Comportamento da Geração de um Sistema Elétrico

01000-RH/FA 235a

Superintendncia de Recursos Humanos

COMPORTAMENTO DA GERAO DE UM SISTEMA ELTRICO

Treinamento & Desenvolvimento

Gerncia do Centro de Formao e Aperfeioamento ProfissionalSete Lagoas Maro/2009

01000-RH/FA 235a

Superintendncia de Recursos Humanos

COMPORTAMENTO DA GERAO DE UM SISTEMA ELTRICO

Treinamento & Desenvolvimento

Gerncia do Centro de Formao e Aperfeioamento ProfissionalSete Lagoas Maro/2009

SUMRIO

1

IMPORTNCIA DOS ALTERNADORES ............................................................ 4

2 2.1 2.2 3

ALTERNADOR .................................................................................................... 6 Ligao das bobinas do rotor ........................................................................... 8 Ligao das bobinas do estator ...................................................................... 10 ALTERNADOR TRIFSICO .............................................................................. 11

44.1 4.2 4.3

ALTERNADOR EM CARGA: ............................................................................ 12 Resistiva ......................................................................................................... 12 Indutiva ........................................................................................................... 13 Capacitiva ....................................................................................................... 13 LIGAO DE ALTERNADORES SOBRE A REDE .......................................... 17 Paralelismo de geradores ............................................................................... 18 Desenvolvimento das Potncias ..................................................................... 20 DIVISO DE CARGA ATIVA E REATIVA ENTRE GERADORES ................... 22

5 5.1 5.2 6

7 7.1 8

CURVAS DE CAPACIDADE DE TRABALHO .................................................. 24 Fatores que limitam a capacidade de trabalho ............................................... 25 PROCESSO DE CONVERSO DA MQUINA SNCRONA............................. 28

9

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................. 29

Escola de Formao e Aperfeioamento Profissional EFAP

COMPORTAMENTO DA GERAO NO SISTEMA DE POTNCIA 1 IMPORTNCIA DOS ALTERNADORES

Uma percentagem elevada da energia eltrica que utilizamos gerada como CA. O Alternador , portanto, o meio mais importante para produo de eletricidade. Os alternadores variam muito de tamanho, de acordo com a potncia necessria. Sejam quais forem suas dimenses, todos os geradores eltricos de CC ou CA, dependem do movimento relativo entre o campo magntico e uma bobina. Enquanto houver movimento relativo entre eles, ser gerada uma tenso eltrica. A parte que produz o campo magntico o circuito de campo e a parte onde aparece tenso gerada a armadura. Para que possa obter movimento relativo entre o campo e a bobina, duas partes mecnicas so necessrias: um estator e um rotor. TIPOS DE ALTERNADORES H dois tipos de alternadores: o de campo fixo e o de campo girante, veja a figura 1. O de campo fixo semelhante construo dos geradores de CC, pois, a armadura gira em um campo fixo. Nos geradores CC a f.e.m gerada no enrolamento da armadura retificada por meio de comutadores; nos alternadores, a CA gerada aplicada carga atravs dos anis coletores. Este tipo de alternador usado para pequenas potncias nominais e no de uso generalizado, pois, a armadura exigindo anis para conduzir a corrente de carga e sendo a tenso gerada de valor elevado, poderia ocorrer curto-circuito entre os anis porque eles ficam expostos. O alternador de campo girante tem a armadura no estator. A vantagem desse modelo a de que podemos aplicar diretamente a tenso gerada carga.

4


Figura 1 (a ) alternador campo fixo e ( b ) alternador campo girante

A tenso aplicada ao campo baixa e contnua, no existindo, portanto, o problema de centelhamento nos anis coletores. CONVERSO ELETROMAGNTICA DE ENERGIA A primeira indicao da possibilidade de intercmbio entre energia eltrica e mecnica foi apresentada por Michael Faraday em 1831. Esta descoberta considerada por alguns como o maior avano individual no progresso da cincia para atingir o aperfeioamento da humanidade. Deu incio ao gerador e motor eltrico, ao microfone, ao alto-falante, ao transformador, ao galvanmetro. A converso eletromagntica de energia, como a entendemos hoje, relaciona as foras eltricas e magnticas do tomo com a fora mecnica aplicada matria e ao movimento. Como resultado desta relao, a energia mecnica pode ser convertida em energia eltrica e vice-versa, atravs das mquinas eltricas. Embora esta converso possa produzir outras formas de energia como calor e luz, para a maioria dos usos prticos avanou-se at um estgio onde as perdas de energia reduziram-se a um mnimo e uma converso relativamente direta conseguida em qualquer das direes. Assim, a energia mecnica de uma queda dgua facilmente convertida em energia eltrica atravs de um Alternador. A energia eltrica produzida transformada por converso eletromagntica de energia, numa tenso mais elevada para a transmisso a longas distncias e, em algum ponto terminal, transformada novamente para a distribuio numa subestao onde, a partir de um centro de carga, se distribuir a energia eltrica a consumidores especficos como fazendas, fbricas, residncias e estabelecimentos comerciais. 5


