0 CONVERSO ELETROMECNICA DE ENERGIA GERADOR SNCRONO 1 1. INTRODUO Trstiposdemquinassncronassoutilizadosemsistemasdeenergia eltrica:geradores, motoresecompensadoressncronos.Praticamentetodaa potncia ativa consumida no Sistema Eltrico de Potncia gerada por meio de geradores sncronos. A utilizao de motores sncronos menos difundida. J oscompensadoressncronossoutilizadosnacompensaodepotncia reativa, pois essas mquinas operam com potncia ativa nula, ou seja, no so geradores nem motores.Mquinas sncronas so utilizadas, primariamente, como geradores de potncia eltrica;nestecasoelassodenominadasdegeradoressncronosou alternadores.Elassousualmentegrandesmquinasgeradorasdepotncia eltrica instaladas em plantas (usinas) hidreltricas, nucleares ou termeltricas. Osgeradoressncronossoacionadosporturbinashidrulicasouavapor.No caso das turbinas hidrulicas, a fonte primria de energia a energia potencial armazenadanosreservatrios.Nocasodasturbinasavapor,afonteprimria deenergiautilizadanaproduodo vapor,oquepodeser feitoporqueima de combustvel (carvo, leo, gs, renovvel ou nuclear). As usinas hidrulicas utilizam barragens para elevar o nvel da gua e garantir a presso necessria para mover as turbinas. As barragens podem tambm ter o papeldeformarreservatriodeacumulaoepodemterlongosperodosde operao(ciclosmultianuaisdecaptaoededepleo,comoocasodo reservatriodeilhasolteira,porexemplo).Existemtambmaschamadas usinastipofiodgua,nasquaisacapacidadedearmazenagemdegua limitada(ciclosdiriosdeoperao,porexemplo).Noexiste,entretanto, relaodiretaentreacapacidadedegeraoinstaladaemumausinaea capacidadedearmazenagemdeenergiaemseureservatrio:Itaipu,por exemplo, uma das maiores usinas em operao, tem um reservatrio tipofio dgua. Ocustodeoperaodeusinashidrulicasrelativamentebaratoquando comparados com a maioria dos outros tipos de usinas que queimam algum tipo de combustvel. J os investimentos necessrios so relativamente elevados, e considerando-sequecapitalumbemescassoedecustoelevado,pode-se avaliarasdificuldadesdesedesenvolverumsistemanessetipode aproveitamento.Osgeradoressncronosacionadosporturbinashidrulicas usualmentesodeplossalientesefuncionamemrotaesrelativamente baixasquandocomparadoscomturbinasavapor,oquerefletenumelevado nmero de plos em alguns geradores de plos salientes. 2 As usinas trmicas utilizam vapor produzido em caldeiras que queimam algum tipodecombustvel.Nocasodocarvo,porexemplo,aenergiaprimriaest originalmentenaformadeenergiapotencialqumicaetransformada,pela queima, em energia trmica do vapor aquecido e em alta presso que, por sua vez,produzenergiamecnicaderotaoaopassarpelasaletasdaturbina. Desse ponto de vista, no existe grande diferena entre os vrios tipos de fonte primria utilizados na produo de vapor, pois, at mesmo no caso das usinas nucleares,essemecanismobsicocontinuavlido.Osgeradoressncronos acionadosporturbinasavapornormalmentetmploslisosefuncionamem rotaesrelativamentealtasquandocomparadoscomturbinashidrulicas,e conseqentemente fazendo-se com que o nmero de plos seja relativamente menor que no caso de turbinas hidrulicas.Otorquemecniconoeixodeumamquinasncronasedeveinteraode doiscamposmagnticosgirantes.Umdessescamposproduzidopela correntenoenrolamentodecampoquesemoveaumavelocidadeconstante (localizado no rotor da mquina sncrona), e o outro campo girante produzido pelas correntes trifsicas nos enrolamentos da armadura (fixos no estator).Apotncianoeixomedidapeloprodutodavelocidadeangulardorotor pelotorque[P=.T].Nocasodogerador,otorquemecnicofornecido pela turbina. No caso do motor, o eixo da mquina que fornece um torque a uma carga mecnica ligada ao seu eixo. Ageraodeenergiaeltricaemgrandesblocosprocessa-sepelaaode mquinasrotativasqueacionadasmecanicamenteporumamquinaprimria (turbinahidrulica,avapor,ags,oumquinadecombustointerna,ou turbinaelica)produzematravsdecamposdeinduoeletromagnticos, umaondasenoidaldetensocomfreqnciafixaeamplitudedefinidapela classedetensodogerador.Umamquinasncronagiranumavelocidade constante em condies de regime permanente. Diferentemente das mquinas assncronas,ocampogirantenoentreferroenorotorgiramnamesma velocidade, e denominada velocidade sncrona. A palavra sncrona significa que o campo girante no entreferro tem a mesma velocidadeangularqueadorotor.Afreqnciadatensoinduzida diretamenteproporcionalaonmerodeploseavelocidadederotaodo rotor.A freqncia determinada por:

