PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 86 PARTE 2 MÁQUINAS SÍNCRONAS

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1 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 86 PARTE 2 MÁQUINAS SÍNCRONAS

2 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 87 MÁQUINAS SÍNCRONAS - CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO MÁQUINAS SÍNCRONAS : OPERAÇÃO NO MODO MOTOR ( MOTORES DE GRANDE POTÊNCIA ) OPERAÇÃO NO MODO GERADOR MODO MAIS COMUM, COMO ALTERNADOR SÍNCRONO ( TRIFÁSICO ) CARACTERIZAÇÃO QUANTO À TOPOLOGIA DO CIRCUITO MAGNÉTICO - CAMPO DE APLICAÇÃO : MÁQUINA SÍNCRONA DE PÓLOS SALIENTES EM GERAL, GRANDE NÚMERO DE PÓLOS ( PÓLOS) BAIXA ROTAÇÃO ( RPM ) USO COM TURBINAS HIDRÁULICAS ( HIDROGERADORES ) EM POTÊNCIAS ELEVADAS ( ATÉ 800 MW ) USO COMUM TAMBÉM COMO GERADORES DE POTÊNCIA PEQUENA E MÉDIA ( 100 kw - 5 MW ) ACIONADOS A PARTIR DE MOTORES DIESEL OU PEQUENAS TURBINAS A VAPOR - REDUZIDO Nº DE PÓLOS ( PÓLOS ) - ROTAÇÕES MÉDIAS ( RPM ) MÁQUINA SÍNCRONA DE PÓLOS LISOS ( ROTOR CILÍNDRICO ) EM GERAL, REDUZIDO NÚMERO DE PÓLOS ( 2 4 PÓLOS ) ELEVADA ROTAÇÃO ( RPM ) USO COM TURBINAS A VAPOR OU A GÁS ( TURBOGERADORES ) EM POTÊNCIAS ELEVADAS ( ATÉ 2000 MW )

3 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 88 ASPECTOS CONSTRUTIVOS DA MÁQUINA SÍNCRONA - COMPONENTES BÁSICOS ESTATOR ( INDUZIDO ) IDÊNTICO NA SUA CONCEPÇÃO, TANTO NA M.S. DE POLOS SALIENTES COMO LISOS NÚCLEO DO ESTATOR: Lâminas de material ferromagnético de alta permeabilidade (aço silício não orientado) RANHURAS ESTATÓRICAS: Ao longo de toda a superfície interna do cilíndro estatórico BOBINAS DO ESTATOR: Alojadas em todas as ranhuras, formando o enrolamento de armadura ou induzido (trifásico)

4 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 89 ASPECTOS CONSTRUTIVOS DA MÁQUINA SÍNCRONA - COMPONENTES BÁSICOS ROTOR ( INDUTOR) PÓLOS SALIENTES ANÉIS COLETORES ENROLAMENTO AMORTECEDOR ENROLAMENTO DE EXCITAÇÃO ESCOVAS DE CONTATO SAPATA POLAR E.Q. E.D. NÚCLEO ROTÓRICO RANHURAS DAS BARRAS AMORTECEDORAS

5 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 90 ASPECTOS CONSTRUTIVOS DA MÁQUINA SÍNCRONA - COMPONENTES BÁSICOS ROTOR ( INDUTOR ) PÓLOS LISOS ANÉIS COLETORES ENROLAMENTO DE EXCITAÇÃO ESCOVAS DE CONTATO RANHURAS DO ROTOR E.D. NÚCLEO ROTÓRICO E.Q. DETALHE DA RANHURA E FIXAÇÃO DA BOBINA DE CAMPO EM GERADOR DE GRANDE PORTE

6 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I ASPECTOS CONSTRUTIVOS DAS MÁQUINAS SÍNCRONAS MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS SALIENTES ESTATOR E ROTOR DE GRANDE PORTE MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS LISOS MÁQUINA COMPLETA DE MÉDIO PORTE ESTATOR E ROTOR 91

7 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 92 TURBO-GERADOR SÍNCRONO DE PÓLOS LISOS ( MONTAGEM )

8 CORRENTE CONTÍNUA DE EXCITAÇÃO INJETADA NO ROTOR N.i = Fmm PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 93

9 CORRENTE CONTÍNUA DE EXCITAÇÃO INJETADA NO ROTOR N.i = Fmm PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 94

10 CORRENTE CONTÍNUA DE EXCITAÇÃO INJETADA NO ROTOR N.i = Fmm PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 95

11 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 96 PASSO POLAR E ÂNGULOS ELÉTRICO E GEOMÉTRICO Qualquer que seja o número de pólos da máquina, ocorre um ciclo completo de pólos magnéticos N S em um duplo passo polar Para 2 pólos 2p = 2 τ P = π.d/2-1/2 circunferência τ P - 180º geométricos = 180º elétricos Para 4 pólos 2p = 4 τ P = π.d/4-1/4 circunferência τ P - 90º geométricos = 180º elétricos ÂNGULO ELÉTRICO = p x ÂNGULO GEOMÉTRICO - p = Nº de pares de pólos

