Máquinas Elétricas
Máquinas síncronas trifásicas
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Olá, estudante! Você sabia que os motores e os geradores síncronos trifásicos (máquinas síncronas trifásicas) de corrente alternada são fundamentais em nosso cotidiano? Isso mesmo! Os motores síncronos são utilizados nas indústrias para corrigir o fator de potência da rede de energia elétrica. Já os geradores síncronos são utilizados nas usinas hidroelétricas para geração de energia elétrica. Muito interessante, não é? Neste material, iremos conhecer as máquinas síncronas trifásicas operando como motor, gerador e compensador. Além disso, estudaremos as características operacionais a vazio e de curto-circuito, abrangendo, com isso, tanto a parte teórica quanto a parte experimental. Então, prezado(a) estudante, é com imenso prazer que apresentamos este material! Vamos juntos nesta jornada? Mãos à obra!
Bons estudos!
Nesta seção, iremos estudar as máquinas síncronas trifásicas. Operando como motor síncrono, a máquina síncrona é muito utilizada na correção do fator de potência nas indústrias. Já operando como gerador síncrono, é normalmente encontrada nas usinas hidroelétricas de energia.
As máquinas síncronas trifásicas têm o enrolamento de armadura (também conhecido como enrolamento de estator) alojado no estator e o enrolamento de campo (localizado no rotor da máquina), o qual conduz a corrente contínua para a produção do fluxo magnético principal de operação (UMANS, 2014).
A Figura 3.1 apresenta um corte transversal de um gerador síncrono monofásico de dois polos salientes. Tendo em vista que o enrolamento de campo produz apenas um par de polos magnéticos, este gerador é uma máquina de dois polos.
Fonte: Adaptada de Umans (2014).
#PraCegoVer: a figura apresenta um corte transversal bidimensional circular de um gerador síncrono monofásico. Ele é constituído de um círculo externo (conhecido como estator) e uma parte móvel no interior desse círculo (conhecida como rotor). No estator estão ranhuras que acomodam os enrolamentos de armadura, os quais são representados pelas letras a e a linha. Além disso, existem duas linhas tracejadas representando o caminho do fluxo magnético no estator. No rotor estão localizados os enrolamentos de campo, que são representados por quatro retângulos: dois retângulos com um ponto escuro no centro e os outros dois com um X. Estes representam o fluxo saindo (retângulos com pontos) e o fluxo entrando (retângulos com X). O caminho do fluxo magnético que passa pelo estator (linhas tracejadas) também passa pelo rotor (linhas tracejadas), formando, com isso, o caminho de fluxo magnético total que circula pela máquina enquanto ela está em operação.
Analisando a Figura 3.1, observa-se que o enrolamento de armadura está localizado no estator, e o enrolamento de campo se encontra no rotor. O enrolamento de campo, por sua vez, é excitado por uma corrente elétrica contínua devido às escovas estacionárias de carvão que fazem contato com os anéis coletores. Vale lembrar que, em alguns casos, o enrolamento de campo pode ser alimentado a partir de um sistema de excitação sem escovas. No entanto o enrolamento de armadura consiste em uma única bobina de \(N\) espiras, o qual está alojado nas ranhuras representadas pelas letras \(a\) e \(-a\). Uma vez que o gerador síncrono gire a uma velocidade constante e o enrolamento de armadura esteja em circuito aberto, o fluxo magnético (linhas tracejadas) será produzido apenas pelo enrolamento de campo (UMANS, 2014).
Para analisar a forma de onda de saída de um gerador síncrono é razoável assumir que a distribuição do fluxo magnético no entreferro seja senoidal. Com isso, a densidade de fluxo \(B\) em função do ângulo espacial \({{\theta }_{a}}\) (medido em relação ao eixo magnético do enrolamento da armadura) ao longo da circunferência do rotor também é senoidal, conforme mostra a Figura 3.2(a). Além disso, em razão do giro do rotor, o fluxo magnético concatenado do enrolamento do estator varia no tempo \(t\). Nessas condições, supondo que a distribuição da densidade de fluxo magnético seja senoidal para uma velocidade constante do rotor, a tensão elétrica resultante (induzida) \(e\) no enrolamento será senoidal em função do tempo \(t\) (UMANS, 2014). Essa condição é apresentada na Figura 3.2(b). Confira-a a seguir!
Fonte: Adaptada de Umans (2014).
#PraCegoVer: a figura apresenta duas formas de ondas senoidais. A primeira forma de onda refere-se à distribuição espacial da densidade de fluxo magnético no entreferro (Figura a). A segunda forma de onda é da tensão induzida no enrolamento (Figura b). Ambas são representadas por eixos cartesianos (x e y). O eixo x da figura a refere-se ao ângulo espacial téta, e o eixo y, a densidade de fluxo magnético b. O eixo x da Figura b representa o tempo t, e o eixo y, a tensão elétrica induzida e.
Tendo em vista que a frequência em Hz de uma máquina síncrona é a mesma que a velocidade do rotor em rotações por segundo, pode-se dizer que a frequência da tensão elétrica gerada está em sincronismo com a velocidade mecânica do eixo do rotor. Essa condição é a razão da denominação “máquina síncrona” (UMANS, 2014).
Agora vamos realizar uma análise de um gerador síncrono, monofásico e de quatro polos (Figura 3.3) para conhecermos o que são graus elétricos, radianos elétricos, ângulo em unidades elétricas e ângulo espacial, bem como entendermos o cálculo da frequência elétrica da tensão gerada em uma máquina síncrona. Então mãos à obra!
Fonte: Adaptada de Umans (2014).
#PraCegoVer: a figura apresenta um corte transversal bidimensional de um gerador síncrono, monofásico e de quatro polos. Ela é representada por um círculo (estator) com quatro aberturas internas que representam as ranhuras (canais na forma de quadrado que têm em seu interior pequenos círculos para acomodarem os enrolamentos). Cada ranhura é uma parte do enrolamento, sendo indicado por a1, -a1, a2 e -a2. Existem linhas tracejadas que entram e saem do estator e do rotor, representando o caminho do fluxo magnético. No rotor, existem quatro polos magnéticos, ou seja, dois polos Norte e dois polos Sul. Além disso, existem oito retângulos no rotor indicando as entradas e as saídas do fluxo magnético.
Nota-se, na Figura 3.3, que os enrolamentos de campo estão ligados para que os polos tenham as suas polaridades alternadas, ou seja, N – S – N – S. Além disso, a distribuição da densidade de fluxo magnético no entreferro (região entre o estator e o rotor) é senoidal, conforme mostra a Figura 3.4 a seguir. Observe-a!
Fonte: Adaptada de Umans (2014).
#PraCegoVer: a figura apresenta a distribuição da densidade de fluxo magnético no entreferro de um gerador síncrono de quatro polos. A forma de onda apresentada é senoidal, sendo representada em um plano cartesiano x e y. O eixo x (eixo horizontal) refere-se ao ângulo espacial téta a em radianos mecânicos e téta ae em radianos elétricos. Portanto existem duas escalas graduadas no eixo x. Em radianos elétricos, a escala graduada no eixo x é zero, pi, 2 pi, 3 pi e 4 pi. Já em radianos mecânicos, a escala graduada é zero, pi sobre 2, pi, três pi sobre dois e dois pi. Em cada pico ondulado da forma de onda senoidal, isto é, pico positivo e pico negativo, tem-se a representação dos enrolamentos a um, menos a um, a dois e menos a dois, até formar a onda senoidal com dois picos ondulados positivos alternados com dois picos ondulados negativos. No eixo y (eixo vertical) está a densidade de fluxo magnético b sem escala graduada.