3 Onde: f: freqncia eltrica [Hz] n: velocidade sncrona [RPM] p: nmero de plos da mquina. 2. ASPECTOS CONSTRUTIVOS Basicamente,umamquinasncronacompostadeduaspartes:estator,ou armaduraerotor.Oestatordeumamquinasncronatrifsicatemum enrolamento trifsico distribudo, similar a uma mquina de induo trifsica.O enrolamento do estator, o qual conectado a um sistema de suprimento AC, denominado de enrolamento de armadura ou enrolamento de estator, e designado para tenses e correntes alternadas elevadas.OrotorequipadocomumenrolamentoexcitadocomcorrentecontnuaDC, denominadoenrolamentodecampo,queagecomoumeletrom,ouseja, produzumfluxomagnticoconstanteporplo.Quandoorotorgiraeo enrolamentodecampoexcitadocomcorrentecontnua,pormeiodeanis deslizanteseescovas,umcampomagnticogiranteaparecenoentreferroda mquina,entreorotoreaarmadura.Comoaarmaduraconstitudaporum enrolamento trifsico uma fora eletromotriz (FEM) varivel no tempo gerada pelo campo magntico, com base nos princpios da Lei de Faraday. 4 Aestruturabsicadeumamquinasncronaestilustradaaseguir: Figura 01 - estrutura bsica de uma mquina sncrona trifsica. Osenrolamentosdearmaduradeumgeradortrifsicopodemserassociadosemestrelaou tringulo.Aligaoestrelautilizadanamaioriadosgeradoresdossistemasdeenergiaeltrica. Geralmente, o neutro aterrado neste tipo de ligao sendo este aterramento feito atravs de uma resistncia ou reatncia cuja finalidade a de reduzir a corrente de curto circuito. Comrelaoaseurotor,asmquinassncronassoconstrudascomdoistiposderotores:rotor cilndrico ou de plos lisos que so acionados por turbinas a vapor com velocidade de 3.000 rpm ou3.600rpm(50ou60Hz,respectivamente),eorotordeplossalientesquesousualmente acionadosporturbinashidrulicas,embaixavelocidade,poucascentenasdeRPM,conforme mostrados na figura 02 a seguir: Figura 02 - gerador trifsico elementar a) rotor cilndrico de dois plos, e b) rotor de plos salientes de quatro plos. O ponto preto indica que o sentido positivo da corrente est dirigido para fora do plano do papel. A cruz indica que o sentido positivo da corrente est dirigido para dentro do plano do papel. 5 Osrotorescilndricos,oudeploslisos,tmumenrolamentodecampo distribudoemranhurasconstrudasaxialmenteaolongodocomprimentodo rotor, e um entreferro essencialmente uniforme.Esses rotores, construdos com dois ou quatro plos, so usados em geradores degrandepotncia(vriascentenasdeMW)esogeralmenteacionadospor turbinas a vapor de alta velocidade (turbo-geradores). So rotores longos e tm umpequenodimetro,usualmenteentre1e1,5metros,eissotornaa mquina adequada para operar com velocidade de 3.000 rpm (50 Hz) ou 3.600 rpm (60 Hz), conforme figura 03. Figura 03 - geradores sncronos com rotor de plos lisos de alta velocidade. A alta velocidade de rotao do rotor produz alta fora centrfuga, a qual impe umlimitesuperioraodimetrodorotor.Nocasodeumrotorgirandoa3600 rpm,olimiteelsticodoaoimpeumdimetromximode1,2m.Poroutro lado, para construir geradores de elevada potncia (1.000MVA a 1.500MVA) o volume do rotor tem de ser grande. Paraisso os rotores de alta potncia, alta velocidade so bastante longos. J os rotores de plos salientes tm enrolamentos concentrados nos plos e umentreferronouniforme.Pelofatodeoperaremcombaixavelocidade rotacionalpossuemumgrandenmerodeplos,geralmentecommaisde50 paragarantirumafreqnciade60Hz,oqueimplicanumgrandedimetro paraproveroespaonecessrioaoacondicionamentodosplos,conforme figura 04. 