Introdução (1/2) Rotor. Fonte elétrica 1. Fonte elétrica. T arm. Estator

Transcrição

1 Máquins Síncrons Motivções pr o estudo de máquins síncrons. Introdução. Tensão induzid. Gerdor e Motor síncrono. Circuito equivlente. Comentários geris. Curiosidde.

2 Motivções Por que precismos estudr este tópico? As máquins síncrons são s mis importntes fontes de gerção de energi elétric. Aproximdmente +99 % de tod potênci é gerd por máquins síncrons. Entender os spectos básicos do funcionmento d operção ds máquins síncrons.

3 Introdução (1/2) A mior prte dos conversores eletromecânicos de energi de lt potênci são bsedos em movimento rotcionl. São compostos por dus prtes principis: Prte fix, ou ESTATOR Prte móvel, ou ROTOR T rm Fonte elétric 1 T mec Rotor Fonte elétric 2 Esttor

4 Introdução (2/2) O rotor é montdo sobre um eixo, e é livre pr girr entre os pólos do esttor. De form gerl existem enrolmentos trnsportndo corrente elétric tnto no esttor como no rotor. O enrolmento do rotor pode ser limentdo trvés de néis coletores e escovs de grfite.

5 Tensão induzid Um cmpo mgnético girnte pode ser crido pel rotção de um pr mgnético. Eixo d fse Eixo d fse θ ωt -b c B mx N - - -π/2 0 π/2 π - θ -π/2 Enrolmento de rmdur -c Esttor b -B mx S O cmpo girnte induzirá tensões nos enrolmentos -, b-b e c-c. As tensões induzids podem ser obtids d lei de indução de Frdy.

6 Tensão induzid À medid que o rotor gir, o fluxo mgnético conctendo vri senoidlmente entre os eixos mgnéticos ds bobins do esttor (defsds de 120º geométricos) e do rotor. Se o rotor está girndo um velocidde ngulr constnteω m, pel lei de indução de Frdy, tensão induzid n fse é: e = E ω t sin mx m A tensão induzid ns outrs fses são tmbém senoidis, ms defsds elétricos em relção d fse. e = E t b c 0 mx sin( ωm 120 ) e = E t + 0 mx sin( ωm 120 ) e 0 e e b e c t

7 Gerdor síncrono Esttor com três enrolmentos defsdos de geométricos. Rotor constituído por um enrolmento energizdo em corrente contínu (fonte cc extern), produzindo um cmpo constnte no entreferro (B r ) é colocdo em movimento por um máquin primári (turbin hidráulic, gás ou vpor) de form que B r tenhm um movimento reltivo os enrolmentos do esttor. Devido o movimento reltivo de B r, intensidde do cmpo mgnético que trvess os enrolmentos do esttor irá vrir no tempo. E pel lei de Frdy, teremos um tensão induzid nos terminis dos enrolmentos do esttor. n s B r A frequênci elétric d tensão induzid está sincronizd com velocidde mecânic.

8 Velocidde síncron Velocidde síncron: Velocidde do cmpo girnte em um máquin multi-pólos: 120. e ns = f ( rpm) ns = nm (Máquin Síncron) P Cmpo girnte é um ond de f.m.m. que se desloc o longo do entreferro com velocidde síncron 120f/P formndo P pólos girntes o longo do entreferro; Considerndo frequênci de limentção de 60 Hz pode-se montr seguinte tbel: N o pólos n s (rpm)

9 Gerdor síncrono Se os terminis dos condutores limentm um crg elétric surgirá um corrente, fornecid pelo gerdor elétrico. O enrolmento do esttor (rmdur) é trifásico e distribuído e é ligdo diretmente à crg; Os enrolmentos d rmdur são posiciondos com diferenç ngulr de 120 o, de form que tensão induzid nos três enrolmentos serão defsds de 120 o ; Pode ser conectdo em Y ou em ;

