Daniel vem desenvolvendo suas atividades dentro do seu estágio, de uma maneira proveitosa e logrando bastante êxito nos seus estudos relacionados às máquinas elétricas. Ele, em cada bancada que esteve, deu o melhor de si. Compreendeu que o conhecimento sobre a área das máquinas elétricas é totalmente possível se houver dedicação e o apoio de um bom arsenal de materiais para esse estudo.
Como sabemos, ele já passou por diversas etapas do estágio e agora está na bancada das máquinas síncronas, sob a supervisão do engenheiro Eder. Eder está muito contente com o desempenho e demonstração de interesse de Daniel. O avanço do nosso colega no conhecimento sobre as máquinas síncronas é realmente de encher os olhos.
Daniel, curioso como é, perguntou a Eder sobre um artifício gráfico denominado curvas de capacidade, que encontrou em uma das obras pelas quais estuda sobre os geradores síncronos. Eder, sem querer entregar diretamente todas as informações sobre o tema, sugeriu que Daniel fosse à biblioteca da indústria e pesquisasse mais sobre as curvas de capacidade e só voltasse de lá quando conseguisse, de maneira inequívoca, definir as tais curvas e pesquisar sobre a sua aplicabilidade.
Vamos continuar acompanhando o Daniel nesta etapa de estudo dentro do estágio e, para isso, esta seção do livro didático se concentrará em apresentar o assunto relativo às curvas de capacidade e processo matemático para traçá-las, e um outro conjunto gráfico, denominado curvas V, que relaciona as correntes de campo e de armadura, objetivando o controle do fator de potência e o desenvolvimento do raciocínio para se determinar o rendimento de uma máquina síncrona em um determinado ponto de operação.
O propósito desta seção é estabelecer um vínculo de adequação e de concordância, entre as equações que cercam o estudo das máquinas síncronas, com aparatos gráficos que ajudem os estudantes da área de tecnologia a alcançarem um nível de excelência na compreensão desse tipo de máquina.
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Não pode faltar
O gerador síncrono
Já temos um bom conhecimento sobre as máquinas síncronas e tratamos dessas máquinas de uma maneira mais geral, observando o seu circuito equivalente e estabelecendo as figuras de mérito para um perfeito entendimento do seu princípio de funcionamento. Nesta seção, vamos nos concentrar nos geradores síncronos, que compõem a classe de máquinas elétricas que geram a maior parte da energia consumida no planeta.
Como já foi mencionado na seção inicial desta unidade do nosso livro didático, as máquinas síncronas, dentre elas os geradores, recebem esta nomenclatura porque a frequência elétrica produzida está em sincronismo com a velocidade mecânica de rotação do rotor. O rotor de um gerador síncrono consiste basicamente de um eletroímã que é alimentado por uma corrente contínua. O posicionamento do rotor, sob giro constante, determina a direção do campo magnético presente nele, no rotor. A relação entre a velocidade elétrica de rotação dos campos magnéticos do rotor da máquina e a frequência elétrica do sinal do estator pode ser descrita na Equação 4.27.
(4.27)
120
mse
n P
f =
Onde: fse é a frequência elétrica (em Hz);
n
m é a velocidade mecânica do rotor nas máquinas síncronas em rpm (por consequência, é a velocidade do campo magnético ali presente) e P é o número de polos da máquina.O circuito equivalente típico da máquina síncrona funcionando como um gerador é apresentado na Figura 4.15. Cabe destacar que nesta imagem vemos apenas uma das fases da máquina.
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Máquinas síncronas Figura 4.15 | Circuito equivalente do gerador síncrono
Figura 4.16 | Diagramas fasoriais (a) com fator de potência unitário, (b) com fator de potência atrasado e (c) com fator de potência adiantado
Fonte: adaptada de Chapman (2013).
Fonte: adaptada de Chapman (2013). Assimile
É muito importante entender o significado físico do sentido da corrente de armadura. Esse sentido determina a forma de operar da máquina síncrona: como motor ou como gerador.
