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Copy of AULA 28 - ET017 Circuitos e Eletrotécnica

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by

Daniel Dotta

on 1 November 2016

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Transcript of Copy of AULA 28 - ET017 Circuitos e Eletrotécnica

Prof. Daniel Dotta
Alternadores

(aula 28)

Universidade Estadual de Campinas
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
DEPARTAMENTO DE SISTEMAS E ENERGIA

Introdução
Introdução
Tensão Induzida
Gerador Síncrono
Estator constituído por três enrolamentos defasados de 120 graus.
Rotor constituído por um enrolamento energizado em corrente contínua (fonte cc externa), produzindo um campo constante no entreferro (Br) é colocada em movimento por uma de energia mecânica (turbina hidráulica, gás ou vapor) de forma que Br tenham um movimento relativo aos enrolamentos do estator.
Devido ao movimento relativo de Br, a intensidade do campo magnético que atravessa os enrolamentos do estator irá variar no tempo. E pela lei de Faraday, teremos uma tensão induzida nos terminais dos enrolamentos do estator.
A frequência elétrica da tensão induzida está “sincronizada” com a velocidade mecânica.
Gerador Síncrono
Tensão Induzida
Lista de exercícios
EX:
exercícios do livro do Gilmar Barreto recomendados (pág. 257-262): 10.1 - 10.37.
Perguntas
Em uma fazenda está instalado um alternador cujo rotor é acionado por uma turbina, aproveitando-se uma queda d’água, sendo que o circuito de campo é energizado por um conjunto de baterias em série com um reostato (resistor variável de baixa potência).
a) Justificando, descreva as possíveis alternativas de controle da frequência e da magnitude da tensão gerada para este alternador.
b) Considere que ao se ligar uma bomba d’água, ocorre uma diminuição simultânea da magnitude e da frequência da tensão gerada. Qual o procedimento mais adequado para que sejam restabelecidos os respectivos valores nominais? Justifique procedimento proposto.
Máquinas Elétricas Rotativas
Aplicações
Conversão Eletromecânica de Energia
Gerador Síncrono
Comentários Gerais

A principal aplicação da máquina síncrona é como gerador (alternador) nas usinas geradoras de energia elétrica.
A magnitude e a frequência da tensão gerada variam com a velocidade do rotor e com a magnitude da corrente de campo.
EFEITO II – Força Eletromagnética: quando um condutor, atravessado por
corrente elétrica
, é imerso em um
campo magnético
, surge sobre o condutor uma
força mecânica
;

f
=
B
il
(Força de Lorentz)
Máquinas elétricas fazem a interface entre um sistema mecânico e um sistema elétrico;
O acoplamento entre os dois sistemas ocorre através do campo magnético;
São denominadas
máquinas CA
quando ligadas a um sistema de corrente alternada;
São denominadas
máquinas CC
quando ligadas a um sistema de corrente contínua.
Motivações
Máquinas Elétricas Rotativas
Conversão Eletromecânica de Energia
Máquinas CA são ditas:
Síncronas:
quando a velocidade do eixo estiver em sincronismo (velocidade igual) com a freqüência da tensão elétrica de alimentação;

Assíncronas:
quando a velocidade do eixo estiver fora de sincronismo (velocidade diferente) com a freqüência da tensão elétrica de alimentação. Quando as correntes no rotor surgem somente devido ao efeito de indução (sem alimentação externa), a máquina é denominada de indução

Máquinas de corrente contínua
(CC),
máquinas de indução
(assíncrona) e
máquinas síncronas
representam os três maiores grupos com aplicações práticas.
Por que precisamos estudar este tópico?
As máquinas síncronas são as mais importantes fontes de geração de energia elétrica.
Aproximadamente +99 % de toda a potência é gerada por máquinas síncronas.
Entender os aspectos básicos do funcionamento da operação das máquinas síncronas.
Regra da mão direita para determinar o sentido da força
Se os terminais dos condutores alimentam uma carga elétrica surgirá uma corrente, fornecida pelo gerador elétrico.
O enrolamento do estator (armadura) é trifásico e distribuído e é ligado diretamente à carga;







Os enrolamentos da armadura são posicionados com diferença angular de 120 graus, de forma que a tensão induzida nos três enrolamentos serão defasadas de 120 graus;
Revisão
Produção de um campo magnético







“Quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica surge em torno dele um campo magnético”

Lei circuital de Ampère.
Revisão








Constatações:
Ocorre um deslocamento do ponteiro do galvanômetro no instante em que a chave é fechada ou aberta (fonte CC).
Para corrente constante (chave fechada), independentemente de quão elevado seja o valor da tensão aplicada, não há deslocamento do ponteiro.
Revisão
Lei de Faraday.







Constatações
:
Ao se aproximar ou afastar o ímã do solenóide (bobina) ocorre um deslocamento do ponteiro do galvanômetro.
Quando o ímã está parado, independentemente de quão próximo este esteja do solenóide, não há deslocamento do ponteiro do galvanômetro.
Revisão
Lei de Faraday.