É importante ressaltar que o enrolamento de armadura da Figura 3.3 é constituído por duas bobinas (\({{a}_{1}}\), \(-{{a}_{1}}\) e \({{a}_{2}}\), \(-{{a}_{2}}\)) conectadas em série, e o passo polar de cada bobina (o passo polar de uma máquina de quatro polos equivale a 90 graus mecânicos ou a 180 graus elétricos) representa um comprimento de onda da densidade de fluxo magnético \(B\). Então a tensão elétrica gerada passa por dois ciclos completos a cada rotação do rotor e, nessas condições, a frequência será o dobro da velocidade em rotações por segundo (UMANS, 2014).
Quando uma máquina tem mais do que dois polos, é possível considerar apenas um par de polos, tendo em vista que as condições mecânicas, elétricas e magnéticas dos outros pares (de polos) sejam repercussões (repetições) do par de polo analisado. Nesse sentido, é pertinente expressar os ângulos em graus elétricos ou em radianos elétricos em vez de unidades mecânicas. Nessas condições, um par de polos em uma máquina de vários polos condiz com 360 graus elétricos ou \(2\pi \) radianos elétricos (UMANS, 2014). Então, já que existe uma relação numérica, dada por \(\frac{polos}{2}\) comprimentos de onda completos a cada rotação do rotor, temos então:
\[{{\theta }_{ae}}=\left( \frac{polos}{2} \right){{\theta }_{a}}\]
onde \({{\theta }_{ae}}~\)é o ângulo em unidades elétricas, e \({{\theta }_{a}}~\)é o ângulo espacial. É importante lembrar que essa relação pode ser utilizada em todas as medidas angulares para uma máquina de múltiplos polos, e seus valores em unidades elétricas serão iguais a \(\frac{polos}{2}\) vezes seus valores espaciais (UMANS, 2014).
A tensão elétrica de bobina em uma máquina de inúmeros polos completa um ciclo à medida que um par de polos transpassa pela bobina. Com isso, é possível expressar a frequência elétrica \({{f}_{e}}\) de uma máquina síncrona como:
\[{{f}_{e}}=\left( \frac{p}{2} \right)\frac{n}{60}\left[ Hz \right]\]
onde \(n\) é a velocidade mecânica em rotações por minuto, e \(\frac{n}{60}\) é a velocidade em rotações por segundo. Nessas condições, uma máquina síncrona de dois polos deve girar a uma velocidade de 3600 rpm (rotações por minuto) para produzir uma tensão elétrica com frequência da ordem de 60 Hz (UMANS, 2014).
É possível determinar a velocidade síncrona de uma máquina conhecendo a sua frequência elétrica de operação e o seu número (quantidade) de polos. Observe essa relação a seguir.
Relação entre número de polos, frequência elétrica e velocidade síncrona
Com frequência elétrica de 60 Hz, uma máquina de 2 polos terá uma velocidade síncrona igual a 3600 rpm.
Com frequência elétrica de 60 Hz, uma máquina de 4 polos terá uma velocidade síncrona igual a 1800 rpm.
Com frequência elétrica de 60 Hz, uma máquina de 6 polos terá uma velocidade síncrona igual a 1200 rpm.
#PraCegoVer: o infográfico apresenta o título “Relação entre número de polos, frequência elétrica e velocidade síncrona” e, abaixo, três banners retangulares, clicáveis, na cor roxa. O primeiro, de cima para baixo, apresenta o subtítulo “Máquina de 2 polos” e, ao ser clicado, o texto: “com frequência elétrica de 60 Hz, uma máquina de 2 polos terá uma velocidade síncrona igual a 3600 rpm”. O segundo apresenta o subtítulo “Máquina de 4 polos” e, ao ser clicado, o texto: “com frequência elétrica de 60 Hz, uma máquina de 4 polos terá uma velocidade síncrona igual a 1800 rpm”. O terceiro e último banner apresenta o subtítulo “Máquina de 6 polos” e, ao ser clicado, o texto: “com frequência elétrica de 60 Hz, uma máquina de 6 polos terá uma velocidade síncrona igual a 1200 rpm”.
Prezado(a) estudante, você compreendeu a estrutura básica de uma máquina síncrona trifásica? Conseguiu acompanhar o raciocínio matemático do cálculo da frequência elétrica? Você percebeu que, mantendo a frequência elétrica e aumentando o número de polos, a velocidade diminui? Sabe por quê? É que a velocidade da máquina é diretamente proporcional à frequência e inversamente proporcional à quantidade de polos. Então, quanto maior o número de polos de uma máquina, menor será a sua velocidade! Entendeu? Espero que sim! Vamos fazer uma atividade para fixar os conceitos estudados neste tópico? Vamos lá!
Uma máquina síncrona trifásica de 6 polos operando com uma tensão de 480 V e uma frequência de 60 Hz tem uma reatância de 0,2 Ω e uma resistência de armadura de 0,012 Ω.
Sabendo que, em condições de plena carga, essa máquina apresenta perdas por atrito e ventilação da ordem de 25 kW, calcule a sua velocidade síncrona.
Olá, estudante! Neste tópico, iremos compreender como a máquina síncrona trifásica funciona como motor, gerador e compensador. Conheceremos os seus aspectos construtivos, os circuitos equivalentes, as curvas características de conjugado versus velocidade, bem como as suas principais aplicações. Vamos aos estudos?
Máquina síncrona trifásica: operação como motor
Os motores síncronos são máquinas síncronas de corrente alternada utilizadas para converter a potência elétrica em potência mecânica, objetivando, com isso, movimentar cargas de grande porte. A Figura 3.5 apresenta o corte transversal de um motor síncrono de dois polos. Observe-a!
Fonte: Adaptada de Chapman (2013).
#PraCegoVer: a figura apresenta um corte transversal bidimensional de um motor síncrono de dois polos. Ela é representada por um círculo (estator) com seis pequenos círculos distribuídos ao redor do círculo (estator). Três círculos representam o fluxo magnético saindo (pequenos círculos com um ponto preto em seu interior), e os outros três indicam o fluxo magnético entrando (pequenos círculos com um xis em seu interior). No interior do estator, encontra-se o rotor, representado por uma barra vertical, a qual tem em suas extremidades os polos Norte e Sul. No centro dessa barra estão representados, de forma fasorial, o campo magnético em regime permanente BR e o campo magnético girante BS. Além disso, existe, indicado nessa forma fasorial, a velocidade síncrona, representada por w sinc.
De acordo com o princípio básico de operação desse motor, a corrente elétrica de campo \({{I}_{F}}\) produz um campo magnético em regime permanente \({{B}_{R}}\) no rotor. Por sua vez, tensões elétricas trifásicas são aplicadas ao estator da máquina, produzindo, com isso, um campo magnético girante \({{B}_{S}}\). Nessas condições, observa-se que existem dois campos magnéticos atuantes na máquina síncrona, fazendo com que o campo magnético produzido no rotor tenda a se alinhar com o campo magnético do estator, buscando, dessa forma, o sincronismo (velocidade síncrona \({{\omega }_{sinc}}\)) entre eles (campos do estator e do rotor). No entanto esses campos magnéticos não se alinham, tendo em vista a inércia do rotor (CHAPMAN, 2013).
Circuito equivalente de um motor síncrono
De forma geral, pode-se dizer que um motor síncrono tem uma composição muito parecida com a composição de um gerador síncrono. Na verdade, o que de fato altera é a inversão do sentido do fluxo de potência e consequentemente a inversão do sentido do fluxo de corrente elétrica no estator. Nessas condições, o circuito equivalente de um motor síncrono pode ser considerado igual ao circuito equivalente de um gerador síncrono, exceto pelo fato de o sentido da corrente de armadura (estator) \({{I}_{A}}\) ser invertido. A Figura 3.6 apresenta o circuito equivalente completo de um motor síncrono e, a Figura 3.7 mostra o circuito equivalente por fase (CHAPMAN, 2013). Vamos conhecer um pouco mais esses circuitos? Então vamos aos estudos!
Fonte: Adaptada de Chapman (2013).