10 Gerdor síncrono O enrolmento de cmpo (do rotor) é limentdo em CC e produz cmpo proximdmente senoidl no entreferro; Pólos Slientes: trvés de gp vriável ns fces polres; Pólos lisos: trvés d distribuição ds bobins n superfície do rotor

11 Gerdor síncrono Máquins com muitos pólos e bix velocidde, em gerl tem o rotor de pólos slientes; diâmetro grnde comprimento pequeno eixo verticl Máquins com poucos pólos e lt velocidde, em gerl tem o rotor cilíndrico; diâmetro pequeno comprimento grnde eixo horizontl

12 Gerdor síncrono

13 Gerdor síncrono Um dos tipos mis importntes de máquins elétrics rottivs. Gerdores síncronos são utilizdos em usins hidrelétrics e termelétrics. Usins hidrelétrics : Máquins de eixo verticl. Rotor de pólos slientes e de grnde diâmetro. Grnde número de pólos. Velociddes de RPM. Usins termelétrics: Máquin de eixo horizontl. Rotor cilíndrico e de pouco diâmetro. Usulmente de 2 ou 4 pólos. Velociddes de RPM. Animção Gerdor Síncrono (lterndor):

14 Motor síncrono Esttor constituído por três enrolmentos defsdos de 120 grus energizdos por um fonte trifásic. O fluxo produzido nos enrolmentos do esttor (B s ) é girnte com velocidde síncron d tensão de limentção. n n s s 120. fe = ( rpm) P = n (Máquin Síncron) m B r B s

15 Motor síncrono Rotor constituído por um enrolmento energizdo em corrente contínu (fonte cc extern), produzindo um cmpo constnte no entreferro (B r ). Interção entre o cmpo girnte produzido pels correntes do esttor (B s ) e o cmpo constnte produzido pel corrente do rotor (B r ) produz conjugdo (lterntivmente: interção entre o cmpo girnte e corrente percorrendo os condutores do rotor). B r B s

16 Motor síncrono Um fonte de tensão trifásic é conectd os três enrolmentos do esttor produzindo um cmpo girnte no entreferro (B s ). Um fonte de corrente contínu é conectd o enrolmento do rotor produzindo um cmpo no entreferro (B r ). A interção entre o cmpo mgnético do esttor (B s ) e do rotor (B r ) produzirá um conjugdo mecânico que tentrá linhr os dois cmpos. Este conjugdo mecânico frá com que o rotor gire n mesm velocidde do cmpo girnte (B s ) ms com um trso ngulr. O umento d crg mecânic é refletido trvés de um umento do ângulo entre os cmpos do esttor e do rotor. Aplicções: em processos que demndm velocidde constnte com crg vriável; pode ser usdo pr fornecer compensção de potênci retiv n indústri.

17 Motor síncrono A velocidde do rotor é constnte e igul velocidde do cmpo girnte independentemente do conjugdo mecânico. O motor síncrono não possui conjugdo de prtid (visto que no instnte de prtid o conjugdo médio é nulo). Em máquins comerciis usulmente há um giol de esquilo no rotor pr permitir prtid (não interfere n operção em regime) Devido o cmpo do rotor ser fornecido trvés de um fonte extern (independente) est máquin pode operr com ftor de potênci indutivo, cpcitivo ou unitário (sub/sobre-excitd) Animção Motor Síncrono:

18 Circuito equivlente jx s R jx s R E& f I& V& E& f I& V& Máquin operndo como gerdor Máquin operndo como motor Em que: E & = R I & + jx I & + V & V & = E & + R I & + jx I & E& V& R X f s f s : tensão intern (de excitção) d máquin síncron. : tensão nos terminis. : resistênci do enrolmento de rmdur. : retânci síncron. f s

