Synchronous generators

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Synchronous generators

  1. 1. Geradores Síncronos
  2. 2. Generalidadeshttp://ewh.ieee.org/soc/es/Nov1998/08/SYNCMACH.HTM
  3. 3. Gerador Hidráulico
  4. 4. Geradores SíncronosConstrução dos geradores síncronos
  5. 5. Rotor de Pólos LisosNão-salientes  2 ou 4 pólosSalientes  mais de 4 pólos
  6. 6. Pólos Salientes [1]
  7. 7. Pólos Salientes [2]
  8. 8. Rotor de uma MS brushless
  9. 9. BrushlessCaso a rotação sejainvertida nenhuma tensãode campo é gerada!
  10. 10. Brushless com excitador piloto
  11. 11. Geradores SíncronosVelocidade de rotação e tensão interna gerada
  12. 12. 8 pólos, pólos salientes, brushless
  13. 13. Grandezas Elétricas120n pf2A CAE N fE K
  14. 14. Regulação de Tensão Problemas com subtensão Baixar RF  aumento IF Um aumento em IF  aumento Um amento de  aumentanl flflV VVRVAE K
  15. 15. Geradores SíncronosCircuito equivalente de um gerador síncrono
  16. 16. Circuito Equivalente Porque EA ≠ V ?1. Reação de armadura2. Auto-indutância dasbobinas naarmadura3. Resistência nasbobinas daarmadura4. Efeito da forma dospólos salientes
  17. 17. Reação de ArmaduraExemplo com cargaindutivaA AV E j X I
  18. 18. Modelo Completo do Gerador SíncronoA A A A AA A S AV E j X I R j X IV E R j X I
  19. 19. Circutos em Y e
  20. 20. Geradores SíncronosDiagrama fasorial de um gerador síncrono
  21. 21. Diagrama Fasorial por Tipo de CargaRLRRC
  22. 22. RLAEVAIA AI RA SI X
  23. 23. RAEVAI A AI RA SI X
  24. 24. RCAEVAIA AI RA SI X
  25. 25. Geradores SíncronosTorque e potência em geradores síncronos
  26. 26. Diagrama de fluxo de potência
  27. 27. Torque induzido [1..]( )( )senSF i l Bi l B= × ´× × × ( )indsenSr Fr i l B= ´× × × × em um condutor( )ind 2 senSr i l B= × ×× × ×
  28. 28. Torque induzido [..2]( ) ( ) ( )180sen sen 180 sen= °-= °- =( )( )indindind2 sensenRSK HR SR Sr i l BK B Bk B B ×= × × × × ×= × × ×= × ´( )( ) ( )( )netindind netind net Rind netind net senS RR SB B BR RR RRRk B Bk B B Bk B B k B Bk B Bk B B= -= × ´= × ´ -= × ´ - × ´= × ´= × × ×         Constante que depende da construção da máquina
  29. 29. Ângulo de Torquesin cossincosS AA S AAASX RE X IEIX15 20Valores Típicos sin3 sinind R netind R netAindSk B Bk B BV EXindP3 cos3 sinAASP V IV EPX
  30. 30. Geradores SíncronosMedindo os parâmetros do modelo
  31. 31. Levantando os Parâmetros do Modelo Três grandezas devem ser determinadas paradescrever o comportamento de um GeradorSíncrono:1. Relação entre corrente de campo e fluxo (ou entrecorrente de campo e tensão de armadura)2. Reatância Síncrona3. Resistência de Armadura
  32. 32. Característica de CA e de CCCaracterística deCircuito AbertoCaracterística deCurto Circuito
  33. 33. Ensaio de Curto Circuito
  34. 34. Determinação da Reatância SíncronaS AASAX RVXI1) EA da OCC2) IA,SC correspondente3) Encontre XS
  35. 35. Razão de Curto Circuito Definida como a razão entre a corrente de campocom armadura aberta a tensão nominal e a correntede campo com a amadura curto-circuitada acorrente nominal.,,F CAF CCISCRI
  36. 36. Ex 5.1 – Chapman 2005Um gerador síncrono de 200 kVA, 480 V, 50 Hz, conectado em Y, comuma corrente nominal de campo de 5 A foi testado, e os dadosseguintes foram obtidos:a. VT,OC a corrente nominal IF foi medida de 540 V.b. IL,SC a corrente nominal IF foi medida de 300 A.c. Quando uma tensão cc de 10 V foi aplicada aosterminais, foi medida uma corrente de 25 A.Encontre a impedância na armadura deste gerador.
