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Máquinas Eléctricas I
                  Máquinas Síncronas




Luis Pestana
Máquinas Síncronas
Resumo
• Generalidades
• Principio de funcionamento
• Aspectos construtivos
• O gerador síncrono em carga
    – com cargas isoladas
          • Curvas de regulação
    – ligado a um barramento (bus) potência infinita (rede)
          • Sincronização
          • Controlo de potência activa e reactiva
• Tamanho, potência e rendimento de máquinas
  eléctricas
Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Generalidades
• Máquinas rotativas que giram à velocidade
  de sincronismo, ou seja à velocidade do
  Campo Girante.
• Velocidade de sincronismo – velocidade que
                              f
  resulta da expressão : n =
                              p
      em que:
     – P = n.º de pares de pólos da máquina.
     – N = velocidade do rótor da máquina em r.p.s.
     – F = frequência da corrente de carga.
Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
 Generalidades
• Os geradores síncronos trifásicos são a principal
  fonte de energia eléctrica
   – Potências até 1500 MW
   – Estátor idêntico às máquinas de indução
        • Enrolamento distribuído trifásico
        • Agrupado por pares de pólos
• normalmente, o indutor está no rótor
   – É de ímanes permanentes ou electromagnetes DC
   – N.º de pólos = n.º de conjuntos de enrolamentos
     do estátor

 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Generalidades
•     A frequência depende da velocidade de rotação e do n.º de pólos
       – A velocidade de rotação é a velocidade de sincronismo f=ns.P
•     Quanto maior o n.º de pólos, menor será a rotação.
       – Muitos pólos -> (baixa rotação -> grandes caudais).
       – Poucos pólos -> (alta rotação -> pequenos caudais).
•     A máquina síncrona é uma máquina reversível, podendo funcionar
      como gerador, ou como motor.




    Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Gerador Síncrono – “Alternador”
  • Máquinas rotativas que produzem C.A.
  • A C.A. é produto do princípio da indução
    magnética, tal como nos dínamos. (O
    alternador pode ser visto como um dínamo
    sem colector)
  • Constituição: Indutor, Induzido, Excitatriz
       – Excitatriz – dínamo montado no mesmo eixo do
         alternador destinado a fornecer a C.C. Ao
         indutor.


Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Gerador Síncrono – “Alternador”




Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
 Campo Indutor
• Três métodos de excitação
   – Excitação separada, (alimentação através de anéis no rótor)
   – Excitatriz (gerador DC)
         • Colocada no mesmo veio da máquina síncrona
         • O comutador alimenta os anéis da máq. Síncrona
   – Excitatriz sem escovas (brushless)
         • Alternador de indutor fixo (estátor) e induzido móvel (rótor,
           trifásico)
         • Rectificação por díodos ou tirístores que produz corrente
           contínua para o indutor da máquina síncrona




 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Campo Indutor




                       Excitação sem Escovas (Brushless)

Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Gerador Síncrono – “Alternador”


• A f.e.m. induzida pode ser obtida pela
  variação da posição relativa do induzido
  relativamente ao indutor. (induzido fixo
  ou móvel).




Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Disposição do Induzido (Fixo-Móvel)

• Vantagens do induzido fixo
     – Menor nível de isolamento (anéis e escovas
       dimensionados para menores correntes e
       tensões)
     – Maior facilidade de ligação ao exterior
     – Possibilidade de geração de Electricidade a
       níveis de tensão superiores.



Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Indutor (constituição)
• Rótor onde estão colocados os pólos
  indutores de forma alternada (roda polar).
    – Pólos salientes (utilizado em baixas
      velocidades =>muitos pólos => grandes
      dimensões => muito peso).

    – Pólos lisos (rótor cilíndrico) (utilizado em altas
      velocidades => poucos pólos => rótor estreito
      e comprido).

Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
 Indutor (constituição)
• 2 tipos genéricos
   – Pólos lisos (alta velocidade)
   – Pólos salientes (baixa
     velocidade)
• Enrolamentos alimentados a
  corrente contínua
   – criam o campo magnético
     (pólos N e S fixos)
 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
   Rótor - Pólos salientes
• Enrolamentos amortecedores
   – enrolamentos em gaiola de
     esquilo colocados nos pólos
       • Em condições normais, não
         transportam corrente
       • Quando ocorrem mudanças bruscas
         na carga, a velocidade do rótor
         começa a flutuar, produzindo
         variações de fluxo
       • Começam a circular correntes
         elevadas que produzem forças
         contrárias e amortecem as variações
         de velocidade

   Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
                        Rótor - Pólos salientes
                        • Usam-se em máquinas de baixa
                          velocidade e grande n.º de pólos
                          (centrais hidroeléctricas)


                         Rótor -
                         Pólos lisos

• Usam-se em máquinas de alta
  velocidade (2 ou 4 pólos)
   – Turbinas de gás ou vapor
     (centrais térmicas)
   – Turbinas pelton (hidroeléctricas)
  Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
    Estátor (constituição)
•   Do ponto de vista eléctrico, o estátor da
    máquina síncrona é idêntico ao da máquina
    assíncrona (indução)
     –   Os enrolamentos, em geral, ligam-se em
         estrela (Y)
           •   A tensão é 1/√3 ou 58% da tensão de linha,
               permitindo uma redução no isolamento
               eléctrico
     –   Em carga, a tensão pode ficar distorcida e
         deixar de ser sinusoidal
           •   A distorção é sobretudo devida ao 3.º
               harmónico (150 Hz)
           •   Na ligação em estrela, o 3.º harmónico
               cancela-se na tensão entre linhas (tensão
               composta)
           •   Na ligação em triângulo (∆), os 3.ºs
               harmónicos de tensão somam-se e aparecem
               nas tensões compostas.

                                                            Montagem de enrolamentos no estátor
                                                               de máquina síncrona (metade)
    Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Enrolamentos (tipos)
• Estatóricos
    – Imbricados
    – Ondulados
• Rotóricos
    – Espiralados
• O estátor (induzido) é
  constituído por chapas
  com ranhuras
  sobrepostas destinadas à
  colocação dos
  enrolamentos, sendo
  chapeado para diminuir
  as correntes de Foucault.

Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
 F.E.M. Induzida
• Quando a roda polar (indutor) gira, os condutores do
  induzido (estátor) ficam sujeitos a um campo magnético
  alternado que tem uma frequência f = p.n

• A f.e.m. induzida é proporcional ao fluxo útil por pólo. Isto
  é:
  Para 1 alternador com p pares de pólos, Z condutores
  activos por fase, que roda a n rotações por segundo,
  com um fluxo φ por pólo, a f.e.m. E gerada por fase será:

   E = k.Z.p.n.φ,            k – coeficiente de Kapp ≅ 2.2


 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas



                      a)                  b)
enrolamento distribuído em 6 ranhuras a) disposição b) f.e.m. induzidas

K – Coeficiente de kapp
•     Traduz vários factores que influenciam a
      f.e.m. induzida nos condutores
       – Forma do rótor
       – Entreferro
       – Disposição dos condutores no estátor
         (enrolamentos concentrados vs
         distribuídos)
                                                       F.e.m. resultante num
                                                           enrolamento de 6 ranhuras
    Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Característica de vazio




Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
 Circuito equivalente
• F.e.m. Induzida, E0
   – Proporcional ao corte das
     linhas de fluxo
   – Indutância do
     enrolamento,
         • Xs=2π f L
   – Resistência do
     enrolamento,
         • Cerca de 1% de Xs
         • frequentemente ignora-se no
           circuito equivalente =>
            Zs ≅ Xs

  Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Reactância Síncrona - Xs

• É uma reactância “combinada” que traduz o
  efeito de:
    – fluxo de fugas
    – Reacção do induzido




 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Reactância Síncrona - Xs
• Xs pode ser determinada pelos ensaios em vazio
  e em curto-circuito
    – Ensaios efectuados à velocidade nominal e sem
      atingir a saturação magnética
    – No ensaio em vazio a corrente de excitação ix é
      ajustada até a f.e.m. atingir o valor nominal (ixn).
    – No ensaio em curto-circuito varia-se a corrente de
      excitação até o valor ixn.
    – Mede-se o valor de Icc, o que permite calcular       E
                                                     XS =      n
                                                            I CC
 Máquinas Eléctricas
Impedância do Gerador (em pu)

• As placas dos geradores, indicam a reactância
  síncrona, Xs, em percentagem ou por unidade da
  impedância de base (Zbase)
• A impedância de base é determinada a partir da
  potência nominal e da tensão nominal de linha.