Nestas aplicaes individuais, a energia eltrica pode mais uma vez, ser convertida em energia mecnica atravs de motores, em energia trmica atravs das estufas, em energia luminosa atravs das lmpadas, ou pode ser convertida em outras formas de energia eltrica, pelo uso de conversores rotativos, retificadores e conversores de freqncia. 2 ALTERNADOR

Def: um gerador, que por induo eletromagntica, transforma a energia mecnica em eltrica, sob forma de corrente alternada. Constituio:ROTOR: CONSTITUIDO POR ELETROIMS ( POLOS ), ENROL. AMORTECEDOR

ESTATOR: APRESENTA BOBINADO E O CIRCUITO MAGNTICO

BOBINADO: CONSTITUIDO POR BARRAS TENDO SEUS FIOS UMA TRANSPOSIO

TR

Figura 2 Elementos do Rotor e do Estator

6


Lei de Faraday : Todo condutor submetido a uma variao de fluxo magntico, sede de uma fora-eletromotriz induzida. Essa f.e.m.induzida sempre sob a forma de corrente alternada.

Figura 3 Modelo simplificado

Essa f.e.m induzida senoidal e est atrasada de 90 com relao ao fluxo indutor.

Figura 4 Fluxo x f.e.m

Uma volta completa do im, corresponde a um perodo da f.e.m induzida Substituindo o indutor com um par de plos por um indutor com dois pares de plos, teremos:

Figura 5 Dois pares de plos

7


DE QUE DEPENDE A FREQNCIA DA F.E.M INDUZIDA? As experincias anteriores mostram que a freqncia da f.e.m : - proporcional velocidade de rotao do eixo (rps) - proporcional ao nmero de par de plos do gerador F (Hz) = n (rps) . p/2 ( par de plos) Assim temos a tabela abaixoDados de geradores do parque Cemig

F (Hz) = [n (rpm) . p ( n de plos)] / 120

120.60 = 7200 7200 7200 7200 7200 7200 7200

Nmero de plos 2 Trmica Igarap 6 Neves 10 Mesquita 44 Nova Ponte 3 Marias 72 Jaguara 84 Volta Grande

Velocidade 3600 1200 720 163,6 100 85,7

Fonte: Criada pelo prprio autor

2.1

Ligao das bobinas do rotor

Essas bobinas tambm denominadas de Plos so sempre ligadas em srie, observado o esquema abaixo:O nmero de bobinas no rotor o nmero de plos do mesmo.

ERRADO

CERTO

8


Figura 6 Ligao entre plos

SENTIDO DA F.E.M. NO ENROLAMENTO ESTATRICO Alternador de 2 plos e 2 induzidos1

E2

E1

N S

E2 E 1 ciclo / volta 60 voltas / s 3600 voltas / minuto

E1

2

Alternador de 4 plos e 2 induzidos

E2 E 2 ciclo / volta 30 voltas / s 1800 voltas / minuto

E1

Alternador de 4 plos e 4 induzidos

2 ciclo / volta 30 voltas / s 1800 voltas / minuto

9


2.2

Ligao das bobinas do estator

Supondo o Estator tendo 4 bobinas por fase e sendo as caractersticas de cada bobina Z = 0,1 ; E = 100V ; I = 10A

Ligao srieVt = V1 + V2 + V3 + V4 = 400V ; It = I1 = I2 = I3 = I4 = 10A S = Vt .It S = 4 KVA ; Vi = Zt . It = 4V ( 1% Vt ) Q ( cal ) = 9,6

Zt = Z1 + Z2 + Z3 + Z4 = 0,4

Q = A.R.I2T - 0,24.0,4 .100A.1s

Ligao paralela -

Vt = V1 = V2 = V3 = V4 = 100V; It = I1 + I2 + I3 + I4 = 40A S = Vt .It S = 4 KVA ; Vi = Zt . It = 1V ( 1% Vt ) .1600A.1s Q ( cal ) = 9,6

