A máquina síncronaA máquina síncrona

A mA mááquina squina sííncrona: ncrona: generalidadesgeneralidades

A mA mááquina squina sííncrona utiliza um ncrona utiliza um estestáátor constitutor constituíído por um do por um

enrolamento trifenrolamento trifáásico sico distribudistribuíído a 120do a 120ºº idêntico idêntico àà

mmááquina assquina assííncronancrona

O rO róótor esttor estáá formado formado por um enrolamento por um enrolamento alimentado desde o alimentado desde o exterior atravexterior atravéés de s de

escovas e anescovas e anééis is deslizantes mediante deslizantes mediante

corrente continuacorrente continuaO rO róótor pode ser de ptor pode ser de póólos lisos ou los lisos ou de pde póólos salienteslos salientes

Industrialmente Industrialmente éé o gerador utilizado na maioria das centrais o gerador utilizado na maioria das centrais elelééctricas: turboalternadores e grandes alternadores ctricas: turboalternadores e grandes alternadores

hidrhidrááulicosulicos

Como motor usaComo motor usa--se principalmente quando a potência se principalmente quando a potência solicitada solicitada éé muito elevada >1 MWmuito elevada >1 MW

NNN

S

S

Sentido dascorrentesno rótor

A mA mááquina squina sííncrona: ncrona: generalidadesgeneralidades

N

S

Linhas de campo

Elevadas velocidades derotação: turboalternadoresElevadas velocidades deElevadas velocidades derotarotaçção: turboalternadoresão: turboalternadores

Velocidades de rotação baixas

Velocidades de rotaVelocidades de rotaçção ão baixasbaixas

Rótor de pólos

salientes

RRóótortor de de ppóólos los

salientessalientes

Rótorliso

RRóótortorlisoliso

Motores Motores ssííncronosncronos

CatCatáálogos logos comerciaiscomerciais

GeradoresGeradoresssííncronosncronos

©© L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de mmááquinas elquinas elééctricas rotativasctricas rotativas

©© L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de mmááquinas elquinas elééctricas rotativasctricas rotativas

©© L. Serrano: L. Serrano: Fundamentos de Fundamentos de

mmááquinas elquinas elééctricas ctricas rotativasrotativas

GeradoresGeradores ssííncronosncronos©© L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de mmááquinas elquinas elééctricas rotativasctricas rotativas

©© Mulukutla Mulukutla S. S. SarmaSarma: : ElectricElectricmachinesmachines

Corte transversal de Corte transversal de umauma central hidrcentral hidrááulicaulica

RRóótortor

©© Mulukutla Mulukutla S. S. SarmaSarma: : ElectricElectricmachinesmachines

ESTÁTOR= Enrolamento trifásicodistribuído alimentado comsistema trifásico de tensões

ESTÁTOR= Enrolamento trifásicodistribuído alimentado comsistema trifásico de tensões

RÓTOR= Enrolamento alimentadocom corrente contínua que criaum campo magnético fixo

RÓTOR= Enrolamento alimentadocom corrente contínua que criaum campo magnético fixo

CAMPO MAGNÉTICO GIRANTECAMPO MAGNÉTICO GIRANTE

INTERACÇÃO RÓTOR - ESTÁTORINTERACÇÃO RÓTOR - ESTÁTOR

BINÁRIO MOTOR E ROTAÇÃO DA MÁQUINABINBINÁÁRIO MOTOR E ROTARIO MOTOR E ROTAÇÇÃO DA MÃO DA MÁÁQUINAQUINA

PrincPrincíípio de funcionamento: pio de funcionamento: motormotorO RO RÓÓTOR GIRA TOR GIRA ÀÀ MESMA MESMA

VELOCIDADE QUE O VELOCIDADE QUE O CAMPO: VELOCIDADE DE CAMPO: VELOCIDADE DE

SINCRONISMOSINCRONISMO

PfNS⋅

=60

PfNS⋅

=60

Controlando a excitaControlando a excitaçção ão (tensão de alimenta(tensão de alimentaçção do ão do rróótor) conseguetor) consegue--se que a se que a

mmááquina trabalhe com qualquer quina trabalhe com qualquer factor de potência: factor de potência: PODE PODE

ABSORVER OU FORNECER ABSORVER OU FORNECER POTÊNCIA REACTIVA QPOTÊNCIA REACTIVA Q

ESTÁTOR= enrolamento trifásicodistribuído conectado à carga

ou rede que se deseja alimentar

ESTÁTOR= enrolamento trifásicodistribuído conectado à carga

ou rede que se deseja alimentar

RÓTOR= enrolamento alimentadocom corrente contínua que cria

um campo magnético fixo. Faz-segirar por um meio externo

RÓTOR= enrolamento alimentadocom corrente contínua que cria

um campo magnético fixo. Faz-segirar por um meio externo

TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA MECÂNICA EM ENERGIA ELÉCTRICA

