Synchronous generators

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Synchronous generators

  1. 1. Geradores Síncronos
  2. 2. Generalidades http://ewh.ieee.org/soc/es/ Nov1998/08/SYNCMACH. HTM
  3. 3. Gerador Hidráulico
  4. 4. Geradores Síncronos Construção dos geradores síncronos
  5. 5. Rotor de Pólos Lisos Não-salientes  2 ou 4 pólos Salientes  mais de 4 pólos
  6. 6. Pólos Salientes [1]
  7. 7. Pólos Salientes [2]
  8. 8. Rotor de uma MS brushless
  9. 9. Brushless Caso a rotação seja invertida nenhuma tensão de campo é gerada!
  10. 10. Brushless com excitador piloto
  11. 11. Geradores Síncronos Velocidade de rotação e tensão interna gerada
  12. 12. 8 pólos, pólos salientes, brushless
  13. 13. Grandezas Elétricas 120 n p f 2A C A E N f E K
  14. 14. Regulação de Tensão  Problemas com subtensão  Baixar RF  aumento IF  Um aumento em IF  aumento  Um amento de  aumenta nl fl fl V V VR V A E K
  15. 15. Geradores Síncronos Circuito equivalente de um gerador síncrono
  16. 16. Circuito Equivalente  Porque EA ≠ V ? 1. Reação de armadura 2. Auto-indutância das bobinas na armadura 3. Resistência nas bobinas da armadura 4. Efeito da forma dos pólos salientes
  17. 17. Reação de Armadura Exemplo com carga indutiva A A V E j X I
  18. 18. Modelo Completo do Gerador Síncrono A A A A A A A S A V E j X I R j X I V E R j X I
  19. 19. Circutos em Y e
  20. 20. Geradores Síncronos Diagrama fasorial de um gerador síncrono
  21. 21. Diagrama Fasorial por Tipo de Carga RL R RC
  22. 22. RL A E V A I A A I R A S I X
  23. 23. R A E V A I A A I R A S I X
  24. 24. RC A E V A I A A I R A S I X
  25. 25. Geradores Síncronos Torque e potência em geradores síncronos
  26. 26. Diagrama de fluxo de potência
  27. 27. Torque induzido [1..] ( ) ( )senS F i l B i l B = × ´ × × ×   ( ) ind senS r F r i l B = ´ × × × ×   em um condutor ( )ind 2 senSr i l B= × ×× × × 
  28. 28. Torque induzido [..2] ( ) ( ) ( ) 180 sen sen 180 sen = °- = °- = ( ) ( ) ind ind ind 2 sen sen R S K H R S R S r i l B K B B k B B    × = × × × × × = × × × = × ´  ( ) ( ) ( ) ( ) net ind ind net ind net R ind net ind net sen S R R S B B B R R R R R R k B B k B B B k B B k B B k B B k B B = - = × ´ = × ´ - = × ´ - × ´ = × ´ = × × ×               Constante que depende da construção da máquina
  29. 29. Ângulo de Torque sin cos sin cos S A A S A A A S X R E X I E I X 15 20 Valores Típicos   sin 3 sin ind R net ind R net A ind S k B B k B B V E X ind P 3 cos 3 sin A A S P V I V E P X
  30. 30. Geradores Síncronos Medindo os parâmetros do modelo
  31. 31. Levantando os Parâmetros do Modelo  Três grandezas devem ser determinadas para descrever o comportamento de um Gerador Síncrono: 1. Relação entre corrente de campo e fluxo (ou entre corrente de campo e tensão de armadura) 2. Reatância Síncrona 3. Resistência de Armadura
  32. 32. Característica de CA e de CC Característica de Circuito Aberto Característica de Curto Circuito
  33. 33. Ensaio de Curto Circuito
  34. 34. Determinação da Reatância Síncrona S A A S A X R V X I 1) EA da OCC 2) IA,SC correspondente 3) Encontre XS
  35. 35. Razão de Curto Circuito  Definida como a razão entre a corrente de campo com armadura aberta a tensão nominal e a corrente de campo com a amadura curto-circuitada a corrente nominal. , , F CA F CC I SCR I
  36. 36. Ex 5.1 – Chapman 2005 Um gerador síncrono de 200 kVA, 480 V, 50 Hz, conectado em Y, com uma corrente nominal de campo de 5 A foi testado, e os dados seguintes 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 aos terminais, foi medida uma corrente de 25 A. Encontre a impedância na armadura deste gerador.