Zt = Z1 / 4 = 0,025

Q = A.R.I2T - 0,24.0,025

Ligao mista Vt = V1 + V2 = V3 + V4 = 200V ; It = ( I1 = I2 ) + ( I3 = I4 ) = 20A S = Vt .It S = 4 KVA ; Vi = Zt . It = 2V ( 1% Vt ) Q ( cal ) = 9,6

Zt = Z1+ Z2 / 2 = 0,1

Q = A.R.I2T - 0,24.0,1 .400A.1s

10


Para qualquer que seja a ligao existente no estator, a potncia, queda de tenso e produo de calor so iguais. Veja o caso real abaixo: Gerador de Trs Marias: 960 ranhuras; 480 bobinas; S = 68MVA; VL = 13,8KV; IL = 2,8KA; 2 vias paralelas por fase. Logo, a tenso por bobina Vf / 80 = 100V If = IL / 2 = 1,4 KA. Se a ligao fosse srie teramos V/bobina = 50V; If = IL = 2,8KA. Se a ligao fosse paralela teramos V/ bobina = 8000V; If = IL / 160 = 17,5A Concluso: s de dividirmos o enrolamento em 2 vias, no sacrificamos em praticamente nada o nvel de isolamento/ I de campo, porm, reduzimos bastante a rea do condutor de cada bobina. Assim, todo enrolamento estatrico de geradores de mdio e grande porte, so ligados de uma forma mista dentro de cada fase. 3 ALTERNADOR TRIFSICO

Consiste em ter no estator 3 grupos de bobinas desde que a relao abaixo se prevalea: Grau Eltrico = Grau Mecnico x Par Polos EA N S EcFigura 7 Alternador trifsico

120 = x . y

EB

Podem ser ligadas em delta ou estrela, porm, devido ao nvel de isolamento ser menor e conseqentemente o gerador ficar com um custo menor, a ligao estrela largamente utilizada.

Figura 8 Fechamento interno

11


Tipos de fechamento Estrela utilizado: Estrela flutuante: UHE 3 marias, UHE Jaguara

UHE So Simo Tronqueiras

Igarapava, Nova ponte R (Baixo valor)

ALTERNADOR A VAZIO: representao monofsica

280mA

V

F = 60 Hz 220V % abertura = 40%

4 4.1

ALTERNADOR EM CARGA: Resistiva E VXL 280mAR w

V

I

V

VR

Com a colocao de carga resistiva a tenso terminal e a freqncia reduzem um pouco. Para corrigirmos as variaes temos que aumentar a abertura do distribuidor e sensivelmente aumentar a corrente de campo. 12


4.2

Indutiva Ew L

280mA

V

I

V

VXL VR

Com a colocao de carga indutiva (no pura), a tenso terminal reduziu bastante, enquanto, a freqncia reduziu sensivelmente (funo da parcela resistiva). Para corrigirmos as variaes temos que aumentar a vazo no distribuidor sensivelmente, e aumentarmos bastante o valor da corrente de campo (sobrexcitao). Puramente indutiva:

V VR I

E VXL

w

Se a carga for puramente indutiva, teremos uma forte queda na tenso terminal, porm, a freqncia no se altera. Para corrigirmos essa variao temos que superexcitar o campo do gerador. 4.3 Capacitivaw

C

280mA

V

E I

VXL VR V

Com a colocao de carga capacitiva a tenso terminal aumenta e a freqncia permanece constante. Para corrigirmos essa variao, devemos reduzir o valor da corrente de campo (subexcitao). Como o valor de XL bem maior que o valor do R, ento, desprezaremos o valor do mesmo. Assim, os diagramas passaro a ser como mostrado abaixo: 13


Carga Resistiva E VXL I V

w

H somente Potncia Ativa desenvolvida Carga Indutivaw

E I H desenvolvimento das potncias Ativa (P) e potncia Reativa (Q +). Carga indutiva puraw

VXL

V

E I V VXL = 0

H desenvolvimento somente de potncia Reativa (Q +). Carga Capacitiva E VXL V H desenvolvimento somente de potncia Reativa (Q-). Origem das potncias Ativa (P) e Reativa (Q) De posse dos diagramas acima, conclumos que a potncia Reativa (Q) tem sua origem na diferena de mdulo entre a f.e.m interna (E) e a tenso terminal (V). J, a potncia ativa (P) tem sua origem na diferena de ngulo entre a f.e.m interna (E) e a tenso terminal (V). Esse ngulo denominado ngulo de Carga ( ). 14w