                      2   2                                      2           2
               E    E                       ( 3 E n, simples )           E
             =    =                     =                            =
                      n   n ,composta                                        n , simples
   Z base
               Sn    S n,total                  3.S n, fase              S n, fase

Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Queda de tensão
 • ε% - Queda de tensão relativa
            E −U
      ε % = E x 100%     0

                             0

 Medida directa da queda de tensão:
       – Pôr o alternador a rodar à velocidade nominal n e
         excitar até apresentar a tensão nominal aos
         terminais em vazio (U0 = E)
       – Ligar ao alternador uma carga I com cos φ
         adequado (mantendo n e excitação) e medir a
         tensão U aos bornes do alternador. U = U(I,φ)


Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Queda de tensão
• Problema - A medida da queda de tensão por
  ensaio directo, raramente é possível numa
  bancada ou plataforma de ensaios.
   – Em regra os alternadores são máquinas enormes.
   – Requer máquina primária (motor) de potência
     superior à do alternador.
   – Requer receptores capazes de absorver a totalidade
     da energia do alternador (à plena carga =>
     ENORMES DIFICULDADES!!!)
• Solução – métodos indirectos

Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
 Queda de tensão em carga – medida indirecta
• A normal impossibilidade de realização de ensaios directos
  evidencia o interesse de todos os métodos que permitam através
  de ensaios de simples execução, determinar a queda de tensão
  em carga. (não obrigando ao ensaio em carga...)
• Todos os métodos indirectos são baseados na análise das quedas
  de tensão, que são:
   – Resistência do Induzido (RI.I)
   – Reacção magnética do induzido ε que modifica o fluxo útil e a f.e.m.
     gerada E. (ε depende de I e de φ)
   – Fugas magnéticas que provocam uma queda indutiva suplementar e
     proporcional a I (o circuito magnético de fugas fecha-se sobretudo pelo ar
     e não é saturável).


 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Queda de tensão em carga (cont.)
• Existem basicamente 2 formas de resolver o problema
  de modo indirecto:
    – Encontrar i (excitação) em função de U, I, φ
    – Encontrar U (Tensão aos terminais) em função de i, I, φ
• Existem 3 métodos principais de medida indirecta,
  que diferem pela forma como tomam em linha de
  conta a reacção do induzido e as fugas magnéticas,
  são eles:
    – Método de Behn-Eschenburg,
    – Método de Potier
    – Método de Blondel

Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
 Diagrama de Behn-Eschemburg
• Hipótese fundamental – o circuito magnético não
  está saturado.
  – Designando por φi o fluxo indutor e por φI o fluxo
    criado pela corrente I no Induzido, por hipótese
    temos um fluxo total em carga φT = φi + φI (soma
      geométrica)
  – A F.E.M. resultante será ET = Ei + EI, em que EI é
    uma F.E.M. de auto-indução devido a φI (reacção do
    induzido) de oposição à causa que lhe deu origem.

 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
 Diagrama de Behn-Eschemburg
• O comportamento do gerador
  depende da carga
   – 2 categorias principais
                                                U
        • Cargas isoladas
        • Bus de potência infinita
   – Cargas indutivas isoladas
        • I está em atraso em relação a U
        • Ex está avançada de 90º
          relativamente a I
        • E0 é a soma vectorial de
          U com Ex                          U




 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas

Diagrama de Behn-Eschemburg
• Carga isolada em avanço
  – I está em avanço em relação a U
  – Ex está em avanço de 90º em relação a I
  – E0 é a soma vectorial de U e Ex
• Note que E0 está sempre avançado
  de δ em relação a U
  – Para cargas indutivas E0 > U
  – Para cargas capacitivas U > E0
                                              U


 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas

Curvas de quedas
de tensão
(regulação)




 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas




Barramento de potência
infinita (Infinite bus)



Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Barramento de potência
infinita (Infinite bus)
 Conceito de barramento de potência infinita:
 • Sistema que pela sua potência e dimensão
   impõe a qualquer aparelho que a ele se ligue, a
   sua própria tensão e frequência (de que é
   exemplo a rede eléctrica)

 Para que um gerador síncrono (alternador) possa
   ser ligado à rede eléctrica, tem 1º de ser
   SINCRONIZADO com ela!!!

 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Barramento de potência
infinita (Infinite bus)

 Condições de sincronismo do alternador
  com a rede eléctrica (ou outro alternador):
     – Igual frequência
     – Igual nível de tensão
     – Desfasamento nulo! => Estarem ambos “em
       fase”
     – Igual sequência de fases

 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Barramento de potência
infinita (Infinite bus)
Num alternador ligado a uma rede eléctrica, a
 frequência e a tensão são valores fixos pela rede.