#PraCegoVer: a figura apresenta o circuito equivalente completo de um motor síncrono trifásico. Ela é separada em dois circuitos: o circuito do estator, localizado à direita do observador, e o circuito do rotor, localizado à esquerda do observador. O circuito do estator é constituído de três circuitos, cada um representando a fase de cada enrolamento de armadura. Já o circuito do rotor é constituído de apenas um circuito. Cada circuito de fase do estator integra os seguintes parâmetros: EA1, EA2 e EA3 (tensões elétricas em cada enrolamento do estator), XS (reatância em cada enrolamento do estator), RA (resistência em cada enrolamento do estator), IA1, IA2 e IA3 (correntes elétricas em cada enrolamento do estator e, por fim, V fi 1, V fi 2 e V fi 3 (tensões elétricas de fase do estator (fases 1, 2 e 3). Por outo lado, os parâmetros do rotor são: VF (tensão elétrica de campo), RF (resistência interna do circuito de campo), RF com uma seta na diagonal (resistência externa ajustável do circuito de campo), LF (indutância de campo) e IF (corrente elétrica de campo).
Analisando a Figura 3.6, vamos inicialmente conhecer os parâmetros do circuito equivalente tanto do lado do rotor quanto do lado do estator. Ou seja: \({{V}_{F}}\) é a tensão de campo (rotor) entre os terminais positivo e negativo, \({{R}_{F}}\) é a resistência interna de campo (rotor), \({{R}_{F}}\) variável é a resistência externa de campo (rotor), \({{L}_{F}}\) é a indutância de campo (rotor), \({{I}_{F}}\) é a corrente de campo (rotor), \({{E}_{A1}}\), \({{E}_{A2}}\) e \({{E}_{A3}}\) são as tensões elétricas em cada enrolamento do estator, \({{X}_{S}}\) é a reatância em cada enrolamento do estator, \({{R}_{A}}\) é a resistência em cada enrolamento do estator (resistência de armadura), \({{I}_{A1}}\), \({{I}_{A2}}\) e \({{I}_{A3}}\) são as correntes elétricas em cada enrolamento do estator e, por fim, \({{V}_{\phi 1}}\), \({{V}_{\phi 2}}\) e \({{V}_{\phi 3}}\) são as tensões elétricas de fase do estator (fases 1, 2 e 3) (CHAPMAN, 2013).
Observe que as correntes elétricas em cada enrolamento do estator, ou seja, \({{I}_{A1}}\), \({{I}_{A2}}\) e \({{I}_{A3}}\), estão no sentido estator → rotor, caracterizando, com isso, a ação motora. Caso elas estivessem no sentido contrário, isto é, rotor → estator, seria um gerador (ação geradora).
A Figura 3.7 a seguir mostra um circuito equivalente por fase de um motor síncrono trifásico. Observe-a!
Fonte: Adaptada de Chapman (2013).
#PraCegoVer: a figura apresenta o circuito equivalente por fase de um motor síncrono trifásico. Nela existem dois circuitos: o circuito do estator, localizado à direita do observador, e o circuito do rotor, localizado à esquerda do observador. O circuito do estator é constituído pelos seguintes parâmetros: EA (tensão elétrica dos enrolamentos do estator), XS (reatância de fase dos enrolamentos do estator), RA (resistência de fase dos enrolamentos do estator), IA (corrente elétrica de fase dos enrolamentos do estator) e, por fim, V fi (tensão elétrica de fase dos enrolamentos do estator). No entanto os parâmetros do rotor são: VF (tensão elétrica de campo), RF com uma seta na diagonal (resistência externa ajustável do circuito de campo), LF (indutância de campo) e IF (corrente elétrica de campo).
De acordo com a Figura 3.7, observa-se que os parâmetros do circuito equivalente são reduzidos, porém mantêm-se as características operacionais do circuito equivalente apresentado na Figura 3.6 (CHAPMAN, 2013). Então a equação do motor síncrono pode ser expressa como:
\[{{V}_{\phi }}={{E}_{A}}+j{{X}_{S}}{{I}_{A}}+{{R}_{A}}{{I}_{A}}\]
e
\[{{E}_{A}}={{V}_{\phi }}-j{{X}_{S}}{{I}_{A}}-{{R}_{A}}{{I}_{A}}\]
Olá, estudante! O que está achando deste assunto? Espero que o esteja entendendo! Na próxima seção, iremos estudar a curva característica de conjugado (torque) versus velocidade. Vamos aos estudos?
Curva característica de conjugado versus velocidade
Os motores síncronos trifásicos têm velocidade constante (mesmo com variações de carga), sendo muito utilizados em vários segmentos industriais (mineração, siderúrgica, petroquímica, papel e celulose), já que a sua corrente de partida é relativamente baixa. Também são usados para corrigir o fator de potência da rede de energia elétrica, apresentando, dessa forma, alto rendimento e torque (conjugado) elevado (CHAPMAN, 2013; UMANS, 2014). Em um motor síncrono, a velocidade nominal do eixo do motor está em sincronismo com a velocidade do campo magnético, que, por sua vez, a rotação dos campos magnéticos está sincronizada com a frequência da rede de energia elétrica. Como resultado, a velocidade do motor síncrono será fixa (constante), independentemente da carga aplicada ao seu eixo (CHAPMAN, 2013; UMANS, 2014).
A velocidade mecânica (também conhecida como velocidade síncrona) de rotação de um motor síncrono pode ser calculada pela expressão:
\[{{n}_{m}}=\frac{120{{f}_{se}}}{p}\]
onde \({{n}_{m}}\) é a velocidade mecânica de rotação, \({{f}_{se}}\) é a frequência elétrica do estator e \(p\) é o número de polos do motor. A Figura 3.8 apresenta a curva característica do conjugado versus velocidade de um típico motor síncrono. Observe que a velocidade síncrona do motor se mantém constante desde a condição em vazio até o conjugado máximo em que o motor consegue fornecer a carga.
Fonte: Adaptada de Chapman (2013).
#PraCegoVer: a figura apresenta a curva característica do conjugado versus velocidade de um motor síncrono. O eixo xis (eixo horizontal) refere-se à velocidade síncrona do motor, e o eixo y (eixo vertical) refere-se ao conjugado induzido. Não existem escalas graduadas em ambos os eixos, apenas a indicação da velocidade síncrona no eixo x (reta vertical contínua) e as indicações dos torques nominal e máximo no eixo y (linhas tracejadas para representar ambos os torques).
O conjugado induzido \({{\tau }_{ind}}\) do motor pode ser obtido de acordo com a seguinte expressão:
\[{{\tau }_{ind}}=k{{B}_{R}}{{B}_{l\acute{i}q}}sen\delta \]
onde \(k\) é uma constante que depende da construção da máquina, e \(\delta \) é o ângulo entre o campo magnético do rotor \({{B}_{R}}\) e o campo magnético líquido \({{B}_{l\acute{i}q}}\) (também denominado ângulo de conjugado ou torque). Para \(\delta =90{}^\circ \), o conjugado é máximo (CHAPMAN, 2013). Portanto fique atento quando for realizar os cálculos!
Ainda é possível calcular o conjugado induzido \({{\tau }_{ind}}\) do motor conforme a equação:
\[{{\tau }_{ind}}=\frac{3{{V}_{\phi }}{{E}_{A}}sen\delta }{{{\omega }_{m}}{{X}_{S}}}\]
Uma vez que o conjugado (torque) é máximo quando \(\delta =90{}^\circ \), o conjugado a plena carga é inferior ao valor nessa condição (ou seja, \(\delta =90{}^\circ \)). Porém, quando o torque nominal excede o conjugado máximo, o rotor tende a perder o sincronismo com o estator e com os campos magnéticos líquidos. Como consequência, a velocidade nominal do rotor diminui, mas o campo magnético do estator mantém-se girando, superando o campo do rotor. Então o sentido do conjugado induzido no rotor é invertido, ocasionando, com isso, vibrações no eixo do rotor. Diante do exposto, é possível calcular o conjugado máximo do motor por meio das seguintes expressões:
\[{{\tau }_{m\acute{a}x}}=k{{B}_{R}}{{B}_{l\acute{i}q}}\]
e
\[{{\tau }_{m\acute{a}x}}=\frac{3{{V}_{\phi }}{{E}_{A}}}{{{\omega }_{m}}{{X}_{S}}}\]
tendo em vista que \(sen~90{}^\circ =1\). Observe na expressão acima que, quanto maior a tensão \({{E}_{A}}\), maior será o conjugado máximo do motor. De forma análoga, quanto menor a reatância de dispersão do estator \({{X}_{S}}\), também será maior o torque máximo do motor.
