (assíncronas). As máquinas síncronas são motores e geradores cuja corrente de campo magnético é fornecida por uma fonte de potência CC separada. O termo síncrono refere-se ao fato de que a frequência elétrica dessas máquinas está vinculada ou sincronizada com a velocidade mecânica do eixo de rotação. Por isso, nas máquinas síncronas a velocidade de rotação é proporcional à frequência da sua alimentação.

Os principais componentes de uma máquina síncrona são basicamente o estator e o rotor. O estator de uma máquina síncrona é constituído por uma carcaça cuja função principal é oferecer suporte mecânico ao estator. Tal carcaça não costuma ser atravessada por um fluxo magnético significativo. A carcaça suporta em seu interior um núcleo de material ferromagnético onde se encontram, em cavas, os enrolamentos do induzido igualmente distribuídos. Este núcleo tem por função permitir uma indução magnética intensa.

Normalmente os rotores são de dois tipos: rotores de polos salientes e rotores de polos lisos (rotores cilíndricos). Nas máquinas de pequena potência usam-se também rotores constituídos por ímanes permanentes.

No rotor de uma máquina síncrona, é montado um conjunto de bobinas por onde a corrente contínua percorre, tendo como principal função a criação de um campo magnético intenso. As tensões e correntes na situação de regime permanente são alternadas no estator e continuas no rotor.

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Figura 1 - Montagem de um gerador síncrono.

O rotor, quando em regime permanente, possui o campo constante, não havendo necessidade das precauções usuais no que se refere às perdas por correntes de Foucault. Assim, o rotor não tem que ser necessariamente constituído por chapas empilhadas, podendo ser de aço maciço. Por vezes há vantagem que o material do rotor tenha pequena resistividade elétrica. Assim, qualquer variação do fluxo através do rotor origina correntes no núcleo relativamente intensas que têm como efeito atenuar as variações de fluxo através do rotor.

Um motor síncrono é fisicamente a mesma máquina que um gerador síncrono, exceto pelo fato de o sentido do fluxo de potência ativa ser invertido. Como os motores síncronos são usualmente conectados a sistemas de potência que contêm geradores de porte muito maior do que os motores, a frequência e a tensão de terminal de um motor síncrono são fixas (isto é, o sistema de potência aparece como um barramento infinito ao motor). O circuito equivalente de um motor síncrono é o mesmo de um gerador síncrono, exceto pelo fato de que o sentido da corrente de armadura é invertido.

Os geradores síncronos são as mais importantes fontes de geração de energia elétrica. Quanto aos motores síncronos, uma das principais aplicações é para a correção do fator de potência, o qual varia quando a carga de um motor síncrono aumenta (fazendo com que a corrente de campo aumente).

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2 PARÂMETROS ENTRE GERADORES E MOTORES DE POLOS LISOS E SALIENTES 2.1 Velocidade de rotação das máquinas síncronas Nas máquinas síncronas a frequência elétrica produzida é sincronizada à velocidade mecânica de rotação da máquina, a qual pode ser representada pela seguinte equação:

Onde: nm = velocidade do rotor, em rpm fse = frequência elétrica, em Hz P = número de polos

O rotor gira com a mesma velocidade que o campo magnético, isto é, a velocidade do rotor é igual à velocidade mecânica do campo magnético. A potência elétrica é gerada ou consumida em 50 ou 60 Hz, de modo que a máquina deve girar com uma velocidade fixa, dependendo do número de polos da máquina.

2.2 Tensão de fase e tensão interna gerada pelas máquinas síncronas A tensão gerada interna das máquinas síncronas depende da velocidade do eixo de rotação e da intensidade do fluxo de campo, e a tensão de fase da máquina difere da tensão gerada interna devido aos efeitos da reação de armadura do gerador e também devido à resistência e à reatância internas dos enrolamentos de armadura.

A tensão induzida (interna) em uma fase do estator de uma máquina síncrona pode ser representada pela seguinte equação:

Onde:

𝐾 = constante que representa os aspectos construtivos da máquina 𝜙 = fluxo magnético, em Wb 𝜔 = velocidade angular, em rad/s

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2.2.1 Tensão de fase de um gerador síncrono de polos lisos Com duas tensões presentes nos enrolamentos do estator, a tensão total 𝑉𝜙 em uma fase (tensão de saída de uma fase) equivale à soma da tensão E A gerada internamente com a tensão de reação de armadura Eest. A tensão de fase é representada pelas seguintes equações:

Onde: XS = reatância síncrona da máquina RA = resistência do estator IA = corrente de armadura (relacionada com a resistência e a reatância)

2.2.2 Tensão de fase de um motor síncrono de polos lisos Sabe-se que o circuito equivalente de um motor síncrono é o mesmo de um gerador síncrono, com exceção do sentido invertido da corrente de armadura. Dessa forma, a tensão de fase para este caso pode ser representada pela seguinte equação:

2.2.3 Tensão de fase de um gerador síncrono de polos salientes Tratando-se de rotor de polos salientes, é mais fácil produzir um campo magnético em algumas direções do que em outras, ao considerar o efeito dos conjugados de relutância. Dessa forma, a tensão de armadura Eest é composta pela componente de eixo direto da tensão de reação de armadura E d mais a componente de eixo em quadratura Eq. Seguindo o mesmo princípio para tensão de fase de geradores de polos lisos, a tensão no caso dos geradores de polos salientes pode ser representada pelas seguintes equações:

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Onde: Xd = reatância síncrona direta da máquina Xq = reatância síncrona em quadratura da máquina

2.3 Potência e conjugado em máquinas síncronas

2.3.1 Potência e conjugado de máquinas síncronas de polos lisos A potência convertida Pconv internamente da forma mecânica para a forma elétrica num gerador síncrono de polos lisos ou vice-versa (forma elétrica para mecânica num motor) é dada pelas seguintes equações:

Onde: 𝛿 = ângulo entre 𝑉𝜙 e EA (ângulo de conjugado ou de torque da máquina)

𝜏𝑖𝑛𝑑 = conjugado induzido, em N. m 𝜔 = velocidade angular, em rad/s A equação à direita serve também para representar a potência de saída Psaída do fluxo de potência, já que a resistência RA responsável pelas perdas elétricas é muito pequena comparada à reatância síncrona XS da máquina. Assim sendo, ao desprezar RA, a potência de saída é a mesma para geradores e motores, o que não seria devido aos sentidos do fluxo de potência entre motores e geradores serem inversos entre si. Combinando as duas equações, chega-se na expressão do conjugado induzido, também para ambos os casos:

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2.3.2 Potência e conjugado de máquinas síncronas de polos salientes A potência em uma máquina de polos salientes pode ser representada pela seguinte equação:

O primeiro termo dessa expressão é o mesmo que a potência em uma máquina de rotor cilíndrico (exceto a reatância, que é Xd em vez de XS), e o segundo termo é a potência adicional, originária do conjugado de relutância da máquina. Como o conjugado induzido é dado por 𝜏ind = 𝑃conv /𝜔𝑚 , o mesmo pode ser expresso como:

Assim como para o caso das máquinas de polos lisos, assumiu-se que a resistência de armadura é desprezível. Devido a isso, o fato de os sentidos do fluxo de potência entre motores e geradores serem inversos entre si não provoca uma diferença nas expressões da potência e do conjugado entre motores e geradores de polos salientes.

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3 ROTORES DE POLOS LISOS

Este tipo de rotor possui um enrolamento indutor distribuídos em cavas e costuma ser construído com um número reduzido de polos com relação ao outro tipo.

Nas máquinas de polos lisos (rotor cilíndrico) os condutores estão montados em cavas e distribuídos ao longo do rotor. Enquanto os rotores de polos salientes são usados normalmente em rotores de 4 ou mais polos, o número de polos para rotores cilíndricos geralmente varia entre 2 ou 4 polos, o que é um fator para sua velocidade elevada (número pequeno de polos). O diâmetro destas máquinas, de acordo com o DT-5 da WEG (documento de características e especificações de maquinas de polos lisos e salientes), é relativamente pequeno (D < 1,10 m).

Figura 2 – Rotor com polos lisos.

As máquinas síncronas de rotor cilíndrico são muito aplicadas em usinas termelétricas, e possuem eixo horizontal, pequeno diâmetro, e velocidades que variam de 1800 a 3600 rpm.

Tais máquinas são compostas com peças de grande resistência mecânica, normalmente rotores maciços em aço. As restrições mecânicas impõem um limite de

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1250 mm para o diâmetro a 3000 rpm, o que provoca a forma alongada para este tipo de máquina.

Apesar de, normalmente, esta máquina ter um comprimento muito grande (5 a 6 m), o seu momento de inércia é muito menor do que o de uma máquina de polos salientes equivalente, a qual é mais curta e tem um diâmetro muito maior. Os rotores de polos lisos possuem entreferro constante ao longo de toda periferia do núcleo de ferro.

Figura 3 - Campo magnético em rotor com polos lisos.

Por meio da figura 3 pode-se verificar que o uso do rotor de polos lisos, devido ao seu entreferro constante, permite que o campo magnético tenha um comportamento uniforme.

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4 ROTORES DE POLOS SALIENTES

Num rotor de polos salientes sem enrolamentos dentro de um estator trifásico, quando um campo magnético de estator é produzido, o mesmo induz um campo magnético no rotor. Como é muito mais fácil produzir um fluxo ao longo do eixo do rotor do que ortogonal ao eixo, então o fluxo induzido no rotor irá se alinhar com o eixo do rotor. Como há um ângulo entre o campo magnético do estator e o campo magnético do rotor, um conjugado será induzido no rotor, o qual tenderá a alinhar o rotor com o campo do estator.

Diferentemente da teoria dos rotores cilíndricos, a teoria dos rotores de polos salientes considera o fato de que é mais fácil produzir um campo magnético em algumas direções do que em outras, de forma a considerar o efeito dos conjugados de relutância.