O que determina então a potência entregue?

Há 2 parametros que é possível variar:
• Corrente de excitação
• Binário produzido pela turbina (potência mecânica)
  Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Barramento de potência
infinita (Infinite bus)


                                            U
                        U




         Alternador “pendurado” na rede

               Não há troca de energia
 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Barramento de potência
infinita (Infinite bus)
 • Variar a corrente de excitação
     – Altera a fem induzida (E0)
     – Provoca a circulação de uma corrente desfasada de
       90º, devido à reactância síncrona Xs :
                                  U


     – Não altera o fluxo de energia activa
     – Altera o fluxo de energia reactiva


 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Barramento de potência
infinita (Infinite bus)

                                                    U



                       U




   Alternador “pendurado” na rede «sobreexcitado»

    •   A rede representa uma carga
        indutiva para o alternador



 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Barramento de potência
infinita (Infinite bus)



                          U
                                                  U




   Alternador “pendurado” na rede «subexcitado»
    •   A rede representa uma carga
        capacitiva para o alternador



 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Barramento de potência
infinita (Infinite bus)                Alternador a “puxar” a rede

 • Variação da potência mecânica
     – Aumentando a potencia entregue ao veio => maior
       binário produzido (ω=c.te)
     – O rótor acelera, E0 aumenta de valor e adianta-se
       relativamente a U, de um ângulo δ
     – E0 e U têm um valor similar, mas estão desfasados
       de δ, o que provoca uma queda de tensão na
       reactância síncrona Xs
           • Circula uma corrente quase em fase com U
           • Circula energia cativa para a rede

 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Barramento de potência
infinita (Infinite bus)


                         U
                                                         U




   Turbina a “puxar” o alternador -> potência mecânica
      entregue ao veio no sentido de o “acelerar”




 Máquinas Eléctricas
Máquinas Síncronas
Barramento de potência
infinita (Infinite bus)




