Aula_maquinas_sincronas

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CIRCUITO EQUIVALENTE 
O gerador síncrono e um dos elementos mais 
importantes de um sistema de potencia, porque 
se encarga de gerar a energía elétrica que será 
transmitida a grandes distancias para ser 
posteriormente utilizada pelos usuarios. 
 
O modelado do generador depende do tipo de 
análisis que se deseje realizar, o foco aquí será 
o correspondente a um modelo simplificado para 
o análisis de estado estavel. 
 
Introdução 
Eixo de 
campo (CD) 
Rotor 
fI
Entreferro 
Eixo da fase A 
Eixo da fase B Eixo da fase C 
a a’ 
b’ 
c’ b 
c 
Estator 
Maquina síncrona de dois polos 
MÁQUINA SÍNCRONA TRIFÁSICA 
As máquina síncrona 
A máquina síncrona utiliza um estator 
constituido por um enrolamento 
trifásico distribuido a 120º idéntico a 
máquina asíncrona 
O rotor está formado por 
um enrolamento 
alimentado desde o 
exterior através de escovas 
e anelhos rozantes 
mediante corrente 
continua O rotor pode ser liso o de polos salientes 
Industrialmente e o gerador utilizado na maioría das centrales elétricas: 
turboalternadores e grandes alternadores hidráulicos 
Como motor se usa principalmente quando se requer corregir factor de 
potencia, ou tambem em aplicações de velocidade estritamente constante 
Gerador síncrono (Tipos de rotor) 
GERADOR DE POLOS LISOS 
(ROTOR CILÍNDRICO) 
4 polos 
N N 
S 
S 
GERADOR DE POLOS 
SALIENTES 
4 polos 
N N 
S 
S 
As máquina síncrona 
N
S
Líneas de
campo
Altas velocidades de 
giro: turboalternadores 
NNN
S
S
Sentido de las
corrientes por
el rotor
Velocidades de giro 
baixas 
Rotor de 
polos 
salientes 
Rotor 
liso 
EL4001 - Conversión de la Energía y Sistemas Eléctricos 
Máquinas de polos salientes 
- Físicamente os polos (N-S) sobresalem. 
- Inductancia mutua rotor – estator não e 
constante. 
- Máis complexidade ao modelar 
inductancias. 
Em geral se usam máquinas de polos salientes com varios polos 
(por exemplo 36), en geradores hidráulicos. Operam a baixa 
velocidade e poseen rotores de gram diámetro. 
EL4001 - Conversión de la Energía y Sistemas Eléctricos 
Máquinas de polos salientes 
EL4001 - Conversión de la Energía y Sistemas Eléctricos 
Máquinas de rotor cilíndrico 
- Rotor liso. 
- Inductancia mutua rotor – estator e 
constante. 
- A simetría do rotor facilita a modelação da 
máquina. 
Em geral se usam máquinas de rotor cilíndrico, com poucos 
polos (2, 4 o 6), em geradores térmicos operando a alta 
velocidade. A esta velocidade as pérdas por rozamento se 
reducem em um rotor liso. Poseen rotores alargados e de pouco 
diámetro. 
EL4001 - Conversión de la Energía y Sistemas Eléctricos 
Máquinas de rotor cilíndrico 
Motores síncronos 
Catálogos comerciales 
Geradores 
síncronos 
 L. Serrano: Fundamentos de 
máquinas eléctricas rotativas 
 L. Serrano: Fundamentos de 
máquinas eléctricas rotativas 
 L. Serrano: Fundamentos 
de máquinas eléctricas 
rotativas 
Geradores síncronos 
 L. Serrano: Fundamentos de 
máquinas eléctricas rotativas 
 Mulukutla S. Sarma: Electric 
machines 
Corte transversal de una 
central hidráulica 
Rotor 
 Mulukutla S. Sarma: Electric 
machines 
ESTATOR= Enrolamento trifásico 
distribuido ligado a carga 
ou rede que se deseja alimentar 
ROTOR= Enrolamento alimentado 
com corrente continua que crea 
um campo magnético fixo. Se 
face girar por um meio externo 
TRANSFORMAÇÂO DA ENERGÍA MECÁNICA 
EM ENERGÍA ELÉTRICA 
Principio de funcionamento: do 
gerador 
Para ligar o gerador a uma rede e 
necessario que gire a velocidade de 
sincronismo correspondente a 
frequencia de dita rede 
Controlando a excitação (tensão de 
alimentação do rotor) se logra que a 
máquina trabalhe com qualquer 
factor de potencia: PODE ABSORBER 
O CEDER Q 
O campo creado por o rotor, ao 
girar, induce FEM no estator e, por 
isso, face circular corrente pela 
carga 
60
N
Pf 
P=PARES DE POLOS 
N=VELOCIDADE DE GIRO 
ESTATOR= Enrolamento trifásico 
distribuido alimentado com um 
sistema trifásico de tensões 
ROTOR= Enrolamento alimentado 
com corrente continua que crea 
um campo magnético fixo 
CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO 
INTERAÇÂO ROTOR - ESTATOR 
PAR MOTOR E GIRO DA MÁQUINA 
Principio de funcionamento: motor 
O ROTOR GIRA NA MESMA 
VELOCIDADE QUE O CAMPO: 
VELOCIDADE DE SINCRONISMO 
P
f
NS


