Máquinas Sincronas são equipamentos que podem atuar como Gerador e Motor. Possuem um ROTOR (parte móvel) e um ESTATOR (também chamado de Armadura), na parte fixa encontram-se conjunto de bobinas instaladas defasadas uma das outras por 120 graus mecânicos.
A bobina de campo do ROTOR é alimentado em corrente continua, através de uma corrente de campo (If) que produz no ROTOR um campo Mágnético fixo, como o de um ima permanente. A diferença é que com a alteração da corrente de campo permite aumentar ou diminuir o campo magnético (Fluxo Magnético). Conforme pode ser visto nesse esquemático lúdico da Figura 1.
O ROTOR é acoplado mecanicamente a uma máquina Primária, que pode ser ( Turbina Hidráulica, Vapor, Nuclear, etc) que opera em uma dada velocidade e um torque.
O ROTOR, que através de sua corrente de campo (If) criou um campo/Fluxo Magnético, ao ser acoplado a uma máquina primária girando em velocidade Wm, produz um campo variável no tempo, desse modo corta as bobinas do ESTATOR induzindo tensões eletricas em sincronia com a velocidade da máquina primária.
Observe na figura abaixo, onde tem a relação da velocidade em rpm da máquina primária com a frequência elétrica induzida.
Então como exemplo imaginemos uma máquina com dois polos no ROTOR, e no ESTATOR um conjunto de bobinas defasadas 120 graus mecânicos, ligados em estrela formando um gerador trifásico. Considerando que a frequência da rede elétrica seja 60 Hz, logo a máquina primária deverá rodar a 3600 rpm. Figura 2 retrata de forma resumida o que foi descrito acima.
Quanto ao Tipo do Rotor
As Máquinas Sincronas podem ter rotores Salientes (Conforme Figura 2), ou rotores Lisos.
Máquinas Sincronas Pólos Liso
MS Pólos Liso Circuito Equivalente
Vamos representar o circuito equivalente apenas de uma fase, valem as mesmas considerações para as outras fases ( apenas respeitando as defasagens angulares). Pode ser visto na Figura 3.
Observe no lado esquerdo da Figura 3 , a bobina de campo alimentada em corrente continua. Ao lado direito o circuito formado pela fonte Ef (tensão Induzida) em série com a reatância sincrona de armadura (Xs) e resistência de armadura (Ra), observe a corrente de armadura Ia que aparece quando da conexão de carga aos terminais da Armadura(ESTATOR), provocando um campo magnético em oposição ao campo produzido no ROTOR. A reatância Sincrona (Xs ) representa esssa reação (perdas), juntamente com a Ra, que representa as perda em ohms da bobinas do ESTATOR.
A tensão elétrica induzida no terminal do estator pode ser escrita desse modo
A tensão elétrica induzida no terminal do estator(Representada pela fonte Ea) é criada pelo fluxo magnético variável criado no ROTOR. Ele pode ser melhor entendido com a Figura abaixo …
observe que a tensão gerada depende de alguns fatores, conforme a equação abaixo, que depende do fluxo gerado no ROTOR, como já dito que depende da corrente de campo (If), da velocidade w, número de espiras.
Observe também que a curva Ea x If, mostra um joelho, onde ocorre a saturação e apartir desse ponto a tensão induzida não responde mais linearmente.
DIAGRAMA FASORIAL GERADOR
Observe que no diagrama fasorial da máquina sincrona funcionando como GERADOR a tensão Ea está adiantada da tensão de terminal do Estator Va. Observe que o ângulo de carga é positivo (Ea em relação ao Va, estamos considerando o Va nossa referência). Ângulo de carga positivo caracteriza a máquina Sincrona atuando como GERADOR .
Observe que o ângulo entre a corrente de armadura(Ia) e tensão nos terminais da máquina (Va) representa o ângulo do fator de potência (FP = cos (fi)).
DIAGRAMA FASORIAL MOTOR
Observe que no diagrama fasorial da máquina sincrona funcionando como MOTOR a tensão Ea está atrasada da tensão de terminal do Estator Va. Observe que o ângulo de carga é negativo (Ea em relação ao Va, estamos considerando o Va nossa referência). Ângulo de carga negativo caracteriza a máquina Sincrona atuando como MOTOR .
Observe que o ângulo entre a corrente de armadura(Ia) e tensão nos terminais da máquina (Va) representa o ângulo do fator de potência (FP = cos (fi)).
Resumindo o Ângulo de carga (Ea e Va)
Resumo de Polos Lisos
Máquinas Sincronas Pólos Saliente
MS Pólos Saliente Circuito Equivalente
Vamos representar o circuito apenas de uma fase, valem as mesmas considerações para as outras fases ( apenas respeitando as defasagens angulares).
O
A diferença construtiva da MS com polos Saliente, tem como consequência que a corrente de armadura é resultado da soma vetorial da corrente de Id(direta) e Iq (quadratura) desse modo Ia = Id + Iq
MS Polos Salientes Funcionando como MOTOR
MS Polos Salientes Funcionando como GERADOR
Potência Ativa em MS
observe no gráfico abaixo que quando o ângulo de carga (Ea e Va) é POSITIVO ele está atuando como Gerador, com ângulo de carga NEGATIVO está atuando como Motor.
Outro ponto importante diz respeito a estabilidade da máquina sincrona, com ângulos de carga maior do que 90 graus ocorre a perda da estabilidade para Geradores. O mesmo ocorre para Motores sincronos, atuando com ângulo de carga na faixa -90 a -180 graus.
Outro ponto importante é quando o ângulo de carga é igual a ZERO, significa que não tem carga o GERADOR. Lembre-se que o ângulo de carga é entre o Ea e Va.
Em 90 graus temos a maior Potência Ativa do Gerador.
Potência Reativa– Q (VAR)
Curva de Capabilidade -Ideal
Mas como controlo a geração de reativo em uma MS?
Curva V para Máquinas Sincronas
A curva V demonstra como é o controle da geração de reativo em uma Máquina Sincrona. Pode-se verificar na curva V , abaixo. A relação entre a corrente de armadura (Ia) e a corrente de campo (If) determina o Fator de Potência da Máquina Sincrona. Observe que If, corrente de campo em corrente contínua, produz um fluxo Magnético que induz a tensão de excitação em CA (Ea) nas bobinas do estator(Armadura). Observe também que Ia sofre a ação da carga da MS.
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