  37. 37. Ex 5.1 [2]2 DCADCVRI2 2 AA SAER XI
  38. 38. Geradores SíncronosGerador síncrono operando sozinho
  39. 39. Variação de Carga, Gerador Isoladoa) Para cargas indutivas, atensão terminal caisignificativamenteb) Para cargas resistivas, ocorreuma pequena queda datensão terminalc) Para cargascapacitivas, ocorre umaumento significativo datensão terminal
  40. 40. Carga RLAEVAIA SI XAIA SI XAEVqueda de tensão
  41. 41. Carga RCqueda de tensãoAEVAIA SI XAIA SI XAEV
  42. 42. Carga RAEVAIA SI XAIA SI XAEVqueda de tensão
  43. 43. Variação de V (=VT ), Gerador Isolado1. Reduzindo a resistência de campo, aumenta acorrente de campo2. Um aumento da corrente de campo aumenta ofluxo na máquina3. Um aumento do fluxo da máquina aumenta atensão induzida na armadura4. Um aumento de EA aumenta VAE k
  44. 44. Ex 5.2 – Chapman 2005 [1]Um gerador síncrono de 4 pólos, 60 Hz, 480 V, conectado em delta tem sua característicade tensão de circuito aberto mostrado na Figura. Este gerador tem uma reatânciasíncrona de 0,1 e uma resistência de armadura de 0,015 . A carga nominal, amáquina fornece 1.200 com um Fator de Deslocamento 0,8 em atraso. Na condiçãode carga nominal, as perdas por atrito e ventilação são de 40 kW, as perdas no núcleosão de 30 kW. Ignore as perdas no campo.a. Qual é a velocidade de rotação deste gerador?b. Quanta corrente de campo deve ser fornecida ao gerador para tornar sua tensãoterminal de 480 V sem carga?c. Se o gerador for conectado a uma carga que drena 1200 A a um FP 0,8 atrasado,qual deverá ser a corrente de campo necessária para manter a tensão em 480 V?d. Qual a potência fornecida pelo gerador? Qual a potência fornecida pela máquinaprimária? Qual a eficiência da máquina?e. Se o gerador for repentinamente desconectado da linha, o que acontecerá com atensão em seus terminais?f. Suponha agora que o gerador é conectado a uma carga que drena 1200 A a umFP 0,8 adiantado, qual deverá ser a corrente de campo necessária para manter atensão em 480 V?
  45. 45. Ex 5.2 – Chapman 2005 [2]Curva para 1800 rpm
  46. 46. Ex 5.3 – Chapman 2005Um gerador síncrono de 6 pólos, 480 V, 50 Hz, conectado em Y tem reatânciasíncrona por fase de 1,0 . Sua corrente de plena carga é 60 A com um FP 0,8em atraso. Este gerador tem perdas por atrito e ventilação de 1,5 kW e perdasno núcleo de 1,0 kW a 60 Hz a plena carga. Ignore as perdas no cobre. Acorrente de campo foi ajustada de modo que a tensão terminal seja 480 V semcarga.a. Qual é a velocidade de rotação deste gerador?b. Qual é a tensão terminal deste gerador se o que segue for verdadeiro?1. Ele for carregado com a corrente nominal com FP 0,8 em atraso.2. Ele for carregado com a corrente nominal com FP unitário.3. Ele for carregado com a corrente nominal com PF 0,8 adiantado.c. Qual é a eficiência deste gerador (ignorando as perdas elétricas) quandoestá operando com corrente nominal com FP 0,8 atrasado?d. Neste caso, quanto torque deve ser aplicado pela máquina primária a plenacarga? Qual o valor do contra-torque induzido?e. Qual é a regulação de tensão deste gerador com o FP 0,8 adiantado?Unitário? FP 0,8 atrasado?
  47. 47. Ex 5.4 – Chapman 2005 [1]Assuma que o gerador do Ex. 5.3 está operando sem carga com uma tensãoterminal de 480 V. Plote as características terminais (tensão terminal versuscorrente de linha) deste gerador para uma variação da corrente de armaduradesde sem carga até carga máxima para os FPs:a. 0,8 atrasadob. Unitárioc. 0,8 adiantadoAssuma a corrente de campo constante.
