Máq Elét_Capítulo 4 (Máq Síncronas)

APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

4 MÁQUINAS SÍNCRONAS

4.1 Introdução

É uma máquina cuja velocidade mecânica, em regime permanente, está relacionada à freqüência das tensões e correntes que circulam em regime permanente no seu enrolamento de armadura pela seguinte equação:

Ou seja, em regime permanente operam à velocidade e frequência constantes.

As máquinas síncronas podem ser de dois tipos:

POLOS LISOS (rotor cilíndrico): operam com velocidades elevadas (máquinas acionadas por turbinas a gás ou a vapor) e possuem baixo número de pólos.

POLOS SALIENTES : operam com velocidades reduzidas (máquinas acionadas por turbinas hidráulicas) e possuem alto número de pólos

Delirose Ramos Página 1


ENROLAMENTO DE ARMADURA – alimentado por corrente alternada, é usualmente trifásico distribuído em ranhuras na periferia do estator.

ENROLAMENTO DE CAMPO – alimentado em corrente contínua. É usualmente encontrado: Distribuído em ranhuras no rotor das máquinas síncronas de polos lisos ou Concentrado nas máquinas de polos salientes. É girante e alimentado através de anéis deslizantes e escovas.

Além dos enrolamentos de armadura e de campo, a máquina síncrona possui barras amortecedoras no rotor, que atuam durante os transitórios das máquinas. Estas barras atuam como a gaiola do motor de indução durante a partida da máquina síncrona, criando um conjugado de partida.

4.2 Circuito Equivalente

A figura abaixo mostra o circuito equivalente de uma máquina síncrona.



Na maioria dos casos, a parcela de resistência é muito menor do que a parcela de reatância, podendo ser desprezada nos cálculos.

Os geradores recebem energia mecânica e transformam internamente em uma tensão Ef. No momento em que uma carga é conectada aos terminais do equipamento, uma corrente de armadura Ia circula no circuito, a tensão Vt corresponderá à tensão Ef subtraída da queda de tensão devida à reatância Xs.

Ef = Vt + (R+Xs) Ia

No caso dos motores, a tensão aplicada nos terminais Vt sofrerá uma queda de tensão originada pela passagem da corrente de armadura pela reatância e então chegará ao motor para transformação da energia elétrica em energia mecânica.

Ef = Vt + (R+Xs) Ia

OBS: sempre que Ef for maior do que Vt, diz-se que a máquina está sobrexcitada, quando ocorrer o contrário, a máquina estará subexcitada.

4.3 Características Construtivas

As características das máquinas síncronas são bastante similares às das máquinas de indução de rotor bobinado.

As máquinas síncronas também possuem o campo girante como princípio de funcionamento, só que nestas máquinas, não apenas o campo girante, mas também o rotor gira à velocidade síncrona, para tanto, é necessário que a partida seja feita com o auxílio dos enrolamentos amortecedores, que se situam no rotor, esses enrolamentos também são acionados se houver a ocorrência de um curto circuito.



A figura abaixo mostra com detalhes os enrolamentos amortecedores.

As equações das potências desenvolvidas (por fase) pelo gerador síncrono são:

4.4 Curva de capacidade das máquinas síncronas

A curva de capacidade ou capabilidade de uma máquina síncrona define todas as condições normais de operação desta máquina conectada a um barramento infinito. Esta curva consiste de um conjunto de pontos na superfície do plano PxQ, cujos pontos que se situam sobre os contornos da curva são pontos de operação da maquina síncrona em que pelo menos um dos fatores



limitativos da capacidade de equipamento atinge o valor máximo permissível, definindo assim as características nominais da máquina.

A curva de capacidade de uma máquina síncrona é construída admitindo uma tensão terminal constante e desprezando-se a resistência de armadura.

A construção da curva se inicia a partir da obtenção do diagrama fasorial tomando Vt como referência e traçando as cinco curvas responsáveis pela definição dos limites operacionais da máquina síncrona em regime contínuo ou dos contornos da curva de capacidade de uma máquina síncrona. São elas: excitação máxima, corrente de armadura máxima, excitação mínima, potência máxima da máquina primária e limite de estabilidade. Conforme figura a seguir:

4.5 Motores Síncronos

Embora haja uma grande aplicabilidade das máquinas síncronas como geradores, essas máquinas quase não são utilizadas com a função de motores, isso ocorre principalmente devido aos seus elevados custos de manutenção, especialmente nas escovas e anéis coletores, de modo que normalmente se opta pela utilização dos motores de indução que demandam custos mais baixos de manutenção.

Os motores síncronos são utilizados em casos especiais, quando é necessária uma partida especial ou quando deseja-se obter altos rendimentos. Normalmente utilizado em potências mais elevadas.

Porém, os motores síncronos, além da mesma aplicação que os motores de indução, também podem ser utilizados para compensação de fator de potência, quando sobrexcitados. A figura a seguir traz um diagrama de variação da potência corretiva com a carga.



4.6 Exercícios

1) Motores síncronos de indução, monofásicos, de pólos salientes, são normalmente chamados de motores:

a) Subsíncronos;b) De histerese;c) De relutância;d) De corrente contínua;e) Supersíncronos.

2) Quando uma máquina síncrona fornece energia ativa e energia reativa a um barramento, está funcionando como:

a) Motor capacitivo;b) Motor indutivo;c) Gerador indutivo;d) Gerador capacitivo;e) Gerador resistivo.

3) Assinale a opção INCORRETA com relação a máquinas síncronas.a) Esse tipo de máquina não apresenta um comutador como um

gerador CC;b) Os enrolamentos da armadura nessas máquinas ficam,

normalmente, no estator;c) Dependendo do tipo de construção, o rotor dessas máquinas

pode ser do tipo pólos salientes ou do tipo rotor cilíndrico (pólos lisos);

d) Essas máquinas operam à freqüência síncrona em regime permanente;

e) Esse tipo de máquina é utilizado somente como gerador.