6 Figura 04 - geradores sncronos com rotor de plos salientes de baixa velocidade (estator e rotor). Osrotoresdeplossalientessoemgeralacionadosporturbinashidrulicas (hidro-geradores)debaixavelocidade(entre50e300rpm)afimdeextraira mxima potncia de uma queda dgua. Dados do Gerador Sncrono da Usina Xing-CHESF: Tipo: ..................................................................Sncrono Vertical. Quantidade: ......................................................6 Fabricante; ........................................................Siemens Potncia instalada de cada unidade: ................527 MW Classe de isolamento rotor: ..............................F Classe de isolamento do estator: ......................F Corrente nominal: ............................................16.679 A Fator de potncia: ............................................0,95 Freqncia: ......................................................60 Hz Tenso entre fases:...........................................18.000 V Velocidade nominal:........................................109,1 rpm Nmero de plos:.............................................66 A eficincia dos geradores muito importante. Geradores sncronos em plantas depotnciapodematingir99%deeficincia.Istosignificaqueparauma mquinade600MWquepossuiessaeficincia,produz6MWdecalor, portanto, essa mquina precisa ser refrigerada.Grandesturbo-geradoresemplantastrmicassorefrigeradospormeiode hidrognioougua.Ohidrogniotemsetevezesacapacidadedecalorem relaoaoar,eaguadozevezes.Ohidrognioouaguafluematravsde cavidadesespecficasnointeriordosenrolamentosdoestator.Arefrigerao equalizaadistribuiodatemperaturanogerador,porquepontosquentesde temperatura afetam o ciclo de vida da isolao eltrica. A evoluo dos grandes 7 turbo-geradorestemsidodeterminadapormelhoresmateriaisetcnicasde refrigerao sofisticadas. J os geradores de baixa velocidade em plantas hidrulicas so sempre maiores quemquinasdealtavelocidadedeigualpotnciaemplantasdetrmicas,e umbomsistemadearrefrigeradocomtrocadoresdecalor,usualmente empregado em geradores de baixa velocidade. 3. PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS GERADORES SNCRONOS Conformeafigura05a,eassumindoqueumacorrentedecampo(If)flua atravsdoenrolamentodecampodorotor,equeorotorsejaacionadopor uma mquinaprimria (turbina ou motor diesel ou DC, ou motor de induo), serestabelecidoumfluxosenoidaldistribudonoentreferro,ouseja,um campogiranteestabelecidoporumfluxoproduzidonoentreferro.Este campodenominadocampodeexcitao,porqueeleproduzidoporuma correntedeexcitaocontnua(If).Ofluxogirando,produziria,ento, variaespelosenrolamentosdoestatoraa,bbecc,ecomoconseqncia, haveriaainduodetensesemseusterminais.Estastensesinduzidas, conformefigura05b,temamesmamagnitude,masestodefasadasde120 eltricos, e so denominadas de tenso de excitao (Eg). Figura 05 tenso de excitao em mquinas sncronas. Conformejcomentado,avelocidadedorotoreafreqnciadatenso induzidasorelacionadaspor:

;onde:navelocidadedorotor [rpm], p o nmero de plos e f a freqncia *Hz+. 8 O valor eficaz da tenso de excitao dado por:

Onde: f o fluxo por plo para uma corrente de excitao; N o nmero de espiras do enrolamento para cada fase, e Kw o fator de enrolamento. Das equaes anteriores, tem-se:

E como p, N e Kw so constantes, logo:

Atensodeexcitaoproporcionalvelocidadedamquinaeaofluxode excitao,oqualdependedacorrentedeexcitao(If).Avariaodatenso deexcitaocomacorrentedecampomostradanafigura06.Atenso induzidaparaIf=0Adecorrentedomagnetismoresidual.Inicialmente,a tenso aumenta linearmente com a corrente de campo, mas caso a corrente de campocontinuaraserincrementadachegarumpontoemqueofluxofdeixardeaumentarlinearmentecomacorrentedecampo(If)porcausada saturao do circuito magntico.Se o terminal da mquina for mantido aberto, a tenso de excitao a mesma queatensodoterminal,epodesermedidausandoumvoltmetro.Acurva mostradanafigura06conhecidacomocurvacaractersticadecircuito aberto CCA ou caracterstica de magnetizao da mquina sncrona. Figura 06 - caracterstica de circuito aberto (CCA) ou de magnetizao de uma mquina sncrona. Seosterminaisdoestatordamquina(figura01c)estoconectadosauma cargatrifsica,fluirumacorrenteIapeloestator.AfreqnciadeIasera mesmaqueadatensodeexcitaoEg .Ascorrentesestatricasfluironos enrolamentostrifsicos,asquaisestabeleceroumcampomagnticogirante 9 noentreferro.Ofluxonoentreferroresultantedosfluxosproduzidospela corrente rotrica If e pela corrente estatrica Ia. Sendof ofluxodecorrentedeIf ea ofluxodecorrentedeIa ,conhecido como fluxo de reao de armadura, ento: r = f+ a = fluxo resultante no entreferro (em condio de no saturao do ncleo). Pode-se notar que a resultante e a componente dos fluxos no entreferro giram namesmavelocidadedadaporn=120.f/p.Odiagramafasorialparaestes fluxos mostrada na figura 07. A fmm do campo do rotor Ff (decorrente de If ) eofluxof produzidopelafmmFf estorepresentadasaolongodamesma linha.AtensoinduzidaEg estatrasadade90emrelaoaofluxof ea corrente estatrica Ia est atrasada graus em relao tenso Eg . A fmm Fa (decorrentedeIa )eofluxoa produzidopelafmmFaestoaolongodo mesmo eixo, assim como a correnteIa . Considerando-se que o ncleo no ir saturar o fluxo resultante r a soma vetorial dos fluxos Ffe Fa . Figura 07 - diagrama fasorial 4.REGIMES DE OPERAO PARMETROS Umamquinacomotal,conformecitado,possuiumasriedeparmetrosa seremespecificados,duranteoseuprojetoconstrutivo.Entreosvriosque acompanhamtalprocedimento,podemosmencionaraquialgunsdos principais, tais como: Potncia nominal [ kVA ]. Tenso nominal [ kV]. Classe de Isolao [kV]. Freqncia nominal [Hz]. Corrente nominal [A]. Fator de potncia nominal. Corrente de excitao nominal [A]. 