60
Controlando a excitação 
(tensão de alimentação do 
rotor) se logra que a máquina 
trabalhe com qualquier factor 
de potencia: PODE ABSORBER 
O CEDER Q 
Circuito equivalente (por fase) da 
máquina síncrona 
A FEM E e proporcional a corriente de excitação do rotor. Em funcionamento como 
gerador representa a tensão que se induce no estator e em funcionamento como motor 
a força contraeletro-motriz que e necessario “vencer” para que circule a corrente que 
alimenta o motor 
 jXs Rs 
A 
B 
E 
IM 
+ 
V 
Funcionamento como 
motor 
 jXs Rs 
A 
B 
E 
IG 
+ 
V 
Funcionamento como 
gerador 
Reatancia síncrona= reatancia disperção estator+efecto 
de reação de inducido Reatancia 
síncrona 
Resistencia 
estator 
O generador síncrono em vacío 
Reactancia 
síncrona 
 jXs Rs 
A 
B 
E 
IG 
+ 
V 
Funcionamiento 
como generador 
Resistencia 
estator 
500 1000 1500 2000 
5 
10 
15 
20 
kV 
Iexc 
(A) 
18kV 
390MVA 
3000RPM 
 
Tensión en vacío V 
Cuando el generador trabaja en vacío no hay 
caída de tensión: la tensión de salida coincide 
con la FEM E 
NKE 
VELOCIDAD DE 
GIRO 
FLUJO (por 
polo) 
PROPORCIONAL A IEXC 
O gerador síncrono em carga: reação 
do inducido 
Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo existente es el producido 
por la corriente continua de excitación del rotor 
El flujo total de la máquina se 
verá disminuido o aumentado 
dependiendo que la carga sea 
inductiva o capacitiva 
Cuando suministra corriente a una 
carga, dicha corriente produce un 
campo magnético giratorio al circular 
por los devanados del estator. 
Este campo produce un par opuesto al 
de giro de la máquina, que es necesario 
contrarrestar mediante la aportación 
exterior de potencia mecánica. A este efecto creado por el 
campo del estator se le conoce 
con el nombre de “reacción de 
inducido” 
 jXs Rs 
A 
B 
E 
IG 
+ 
V 
Funcionamento como 
gerador 
Carga 
O gerador síncrono em carga 
 
U 
U 
U 
I 
I 
I 
RI 
RI 
RI 
jXs
I 
jXs
I 
jXs
I 
E 
E 
E 
Carga resistiva 
Carga Inductiva 
Carga capacitiva 
PARA UMA MESMA TENSÃO DE SAIDA O GERADOR 
PODE CEDER O ABSORBER POTENCIA REATIVA 
DEPENDENDO DE QUE A CARGA SEJA INDUTIVA O 
CAPACITIVA 
Para conseguir-lo e suficente modificar o valor da E 
(FEM) (mudando a corrente de excitação) 
Modelo do gerador síncrono 
   
SS
S
X
δEcosV
j
X
δEsin
I
jX
0VδE
I






   
S
2
S
gen
gen
X
VδcosEV
j
X
δsinEV
S
*IVS





¡Recordar que estamos usando el modelo en p.u., con tensiones entre fases y potencia 
trifásica! Luego, la corriente calculada es corriente de línea (multiplicando por la 
corriente base) y la potencia aparente es trifásica (multiplicando por la base respectiva). 
Modelo do gerador síncrono 
Gerador “Sobre-excitado” 
 < 0, d > 0 
I en atraso 
Gerador inductivo 
Factor de potencia em atrasso 
Qgen > 0 
Gerador “Sub-excitado” 
 > 0, d > 0 
I en adelanto 
Gerador capacitivo 
Factor de potencia em adelanto 
Qgen < 0 
Modelo do motor síncrono 
   