TRANSFORMATRANSFORMAÇÇÃO DE ENERGIA ÃO DE ENERGIA MECÂNICA EM ENERGIA ELMECÂNICA EM ENERGIA ELÉÉCTRICACTRICA

PrincPrincíípio de funcionamento: pio de funcionamento: geradorgerador

Para ligar o gerador a uma Para ligar o gerador a uma rede rede éé necessnecessáário que rode rio que rode ààvelocidade de sincronismo velocidade de sincronismo

correspondente correspondente àà frequência frequência da dita rededa dita rede

Controlando a excitaControlando a excitaçção ão (tensão de alimenta(tensão de alimentaçção do ão do rróótor) conseguetor) consegue--se que a se que a

mmááquina trabalhe com quina trabalhe com qualquer factor de potência: qualquer factor de potência:

PODE ABSORVER OU PODE ABSORVER OU FORNECER QFORNECER Q

O campo criado pelo rótor, ao rodar, induz FEM no estátor

e, por tanto, faz circular corrente pela carga

O campo criado pelo rótor, ao rodar, induz FEM no estátor

e, por tanto, faz circular corrente pela carga

60NPf =60NPf = P=PARES DE PP=PARES DE PÓÓLOSLOS

N=VELOCIDADE DE N=VELOCIDADE DE ROTAROTAÇÇÃOÃO

jXs Rs A

B

E

IM

+V

jXs Rs A

B

E

IM

+V

Circuito equivalente (por Circuito equivalente (por fase) da mfase) da mááquina squina sííncronancrona

A FEM E A FEM E éé proporcional proporcional àà corrente de excitacorrente de excitaçção do rão do róótor. No tor. No funcionamento como gerador representa a tensão que se induz no funcionamento como gerador representa a tensão que se induz no estestáátor. No funcionamento como motor, representa a fortor. No funcionamento como motor, representa a forçça a contracontra--electromotrizelectromotriz que que éé necessnecessáário rio ““vencervencer”” para que circule a corrente para que circule a corrente

que alimenta o motorque alimenta o motor

Funcionamento Funcionamento como motorcomo motor

Reactância sReactância sííncrona = reactância dispersão ncrona = reactância dispersão estestáátor+efeito de reactor+efeito de reacçção de induzidoão de induzidoReactância Reactância

ssííncronancronaResistência Resistência

estestáátortor jXs Rs A

B

E

IG

+V

jXs Rs A

B

E

IG

+V

Funcionamento Funcionamento como geradorcomo gerador

O gerador sO gerador sííncrono em vazioncrono em vazioReactância Reactância

ssííncronancrona jXs Rs A

B

E

IG

+V

jXs Rs A

B

E

IG

+V

funcionamento funcionamento como geradorcomo gerador

Resistência Resistência EstEstáátortor

500 1000 1500 2000

5

10

15

20 kV

Iexc

18kV 390MVA

3000RPM

500 1000 1500 2000

5

10

15

20 kV

Iexc

18kV 390MVA

3000RPM

Tensão em vazio VTensão em vazio V

Quando o gerador trabalha em vazio Quando o gerador trabalha em vazio no hno háá queda de tensão: a tensão de queda de tensão: a tensão de

salda coincide com a FEM Esalda coincide com a FEM E

NKE ⋅ϕ⋅= NKE ⋅ϕ⋅= VELOCIDADE VELOCIDADE DE ROTADE ROTAÇÇÂOÂO

FLUXOFLUXO PROPORCIONAL A PROPORCIONAL A IIEXCEXC

O gerador sO gerador sííncrono em carga: ncrono em carga: reacreacçção do induzidoão do induzido

Quando o alternador trabalha em vazio Quando o alternador trabalha em vazio o o úúnico fluxo existentenico fluxo existenteéé o produzido pela corrente conto produzido pela corrente contíínua de excitanua de excitaçção do rão do róótortor

O fluxo total da mO fluxo total da mááquina quina verver--sese--áá diminudiminuíído ou do ou

aumentado dependendo da aumentado dependendo da carga ser indutiva ou carga ser indutiva ou

capacitivacapacitiva

Quando fornece corrente a uma Quando fornece corrente a uma carga, Esta produz um campo carga, Esta produz um campo magnmagnéético girante ao circular tico girante ao circular nos enrolamentos do estnos enrolamentos do estáátor. tor. Este campo produz um binEste campo produz um bináário rio

oposto ao de rotaoposto ao de rotaçção da ão da mmááquina, sendo necessquina, sendo necessáário rio contrabalancontrabalanççaa--lo com um lo com um

aumento da potencia mecânica aumento da potencia mecânica exterior. exterior.