10 Tenso nominal de excitao [V]. Reatnciasncronanominalparaosdiferentesregimesdetrabalho (Permanente - RP, Transitrio - RT e Sub-transitria - ST). Limitesoperacionais:estatrico(trmico),rotrico(excitao), mecnico (turbina), etc. Assimsendo,estamquinasncronapodeestaroperandoemcondiestais que,acargaporelaatendida,sejadefinidaemRegimePermanente(RP),em concordnciacomosseusvaloresnominaise,portantoareatnciaquea representarnessecasoserareatnciasncronanominal(Xs).Esse procedimento ser adotado na representao da mquina sncrona durante os estudos de Fluxo de Potncia em Regime Permanente (RP).Seeventualmente,estamquinasncronaestiveroperandointerconectada comoutrasnumbarramentocomum(usinas),portanto,mesmonvelde tenso, ou ento, interligadas atravs de uma barra de sincronismo com outras fontesexternas(concessionriasindstrias)estabelecendosituaesde paralelismoremoto,ondepodemocorrerentradasesadasdecargasde valoresexpressivos,issopodeinduzirapequenasoscilaesnaoperaoda mquinasncronaenessecaso,areatnciaquearepresenta,nomaisa sncrona e sim, um valor transitrio, denominado de reatncia transitria (Xs), ligeiramenteinferioranteriorXsequeserusadanassimulaesdinmicas de sistemas envolvendo oscilaes transitrias em redes. Porm,sedurantetaloperao,ocorrerumcurto-circuitoprximoaos terminaisdamquinasncronahaverento,umcortebruscodacarga atendidae,acorrenteinstantaneamenteseelevaravaloresmuitomaiores que a nominal justificada por uma variao brusca do fluxo interno da mquina sncronaeconseqenteumamudanadocomportamentointernodamesma, reduzindo o nvel de permeabilidade magntica do ferro e conseqente queda novalordaindutnciaacarretando,portanto,tambmumareduonovalor dareatnciaquearepresentanessascondies.Essa reatnciadenominada de reatncia sub-transitria (Xs) e a que representa a mquina sncrona nas condies crticas de curto-circuito. Assim,duranteosestudosderepresentaesdemquinasparaefeitosde clculos de estabilidade, fluxo de carga, de curto-circuitos, sejam eles terminais ouno,osparmetrosrepresentativosdamquinasncronasodiferentes. Existemvriosmodelosquepermitemsefazertaisrepresentaes,comoas clssicasmodelagensporcomponentesdefases,paraasmquinasncronade ploslisosoupelamodelagemdasduasreatnciasXdeXqparaasmquina sncronadeplossalientes,ouainda,pelasrelaesestabelecidaspelateoria dascomponentessimtricas(positivo,negativo,zero),largamenteusadasem estudos de operao desequilibrada da mquina sncrona. 11 Deformamaissimplificada,pode-seresumiressamodelagemconforme mostrado na Figura 08, abaixo: Figura 08 - diagrama esquemtico de uma mquina sncrona gerador. 5. CIRCUITO EQUIVALENTE DA MQUINA SNCRONA Se o circuito de armadurafor fechadopor meio de uma carga, vai circular por eleumacorrentequeserresponsvelporperdasporefeitoJoulena resistnciadoprprioenrolamento,etambmpelaexistnciadefugas magnticasemtornodoscondutores.Estesefeitos,semelhantesaosquese verificavamparaoutrostiposdemquinas,levam-nosaomodelodecircuito equivalente. Figura 09 - o circuito equivalente por fase de um gerador sncrono sob condio de regime permanente. Estemodelousadoparaanalisarofuncionamentoemregimepermanente tantoemmotor,comoemgerador.Comosetrataderegimepermanenteos transitriosocorridostantonocircuitodeexcitaocomonoenrolamento amortecedorsodesprezados.Trata-secomoemoutroscasosdeummodelo fase-neutro (monofsico). AtensoEginduzidapelofluxodoenrolamentodecampo(freqentemente referidacomotensogeradaoutensointerna)podeserobtidadaderivada dofluxoemrelaoaotempo,multiplicadapelonmerodeespirasdo 12 enrolamento,lembrando-sequeofluxomagnticotemumcomportamento senoidal [(t)=mx senet]:

Conseqentemente, conforme j abordado, o valor eficaz da tenso induzida dado por:

onde: f o fluxo por plo para uma corrente de excitao; N o nmero de espiras do enrolamento para cada fase, e Kw o fator de enrolamento. Assim, um circuito equivalente em notao complexa est mostrado na figura a seguir, com seu respectivo diagrama fasorial. Deve-se observar que a figura e a equao abaixo foram escritas com o sentido de referncia de Ia tomado como positivoquandoacorrenteestentrandonosterminaisdamquina.Isso conhecidocomosentidoderefernciadotipomotorparaacorrente. Conforme figura 10.

Figura10-circuitoequivalentedemquinasncronacomosentidoderefernciadotipomotorerespectivo diagrama fasorial. Alternativamente,osentidoderefernciadotipogeradordefinidocomo sendoosentidoderefernciadofasorcorrente(Ia),tomadocomopositivo, quando a corrente est saindo dos terminais da mquina, conforme figura 11, a seguir.Comessaescolhadesentidosdecorrentesderefernciaparaa corrente do estator a equao torna-se:

Figura 11 - circuito equivalente de mquina sncrona com o sentido de referncia do tipogerador e respectivo diagrama fasorial. 13 Observequeessasduasrepresentaessoequivalentes,pois,quandose analisaumadadacondiodeoperaoemparticulardeumamquina sncrona, a corrente real a mesma. O sinal de Ia ser determinado simplesmente pela escolhadosentidodereferncia.Ambasasoperaessoaceitveis,no dependendo se a mquina sncrona sob anlise est operando como motor ou como gerador.No entanto, na anlise do funcionamento de um motor, como a potncia tende afluirparadentrodele,intuitivamentetalvezsejamaissatisfatrioescolher o sentidoderefernciaemqueacorrentefluiparadentrodamquina.O oposto,tambmverdadeiroquandoseanalisaamquinaoperandocomo gerador. Nesse caso, a potncia tende a fluir para fora da mquina.Emsuamaioria,astcnicasdeanlisedemquinassncronasapresentadas foramdesenvolvidasinicialmenteparaanalisarodesempenhodosgeradores sncronosemsistemaseltricosdepotncia.Comoresultado,osentidode referncia do tipo gerador mais comum, e a partir deste ponto do texto, o que em geral ser usado. Para efeito de facilidade de clculo, normalmente se despreza a resistncia do prprioenrolamento(Ra)semquealteraessignificativassejaminseridasno resultado da anlise, conforme figura 12. Figura 12. Circuito equivalente simplificado por fase de Gerador Sncrono para Ra = 0O. 6. O BARRAMENTO INFINITO Geradores sncronos so raramente usados como fonte de suprimento de carga individual.Estesgeradores,emgeral,soconectadosaumsistemade suprimento de potncia conhecido como Barramento Infinito. Pelo fato de um grande nmero de geradores sncronos estarem conectados juntos a tenso e a freqncia do barramento infinito raramente mudam.14 Cargas so derivadas do barramento infinito para vrios centros de cargas. Um barramento infinito tpico mostrado na figura 13. Figura 13 - parte de um barramento infinito Atransfernciadaenergiaproduzidanasplantasdepotncia(usinas hidreltrica, por exemplo) at o consumidor final realizada por meio de linhas detransmissoaumnveldetensoelevado,geralmentedaordemde centenas de kV, de forma a obter maior eficincia no processo de transmisso. No entanto, a gerao de energia eltrica em potncia elevada efetuada por meiodegeradoressncronosaumnveldetensorelativamentebaixo,da ordem de 15 kV. Um transformador de potncia elevada utilizado para elevar onveldetensodesadadogeradordeformaacompatibiliz-laaonvelde tensodobarramentoinfinito,paraqueaenergiapossasertransmitidaaos centros de consumo, onde haveria a reduo deste nvel de tenso para nveis compatveis com o consumo residencial, comercial e industrial. Nasplantasdepotnciaosgeradoressncronossoconectadosou desconectadosdobarramentoinfinitodependendodademandadepotncia solicitadapelosistema(consumo).Aoperaodeconexodeumgerador sncronoaobarramentoinfinitoconhecidacomoparalelismocomo barramentoinfinito.Antesqueseestabeleaoparalelismodogerador sncronocomobarramentoinfinito,necessrioqueambosestejamcomo mesmo nvel de tenso e ngulo de fase, bem como, com a mesma freqncia e seqncia de fase. 15 Nasplantasdepotnciaestascondiessoverificadasporuminstrumento conhecido como sincronoscpio, conforme figura 14 a seguir: Figura 14 sincronoscpio Figura 15 diagrama esquemtico para paralelismo de um gerador sncrono com um barramento infinito usando lmpadas de sincronismo Aposiodoponteirodoinstrumentomostraadiferenaentreongulode fase da tenso do gerador a ser conectado e do barramento infinito. O sentido domovimentodoponteiroindicaseorotordogeradorsncronoaser conectadoestgirandonumavelocidaderpidaoulenta,isto,seasua