Máquina síncrona trifásica: operação como gerador
Os geradores síncronos são máquinas síncronas trifásicas de corrente alternada utilizadas para converter a potência mecânica em potência elétrica. Por esse motivo são muito utilizados como geradores de energia elétrica em usinas hidroelétricas. Interessante, não é?
De acordo com o princípio básico de operação de um gerador síncrono, um campo magnético é produzido no rotor. Para produzir esse campo magnético, pode-se utilizar um ímã permanente ou um eletroímã, os quais podem ser obtidos aplicando-se externamente uma corrente contínua (corrente CC) nos enrolamentos do rotor. O rotor (que é a fonte de campo magnético do gerador síncrono), por sua vez, é acionando por uma máquina motriz primária, a qual produz um campo magnético girante, induzindo, com isso, um conjunto de tensões elétricas trifásicas nos enrolamentos do estator do gerador (CHAPMAN, 2013).
Os enrolamentos de uma máquina elétrica têm algumas nomenclaturas, como, por exemplo: enrolamentos de campo ou enrolamentos de rotor (em que se origina o campo magnético principal da máquina) e enrolamentos de armadura ou enrolamentos de estator (em que a tensão elétrica principal é induzida). Nas máquinas elétricas síncronas, os enrolamentos de campo estão no rotor, e os enrolamentos de armadura, no estator. Então não se esqueça desses conceitos!
Pode-se dizer que o rotor de um gerador síncrono é um eletroímã. Os polos magnéticos do rotor podem ser construídos de duas formas: salientes ou não salientes (também conhecidos como polos lisos). Um polo saliente (polo magnético ressaltado) sobressai radialmente ao rotor. Já um polo liso encontra-se embutido (engastado), nivelado com a superfície do rotor. A Figura 3.9 (vistas frontal e lateral) a seguir apresenta um rotor de dois polos lisos de uma máquina síncrona. Confira-a!
Fonte: Adaptada de Chapman (2013).
#PraCegoVer: a figura três ponto nove apresenta a vista frontal bidimensional e a vista lateral tridimensional de um rotor de dois lisos de uma máquina síncrona. A figura com vista frontal é representada por um círculo (estator) com seis pequenos círculos embutidos em seis pequenos quadrados, representando as ranhuras dos enrolamentos. No exterior desse círculo (estator) estão representadas a saída e a entrada do fluxo magnético. A entrada é simbolizada por um pequeno círculo que, em seu interior, existe um xis. Já a saída é simbolizada por outro pequeno círculo, porém, em seu interior, existe um ponto escuro. No interior do estator encontra-se o rotor, representado por dois círculos, um menor internamente ao outro círculo maior. Ainda na parte externa, existem os polos Norte e Sul, bem como o vetor do campo magnético em regime permanente BR. A figura com vista lateral tridimensional tem um eixo conectado ao rotor do motor síncrono. Como o rotor é de polos lisos, estes encontram-se penetrados no referido rotor.
Observando a Figura 3.9 notam-se duas vistas do rotor de polos lisos, ou seja, a vista frontal e a vista lateral. A vista frontal apresenta um corte transversal do rotor, no qual estão indicados a direção e o sentido do vetor campo magnético em regime permanente \({{B}_{R}}\), os polos N e S, os enrolamentos engastados, bem como as representações de entrada e saída da densidade de fluxo magnético. Já a vista lateral mostra o eixo, o rotor e o sentido/direção do vetor campo magnético \({{B}_{R}}\).
A Figura 3.10(a) apresenta a vista lateral de um rotor de seis polos salientes, e a Figura 3.10(b) mostra a vista lateral de uma fotografia (imagem real) de outro rotor, porém com oito polos salientes.
Fonte: Adaptada de Chapman (2013).
#PraCegoVer: a figura três ponto dez apresenta a vista lateral de um rotor de seis polos salientes de uma máquina síncrona e a vista lateral de uma fotografia de um rotor de oito polos salientes de uma máquina síncrona. A figura do rotor de seis polos apresenta um eixo com anéis coletores e uma sequência de seis polos alternados. Os polos estão representados como uma engrenagem de máquinas caracterizando os polos salientes. Já a fotografia do rotor de oito apresenta o eixo e a sequência de oito polos alternados instalados na máquina com seus respectivos enrolamentos de campo instalados.
Nota-se, na Figura 3.10(a), que os polos salientes se destacam na composição do núcleo do motor síncrono. Além disso, é possível identificar o circuito de campo magnético, os polos Norte e Sul, bem como os anéis deslizantes presentes no eixo do motor. Por outro lado, a Figura 3.10(b) mostra a imagem real de uma máquina síncrona de oito polos salientes.
Circuito equivalente de um gerador síncrono
Estudante, conforme estudamos, um motor síncrono tem uma composição eletromecânica parecida com o gerador síncrono, invertendo apenas o sentido do fluxo de potência. Então, diante da similaridade, podemos dizer que o circuito equivalente de um gerador síncrono (Figura 3.11) pode ser considerado igual ao circuito equivalente de um motor síncrono (Figura 3.6), exceto pelo fato de o sentido da corrente de armadura (estator) \(I_A\) estar invertido. A Figura 3.11 apresenta o circuito equivalente completo de um gerador síncrono trifásico (CHAPMAN, 2013). Confira-a!
Fonte: Adaptada de Chapman (2013).
#PraCegoVer: a figura apresenta o circuito equivalente completo de um motor síncrono trifásico. Ela é separada em dois circuitos: o circuito do estator, localizado à direita do observador, e o circuito do rotor, localizado à esquerda do observador. O circuito do estator é constituído de três circuitos, cada um representando a fase de cada enrolamento de armadura. Já o circuito do rotor é constituído de apenas um circuito. Cada circuito de fase do estator integra os seguintes parâmetros: EA1, EA2 e EA3 (tensões elétricas em cada enrolamento do estator), XS (reatância em cada enrolamento do estator), RA (resistência em cada enrolamento do estator), IA1, IA2 e IA3 (correntes elétricas em cada enrolamento do estator e, por fim, V fi 1, V fi 2 e V fi 3 (tensões elétricas de fase do estator (fases 1, 2 e 3). Por outo lado, os parâmetros do rotor são: VF (tensão elétrica de campo), Raj com uma seta na diagonal (resistor ajustável que controla o fluxo de corrente de campo), RF com uma seta na diagonal (resistência externa ajustável do circuito de campo), LF (indutância de campo) e IF (corrente elétrica de campo).
Observando a Figura 3.12, verifica-se que existe uma fonte de tensão elétrica contínua CC \(V_F\) alimentando o circuito de campo do rotor, o qual é constituído por uma indutância de campo (rotor) \(L_F\) e um resistor externo de campo ajustável \(R_F\). Nesse ramo série (\(L_F\) e \(R_F\) ajustável), circula uma corrente elétrica de campo \(I_F\). No lado do estator, temos a tensão elétrica de fase dos enrolamentos do estator \(E_A\), a reatância de fase do enrolamento do estator \(X_S\), a resistência de fase dos enrolamentos do estator (resistência de armadura) \(R_A\), a corrente elétrica de fase dos enrolamentos do estator \(I_A\) e, por fim, a tensão elétrica de fase dos enrolamentos do estator \(V_ϕ\) (CHAPMAN, 2013).
