Motores síncronos. São motores com velocidade de rotação fixa velocidade de sincronismo.

Transcrição

1 Motores síncronos Prncípo de funconamento ão motores com velocdade de rotação fxa velocdade de sncronsmo. O seu prncípo de funconamento está esquematzado na fgura 1.1 um motor com 2 pólos. Uma corrente (contínua) de campo I F produz um campo magnétco B no rotor. Um sstema trfásco de tensões é aplcado aos enrolamentos estatórcos produzndo um campo magnétco grante, com o campo B a tender a alnhar-se com o campo. No entanto, estes dos campos magnétcos nunca fcam perfetamente alnhados, pos, mesmo sem carga, o rotor possu uma determnada nérca e portanto, haverá sempre um desfasamento entre os dos campos, embora rodando à mesma velocdade. Este desfasamento é meddo pelo ângulo, apeldado de ângulo de bnáro, que é tanto maor, quanto maor for o bnáro resstente, mas constante enquanto o bnáro resstente for constante.. ω B Fgura 1.1 ω ω ω ω T carga ω T carga ω Fgura 1.2 e magnarmos que o rotor é puxado pelo campo grante através de uma cola elástca (a llás, no desenho), quando se aumenta a carga sobre o veo, e para manter o sncronsmo, o que sucede é que a cola se va deformar (estcando-se), sto é, aumentando o ângulo de bnáro e mantendo a velocdade gual à do campo grante. O bnáro nduzdo é: T = k B B Na fgura 1.3 pode ver-se melhor, como se cra o campo magnétco no rotor uma fonte de tensão contínua almenta um enrolamento que cra um campo magnétco permanente, como se o rotor fosse um mã permanente. No anexo E1 podem ver-se algumas formas de transmtr tensão contínua para a parte móvel que é o rotor. T Fgura 1.3 1/9

2 Crcuto equvalente O crcuto eléctrco equvalente, para uma máquna síncrona, está representado na fgura 1.4, F L I F V F L F Fgura 1.4 apenas para uma (das três) fase estatórca. í se vê a almentação dos enrolamentos rotórcos com tensão contínua V F, que cra o campo magnétco no rotor parte esquerda do esquema. ssm, para cada fase do estator, teremos a equação correspondente: V = V + jx I + fase I Vectoralmente, pode ver-se esta equação na fgura 1.5 X ω X Fgura 1.5 O campo magnétco rotórco corresponde (produz) a, o campo total B total corresponde (produz) e o campo magnétco estatórco corresponde à queda de tensão no enrolamento jx fgura 1.6. I B ω B total B total B Fgura 1.7 Fgura 1.6 2/9

3 O crcuto eléctrco equvalente completo, para as três fases de almentação dos enrolamentos estatórcos, está representado na fgura 1.8. V CC T Fgura 1.8 Funconamento do motor síncrono Nos pontos seguntes, gnorar-se-á a resstênca da armadura ( ), para smplfcar. Curva de bnáro Os motores síncronos manobram cargas, bascamente com velocdade constante. Estão normalmente lgadas a sstemas de almentação de potênca muto superor à dos motores rede com potênca nfnta o que sgnfca que a tensão e a frequênca serão constantes qualquer que seja a potênca absorvda pelo motor. curva de bnáro resultante está apresentada na fgura 1.9, onde se pode observar que a velocdade, do motor, é constante desde a stuação de vazo até à stuação de carga máxma T max O bnáro é dado por: T T max perda de sncronsmo T = k B ou seja: B total sn T n aumento de P 3V T = fase V ω X sn Fgura 1.9 sto é, o bnáro máxmo ocorre quando = 90º. No entanto, normalmente, o bnáro máxmo corresponde a cerca de 3 vezes o bnáro máxmo da máquna a lgar ao motor. Excedendo-se o valor do bnáro máxmo, o rotor já não consegue permanecer lgado ao campo grante, começa a ter escorregamento, com um bnáro osclante e fazendo vbrar severamente o motor síncrono perda de sncronsmo. n n 3/9