  37. 37. Ex 5.1 [2] 2 DC A DC V R I 2 2 A A S A E R X I
  38. 38. Geradores Síncronos Gerador síncrono operando sozinho
  39. 39. Variação de Carga, Gerador Isolado a) Para cargas indutivas, a tensão terminal cai significativamente b) Para cargas resistivas, ocorre uma pequena queda da tensão terminal c) Para cargas capacitivas, ocorre um aumento significativo da tensão terminal
  40. 40. Carga RL A E V A I A S I X 'A I 'A S I X 'A E 'V ' queda de tensão
  41. 41. Carga RC queda de tensão A E V A I A S I X 'A I 'A S I X'A E 'V '
  42. 42. Carga R A E V A I A S I X 'A I 'A S I X 'A E 'V ' queda de tensão
  43. 43. Variação de V (=VT ), Gerador Isolado 1. Reduzindo a resistência de campo, aumenta a corrente de campo 2. Um aumento da corrente de campo aumenta o fluxo na máquina 3. Um aumento do fluxo da máquina aumenta a tensão induzida na armadura 4. Um aumento de EA aumenta V A E k
  44. 44. Ex 5.2 – Chapman 2005 [1] Um gerador síncrono de 4 pólos, 60 Hz, 480 V, conectado em delta tem sua característica de tensão de circuito aberto mostrado na Figura. Este gerador tem uma reatância síncrona de 0,1 e uma resistência de armadura de 0,015 . A carga nominal, a máquina fornece 1.200 com um Fator de Deslocamento 0,8 em atraso. Na condição de carga nominal, as perdas por atrito e ventilação são de 40 kW, as perdas no núcleo são 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 tensão terminal 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 máquina primária? Qual a eficiência da máquina? e. Se o gerador for repentinamente desconectado da linha, o que acontecerá com a tensão em seus terminais? f. Suponha agora que o gerador é conectado a uma carga que drena 1200 A a um FP 0,8 adiantado, qual deverá ser a corrente de campo necessária para manter a tensão em 480 V?
  45. 45. Ex 5.2 – Chapman 2005 [2] Curva para 1800 rpm
  46. 46. Ex 5.3 – Chapman 2005 Um gerador síncrono de 6 pólos, 480 V, 50 Hz, conectado em Y tem reatância síncrona por fase de 1,0 . Sua corrente de plena carga é 60 A com um FP 0,8 em atraso. Este gerador tem perdas por atrito e ventilação de 1,5 kW e perdas no núcleo de 1,0 kW a 60 Hz a plena carga. Ignore as perdas no cobre. A corrente de campo foi ajustada de modo que a tensão terminal seja 480 V sem carga. 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) quando está operando com corrente nominal com FP 0,8 atrasado? d. Neste caso, quanto torque deve ser aplicado pela máquina primária a plena carga? 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 tensão terminal de 480 V. Plote as características terminais (tensão terminal versus corrente de linha) deste gerador para uma variação da corrente de armadura desde sem carga até carga máxima para os FPs: a. 0,8 atrasado b. Unitário c. 0,8 adiantado Assuma a corrente de campo constante.
  48. 48. Ex 5.4 [2] RL RC
  49. 49. Ex 5.4 [3] 0 10 20 30 40 50 60 0 100 200 300 400 500 600 Corrente de Linha (A) TensãoTerminal(V) Característica Terminal com Variação de Carga e Fator de Deslocamento FP 0,8 atrasado FP unitário FP 0,8 adiantado
  50. 50. Geradores Síncronos Operação paralela de geradores ca
  51. 51. Operação em Paralelo  Cargas maiores  Confiabilidade  Manutenção  Eficiência
  52. 52. Operação em Paralelo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 Tensão(V) Tempo (s)
  53. 53. Operação em Paralelo 4.35 4.4 4.45 4.5 4.55 4.6 4.65 4.7 4.75 4.8 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Tensão(V) Tempo (s)
  54. 54. Operação em Paralelo 2.85 2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Tensão(V) Tempo (s)
  55. 55. Condições Necessárias 1. Tensão RMS 2. Seqüência de Fase 3. Fase 4. Freqüência
  56. 56. Freqüência X Potência P 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 está para ser conectada em paralelo com a primeira. O gerador tem frequência de 61,0 Hz sem carga e uma inclinação de 1 MW/Hz. A carga 1 consome uma potência de 1000 kW a um FP de 0,8 atrasado, enquanto a carga 2 consome 800 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 fim de 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 são controladas pelo sistema 2. O regulador de velocidade do gerador controla a potência real fornecida pelo gerador ao sistema 3. A corrente de campo controla os reativos fornecidos pelo gerador ao sistema