Fonte: Adaptada de Chapman (2013).
#PraCegoVer: a figura apresenta o circuito equivalente por fase de um gerador síncrono trifásico. Nela existem dois circuitos: o circuito do estator, localizado à direita do observador, e o circuito do rotor, localizado à esquerda do observador. O circuito do estator é constituído pelos seguintes parâmetros: EA (tensão elétrica dos enrolamentos do estator), XS (reatância de fase dos enrolamentos do estator), RA (resistência de fase dos enrolamentos do estator), IA (corrente elétrica de fase dos enrolamentos do estator) e, por fim, V fi (tensão elétrica de fase dos enrolamentos do estator). No entanto os parâmetros do rotor são: VF (tensão elétrica de campo), RF com uma seta na diagonal (resistência externa ajustável do circuito de campo), LF (indutância de campo) e IF (corrente elétrica de campo).
Atenção! Para o circuito equivalente por fase (Figura 3.12), as três fases apresentam as mesmas condições de tensão e corrente apenas quando as cargas conectadas ao gerador estão em equilíbrio (cargas balanceadas). Portanto, caro(a) estudante, fique atento quando for modelar circuitos equivalentes trifásicos que têm motores/geradores elétricos!
É importante lembrar ainda que os parâmetros do circuito equivalente da Figura 3.12 foram reduzidos, porém mantêm-se as características operacionais do circuito apresentado na Figura 3.11. Logo a equação do gerador síncrono pode ser escrita da forma:
\[{{V}_{\phi }}={{E}_{A}}-j{{X}_{S}}{{I}_{A}}-{{R}_{A}}{{I}_{A}}\]
e
\[{{E}_{A}}={{V}_{\phi }}+j{{X}_{S}}{{I}_{A}}+{{R}_{A}}{{I}_{A}}\]
Máquina síncrona trifásica: operação como compensador
Olá, estudante! Como estão os estudos? Conseguiu compreender as diferenças entre um motor e um gerador síncrono? Espero que sim! Neste tópico, iremos estudar um assunto muito importante! Trata-se da máquina síncrona (em especial, o motor síncrono), a qual pode ser utilizada na correção do fator de potência em ambientes industriais! Então mãos à obra!
O motor síncrono como compensador: correção do fator de potência
Conforme já estudamos, os motores de indução trifásicos são muito utilizados no setor industrial, caracterizando, com isso, a sua importante contribuição no ambiente de manufatura. No entanto as indústrias têm que lidar com uma condição operacional, quase sempre, indesejada. Essa condição diz respeito à correção do fator de potência. Mas você sabe o que é fator de potência? Não? Fique tranquilo, pois iremos explicar! Vamos aos estudos!
Em termos práticos, o fator de potência é um indicador que relaciona a energia ativa e a energia reativa de uma instalação elétrica (seja ela residencial, predial, comercial ou industrial), sendo um dos principais indicadores de eficiência energética. Por exemplo, um baixo fator de potência em uma indústria manufatureira indica que a energia consumida não está sendo totalmente utilizada. Ou seja, se o fator de potência de uma indústria for de 85% (0,85), significa que “apenas” 85% da energia fornecida pela concessionária foi utilizada pela indústria, caracterizando, com isso, maiores perdas de energia e menor eficiência operacional das máquinas e dos equipamentos industriais (cargas). Entretanto sabemos que é impossível consumir 100% (fator de potência igual a 1) da energia elétrica da rede! Porém, no geral, a concessionária estabelece que um fator de potência ideal deve ficar pelo menos em 0,92. O que achou da explicação? Espero que tenha entendido!
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Correção do fator de potência nas instalações elétricas industriais
Assim como o banco de capacitores, as máquinas síncronas também podem ser utilizadas para corrigir o fator de potência nas indústrias. A condição operacional dessas máquinas para esse tipo de aplicação é conhecida como máquina superexcitada (ou sobrexcitada). Caso a máquina seja um gerador sobrexcitado, ele tem a propriedade de fornecer potência reativa para a rede de energia elétrica.
Os motores síncronos superdimensionados (também conhecidos como superexcitados e sobrexcitados) são utilizados como compensadores síncronos para realizar a correção do fator de potência de uma rede de energia elétrica na qual predomina a instalação de motores de indução trifásicos. Esses compensadores têm algumas particularidades construtivas e operacionais, como, por exemplo: operam com carga constante em seu eixo, fazendo com que a potência ativa seja constante (praticamente nula) e têm maior quantidade de cobre no enrolamento de campo para suportar elevada corrente elétrica em seus rolamentos. Diante disso, torna-se necessária uma atenção especial, tendo em vista um possível superaquecimento no rotor (CHAPMAN, 2013; UMANS, 2014). Diante do exposto, nota-se que a utilização de motores síncronos na correção do fator de potência pode proporcionar menores custos operacionais em um sistema de energia elétrica e sobretudo uma economia considerável para uma indústria manufatureira (CHAPMAN, 2013).
Saiba Mais
Como um motor síncrono desenvolve conjugado apenas na velocidade síncrona, a sua partida não pode ser feita simplesmente aplicando tensões de armadura com a frequência nominal. Em alguns casos, uma estrutura de gaiola de esquilo é incluída no rotor. Dessa forma, o motor pode partir como motor de indução e ser sincronizado quando estiver próximo da velocidade síncrona. Alternativamente os motores síncronos, muitas vezes, operam acionados por equipamentos eletrônicos de frequência e tensão variáveis, as quais são controladas de tal forma que asseguram um funcionamento síncrono durante todo o período em que o motor é levado até a velocidade de operação. O material a seguir traz mais informações sobre o tema, veja-o.
http://professor.ufop.br/sites/default/files/adrielle/files/aula_12-motores_sincronos.pdf.
Estudante, como está a sua rotina de estudos? Está conseguindo gerenciar o tempo entre trabalho, família e estudo? Espero que sim! A próxima atividade foi pensada e desenvolvida para você ampliar ainda mais os seus conhecimentos! Mãos à obra!
As máquinas síncronas são muito utilizadas em nosso cotidiano para atender sobretudo aos sistemas elétricos de potência, incluindo as indústrias e as usinas geradoras de energia elétrica (usinas hidroelétricas). Nesse sentido, elas (máquinas síncronas) podem operar como gerador, motor ou mesmo como compensador síncrono, dependendo da situação desejada.
De acordo com as considerações iniciais apresentadas, assinale a alternativa que apresenta corretamente algumas distinções relevantes entre a máquina síncrona operando como motor, gerador e condensador síncrono.
O que achou desta atividade? Gostou? Muito interessante, não é? No próximo tópico, iremos estudar as características do ângulo de carga e dos ensaios a vazio e de curto-circuito em máquinas síncronas! Vamos aos estudos!
As características operacionais de uma máquina síncrona podem ser determinadas basicamente por dois ensaios. O primeiro, com os terminais de armadura a vazio (ensaio a vazio ou em circuito aberto), e o segundo com os terminais de armadura em curto-circuito (ensaio de curto-circuito) (UMANS, 2014). Vamos conhecer um pouco mais esses ensaios? Então vamos aos estudos!
REFLITA
No setor industrial, os motores síncronos operam sobrexcitados para fornecer potência capacitiva à rede de energia e, com isso, compensar a potência indutiva consumida pelos motores de indução trifásicos. Assim é possível melhorar o fator de potência da indústria, a fim de manter os padrões estabelecidos pela concessionária de energia. Analisando esse fato, você parou para pensar em quanto uma indústria manufatureira consome de energia mensalmente? E o valor a ser pago para a concessionária de energia? Vale a pena refletir sobre essas questões!
Caro(a) estudante, você entendeu a importância do motor síncrono trifásico operando como compensador? Observou que ele auxilia na correção do fator de potência nas indústrias? Sim? Que ótimo! Nas próximas subseções, iremos estudar os ensaios a vazio de curto-circuito de uma máquina síncrona trifásica. Então mãos à obra!
