1.
Introdução
As máquinas síncronas constituem uma das famílias de máquinas elétricas mais importantes. Por serem reversíveis, podem funcionar como gerador, transformando energia mecânica em elétrica, ou como motor, que transforma energia elétrica em mecânica. Devido a razões construtivas e ao seu custo maior em relação às máquinas de indução, elas são mais utilizadas como geradores. A maior parte da energia elétrica consumida no mundo são produzidas por geradores síncronos. Já os motores síncronos são utilizados por possuírem uma velocidade garantida em função da frequência e pelo fato de seu fator de potência ser regulável.
Como motores elas são em geral utilizadas em altas potências (acima de 600 CV), pois apresentam vantagens importantes em relação aos motores de indução. Além disso, máquinas síncronas a imãs permanentes vêm tendo uma utilização cada vez maior em baixas e médias potências, especialmente quando se necessita de velocidade variável, alto rendimento e respostas dinâmicas rápidas.
Tanto as máquinas síncronas tradicionais de rotor bobinado como as máquinas síncronas a imãs permanentes necessitam em geral um conversor para o seu acionamento e controle, caso seja necessário que elas operem como motor com velocidade variável.
Segundo o vocabulário eletrotécnico internacional, "uma máquina síncrona é uma máquina de corrente alternada na qual a frequência da tensão induzida e a velocidade possuem uma relação constante". VEI 411-01.06
O nome síncrono é devido ao fato de esta máquina operar com uma velocidade de rotação constante sincronizada com a frequência da tensão elétrica alternada aplicada aos terminais da mesma. Essa velocidade é calculada através da fórmula ns = 120 x f / p, sendo ns a velocidade síncrona em rpm, f a frequência em Hz e p o número de polos da máquina. O campo magnético girante, resultante da interação entre as forças magneto motrizes devido às correntes alternadas senoidais trifásicas, gira à mesma velocidade do rotor.
2.
Aplicações
As máquinas síncronas são usadas primeiramente como unidades geradoras em usinas hidroelétricas, usinas nucleares ou termoelétricas. Motores síncronos de grande porte são utilizados como bombas e em aplicações de potência fracionaria como relógios elétricos, temporizadores e outras aplicações. Na indústria, os motores síncronos são utilizados em aplicações em que a velocidade constante é necessária.
3.
Principais Partes Construtivas
3.1.
Estator
É o induzido da máquina síncrona, seu núcleo é composto de chapas laminadas com ranhuras axiais, as chapas têm por função permitir uma indução magnética intensa. Elas criam um caminho magnético sem resistência significativa para o fluxo, diminuindo a dispersão do fluxo e concentrando o campo no entreferro. Deve ser constituído por um material com pequenas perdas no ferro e as chapas são geralmente tratadas termicamente a fim de reduzir essas perdas.
O enrolamento do estator é constituído por condutores (cobre), isolados e colocados em cavas distribuídas na periferia, podendo o número de cavas por polo e fase atingir um número elevado. Em sua maioria as máquinas síncronas são trifásicas, mas também podem ser monofásicas, sendo essas mais utilizadas em pequenas potências ou quando não existe uma rede trifásica disponível.
As bobinas construídas para baixas tensões são formadas de fios com seção circular e esmaltados com ranhuras do tipo semiabertas, já nos enrolamentos de alta tensão os condutores são de seção retangular e as bobinas recebem uma camada extra de isolação com material a base de mica, com ranhuras do tipo aberta.
A conexão dos enrolamentos, pode ser feita para ligação série-paralela, estrela-triangulo e máquinas com tripla tensão nominal.
3.2.
Rotor
O rotor, onde se localiza o indutor, é constituído por um enrolamento monofásico alimentado por corrente contínua. O rotor também é formado de chapas laminadas justapostas que diminui as perdas provocadas por correntes parasitas.
Máquinas Síncronas
Ana Clara Frota Quintelas
, Barbara Canuto Esser,
Camilla de Oliveira Souza, Ernani Parmegiani
Existem dois tipos principais de rotores, os de polos salientes e de polos lisos. Em maquinas de pequena potência o uso de ímãs permanentes pode substituir esses enrolamentos.
As máquinas de rotor de polos lisos têm os condutores montados em cavas e distribuídos ao longo da periferia. Tem rotores mais robustos sendo aptos a trabalharem em altas rotações (3600 e 1800 rpm) e empregam um número de polos reduzido (2 ou 4). O diâmetro destas máquinas é relativamente pequeno (D < 1,10m), comprimento bastante grande (5 a 6 m) e momento de inercia muito menor do que o de uma máquina de polos salientes equivalente.
Já as máquinas de polos salientes, em que o enrolamento é constituído por bobinas concentradas em torno das cabeças polares, é utilizada normalmente um elevado número de polos (igual ou superior a 4), tem baixa velocidade de rotação e são maiores em diâmetro do que em profundidade.
