06 Maquinas Sincronas

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MQUINAS SNCRONAS Elenilton T. Domingues - Mquinas Eltricas Faculdade Pio Dcimo 1 Mquinas Sncronas Nestecaptuloserodesenvolvidosmtodosanalticosdodesempenhodemquinas sncronas polifsicas em regime permanente. 2.1 - INTRODUO Amquinasncronatevesuaorigemfuncionandocomogerador.Ogeradorelementar foiinventadonaInglaterraem1831porMichaelFaraday,enosEUA,maisoumenosna mesma poca, por Joseph Henry. Estegeradorconsistiabasicamentedeumimquesemovimentavadentrodeuma espira, ou vice-versa, provocando o aparecimento de uma f.e.m registrada num galvanmetro. Galvanmetro indicando a passagem de uma corrente N S Galvanmetro MQUINAS SNCRONAS Elenilton T. Domingues - Mquinas Eltricas Faculdade Pio Dcimo 2 2.2 - DESCRIO FSICA 2.2.1 - ESTATOR Oestatordamquinasncronamuitosemelhanteaodeummotordeinduo. cilndrico, vazado, macio ou composto de chapas laminadas (ao silcio) dotadas de ranhuras axiais onde alojado o enrolamento do estator. As chapas possuem caractersticas magnticas dealtapermeabilidade,criandoumcaminhomagnticodebaixarelutnciaparaofluxo, diminuindo assim o fluxo disperso e concentrando o campo no entreferro. As chapas so em geraltratadastermicamenteafimdereduzirovalordasperdasespecficasporcorrentes induzidas.Oenrolamentodoestatorpodesertantomonofsicocomotrifsico.Emgeralas mquinassncronassotrifsicas,sendoquegeradoresmonofsicossomaisutilizadosem pequenaspotncias,ouquandonoexisteumaredetrifsicadisponvel,comoemreas rurais. Quando construdos para baixa tenso as bobinas do estator so formadas de fios com seocirculareesmaltados;asranhurasdoestatorsonestecasodotiposemiabertas.Ver Fig. 2.1 Fig. 2.1- Ranhuras do enrolamento de baixa tenso Nocasodeenrolamentosdealtatensooscondutoressodeseoretangulareasbobinas recebemumacamadaextradeisolaocommaterialabasedemica,sendoqueasranhuras so do tipo aberta. Ver Fig. 2.2 Fig. 2.2- Ranhuras do enrolamento de alta tenso A conexo dos enrolamentos segue o mesmo padro que para as mquinas de induo, havendo mquinas com enrolamentos para ligao srie-paralela, estrla-tringulo e mquinas com tripla tenso nominal. MQUINAS SNCRONAS Elenilton T. Domingues - Mquinas Eltricas Faculdade Pio Dcimo 3 2.2.2 - ROTOR O rotor tambm formado de chapas laminadas justapostas que em geral so do mesmo materialqueoestator(ao-silcio).Dopontodevistaconstrutivoexistemdoistiposbsicos de rotores: rotores contento plos salientes e rotores contendo plos lisos. Esta diferenciao conduzamodelosequivalentesdiferentes,masnoalteraemnadaoprincpiode funcionamento, que permanece idntico para ambos. 2.2.2.1 - ROTOR DE POLOS SALIENTES Orotordeplossalientesemgeralempregadoemmquinasqueoperamembaixa velocidade, que o caso tpico das hidroeltricas brasileiras. Esterotorformadoporumacoroacilndricadeaosilcio,presaaoeixoatravsde uma trelia de ao (aranha). Nessa coroa so montados os plos salientes. Cada plo tem um ncleo, uma bobina em volta do ncleo e uma sapata polar. O formato da sapata polar tem um desenhoadequadoparaseproduzirumadistribuioespacialsenoidaldefluxoapartirde uma corrente continua na bobina. Estes apresentam uma descontinuidade no entreferro ao longo da periferia do ncleo de ferro(sapatapolar),naqualsurgemaschamadasregiesinterpolaresondeoentreferro muito grande, tornando visvel a salincia dos plos. A Fig. 2.3 mostra uma mquina