Razão de Curto-Circuito de uma Máquina Síncrona

A Razão de Curto-Circuito (SCR) de uma Máquina Síncrona

A Razão de Curto-Circuito (SCR) de uma máquina síncrona é definida como a razão entre a corrente de campo necessária para gerar a tensão nominal em condições de circuito aberto e a corrente de campo necessária para manter a corrente de armadura nominal durante uma condição de curto-circuito. Para uma máquina síncrona trifásica, a SCR pode ser derivada a partir de sua Característica em Circuito Aberto (O.C.C) na velocidade nominal e Característica em Curto-Circuito (S.C.C), conforme ilustrado na figura abaixo:

Na figura acima, a razão de curto-circuito é dada pela equação mostrada abaixo.

Como os triângulos Oab e Ode são semelhantes. Portanto,

Reatância Síncrona do Eixo Direto (Xd)

A reatância síncrona do eixo direto X_d é definida como a razão entre a tensão em circuito aberto correspondente a uma corrente de campo específica e a corrente de curto-circuito da armadura sob a mesma condição de corrente de campo.

Para uma corrente de campo de magnitude Oa, a reatância síncrona do eixo direto (em ohms) é expressa pela seguinte equação:

Relação Entre SCR e Reatância Síncrona

A partir da equação (7), é evidente que a Razão de Curto-Circuito (SCR) é igual ao recíproco da reatância síncrona do eixo direto por unidade X_d. Em um circuito magnético saturado, o valor de X_d depende do grau de saturação magnética.

Importância da Razão de Curto-Circuito (SCR)

A SCR é um parâmetro crítico para máquinas síncronas, influenciando suas características operacionais, dimensões físicas e custo. As implicações principais incluem:

• Impacto no Regulamento de Tensão

• Geradores síncronos com valores menores de SCR apresentam flutuações mais pronunciadas na tensão terminal com mudanças de carga. Manter a tensão terminal constante requer ajustes amplos na corrente de campo I_f).

• Limitações de Estabilidade

• Uma menor SCR corresponde a uma potência de sincronismo reduzida, que é essencial para manter a sincronização. Isso resulta em um limite de estabilidade mais baixo, significando que máquinas com baixa SCR são menos estáveis quando operam em paralelo com outros geradores.

• Compromissos no Projeto

• Máquinas de alta SCR oferecem melhor regulamento de tensão e estabilidade em estado estacionário, mas implicam em correntes de falha de curto-circuito da armadura mais altas. Além disso, influenciam o tamanho e o custo da máquina devido a compromissos de projeto.

A tensão de excitação de uma máquina síncrona é descrita pela equação:

Para o mesmo valor de Tph, a tensão de excitação é diretamente proporcional ao fluxo de campo por polo.

A indutância síncrona é dada por:

Relação Entre SCR e Fenda Aérea

Assim, a Razão de Curto-Circuito (SCR) é diretamente proporcional à relutância ou comprimento da fenda aérea. Aumentar o comprimento da fenda aérea eleva a SCR, embora isso exija uma força eletromotriz de campo (MMF) maior para manter a mesma tensão de excitação (Ef). Para aumentar a MMF de campo, deve-se aumentar a corrente de campo ou o número de voltas do campo, necessitando de polos de campo mais altos e um diâmetro de máquina maior.

Impacto no Projeto da Máquina

Isso leva a uma conclusão importante: uma SCR mais alta aumenta intrinsecamente o tamanho, peso e custo da máquina síncrona.

Valores Típicos de SCR por Tipo de Máquina

• Máquinas com Rotor Cilíndrico: SCR varia de 0,5 a 0,9.

• Máquinas com Pólos Salientes: SCR varia entre 1,0 e 1,5.

• Compensadores Síncronos: SCR é tipicamente 0,4.

Esses valores refletem os compromissos de projeto entre estabilidade, regulagem de tensão e dimensões físicas em diferentes configurações de máquinas síncronas.