Máq III - AP IFRJ 2013, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Baixe Máq III - AP IFRJ 2013 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!

CURSO : TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA

CONSTRUÇÃO DE MÁQUINAS SÍNCRONAS

1.1 – CONSTRUÇÃO DE MÁQUINAS SÍNCRONAS COM CAMPO MÓVEL

Neste tipo de máquina, o enrolamento de campo é alimentado por uma fonte CC através de dois anéis coletores e a armadura é ligada diretamente à fonte trifásica CA ou à carga. Se o estator (armadura) é ligado a uma fonte trifásica CA, a máquina funcionará como um motor síncrono , e o rotor girará na velocidade síncrona, em sincronismo com o campo girante desenvolvido pelo enrolamento do estator e determinado pelo número de pólos e a freqüência da fonte. Se o rotor está girando na velocidade síncrona, através da máquina primária, a máquina funciona como um alternador. Rotores com pólos salientes são mostrados na Figura 1.1. Nesses tipos de máquinas o entreferro não é uniforme, devido à saliência do rotor. Um alternador com pólos salientes é utilizado geralmente para geração em baixas velocidades, como os hidrogeradores, possuem uma grande quantidade de pólos (mais de 50) e o rotor é geralmente curto e possui um grande diâmetro, para abrigar os enrolamentos de campo. Os alternadores com rotor cilíndrico, ou pólos não salientes, possuem o entreferro constante. São utilizados geralmente para geração em altas velocidades - como em turbinas a vapor - , possuem uma pequena quantidade de pólos devido à alta velocidade e são de rotores de pequeno diâmetro e grande comprimento. Fig 1.

No ponto 1, C é positiva e B é negativa. Isto significa que há correntes em sentidos opostos nas fases B e C. Deste modo, fica estabelecida a polaridade magnética das fases B e C. A polaridade é mostrada no diagrama simplificado acima do ponto 1. Observe que B1 é um pólo norte e B um pólo sul; C é um pólo norte e C1 um pólo sul. Como no ponto 1 não há corrente através da fase A , seu campo magnético é nulo. No ponto 2, 60º após, as correntes aplicadas às fases A e B são iguais e opostas, e a corrente da fase C é nula. Pode-se verificar que o campo magnético resultante girou 60º. No ponto 3, a onda B tem o valor zero, e o campo resultante girou mais 60º. Dos pontos 1 a 7, verificamos que o campo magnético resultante gira 360º, sempre que um ciclo CA é aplicado ao estator.

O MOTOR SÍNCRONO

2.1 – GENERALIDADES

O motor síncrono recebeu este nome porque seu rotor é sincronizado com o campo girante estabelecido no estator. Quando o rotor é alimentado com CC, ele atua como um imã em barra suspenso em um campo magnético que gira até se alinhar com o campo do estator (armadura). Alguns motores síncronos pequenos usam rotores de imã permanente e não precisam de uma fonte CC externa. São muito utilizados em cargas que requerem velocidade constante desde a condição sem carga até a condição de plena carga. A armadura de um motor síncrono não só requer e recebe uma corrente CA, mas, como qualquer máquina síncrona CA (duplamente excitada), requer também uma excitação CC para o seu campo. Devido à possibilidade de variação da excitação do campo, o motor síncrono CA possui uma característica que nenhum outro tipo de motor CA possui – o fator de potência, no qual ele funciona, pode ser variado à vontade. Uma segunda característica, algo incomum, do motor síncrono trifásico é que ele não tem torque de partida. No instante em que a CA é aplicada ao estator, aparece um campo magnético girante de alta velocidade e este campo passa diante dos pólos do rotor tão rapidamente que o rotor não consegue acompanhá-lo. Portanto, normalmente o rotor do motor síncrono é trazido a essa velocidade através de um pequeno motor de indução com, no mínimo, um par de pólos a menos que o motor síncrono, ou com a utilização de enrolamentos amortecedores onde o enrolamento de campo CC é curto-circuitado enquanto se aplica CA ao estator, trazendo o motor até sua velocidade a vazio como um motor de indução. Combinando o torque de partida elevado do motor de indução de rotor bobinado com as características de funcionamento de velocidade constante e correção de fator de potência inerentes ao motor síncrono, o motor síncrono de rotor tipo simplex (fig. 2.1) encontrou muitas aplicações nos casos em que se requer partida sob carga, além de velocidade constante. Fig. 2.

