Gerador Síncrono

Um motor síncrono operando como gerador. É um gerador de corrente alternada de uso comum. Na indústria de energia moderna, é amplamente utilizado na geração de energia hidrelétrica, termelétrica, nuclear e em motores a diesel. Como os geradores síncronos geralmente utilizam excitação por corrente contínua, quando operam de forma independente, a corrente de excitação pode ser ajustada para regular a tensão do gerador. Se conectados à rede elétrica, como a tensão é determinada pela rede e não pode ser alterada, o ajuste da corrente de excitação resulta na regulação do fator de potência e da potência reativa do motor.

A estrutura do estator e do rotor de um gerador síncrono é a mesma de um motor síncrono. Geralmente, adotam uma forma trifásica, exceto no caso de alguns geradores síncronos de pequeno porte, cuja armadura utiliza uma forma monofásica.

Características de funcionamento

As principais características de desempenho de um gerador síncrono são as características de operação em vazio e as características de operação com carga. Essas características são referências importantes para os usuários na seleção de um gerador.

Características sem carga

Quando o gerador não está conectado a uma carga, a corrente de armadura é zero, o que é chamado de operação em vazio. Nesse momento, os enrolamentos trifásicos do estator do motor geram apenas a força eletromotriz de vazio E0 (trifásica simétrica) devido à corrente de excitação If, e sua magnitude aumenta com o aumento de If. No entanto, devido ao fenômeno de saturação do núcleo do circuito magnético do motor, as duas não são diretamente proporcionais. A curva que reflete a relação entre a força eletromotriz de vazio E0 e a corrente de excitação If é chamada de característica de vazio do gerador síncrono.

Reação da armadura

Quando o gerador é conectado a uma carga simétrica, a corrente trifásica no enrolamento da armadura gera outro campo magnético rotativo, denominado campo magnético de reação da armadura. Sua velocidade de rotação é exatamente a mesma que a do rotor, e ambos giram sincronizadamente.

O campo magnético de reação da armadura do gerador síncrono e o campo magnético de excitação do rotor podem ser aproximadamente considerados como distribuídos segundo uma lei senoidal. A diferença de fase espacial entre eles depende da diferença de fase temporal entre a força eletromotriz em vazio E0 e a corrente de armadura I. O campo magnético de reação da armadura também está relacionado à condição de carga. Quando a carga do gerador é indutiva, o campo magnético de reação da armadura tem um efeito desmagnetizante, causando a diminuição da tensão do gerador; quando a carga é capacitiva, o campo magnético de reação da armadura tem um efeito magnetizante, causando o aumento da tensão de saída do gerador.

Características de operação de carga

Referem-se principalmente às características externas e às características de ajuste. As características externas são a relação entre a tensão terminal do gerador U e a corrente de carga I quando a velocidade está no valor nominal, a corrente de excitação e o fator de potência da carga são constantes. As características de ajuste são a relação entre a corrente de excitação If e a corrente de carga I quando a velocidade e a tensão terminal estão no valor nominal e o fator de potência da carga é constante, conforme mostrado na Figura 3. A Figura 2 também mostra as situações com cargas resistivas, capacitivas e indutivas. Devido aos diferentes efeitos do campo magnético de reação da armadura, as curvas das três cargas também são diferentes. Nas características externas, o grau de variação da tensão da condição sem carga até a condição com carga nominal é chamado de taxa de variação da tensão △U, que é comumente expressa em porcentagem.

A taxa de variação da tensão do gerador síncrono é de aproximadamente 20% a 40%. Cargas industriais e residenciais geralmente exigem que a tensão permaneça praticamente constante. Portanto, à medida que a corrente de carga aumenta, a corrente de excitação deve ser ajustada de acordo. Existem três tipos de características de ajuste para diferentes propriedades de carga. Embora a tendência das características de ajuste varie de forma oposta às características externas, para cargas indutivas e puramente resistivas, ela é crescente, enquanto em cargas capacitivas, geralmente é decrescente.

Estrutura e classificação

A estrutura de um gerador síncrono é classificada em tipos de alta e baixa (média) velocidade, de acordo com sua velocidade. Os primeiros são usados ​​principalmente em usinas termelétricas e nucleares; os últimos são geralmente associados a turbinas hidráulicas de baixa velocidade ou motores a diesel. Em termos de estrutura, os geradores síncronos de alta velocidade utilizam principalmente rotores de polos ocultos, enquanto os geradores síncronos de baixa (média) velocidade utilizam principalmente rotores de polos convexos.

Gerador síncrono de alta velocidade

Como a maioria dos geradores é acoplada coaxialmente ao motor primário, as usinas termelétricas utilizam turbinas a vapor de alta velocidade como motores primários. Assim, os geradores de turbina a vapor geralmente empregam motores de 2 polos de alta velocidade, com uma rotação que chega a 3000 rotações por minuto (3600 rotações por minuto em uma frequência de rede de 60 Hz). As usinas nucleares, por sua vez, utilizam principalmente motores de 4 polos, com uma rotação de 1500 rotações por minuto (1800 rotações por minuto em uma frequência de rede de 60 Hz). Para atender aos requisitos de alta velocidade e alta potência, o gerador síncrono de alta velocidade adota as seguintes características estruturais: primeiro, utiliza um rotor shunt; segundo, é equipado com um sistema de refrigeração dedicado.

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