3.3.
Enrolamento amortecedor
Terceiro enrolamento que pode ser colocado no rotor, do tipo gaiola, é alojado em ranhuras semiabertas e tem formato redondo sobre a superfície do rotor. Ele amortece oscilações que ocorrem em condições transitórias, como por exemplo uma retirada brusca de carga, alterações súbitas de tensão, variações de velocidade, etc.
Quanto estão fora do sincronismo circulam correntes neste enrolamento, em uma frequência de escorregamento, que pela lei de Lenz criam binário com sentido oposto à variação, tendendo a repor a situação de sincronismo. Em condições normais e em regime permanente não há nem tensão nem corrente induzida neste enrolamento, as suas dimensões são, portanto, reduzidas. Este enrolamento amortecedor possibilita ainda o arranque assíncrono de uma máquina síncrona.
3.4.
Escovas e Anéis
Têm por função conectar a fonte de corrente contínua exterior com os polos do rotor, fazendo uma ligação elétrica, na qual a regulação da corrente de excitação pode ser feita variando o valor da tensão de alimentação ou através de resistências exteriores.
Por se tratar de componentes que se desgastam, que podem produzir faíscas e interferência eletromagnética, em geral são substituídos por brushless, usados em grande maioria nos geradores de média e baixa potência.
Os brushless são feitos por enrolamentos auxiliares que se deslocam num campo magnético, seu movimento relativo em relação ao campo provoca uma f.e.m. induzida alternada, que por meio de retificadores é transformada numa tensão contínua e aplicada diretamente ao enrolamento de excitação.
4.
Geradores Síncronos
Geradores síncronos ou alternadores são máquinas síncronas usadas para converter energia mecânica em energia elétrica.
As máquinas síncronas funcionando como gerador são utilizadas em sua grande maioria em centrais elétricas, independente do seu tipo (hídrica, a carvão, a diesel, etc.). São utilizadas também para geração de energia elétrica em centrais de pequeno porte e em grupos geradores de emergência, os quais são instalados em indústrias, hospitais, aeroportos, etc. Neste caso o gerador não está ligado a um grande sistema de energia, mas funcionando de forma isolada.
4.1.
Princípio de funcionamento
Ao operar como gerador, a energia mecânica é fornecida à máquina pela aplicação de um torque e pela rotação do eixo/veio da mesma. A fonte de energia mecânica pode ser, por exemplo, uma turbina hidráulica, a gás ou a vapor. Estando o gerador ligado à rede elétrica, a tensão em seus terminais é ditada pela frequência de rotação e pelo número de polos: a frequência da tensão trifásica da máquina.
Para que a máquina síncrona seja capaz de efetivamente converter a energia mecânica aplicada no seu eixo/veio, é necessário que o enrolamento de campo localizado no rotor da máquina seja alimentado por uma fonte de tensão contínua de forma que ao girar o campo magnético gerado pelos polos do rotor tenham um movimento relativo aos condutores dos enrolamentos do estator.
Devido a esse movimento relativo entre o campo magnético dos polos do rotor, a intensidade do campo magnético que atravessa os enrolamentos do estator varia no tempo, e assim teremos, pela lei de Faraday, uma indução de tensões aos terminais dos enrolamentos do estator. Devido à distribuição e disposição espacial do conjunto de enrolamentos do estator, as tensões induzidas aos seus terminais são do tipo alternadas senoidais, podendo ser monofásicas ou trifásicas.
A corrente elétrica utilizada para alimentar o campo (enrolamento do rotor) é denominada corrente de excitação. Quando o gerador está a funcionar de forma isolada de um sistema elétrico (ou seja, o sistema estará sendo alimentado exclusivamente pelo gerador síncrono.) a forma de onda e a frequência da tensão deste sistema "ilhado" serão ditados pelo gerador e a excitação do campo irá controlar diretamente a tensão elétrica gerada. Quando o gerador está conectado a um sistema/rede elétrica que possui diversos geradores interligados, a excitação do campo irá controlar a potência reativa que a máquina vai entregar ao sistema podendo eventualmente controlar indiretamente a tensão local.
4.2.