19 Circuito equivlente Gerdor: E& = R I& + jx I& + V& f s Motor: V& = E& + R I& + jx I& f s Fsorilmente. V& ϕ δ I& gerdor V& R I & E& f jx I & s ϕ I& δ E& f R I & motor jx I & s O ângulo δ entre V e E f define o ângulo de potênci (de crg) d máquin; Qunto mior for o ângulo δ mior será potênci trnsferid pr rede pelo gerdor ou mior será crg no eixo do motor ; δ>0 pr operção no modo gerdor e δ<0 pr operção no modo motor; E f > V no modo gerdor (pr ftor de potênci indutivo); E f < V no modo motor (pr ftor de potênci indutivo);

20 GS Crcterístics em regime permnente E& f jx s I& R V& ϕ I& δ gerdor V& R I & E& f jx I & s Máquin operndo como gerdor E & = R I & + jx I & + V & f s Regulção de Tensão: Como no trnsformdor podemos definir regulção de tensão do gerdor síncrono pr determind crg. Pode ser nul, positiv ou negtiv dependendo do ftor de potênci e d crg. E f V R% = 100 V V : Vlor eficz d tensão terminl em crg (por fse); E f : Vlor eficz d tensão de excitção em crg (por fse);

21 MS Crcterístics em regime permnente Circuito equivlente em regime permnente, desprezndo resistênci do esttor. jx s jx s E f δ I& V 0 E f δ I& V 0 Máquin operndo como gerdor Máquin operndo como motor jx I & s ϕ E& = jx I& + V& f s δ V& E & f jx I & s jx I & s E& = V& jx I& f s ϕ δ E & f V& jx I& s I& I&

22 MS Potênci em Regime Permnente E f δ jx s I& E& = jx I& + V& f s Máquin operndo como gerdor δ > 0 V 0 jx I & s ϕ δ 0 90 ϕ V& E & f ϕ E f senδ = I X cosϕ s I& Do digrm fsoril temos: E f senδ E f senδ = I X s cosϕ I cos ϕ = (1) X A potênci tiv desenvolvid pelo gerdor por fse é dd por: P = V I cos ϕ (2) s Substituindo (1) em (2) temos: VE f senδ P = X s (3)

23 MS - Pólos Lisos - Operção em Regime Permnente P,T Brrmento infinito = V e f constntes V e f =ctes P mx P m3 E f2 >E f1 Crg 3 MS B P m2 P m1 E f1 Crg 2 Crg 1-180º -90º δ3 δ1 δ2 90º 180º δ Motor Gerdor Instbilidde Região de Estbilidde Instbilidde δ < 0 P < 0 δ > 0 P > 0 P = V E senδ f X s (3) P = P P m (Potênci Acelernte) P > P P > 0 Máquin celer δ m P < P P < 0 Máquin desceler δ m

24 Gerdor Síncrono Ftor de potênci Controle de potênci retiv (digrm fsoril potênci tiv constnte) Potênci tiv constnte I cosφ = constnte Potênci tiv constnte E senδ = constnte P = V T I cosφ VT E P = senδ X I 1 em fse com V T (ftor de potênci unitário Q = 0: excitção norml) I 2 trsdo em relção à V T (ftor de potênci indutivo Q > 0: sobre-excitdo) I 3 dintdo em relção à V T (ftor de potênci cpcitivo Q < 0: subexcitdo) S Brrmento infinito: V T e f constntes ϕ δ Gerdor

25 Motor Síncrono Ftor de potênci Controle de potênci retiv (digrm fsoril - potênci tiv constnte) Potênci tiv constnte I cosφ = constnte Potênci tiv constnte E senδ = constnte P = V T I cosφ VT E P = senδ X I 1 em fse com V T (ftor de potênci unitário Q = 0: excitção norml) I 2 dintdo em relção à V T (ftor de potênci cpcitivo Q< 0: sobre-excitdo) I 3 trsdo em relção à V T (ftor de potênci indutivo Q > 0: subexcitdo) S Brrmento infinito: V T e f constntes ϕ δ Motor