Quando um motor síncrono funciona sem carga (com ângulo de torque praticamente nulo), a força contra-eletromotriz (fcem) Vg é igual à tensão aplicada , Vt (desprezando as perdas do motor) (fig. 2.4a). Aumentando-se as cargas e os ângulos de torque, a posição da fase de Vg varia com relação à Vt que permite um fluxo de corrente maior no estator para suportar a carga adicional (fig. 2.4b). Vt e Vg não estão mais em sentidos opostos. A sua tensão resultante Vr faz com que uma corrente I flua nos enrolamentos do estator. I se atrasa em relação à Vr de aproximadamente 90º devido à alta indutância dos enrolamentos do estator. q é o ângulo de fase entre Vt e I. Um aumento maior de carga resulta num grande ângulo de torque, que produz um aumento de Vr e I (fig. 2.4c). Fig. 2. Se a carga mecânica for muito alta, o rotor sai de sincronismo e causa uma parada. O valor máximo do torque que um motor pode desenvolver sem perder seu sincronismo é chamado de torque de perda de sincronismo. 2.4 – CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA COM MOTORES SÍNCRONOS Uma vantagem incrível do motor síncrono é que ele funciona com um fator de potência unitário. Variando-se a intensidade do campo CC, o fator de potência de um motor síncrono pode ser ajustado ao longo de uma faixa considerável. Assim, o motor se transforma em uma carga

capacitiva através da linha. Se um sistema elétrico estiver funcionando com um FP indutivo, os motores síncronos ligados através da linha e ajustados para um FP capacitivo podem melhorar o FP do sistema. Qualquer melhora no FP, aumenta a capacidade de fornecimento para a carga, aumenta o rendimento e, em geral, melhora as características de funcionamento do sistema. 2.5 – EXCITAÇÃO CC UTILIZADA PARA ALTERAR O FATOR DE POTÊNCIA DO MOTOR Para uma carga mecânica constante, pode-se variar o FP de um motor síncrono de um valor indutivo para um valor capacitivo ajustando-se a sua excitação de campo CC. A excitação de campo é ajustada de modo que o FP seja igual a 1 (cos q = 1) (Fig. 2.5a). Para a mesma carga, quando se aumenta a excitação de campo, a fcem Vg aumenta. Isto provoca uma defasagem entre a corrente I no estator e a tensão aplicada Vt , de modo que o motor funcione com um FP capacitivo (Fig. 2.5b). Se a excitação de campo for reduzida abaixo do valor representado (Fig 2.5a), o motor funciona com um FP indutivo (Fig. 2.5c). Fig. 2.

2. 6 – CURVAS “V” DE UM MOTOR SÍNCRONO As curvas “V” de um motor síncrono podem ser resumidas, graficamente (fig. 2. 6 ) e determinadas experimentalmente em laboratório, utilizando o esquema visto na fig. 2. 7. Sabe-se que quando é reduzida a corrente de campo de um motor síncrono, uma corrente de armadura Ia , em atraso, é produzida, a qual excede a corrente mínima a um fator de potência unitário ou à excitação normal. Semelhantemente, quando o motor é sobreexcitado, a corrente de armadura também cresce e excede a corrente requerida à excitação normal para desenvolver o torque necessário, para qualquer carga dada. Aplicando-se uma dada carga constante ao eixo de um

Fig. 2. 8 2.7 – CARACTERÍSTICAS DA REDE TRIFÁSICA DE ALIMENTAÇÃO E LIGAÇÕES As tensões trifásicas mais usadas nas redes industriais são: Baixa Tensão: 220 V, 380 V e 440 V Media Tensão: 2.300 V, 4.160 V e 6.600 V O sistema trifásico estrela de baixa tensão, consiste de três condutores de fase (L1, L2, L3) e o condutor neutro (N), sendo este, conectado ao ponto estrela do gerador ou secundário dos transformadores (conforme mostra figura 2. 9 ).