                                                                            U




  Turbina a “puxar” o alternador -> potência mecânica entregue ao veio no
     sentido de o “acelerar”
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  • 1. Máquinas Eléctricas I Máquinas Síncronas Luis Pestana
  • 2. Máquinas Síncronas Resumo • Generalidades • Principio de funcionamento • Aspectos construtivos • O gerador síncrono em carga – com cargas isoladas • Curvas de regulação – ligado a um barramento (bus) potência infinita (rede) • Sincronização • Controlo de potência activa e reactiva • Tamanho, potência e rendimento de máquinas eléctricas Máquinas Eléctricas
  • 3. Máquinas Síncronas Generalidades • Máquinas rotativas que giram à velocidade de sincronismo, ou seja à velocidade do Campo Girante. • Velocidade de sincronismo – velocidade que f resulta da expressão : n = p em que: – P = n.º de pares de pólos da máquina. – N = velocidade do rótor da máquina em r.p.s. – F = frequência da corrente de carga. Máquinas Eléctricas
  • 4. Máquinas Síncronas Generalidades • Os geradores síncronos trifásicos são a principal fonte de energia eléctrica – Potências até 1500 MW – Estátor idêntico às máquinas de indução • Enrolamento distribuído trifásico • Agrupado por pares de pólos • normalmente, o indutor está no rótor – É de ímanes permanentes ou electromagnetes DC – N.º de pólos = n.º de conjuntos de enrolamentos do estátor Máquinas Eléctricas
  • 5. Máquinas Síncronas Generalidades • A frequência depende da velocidade de rotação e do n.º de pólos – A velocidade de rotação é a velocidade de sincronismo f=ns.P • Quanto maior o n.º de pólos, menor será a rotação. – Muitos pólos -> (baixa rotação -> grandes caudais). – Poucos pólos -> (alta rotação -> pequenos caudais). • A máquina síncrona é uma máquina reversível, podendo funcionar como gerador, ou como motor. Máquinas Eléctricas
  • 6. Máquinas Síncronas Gerador Síncrono – “Alternador” • Máquinas rotativas que produzem C.A. • A C.A. é produto do princípio da indução magnética, tal como nos dínamos. (O alternador pode ser visto como um dínamo sem colector) • Constituição: Indutor, Induzido, Excitatriz – Excitatriz – dínamo montado no mesmo eixo do alternador destinado a fornecer a C.C. Ao indutor. Máquinas Eléctricas
  • 7. Máquinas Síncronas Gerador Síncrono – “Alternador” Máquinas Eléctricas
  • 8. Máquinas Síncronas Campo Indutor • Três métodos de excitação – Excitação separada, (alimentação através de anéis no rótor) – Excitatriz (gerador DC) • Colocada no mesmo veio da máquina síncrona • O comutador alimenta os anéis da máq. Síncrona – Excitatriz sem escovas (brushless) • Alternador de indutor fixo (estátor) e induzido móvel (rótor, trifásico) • Rectificação por díodos ou tirístores que produz corrente contínua para o indutor da máquina síncrona Máquinas Eléctricas
  • 9. Máquinas Síncronas Campo Indutor Excitação sem Escovas (Brushless) Máquinas Eléctricas
  • 10. Máquinas Síncronas Gerador Síncrono – “Alternador” • A f.e.m. induzida pode ser obtida pela variação da posição relativa do induzido relativamente ao indutor. (induzido fixo ou móvel). Máquinas Eléctricas
  • 11. Máquinas Síncronas Disposição do Induzido (Fixo-Móvel) • Vantagens do induzido fixo – Menor nível de isolamento (anéis e escovas dimensionados para menores correntes e tensões) – Maior facilidade de ligação ao exterior – Possibilidade de geração de Electricidade a níveis de tensão superiores. Máquinas Eléctricas
  • 12. Máquinas Síncronas Indutor (constituição) • Rótor onde estão colocados os pólos indutores de forma alternada (roda polar). – Pólos salientes (utilizado em baixas velocidades =>muitos pólos => grandes dimensões => muito peso). – Pólos lisos (rótor cilíndrico) (utilizado em altas velocidades => poucos pólos => rótor estreito e comprido). Máquinas Eléctricas
  • 13. Máquinas Síncronas Indutor (constituição) • 2 tipos genéricos – Pólos lisos (alta velocidade) – Pólos salientes (baixa velocidade) • Enrolamentos alimentados a corrente contínua – criam o campo magnético (pólos N e S fixos) Máquinas Eléctricas
  • 14. Máquinas Síncronas Rótor - Pólos salientes • Enrolamentos amortecedores – enrolamentos em gaiola de esquilo colocados nos pólos • Em condições normais, não transportam corrente • Quando ocorrem mudanças bruscas na carga, a velocidade do rótor começa a flutuar, produzindo variações de fluxo • Começam a circular correntes elevadas que produzem forças contrárias e amortecem as variações de velocidade Máquinas Eléctricas
  • 15. Máquinas Síncronas Rótor - Pólos salientes • Usam-se em máquinas de baixa velocidade e grande n.º de pólos (centrais hidroeléctricas) Rótor - Pólos lisos • Usam-se em máquinas de alta velocidade (2 ou 4 pólos) – Turbinas de gás ou vapor (centrais térmicas) – Turbinas pelton (hidroeléctricas) Máquinas Eléctricas