I


Por que com carga resistiva, a unidade geradora perde velocidade e com carga indutiva e capacitiva pura, sua velocidade no altera? Consideremos uma carga puramente resistivaA I est em fase com E

E est atrasado de 90 com o Fluxo indutor

Assim,

O Fluxo induzido est em fase com E

indutor Maximo induzido nulo

indutor diminui induzido est no mesmo sentido

indutor aumenta induzido est em sentido contrrio

O induzido ope-se rotao do indutor. Figura 9 Interao entre fluxo do estator e rotor, com carga resistiva

15


Consideremos uma carga puramente indutiva

induzido opese ao indutor

induzido favorece a rotao do indutor

induzido opese a rotao do indutor

A resultante dessas aes nula Figura 10 Interao entre fluxo do estator e rotor, com carga indutiva

A reao da armadura dita longitudinal subtrativa

Efeito Desmagnetizante.

O fluxo resultante no entreferro do alternador est menor que o valor vazio. Para restabelecer o valor de V para o nominal temos que sobrexcitar o campo.

Consideremos uma carga puramente capacitiva 16


induzido no mesmo sentido do indutor

induzido opese a rotao do indutor

induzido favorece a rotao do indutor

A resultante dessas aes nula Figura 11 Interao entre fluxo do estator e rotor, com carga capacitiva

A reao da armadura dita longitudinal aditiva

Efeito Magnetizante

O fluxo resultante no entreferro maior que o valor vazio. Para restabelecer o valor de V para o nominal temos que subexcitar o campo. 5 LIGAO DE ALTERNADORES SOBRE A REDE

Vantagens: Na maior parte das centrais geradoras de energia eltrica, necessria ou pelo menos recomendvel, que a energia seja fornecida por vrias unidades pequenas em vez de s-la por uma nica unidade maior. Alguns argumentos que justificam a operao em paralelo dos alternadores so listados a seguir:

17


1) vrias unidades pequenas permitem um servio mais flexvel que uma unidade, pois, se uma unidade ficar eventualmente fora de servio, no se obrigado a interromper todo o fornecimento de energia. 2) as unidades podem ser ligadas ou desligadas medida que aumenta ou reduz a solicitao. Assim, todas as unidades trabalharo prximo plena carga, o que aumenta o rendimento da operao. 3) a central geradora sendo constituda por mais de uma unidade torna-se possvel a manuteno preventiva e de emergncia sem grandes perturbaes no sistema. 5.1 Paralelismo de geradores

Para interligamos um Alternador num Sistema, algumas condies devem ser observadas. Condies de paralelismo: # mesmo valor de freqncia entre o gerador e o sistema # mesmo valor de tenso eficaz entre eles # mesma seqncia de fases entre eles # mesmo ngulo de fases (0 entre eles. ) Mesmo valor de freqncia Caso haja discrepncia em seus valores, aparecer uma tenso/freqncia resultante que ser aplicada nos sistemas podem danificar o gerador. Mesmo valor de tenso

Caso haja discrepncia entre eles, aparecer uma potncia reativa que ir fluir tendendo a mudar o nvel de tenso da barra onde o mesmo foi ligado. 18


Mesma seqncia de fases Como a seqncia de fases nada mais que o sentido de giro dos vetores eltricos, no h como interligar sistemas caso um esteja com a seqncia positiva e o outro na negativa, pois, no ter momento zero permanente para interligarmos.

Mesmo ngulo de fases Se o ngulo entre as fases correspondentes no for 0, existir uma diferena de potencial entre os sistemas em anlise que provocar a acelerao / desacelerao instantnea do gerador podendo danific-lo.

