Conversão de Energia II

Aula 6.3

Máquinas Síncronas

Prof. João Américo Vilela

Departamento de Engenharia Elétrica

Conversão de Energia II

Máquina Síncrona – Representação Fasorial

Motor síncrono – operando sobre-excitado Eaf > Vt (elevada corrente de

campo)

Operando a vazio:

- Pequeno ângulo de potência (δ)

somente para que a corrente de fase Ia

seja suficiente para suprir as perdas.

- A tensão Vt (Va) é fixa fornecida por

uma fonte de alimentação do motor.

senX

VEP

S

aaf

Conversão de Energia II

Máquina Síncrona – Representação Fasorial

Quando uma grande carga mecânica é subitamente aplicada ao eixo do

motor. A primeira reação é causar uma queda momentânea da velocidade,

aumentando apreciavelmente o ângulo de potência e, desta forma, faz

com que exista uma diferença de tensão fasorial entre Va e Eaf. O

resultado é a circulação de uma corrente de armadura maior.

Operando com carga:

- Ângulo de potência (δ) aumenta para

que a corrente de fase Ia seja suficiente

para suprir a potência requerida pela

carga mecânica mais perdas.

- O fator de potência na entrada do motor

aumenta.

- Considerar o motor conectado num

barramento infinito V = constante e X = 0

(tensão constante em modulo e ângulo e

impedância igual a zero).

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Máquina Síncrona – Controle do Fator de Potência

Para uma potência mecânica desenvolvida fixa (ou carga), é possível

ajustar a componente reativa da corrente solicitada da rede pela variação

da corrente de campo cc.

senX

VEP

S

aaf

cos aa IVP

Com a carga fixa, a potência ativa na entrada do motor tem que ser

constante, assim a componente Ia.cos(θ) tem que ser constante.

Para uma carga fixa, através da equação de fluxo de potência verifica-se

que Eaf.sen(δ) tem que ser constate.

Conversão de Energia II

Máquina Síncrona – Controle do Fator de Potência

O aumento da corrente de campo, produz um aumento na tensão interna

da máquina síncrona.

O motor síncrono não tem necessidade de solicitar corrente reativa

sempre que:

Eaf.cos(δ) = Va

Contudo, solicita uma corrente reativa adiantada sempre que:

Eaf.cos(δ) > Va

Uma corrente reativa atrasada sempre que

Eaf.cos(δ) < Va

afe

af

fL

EI

2

A corrente de campo interfere

no fator de potência de entrada

da máquina síncrona.

Conversão de Energia II

Características de um motor síncrono

Máquina Síncrona – Variação de Carga

Variação da carga conectada no eixo

do motor.

O aumento da carga provocando o

aumento do ângulo de potência e

assim, o aumento da potência ativa

consumida pelo motor.

Variação da corrente de campo e por

conseqüência da tensão interna

induzida no motor.

A potência ativa consumida pelo motor

permanece constante, mas seu fator de

potência altera de forma significativa.

Conversão de Energia II

Características de um gerador síncrono operando conectado na rede

Máquina Síncrona – Variação de Carga

Variação da potência que o gerador

está fornecendo para a rede

(barramento).

O aumento do torque mecânica

entregue ao gerador, provocando o

aumento do ângulo de potência e

assim, o aumento da potência ativa

fornecida pelo gerador.

Variação da corrente de campo e por

conseqüência da tensão interna

induzida no gerador.

A potência ativa fornecida pelo gerador

permanece constante, mas seu fator de

potência altera de forma significativa.

Conversão de Energia II

Características de um gerador síncrono operando isolado

As figuras abaixo apresentam o comportamento do gerador com o

aumento de carga, mantendo constante a tensão interna Eaf (corrente de

campo constante).

Máquina Síncrona – Variação de Carga

As figuras apresentam o comportamento

do gerador sobre-excitado com fator de

potência indutivo, sub-excitado com

característica capacitiva e com fator de

potência unitário.

Pequena redução da tensão terminal

com o aumento da carga.

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Máquina Síncrona – Controle do Fator de Potência

Curva V das máquinas síncronas

Curva V do motor síncronas Curva V do gerador síncronas

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Circuito Equivalente – Máquina Síncrona

Diagrama de fluxo de potência do motor síncrono; apenas potência ca

Conversão de Energia II

Exercício

A figura abaixo apresenta diagrama fasorial de uma máquina síncrona.

Com base na figura marque com “V” as questões verdadeiras e com “F”

as falsas:

( ) O diagrama fasorial da figura representa a operação de um

motor síncrono;

( ) A máquina síncrona do diagrama fasorial abaixo apresenta fator

de potência capacitiva para elevada corrente de campo e fator de

potência indutiva para baixa corrente de campo

Fig. 1

Conversão de Energia II

Exercício

Com base nas figura abaixo demonstre de duas formas distintas que a

potência ativa gerada ou absorvida pela máquina síncrona é constante

para os diferentes valores de corrente de campo.

Fig. 1

Conversão de Energia II

Um motor síncrono trifásico de 2000 Hp, 2300 V, fator de potência

unitário, ligado em Y, 30 pólos e 60 Hz tem uma reatância síncrona de

1,95 Ω/fase. Nesse problema, todas as perdas podem ser desprezadas.

a) Calcule a potência e conjugado máximo que esse motor poderá

entregar se ele for alimentado com potência diretamente de um

barramento infinito de 60 Hz e 2300 V. Suponha que a excitação de

campo seja mantido constante com um valor tal que resulte um fator

de potência unitário quando a carga é a nominal.

b) Em vez de um barramento infinito da parte (a), suponha que o motor

seja abastecido com potência a partir de um turbogerador trifásico,

ligado em Y, 2300 V, 1500 kVA, dois pólos e 3600 rpm cuja reatância

síncrona seja 2,65 Ω/fasa. O gerador é acionado com a velocidade

nominal e as excitações de campo, do gerador e do motor, são

ajustadas de modo que o motor opere com fator de potência unitário e

tensão terminal nominal à plena carga. Calcule a potência e o

conjugado máximo, correspondente a esses valores de excitação de

campo, que podem ser fornecidos.

Exercício

Exercício

Conversão de Energia II

VEQ

Eaf

Ia

jXS.Ia

Fig.2

Um motor síncrono trifásico de 2000 Hp, 2300 V, fator de potência unitário, ligado

em Y, 30 pólos e 60 Hz tem uma reatância síncrona de 1,95 Ω/fase. Nesse

problema, todas as perdas podem ser desprezadas e o motor está operando

com potência de saída constante. Esse motor está sendo alimentado

diretamente de um barramento infinito de 60 Hz e 2300 V. Supondo que o motor

está operando com fator de potência unitário conforme a figura abaixo e com

corrente de armadura de 350 A. Com base nessas informações calcule o valor de

Eaf para que o motor passe a operar com fator de potência 0,9 capacitivo.

Obs. 1HP = 746W.