Motores e geradores

Motores e geradores

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Para o dimensionamento correto do grupo gerador, algumas perguntas devem ser respondidas antecipadamente, tais como:

a)– Qual o tipo de carga? (iluminação, motores de indução, fornos, canteiro de obras,

retificadores de corrente, equipamentos de telecomunicações?)

b)– Qual o local de serviço? (mar, terra, ambientes com atmosfera explosiva?)
c)– Quais as características do local? (temperatura ambiente dominante, altitude, nível de

contaminação do ar por partículas sólidas?)

d)– Qual o regime de operação? (o grupo gerador é a única fonte de energia elétrica? É

reserva da rede local ou de outro grupo gerador? Quantas horas de operação por dia?)

e)– Quanto tempo os consumidores podem ficar desligados?
f)– Quais os riscos envolvidos no caso de uma interrupção do fornecimento de energia

por defeito no equipamento?

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Uma vez definidas as necessidades, é o momento de calcular a potência do grupo gerador.

4.1 – DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA

Depois de definidas as características da aplicação, o mais importante é determinar a potência do grupo gerador. Ao mesmo tempo, deve-se considerar a conveniência da subdivisão da potência total requerida em vários grupos geradores de menor porte. Os fatores determinantes do tamanho do grupo gerador são:

Soma das potências de todos os consumidores. Para grupos geradores de emergência, devemos fazer distinção entre consumidores essenciais e consumidores não essenciais e seus respectivos tempos de interrupção admissíveis.

Nem todos os consumidores estão ligados simultaneamente ou atingem, ao mesmo tempo, seu consumo máximo de energia (fator de simultaneidade).

Alguns consumidores absorvem exclusivamente potência ativa enquanto outros absorvem potência aparente (fator de potência = cosϕ).

Consumidores especiais, por exemplo, com características de carga brusca (golpe) ou requisitos extremos em relação à constância da tensão e freqüência, devem ser levados em conta.

O tipo de corrente, tensão e freqüência deverão corresponder aos valores nominais da rede pública local.

No caso de condições climáticas especiais no local de instalação (grande altitude, temperaturas e umidade do ar elevadas), o motor e alternador não poderão apresentar sua potência normal e deverão ter seus valores reduzidos de acordo com as normas DIN 6270 e VDE 0530.

4.1.1 – CONSUMIDORES ELÉTRICOS

Ao se projetar novas instalações, já é calculada a potência requerida para a conexão à rede pública. Para o dimensionamento do grupo gerador de emergência, é necessário conhecer, além da potência ativa (kW), também a potência aparente (KVA) ou o fator de potência (cos ϕ) e o fator de simultaneidade.

Durante o projeto de um grupo gerador de emergência para um prédio existente, com consumidores já instalados, a potência ativa (kW) pode ser obtida facilmente quando da leitura do consumo de energia indicado pelo medidor de kWh, quando todos os consumidores essenciais, com direito a suprimento de emergência, estiverem ligados, sob aplicação da carga, por uma hora. Todavia pode-se proceder também como no projeto de uma instalação nova.

Se os consumidores forem divididos em essenciais e não essenciais, deve-se considerar, já na etapa de projeto, que ambos os tipos de consumidores estarão conectados a barramentos separados.

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4.1.2 – FATOR DE SIMULTANEIDADE

Este fator indica a percentagem do consumo total de energia instalada que estará em operação ao mesmo tempo. Em geral, não se pressupõe que todos os consumidores existentes estejam ligados simultaneamente. Com uma avaliação lógica do fator de simultaneidade, o grupo gerador Diesel pode ser dimensionado com potência menor do que a soma de todos os consumidores potenciais. Todavia a potência nominal do grupo gerador não deverá ser calculada muito abaixo da potência total requerida pelos consumidores, porque, após sua instalação, freqüentemente anexam-se outros novos consumidores. O fator de simultaneidade deve ser avaliado para cada projeto. Deve ser evitada a adoção e um fator muito baixo. Alguns valores práticos para o fator de simultaneidade:

Hospitais0,4 a 0,8 Prédios administrativos0,8 a 0,9 Grandes shoppings 0,9 a 1,0 Indústrias químicasAté 1,0 HotéisAté 1,0

4.1.3 – FATOR DE POTÊNCIA

Um fator essencial para a determinação da potência do motor Diesel é a potência ativa absorvida pelos consumidores. O fator de potência (cosϕ) indica a relação entre a potência ativa e a potência aparente.

