A maquina Sincrona_Alternador trifasico Parte 2.pdf

FENGUEM - Julho/21 - ZMabote 1
A MAQUINA SÍNCRONA TRIFÁSICA
Alternador Trifásico (Gerador
Síncrono Trifásico)
Parte 2
Zefanias Mabote
Julho de 2021

A Maquina Síncrona. Alternador trifásico
Funcionamento em rede isolada
O comportamento do gerador síncrono varia dependendo do factor de
potência da carga e de, se o gerador opera isolado ou em paralelo com outros
geradores.
Um regulador de tensão que se incorpora na excitatriz permite controlar a
tensão de saída pela variação da corrente de excitação.
Um regulador de velocidade é associado a uma turbina (hidráulica, térmica,
etc) que actua sobre a entrada de energia mecânica (agua por exemplo)
permitindo o controlo de frequência e da velocidade do grupo.
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Fig. 1. Gerador síncrono em funcionamento isolada, com regulador de tensão
e de velocidade.
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3

Os diagramas fasoriais mostram as alterações provocadas pelas quedas de
tensão para factores de potência diferentes. As cargas da factor de potência
unitário a queda de tensão é quase transversal. Para factor de potência indutivo
a queda de tensão é desmagnetizante, enquanto para factor de potência
capacitivo a reacção da queda de tensão é desmagnetizante.
Fig. 2. Diagramas fasorias para diversos tipos de carga. Funcionamento em rede isolada.
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Normalmente a tensão nos terminais deve ser constante mesmo com variações
da carga. Como a FEM e proporcional ao fluxo, devera variar-se a corrente de
excitação para alterar o fluxo e adapta-la a nova FEM para que se estabeleça a
tensão nominal. Esta accão e realizada pelo regulador de tensão.
Em resumo, um alternador que trabalha em rede isolada:
 A frequência depende da velocidade do motor primário que move a máquina;
 O factor de potência do gerador é o factor de potência da carga.
 A tensão de saída depende:
 da velocidade de rotação [a FEM depende da frequência e do fluxo];
 da corrente de excitação;
 da corrente do induzido;
 do factor de potência da carga.
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5

Barramento infinito (operação em paralelo)
Os alternadores de grande potência raramente são usados de forma isolada.
São geralmente conectados a um sistema de potência conhecido como
barramento infinito.
Devido ao facto do numero elevado de alternadores de tamanho maior
conectados em paralelo a tensão e a frequência do barramento infinito não
alteram, isto é, são constantes.
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6

Barramento infinito
Como as tensões geradas são na ordem de 20 a 30 kV, os transformadores são
usados para elevar a tensão. Nos centros de cargas estas tensões são
reduzidas para níveis de consumo.
Os alternadores podem ser conectados ou desconectados do barramento
infinito dependendo da demanda de potência. A operação de conectar o
alternador ao barramento infinito conhecido como sincronização com o
barramento ou rede.
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FENGUEM - Julho/21 - ZMabote
8 A Maquina Síncrona. Alternador trifásico
Barramento infinito
Fig. 3. Sistema de barramento infinito.
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Barramento infinito - bus infinito
Fig 4. a) Curva de frequência vs potência de um bus infinito. b) Tensão terminal vs
potência reactiva de um bus infinito.
a) b)
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Observando os procedimentos para a ligação em paralelo o gerador que acaba
de ser colocado em paralelo com o bus infinito, entra “flutuando” na rede, ou
subministrando uma pequena quantidade de potência activa e pouca ou
nenhuma potência reactiva.
Alternadores em paralelo com um barramento infinito
Fig. 5. Alternador entrando em sincronismo com um bus infinito
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10