Este efeito criado pelo Este efeito criado pelo campo do Estcampo do Estáátor tor éé

conhecido pelo nome de conhecido pelo nome de ““reacreacçção de induzidoão de induzido””

CargaCarga

O gerador sO gerador sííncrono em cargancrono em carga

U

U

U

I

I

I

RI

RI

RI

jXs

jXs

jXs

E

E

E

Carga resistiva

Carga Inductiva

Carga capacitiva

U

U

U

I

I

I

RI

RI

RI

jXs

jXs

jXs

E

E

E

Carga resistiva

Carga Inductiva

Carga capacitiva

PARA UMA MESMA TENSÃO DE SAIDA O PARA UMA MESMA TENSÃO DE SAIDA O GERADOR PODE FORNECER OU ABSORVER GERADOR PODE FORNECER OU ABSORVER

POTÊNCIA REACTIVA DEPENDENDO DA POTÊNCIA REACTIVA DEPENDENDO DA CARGA SER INDUTIVA OU CAPACITIVACARGA SER INDUTIVA OU CAPACITIVA

Para o conseguir basta modificar o valor de E Para o conseguir basta modificar o valor de E (modificando o campo de excita(modificando o campo de excitaçção)ão)

Indutiva Indutiva Indutiva

jXs Rs A

B

E

IG

+V

jXs Rs A

B

E

IG

+V

funcionamento como geradorfuncionamento funcionamento como geradorcomo gerador

O gerador sO gerador sííncrono em carga: ncrono em carga: funcionamento isoladofuncionamento isolado

O GERADOR ALIMENTA O GERADOR ALIMENTA UMA CARGA DE FORMA UMA CARGA DE FORMA

INDEPENDENTEINDEPENDENTE

funcionamento funcionamento ISOLADOISOLADO

LaLa tensão de tensão de alimentaalimentaçção ão puedepuede variarvariar

O factor de O factor de potência da potência da carga carga éé fixofixo

Aumento da Aumento da excitaexcitaççãoão

Aumento da Aumento da tensão de tensão de

sasaíídada

Aumento da Aumento da potência potência mecânicamecânica

Aumento da Aumento da velocidade velocidade de rotade rotaççãoão

Aumento da Aumento da frequênciafrequência

O gerador sO gerador sííncrono em carga: ncrono em carga: LigaLigaçção a rede de Potência Infinitaão a rede de Potência Infinita

O GERADOR ESTO GERADOR ESTÁÁ LIGADO A OUTRA LIGADO A OUTRA REDE EM QUE ACTUAM OUTROS REDE EM QUE ACTUAM OUTROS GERADORES: A SUA POTÊNCIA GERADORES: A SUA POTÊNCIA ÉÉ

MUITO PEQUENA EM COMPARAMUITO PEQUENA EM COMPARAÇÇÃO ÃO COM O TOTAL DA REDECOM O TOTAL DA REDE

LIGALIGAÇÇÃO A REDE ÃO A REDE DE POTÊNCIA DE POTÊNCIA

INFINITAINFINITA

A tensão de A tensão de alimentaalimentaçção ão ESTESTÁÁ FIXADA FIXADA

PELA REDEPELA REDE

A frequência A frequência ESTESTÁÁ FIXADA FIXADA

PELA REDEPELA REDE

Aumento da Aumento da excitaexcitaççãoão

Aumento da Aumento da POTENCIA POTENCIA REACTIVA REACTIVA ENTREGUEENTREGUE

Aumento da Aumento da potência potência mecânicamecânica

Aumento da Aumento da POTENCIA POTENCIA

ACTIVA ACTIVA ENTREGUEENTREGUE

iU

1 2

3

RI

jXI

α

ϕ

E

iU

1 2

3

RI

jXI

α

ϕ

ESOBREXCITASOBREXCITAÇÇÃOÃO

SUBEXCITASUBEXCITAÇÇÃOÃOAA TENSÃO TENSÃO U U

ESTESTÁÁ FIXADAFIXADAPELAPELA REDEREDE

NORMALNORMAL

i U

RI

jXI

3

ϕ

E

i U

RI

jXI

3

ϕ

E

GERADORGERADOR SUBEXCITADOSUBEXCITADOi RI

jXI

2

α

E

ϕU

i RI

jXI

2

α

E

ϕU

GERADORGERADORSOBREXCITADOSOBREXCITADO

AUMENTO CORRENTEAUMENTO DO ÂNGULO ϕ

AUMENTO AUMENTO CORRENTECORRENTEAUMENTO AUMENTO DODO ÂNGULO ÂNGULO ϕϕ

AUMENTO AUMENTO DADAPOTÊNCIAPOTÊNCIA REACTIVA REACTIVA

FORNECIDAFORNECIDA

REDUREDUÇÇÃO DAÃO DAPOTÊNCIAPOTÊNCIA REACTIVA REACTIVA

FORNECIDAFORNECIDA

VariaVariaçção da velocidade nos ão da velocidade nos motores smotores sííncronosncronos