26 Curv V d máquin síncron controle do ftor de potênci Norml Q=0 Norml Q=0 Subexcitdo Q<0 Sobre-excitdo Q>0 Subexcitdo Q>0 Sobre-excitdo Q<0 Resistivo Resistivo cpcitivo Indutivo Indutivo Cpcitivo I3 I1 Gerdor I2 I3 I1 Motor I2

27 Aplicção máquin síncron - Motor usdo n indústri pr controle do FP O controle independente d corrente de cmpo permite que o motor/gerdor síncrono opere com ftor de potênci indutivo ou cpcitivo, bsorvendo ou injetndo potênci retiv; Condensdor Síncrono: máquin síncron girndo em vzio com controle utomático de I f pr controle de tensão; N indústri, motores síncronos operm sobre-excitdos, ou sej, fornecendo potênci cpcitiv, com o objetivo de compensr potênci indutiv consumid pelos motores de indução, melhorndo, ssim, o ftor de potênci totl d plnt. -As linhs trcejds mostrm como corrente de cmpo deve ser vrid à medid que crg (corrente de Curv V do motor rmdur) é lterd de modo mnter constnte o ftor de potênci.

28 Operção do gerdor síncrono em um rede interligd Gerdores síncronos são rrmente conectdos crgs individuis. Esses são conectdos um rede interligd, qul contém vários gerdores operndo em prlelo. A operção em prlelo de gerdores trz s seguintes vntgens: vários gerdores podem tender um grnde crg, umento d confibilidde, um ou mis gerdores podem ser desligdos pr mnutenção sem cusr interrupção totl d demnd d crg, mior eficiênci etc.

29 Sincronizção do gerdor síncrono com um rede interligd Gerdores síncronos podem ser conectdos ou desconectdos d rede interligd, dependendo d demnd de crg. A operção, n qul os gerdores são conectdos rede é chmd sincronizção. Pr que o gerdor síncrono poss ser conectdo rede, mbos os sistems devem ter: A mesm mgnitude de tensão RMS (eficz); A mesm frequênci; A mesm sequênci de fses; A mesm fse.

30 Sincronizção do gerdor síncrono com um rede interligd Um conjunto de lâmpds pode ser utilizdo pr verificção visul desss qutro condições, como mostrdo n figur. 1. A máquin primári (prime mover) pode ser um motor de CC ou de indução, que é empregdo pr justr velocidde do gerdor o vlor síncrono (frequênci d rede); 2. A corrente de cmpo I f pode ser justd de tl mneir que mgnitude ds tensões do gerdor e d rede sejm s mesms; 3. Se sequênci de fses estiver corret, s três lâmpds devem cender e pgr em sincroni.

31 Sincronizção do gerdor síncrono com um rede interligd Em plnts industriis, esss condições podem ser verificds trvés do uso de um sincroscópio; A posição do indicdor mostr diferenç de fse entre s tensões d máquin e d rede. Esse dispositivo não verific sequênci de fses; O sentido de rotção do indicdor mostr se frequênci d máquin é mior ou menor que d rede; Qundo o indicdor se moviment lentmente, isto é, frequênci d rede e d máquin são quse iguis, e pss pelo mrcdor verticl, o disjuntor pode ser fechdo, e máquin é conectd rede. Plnts industriis moderns empregm sincroscópios utomáticos, os quis envim sinis pr o sistem de excitção e de regulção de velocidde do gerdor pr lterr frequênci e tensão do gerdor. Pr operção remot do disjuntor, relés de cheque de sincronismo (synch check relys) são empregdos pr supervisionr o fechmento dos disjuntores.