Características a vazio: parte teórica
Estudante, neste subtópico iremos estudar o ensaio a vazio. Esse ensaio é essencial para analisar o comportamento e as características técnicas e operacionais das máquinas síncronas para fins de uso, instalação e manutenção. Vamos aos estudos!
A Figura 3.13, a seguir, apresenta a curva característica de ensaio a vazio (também conhecida como curva de saturação a vazio) de uma máquina síncrona. Quando a máquina está girando na velocidade síncrona, o comportamento da curva (curva \(cav\)) está relacionado com a tensão de terminal da armadura a vazio \({{V}_{a,vz}}\) em função da corrente elétrica de excitação de campo \({{I}_{f}}\). Nota-se que a característica da curva tende ao estágio de saturação do material do núcleo (saturação magnética), a qual aumenta de forma significativa com o aumento da intensidade da corrente de campo \({{I}_{f}}\). Como resultado, aumentam-se também as perdas rotacionais, as quais estão vinculadas com as perdas no núcleo (perdas por histerese e perdas por correntes parasitas) (UMANS, 2014).
Em tempo, observa-se ainda na Figura 3.13 que, aumentando a corrente de campo desde zero, a característica do ensaio a vazio é inicialmente linear. Essa condição é conhecida como linha de entreferro em razão do próprio entreferro existente entre o estator e o rotor (UMANS, 2014). Observe-a!
Fonte: Adaptada de Umans (2014).
#PraCegoVer: a figura apresenta a curva característica do ensaio a vazio em uma máquina síncrona. Nela existem dois eixos representados em um plano cartesiano. O eixo x refere-se à corrente de campo If, e o eixo y indica a tensão de terminal da armadura Va, vz e a tensão gerada Eaf. Existem duas curvas com comportamentos distintos. A primeira é uma reta indicando a linha do entreferro, e a segunda, iniciando com uma reta e, no final, decaindo de forma abaulada ou arredondada, indica a condição de ensaio a vazio cav.
Analisando ainda a Figura 3.13, nota-se que, com o enrolamento do estator em aberto, a tensão de terminal \({{V}_{a,vz}}\) é igual à tensão gerada \({{E}_{af}}\), correspondendo, dessa forma, à condição de operação não saturada (condição em que a relutância do entreferro prevalece no caminho do fluxo magnético). Nessas condições (em que não há saturação), a característica de tensão a vazio é a própria linha de entreferro, a qual está relacionada com a corrente de campo não saturada \({{I}_{f,ns}}\).
Características de curto-circuito: parte teórica
Estudante, neste subtópico iremos conhecer um pouco o ensaio de curto-circuito. Esse ensaio é essencial para analisar o comportamento e as características técnicas e operacionais das máquinas síncronas para fins de uso, instalação e manutenção. Então vamos aos estudos.
A Figura 3.14, a seguir, apresenta a curva característica de ensaio de curto-circuito \(ccc\) de uma máquina síncrona. Confira-a!
Fonte: Adaptada de Umans (2014).
#PraCegoVer: a figura apresenta a curva característica do ensaio de curto-circuito em uma máquina síncrona. Nela existem dois eixos representados em um plano cartesiano. O eixo x refere-se à corrente de campo If, e o eixo y indica a tensão de terminal da armadura Va, vz e a tensão gerada Eaf. Existem três curvas com comportamentos distintos. A primeira é uma reta, indicando a linha do entreferro. A segunda, indicando a condição de ensaio a vazio cav, inicia com uma reta e, no final, decai de forma abaulada ou arredondada. Por fim, a terceira indica a curva característica de ensaio de curto-circuito ccc. O seu comportamento também é uma reta, similar à reta da linha de entreferro, porém com menor ângulo de inclinação a partir da origem do gráfico (ponto zero no plano cartesiano).
Observe na Figura 3.14 que a característica de curto-circuito é uma curva da corrente de terminal em curto-circuito \({{I}_{a,cc}}\) em função da corrente de campo \({{I}_{f}}\). Nesse ensaio, aplica-se um curto-circuito nos terminais de armadura. Com isso, acionando a máquina na velocidade síncrona, aumenta-se a corrente \({{I}_{f}}\), obtendo-se, com isso, o comportamento gráfico da corrente de armadura versus a corrente de campo (UMANS, 2014). Em tempo, vale ressaltar que, quando a máquina síncrona estiver operando em condições não saturadas, a corrente de armadura de curto-circuito é diretamente proporcional à corrente de campo, respeitando sobretudo o intervalo operacional entre zero e a corrente nominal de armadura (UMANS, 2014).
Características de ângulo de carga: parte teórica
A máxima potência que uma máquina síncrona pode fornecer para carga/sistema de energia é estabelecida pelo torque máximo que pode ser aplicado em seu eixo, sem perder o sincronismo com o sistema externo (uma impedância em série com uma fonte de tensão, por exemplo) (UMANS, 2014).
A Figura 3.15 apresenta um circuito equivalente por fase de uma máquina síncrona e seu respectivo diagrama fasorial.
Fonte: Adaptada de Umans (2014).
#PraCegoVer: a figura apresenta o circuito equivalente por fase de uma máquina síncrona (figura 3.15 a) e o diagrama fasorial de uma máquina síncrona operando como gerador de energia (figura 3.15 b). Na figura, existem dois terminais, representados pelas letras E1 e E2. Entre os terminais positivos está conectado o ramo da impedância, constituído por uma reatância X em série com uma resistência elétrica R. Nesse ramo, circula uma corrente elétrica I, representada por uma seta seguindo da esquerda para a direita em direção à tensão elétrica de terminal E2. O diagrama fasorial (figura 3.15 b) é formado por vários vetores, constituindo, dessa forma, a operação fasorial de uma máquina síncrona que, neste caso, representa a operação de um gerador síncrono de energia elétrica. Esse diagrama é formado pelas variáveis E1 (tensão elétrica de excitação), E2 (tensão elétrica de terminal), reatância de dispersão jXI ao produto RI, à corrente elétrica I e, por fim, aos ângulos de carga e de fase fi. O ângulo de carga está entre E1 e E2, e o ângulo fi está entre E2 e a corrente elétrica I. Os outros componentes, ou seja, o produto RI e a reatância de dispersão jXI estão sequencialmente após o vetor E2, caracterizando, com isso, uma soma de vetores entre E2, o produto RI e a reatância de dispersão jXi.
O circuito apresentado na Figura 3.15 (a) é constituído por duas tensões elétricas alternadas \({{\hat{E}}_{1}}\) (tensão elétrica de excitação) e \({{\hat{E}}_{2}}\) (tensão elétrica de terminal) conectadas entre si por uma impedância \(Z=R+jX\), em que circula uma corrente elétrica \(\hat{I}\). Por outro lado, o diagrama fasorial mostrado na Figura 3.15 (b) representa a máquina síncrona operando como um gerador de energia.
Se porventura \({{\hat{E}}_{1}}<{{\hat{E}}_{2}}\), a máquina irá operar de forma subexcitada (máquina síncrona operando como gerador síncrono) (UMANS, 2014).
Você foi selecionado(a) para a última fase do processo seletivo interno para Engenheiro Elétrico Sênior da empresa em que trabalha. Nessa etapa, a tarefa é explicar os diagramas fasoriais de uma máquina síncrona operando como motor e como gerador. O responsável pela seleção entregou para você duas folhas: uma contendo a contextualização da questão, e a outra, uma folha em branco para a resolução. A questão inicia dizendo que uma das principais características de uma máquina síncrona é a operação na velocidade fixa. Além disso, ressalta que, operando como gerador síncrono, a máquina converte energia mecânica em energia elétrica. Já operando como motor, a máquina converte energia elétrica em energia mecânica. Por fim, a questão salienta que uma máquina síncrona pode ser utilizada como condensador síncrono para corrigir o fator de potência de uma indústria.
