A figura 1 mostra, esquematicamente, a máquina síncrona ligada à rede de 50 Hz através de um transformador. Do ponto de vista da máquina, a rede comporta-se como uma fonte trifásica equilibrada, ligada em estrela, com uma frequência angular e de valor eficaz . As reactâncias correspondem às indutâncias de fugas (dispersão) do transformador que liga a máquina à rede. Admite-se que o seu valor é de

O regulador de velocidade que comanda o binário desenvolvido pelo motor de accionamento é um regulador proporcional com um termo de acção preditiva de forma a poder variar a potência fornecida pela máquina à rede.

1.

Sincronização entre a máquina síncrona e a rede

Para regular a velocidade da máquina há que:

• colocar a referência da velocidade num valor sensivelmente igual a onde representa o número de pares de pólos da máquina;
• colocar a zero o termo de acção preditivo .

Regula-se o valor eficaz das forças electromotrizes induzidas nas fases do estator de forma a obter o mesmo valor eficaz das tensões nas fases da rede. Como o regulador é do tipo proporcional, a velocidade real é ligeiramente inferior à velocidade de referência devido ao binário de atrito que se opõe à rotação do rotor. A muito ligeira diferença de frequências entre as tensões da rede e as forças electromotrizes desenvolvidas pela máquina, surge como uma lenta desfasagem entre os dois sistemas de tensões.

O paralelo efectua-se no momento em que os dois sistemas se encontram em fase; o disjuntor que liga a máquina à rede deverá ser fechado no momento em que são nulas as diferenças de potencial aos seus terminais. Desta forma, o fecho do disjuntor não dá origem a qualquer corrente de circulação entre a rede e a máquina. Admite-se ter respeitado a sequência de fases nas ligações. Para efectuar a sincronização dispõe-se de um sistema de fogos girantes que permite obter informação relativamente:

• aos valores eficazes das tensões da rede e aos valores eficazes das tensões aos terminais da máquina;
• à diferença de frequências entre os dois sistemas de tensões, vista como um desfasamento de posição entre o sistema de fasores representando as tensões da rede e o sistema de fasores representando as tensões aos terminais da máquina. Com efeito, se a frequência angular das tensões aos terminais da máquina difere da frequência angular das tensões da rede, os fasores associados às tensões aos terminais da máquina rodam a uma frequência angular relativamente aos associados às tensões da rede.

A animação seguinte esquematiza as informações fornecidas pelo sistema de fogos girantes, representando o valor eficaz e a posição relativa dos fasores (de frequência ) das tensões aos terminais da máquina, relativamente aos fasores de frequência das tensões da rede. A condição de sincronização é atingida assim que estes dois sistemas de fasores sejam coincidentes em posição e em valor eficaz.

Pode fazer variar :

• a velocidade de referência
• a corrente

de forma a obter as condições que permitem a sincronização. Assim que pense ter atingido estas condições, carregue no botão "sincronizar".

2.

Regulação do ponto de funcionamento

Uma vez feito o paralelo com a rede, pode-se fazer variar o ponto de funcionamento actuando sobre ( Figura 1)

• sobre o binário que o motor de accionamento desenvolve
• sobre a corrente indutora .

Como os motores utilizados para accionar a máquina síncrona (turbina a gás ou a vapor, turbina hidráulica, motor térmico) não são reversíveis, a conversão de energia só pode efectuar-se segundo o sentido gerador (também denominada de alternador) da máquina síncrona. Para determinar qual o ponto de funcionamento correspondente aos valores dados de e , vão-se desprezar as perdas mecânicas, magnéticas e perdas de Joule nos enrolamentos do estator, uma vez que a sua ordem de grandeza é negligenciável face à potência nominal da máquina. Nestas condições, a potência mecânica produzida pelo motor de accionamento é igual à potência eléctrica fornecida à rede. Utilizando o diagrama vectorial relacionando , e , pode escrever-se, sendo o número de pares de pólos da máquina (figura 2)

(1)

O valor de fixa a amplitude de ; a extremidade de localiza-se numa circunferência de raio centrada na origem de .

O valor de fixa a amplitude de atendendo a (1); a extremidade de localiza-se numa recta paralela a situada a uma distância igual a:

O ponto de intersecção da circunferência com a recta, a que corresponde a um valor de compreendido entre 0 e , representa a extremidade de . Uma vez conhecido obtém-se imediatamente e .

Se, para um dado valor de , se aumenta actuando sobre , o ângulo d aumenta : assim que se ultrapassa o valor de , deixa de ser possível obter um ponto de funcionamento estável, a máquina perde o sincronismo, o que provoca um transitório violento que faz actuar os sistemas de protecção abrindo o disjuntor que liga a máquina à rede.

Se, para um dado valor de (e, portanto, de ), se diminuir , o ângulo aumenta: assim que ultrapassa o valor de , a máquina perde o sincronismo.

A animação seguinte permite visualizar a evolução do ponto de funcionamento em função:

• da potência activa fornecida à rede, representada pela grandeza que é uma sua imagem
• da corrente de excitação , que fixa a amplitude de .

Determinar os valores de e quando a máquina fornece uma potência activa de 20 kW e uma potência reactiva de 10 kvar. Considere as duas situações possíveis:

• a potência reactiva é indutiva
• a potência reactiva é capacitiva.