12 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 97 GERAÇÃO DE TENSÃO NA MÁQUINA SÍNCRONA EFEITO MOCIONAL de = dl.( V Bg ) e = Bg. LV. Estator com bobina alojada em ranhuras afastadas de 180º elétricos (τ P ) Rotor em movimento com velocidade angular ω s velocidade periférica v = π.d.n s onde ω s = 2. π.n s = 2. π.f/p Distribuição espacial de induções no entreferro solidária ao rotor móvel com velocidade ω s

13 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 98 Bobinas com posições diferentes no estator sofrem tensão induzida cujos máximos ocorrem em tempos diferentes DEFASAGEM E A = E M.cosω.t - para: ω.t = θ = 0º E A = E M E B = E M - apenas quando: θ = ωt = θ 0 E B = E M.cos(ω.t -θ 0 ) FORMAÇÃO DO SISTEMA TRIFÁSICO DE TENSÕES BOBINAS POSICIONADAS NO ESPAÇO (ENTREFERRO) A 120º ELÉTRICOS E A = E M.cosω.t E B = E M.cos(ω.t 120º) E C = E M.cos(ω.t 240º)

14 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 99 CONTEÚDO HARMÔNICO DA DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL DE CAMPO NO ENTREFERRO DA MÁQUINA SÍNCRONA Distribuição de induções real não é perfeitamente senoidal B(θ ) = B 1.cosθ + B 3.cos3θ + B 5.cos5θ B h.coshθ h : ordem da harmônica B 1 : componente fundamental B h : componente harmônica CONSEQÜÊNCIA : SURGEM TENSÕES HARMÔNICAS INDUZIDAS NO ESTATOR DISTORÇÃO DA FORMA DE ONDA DA TENSÃO GERADA

15 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 100 FILTRAGEM DE HARMÔNICOS τ p N b 1 - DISTRIBUIÇÃO DO ENROLAMENTO τ p N b /3 EXEMPLO DE DISTRIBUIÇÃO : q = 3 ranh./pólo/fase N S ω τ p1 B 1 B 3 Δ Δ N S ω τ p1 B 1 1 GRUPO DE 3 BOBINAS EM SÉRIE, CADA BOBINA COM Nº DE ESPIRAS N b / 3 B 3 τ p3 EFEITO DA DISTRIBUIÇÃO: E(t) τ p3 E 1 DIST E 1 E h DIST << E h 1 BOBINA CONCENTRADA COM Nº DE ESPIRAS N b 0 0 E DIST (t) Δ 2.Δ ÂNGULO P/ FUNDAMENTAL h.δ h.2.δ ÂNGULO P/ HARMÔNICA h E 1 DIAGRAMA DE FASORES E 1 DIST Δ h.δ h.δ E h E 1 FUNDAMENTAL E h HARMÔNICA h E 1 / 3 Δ E h DIST DIAGRAMA DE FASORES E h / 3

16 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 101 FILTRAGEM DE HARMÔNICOS 2 - ENCURTAMENTO DE PASSO DAS BOBINAS N b C τ p v B 1 B 3 v B 3 v B 1 B B 3 3 v N S ω τ p1 B 1 B 3 δ B 1 E(t) E 1 E E 3 E B 1 E(t) E 1 E 3 E 3 E 1 < E τ p3 E(t) E(t) E (t) PASSO DA BOBINA : C < τ p ÂNGULO DE ENCURTAMENTO : δ ( elet.) δ = n. Δ n Nº inteiro PASSO PLENO : E(t) = 2. E E 3 EFEITO DO ENCURTAMENTO: E 1 E 1 E h << E h PASSO ENCURTADO : ( p.ex. δ = 60 ) E (t) = E 1 + E 1 + E 3 -E 3 E (t) = E 1 + E 1 < 2. E 1

17 PEA MÁQUINAS ELÉTRICAS I 102 FILTRAGEM DE HARMÔNICOS EFEITOS DA DISTRIBUIÇÃO E ENCURTAMENTO : PEQUENA ATENUAÇÃO DA FUNDAMENTAL FORTE ATENUAÇÃO DAS HARMÔNICAS EM GERAL, TODO ENROLAMENTO DE MÁQUINA SÍNCRONA É DOTADO DE DISTRIBUIÇÃO E ENCURTAMENTO FATOR DE ATENUAÇÃO HARMÔNICA DA TENSÃO GERADA ( FATOR DE ENROLAMENTO) : k Eh = Δ sen( q. h. ) 2 Δ q. sen( h. ) 2 δ cos( h. ) 2 EM GERAL: h = 1 k Eh 1 h > 1 k Eh << 1 CONTEÚDO HARMÔNICO DA TENSÃO GERADA NA MÁQUINA SÍNCRONA: v h = E h Eh h = 3 1 = E 1. k h = 3 h k Eh