4 Da expressão anteror, do bnáro nduzdo, também se pode verfcar que quanto maor o valor da corrente de campo (e, consequentemente, de ), tanto maor o bnáro máxmo do motor síncrono Efeto da varação de carga Exstndo uma carga lgada ao veo do motor, este desenvolverá o bnáro sufcente para manter a carga a rodar à velocdade síncrona. fgura 1.10 mostra o que sucede quando a carga, sobre o motor, vara. Partndo duma stuação correspondente a 1 e 1, se o bnáro resstente aumentar, o P 1 P 2 P 3 P rotor começa por abrandar. Com esta dmnução de velocdade o ângulo de bnáro aumenta e o bnáro nduzdo pelo motor aumenta também. Com este aumento de bnáro do motor, o rotor acelera até atngr novamente a velocdade de sncronsmo, embora com um ângulo de bnáro maor. ecorde-se que = kφω - sto é, depende apenas da corrente de campo e da velocdade. Como a velocdade é constante (enquanto não se alterar a frequênca da rede de almentação) e como não se alterou a corrente de campo, então o módulo da tensão nduzda, deverá permanecer constante, mesmo exstndo alterações de carga. No entanto a projecção de, bem como os valores de sn e de cosϕ 1, aumentam, sto é, o vector desloca-se para baxo, sobre uma crcunferênca, o que mplca que a quantdade jx tem que aumentar para consegur atngr, o que, por seu turno, mplca que aumente, ou seja que a potênca absorvda pelo motor se torne maor. efra-se que o ângulo ϕ também se altera, tornando-se cada vez menos capactvo (1 e 2 ), resstvo (3 ) e depos cada vez mas ndutvo (4,...). Efeto da varação da corrente de campo Fgura 1.10 Observe-se a fgura 1.11, em que se parte da stuação em que o motor opera com um factor de potênca capactvo (1, 1 ). umentando-se o valor da corrente de campo, aumenta-se o valor de, mas não se afecta o valor da potênca actva. Este apenas se altera quando a carga vara. Como a varação da corrente de campo I F não afecta a velocdade de rotação e dado que não se alterou a carga, então a potênca absorvda pelo motor permanece constante. Também a tensão de fase se mantém constante, dado que a tensão da rede não se alterou. Desta forma, as dstâncas, sn e cosϕ, proporconas à potênca, terão que permanecer constantes. Como se aumentou I F, aumentou-se, o que apenas pode acontecer se aquelas quantdades se movmentarem ao longo de uma lnha de potênca constante. De notar que, à medda que o valor de aumenta, o valor da corrente começa por dmnur e depos aumenta. Para baxos valores de, a corrente surge atrasada e o motor comporta-se como 1 Em que ϕ é o ângulo entre a corrente ( ) e a tensão de fase ( ), sto é, a sua projecção (cosϕ) é o factor de potênca. 4/9

5 uma carga ndutva, consumndo potênca reactva Q. umentando I F, a corrente va dmnundo, tornando-se cada vez menos ndutva, passa por uma stuação em que está em fase com o motor comporta-se como uma carga resstva e segudamente começa a aumentar, adantando-se a, sto é, o motor passa a comportar-se como uma carga capactva, fornecendo potênca reactva à rede. P (c te ) 2 ϕ P (c te ) Fgura 1.11 Na fgura 1.12 está desenhado o comportamento genérco do motor síncrono, em função das correntes I F e. Cada uma das possíves curvas, corresponde a um valor dferente de potênca. Para cada curva, a corrente mínma ocorre para um factor de potênca untáro. Para qualquer outro ponto da curva, exste alguma energa reactva fornecda ou consumda. cos ϕ ndutvo cos ϕ capactvo I F Fgura 1.12 Em resumo, controlando a corrente de campo, controla-se o consumo ou produção de energa reactva, sto é, tem-se uma forma controlada de varar o factor de potênca, com uma máquna síncrona. Os város tpos de operação possíves, da máquna síncrona, estão resumdos no quadro segunte. 5/9