A lei de Faraday declara que:
“Quando um circuito elétrico é atravessado por um fluxo magnético variável, surge uma tensão induzida atuando sobre o mesmo.”
A lei de Faraday também declara que:
“A tensão induzida no circuito é numericamente igual à variação do fluxo que o atravessa.”
Revisão
Lei de Faraday.








Formas de se obter uma tensão induzida:
Provocar um movimento relativo entre o campo magnético e o circuito.
Utilizar uma corrente variável para produzir um campo magnético variável.
Revisão
Lei de Lenz.










“A tensão induzida em um circuito fechado por um fluxo magnético variável produzirá uma corrente de forma a se opor á variação do fluxo que a criou”
À medida que o rotor gira, o fluxo magnético concatenado varia senoidalmente entre os eixos magnéticos das bobinas do estator e do rotor.
Se o rotor está girando a uma velocidade angular constante
w
, pela lei de indução de Faraday, a tensão induzida na fase a é:


A tensão induzida nas outras fases são também senoidais, mas defasadas 120 graus elétricos em relação da fase a.
Gerador Síncrono
Gerador Síncrono
Operação do Gerador Síncrono em uma Rede Interligada
Geradores síncronos são raramente conectados a cargas individuais. Esses são conectados a uma rede interligada, a qual contém vários geradores operando em paralelo.

A operação em paralelo de geradores traz as seguintes vantagens: vários geradores podem atender a uma grande carga, aumento da confiabilidade, um ou mais geradores podem ser desligados para manutenção sem causar a interrupção total da demanda da carga, maior eficiência etc.
Sincronização do Gerador Síncrono em uma Rede Interligada
Sincronização do Gerador Síncrono em uma Rede Interligada
Geradores síncronos podem ser conectados ou desconectados da rede interligada, dependendo da demanda de carga. A operação, na qual os geradores são conectados a rede é chamada sincronização.
Para que o gerador síncrono possa ser conectado a rede, ambos os sistemas devem ter:
A mesma magnitude de tensão rms;
A mesma frequência;
A mesma sequência de fases;
A mesma fase.
Sincronização do Gerador Síncrono em uma Rede Interligada
Princípio de Funcionamento
Quando o indicador se movimenta lentamente, isto é, a frequência da rede e da máquina são quase iguais, e passa pelo marcador vertical, o disjuntor pode ser fechado, e a máquina é conectada a rede.
Plantas industriais modernas empregam sincroscópios automáticos, os quais enviam sinais para o sistema de excitação e de regulação de velocidade do gerador para alterar a frequência e a tensão do gerador.
Para operação remota do disjuntor, relés de cheque de sincronismo (synch check relays) são empregados para supevisionar o fechamento dos disjuntores.
Gerador Síncrono
Vantagens:
é a tecnologia mais empregada para a conversão de energia mecânica em elétrica (amplamente utilizada para geração)
possui capacidade de compensação de potência reativa
permite energização/sincronização suave (sem transitórios)

Desvantagens:
a velocidade mecânica e elétrica são sincronizadas levando a maiores transitórios eletromecânicos durante variação da potência mecânica da fonte primária (e.g., geradores eólicos)
alto custo inicial e de manutenção
A maior parte dos conversores eletromecânicos de energia de alta potência são baseados em movimento rotacional.
São compostos por duas partes principais:
Parte fixa, ou
ESTATOR
Parte móvel, ou
ROTOR
O rotor é montado sobre um eixo, e é livre para girar entre os pólos do estator.
De forma geral existem enrolamentos transportando corrente elétrica tanto do estator como no rotor.
O enrolamento do rotor pode ser alimentado através de anéis coletores e escovas de grafite.
Um campo magnético girante pode ser criado pela rotação de um par magnético.








O campo girante induzirá tensões nos enrolamentos a-a, b-b e c-c.
As tensões induzidas podem ser obtidas da lei de indução de Faraday.
O enrolamento de campo (do rotor) é alimentado em CC e produz campo aproximadamente senoidal no entreferro;
Pólos Salientes
: através de gap variável nas faces polares;





Pólos lisos
: através da distribuição das bobinas na superfície do rotor
Máquinas com muitos pólos e baixa velocidade, em geral tem o rotor de pólos salientes;
diâmetro grande
comprimento pequeno
eixo vertical


Máquinas com poucos pólos e alta velocidade, em geral tem o rotor cilíndrico;
diâmetro pequeno
comprimento grande
eixo horizontal
Um dos tipos mais importantes de máquinas elétricas rotativas.
Geradores síncronos são utilizados em usinas hidrelétricas e termelétricas.
Usinas hidrelétricas :
Máquinas de eixo vertical.
Rotor de pólos salientes e
de grande diâmetro.
Grande número de pólos.
Velocidades de 100-350 RPM.
Usinas termelétricas:
Máquina de eixo horizontal.
Rotor cilíndrico e de pouco diâmetro.
Usualmente de 2 ou 4 pólos.
Velocidades de 1500-3000 RPM.
Em plantas industriais, essas condições podem ser verificadas através do uso de um
sincroscópio






A posição do indicador mostra a diferença de fase entre as tensões da máquina e da rede. Esse dispositivo não verifica a sequência de fases;
O sentido de rotação do indicador mostra se a frequência da máquina é maior ou menor que a da rede;
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