Valores Nominais
a)
Tensão Nominal
É a tensão de trabalho do enrolamento do estator. Existem máquinas de baixa tensão (tensão abaixo de 600 volts) e máquinas de alta tensão (tensão acima de 600 volts). Quando o gerador não estiver ligado a um grande sistema,
deve-se prover a máquina de um regulador de tensão, o qual atua na fonte de corrente contínua que alimenta os polos do rotor e tem por função manter a tensão no valor nominal.
b)
Potência Nominal
É a potência aparente fornecida ao circuito elétrico conectado aos terminais do gerador, dada pela seguinte equação:
Pe = Vl ⋅Il (monofásico) Pe = √3. Vl ⋅Il (trifásico)
A potência ativa fornecida pelo gerador depende da característica da carga, sendo dada pelas expressões:
Pe = Vl ⋅Il . cos(ϕ) (monofásico) Pe = √3. Vl ⋅Il cos(ϕ) (trifásico)
cos(ϕ)- fator de potência do gerador (igual ao da carga quando o gerador trabalha isolado)
ll- Corrente de linha
Vl - Tensão de linha
Considerando o caso em que o gerador trabalha de forma isolada, ou seja, desconectado de um grande sistema de energia, o fator de potência com que o gerador trabalha depende exclusivamente da característica da carga a ele ligada. A potência ativa e reativa fornecida pelo gerador é neste caso idêntica à da carga a ele ligada.
Considerando, por outro lado, que o gerador trabalhe conectado a um grande sistema de energia com tensão e frequência fixas, pode-se controlar a quantidade energia reativa, e o fator de potência com que o gerador trabalha, controlando-se a corrente de excitação do mesmo. Contudo, a faixa de operação do fator de potência deve ser respeitada.
c)
Rendimento
O rendimento para a máquina funcionando como gerador é dado pela equação:
η = 100 (%) . (Pm – Pp)/ Pm
η - rendimento em percentual (%)
Pm - potência mecânica fornecida pela máquina primária no
eixo (Watt) Pp - perdas (watt).
d)
Frequência
A frequência da tensão gerada depende assim da velocidade de giro e do número de pólos, de acordo com a equação:
f=(ns.p) /120 (Hz)
f - freqüência (Hz) da tensão gerada. p - número de pólos da máquin
ns - rotação da máquina primária (rpm).
e)
Tensão interna gerada
A magnitude da tensão induzida por fase no estator é: Ef= √2 . π .Kp . Kd .φ .f
A tensão depende do fluxo, da frequência ou da velocidade de rotação e da construção da máquina. Reescrevendo de uma forma mais simples:
Ef= K .φ . ω
4.3.
Medição dos parâmetros do modelo do
gerador síncrono
- Relação entre a corrente de campo e o fluxo - Reatância síncrona
- A resistência de armadura
Esses parâmetros são encontrados a partir de dois testes, denominados de teste de circuito aberto e teste de curto circuito.
a)
Teste de circuito aberto:
O gerador é acionado na velocidade nominal e os terminais permanecem sem carga. A corrente de campo é, então, gradualmente aumentada e registra-se o valor da tensão terminal em cada instante. Com esta característica é possível achar a tensão terminal para qualquer corrente de campo
b)
Teste de curto circuito:
Neste ensaio cada uma das fases do estator é curto-circuitada através de um amperímetro. A máquina é conduzida à velocidade de sincronismo pela máquina primária. Mede-se então as correntes no estator para diversos valores da corrente de excitação If , e determina-se o valor médio das três fases.
5.
Motores Síncronos
O motor síncrono é responsável por transformar energia elétrica em energia mecânica. Nele, a energia elétrica é fornecida à máquina pela aplicação de tensões alternadas trifásicas aos terminais dos enrolamentos do estator, além disso os enrolamentos de campo do rotor são alimentados por uma fonte de tensão contínua. Como as tensões aplicadas aos enrolamentos do estator são alternadas e trifásicas, circulará nos mesmos um conjunto trifásico de correntes alternadas de mesma frequência que a tensão, essas correntes trifásicas produzirão campos magnéticos também alternados que variam no tempo.
Além disso, devido à disposição espacial dos enrolamentos no estator, esses campos magnéticos variantes no tempo também irão circular pelo estator, de forma que o campo magnético resultante irá rodar em torno da circunferência do estator com velocidade angular proporcional à frequência da tensão alternada aplicada nos enrolamentos. Este campo que circula em torno da circunferência do estator também é conhecido como campo girante.
Assim, quando um dos polos do campo magnético constante no tempo gerado pelo enrolamento de
campo do rotor interagir com o campo girante resultante do estator, tentará alinhar-se com o polo de sinal oposto, e como o polo do campo girante do estator está a girar, surgirá no rotor um binário de forças que gerarão um torque de forma que o rotor gire e mantenha os campos do enrolamento de campo do rotor e o campo girante do estator alinhados.
Com o surgimento do torque, o rotor girará seguindo o sentido e velocidade do campo girante do estator, logo, a velocidade angular do motor Síncrono estará sincronizada com a frequência da tensão alternada aplicada aos enrolamentos do estator.
Antes de se submeter o motor síncrono à carga, ele deve ser levado à velocidade de sincronismo. Todos os métodos de partida exigem que, durante a aceleração, se proceda à remoção total ou, pelo menos, parcial de carga.