· Ligação estrela-triângulo O enrolamento de cada fase tem as duas pontas trazidas para fora do motor. Se ligarmos as três fases em triângulo, cada fase recebera a tensão da linha, por exemplo, 220V (figura 2. 10 ). Se ligarmos as três fases em estrela, o motor pode ser ligado a uma linha de tensão igual a 220 x √ 3 = 380 V, sem alterar a tensão no enrolamento que continua igual a 220 V por fase, pois, VL = √ 3 Vf Este tipo de ligação exige seis terminais no motor e serve para quaisquer tensões nominais duplas, desde que a segunda seja igual a primeira multiplicada por √ 3. Exemplos: 220/380V - 380/660V - 440/760V Nos exemplos 380/660V e 440/760V, a tensão maior declarada só serve para indicar que o motor pode ser acionado através de uma chave de partida estrela - triângulo. Motores que possuem tensão nominal de operação acima de 600V deverão possuir um sistema de isolação especial, apto a esta condição. · Tripla tensão nominal Podemos combinar os dois casos anteriores: o enrolamento de cada fase e dividido em duas metades para ligação serie - paralelo. Além disso, todos os terminais são acessíveis para podermos ligar as três fases em estrela ou triangulo. Deste modo, temos quatro combinações possíveis de tensão nominal:

1. Ligação triângulo paralelo;
2. Ligação estrela paralela, sendo igual a √ 3 vezes a primeira;
3. Ligação triângulo série, valendo o dobro da primeira;
4. Ligação estrela serie, valendo √ 3 vezes a terceira. Mas, como esta tensão seria maior que 600V, e indicada apenas como referência de ligação estrela - triângulo. Exemplo: 220/380/440(760) V Obs.: 760V (Somente para partida) Este tipo de ligação exige 12 terminais e a figura 2. 11 mostra a numeração normal dos terminais e o esquema de ligação para as três tensões nominais.

RELAÇÕES DE TENSÃO EM MÁQUINAS CA - ALTERNADORES

3 .1 - GENERALIDADES

Estudaremos o uso da máquina síncrona CA como gerador, o chamado alternador , uma vez que produz uma tensão alternativa. Sendo o alternador uma fonte de tensão, preocupamo-nos primeiramente com as relações de tensão na máquina CA, e como são afetadas por cargas resistivas e reativas. Pode-se estabelecer que ; ü O torque eletromagnético (desenvolvido no condutor da armadura que é percorrido por uma corrente) opõe-se à rotação (do campo magnético do rotor em relação à armadura), de acordo com a lei de Lenz. ü A tensão gerada (induzida) na armadura produz uma corrente de armadura. A fase da corrente de armadura em relação à tensão gerada pelo alternador depende da natureza da carga elétrica conectada aos terminais do mesmo. ü A tensão gerada por fase Egf de um alternador mono ou trifásico pode ser estabelecida pela soma Egf = Vf + If Zf onde Vf é a tensão nos terminais por fase do alternador If Zf é a queda de tensão na impedância síncrona interna do alternador.

3. 2 - CONSTRUÇÃO A construção, em geral, das máquinas síncronas, tratam de uma máquina com campo girante e armadura estacionária e é quase universalmente usada para geração de potência elétrica alternada (Fig. 3 .1). Fig. 3.