Alternadores em paralelo com um barramento infinito
Ao se variar a corrente de excitação varia o fluxo de energia reactiva no
alternador – indutivo quando subre-excitado e capacitivo quando sub-excitado
- resistivo com excitação normal.
O alternador acabado de
entrar em paralelo com
rede é feito assumir
potência aumentando a
velocidade do motor
primário.
Fig. 6. Alternador assumindo carga.
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Alternadores operando em paralelo
Os sistemas de potência são formados de vários geradores operando em
paralelo, fornecendo potência a uma rede comum, trazendo grandes vantagens
em diferentes pontos de vista em relação aos sistemas isolados.
Vantagens
 Maior fiabilidade no fornecimento de energia aos consumidores.
 Maior potência de reserva para garantir o fornecimento de energia em caso
de manutenção.
 Possibilidade de utilizar outros recurso energéticos (gás, vento, bagaço, etc.)
 Distribuição da carga segundo a demanda das maquinas mais eficientes ou
disponíveis.
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Os requisitos a cumprir em vazio pelo gerador (G2) que vai a entrar em
paralelo com G1, são os seguintes:
1.Igualdade de tensão (valor eficaz) Ug1 = Ug2
2.Igualdade de frequência fg1 = fg2
3.Igualdade de sequência.
4. Igualdade de fase
Fig. 7. Diagrama esquemático
para a sincronização de um
gerador trifásico e um barramento
infinito pelo método das lâmpadas
apagadas.
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Métodos para determinar as condições para a sincronização.
•Voltímetro
•Lâmpadas
•Sincroscópio
•Sincronizadores automático.
Fig. 8. O sincroscópio
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1. Tensões diferentes, mas as frequências são as mesmas.
As tensões nas lâmpadas tem igual magnitude, lâmpadas brilham com a
mesma intensidade. Para igualar as tensões é necessário ajustar a corrente
de excitação.
Fig. 9. Fasores do barramento infinito e do gerador que
vai entrar no sistema a).
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2. As tensões são iguais, mas as frequências não o são.
Os fasores de tensão giram a velocidades diferentes. A tensão nas lâmpadas
e zero, lâmpadas ficam apagadas. Devido a diferença as frequências a um
dado instante a tensão nas lâmpadas aumenta e as lâmpadas brilham com a
mesma intensidade. As lâmpadas acedem e apagam. Quando a frequência e
a mesma as lâmpadas acedem e apagam muito lentamente. Ao ajustar a
velocidade a tensão fica afectada. Então, em simultâneo deve-se ajustar a
corrente de excitação e a velocidade do motor primário.
Fig. 10. Fasores do barramento infinito e do gerador que vai entrar no
sistema b).
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3. As fases são diferentes mas as tensões e frequências são iguais.
As tensões sobre as lâmpadas são diferentes, logo, lâmpadas brilham com
diferentes intensidades.
Para ajustar a sequencia de fases deve-se alterar as conexões entre dois
terminais.
sistema c).
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4. As fases são diferentes, mas a tensão, a frequência e a sequencia
de fases e a mesma.
As lâmpadas acendem com a mesma intensidade. Para ajustar as fases, a
frequência do gerador que entra no sistema deve ser alterada. Se a
diferença de fase for zero as três lâmpadas ficam apagadas e a chave de
sincronização pode ser fechada. O gerador flutua na rede. Não fornece
potência activa nem reactiva. Faz-se assumir potência activa ajustado a
velocidade do motor primário. A potência reactiva é controlada pela
corrente de excitação.
sistema d).
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Procedimentos para a ligação em paralelo de alternadores trifásicos
 Levar o alternador a velocidade nominal e seu valor eficaz de tensão de
linha ajustado a tensão do barramento, através de um voltímetro.
 A sequência de fases e verificada através do indicador da sequência de
fases ou das lâmpadas de sincronização.
 A frequência do alternador a ser ligado é comparada através de um
sincroscópio ou pelo método de lâmpadas. Se a frequência da maquina a
ser ligada é baixa, aumenta-se a velocidade de maquina primaria, se é alta
a velocidade é reduzida.
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Procedimentos para a ligação em paralelo de alternadores trifásicos
 A chave de sincronização é fechada quando as lâmpadas ou sincroscópio
indicam que as tensões de fase-a-fase são exactamente iguais e opostas. O
alternador estará então, ligado e flutuando na rede.
 Faz-se que o alternador assuma carga, aumentando a velocidade da sua
maquina primaria.
 O factor de potência no qual funciona o alternador, é ajustado por meio do
reóstato de campo.
 tensão do barramento é ajustada, actuando-se simultaneamente em todos
os reóstatos de campo.
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Considerando dois alteradores iguais operando em paralelo para fornecer
energia a um grupo de consumidores:
 Se aumenta a corrente de excitação If1 e If2 aumenta E, e, portanto V. A
potência reactiva entregue aos consumidores aumenta.
 Se aumenta If1, aumenta V e os reactivos que G1 entrega, e diminui os de
G2. Para manter V = cte, ao aumentar If1 diminui-se If2 . Neste caso, G2
passa a consumir reactivo. Estas operações só são possíveis se V, P de
cada um dos alternadores seja constantes.
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 Se aumentar a potência reactiva e não variar If diminui a tensão de saída.
Portanto, dai a importância do controlo de reactivos gerados e pedidos.
 Se aumenta a potência entregue pelo motor aumenta a velocidade e
portanto a frequência, quando não varia a carga. Logo, para manter a f = cte
ao abrir a válvula de turbina de um alternador, deve fechar-se a do outro
alternador restituindo-se a potência activa.
 Se aumenta a potência activa a consumir e não se acciona sobre os motores
primários cai a sua velocidade e portanto a frequência dos mesmos.
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22

   
sist
p
sist
p
a
c
total f
f
S
f
f
S
P
P
P
P 





 02
2
01
2
1
arg 1
2
1
arg Q
Q
Q
Q a
c
total 


Considerando dois geradores operando em paralelo, a limitação básica
consiste em que a soma das potências real e reactiva que entregam os dois
alternadores devem ser iguais a P e Q que a carga exige. Nem a frequência do
sistema, nem a potência de algum dos alternadores se obriga a permanecer
constantes.
A potência activa total é dada por:
E a potência reactiva total é dada por:
   