sncrona com rotor de plos salientes. Fig. 2.3- Representao esquemtica da mquina sncrona de plos salientes MQUINAS SNCRONAS Elenilton T. Domingues - Mquinas Eltricas Faculdade Pio Dcimo 4 Os geradores em plos saliente so em geral empregados com nmero de plos igual ou superiorque4.Aescolhadonmerodeplosditadopelarotaomaisapropriadapara mquina primria. Turbinas hidrulicas, por exemplo, trabalham com baixa rotao, sendo por issonecessriogeradorescomaltonmerodeplos.Avelocidadederotaodaturbina hidrulicavariaemfunodapressohidrulicaexistenteeemfunodaalturadaqueda dgua, sendo que ela se situa entre 50 a 600 rpm. Alm disso, a velocidade tambm varia em funodotipodaturbina(Francis,Kaplan,Pelton,etc...).Estetipodegeradoremgeral construdocomeixovertical, possuindo grande dimetro e pequeno comprimento axial; esta relaoentrecomprimentoedimetroditadapelabaixarotaoaqueestosujeitos(alto nmero de plos). 2.2.2.2 - ROTOR CILINDRICO OU ROTOR LISO Osrotoresdeploslisossoemgeralempregadosemmquinasqueoperamemalta velocidade, que o caso tpico das usinas termeltricas, onde o nmero de plos 2 ou 4. Este empregoprovmdofatoquerotorescomploslisossomaisrobustossendoassimmais aptosatrabalharememaltasrotaes(3600e1800rpm).AFig.2.4mostraumamquina sncrona com rotor de plos lisos. Fig. 2.4 - Representao esquemtica da mquina sncrona de plos lisos Nestes rotores, o entreferro constante ao longo de toda a periferia no ncleo de ferro. O enrolamento de campo distribudo uniformemente em ranhuras, as quais em geral cobrem apenas uma parte da superfcie do rotor. Almdoenrolamentodecampo,essepodeconter tambmumenrolamentosemelhanteaodorotordamquinadeinduoemgaiola.Este MQUINAS SNCRONAS Elenilton T. Domingues - Mquinas Eltricas Faculdade Pio Dcimo 5 enrolamento chamado de enrolamento amortecedor e alojado em ranhuras semi-abertas e deformatoredondosobreasuperfciedorotor.Conformeonomesugere,eleservepara amortecer oscilaes que ocorrem em condies transitrias, como por exemplo uma retirada bruscadecarga,alteraessbitasdetenso,variaesdevelocidade,etc....Eleconfere, assim,umamaiorestabilidademquina.Nesteenrolamentosinduzidatensoquando ocorrem fenmenos transitrios na mquina, em condies normais e em regime permanente no h nem tenso nem corrente induzida neste enrolamento; as suas dimenses so, portanto reduzidas em relao ao enrolamento do estator e do rotor. Nocasodemotoressncronoselepodetambmfuncionarcomodispositivoarranque, funcionandodamesmaformaqueoenrolamentoemgaioladeesquilodosmotoresde induo.Oenrolamentonestecasosechamaenrolamentodepartidaeapartidadomotor chamadadepartidaassncrona;nestecasoomotornopossui,viaderegra,carganoeixo durante a partida. Devido ao fato de no haver em regime permanente variaes de fluxo em relao ao rotor, este pode tambm ser construdo de um material slido, ao invs de lminas. Assim, em algumas mquinas todo o ou parte do rotor construdo de material slido, a fim deaumentararigidezmecnica.Nestecaso,aprpriasuperfciedorotorfuncionacomo enrolamentoamortecedor,sendodesnecessrioumenrolamentoamortecedorinseridoem ranhuras. Independentedaformaconstrutiva,osplossoalimentadoscomcorrentecontnuae criamocampoprincipalqueinduztensonaarmadura.Aalimentaodoenrolamentode excitaopodeserfeitaatravsdeumconjuntodeanis-escovasmontadonoeixoda mquina.Estetipodeaplicaoempregadonasmquinasdepequenoemdioporte.As mquinas de grande porte, utiliza sistemas de excitao sem escovas, chamado de sistema de excitaobrushless.Nestecasoaexcitaofornecidapormeiodeexcitatrizesauxiliares montadas no eixo da mquina e de dispositivos a base de semicondutores. 