  • 16. Máquinas Síncronas Estátor (constituição) • Do ponto de vista eléctrico, o estátor da máquina síncrona é idêntico ao da máquina assíncrona (indução) – Os enrolamentos, em geral, ligam-se em estrela (Y) • A tensão é 1/√3 ou 58% da tensão de linha, permitindo uma redução no isolamento eléctrico – Em carga, a tensão pode ficar distorcida e deixar de ser sinusoidal • A distorção é sobretudo devida ao 3.º harmónico (150 Hz) • Na ligação em estrela, o 3.º harmónico cancela-se na tensão entre linhas (tensão composta) • Na ligação em triângulo (∆), os 3.ºs harmónicos de tensão somam-se e aparecem nas tensões compostas. Montagem de enrolamentos no estátor de máquina síncrona (metade) Máquinas Eléctricas
  • 17. Máquinas Síncronas Enrolamentos (tipos) • Estatóricos – Imbricados – Ondulados • Rotóricos – Espiralados • O estátor (induzido) é constituído por chapas com ranhuras sobrepostas destinadas à colocação dos enrolamentos, sendo chapeado para diminuir as correntes de Foucault. Máquinas Eléctricas
  • 18. Máquinas Síncronas F.E.M. Induzida • Quando a roda polar (indutor) gira, os condutores do induzido (estátor) ficam sujeitos a um campo magnético alternado que tem uma frequência f = p.n • A f.e.m. induzida é proporcional ao fluxo útil por pólo. Isto é: Para 1 alternador com p pares de pólos, Z condutores activos por fase, que roda a n rotações por segundo, com um fluxo φ por pólo, a f.e.m. E gerada por fase será: E = k.Z.p.n.φ, k – coeficiente de Kapp ≅ 2.2 Máquinas Eléctricas
  • 19. Máquinas Síncronas a) b) enrolamento distribuído em 6 ranhuras a) disposição b) f.e.m. induzidas K – Coeficiente de kapp • Traduz vários factores que influenciam a f.e.m. induzida nos condutores – Forma do rótor – Entreferro – Disposição dos condutores no estátor (enrolamentos concentrados vs distribuídos) F.e.m. resultante num enrolamento de 6 ranhuras Máquinas Eléctricas
  • 20. Máquinas Síncronas Característica de vazio Máquinas Eléctricas
  • 21. Máquinas Síncronas Circuito equivalente • F.e.m. Induzida, E0 – Proporcional ao corte das linhas de fluxo – Indutância do enrolamento, • Xs=2π f L – Resistência do enrolamento, • Cerca de 1% de Xs • frequentemente ignora-se no circuito equivalente => Zs ≅ Xs Máquinas Eléctricas
  • 22. Máquinas Síncronas Reactância Síncrona - Xs • É uma reactância “combinada” que traduz o efeito de: – fluxo de fugas – Reacção do induzido Máquinas Eléctricas
  • 23. Máquinas Síncronas Reactância Síncrona - Xs • Xs pode ser determinada pelos ensaios em vazio e em curto-circuito – Ensaios efectuados à velocidade nominal e sem atingir a saturação magnética – No ensaio em vazio a corrente de excitação ix é ajustada até a f.e.m. atingir o valor nominal (ixn). – No ensaio em curto-circuito varia-se a corrente de excitação até o valor ixn. – Mede-se o valor de Icc, o que permite calcular E XS = n I CC Máquinas Eléctricas
  • 24. Impedância do Gerador (em pu) • As placas dos geradores, indicam a reactância síncrona, Xs, em percentagem ou por unidade da impedância de base (Zbase) • A impedância de base é determinada a partir da potência nominal e da tensão nominal de linha. 2 2 2 2 E E ( 3 E n, simples ) E = = = = n n ,composta n , simples Z base Sn S n,total 3.S n, fase S n, fase Máquinas Eléctricas
  • 25. Máquinas Síncronas Queda de tensão • ε% - Queda de tensão relativa E −U ε % = E x 100% 0 0 Medida directa da queda de tensão: – Pôr o alternador a rodar à velocidade nominal n e excitar até apresentar a tensão nominal aos terminais em vazio (U0 = E) – Ligar ao alternador uma carga I com cos φ adequado (mantendo n e excitação) e medir a tensão U aos bornes do alternador. U = U(I,φ) Máquinas Eléctricas
  • 26. Máquinas Síncronas Queda de tensão • Problema - A medida da queda de tensão por ensaio directo, raramente é possível numa bancada ou plataforma de ensaios. – Em regra os alternadores são máquinas enormes. – Requer máquina primária (motor) de potência superior à do alternador. – Requer receptores capazes de absorver a totalidade da energia do alternador (à plena carga => ENORMES DIFICULDADES!!!) • Solução – métodos indirectos Máquinas Eléctricas
  • 27. Máquinas Síncronas Queda de tensão em carga – medida indirecta • A normal impossibilidade de realização de ensaios directos evidencia o interesse de todos os métodos que permitam através de ensaios de simples execução, determinar a queda de tensão em carga. (não obrigando ao ensaio em carga...) • Todos os métodos indirectos são baseados na análise das quedas de tensão, que são: – Resistência do Induzido (RI.I) – Reacção magnética do induzido ε que modifica o fluxo útil e a f.e.m. gerada E. (ε depende de I e de φ) – Fugas magnéticas que provocam uma queda indutiva suplementar e proporcional a I (o circuito magnético de fugas fecha-se sobretudo pelo ar e não é saturável). Máquinas Eléctricas