SS
S
X
VδEcos
j
X
δEsin
I
jX
δE0V
I






   
S
2
S
con
con
X
δcosEV-V
j
X
δsinEV
S
*IVS





Modelo do motor sincrono 
Motor “Sobre-excitado” 
 > 0, d < 0 
I en adelanto 
Motor capacitivo 
Factor de potencia en adelanto 
Qcon < 0 
Motor “Sub-excitado” 
 < 0, d < 0 
I en atraso 
Motor inductivo 
Factor de potencia en atraso 
Qcon > 0 
O gerador síncrono em carga: 
funcionamento aislado 
EL GENERADOR ALIMENTA A UNA 
CARGA DE FORMA 
INDEPENDIENTE 
FUNCIONAMIENTO 
AISLADO 
La tensión de 
alimentaciónpuede variar 
El factor de potencia 
de la carga es fijo 
Aumento en la 
excitación 
Aumento en la 
tensión de salida 
Aumento en 
potencia 
mecánica 
Aumento en la 
velocidad de 
giro 
Aumento en la 
frecuencia 
O generador síncrono em carrega: conexão 
a rede de P. infinita 
EL GENERADOR ESTÁ CONECTADO A OTRA 
RED EN LA QUE ACTÚAN OTROS 
GENERADORES: SU POTENCIA ES MUY 
PEQUEÑA RESPECTO DE LA TOTAL DE LA 
RED 
CONEXIÓN A RED DE 
POTENCIA INFINITA 
La tensión de 
alimentación 
ESTÁ FIJADA POR 
LA RED 
La frecuencia ESTÁ 
FIJADA POR LA RED 
Aumento en la 
excitación 
Aumento en la 
POTENCIA 
REACTIVA 
ENTREGADA 
Aumento en 
potencia 
mecánica 
Aumento de la 
POTENCIA 
ACTIVA 
ENTREGADA 
Operação em 4 quadrantes 
 
i 
U 
1 
2 
3 
RI 
jXI 
 
 
E 
SOBREXCITACIÓN 
SUBEXCITACIÓN 
A TENSÃO U ESTÁ 
FIXADA PELA REDE 
NORMAL 
 
i 
U 
RI 
jXI 
3 
 
E 
GENERADOR SUBEXCITADO 
 
i RI 
jXI 
2 
 
E 
 
U 
GENERADOR 
SOBREXCITADO 
AUMENTO CORRIENTE 
AUMENTO DEL ÁNGULO  
AUMENTO DE LA 
POTENCIA REACTIVA 
SUMINISTRADA 
REDUCCIÓN DE LA 
POTENCIA REACTIVA 
SUMINISTRADA 
Mudança da velocidade nos motores 
síncronos 
Motores gran 
potencia 
INVERSORES 
CICLOCONVERTIDORES 
Motores baja 
potencia 
UTILIZACIÓN DE 
EQUIPOS 
ELECTRÓNICOS 
El motor síncrono gira a la 
velocidad de sincronismo 
60*f/p 
PARA VARIAR LA 
VELOCIDAD ES 
NECESARIO VARIAR 
LA FRECUENCIA 
DE ALIMENTACIÓN 
APLICACIONES DE ELEVA-DA 
POTENCIA (>1 MW): GRANDES 
MÁQUINAS (Soplantes, 
compresores, etc.) Y 
PROPULSIÓN ELÉCTRICA 
BUQUES 
T4
T4 T6 T2
T6 T2
T1 T3 T5
T1 T3 T5
T4
T4 T6 T2
T6 T2
T4T4 T6 T2 T6 T2
T1 T3 T5
T1 T3 T5
T4
T4 T6 T2
T6 T2
T4
T4 T6 T2
T6 T2
T1 T3 T5
T1 T3 T5
T4T4 T6 T2 T6 T2
+
+
+
VR
T4 T6 T2
VTT4 T6 T2
6,6 kV/1 kV
6,6 kV/1 kV
6,6 kV/1 kV
6,6 kV
50 Hz
0 – 860 V
0 – 17 Hz
0 – 520 V
0 – 600 A
Devanado de
excitación
MOTOR
ASÍNCRONO
Cicloconvertidor 
fabricado por ABB para 
el control de motores 
síncronos de hasta 14 
MW 
Cicloconvertidores 
Funcionamento do cicloconvertidor 
SISTEMA DE TENSIONES 
TRIFÁSICO QUE ALIMENTA AL 
CICLOCONVERTIDOR 
(Frecuencia de red y amplitud 
constante) 
TENSIÓN RESULTANTE DE LA 
CONMUTACIÓN DEL 
CICLOCONVERTIDOR 
(Frecuencia y amplitud variables) 
M/S FANTASY 
Planta 
generadora 
Motores 
transversales 
Planta generadora: 
• 4 Generadores síncronos de 10,3 MVA 
• 2 Generadores síncronos de 6,8 MVA 
• Tensión=6,6 kV 
Motores: 
• Síncronos de doble devanado controlados con cicloconvertidores 
• 2 Motores principales de 14 MW refrigerados por agua 
• 6 Motores transversales de 1,5 MW 
Tipo de propulsión: 
• Diesel-eléctrica 
• 4 Motores principales 
• 2 Motores auxiliares 
• Hélices de paso variable 
Motores 
transversales 
PROPULSIÓN ELÉCTRICA 
Catálogos comerciales