  48. 48. Ex 5.4 [2]RLRC
  49. 49. Ex 5.4 [3]0 10 20 30 40 50 600100200300400500600Corrente de Linha (A)TensãoTerminal(V)Característica Terminal com Variação de Carga e Fator de DeslocamentoFP 0,8 atrasadoFP unitárioFP 0,8 adiantado
  50. 50. Geradores SíncronosOperação paralela de geradores ca
  51. 51. Operação em Paralelo Cargas maiores Confiabilidade Manutenção Eficiência
  52. 52. Operação em Paralelo0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-500-400-300-200-1000100200300400500Tensão(V)Tempo (s)
  53. 53. Operação em Paralelo4.35 4.4 4.45 4.5 4.55 4.6 4.65 4.7 4.75 4.8-400-300-200-1000100200300400Tensão(V)Tempo (s)
  54. 54. Operação em Paralelo2.85 2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25-400-300-200-1000100200300400Tensão(V)Tempo (s)
  55. 55. Condições Necessárias1. Tensão RMS2. Seqüência de Fase3. Fase4. Freqüência
  56. 56. Freqüência X PotênciaP nl sysP s f f
  57. 57. Tensão Terminal X Reativos
  58. 58. Ex 5.5 [1]A Figura mostra um gerador alimentando uma carga. Uma segunda carga estápara ser conectada em paralelo com a primeira. O gerador tem frequência de61,0 Hz sem carga e uma inclinação de 1 MW/Hz. A carga 1 consome umapotência de 1000 kW a um FP de 0,8 atrasado, enquanto a carga 2 consome800 kW a um FP 0,707 atrasado.a. Antes da chave ser fechada, qual é a freqüência de operação do sistema?b. Depois da carga 2 ser conectada, qual a freqüência do sistema?c. Depois da carga 2 ser conectada, qual ação o operador poderia tomar a fimde restabelecer a freqüência para 60 Hz?
  59. 59. Curvas para uma Barra Infinita
  60. 60. Gerador em paralelo com uma Barra Infinita[1]
  61. 61. Gerador em paralelo com uma Barra Infinita[2]
  62. 62. Um pouco antes do Paralelismo [1]
  63. 63. Um pouco antes do Paralelismo [2]
  64. 64. Aumentando o Torque da MP [1]
  65. 65. Aumentando o Torque da MP [2]
  66. 66. Aumentando a Corrente de Campo
  67. 67. Gerador operando em // com uma Bar. Inf.1. A freqüência e a tensão terminal do gerador sãocontroladas pelo sistema2. O regulador de velocidade do gerador controla apotência real fornecida pelo gerador ao sistema3. A corrente de campo controla os reativosfornecidos pelo gerador ao sistema
  68. 68. Dois Geradores Iguais em Paralelo [1]
  69. 69. Dois Geradores Iguais em Paralelo [2]Aumentando fnl,21. Aumenta a fsys2. Aumenta P2
  70. 70. Dois Geradores Iguais em Paralelo [3]Aumentando IF21. Aumenta a VT2. Aumenta Q2
  71. 71. Ex 5.6 [1]Dois geradores estão alimentando uma carga. O G1 tem uma freqüência semcarga de 61,5 Hz e uma inclinação de 1 MW/Hz. O G2 tem uma freqüênciasem carga de 61,0 Hz e uma inclinação de 1 MW/Hz. Os dois geradores estãofornecendo um total de 2,5 MW a um FP 0,8 em atraso. O diagrama Freqüênciaversus Potência Ativa é mostrado.61 Hz61.5 Hz
  72. 72. Para 2 Geradores Paralelos1. A total da potência fornecida pelos 2 geradores deve ser igual apotência consumida pela carga2. Para ajustar a potência real dividida entre dois geradores semmudar fsys , simultaneamente aumente a potência mecânicafornecida a um gerador e diminua a fornecida a outro gerador3. Para ajustar fsys , sem afetar a divisão depotências, simultaneamente aumente ou diminua o torque nosdois geradores4. Para ajustar a potência reativa dividida entre geradores semmudar VT , simultaneamente aumente a corrente de campo em umgerador e diminua a do outro5. Para ajustar VT , sem mudança na divisão dereativos, simultaneamente aumente a corrente de campo dos doisgeradores.