Motores Motores grande grande

potênciapotência

INVERSORESINVERSORES

CICLOCONVERSORESCICLOCONVERSORES

Motores Motores baixa baixa

potênciapotência

UTILIZAUTILIZAÇÇÃO DEÃO DEEQUIPAMENTOS EQUIPAMENTOS ELECTRELECTRÓÓNICOSNICOS

O motor sO motor sííncrono roda ncrono roda ààvelocidade de sincronismovelocidade de sincronismo

60*f/p60*f/p

PARA VARIAR APARA VARIAR AVELOCIDADE VELOCIDADE ÉÉNECESSNECESSÁÁRIO RIO

VARIARVARIARA FREQUÊNCIAA FREQUÊNCIA

DE ALIMENTADE ALIMENTAÇÇÃOÃOAPLICAAPLICAÇÇÕES DE ELEVAÕES DE ELEVA--DA POTENCIA (>1 MW): DA POTENCIA (>1 MW): GRANDES MGRANDES MÁÁQUINAS QUINAS (Sopradores, (Sopradores, compressores, etc.) e compressores, etc.) e PROPULSÃO ELPROPULSÃO ELÉÉCTRICACTRICA

T4 T6 T2

T1 T3 T5

T1 T3 T5

T4 T6 T2

T4 T6 T2

T1 T3 T5

T1 T3 T5

T4 T6 T2

T4 T6 T2

T1 T3 T5

T1 T3 T5

T4 T6 T2

+

+

+

VR

VT

6,6 kV/1 kV

6,6 kV/1 kV

6,6 kV/1 kV

6,6 kV50 Hz

0 – 860 V0 – 17 Hz

0 – 520 V0 – 600 A

Devanado deexcitación

MOTORASÍNCRONO

T4 T6 T2

T1 T3 T5

T1 T3 T5

T4 T6 T2

T4 T6 T2

T1 T3 T5

T1 T3 T5

T4 T6 T2

T4 T6 T2

T1 T3 T5

T1 T3 T5

T4 T6 T2

+

+

+

VR

VT

6,6 kV/1 kV

6,6 kV/1 kV

6,6 kV/1 kV

6,6 kV50 Hz

0 – 860 V0 – 17 Hz

0 – 520 V0 – 600 A

Devanado deexcitación

MOTORASÍNCRONO

CicloconversorCicloconversorfabricado por ABB fabricado por ABB para o controlo de para o controlo de motores smotores sííncronos ncronos

atatéé 14 MW14 MW

CicloconversoresCicloconversores

FuncionamentoFuncionamento dodocicloconversorcicloconversor

SISTEMA DE SISTEMA DE TENSÕES TENSÕES TRIFTRIFÁÁSICO QUE SICO QUE

ALIMENTA ALIMENTA ooCICLOCONVERSORCICLOCONVERSOR(Frequência(Frequência de de rederede eeamplitudeamplitude constante)constante)

TENSÃO TENSÃO RESULTANTE RESULTANTE DADACOMUTACOMUTAÇÇÃO DOÃO DO

CICLOCONVERSORCICLOCONVERSOR(Frequência(Frequência ee amplitudeamplitude varivariááveis)veis)

M/S FANTASY

Central de geração

Central de geração

Motorestransversais

Motorestransversais

Central de geração:• 4 Geradores síncronos de 10,3 MVA• 2 Geradores síncronos de 6,8 MVA• Tensão=6,6 kV

Central de geração:• 4 Geradores síncronos de 10,3 MVA• 2 Geradores síncronos de 6,8 MVA• Tensão=6,6 kV

Motores:• Síncronos de duplo enrolamento controlados com cicloconversores• 2 Motores principais de 14 MW refrigerados a água• 6 Motores transversais de 1,5 MW

Motores:• Síncronos de duplo enrolamento controlados com cicloconversores• 2 Motores principais de 14 MW refrigerados a água• 6 Motores transversais de 1,5 MW

Tipo de propulsão:• Diesel - eléctrica• 4 Motores principais• 2 Motores auxiliares• Hélices de passo variável

Tipo de propulsão:• Diesel - eléctrica• 4 Motores principais• 2 Motores auxiliares• Hélices de passo variável

Motorestransversais

Motorestransversais

PROPULSÃO ELÉCTRICACatCatáálogos comerciaislogos comerciais