  • 28. Máquinas Síncronas Queda de tensão em carga (cont.) • Existem basicamente 2 formas de resolver o problema de modo indirecto: – Encontrar i (excitação) em função de U, I, φ – Encontrar U (Tensão aos terminais) em função de i, I, φ • Existem 3 métodos principais de medida indirecta, que diferem pela forma como tomam em linha de conta a reacção do induzido e as fugas magnéticas, são eles: – Método de Behn-Eschenburg, – Método de Potier – Método de Blondel Máquinas Eléctricas
  • 29. Máquinas Síncronas Diagrama de Behn-Eschemburg • Hipótese fundamental – o circuito magnético não está saturado. – Designando por φi o fluxo indutor e por φI o fluxo criado pela corrente I no Induzido, por hipótese temos um fluxo total em carga φT = φi + φI (soma geométrica) – A F.E.M. resultante será ET = Ei + EI, em que EI é uma F.E.M. de auto-indução devido a φI (reacção do induzido) de oposição à causa que lhe deu origem. Máquinas Eléctricas
  • 30. Máquinas Síncronas Diagrama de Behn-Eschemburg • O comportamento do gerador depende da carga – 2 categorias principais U • Cargas isoladas • Bus de potência infinita – Cargas indutivas isoladas • I está em atraso em relação a U • Ex está avançada de 90º relativamente a I • E0 é a soma vectorial de U com Ex U Máquinas Eléctricas
  • 31. Máquinas Síncronas Diagrama de Behn-Eschemburg • Carga isolada em avanço – I está em avanço em relação a U – Ex está em avanço de 90º em relação a I – E0 é a soma vectorial de U e Ex • Note que E0 está sempre avançado de δ em relação a U – Para cargas indutivas E0 > U – Para cargas capacitivas U > E0 U Máquinas Eléctricas
  • 32. Máquinas Síncronas Curvas de quedas de tensão (regulação) Máquinas Eléctricas
  • 33. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) Máquinas Eléctricas
  • 34. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) Conceito de barramento de potência infinita: • Sistema que pela sua potência e dimensão impõe a qualquer aparelho que a ele se ligue, a sua própria tensão e frequência (de que é exemplo a rede eléctrica) Para que um gerador síncrono (alternador) possa ser ligado à rede eléctrica, tem 1º de ser SINCRONIZADO com ela!!! Máquinas Eléctricas
  • 35. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) Condições de sincronismo do alternador com a rede eléctrica (ou outro alternador): – Igual frequência – Igual nível de tensão – Desfasamento nulo! => Estarem ambos “em fase” – Igual sequência de fases Máquinas Eléctricas
  • 36. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) Num alternador ligado a uma rede eléctrica, a frequência e a tensão são valores fixos pela rede. O que determina então a potência entregue? Há 2 parametros que é possível variar: • Corrente de excitação • Binário produzido pela turbina (potência mecânica) Máquinas Eléctricas
  • 37. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) U U Alternador “pendurado” na rede Não há troca de energia Máquinas Eléctricas
  • 38. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) • Variar a corrente de excitação – Altera a fem induzida (E0) – Provoca a circulação de uma corrente desfasada de 90º, devido à reactância síncrona Xs : U – Não altera o fluxo de energia activa – Altera o fluxo de energia reactiva Máquinas Eléctricas
  • 39. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) U U Alternador “pendurado” na rede «sobreexcitado» • A rede representa uma carga indutiva para o alternador Máquinas Eléctricas
  • 40. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) U U Alternador “pendurado” na rede «subexcitado» • A rede representa uma carga capacitiva para o alternador Máquinas Eléctricas
  • 41. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) Alternador a “puxar” a rede • Variação da potência mecânica – Aumentando a potencia entregue ao veio => maior binário produzido (ω=c.te) – O rótor acelera, E0 aumenta de valor e adianta-se relativamente a U, de um ângulo δ – E0 e U têm um valor similar, mas estão desfasados de δ, o que provoca uma queda de tensão na reactância síncrona Xs • Circula uma corrente quase em fase com U • Circula energia cativa para a rede Máquinas Eléctricas
  • 42. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) U U Turbina a “puxar” o alternador -> potência mecânica entregue ao veio no sentido de o “acelerar” Máquinas Eléctricas
  • 43. Máquinas Síncronas Barramento de potência infinita (Infinite bus) U Turbina a “puxar” o alternador -> potência mecânica entregue ao veio no sentido de o “acelerar” Máquinas Eléctricas