freqncia maior ou menor que a do barramento infinito.Acorreta seqnciadefasepredeterminada,poiscasono ocorra acorreta conexo,poderiaproduzirumasituaodesastrosa.Quandooponteirodo indicadormovelentamente(isto,quaseamesmafreqncia)epassapelo ponto de fase zero (posio superior vertical) o disjuntor fechado e o gerador sncrono conectado ao barramento infinito. Umquadrodelmpadasadequadamenteconectadaspodeserusadopara verificar se a condio de paralelismo do gerador com o barramento infinito satisfeitas.Numlaboratriotalquadrodelmpadaspodeserusadopara demonstrar o que acontece se essas condies no so plenamente satisfeitas.16 Afigura15mostraodiagramadeligaomontadoemlaboratrioparaesse propsito.AmquinaprimriapodeserummotorDC,ouummotorde induo.Elapodeserajustadaparaumavelocidadetalqueafreqnciado gerador sncrono seja a mesma que a do barramento infinito. Por exemplo, se o gerador sncrono tem 4 plos, a mquina primria deve ser ajustada para 1.800 rpmparaqueafreqnciasejade60Hz,amesmaqueadobarramento infinito.AcorrentedecampoIfpoder,ento,serajustadaparaqueosdois voltmetro (V1 e V2) mostrem o mesmo nvel de tenso.Se a seqncia de fase estiver correta todas as lmpadas tero o mesmo brilho, e se as freqncias no so exatamente a mesma as lmpadas se acendero e se apagaro em degraus. Examinando-se o efeito das lmpadas quando as condies adequadas no so satisfeitaspossvelefetuarumaanlisedocomportamentodosparmetros dogeradorsncronofrenteaobarramentoinfinito.Ofenmenopodeser explanadopormeiodosdiagramasfasoriaisdastensesdogeradoraser conectado e do barramento infinito, a seguir:EA, EB, EC : representam a tenso fasorial do barramento infinito. Ea, Eb, Ec : representam a tenso fasorial do gerador sncrono a ser conectado. EAa, EBb, ECc : representam a tenso fasorial das lmpadas de sincronizao. A magnitude destas tenses representa o brilho das correspondentes lmpadas. Conforme diagrama da figura 6.9. pode-se analisar diferentes situaes entre a mquina sncrona a ser conectada e o barramento infinito, com efeitos sobre as lmpadas de sincronismo, as quais sero descritas a seguir: a) Tenses diferentes, mas freqncias e seqncias de fases iguais: Referente figura abaixo, ambos fasores tenso (EA , EB , EC e Ea , Eb , Ec) giram com a mesma velocidade. As tenses nas lmpadas (EAa , EBb , ECc) tm a mesma magnitudee,conseqentementeastrslmpadasbrilhamcomamesma intensidade.Parafazerastensesiguais,acorrentedecampoIfdeveser ajustada. 17 b) Freqncias diferentes, mas tenses e seqncias de fases iguais: Osdoisdiagramasdetenses fasoriaisgiramcomdiferentes velocidades,pois as freqncias so diferentes. Assumindo que no instante t=t1 as tenses esto emfase,logoastensesnaslmpadascorrespondemazerovolts,ecomo conseqncia,elasestoapagadas.Sef1 >f2 ,noinstanteseguinte,ouseja, t=t2, os fasoresEA, EB e EC estaro adiantados em relao aos fasores Ea, Eb e Ec , implicando-senoaparecimentodetensesiguaissobreastrslmpadas,as quaisbrilharocomamesmaintensidade.Portanto,evidentequeseas freqncias so diferentes, as lmpadas brilharo e apagaro em step (degrau). Parafazerasfreqnciasiguais,avelocidadedorotordamquinasncronaa serconectadaaobarramentoinfinitotemqueserajustadaatqueas lmpadas acendam e apagam muito lentamente, em step. Isso pode ser notado medidaqueavelocidadedamquinaajustada,asuatensomudar simultaneamente.Portanto,ajustessimultneosdacorrentedecampoIf tambm sero necessrios de forma que as tenses sejam iguais. c) Seqncias de fases diferentes, mas tenses e freqncias iguais: Asseqnciasdefasesdastensesdobarramentoinfinito(EA,EB eEC)eda mquinasncronaaserconectada(Ea,Eb eEc)estomostradasnafiguraa seguir. As tenses sobre as lmpadas so diferentes e, portanto, brilharo com intensidadesdiferentes.Seasfreqnciassoligeiramentediferentes,um conjuntodetensesfasoriaispassarooutroconjuntodetensesfasoriais,e as lmpadas acendero e apagaro em step. Para fazer as seqncias de fases iguais, necessrio permutar dois terminais de conexo; por exemplo, fazer a seqncia de fase A-B-C (seqncia direta ou positiva) tanto na mquina quanto no barramento infinito (figura 15). 18 d) Fases diferentes, mas tenses, freqncias e seqncias de fases iguais: Nosdoisconjuntosdetensesfasoriaisseromantidasconstantesas diferenasdefases,easlmpadasbrilharocomamesmaintensidade.Para igualaras fasesdastenses,ouseja,fazeradiferenaiguala 0,afreqncia damquinaqueserconectadadeverserligeiramenteajustadaatquea diferenadefasesejanula.Issopoderserobservadoquandotodasas lmpadasestiremapagadas,eseodisjuntorforfechadoamquinaser conectada ao barramento de forma segura. ... uma vez que a mquina sncrona conectada ao barramento infinito, sua velocidadenopoderseralteradanovamente.Contudo,atransfernciada potncia ativa da mquina ao barramento infinito poder ser controlada por meio do ajuste da potncia da mquina primria (turbina controle do fluxo deguaouvapor,porexemplo).Apotnciareativa(eporconseqnciao fatordepotnciadogerador)podersercontroladopormeiodoajusteda corrente de campo If . 