Diante das condições apresentadas, elabore os diagramas fasoriais referentes à máquina síncrona operando como motor e como gerador, explicando, em cada diagrama, a composição de suas variáveis/parâmetros relacionados aos seus respectivos princípios de funcionamento (motor e gerador).
Analisando os diagramas fasoriais apresentados nas figuras a seguir, nota-se que, se o ângulo de potência é maior que zero, a máquina síncrona opera como gerador elétrico, fornecendo potência elétrica ativa para o sistema elétrico. Já, se o ângulo de carga for menor do que zero, a máquina síncrona funcionará como motor elétrico (produção de potência mecânica em seu eixo).
A primeira figura apresenta o diagrama fasorial de um gerador síncrono. Observe-a!
Fonte: adaptada de Chapman (2013).
#PraCegoVer: a figura apresenta o diagrama fasorial de uma máquina síncrona operando como gerador de energia. O diagrama fasorial é formado por vários vetores, constituindo, dessa forma, a operação fasorial do gerador síncrono. Esse diagrama é formado pelas variáveis EA (tensão elétrica de excitação), V fi (tensão elétrica de fase), reatância de dispersão jXSIA, a corrente elétrica de armadura IA e, por fim, pelos ângulos de carga e de fase téta. O ângulo de carga está entre EA e V fi, e o ângulo téta está entre V fi e IA. Como esse diagrama fasorial refere-se ao gerador, o ângulo de carga é maior do que um.
A segunda figura apresenta o diagrama fasorial de um motor síncrono. Confira-a!
Fonte: Adaptada de Chapman (2013).
#PraCegoVer: a figura apresenta o diagrama fasorial de uma máquina síncrona operando como gerador de energia. O diagrama fasorial é formado por vários vetores, constituindo, dessa forma, a operação fasorial do gerador síncrono. Esse diagrama é formado pelas variáveis EA (tensão elétrica de excitação), V fi (tensão elétrica de fase), reatância de dispersão jXSIA, a corrente elétrica de armadura IA e, por fim, pelos ângulos de carga e de fase téta. O ângulo de carga está entre EA e V fi, e o ângulo téta está entre V fi e IA. Como esse diagrama fasorial refere-se ao motor, o ângulo de carga é maior do que um.
O diagrama fasorial correspondente ao funcionamento como gerador está mostrado na primeira figura, e o diagrama fasorial correspondente ao funcionamento como motor está mostrado na segunda figura. A razão de \(j{{X}_{S}}{{I}_{A}}\) apontar de \(V\) para \({{E}_{A}}\) no gerador e de \({{E}_{A}}\) para \(V\) no motor é que o sentido de referência da corrente de armadura \({{I}_{A}}\) foi invertido na análise do circuito equivalente do motor (Figura 3.6). A diferença básica entre o funcionamento da máquina síncrona como motor e como gerador pode ser observado tanto no diagrama de campo magnético quanto no diagrama fasorial. Nessas condições, em um gerador, \({{E}_{A}}\) está à frente de \(V\). Por outro lado, em um motor, \({{E}_{A}}\) está atrás de \(V\). É importante lembrar ainda que, em um motor, o conjugado induzido é no sentido do movimento, e, em um gerador, o conjugado induzido é um contraconjugado que se opõe ao sentido do movimento do eixo do rotor.
Caro(a) estudante, como estão os estudos? Conseguiu compreender os conceitos teóricos sobre os ensaios a vazio e de curto-circuito de uma máquina síncrona? Espero que sim! Agora vamos conhecer um pouco a parte experimental desses ensaios! Vamos continuar juntos nesta jornada do conhecimento!
As características operacionais de uma máquina síncrona podem ser determinadas basicamente por dois ensaios. O primeiro, com os terminais de armadura a vazio (ensaio a vazio ou em circuito aberto), e o segundo com os terminais de armadura em curto-circuito (ensaio de curto-circuito) (UMANS, 2014). Então vamos conhecer um pouco mais esses ensaios observando as suas características e particularidades por meio dos circuitos práticos e do aparato experimental construído em laboratório? Mãos à obra!
Características a vazio: parte experimental
Olá, estudante! Compreendeu a parte teórica sobre as características do ensaio a vazio? Espero que sim! Agora iremos conhecer um pouco a parte prática desse tipo de ensaio! Vamos aos estudos!
A Figura 3.16 apresenta o circuito equivalente experimental e suas respectivas ligações para a realização do ensaio em vazio (circuito aberto) de uma máquina síncrona. Observe as conexões do rotor (bobina de campo) e do estator (em que está conectado o voltímetro V), bem como os equipamentos de medidas utilizados.
Fonte: Adaptada de Costa (2012).
#PraCegoVer: a figura apresenta o circuito equivalente experimental e suas respectivas ligações do ensaio a vazio de uma máquina síncrona. O circuito experimental tem uma parte representando o rotor (lado esquerdo) e outra parte representando o estator (lado direito). O rotor é retratado por uma bobina de campo, e o estator pelos seus enrolamentos e suas devidas conexões. Essas conexões estão numeradas para identificar a correta instalação das fases da máquina. Cada fase tem duas bobinas, e cada uma é numericamente identificada com o seu respectivo número, objetivando, com isso, a correta instalação da máquina no circuito experimental.
No ensaio a vazio, a máquina síncrona é levada à velocidade de sincronismo por meio de uma máquina primária, estando os terminais do estator em circuito aberto. Então mede-se a tensão elétrica em seus terminais, já que não existe corrente elétrica em razão de os terminais estarem em aberto. A Figura 3.17 mostra uma típica bancada de teste (aparato experimental) do ensaio a vazio de uma máquina síncrona.
Fonte: Adaptada de Costa (2012).
#PraCegoVer: a figura apresenta a bancada de teste (aparato experimental) do ensaio a vazio de uma máquina síncrona. Na bancada de teste, encontram-se os seguintes equipamentos com as duas devidas conexões: VARIAC, voltímetro, tacômetro, máquina CC para partida, máquina síncrona e amperímetro.
Analisando a Figura 3.17, nota-se que existem alguns VARIACS (Variac é um transformador que tem o seu circuito secundário variável, fornecendo, com isso, diversos níveis de tensão elétrica ao circuito externo) para variar a tensão elétrica de saída. Além disso, é possível observar o acoplamento entre a máquina CC e o próprio gerador síncrono.
Os variadores de tensão elétrica são autotransformadores que têm a propriedade de alterar a tensão de 0V até 127 V, 220 V, 380 V, dependendo da sua aplicação. Normalmente os variacs são utilizados nas indústrias e nos laboratórios de ensaios e de pesquisas. Ligando o variac em uma tomada da rede de energia (127 V, por exemplo), é possível movimentar o seu cursor selecionando a tensão adequada para alimentar um equipamento em teste (máquina síncrona trifásica, por exemplo) e, com isso, ter o controle da tensão.
Para monitorar a velocidade síncrona de rotação da máquina, utiliza-se normalmente um tacômetro. Além disso, é possível observar a conexão de um voltímetro em uma das fases da máquina síncrona para monitorar a tensão elétrica fornecida pelo VARIAC.
Características de curto-circuito: parte experimental
Olá, estudante! Compreendeu a parte teórica sobre as características do ensaio de curto-circuito? Espero que sim! Agora iremos conhecer um pouco a parte prática desse tipo de ensaio! Então vamos aos estudos!
A Figura 3.18 apresenta o circuito equivalente experimental e suas respectivas ligações para a realização do ensaio em curto-circuito de uma máquina síncrona. Observe as conexões do rotor (bobina de campo) e do estator (em que está conectado o amperímetro A), bem como os equipamentos de medidas utilizados.
Fonte: Adaptada de Costa (2012).
