Fundamentos de Maquinas Eletricas

250 Fundamentos de Máquinas Elétricas É costume definir reatâncias subtransitória e transitória para uma máquina sín-crona como uma maneira conveniente de descrever as componentes subtransitória etransitória da corrente de falta. A reatância subtransitória de um gerador síncrono édefinida como a razão entre a componente fundamental da tensão gerada interna e acomponente subtransitória da corrente no início da falta. Ela é dada por subtransitória (4-33)De modo similar, a reatância transitória de um gerador síncrono é definida como arazão entre a componente fundamental de EA e a componente transitória de correnteIЈ no início da falta. Esse valor de corrente é encontrado pela extrapolação da regiãotransitória da Figura 4-46 até o tempo zero: transitória (4-34) Para os propósitos de dimensionamento dos equipamentos de proteção, fre-quentemente assume-se que a corrente subtransitória é EA/XЉ e a corrente transitóriaé EA/XЈ, porque esses são os valores máximos que as respectivas correntes podemassumir. Observe que a discussão anterior sobre faltas supôs que todas as três fases en-travam em curto-circuito simultaneamente. Se a falta não envolver igualmente todasas três fases, então métodos mais complexos de análise são necessários para seu en-tendimento. Esses métodos (conhecidos como componentes simétricas) estão alémdos objetivos deste livro.EXEMPLO 4-7 Um gerador síncrono trifásico de 100 MVA, 13,5 kV, 60 Hz e ligado em Y,está operando na tensão nominal e a vazio quando uma falta trifásica acontece em seus termi-nais. Suas reatâncias por unidade em relação à própria base da máquina são XS ϭ 1,0 XЈ ϭ 0,25 XЉ ϭ 0,12e suas constantes de tempo sãoTЈ ϭ 1,10s TЉ ϭ 0,04sA componente CC inicial dessa máquina é em média 50% da componente CA inicial.(a) Qual é a componente CA de corrente desse gerador no instante imediatamente após a ocorrência da falta?(b) Qual é a corrente total (CA mais CC) que circula no gerador imediatamente após a ocor- rência da falta?(c) Qual será a componente CA de corrente após dois ciclos? Após 5 s ?SoluçãoA corrente de base desse gerador é dada pela equação (2-95)

Capítulo 4 ♦ Geradores síncronos 251 As correntes subtransitória, transitória e de regime permanente, por unidade e em ampères, são (a) A componente CA inicial de corrente é IЉ ϭ 34.900 A. (b) A corrente total (CA mais CC) no início da falta é Itot ϭ 1,5IЉ ϭ 52.350 A (c) A componente CA de corrente em função do tempo é dada pela Equação (4-32): (4-32) Após dois ciclos, t ϭ 1/30 se a corrente total é Após dois ciclos, a componente transitória de corrente é claramente a maior e isso ocorre no período transitório do curto-circuito. Aos 5 s, a corrente desceu até I(5) ϭ 0 A ϩ 133 A ϩ 4184 A ϩ 4317 A Isso faz parte do período de regime permanente do curto-circuito.4.11 ESPECIFICAÇÕES NOMINAIS DE UM GERADOR SÍNCRONO Há certos limites básicos para a velocidade e a potência que podem ser obtidos de um gerador síncrono. Esses limites são expressos como especificações ou características nominais da máquina. O propósito das especificações nominais é o de proteger o gerador de danos, devido ao uso impróprio dessa máquina. Com essa finalidade, cada máquina tem uma série de especificações nominais listadas em uma placa de identi- ficação fixada nela. Especificações nominais típicas de uma máquina síncrona são tensão, frequên- cia, velocidade, potência aparente, (quilovolts-ampères), fator de potência, corrente de campo e fator de serviço. Essas especificações nominais e as relações entre elas serão discutidas nas seções seguintes. Especificações nominais de tensão, velocidade e frequência A frequência nominal de um gerador síncrono depende do sistema de potência ao qual ele está conectado. As frequências comumente usadas atualmente nos sistemas

252 Fundamentos de Máquinas Elétricasde potência são 50 Hz (na Europa, Ásia, etc.), 60 Hz (nas Américas) e 400 Hz (emaplicações de controle e de propósitos especiais). Uma vez conhecida a frequência deoperação, haverá apenas uma velocidade de rotação possível para um dado númerode polos. A relação fixa entre frequência e velocidade é dada pela Equação (3-34): (3-34)como foi anteriormente descrito. Talvez a especificação nominal mais óbvia seja a de tensão, com a qual um ge-rador é projetado para operar. A tensão de um gerador depende do fluxo, da velocida-de de rotação e da construção mecânica da máquina. Para uma dada velocidade e umdado tamanho mecânico, quanto mais alta for a tensão desejada, maior será o fluxorequerido da máquina. Entretanto, o fluxo não pode ser aumentado indefinidamente,porque sempre há uma corrente de campo máxima permitida. Outra consideração para estabelecer a tensão máxima permitida é a tensão deruptura da isolação do enrolamento – as tensões normais de operação não devem seaproximar demais da tensão de ruptura. Pode-se operar um gerador, especificado para uma dada frequência nominal,em uma frequência diferente? Por exemplo, é possível operar um gerador de 60 Hzem 50 Hz? A resposta é um sim qualificado, desde que certas condições sejam preen-chidas. Basicamente, o problema é que existe um limite para o fluxo máximo que sepode atingir em uma dada máquina. Como EA ϭ K␾␻, irá ocorrer uma alteração novalor máximo possível de EA quando a velocidade variar. Especificamente, se umgerador de 60 Hz operar em 50 Hz, a tensão de funcionamento deve ter seu valornominal diminuído para 50/60, ou 83,3%, de seu valor original. Exatamente o efeitooposto ocorre quando um gerador de 50 Hz opera em 60 Hz.Especificações nominais de potência aparente e fator de potênciaHá dois fatores que determinam o limite de potência das máquinas elétricas. Umdeles é o conjugado mecânico no eixo da máquina e o outro é o aquecimento dosenrolamentos da máquina. Na prática, o eixo de um motor ou gerador síncrono émecanicamente robusto o suficiente para que a máquina opere em regime perma-nente com uma potência muito maior do que sua potência nominal. Resulta que,na prática, o que define os limites para o regime permanente é o aquecimento dosenrolamentos da máquina. Há dois enrolamentos em um gerador síncrono e cada um deve ser protegido dosuperaquecimento. Esses dois enrolamentos são o enrolamento de armadura e o en-rolamento de campo. A corrente de armadura máxima aceitável determina a potênciaaparente nominal de um gerador, porque a potência aparente S é dada por S ϭ 3V␾ IA (4-35)Se a tensão nominal for conhecida, a corrente de armadura máxima aceitável determi-nará os quilovolts-ampères nominais do gerador:Snominal ϭ 3V␾, nominal IA, máx (4-36)ou (4-37)