As máquinas com este tipo de rotor são normalmente utilizadas, por exemplo, em centrais hidroelétricas, acopladas a turbinas tipo Francis ou Kaplan, devido à velocidade reduzida, segundo a natureza da queda. Por esse motivo, são máquinas com muitos polos, o que as leva a serem maiores em diâmetro do que em profundidade. Seu eixo é vertical, e possui velocidades que variam de 100 a 360 rpm.

Figura 4 – Máquina síncrona com rotor de polos salientes.

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Nos rotores de polos salientes há um núcleo central montado no veio, ao qual se ligam polos onde estão os enrolamentos do indutor. Esta solução é utilizada normalmente em máquinas de elevado número de polos (baixa velocidade de rotação), com relativa redução da força centrípeta a que os polos estão sujeitos.

Figura 5 - Campo magnético em rotor com polos salientes.

Estes rotores apresentam uma descontinuidade no entreferro ao longo da periferia do núcleo de ferro. Nestes casos, existem as chamadas regiões interpolares, onde o entreferro é muito grande, tornando visível a saliência dos polos.

4.1 Enrolamento amortecedor Na maior parte das máquinas síncronas existe ainda um terceiro enrolamento colocado no rotor, do tipo gaiola, semelhante ao das máquinas assíncronas. Este enrolamento destina-se a amortecer oscilações de binário mecânico que provocam quebras de sincronismo, e que poderiam causar a saída de serviço da máquina uma vez que fora do sincronismo esta deixa de produzir binário útil (motor ou gerador).

Fora do sincronismo circularão correntes neste enrolamento com frequência de escorregamento, que pela lei de Lenz criam binário com sentido oposto à variação, a qual tende a repor a situação de sincronismo. Este enrolamento amortecedor

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possibilita ainda o arranque assíncrono de uma máquina síncrona, que de outra maneira não possui binário de arranque.

Com o objetivo de atenuar as variações de fluxo através do rotor, são instalados, em geral, condutores de cobre ou bronze, paralelos ao eixo e que são ligados uns aos outros através de barras ou anéis tal como as gaiolas das máquinas de indução. Estes condutores constituem os enrolamentos amortecedores. Em regime permanente, as f.e.m. induzidas nestes enrolamentos são nulas e por consequência são nulas as correntes neles induzidas. Assim, os enrolamentos amortecedores funcionarão apenas em regimes desequilibrados ou em regimes transitórios.

Figura 6 - Enrolamentos amortecedores e pólos indutores.

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5 CONCLUSÕES

As máquinas síncronas são de grande importância principalmente para a área de geração de energia. No caso de usinas hidroelétricas que utilizam turbinas Francis ou Kaplan, o rotor de polos salientes é o modelo com maior destaque, pois devido à natureza da queda nas hidroelétricas a velocidade de rotação da máquina acaba sendo consideravelmente baixa, e por este motivo, são máquinas com muitos polos que exigem um maior diâmetro de suas estruturas.

As máquinas de polos lisos são mais utilizadas nas usinas hidroelétricas que utilizam turbina Pelton, pois rodam a velocidades elevadas, devido ao número reduzido de polos.

Nota-se que as máquinas síncronas de polos lisos ou polos salientes possuem aplicações distintas, tendo seu uso consideravelmente amplo. O que determina a escolha entre os dois modelos é basicamente a quantidade de polos e consequentemente a velocidade exigida pelo projeto.

Portanto, máquinas com muitos polos e consequentemente baixa velocidade, geralmente tem o rotor de polos salientes (com diâmetro grande, comprimento pequeno e eixo vertical), enquanto máquinas com poucos polos e alta velocidade geralmente tem o rotor cilíndrico (com diâmetro pequeno, comprimento grande e eixo horizontal).

Os geradores síncronos são usados para produzir a maior parte da energia elétrica usada no mundo inteiro, sendo os de polos salientes aplicados principalmente em usinas hidrelétricas, enquanto os de polos lisos, de acordo com o catálogo da WEG, são geralmente aplicados em usinas termelétricas. E quanto aos motores síncronos, sua principal aplicação é para a correção do fator de potência.

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6 REFERÊNCIAS ARAUJO, Thiago da Cunha. Análise de máquina síncrona de pólos salientes sólidos. Projeto de Graduação. Rio de Janeiro, UFRJ, 2011. Disponível em: . Acesso em: 01 dez. 2016. CHAPMAN, S. J. Fundamentos de máquinas elétricas. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. FITZGERALD, A. E.; KINGLEY, C. Jr.; UMANS, S. D. Máquinas elétricas com introdução à eletrônica de potência. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006. MARQUES, Gil. Máquinas síncronas. Disponível em: . Acesso em: 01 dez. 2016. UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. Máquinas síncronas. Portal Disciplinas. Disponível em: . Acesso em: 01 dez. 2016. WEG. Características e especificações de geradores. Disponível em: . Acesso em: 01 dez. 2016. _____. Turbogeradores. Disponível em: >. Acesso em: 01 dez. 2016.