3. 2 – CIRCUITO EQUIVALENTE PARA MÁQUINAS SÍNCRONAS TRIFÁSICAS

A relação entre a tensão nos terminais e a gerada em máquinas síncronas foi dada na seção 1.1 e o respectivo circuito está representado na fig. 3 .2. Fig. 3. 2

3. 3 – REGULAÇÃO DE TENSÃO DE ALTERNADORES SÍNCRONOS CA PARA VÁRIOS FATORES DE POTÊNCIA As cargas em avanço ou em atraso atuam sobre a tensão gerada pelo alternador e, por sua vez, na regulação de tensão, ou seja : (1) quanto mais baixo for o fator de potência em avanço, maior será o acréscimo da tensão desde a vazio (Egf) até plena carga (Vf); e (2) quanto mais baixo for o fator de potência em atraso, maior será a diminuição da tensão desde a vazio até plena carga. Isto pode ser visto através da representação gráfica, como mostra a fig. 3. Fig. 3.

3. 5 – MÉTODO DA IMPEDÂNCIA SÍNCRONA PARA O CÁLCULO DA REGULAÇÃO DE TENSÃO.

O método utilizado para a determinação a resistência efetiva da armadura por fase é mostrado na fig. 3 .5. Fig. 3. Imagina-se que a armadura esteja ligada em U (mesmo se estiver ligada em D , a hipótese de que a ligação é U produz o mesmo resultado). A resistência a CC por fase é Rcc = leitura do voltímetro = V 2 x leitura do amperímetro 2 x A A resistência CA por fase é obtida multiplicando-se a resistência CC por um fator que varia entre 1,2 e 1,8, dependendo da freqüência, tamanho, capacidade etc. Conforme se estabeleceu acima, o ensaio da impedância síncrona consiste de duas partes :

1. Ensaio a circuito aberto Ò Obtém-se uma curva de magnetização (a vazio) excitando independentemente o alternador, e acionado-o à velocidade síncrona. Um amperímetro CC é ligado ao circuito de campo e um voltímetro CA é ligado a quaisquer dois terminais do estator (fig. 3 .6). Fig. 3.

Em cada caso, a corrente de campo, If , e a tensão gerada por fase, Egf (isto é, VL / 3 ), são registradas e desenha-se uma curva de magnetização como mostra a fig. 3 .7. Fig. 3.

2. Ensaio de curto-circuito (fig. 3 .8) Ò A característica de curto- circuito é tomada ligando-se amperímetros para ler as correntes de linha. A corrente de campo é ajustada a zero, e o alternador é acionado à velocidade síncrona. Faz-se a leitura de pares de correntes, corrente CC de campo versus corrente CA da armadura em curto-circuito. Os resultados são levados a um gráfico como mostra a fig. 3 .7. A curto-circuito, a tensão nos terminais do alternador é zero. Toda tensão gerada por fase Egf é empregada para equilibrar a queda na impedância síncrona interna, Ia Zs , por fase. Fig. 3. 8

Solução : Imaginando que o alternador está ligado em U : a) IN = 10 0 x 10^3 = 52,5 A 3 x^ 1,1 x 10^3 RCC = VCC = 6 = 0,3 W / enrolamento 2 Ia 2x RCA = 0,3 x 1,5 = 0,45 W / fase Zf = Egf = 420 = 8 , 00 W / fase Ia 3 x 52, Xs = Ö Zf^2 - Ra^2 = Ö 82 - 0,45^2 = 7,98 W / fase b) Vf = VL = 1,1 x 10^3 = 635 V / fase 3 3 Ia Ra = 52,5 A x 0,45 W = 23,6 V / fase Ia Xs = 52,5 A x 7, 98 W = 419 V / fase Para FP de 0,8 em atraso Egf = ( Vf cos q + Ra Ia ) + j ( Vf sen q + Ia Xs ) Egf = ( 635 x 0,8 + 23,6 ) + j ( 635 x 0,6 + 419 ) Egf = 530 + j 800 = 960 V / fase R% = V 0 - Vn x 100 Vn R% = 960 - 635 100 635 R% = 51 %

Para FP de 0,8 em avanço Egf = ( Vf cos q + Ra Ia ) + j ( Vf sen q - Ia Xs ) Egf = ( 635 x 0,8 + 23,6 ) + j ( 635 x 0,6 - 419 ) Egf = 530 - j 38 = 531 V / fase R% = V 0 - Vn x 100 Vn R% = 531 - 635 100 635 R% = 16 , 3 %