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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
GERADOR SÍNCRONO
Joaquim Eloir Rocha 1
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Os geradores síncronos são usados para
gerar a energia que é utilizada pela
sociedade moderna para a produção e o
lazer.
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Geradores síncronos costumam operar em
paralelo em grandes usinas gerando
grandes “blocos” de energia para serem
transmitidas ao centros consumidores.
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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
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� 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.
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Geradores síncronos podem ser de
pequeno porte para atender um único
consumidor, como um supermercado.
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Geradores síncronos convertem energia
mecânica em elétrica. A fonte primária
de energia costuma ser uma turbina
hidráulica ou eólica, um motor diesel ou
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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.
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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
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movimento de rotação, o fluxo torna-se
girante e produz tensões trifásicas no
enrolamento da armadura.
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No rotor de um gerador síncrono
existem eletroímãs organizados em
polos. Os polos podem ser salientes ou
lisos.
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lisos.
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Em geral, geradores com dois polos têm
rotor de polos lisos. Geradores com
quatro ou mais polos têm polos salientes.
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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.
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diâmetro que o de polos lisos.
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Turbogerador síncrono de polos lisos
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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
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sapata para compensação nos serviços em
paralelo e variações de carga.
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Existem duas abordagens para
fornecimento de corrente contínua para
o enrolamento de campo do rotor. A
fonte de cc pode estar externa ao rotor
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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.
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O enrolamento de campo do gerador
síncrono que é alimentado externamente
ao rotor utiliza-se de anéis coletores.
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Os terminais do enrolamento de campo
são conectados aos anéis coletores. São
usadas escovas de carvão para acessar a
alimentação cc externa.
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Esquemas elétricos mostrando como o
enrolamento de campo do gerador síncrono
pode ser alimentado externamente.
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A excitatriz montada no eixo do gerador
principal é um pequeno gerador auxiliar
que alimenta com corrente contínua o
enrolamento de campo principal. O
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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.
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Na figura abaixo, mostra-se a regulação
automática de tensão com o uso da
excitatriz (brushless exciter).
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Na figura abaixo, mostra-se a imagem
de um rotor de gerador síncrono com os
enrolamento s de campo e a excitatriz.
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Esquema elétrico do sistema de excitação
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O estator do gerador síncrono é
constituído de chapas de aço silício com
revestimento para isolação elétrica. As
bobinas do estator são distribuídas em
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bobinas do estator são distribuídas em
três fases.
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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.
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refrigeração.
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O gerador síncrono produz energia
elétrica em uma frequência que está
sincronizada com a velocidade de
rotação da máquina primária.
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rotação da máquina primária.
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pnf
⋅=f - frequência em Hz
p - número de polos
n - velocidade mecânica em rpm
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Turbinas a vapor são mais eficientes
quando rotacionam em alta velocidade.
Assim, costumam rotacionar em 3600
rpm e possuem 2 polos. Turbinas
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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.
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O gerador abaixo possui 36 polos (200 rpm).
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Geradores síncronos têm de ser
conectados a máquinas primárias com
controle de velocidade, pois ao se
aumentar a carga elétrica, tende-se a se
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aumentar a carga elétrica, tende-se a se
reduzir a velocidade mecânica. A
variação da velocidade, causaria
variação da frequência.
wTP ⋅=P - potência em Watt
T - torque em Newton metro
w - velocidade em radianos/s
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Para que a velocidade não diminua ao se
aumentar a potência (carga) elétrica, tem-
se que aumentar a potência da máquina
primária. Assim, em uma turbina hidráulica
é necessário que a entrada de água
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é necessário que a entrada de água
aumente com o aumento da carga elétrica.
Isso se chama balanço energético.
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Considerando uma turbina hidráulica, é
importante controlar a velocidade, pois a
água não usada é armazenada no
reservatório. No caso de turbinas
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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.