2017 2 Motores Síncronos v1

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ACIONAMENTOS ELÉTRICOS:

MOTORES SÍNCRONOS

Notas de Aula – Técnico em Automação Industrial Prof. Thiago Morais Parreiras

Referências:

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MOTOR SÍNCRONO: CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS

• O estator de um motor síncrono é construído de forma idêntica ao de um motor de indução.

• As principais diferenças construtivas e de

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MOTOR SÍNCRONO: O ESTATOR

• O estator é ranhurado internamente; nas ranhuras são

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PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO: CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE

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• Invertendo-se duas fases na alimentação do estator, inverte-se também o inverte-sentido de giro do campo magnético.

• TESTE: passe os últimos 6 slides no sentido inverso.

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MOTOR SÍNCRONO: O ROTOR

• O rotor do motor síncrono é essencialmente um grande eletroímã.

• Uma corrente CC é fornecida a esse enrolamento de campo

por um circuito externo de forma a produzir o campo magnético de rotor.

• Como o rotor está girando, um arranjo especial será

necessário para levar a potência CC até os enrolamentos de campo.

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• Os anéis coletores são anéis de metal que envolvem

completamente o eixo da máquina, mas são isolados deste.

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• Uma escova estacionária

está em contato com cada anel coletor.

• Uma escova é um bloco de

carbono semelhante a grafite que conduz

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• Os polos magnéticos do rotor podem ser construídos de duas formas: salientes ou não salientes (rotor cilíndrico).

• O termo saliente significa “protuberante” ou “que se projeta

para fora”. O polo saliente é um polo magnético que se

sobressai radialmente ao motor.

• Por outro lado, um polo não saliente é um polo magnético com os enrolamentos encaixados e nivelados com a

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• A corrente de campo 𝐼_𝐹 do motor produz um campo magnético 𝐵_𝑅 em regime permanente;

• As correntes trifásicas no enrolamento de armadura

produzem um campo magnético girante 𝐵_𝑆.

• Há dois campos magnéticos

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• O campo do rotor tenderá a se alinhar com o campo do estator.

• O princípio básico de operação do motor síncrono é que o rotor

“persegue” em círculo o campo

magnético girante do estator, sem nunca se alinhar com ele.

• A velocidade do rotor é igual a velocidade síncrona. Não há escorregamento!

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PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO: VELOCIDADE SÍNCRONA

• A velocidade síncrona é definida pela velocidade de rotação do campo magnético girante:

𝑛_𝑠 = 120 ∙ 𝑓_{𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠}

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• Imagine um motor síncrono de 60 Hz inicialmente parado;

• Subitamente, é aplicado o campo magnético girante no estator;

• No instante t = 0 s, foi assumido que 𝐵_𝑅 e 𝐵_𝑆 estão perfeitamente alinhados.

• Logo, não há força de atração (não há torque).

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• Decorrido ¼ do período da tensão

senoidal, que corresponde a 4,16 ms, o campo 𝐵_𝑆 já se moveu 90º no

espaço no sentido anti-horário;

• Devido a inércia mecânica, o rotor mal se moveu;

• Existe, agora, uma força de atração (torque) no sentido anti-horário;

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• Decorrido ½ período da tensão

senoidal, que corresponde a 8,33 ms, o campo 𝐵_𝑆 está agora a 180º no

espaço em relação a 𝐵_𝑅;

• O rotor não conseguiu acompanhar o campo devido ao curto intervalo de tempo;

• Novamente, não há torque.

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• Decorrido ¾ do período da tensão

senoidal, que corresponde a 12,5 ms, o campo 𝐵_𝑆 está agora em outra

posição a 90º no espaço em relação a

𝐵_𝑅;

• Agora há uma força de atração (torque) no sentido horário;

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• Por fim, decorrido um período completo da tensão senoidal (16,67 ms), o campo 𝐵_𝑆 está

novamente em fase com o campo

𝐵_𝑅;

• Novamente, não há torque.;

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• Durante um ciclo elétrico, o conjugado era primeiro anti-horário e em seguida, anti-horário;

• Desse modo, o conjugado médio durante o ciclo

completo é zero;

• O motor síncrono não possui conjugado de partida próprio;

• O que acontece é que ele vibra intensamente e

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• Como se pode dar a partida de motores

síncronos?

• Três abordagens básicas podem ser utilizadas:

• Reduzir a velocidade de campo magnético do estator

• Usar uma máquina motriz externa

• Usar enrolamentos amortecedores

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• Reduzir a velocidade de campo magnético do estator a um

valor suficientemente baixo para que o rotor possa acelerar e entrar em sincronismo durante um semiciclo de rotação

magnética;

• Necessita de equipamentos eletrônicos de potência

(conversores estáticos) para permitir a variação da frequência de alimentação ao estator;

PARTIDA DE MOTORES SÍNCRONOS

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• Usar uma máquina motriz externa para acelerar o motor

síncrono até a velocidade síncrona e, em seguida, passar pelo procedimento de entrar em paralelo, conectando a máquina à linha como um gerador. A seguir, ao desativar ou desconectar a máquina motriz, a máquina síncrona torna-se um motor.

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• Indubitavelmente, o modo mais popular de dar partida a um

motor síncrono é empregando

enrolamentos amortecedores;

• Esses enrolamentos são barras instaladas sobre o polo do rotor e curto-circuitadas através de

um anel de curto-circuito;

• Se assemelha muito a gaiola de

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• Esse enrolamento permite que seja dada a partida ao motor síncrono da mesma forma que em um

motor de indução;

• Ao atingir uma velocidade próxima

ao sincronismo, o circuito de

campo é energizado e o motor é capaz de sincronizar com o campo girante;

• No sincronismo, não há movimento

relativo entre o campo e esse enrolamento amortecedor e,

portanto, deixa de existir indução no mesmo.

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MOTOR SÍNCRONO: RESUMO EM VÍDEO

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• Uma característica

interessante e adicional do motor síncrono é que,

devido ao fato de se poder controlar a produção de

campo no rotor

(excitação), pode-se controlar o fator de potência do motor.

MOTORES SÍNCRONOS: CONTROLE DE FATOR DE POTÊNCIA

Campo

Armadu

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• O motor pode operar com corrente em atraso em relação a tensão (fator de

potência indutivo), em avanço em relação a tensão (fator de potência

capacitivo) ou sem nenhuma defasagem (fator de potência unitário).

MOTORES SÍNCRONOS: CONTROLE DE FATOR DE POTÊNCIA

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MOTORES SÍNCRONOS COMPARADOS AOS MOTORES DE INDUÇÃO

• VANTAGENS:

• Velocidade de eixo constante e independente da carga (desde que respeitadas as condições nominais de alimentação, excitação e

carregamento);

• Possibilidade de controle do fator de potência, permitindo o

ajuste da potência reativa conforme a necessidade do restante do sistema;

• DESVANTAGENS:

• Maior periodicidade e custo de manutenção, em especial devido a presença das escovas de grafite;

• Maior custo inicial;

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• Corrente Nominal: é a corrente que ocorre para a condição de carga nominal e alimentação nominal do motor (tensão e frequência). Pode ser calculada por:

MOTORES SÍNCRONOS: CORRENTE NOMINAL

𝐼_𝑛 = 𝑃𝑛

3 ∙ 𝑉_𝑛 ∙ 𝜂 ∙ cos 𝜙

𝐼_𝑛 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐴 𝑉_𝑛 = 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑉

𝜂 = 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜

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MOTORES SÍNCRONOS: DADOS DE PLACA

• Qual o

rendimento?

• Qual o número de polos?

• Qual a potência consumida pelo circuito de

campo