Hz
MW
ou
Hz
kW
f
f
P
S
a
c
o
p /
/
arg


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23

Portanto, quando dois alternadores similares estão trabalhando em paralelo
um aumento na posição do governador de um deles:
 Aumenta a frequência do sistema.
 Aumenta a potência que entrega tal alternador, enquanto se reduz a
potência entregue pelo outro.
Fig. 11. Ajuste da potência activa e da frequência.
24
24

Quando dois alternadores estão trabalhando em paralelo juntos e se aumenta a
corrente de campo de gerador G2:
 A tensão terminal do sistema aumenta (de Vt1 a Vt2).
 A potência reactiva Q entregue por tal alternador (G2) aumenta, enquanto a
potência reactiva entregue por outro gerador diminui.
Fig. 12. Ajuste da potência reactiva e da tensão.
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25

Para ajustar a distribuição da potência real entre os geradores sem alterar a
frequência do sistema, simultaneamente aumenta-se a entrada de vapor ou de
energia ao motor primário de um alternador enquanto se diminui noutro. O de
maior entrada tomará a maior quantidade de carga.
Fig. 13. Ajuste da potência activa com frequência constante.
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26

Para ajustar frequência em um sistema sem modificar a distribuição da
potência activa, aumenta-se ou diminui-se simultaneamente a operação sobre
os governadores de ambas turbinas de dois alternadores.
Fig. 14. Ajuste da frequência com potência activa constante.
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27

Para ajustar a distribuição da potência reactiva entre os alternadores, sem
alterar a tensão terminal, a máquina cuja corrente de campo se aumentou,
tomará a maior parte da carga reactiva.
Fig. 15. Ajuste da potência reactiva com a tensão constante.
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28

Para ajustar Vt sem alterar a distribuição da potência reactiva, há que
aumentar ou diminuir simultaneamente as correntes de campo de ambos
alternadores.
Fig. 16. Ajuste da tensão com potência reactiva constante.
29
29

I
1
V1

d1
I
1
X
d
Ef
send
Efg1 Efg2
dg2
d3
Ig2
Ig1
I1 cos ?1
Ef1
Itotal
Qt˜
2*I
1
sen?
1
dg1
I1g2Xd
I
1g1
Xd
Fig. 17. Efeito da variação da corrente de excitação.
30
30

Fig. 18. Efeito da variação da corrente de excitação. Gerador sobre-excitado.
Fig. 19. Efeito da variação da corrente de excitação. Gerador sub-excitado.
A variação da corrente de
excitação provoca
variações da potência
reactiva. Não afecta na
potência activa a ceder.
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Fig. 20. Diagrama em blocos do regulador de tensão automático
Regulador automático de tensão - AVR
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Regulador automático de tensão – AVR
 Controla a tensão terminal da maquina dentro de limites preestabelecidos;
 Regula a divisão de potência reactiva entre as maquinas operando em
paralelo;
 Controla a corrente do campo para manter a maquina em sincronismo com
o sistema, quando esta opera com factor de potência unitário ou adiantado;
 Aumentar a corrente de campo sob condições de curto-circuito no sistema,
para manter a maquina em sincronismo com os demais geradores do
sistema;
 Amortece as oscilações de baixa frequência que podem trazer problemas
de estabilidade dinâmica.
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Os reguladores de tensão são necessários em compensadores síncronos
(cuja a finalidade de controlar a tensão), em hidro-geradores (para manter a
tensão baixa em caso de súbita perda de carga e consequentemente
sobrevelocidades) e em hidro-geradores sujeitos a grandes variações de
carga.
O AVR são indispensáveis para manter a estabilidade dos geradores
síncronos.
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Fig. 21. Regulador de tensão automático
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Diagrama energético
Fig. 22. Diagrama do fluxo de potência.
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m
mp
in T
P 

m
ind
da
desenvolvi
conv T
P
P 



cos
3VI
P
P saida
out 

R
I
P
armadura
2
3


R
I
P
ventilacao
e
atrito
Perdas
ferro
no
Perdas
P entrada
s
rotacionai
2
0
3





Onde:
- Potência de entrada no gerador
- Potência desenvolvida ou que deve ser convertida em
energia eléctrica
- Potência de saída
- Perdas totais na armadura
As perdas rotacionais determinam-se com a maquina em vazio e funcionando
como um motor.
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Grandezas nominais
•Tensão (V)
•Tipo de conexão Y ou ∆
•Potência (kVA)
•Factor de potência (pu)
•Frequência (Hz)
•Velocidade nominal(rpm)
•Corrente de excitação CC (A)
•Tensão de excitação CC (V)
•IP
•Classe de Isolamento
Fig. 23. Chapa de características de um
gerador síncrono a).
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Grandezas nominais
Fig. 23. Chapa de características de um gerador síncrono b).
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FIM
OBRIGADO PELA ATENÇÃO!

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