O fator de potência é sempre determinado pelo tipo dos consumidores.

Assim, por exemplo, transformadores e motores elétricos representam um quinhão considerável da potência reativa indutiva, enquanto que lâmpadas incandescentes, aquecedores e outras cargas puramente resistivas, absorvem apenas potência ativa. A potência reativa capacitiva não é muito freqüente e, em geral, pode ser desprezada. Obtémse a potência ativa (kW) multiplicando a potência aparente (KVA) pelo fator de potência (cos ϕ), como visto anteriormente. O fator de potência de um setor que consiste de vários consumidores distintos, pode ser determinado de maneira segura, estabelecendo-se a soma das potências ativas (kW) e a soma das potências aparentes (KVA). O resultado da divisão da soma dos kW pela soma dos KVA, é o fator de potência do setor considerado.

Com um fator de potência menor, a potência do motor Diesel poderá ser reduzida correspondentemente enquanto que com um fator de potência maior, esta deve ser elevada, o que será imprescindível levar em conta no projeto.

4.1.4 – TIPOS DE CARGA Eng José Cláudio Pereira w.joseclaudio.eng.br Pág. 38 / 7

Carga brusca significa a aplicação súbita de uma parte considerável da carga nominal ou ainda a aplicação temporária de sobrecarga.

A aplicação da carga ativa (kW) ocasiona uma queda temporária (dinâmica) da velocidade. Se isto não implicar em carga no motor Diesel além da sua potência máxima pré-ajustada de bloqueio, a velocidade subirá novamente até a velocidade nominal, dentro de um tempo de recuperação relativamente breve, dependendo das características do governador utilizado no motor Diesel.

Em caso de uma sobrecarga momentânea de potência ativa, pode ser eventualmente possível compensar o pico de potência por meio de um volante particularmente pesado do motor Diesel, não sendo portanto necessário um superdimensionamento do motor e alternador em função de sobrecargas temporárias.

Ao dimensionar o grupo gerador, também é preciso observar se os motores elétricos trifásicos de maior porte são ligados diretamente (partida direta) ou se por meio de dispositivos auxiliares de partida, como chave estrela/triângulo ou compensadora por autotransformador (partida com tensão reduzida). Em caso de partida direta, a corrente de partida poderá superar em até 6 ou mais vezes a corrente nominal, dependendo da construção adotada. Neste caso o alternador pode estar sujeito a uma carga de corrente tão elevada que a tensão atingirá a ruptura. Como conseqüência disto, os contactores e relés que compõem o sistema deixam de funcionar e o suprimento de energia é interrompido.

4.1.4.1 – PARTIDA DE MOTORES DE INDUÇÃO

Além da determinação da potência nominal, deve-se observar que a partida de motores assíncronos, sobretudo motores com rotor em curto-circuito, resulta em maiores correntes de partida, incrementadas com elevada percentagem de corrente reativa, que pode superar a 6 vezes a corrente nominal. As altas correntes de partida absorvidas pelos motores de rotor em curto-circuito podem ser absorvidas por alternadores superdimensionados ou dotados de sistema especial de excitação.

É recomendável a ligação escalonada dos motores elétricos, iniciando pelos de maior potência.

Os motores elétricos são construídos obedecendo normas, segundo o uso a que se destinam, que os padronizam conforme definições da NEMA ou da ABNT. (Deverá constar na plaqueta de identificação a letra correspondente ao seu padrão construtivo).

