UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA GERADOR SÍNCRONO. Joaquim Eloir Rocha 1

Transcrição

1 GERADOR SÍNCRONO Joaquim Eloir Rocha 1

2 Os geradores síncronos são usados para gerar a energia que é utilizada pela sociedade moderna para a produção e o lazer. Joaquim Eloir Rocha 2

3 Geradores síncronos costumam operar em paralelo em grandes usinas gerando grandes blocos de energia para serem transmitidas ao centros consumidores. Joaquim Eloir Rocha 3

4 É comum encontrar sistemas elétricos em que os geradores síncronos operam em paralelo. As vantagens dessa filosofia são: Possibilidade de alimentar uma grande carga elétrica sem se utilizar de um grande gerador; A falha de um gerador não implica na perda de capacidade de alimentar a carga, aumentando a confiabilidade; A necessidade de manutenção em um gerador pode ser programada; Os geradores têm maior eficiência ao operarem próximo da carga nominal. Assim, é possível desligar ou ligar geradores para que os outros trabalhem na condição nominal. Joaquim Eloir Rocha 4

5 Geradores síncronos podem ser de pequeno porte para atender um único consumidor, como um supermercado. Joaquim Eloir Rocha 5

6 Geradores síncronos convertem energia mecânica em elétrica. A fonte primária de energia costuma ser uma turbina hidráulica ou eólica, um motor diesel ou a gás natural. Para geradores síncronos de alta velocidade utilizam-se turbinas a vapor empregando energia fóssil ou nuclear. Joaquim Eloir Rocha 6

7 Em um gerador síncrono, uma corrente contínua é aplicada no enrolamento de campo que fica no rotor. Com o movimento de rotação, o fluxo torna-se girante e produz tensões trifásicas no enrolamento da armadura. Joaquim Eloir Rocha 7

8 No rotor de um gerador síncrono existem eletroímãs organizados em polos. Os polos podem ser salientes ou lisos. Joaquim Eloir Rocha 8

9 Em geral, geradores com dois polos têm rotor de polos lisos. Geradores com quatro ou mais polos têm polos salientes. Joaquim Eloir Rocha 9

10 Na figura abaixo, mostra-se um rotor de polos salientes e um de polos lisos. O rotor de polos salientes tem maior diâmetro que o de polos lisos. Joaquim Eloir Rocha 10

11 Turbogerador síncrono de polos lisos Joaquim Eloir Rocha 11

12 Na figura abaixo, pode-se visualizar o enrolamento de campo, a sapata polar e as barras amortecedoras. A gaiola de amortecimento é montada em ranhuras na sapata para compensação nos serviços em paralelo e variações de carga. Joaquim Eloir Rocha 12

13 Existem duas abordagens para fornecimento de corrente contínua para o enrolamento de campo do rotor. A fonte de cc pode estar externa ao rotor e tem de usar anéis coletores e escovas. Outra opção é montar a excitatriz no eixo do gerador e, portanto, não é necessário anéis coletores e escovas. Joaquim Eloir Rocha 13

14 O enrolamento de campo do gerador síncrono que é alimentado externamente ao rotor utiliza-se de anéis coletores. Joaquim Eloir Rocha 14

15 Os terminais do enrolamento de campo são conectados aos anéis coletores. São usadas escovas de carvão para acessar a alimentação cc externa. Joaquim Eloir Rocha 15

16 Esquemas elétricos mostrando como o enrolamento de campo do gerador síncrono pode ser alimentado externamente. Joaquim Eloir Rocha 16

17 A excitatriz montada no eixo do gerador principal é um pequeno gerador auxiliar que alimenta com corrente contínua o enrolamento de campo principal. O enrolamento de campo da excitatriz fica no estator enquanto a armadura trifásica da excitatriz rotaciona com o eixo. Existe um retificador, que rotaciona com o eixo, que alimenta o campo principal. Joaquim Eloir Rocha 17

18 Na figura abaixo, mostra-se a regulação automática de tensão com o uso da excitatriz (brushless exciter). Joaquim Eloir Rocha 18

19 Na figura abaixo, mostra-se a imagem de um rotor de gerador síncrono com os enrolamento s de campo e a excitatriz. Joaquim Eloir Rocha 19

20 Esquema elétrico do sistema de excitação Joaquim Eloir Rocha 20

21 O estator do gerador síncrono é constituído de chapas de aço silício com revestimento para isolação elétrica. As bobinas do estator são distribuídas em três fases. Joaquim Eloir Rocha 21

22 A carcaça do gerador síncrono permite a proteção das partes ativas e promove o suporte dos componentes. Os mancais suportam o rotor e existe uma estrutura de refrigeração. Joaquim Eloir Rocha 22

23 O gerador síncrono produz energia elétrica em uma frequência que está sincronizada com a velocidade de rotação da máquina primária. f = n p 120 f - frequência em Hz p - número de polos n - velocidade mecânica em rpm Joaquim Eloir Rocha 23

24 Turbinas a vapor são mais eficientes quando rotacionam em alta velocidade. Assim, costumam rotacionar em 3600 rpm e possuem 2 polos. Turbinas hidráulicas são mais eficientes em baixas velocidades (entre 200 e 300 rpm). Assim, grandes geradores costumam ter um elevado número de polos. Joaquim Eloir Rocha 24

25 O gerador abaixo possui 36 polos (200 rpm). Joaquim Eloir Rocha 25

26 Geradores síncronos têm de ser conectados a máquinas primárias com controle de velocidade, pois ao se aumentar a carga elétrica, tende-se a se reduzir a velocidade mecânica. A variação da velocidade, causaria variação da frequência. P = T w P - potência em Watt T - torque em Newton metro w - velocidade em radianos/s Joaquim Eloir Rocha 26

27 Para que a velocidade não diminua ao se aumentar a potência (carga) elétrica, temse que aumentar a potência da máquina primária. Assim, em uma turbina hidráulica é necessário que a entrada de água aumente com o aumento da carga elétrica. Isso se chama balanço energético. Joaquim Eloir Rocha 27

28 Considerando uma turbina hidráulica, é importante controlar a velocidade, pois a água não usada é armazenada no reservatório. No caso de turbinas eólicas, não é possível armazenar o vento e, por isso, o melhor é deixar a turbina mudar a sua velocidade de acordo com a energia do vento. Joaquim Eloir Rocha 28

29 Como o gerador é acionado com velocidade variável, a frequência de saída não é fixa. Por isso, utiliza-se um conversor de frequência para o sincronismo com a rede. Joaquim Eloir Rocha 29