19 7. CONEXO DO GERADOR SNCRONO AO BARRAMENTO INFINITO Conformejcomentado,antesdeumgeradorsncronoserconectadoao barramento(sistema),quatrocondiesdevemsersatisfeitas.Atensodo gerador deve: a)ter a mesma seqncia de fases que a tenso do barramento; b)ter a mesma freqncia que a do barramento; c)ter a mesma amplitude em seus terminais que a tenso do barramento;d)estar em fase com a tenso do barramento.Quando o gerador conectado em grandes sistemas sua tenso de sada e sua freqnciasoamarradasaosvaloresdosistemaenopodeseralteradas porqualqueraonogerador.Diz-se,ento,queogeradorestconectadoa umbarramentoinfinito,ouseja,umafontedetensoidealcomamplitude de tenso e freqncia fixa. Ocircuitoequivalentedeumgeradorsincronizadorepresentadonafiguraa seguir.AreatnciaXsdenominadadereatnciasncrona,enocasodos geradorescomrotoresdeploscilndricos(lisos)esteparmetroconstante nacondionormaldefuncionamentodamquina(regimepermanente).A resistncia do enrolamento do estator eliminada no circuito equivalente. Imediatamenteapsasincronizaoeacoplamento(conexoaobarramento infinito), o gerador no fornece, nem mesmo absorve potncia do barramento infinito(sistemas).Ovaporqueentranaturbinaomesmoexistente anteriormenteaodeacoplamento,eexatamenteaquantidade necessria para acionar o rotor e suprir as perdas da turbina e do gerador. Figura16-circuitoequivalentedeumgeradorsncronoconectadoaumbarramentoinfinito(sistema)como correspondente diagrama fasorial; o gerador est acoplado ao sistema, mas no fornece potncia. 20 Semaisvaporfornecidoturbinapoderiaseesperarqueogerador acelerasse,masissonopossvelporqueogeradorestconectadoaum barramentoinfinito.comosedoisobjetosestivessempresos,umaooutro, por meio de uma mola elstica. O barramento infinito est numa extremidade damolaesemovecomumavelocidadeconstante,eogeradorsncronoest conectado outra extremidade da mola, conforme figura a seguir, na qual para asituaoanohpotnciatrocadaentregeradoresistema.Oque aconteceriasemaisvaporfossefornecidoturbina,comomostraasituao b da figura. Figura17-geradoresistema(barramentoinfinito)representadopordoisobjetosatadosporumamola elstica;a)nenhumapotnciatrocadaentregeradoresistema(situaodafigura16),eb)ogeradorinjeta potncia sistema (situao da figura 18). Otorquemecnicosupridoaoeixodogeradorpelaturbinatentaaceleraro gerador,massomenteestendesensivelmenteamolaqueestpresaao barramento infinito, e toda a energia extra transformada em energia eltrica e absorvida pela carga, ou seja, a mquina fornece potncia sistema. Anlogo extensodamola,aforaeletromotrizinternadogerador(Eg)adianta-se tenso terminal (Vt). Figura18-circuitoequivalentedeumgeradorsncronoconectadoaumbarramentoinfinito(sistema)como correspondente diagrama fasorial; o gerador fornece potncia ao sistema. 21 A amplitude da tenso interna do gerador Eg funo da corrente de campo If , a qual controlada pelo regulador de tenso do gerador. Na figura anterior, Eg est adiantada em relao tenso terminal (Vt) por um ngulo o, denominado ngulo de potncia. Como conseqncia, corrente e potncia so fornecidas ao sistema. Pela Lei de Kircchoff, a expresso da corrente, dada por:

;e Vt est na referncia (0) onde: Ia : corrente

[A] Eg : tenso interna do gerador

[V] Vt : tenso terminal (sistema)

[V] Xs: reatncia da mquina

[] A potncia trifsica complexa fornecida sistema dada por:

Partindodestaexpressopode-seobteraexpressodapotnciaativae reativa, por meio da eliminao da varivel Vt, conforme segue:

A parte real da potncia complexa (S) a potncia ativa:

ou

A parte imaginria da potncia complexa (S) a potncia reativa:

22 Poroutrolado,partindodamesmaexpressopodeobteraexpressoda potncia ativa e reativa, por meio da eliminao da varivel Ia, conforme segue:

A parte real da potncia complexa (S) a potncia ativa:

ou

onde:

A parte imaginria da potncia complexa (S) a potncia reativa:

ou

Umabreveanlisenaequaodapotnciaativaobserva-sequeoseusinal determinado somente pelo ngulo de potncia (o ): a) seo>0P>0,amquinafornecepotnciaativaaosistema,portanto um GERADOR; b) se o = 0 P = 0, a mquina no fornece potncia ativa ao sistema, portanto um COMPENSADOR; e c) seo