2.2.3 - CONJUNTO DE ESCOVAS E ANIS Tm por funo conectar a fonte de corrente contnua com os plos do rotor. Tratando-sedecomponentesquesedesgastamequepodemproduzirfascaseinterferncia eletromagntica, em geral se empregam geradores com excitao sem escovas, denominados geradores brushless. MQUINAS SNCRONAS Elenilton T. Domingues - Mquinas Eltricas Faculdade Pio Dcimo 6 2.2.4 - MQUINA SNCRONA ELEMENTAR Uma mquina sncrona muito simplificada ilustrada pela Fig. 2.5. Fig. 2.5- Gerador sncrono elementar Normalmenteoenrolamentodearmadura(enrolamentodeestator)deumamquina sncronaencontra-senoestator,eoenrolamentodeexcitao(enrolamentodecampo)no rotor.Oenrolamentodecampodorotorexcitadoporcorrentecontnuaconduzidaatele por escovas de carbono que deslizam em anis coletores. Questes construtivas determinam a orientao dos dois enrolamentos. vantajoso ter o enrolamento de campo, de baixa potncia, no rotor. Nestecaso,oenrolamentodearmaduraconsistenumanicabobinadeNespiras, indicado em corte pelos dois lados da bobina -a e a, colocados diametralmente em ranhuras, no contorno interno do estator da Fig. 2.5. Os condutores que formam esses lados da bobina soparalelosaoeixodamquinaeestoligadosemsrieporligaesnoaomostradasna figura. Num gerador, o rotor roda a uma velocidade constante, impulsionado por uma fonte de potnciamecnica(mquinaprimria)ligadaaoseueixo.Oscaminhosdefluxoso mostrados na Fig. 2.5. atravs das linhas tracejadas. AdistribuioradialdadensidadedefluxoBnoentreferroilustradanaFig.2.6-a como funo do ngulo ao longo do contorno do entre-ferro. MQUINAS SNCRONAS Elenilton T. Domingues - Mquinas Eltricas Faculdade Pio Dcimo 7 Fig. 2.6 -a) Distribuio espacial do fluxo no entre-ferro; b) tenso induzida Adensidadedefluxodemquinasreaispodeserfeitaaproximadamenteigualauma distribuiosenoidalpeloajusteapropriadodaformadassapataspolares.Comarotaodo rotor,aondadofluxovarreosdoisladosdabobina.Atensoresultante(Fig.2.6-b)uma funo com a mesma forma de onda da distribuio espacial de B. A tenso na bobina tem um ciclo completo de valores para cada rotao da mquina de doisplos.Asuafreqnciaemciclos/segundo(Hz)igualavelocidadedorotorem rotaesporsegundo,estaarazoparaserdesignadademaquinasncrona.Assim,uma mquinasncronadedoisplosdevegirara3600rotaesporminuto(rpm)paraproduzir uma tenso senoidal de freqncia 60Hz. Um grande nmero de maquinas sncronas tem mais de dois plos. Como um exemplo especfico, a Fig. 2.7 mostra um alternador elementar monofsico de quatro plos. Fig. 2.7- Gerador sncrono elementar de quatro plos MQUINAS SNCRONAS Elenilton T. Domingues - Mquinas Eltricas Faculdade Pio Dcimo 8 Asbobinasdecampoestoligadasdeformaaqueosplossejamalternadamente Norte-Sul.Ofluxotemagoradoiscicloscompletosporrotaodorotor,assimcomoa tenso. A freqncia f em hertz (Hz) , portanto o dobro da velocidade mecnica em rotaes por segundo (Fig. 2.8). Fig. 2.8- Distribuio espacial do fluxo no entre-ferro para um gerador sncrono de quatro plos. Quando uma mquina tem mais de dois plos conveniente concentrar a ateno num nicopardeplosereconhecerqueascondieseltricas,magnticasemecnicas, associadas a cada um dos outros pares de plos, so repeti