19


Unidade de sincronismo

Num sistema simplificado temos:vermelho azul branco

V

Hz

V

Hz

+ -

5.2

Desenvolvimento das Potncias

Seja o diagrama fasorial abaixo: E I V 20 VXs


Se multiplicarmos todos os lados do tringulo das tenses por uma constante (V/ Xs), suas relaes so mantidas. Assim teremos: EV/Xs I VV/Xs VXs.V/Xs

Resolvendo, chegamos ao tringulo das potncias do gerador, onde: S = V. I; EV/Xs 2 I V /Xs

V.I

Projetando essa potncia nos eixos X e Y, y EV/Xs V2/Xs S Q Q = EV . cos V2 Xs Xs P x P = EV . sen Xs

As condies de trabalho para um Alternador aps sincronismo so: 1) fornecer potncia ativa (P)

EV/Xs V2 / Xs P=S

2) fornecer potncia reativa (Q+)

EV/Xs V2 / Xs Q+ = S

3) absorver potncia reativa ( Q- )

EV/Xs

Q- = S

V2 / Xs 21


4) fornecer potncia ativa e fornecer potncia reativa EV/Xs V2/Xs Q+ P

5) fornecer potncia ativa e absorver potncia reativa EV/ Xs QP

V2 / Xs

6

DIVISO DE CARGA ATIVA E REATIVA ENTRE GERADORES

Consideremos, inicialmente a mquina 1, fornecendo uma corrente I1 sob a tenso V1, defasada de um ngulo *a produzindo uma potncia P1, que a mesma consumida pela rede, isto : P1 = V1.I1.cos*a = V. I. cos*c = P Vamos sincronizar a mquina 2 com a 1 e consider-la nas condies ideais: a sua f.e.m Eb est perfeitamente em fase com V e, portanto, dizemos que a mquina est flutuando com o barramento. Se agora, fornecermos potncia ao eixo da mquina 2, atuando no rgo de regulao, ele aumenta instantaneamente a sua velocidade angular, adiantando-se da mquina 1 de um ngulo * . Esta acelerao instantnea, explica-se pela quebra do equilbrio energtico do sistema com a introduo da potncia no eixo da mquina 2. Tendo o ngulo * atingido o seu valor final, nestas condies, no circuito local aparece uma tenso ER, dada pela diferena vetorial ER = Eb V que aplicada na impedncia ZS = Z1 + Z2 e produz uma corrente de circulao IS = ER / ZS que est praticamente 90 atrs da tenso ER. Essa corrente circula na mquina 2 no sentido positivo e a sua corrente de carga Ib = IS. J na mquina 1, est no sentido contrrio de Ia e a sua nova corrente de carga passa a ser Ia = Ia IS. A intensidade e o ngulo de fase da corrente Ib so tais que, a queda por impedncia nos d a tenso do barramento e a sua potncia real seja igual a potncia P2, fornecida ao eixo, a menos das perdas; P2 = V. Ib. cos*, ficando assim satisfeito o equilbrio energtico

22


Se somarmos agora a corrente Ib com a nova corrente Ia, da mquina 1, a resultante a mesma da situao inicial, I = Ia, no sendo, portanto, alterada as condies da rede. As potncias so: P1 = V. Icos*a - fornecida por 1 P2 = V. Ib.cos*b - fornecida por 2 P = V.I.cos*c

Consideremos o alternador 1, fornecendo a rede a corrente Ia atrasada de V1 de um ngulo *a, produzindo a potncia real P1 = V1.Ia.cosa = V. I cos* , e o alternador 2, flutuando com o barramento. Se aumentarmos a corrente de excitao do gerador 2, a sua f.e.m. passa para um valor Eb > Eb, aparecendo uma tenso resultante ER que est aplicada no circuito local e d origem a uma corrente de circulao IS, praticamente atrasada de 90. Da mesma maneira que antes, esta corrente a carga da mquina 2 (Ib = IS) e deve ser subtrada vetorialmente de Ia, para dar a corrente de carga Ia, da outra mquina. A potncia fornecida pela mquina 2 dada por P2 = V. Ib.cs*b = 0; A potncia fornecida pela mquina 1 : P1 = Va.I cs a = Va.Ia.cs*a = P. Assim verificamos que a potncia real de um alternador no muda com a alterao da corrente de excitao de outro alternador.Se analisarmos sob a tica da potncia reativa, veremos que houve a mesma diviso que aconteceu com a carga ativa no modelo anterior.