  73. 73. Variando a Potência sem alterar aFreqüência121 ,12 ,2P nl sysP nl sysP s f fP s f f
  74. 74. Variando a Freqüência sem alterar aPotência
  75. 75. Variando os Reativos sem variar a VT
  76. 76. VariandoVT sem afetar os Reativos
  77. 77. Dois Geradores em ParaleloUma pequena mudança da freqüência da carga de ambasas máquinas poderia causar enormes deslocamentos nadivisão de potências.
  78. 78. Transitórios em Geradores Síncronos
  79. 79. Estabilidade e TransitóriosPara mudanças muitoabruptas de torque dacarga, o limitedinâmico deestabilidade pode sermenos da metade dolimite estáticomax3 ASV EX
  80. 80. Curto-Circuitos e Transitórios [1] Fase a
  81. 81. Curto-Circuitos e Transitórios [2] Fase b50 a 60 % da corrente AC e cai muito rápido.A corrente total é tipicamente 1.5 a 1.6 a corrente CA tomada sozinha
  82. 82. Curto-Circuitos e Transitórios [3] Fase c
  83. 83. Componentes Simétricas da Corrente deFalta [1]
  84. 84. Componentes Simétricas da Corrente deFalta [2]A corrente média noperíodo subtransitório éde 10 vezes a de estadoestacionário.A corrente média noperíodo transitório é de 5vezes a de estadoestacionário.EnrolamentosAmortecedoresEnrolamentosde Campo
  85. 85. Componentes Simétricas da Corrente deFalta [3]ASSSEIX t tT TSS SSI t I I e I I e I Corrente em estado estacionário (steady state)subtransitório transitório regimeAEXIAEXIASSEXIReatânciaSubtransitóriaReatânciaTransitóriaReatânciaSíncrona
  86. 86. Ex 5.7 [1]Um gerador síncrono de 100 MVA, 13,8 kV, conectado em Y, trifásico, 60Hz, está operando a sua tensão nominal e sem nenhuma carga quando umafalta trifásica ocorre em seus terminais. Suas reatâncias em pu baseadas nopróprio gerador são XS = 1,0; X’ = 0,25; X’’ = 0,12. As constantes de temposão T’ = 1,10 s; T’’ = 0,04 s. A componente dc inicial desta máquina é 50 % dacomponente inicial de corrente.a. Qual é a componente ac de corrente neste gerador no instante em que afalta ocorre?b. Qual é a corrente total (ca + cc) fluindo no gerador logo após a ocorrênciada falta?c. Qual será o componente ca de corrente depois de 2 ciclos? Depois de 5segundos?
  87. 87. Dados Nominais2,F Cu F FP I R2, 3S Cu A AP I R
  88. 88. Curvas de Capabilidade [1]Diagrama Fasorial do Gerador
  89. 89. Curvas de Capabilidade [2]Unidades de Potência Correspondentes ao Diagrama Fasorial do Gerador
  90. 90. Curvas de Capabilidade [3]3 ASE VX
  91. 91. Ex 5.8 [1]Um gerador síncrono de 50 kVA, 480 V, conectado em Y, trifásico, 50 Hz, 6pólos com FDesl 0,8 atrasado. Ele tem uma reatância síncrona de 1,0 porfase. Assuma que o gerador está conectado com uma turbina a vapor comcapacidade de fornecimento de 45 kW. As perdas por atrito e ventilação são de1,5 kW e as perdas no núcleo são de 1,0 kW.a. Trace o esboço da curva de capabilidade deste gerador.b. Pode este gerador fornecer uma corrente de 56 A com um FDesl 0,7 ematraso?c. Qual é a máxima potência reativa que este gerador pode produzir?d. Se o gerador fornece 30 kW, qual a máxima potência reativa que pode serfornecida simultaneamente?
  92. 92. Ex5.8[2]
  93. 93. apabilidadeGeradorde470kVAEfeito não modeladoque ocorre nasmáquinas síncronasde pólos salientes
  94. 94. Variações Curtas de Carga e Fator deServiço

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