6 Fornece Q Consome Q Fornece P GEDO em avanço face a ( cos > ) ( cos < ) V fas V fas Consome P MOTO V fas V fas em atraso face a rranque de máqunas síncronas Como faz o rotor para rodar à velocdade síncrona? Na fgura vê-se um esquema do motor síncrono no momento em que a tensão é aplcada aos enrolamentos estatórcos. Como o rotor está, ncalmente, parado, também o seu campo magnétco é estaconáro e portanto vê o campo magnétco estatórco (campo grante) passar por ele 50 vezes por mnuto. expressão do bnáro nduzdo é: T = k B B B B B B B t = 0 s t = 1/200 s t = 1/100 s t = 3/200 s t = 1/50 s T = 0 T = drecto T = 0 T = ndrecto T = 0 Fgura /9

7 ssm, durante um cclo eléctrco, o bnáro nduzdo teve um sentdo drecto e depos um sentdo ndrecto, sendo o bnáro médo nduzdo nulo, ao longo de um cclo. O efeto prátco é que a máquna vbra tenta rodar para um lado, depos para o lado contráro, sucessvamente fortemente, não arranca e fnalmente sobre-aquece. Fgura 1.14 oluções, para o arranque: Motor auxlar coplando um motor auxlar, faz-se rodar o rotor até à velocdade de sncronsmo. egudamente lgam-se os enrolamentos estatórcos à tensão da rede e desacopla-se o motor auxlar. Esta forma de arranque é partcularmente adequada nos casos em que a máquna síncrona serve como gerador necesstando, por sso, de algo que lhe forneça a energa mecânca rotaconal desempenhando o motor que fornece a energa mecânca, o papel de colocar a máquna síncrona a rodar à velocdade de sncronsmo, na fase de arranque. edução de frequênca eduzr a frequênca e, consequentemente, a velocdade de rotação do campo grante, de forma a que o rotor possa acelerar e acoplar-se magnétcamente com ele, no ntervalo de meo cclo da rotação do campo grante. egudamente aumenta-se a frequênca da tensão de almentação até aos seus 50 Hz habtuas. Esta forma de arranque é, hoje, faclmente conseguda com recurso à electrónca de potênca, através dos varadores de frequênca. Enrolamentos amortecedores É o meo mas popular. Os enrolamentos amortecedores são barras especas, encastradas nas faces do rotor e curto crcutadas nas extremdades por anés fgura forma de funconamento está representada na fgura 1.16 quando se aplca a tensão aos enrolamentos estatórcos, com os enrolamentos rotórcos deslgados, gera-se um campo magnétco grante que nduz uma tensão nas barras do enrolamento amortecedor, expressa por: fem = ( v B) l v velocdade da barra, relatvamente ao campo magnétco B densdade de fluxo l comprmento da barra s barras, do topo do rotor, movem-se para a dreta, relatvamente ao campo magnétco (que se movmenta para a esquerda), sendo o sentdo da tensão nduzda perpendcular à págna e apontando para nós. nalogamente, a tensão nduzda nas barras da parte nferor do rotor é perpendcular à págna e aponta para trás da págna. Estas tensões nduzdas produzem uma 7/9

8 corrente que flu na nossa drecção a partr das barras superores e entra para as barras nferores fgura 1.17 resultando num campo magnétco nduzdo B W, que aponta para a dreta. expressão do bnáro nduzdo vem: T = kb B W resultando um bnáro nas barras e, por consequênca no rotor, no sentdo drecto. Notar que o bnáro é por vezes drecto outras vezes é nulo, mas sempre undrecconal, sto é, um bnáro líqudo numa só drecção, mplcando uma aceleração do rotor. fem / I fem / I B W B W t = 0 s t = 1/200 s t = 1/100 s t = 3/200 s T = drecto T = 0 T = drecto T = 0 Fgura 1.16 Fgura 1.17 efra-se, por fm, que o rotor acelera, mas não até à velocdade de sncronsmo, o que é fácl de entender pelo prncípo da ndução de fem 2, que obrga a que haja movmento relatvo entre o campo grante e o rotor. No entanto a velocdade de rotação que atnge, é próxma da de sncronsmo, o que permte que a almentação CC normal dos enrolamentos do rotor possa ser lgada e consegundo o campo magnétco do rotor prender-se ao campo grante, acelerando o rotor para a velocdade de sncronsmo. 2 Ver prncípo de funconamento das máqunas assíncronas. 8/9

9 nexo E1 9/9