32 Gerdor síncrono (GS) Vntgens: é tecnologi mis empregd pr conversão de energi mecânic em elétric (mplmente utilizd pr gerção) possui cpcidde de compensção de potênci retiv permite energizção/sincronizção suve (sem trnsitórios) Desvntgens: velocidde mecânic e elétric são sincronizds levndo miores trnsitórios eletromecânicos durnte vrição d potênci mecânic d fonte primári (e.g., gerdores eólicos) lto custo inicil e de mnutenção

33 Comentários geris A principl plicção d máquin síncron é como gerdor (lterndor) ns usins gerdors de energi elétric. A mgnitude e frequênci d tensão gerd vrim com velocidde do rotor e com mgnitude d corrente de cmpo. Pr que máquin síncron opere como motor, é necessário lgum rtifício pr o seu cionmento pois pel su própri crcterístic físic, ele não tem prtid própri. O motor síncrono gir com velocidde constnte e idêntic à velocidde do cmpo girnte (velocidde síncron). Assim sendo, qundo em operção, velocidde do rotor do motor síncrono é função somente d frequênci d rede elétric. Enqunto o motor de indução present um comportmento exclusivmente indutivo, o motor síncrono pode operr com ftor de potênci indutivo, cpcitivo ou unitário, medinte justes n mgnitude d corrente de cmpo. Qunto mior est corrente, tendênci do motor síncrono é presentr um comportmento cpcitivo.

34 Curiosidde (1/3) Gerdor de Itipú 20 uniddes gerdors de 700 MW

35 Curiosidde (2/3) Gerdor de Itipú 20 uniddes gerdors: 10 em 50 Hz e 10 em 60 Hz. As uniddes de 50 Hz têm 66 pólos, potênci nominl de 823,6 MVA, ftor de potênci de 0,85 e peso de tonelds. As uniddes de 60 Hz têm 78 pólos, potênci nominl de 737,0 MVA, ftor de potênci de 0,95 e peso de tonelds. Tods s uniddes têm tensão nominl de 18 kv. As turbins são do tipo frncis, com potênci nominl de 715 MW e vzão nominl de 645 metros cúbicos por segundo. 20 uniddes gerdors de 700 MW Trnsmissão: dois elos CC de 600 kv e 3 linhs CA de 750 kv

36 Curiosidde (2/3) Turbin

37 Curiosidde (3/3)

38 Exercicios 1. Do ponto de vist prático, o que se pode firmr respeito d vrição d frequênci e d mgnitude d tensão gerd no lterndor qundo são lterds velocidde do rotor e intensidde d corrente contínu no circuito de cmpo? 2. Em um fzend está instldo um lterndor cujo rotor é ciondo por um turbin, proveitndo-se um qued d águ, sendo que o circuito de cmpo é energizdo por um conjunto de bteris em série com um reostto (resistor vriável de bix potênci). ) Justificndo, descrev s possíveis lterntivs de controle d frequênci e d mgnitude d tensão gerd pr este lterndor. b) Considere que o se ligr um bomb d águ, ocorre um diminuição simultâne d mgnitude e d frequênci d tensão gerd. Qul o procedimento mis dequdo pr que sejm restbelecidos os respectivos vlores nominis? Justifique procedimento proposto.

39 Exercicios 3. Com relção o lterndor d figur bixo, qul deve ser velocidde do rotor pr se ter um tensão gerd com frequênci igul 50 Hz?

40 Exercicios 4. Um gerdor síncrono trifásico, ligção estrel, rotor cilíndrico, 10 kva, 500 V, tem um retânci síncron de 2,4Ωpor fse e um resistênci de rmdur de 0,5 Ω por fse. Pede-se: ) Clcule regulção de tensão percentul qundo o gerdor está plen crg com ftor de potênci de 0,8 trsdo e s potêncis tiv e retiv gerd e entregue crg; b) Repit ) considerndo o ftor de potênci de 0,8 dintdo; 5. Um motor síncrono trifásico, ligção estrel, 5kVA, 220V, tem um retânci síncron de 2,5Ωpor fse e 10 pólos. Pede-se: ) Clcule frequênci necessári de modo que o motor tenh um velocidde de rotção constnte de 500 RPM. b) Clcule tensão de excitção e o ângulo de crg d máquin sob condições nominis de crg considerndo que o motor está subexcitdo com ftor de potênci de 0,85; c) Clcule potênci tiv que o motor está demndndo d rede ns condições do item b);