#PraCegoVer: a figura apresenta o circuito equivalente experimental e suas respectivas ligações do ensaio a vazio de uma máquina síncrona. O circuito experimental tem uma parte representando o rotor (lado esquerdo) e outra parte representando o estator (lado direito). O rotor é retratado por uma bobina de campo, e o estator pelos seus enrolamentos e suas devidas conexões. Essas conexões estão numeradas para identificar a correta instalação das fases da máquina. Cada fase tem duas bobinas, e cada bobina é numericamente identificada com o seu respectivo número, objetivando, com isso, a correta instalação da máquina no circuito experimental.
No ensaio de curto-circuito, uma das fases do estator da máquina síncrona deve ser curto-circuitada por meio de um amperímetro A. Então a máquina é conduzida à velocidade de sincronismo pela máquina primária CC. Em seguida, são realizadas as medições das correntes no estator para os diversos valores de corrente de excitação, determinando, com isso, a média desses valores monitorados nas três fases da máquina.
A Figura 3.19 mostra uma típica bancada de teste (aparato experimental) do ensaio de curto-circuito de uma máquina síncrona. Observe a semelhança com o aparto experimental apresentado na Figura 3.17, exceto os terminais curto-circuitados (em vez do circuito aberto) e o amperímetro A (no lugar do voltímetro V).
Fonte: Adaptada de Costa (2012).
#PraCegoVer: a figura apresenta a bancada de teste (aparato experimental) do ensaio a vazio de uma máquina síncrona. Na bancada de teste, encontram-se os seguintes equipamentos com as duas devidas conexões: VARIAC, voltímetro, tacômetro, máquina CC para partida, máquina síncrona e amperímetro.
Com o objetivo de analisar o comportamento gráfico entre a excitação de campo da máquina em relação à corrente elétrica máxima nos terminais de armadura, torna-se necessário realizar o ensaio de curto-circuito, o qual proporciona a plotagem da curva característica de curto-circuito. Nesse sentido, os terminais da máquina síncrona são conectados para formar um curto-circuito entre si e, com isso, aumentando gradativamente a intensidade da corrente de excitação de campo da máquina, é possível verificar o valor da corrente de curto-circuito com o auxílio de um amperímetro.
Saiba Mais
Geradores Síncronos Trifásicos: A Usina Itaipu Binacional tem 20 geradores de energia elétrica. Cada gerador tem capacidade de 700 megawatts (MW), potência suficiente para abastecer um município com 1,5 milhão de habitantes. Cada unidade geradora é constituída por um gerador síncrono, uma turbina hidráulica e outros componentes auxiliares. A turbina hidráulica é acoplada ao eixo do gerador, que, em razão da pressão da água (que entra por meio de uma tubulação), produz um movimento giratório. Esse movimento, por sua vez, gera um campo magnético induzido (Lei de Faraday), produzindo, com isso, energia elétrica.
Olá, estudante! Chegou o momento de realizar uma atividade prática! Tendo em vista que o assunto que estamos estudando tem muitos conceitos e denota certa complexidade, é importante conhecermos um pouco mais as questões práticas que norteiam as particularidades e as características operacionais das máquinas síncronas trifásicas. Então vamos praticar!
Suponhamos que você é o engenheiro elétrico responsável por uma empresa de prestação de serviço do setor de energia elétrica. Uma empresa do setor de alimentos solicitou com urgência a prestação de um serviço, uma vez que as instalações elétricas industriais da empresa estavam apresentando variações de tensão e baixo fator de potência. Essas condições indesejadas estavam prejudicando o sistema produtivo da empresa (perdas significativas na produção).
De acordo com o problema apresentado, torna-se necessário propor uma solução para corrigir essas anomalias, sem, entretanto, interromper o fornecimento de energia para a indústria. Como você procederia nesta situação? Explique.
Inicialmente é necessário instalar um gerador de energia para manter a indústria em pleno funcionamento. Em seguida, é importante fazer um diagnóstico das instalações, a fim de avaliar possíveis fugas de corrente, falta de fase ou queima de algum equipamento/dispositivo de proteção. Além disso, torna-se necessário verificar a possibilidade de utilizar motores síncronos (também conhecidos como condensadores/capacitores síncronos), os quais operam sem carga e auxiliam na correção do fator de potência.
Nome: Gerador síncrono trifásico – ensaio em vazio, ensaio de curto-circuito e teste CC
Ano: 2022
Comentário: Neste filme/vídeo são apresentadas as conexões da máquina síncrona submetida aos testes, os equipamentos de medida e a determinação dos parâmetros internos da máquina em questão. Além disso, o vídeo apresenta como são realizados os ensaios a vazio e de curto-circuito, as características desses ensaios, bem como a determinação da reatância síncrona saturada e não saturada. Interessante, não é? Vale a pena conferir!
Para conhecer mais o filme, acesse o trailer disponível em:
Nome do livro: Máquinas elétricas e acionamentos: curso introdutório
Autor: Ned Mohan
Editora: LTC
Capítulo: 10
Ano: 2015
ISBN: 978-85-216-2835-4
Comentário: Esta obra apresenta um estudo muito importante sobre os acionamentos elétricos utilizados em circuitos de controle de máquinas rotativas, incluindo sobretudo questões relacionadas com a velocidade, frequência, torque, potência e perdas de energia. Vale a pena conferir! Bons estudos!
Disponível em: Minha Biblioteca.
Estudante, neste material verificamos que a máquina síncrona é muito importante nas aplicações industriais (utilizada como motor para a correção do fator de potência), bem como nas usinas geradoras de energia elétrica, operando como gerador síncrono.
Para que a máquina síncrona opere como motor, é necessária uma fonte de tensão externa (uma máquina CC, por exemplo), para o seu acionamento, já que ela não tem partida própria. Além disso, aprendemos que a máquina síncrona gira com velocidade constante, idêntica à velocidade do campo girante (velocidade síncrona). Outro assunto muito importante que estudamos foram as curvas características de torque versus velocidade, bem como os ensaios a vazio e de curto-circuito (partes teórica e experimental).
Com isso, foi possível compreender o comportamento da máquina síncrona com base nos circuitos equivalentes e nos aparatos experimentais construídos em laboratórios. Portanto podemos dizer que tanto o motor quanto o gerador síncrono são de suma importância em nosso cotidiano, já que muitas de nossas tarefas diárias dependem da operação dessas máquinas (máquinas síncronas trifásicas).
AULA 19b | gerador síncrono trifásico | ensaio em vazio, ensaio de curto circuito e teste CC. [S. l.: s. n.], 2022. 1 vídeo (22 min.). Publicado pelo canal Campo Girante. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=FOFQNPfn1EA. Acesso em: 25 dez. 2022.
COSTA, P. L. F. Recondicionamento de máquinas elétricas. 2011. Relatório de estágio supervisionado (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Departamento de Engenharia Elétrica, Campina Grande, 2011. Disponível em: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/bitstream/riufcg/19507/1/PEDRO%20LEONARDO%20FALC%C3%83O%20COSTA%20-%20RELAT%C3%93RIO%20DE%20EST%C3%81GIO%20ENG.%20EL%C3%89TRICA%202012.pdf. Acesso em: 3 dez. 2022.
CHAPMAN, S. J. Fundamentos de máquinas elétricas. 5. ed. Tradução: Anatólio Laschuk. Porto Alegre: AMGH, 2013.
ITAIPU BINACIONAL. Unidades geradoras. Itaipu Binacional, [2022]. Disponível em: https://www.itaipu.gov.br/energia/unidades-geradoras. Acesso em: 25 dez. 2022.
MOHAN, N. Máquinas elétricas e acionamentos: curso introdutório. Rio de Janeiro: LTC, 2015.
SANTANA, A. C. Motores síncronos. [2022]. Disponível em: http://professor.ufop.br/sites/default/files/adrielle/files/aula_12-motores_sincronos.pdf. Acesso em: 25 dez. 2022.
UMANS, S. D. Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014.