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7

CURVAS DE CAPACIDADE DE TRABALHO

As curvas de capacidade das mquinas sncronas, muito conhecidas como curvas de Capability, podem ser definidas como os contornos de superfcie no plano P x Q, dentro das quais o carregamento das respectivas mquinas poder ser feito satisfatoriamente e de acordo com os limites admissveis para sua operao em regime permanente. A figura 12 mostra uma dessas curvas de forma esquemtica e a rea hachuriada corresponde a todos os pontos de operao permissveis. Geralmente, as curvas de capacidade so construdas por diversos trechos, cada qual referente a um dos fatores que limitam a capacidade admissvel da mquina. De acordo com a definio, qualquer carregamento corresponde a um ponto tal como S ou S, no ser ultrapassado nenhum dos fatores limitativos qual a curva se refere. Todavia, convm ser salientado que em tais condies a mquina estaria com carregamento abaixo de suas possibilidades e, portanto, no plenamente utilizada.

Figura 12 Curva de capacidade

Ao contrrio, qualquer ponto como S2 ou S3, fora da regio delimitada pela curva, corresponder a operao insatisfatria, ou mesmo impossvel, uma vez que mais de um dos elementos de limitao da capacidade da mquina estariam acima dos valores permitidos pelas suas caractersticas de projeto. Alguns pontos situados sobre a prpria curva, como S1, so pontos que podem determinar a utilizao plena da mquina. Naturalmente, existem partes da curva em que a operao prefervel e at mesmo mais adequada. Entretanto, nem sempre possvel operar uma mquina sncrona 24


nas condies mais apropriadas para ela em particular, e sim, numa condio em que as caractersticas do sistema que a contm, necessita. Assim, h necessidade de utilizar o equipamento em toda gama de suas reais possibilidades. Pelo exposto, facilmente se compreende a importncia do conhecimento das curvas de capacidade dos geradores para o correto planejamento da operao de um sistema de potncia. Na definio das curvas de capacidade falamos indistintamente de mquinas sncronas, sem particularizar gerador ou motor. Evidentemente, tais curvas obedecem aos mesmos princpios gerais, quer se considere ao geradora ou motora. Tendo em mente a curva mostrada anteriormente representando a condio de gerador, a curva de capacidade de um motor sncrono seria uns contornos semelhantes, colocados nos 3 e 4 quadrantes, em face da inverso do sentido do fluxo de potncia ativa. Entretanto, considerando a sua maior importncia e complexidade, limitaremos o presente trabalho discusso das curvas de capacidade dos geradores sncronos. Cada gerador possui a sua prpria curva de capacidade estabelecida pelos seus elementos de projeto. Por outro lado, conforme ser visto, a curva ser funo direta da tenso terminal de operao. Em conseqncia, no existe uma nica curva de capacidade para um gerador e sim uma famlia de curvas. Como a tenso de operao de um gerador uma grandeza que no deve se afastar muito do seu valor nominal, comum se determinar apenas 3 curvas para cada gerador: uma para tenso nominal (Vt = 100%) e as outras para 5% acima e abaixo da tenso nominal (Vt = 105% e Vt = 0,95%), pois, estes so os valores limitantes da faixa de tenso de trabalho dos grandes geradores sncronos. 7.1 Fatores que limitam a capacidade de trabalho

Os principais fatores que limitam a capacidade de um gerador sncrono so aqueles estabelecidos pelos nveis de perdas tolerveis decorrentes do carregamento da mquina, que influenciam decisivamente na produo de calor e na conseqente elevao de temperatura de trabalho, no s da mquina como um todo, mas principalmente de partes especficas. O sistema de refrigerao da mquina, que atua retirando o calor produzido pelas perdas determina a estabilizao da temperatura de trabalho dos diversos pontos da 25


mquina dentro de limites fixados pelo tipo de material isolante utilizado nos enrolamentos. Qualquer elevao das perdas e em conseqncia, da temperatura alm desses limites, provocar o envelhecimento precoce do material isolante ou at mesmo a sua destruio. As perdas vinculadas diretamente com o carregamento dos geradores so as perdas no ferro e no cobre, estas ultimas ocorrendo individualmente no campo (rotor) e na armadura (estator). Assim, para cada mquina existem limites pr-estabelecidos no projeto para estas perdas, de vez que a efetividade do sistema de refrigerao tambm limitada. Outras perdas existentes nas mquinas sncronas, como as perdas mecnicas nos mancais, tambm produzem calor e elevao de temperatura que deve ser estabilizada pela ao do sistema de refrigerao. Porm, visto de regra, estas perdas no est diretamente vinculado com o carregamento das mquinas e, por isso, no influem nas suas curvas de capacidade. As perdas no ferro dependem do fluxo magntico resultante na mquina que por sua vez, est ligado tenso de operao. Assim, o valor da tenso de trabalho est intimamente ligado com o nvel de perdas tolervel no ferro, sendo esta a razo pela qual a capacidade da mquina e, portanto, a sua curva de capabilidade, depende do valor dessa tenso. Por sua vez, as perdas no cobre da armadura dependem do valor da corrente de armadura. Em conseqncia, existe um valor de corrente de armadura (Ia) permissvel, alm do qual a operao no conveniente. Normalmente esta limitao estabelecida indiretamente pela potncia aparente permissvel obtida pelo produto da tenso normal com a corrente mxima admissvel. De outro lado, tambm o circuito de campo possui a sua limitao de perda no cobre, acarretando um limite mximo para a corrente de campo (If). Como sabemos, a corrente de campo If cria a chamada fora eletromotriz de excitao Ef que, portanto, estar limitada a um mximo admissvel em funo do limite de aquecimento do enrolamento de campo. Sob tenso terminal (Vt) fixada e a um dado valor de corrente de armadura, um gerador sncrono necessita de tanto maior f.e.m de excitao Ef quanto mais indutivo for o fator de potncia dessa corrente de armadura.