Com base no circuito equivalente, estabelecemos a relação entre a tensão gerada internamente (
E
a), controlada pela corrente de campo (If ), com a tensão nos terminais de uma fase do geradorV
a (Equação 4.28).ˆ
aˆ
a(
a a)ˆ
aE V= +
R
+
jX I
(4.28)Onde:
Iˆ
a é a corrente de armadura e o arranjoR
a+
jX
a é a impedância de armadura.Observando o circuito elétrico da Figura 4.27, o diagrama fasorial monofásico desse tipo de máquina fica bem mais simples de ser entendido. A Figura 4.16 mostra um conjunto de diagramas fasoriais monofásicos, levando em consideração diversas situações de fator de potência.
a)
b)
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188 Máquinas síncronas
(4.29)
Dessa forma, conseguimos nos apoderar mais ainda dos conceitos das diversas potências presentes no funcionamento do gerador síncrono, entendendo que a potência aparente (S), por unidade, é obtida pela Equação 4.29.
a a
S V I=
Onde:
V
a é a tensão nos terminais de uma das fases do gerador eI
a é a corrente de armadura de uma das fases.Curvas de capacidade do gerador síncrono
Se tivéssemos que eleger as grandezas mais preponderantes presentes no entendimento do funcionamento da máquina síncrona, certamente passaríamos pela tensão de terminal, pela corrente de campo (que controla a tensão gerada internamente) e a corrente de armadura. No caso do gerador síncrono, juntaremos a essas grandezas o rendimento e o fator de potência, e suas interdependências. Nas máquinas elétricas, tipicamente, temos fator de potência atrasado. É sempre bom relembrar. Uma vez entendido o princípio de funcionamento, passamos a identificar os valores nominais de um gerador síncrono, que geralmente são descritos pela potência aparente máxima, que poderá ser demandada continuamente da máquina. Essa potência geralmente é apresentada em kVA ou em MVA. Outro dado apresentado no conjunto de especificações da máquina é o fator de potência. Adicionalmente, os geradores síncronos apresentam, tipicamente, uma tensão de terminal que atinge valores que variam de 95% a 105% do valor de tensão nominal da máquina. Geralmente, dentre os valores requeridos pela carga, estarão a potência ativa e a tensão de alimentação. O fator preponderante aqui é saber que a potência reativa, consequentemente presente no conjunto da geração, tem fator limitador centrado no perigo causado por sobreaquecimento tanto do enrolamento de armadura, quanto do enrolamento de campo. Assim surge a importância da curva de capacidade do gerador síncrono, que pode ser entendido como sendo um conjunto de curvas que delimitam a região de operação segura de um gerador síncrono. A Figura 4.17 mostra um conjunto típico de curvas de capacidade para um turbogerador de grande porte refrigerado com hidrogênio. A quantidade de informação apresentada na curva de capacidade é enorme.
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Máquinas síncronas Figura 4.17 | Exemplo de uma curva de capacidade de um turbogerador
Fonte: Umans (2014).
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Note na Figura 4.17 as regiões de aquecimento dos enrolamentos e as curvas que mostram as pressões do Hidrogênio que está sendo usado para resfriar a máquina. Leia, para obter mais informações, o Capítulo 5 de Umans (2014).
Essas informações são uma espécie de matéria-prima para os profissionais que lidam cotidianamente com as máquinas síncronas. Aos profissionais que lidam com os projetos de sistemas de potência cabe a tarefa de, ao planejar modificações dos sistemas, identificar qual o conjunto de máquinas pode atender à demanda estabelecida pela carga presente no sistema. Ao operador de máquinas cabe interpretar as curvas de capacidade e verificar periodicamente se a resposta requerida pelas alterações de carga cabe dentro das regiões de operação recomendadas para uma máquina ou para um conjunto delas.
Vamos desenvolver o raciocínio e o equacionamento para a obtenção das curvas de capacidade de um gerador síncrono, para estabelecer a sua região de operação, sob condições de tensão de terminal e corrente de armadura constantes, buscando o valor máximo permitido pelas limitações de aquecimento dos enrolamentos. Assim, buscaremos estabelecer o valor constante corresponde de potência aparente de saída. Já temos em mente o que a Equação 4.29 descreve como sendo a potência aparente de uma fase de um gerador síncrono. Vamos estabelecer outra relação para esta potência aparente, conforme Equação 4.30.