4) Um motor síncrono trifásico:a) Requer a instalação de capacitores integrados para melhoria do

rendimento;b) Possui alto fator de potência e tem comportamento de carga

indutiva;c) Pode operar com o rotor com alto escorregamento;d) Possui altos torques de partida e máximo;e) Pode contribuir para corrigir o fator de potência de uma

instalação.



5) Uma máquina síncrona elementar é composta por três enrolamentos no estator, defasados de 120º, e um enrolamento no rotor alimentado em corrente contínua. A respeito desse tipo de máquina, afirma-se que:

I – Os motores síncronos possuem os chamados “enrolamentos amortecedores”, devido à inexistência de torque na partida;II - A tensão do estator em vazio é denominada “tensão de excitação”;III – A freqüência de variação do fluxo em uma bobina do rotor depende do número de pólos da máquina.

Está(ão) correta(s) a(s) afirmativa(s)

a) I, somente;b) I e II,somente;c) I e III, somente;d) II e III, somente;e) I, II e III.

6) Um gerador síncrono a diesel tem 36 pólos. Qual deve ser a velocidade de rotação, em RPM, para que a freqüência da tensão de saída seja igual a 60 Hz?

a) 3600;b) 1800;c) 900;d) 450;e) 200.

7) Máquinas elétricas síncronas podem ser utilizadas para corrigir o fator de potência de sistemas elétricos, isto é, podem operar de forma que a reatância equivalente vista de seus terminais seja equivalente a de um capacitor. Considere o circuito equivalente monofásico de uma máquina síncrona, mostrado na figura abaixo. Para que a impedância equivalente vista dos terminais MN seja de –j0,4 ohms, o valor da tensão VE deve ser:

a) 0;



b) VT/2;c) VT;d) 3VT/2;e) 2VT.

8) Um alternador trifásico com 80 pólos está sincronizado a um sistema elétrico de potência que opera à freqüência síncrona igual a 60 Hz. A velocidade mecânica, em rpm, desenvolvida por esse gerador a fim de atender ao requisito de freqüência elétrica do sistema é igual a:

a) 60;b) 80;c) 90;d) 120;

9) Um gerador síncrono trifásico de 60 Hz, 6 pólos, alimenta um motor de indução de 4 pólos, com escorregamento de 5%. As velocidades do gerador e do motor,em rpm, são, respectivamente:

a) 1200 e 1800;b) 1200 e 1710;c) 1200 e 1770;d) 1800 e 1750;

10)A máquina síncrona pode ser de dois tipos:armadura estacionária ou armadura girante. Qual dos itens abaixo NÃO representa uma vantagem da utilização de armadura estacionária em relação à armadura girante?

a) Resistência aumentada dos dentes da armadura;b) Reatância de armadura aumentada;c) Menor número de anéis coletores;d) Melhoria do isolamento;e) Peso e inércia do rotor reduzido.

11)Um gerador de energia elétrica síncrono de 60 Hz movido a diesel funciona a 200 rpm. O número de pólos desse gerador é:

a) 16;b) 36;c) 96;d) 120;e) 240.



12)Há uma diferença marcante na aparência externa entre alternadores (máquinas primárias):

É correto afirmar que:a) A máquina (I) tem pólos cilíndricos e trabalha em baixa

velocidade e a máquina (II) trabalha em alta velocidade;b) A máquina (I) tem pólos salientes e trabalha em baixa velocidade

e a máquina (II) trabalha em alta velocidade;c) A máquina (I) tem pólos salientes e trabalha em alta velocidade e

a máquina (II) tem pólos cilíndricos (lisos);d) Estas duas máquinas, (I) e (II), trabalham em qualquer

velocidade;e) Sem inspecionar o interior das duas máquinas não há como

definir as respectivas velocidades de trabalho.

13)O que aconteceria a um gerador síncrono se ele perdesse o sincronismo?

a) Aceleraria, podendo atingir velocidades perigosas;b) Reduziria a tensão e a freqüência geradas;c) Manteria a velocidade do seu rotor, mas poderia vir a queimar;d) Reduziria sua velocidade até parar, podendo vir a queimar;e) Um gerador síncrono não pode perder o sincronismo.

14)As alternativas a seguir referem-se a um motor síncrono trifásico, EXCETO:

a) Eles partem como motores de indução, tendo o seu campo alimentado por corrente cc quando atingem velocidade próxima da velocidade síncrona;

b) Quando perdem o sincronismo aceleram e podem atingir velocidades perigosas;

c) Trabalham com velocidade constante, independente da carga no seu eixo, desde que não ultrapasse a capacidade máxima da máquina;



d) Apresentam campo magnético girante produzido por correntes alternadas trifásicas que alimentam o seu estator;

e) O torque eletromagnético atua no mesmo sentido de rotação da máquina.

15)Com relação ao gerador síncrono, quando se acrescenta uma carga RL nos seus terminais:

a) A freqüência e a tensão permanecem constantes;b) A freqüência aumenta e a tensão diminui;c) A freqüência diminui e a tensão aumenta;d) A freqüência e a tensão diminuem;

16)Sobre o motor síncrono, quando está sub-excitado, ele se comporta como:

a) Um capacitor;b) Um indutor;c) Um transformador;d) Um resistor;

GABARITO

1 C 5 E 9 B 13 A 17

2 C 6 E 10 B 14 B 18

3 E 7 D 11 B 15 A 19

4 E 8 C 12 B 16 C 20


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