26


Sendo assim, para o valor de corrente de armadura mximo tolervel e sob tenso normal existe um valor de fator de potncia indutivo abaixo do qual seria exigido um valor de f.e.m superior ao limite fixado pela mxima corrente de campo aceitvel. Por esta razo que os geradores sncronos possuem como elemento definidor de suas caractersticas nominais, alm do KVA, o fator de potncia ( cos )o qual deve ser entendido como o valor limite ( indutivo ) abaixo do qual o gerador no poder fornecer o KVA permissvel, sob pena de sobreaquecimento. No esquea que este limite fixado pelas perdas no cobre do circuito de campo. Alm das perdas, existem outros fatores que podem limitar a as condies de operao dos geradores sncronos, embora no sejam de carter absolutamente geral. A sua presena na curva de capacidade fica a depender das caractersticas particulares de cada mquina, podendo ou no influenciar no contorno de operao permissvel. Convm lembrar que o gerador sncrono na realidade um conversor de potncia da forma mecnica para a forma eltrica com interveno do magnetismo. A mquina primria (turbina hidrulica, a vapor, a gs, etc) que fornece a energia mecnica obtida atravs da transformao de uma outra forma primria de energia disponvel, tambm possui suas limitaes. Assim, possvel que em alguns casos a potncia da mquina primria seja um limite para a operao do gerador. Em tais condies, isto se traduz nas curvas de capabilidade como uma limitao superior da potncia ativa do gerador. Entretanto, o gerador no poderia ter existncia isolada e deve ser olhado como um componente do grupo mquina primria-gerador. Em resumo, os fatores que limitam o campo de operao dos geradores sncronos so: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Tenso terminal Limite trmico da armadura Limite trmico do campo Limite da turbina Limite terico de estabilidade Limite prtico de estabilidade Limite mnimo de excitao

Abaixo so apresentadas 2 curvas de capabilidade sendo uma para geradores de baixa velocidade e outra para turbo-geradores. 27


Figura 13 Gerador sncrono de baixa velocidade

Figura 14 Gerador sncrono de alta velocidade

8

PROCESSO DE CONVERSO DA MQUINA SNCRONA

Consiste em fechar o distribuidor da mquina, aliado a injeo de ar (compressores de rebaixamento) que formar um colcho de ar entre as ps e a suco. Durante este processo, medida que o fluxo dgua se reduz, o gerador absorve potncia ativa do sistema para suprir suas perdas rotacionais; potncia esta que varia em torno de 35% no incio at 3% de sua potncia nominal quando do fim de todo o processo. Para reverter a mquina para alternador basta desligar os compressores e abrir o distribuidor. O controle de tenso (nvel de excitao) no se altera por essa habilidade que o alternador tenha.

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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

FITZGERALD, A. E. Mquinas Eltricas. Traduo Josaf A. Neves. So Paulo: Editora McGraw-Hill do Brasil, 1979 MARTIGNONI, ALFONSO. Mquinas Eltricas DAWES, CHESTER. Curso de Eletrotcnica GRAY-WALLACE. Princpios de Eletrotcnica SEPLVEDA, HUGO. Mquinas Sncronas KOSOV, IRVING. Mquinas Eltricas ELGERD, OLLE. Introduo Teoria de Sistemas de Energia Eltrica PDUA, THOMS DE AQUINO. Mquinas Eltricas de CA

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