Além da curva de capabilidade, a qual descreve os limites operacionais da máquina síncrona no plano PQ, há uma família de curvas intituladas curvas V.
As curvas V de um gerador apresentam-se no plano Ia por If, elas descrevem a relação existente entre a corrente de excitação e a corrente de armadura para diversos níveis de carregamento da máquina. O traçado dessas curvas inicia-se pela análise fasorial (nesta análise é desconsiderando a resistência de armadura, por simplificação), para isso, considera-se um gerador síncrono sobrexcitado conforme demonstrado na Figura 1, onde Ef é a tensão induzida no estator, Vt é a tensão terminal do gerador, XsIa é a queda de tensão de reação de armadura, Ia é a corrente de armadura, δ é o ângulo de carga da máquina, θ é o ângulo do fator de potência, Fe, Fr e Fra são as forças magnetomotrizes do estator, do rotor e de reação de armadura, respectivamente, por fim, φe, φr e φra são os fluxos do estator, do rotor e de reação de armadura.
Figura 1 – Diagrama fasorial do gerador em análise.
A partir do diagrama fasorial da Figura 1 serão traçadas retas auxiliares que indicarão os limites das variáveis da máquina que farão com que ela forneça uma potência ativa constante, conforme demonstrado na Figura 2. Este artifício é utilizado, pois para obtenção das curvas V, considera-se um despacho de potência ativa constante e varia-se somente a corrente de excitação.
Figura 2 – Retas de limites de potência constante.
Por conseguinte, registra-se o valor da corrente de excitação e da corrente de armadura e plota-se no plano Ia por If. Posteriormente, aumenta-se a corrente de excitação até o valor máximo permitido mantendo-se o valor de potência mecânica fornecida pela turbina constante, registrando os pares ordenados Ia, If. O aumento da corrente de campo da máquina provoca um aumento de fluxo e de força magnetomotriz do rotor, consequentemente a tensão induzida, o fluxo de reação de armadura e a força magnetomotriz de reação de armadura aumentarão, o que fará com que o módulo da corrente de armadura também aumente, dando origem ao diagrama fasorial da Figura 3.
Figura 3 – Diagrama fasorial do gerador sobrexcitado em relação à condição inicial.
A seguir, diminui-se a corrente de excitação, novamente mantendo-se a potência mecânica fornecida pela turbina constante e registrando-se os pares ordenados de Ia, If. De forma dual, a diminuição da corrente de campo provoca a diminuição do fluxo e da força magnetomotriz rotórica, o que provocará a diminuição da tensão induzida do fluxo de reação de armadura, da força magnetomotriz de reação de armadura e da corrente de armadura. Em determinado momento, a corrente de armadura estará em fase com a tensão terminal, neste instante a máquina fornece somente potência ativa, ou seja, opera com fator de potência unitário, a corrente de excitação correspondente recebe o nome de corrente de excitação normal. Demonstram-se as duas situações nos diagramas fasoriais das Figuras 4 e 5.
Figura 4 – Diagrama fasorial com excitação normal.
Figura 5 – Diagrama fasorial do gerador subexcitado em relação à condição inicial.
Ao plotar os pontos obtidos nos procedimentos descritos anteriormente, obtém-se a curva demonstrada na Figura 6. A princípio vale ressaltar que os procedimentos devem repetir-se, porém com carregamentos distintos. Ao observar os diagramas fasoriais constata-se que ao sobrexcitar a máquina, a corrente de armadura aumenta, diminuindo-se a excitação a corrente de armadura diminui, porém caso a corrente de excitação atinja valores menores que a corrente de excitação normal, a corrente de armadura tende a aumentar novamente. Além disso, é constatado que valores de corrente de campo maiores que a normal a máquina se encontra sobrexcitada apresentado um comportamento capacitivo para o sistema elétrico e para correntes de campo menores que a corrente normal a máquina se encontra subexcitada apresentando um comportamento indutivo para o sistema elétrico. Todo o comportamento apresentado no diagrama fasorial pode ser extraído das curvas da Figura 6.
Figura 6 – Curvas V do gerador em análise.
Adicionalmente, ressalta-se que na região subexcitada a máquina apresenta maior risco de instabilidade, já que o ângulo de carga para baixas correntes de excitação aumenta.
Além disso, na região de sobrexcitação deve-se atentar para o limite térmico do rotor. A corrente imposta, por efeito Joule, tenderá a aquecer os enrolamentos de campo.
Para também entender a curva de capabilidade poderá acessar o artigo abaixo.
Discente de Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá - Campus Itabira e técnico em Automação Industrial pelo SENAI. Possuo experiência na área de manutenção elétrica com ênfase em manutenção de máquinas elétricas, instrumentação industrial e conversores estáticos. Atualmente desenvolvo trabalhos de pesquisa relacionados à conversores estáticos integrados com dispositivos de armazenamento e emulação de inércia virtual através de máquinas síncronas virtuais.
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