Usam-se os seguintes métodos de partida:
• Partida própria, pela ação de um motor de indução auxiliar.
• Emprego de motor de lançamento auxiliar.
• Partida com tensão reduzida por meio de autotransformador de partida, reator ou resistência em série.
Nos motores síncronos, a rotação do eixo é igual à rotação síncrona, daí seu nome. Dentro dos limites aceitáveis de trabalho do motor, a velocidade praticamente não varia com a carga.
Os motores síncronos possuem como características essenciais a garantia da velocidade dada a frequência de alimentação e o controle sob o fator de potência.
Quando superexcitados fazem com que a corrente avance em relação à tensão, agindo assim de forma análoga ao capacitor, melhorando o fator de potência de uma instalação.
a)
Fator de Potência
Aparentemente, a potência necessária para o motor executar o seu trabalho seria o produto entre a tensão e a corrente, porém, para o motor transformar a energia elétrica em mecânica, ele necessita magnetizar os circuitos magnéticos do rotor e do estator. Desta forma, este produto entre a tensão e a corrente engloba dois componentes distintos de potência:
- Um componente relacionado ao trabalho mecânico e perdas.
- Um componente para assegurar a existência dos campos magnéticos
b)
Potência aparente
A potência aparente é definida como o produto entre a tensão e a corrente que é fornecida ao motor elétrico e é expressa em volt-ampère (VA). Para circuitos monofásicos é dada pela equação S = V x I. Para circuitos trifásicos, pela equação S = √3 x V x I.
c)
Potência reativa
A potência reativa é definida como a parcela de potência associada à magnetização dos circuitos magnéticos e é expressa em volt-ampère reativo (VAr). Para circuitos monofásicos, é dada pela equação Q = V x I x sen θ. Para circuitos trifásicos, pela equação Q = √3 x V x I x sen θ.
d)
Potência ativa
A potência ativa é definida como a parcela de potência que o motor realmente converte em energia mecânica, utilizada para acionar a carga, associada às perdas internas. Para circuitos monofásicos é dada pela equação P = V x I x cos θ. Para circuitos trifásicos, pela equação P = √3 x V x I x cos θ. A unidade de potência ativa é o watt.
O triângulo de potências é um recurso gráfico utilizado para representar as três potências: aparente, ativa e reativa. A potência aparente é a soma vetorial das duas primeiras. Dessa forma, o gráfico tem a forma de um triângulo retângulo denominado triângulo de potências, representado na figura abaixo.
A equação resultante da composição vetorial dessas três potências é S² = P² + Q². O ângulo θ representa o ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente em um circuito elétrico em corrente alternada. Dessa maneira, a equação FP = cos θ = P/S. define matematicamente o fator de potência. É importante, tanto para o usuário quanto para a companhia fornecedora de energia elétrica, que se drene corrente com fator de potência elevado.
A correção do fator de potência pode ser feita através da instalação de capacitores individuais próximos às cargas reativas, de um banco de capacitores ou utilizando-se motores síncronos trabalhando de forma superexcitada. A maneira pela qual será realizada a correção do fator de potência deve ser resultado de um estudo técnico e econômico. Entretanto, a forma mais comumente empregada é a instalação de um banco de capacitores com comutação automática.
Outra informação pertinente sobre os motores é que quando submetidos a uma carga excessiva, os motores síncronos perdem o sincronismo e param. Apesar de girar a uma velocidade constante, a máquina síncrona perde seu sincronismo e para se um torque muito elevado for aplicado ao eixo do motor. O ângulo de torque δ, ângulo entre a tensão aplicada e a tensão induzida devido ao fluxo de campo, não deve exceder 90 graus. A curva de torque em função do
ângulo de torque é obtida através da equação T=Tmax x sen(δ).
O funcionamento do motor síncrono é função desse ângulo. A potência relaciona-se com o torque através de uma constante. Dessa forma, variam igualmente com a variação do ângulo de torque. Por isso são usados em máquinas de grande potência e baixa rotação.
A figura abaixo mostra um gráfico da potência e do torque em função do ângulo de torque.
6.
Conclusão
Dadas as informações presentes nesse trabalho, conclui-se que máquinas síncronas exercem, atualmente, papel fundamental em diversos segmentos. Podem gerar energia elétrica, através dos geradores síncronos e também são capazes de fazer o caminho inverso, transformando a energia elétrica em energia mecânica, papel dos motores.
Apesar da grande importância dos motores, os geradores síncronos são mais utilizados, sendo a maioria da energia consumida nas indústrias, residências e cidades provenientes deles. Pode ser aplicado na geração a diesel ou gás, hidro geradores, turbo geradores (a vapor), geradores eólicos, entre outros. Por outro lado, os motores síncronos permitem o fácil controle e correção do fator de potência, são mais econômicos em baixas velocidades e possuem bom rendimento.