  68. 68. Dois Geradores Iguais em Paralelo [1]
  69. 69. Dois Geradores Iguais em Paralelo [2] Aumentando fnl,2 1. Aumenta a fsys 2. Aumenta P2
  70. 70. Dois Geradores Iguais em Paralelo [3] Aumentando IF2 1. Aumenta a VT 2. Aumenta Q2
  71. 71. Ex 5.6 [1] Dois geradores estão alimentando uma carga. O G1 tem uma freqüência sem carga de 61,5 Hz e uma inclinação de 1 MW/Hz. O G2 tem uma freqüência sem carga de 61,0 Hz e uma inclinação de 1 MW/Hz. Os dois geradores estão fornecendo um total de 2,5 MW a um FP 0,8 em atraso. O diagrama Freqüência versus Potência Ativa é mostrado. 61 Hz 61.5 Hz
  72. 72. Para 2 Geradores Paralelos 1. A total da potência fornecida pelos 2 geradores deve ser igual a potência consumida pela carga 2. Para ajustar a potência real dividida entre dois geradores sem mudar fsys , simultaneamente aumente a potência mecânica fornecida a um gerador e diminua a fornecida a outro gerador 3. Para ajustar fsys , sem afetar a divisão de potências, simultaneamente aumente ou diminua o torque nos dois geradores 4. Para ajustar a potência reativa dividida entre geradores sem mudar VT , simultaneamente aumente a corrente de campo em um gerador e diminua a do outro 5. Para ajustar VT , sem mudança na divisão de reativos, simultaneamente aumente a corrente de campo dos dois geradores.
  73. 73. Variando a Potência sem alterar a Freqüência 1 2 1 ,1 2 ,2 P nl sys P nl sys P s f f P s f f
  74. 74. Variando a Freqüência sem alterar a Potência
  75. 75. Variando os Reativos sem variar a VT
  76. 76. VariandoVT sem afetar os Reativos
  77. 77. Dois Geradores em Paralelo Uma pequena mudança da freqüência da carga de ambas as máquinas poderia causar enormes deslocamentos na divisão de potências.
  78. 78. Transitórios em Geradores Síncronos
  79. 79. Estabilidade e Transitórios Para mudanças muito abruptas de torque da carga, o limite dinâmico de estabilidade pode ser menos da metade do limite estático max 3 A S V E X
  80. 80. Curto-Circuitos e Transitórios [1]  Fase a
  81. 81. Curto-Circuitos e Transitórios [2]  Fase b 50 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 de Falta [1]
  84. 84. Componentes Simétricas da Corrente de Falta [2] A corrente média no período subtransitório é de 10 vezes a de estado estacionário. A corrente média no período transitório é de 5 vezes a de estado estacionário. Enrolamentos Amortecedores Enrolamentos de Campo
  85. 85. Componentes Simétricas da Corrente de Falta [3] A SS S E I X  '' ''' ' ' t t T T SS SSI t I I e I I e I   Corrente em estado estacionário (steady state) subtransitório transitório regime '' '' AE X I ' ' AE X I A S S E X I Reatância Subtransitória Reatância Transitória Reatância Síncrona
  86. 86. Ex 5.7 [1] Um gerador síncrono de 100 MVA, 13,8 kV, conectado em Y, trifásico, 60 Hz, está operando a sua tensão nominal e sem nenhuma carga quando uma falta trifásica ocorre em seus terminais. Suas reatâncias em pu baseadas no próprio gerador são XS = 1,0; X’ = 0,25; X’’ = 0,12. As constantes de tempo são T’ = 1,10 s; T’’ = 0,04 s. A componente dc inicial desta máquina é 50 % da componente inicial de corrente. a. Qual é a componente ac de corrente neste gerador no instante em que a falta ocorre? b. Qual é a corrente total (ca + cc) fluindo no gerador logo após a ocorrência da falta? c. Qual será o componente ca de corrente depois de 2 ciclos? Depois de 5 segundos?
  87. 87. Dados Nominais 2 ,F Cu F FP I R 2 , 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 A S E V X
  91. 91. Ex 5.8 [1] Um gerador síncrono de 50 kVA, 480 V, conectado em Y, trifásico, 50 Hz, 6 pólos com FDesl 0,8 atrasado. Ele tem uma reatância síncrona de 1,0 por fase. Assuma que o gerador está conectado com uma turbina a vapor com capacidade de fornecimento de 45 kW. As perdas por atrito e ventilação são de 1,5 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 em atraso? 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 ser fornecida simultaneamente?
  92. 92. Ex5.8[2]
  93. 93. apabilidadeGeradorde470kVA Efeito não modelado que ocorre nas máquinas síncronas de pólos salientes
  94. 94. Variações Curtas de Carga e Fator de Serviço

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