A NEMA define os códigos de letras conforme a tabela abaixo:

Letra Código KVA que o motor necessita para partida direta (por KVA)

A 0,0 a 3,14 B 3,15 a 3,54 C 3,5 a 3,9

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D 4,0 a 4,49 E 4,50 a 4,9 F 5,0 a 5,59 G 5,60 a 6,29 H 6,30 a 7,09 J 7,10 a 7,9 K 8,0 a 8,9 L 9,0 a 9,9 M 10,0 a 1,19 N 1,20 a 12,49 P 12,50 a 13,9 R 14,0 a 15,9 S 16,0 a 17,9 T 18,0 a 19,9 U 20,0 a 2,39 V 2,40

Para a ABNT, 5 códigos são definidos, conforme a tabela seguinte:

Letra Código Corrente de partida direta (Motores com enrolamento tipo gaiola)

A ALTAAté 6 x IN B NORMAL 3,80 a 6,0 x IN C NORMAL3,80 a 6,0 x IN D NORMAL3,80 a 6,0 x IN F BAIXAAté 4 x IN

É comum encontrarmos motores com corrente de partida igual a 7 ou 8 vezes a corrente nominal. Porém, para os motores de produção seriada, normalmente encontrados no mercado, a corrente de partida situa-se entre 5,5 e 7,0 vezes a corrente nominal. (5,5 x IN <

IP < 7,0 x IP). São três os métodos de partida utilizados no acionamento de motores elétricos de indução:

1) - Partida direta; 2) - Com chave estrela-triângulo e 3) - Com chave compensadora.

Para o primeiro caso, a corrente de partida deverá ser calculada por uma das tabelas acima ou medida durante um ciclo de partida do motor. No segundo caso, a corrente de partida é reduzida para 1/3. Assim, se, por exemplo, a corrente de partida for de 6 x IN, com o uso da

Eng José Cláudio Pereira w.joseclaudio.eng.br Pág. 40 / 7 chave estrela-triângulo ficará reduzida para 2 x IN. No terceiro caso, a corrente de partida depende do tipo de chave compensadora. Dois exemplos podem melhor esclarecer: a) Com tape de 80%: a corrente será reduzida para 0,8 x 0,8 = 0,64 ou 64% b) Com tape de 65%: a corrente será reduzida para 0,65 x 0,65 = 0,4225 ou 42,25%.

Os motores para acionamento de máquinas centrífugas tais como, por exemplo, bombas e ventiladores, deverão ser projetados de tal forma que seu torque de partida ainda permaneça acima da curva de torque da máquina acionada, no caso de ligação direta ou estrela-triângulo, mesmo durante uma queda momentânea de tensão para 80% da tensão nominal.

Para o acionamento de máquinas alternativas, tais como bomba a pistão e compressores, como também agitadores, etc., será sempre necessário um dispositivo de alívio para o período de partida, porque essas máquinas requerem um torque elevado já no início da operação.

Rendimento dos motores elétricos trifásicos (ηM):

Potência em kW Rendimento %

A 1500 rpm A 3000 rpm

0,576,0 até 80,076,0 até 79,0 1,582,5 até 83,081,5 até 8,0

P(kW) = Potência disponível no eixo do motor;
Pw(kW) = Potência ativa tomada no terminal do motor;
Pa(KVA) = Potência aparente tomada no terminal do motor;
ηM(%) = Rendimento mecânico do motor a carga nominal;
E(V) = Tensão nominal do motor;
cosϕ= Fator de potência com carga nominal e

Fórmulas de potência para motores elétricos trifásicos: Eng José Cláudio Pereira w.joseclaudio.eng.br Pág. 41 / 7

IN (A) = Corrente nominal do motor.

4.1.4.2 – INFLUÊNCIA EXERCIDA PELA LIGAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS SOBRE GRUPOS GERADORES

O fator de potência, cosϕ, de motores elétricos trifásicos durante o período de partida pode ser adotado entre 0,4 até 0,6, a depender da carga. Disto resulta uma sobrecarga do motor Diesel situada acima da relação de correntes normalmente admitida, conforme abaixo:

Com cosϕ = 0,6: (corrente nominal do alternador) ÷ (corrente de partida) ≤ 1,3

Com cosϕ = 0,4: (corrente nominal do alternador) ÷ (corrente de partida) ≤ 2,0

Deve-se considerar como corrente nominal do grupo gerador aquela que corresponde à potência do alternador juntamente com o fator de potência tomado por base para seu projeto, correspondente à potência do motor Diesel. A corrente nominal do alternador poderá ser maior, por exemplo, no caso de alternador superdimensionado. A corrente nominal do alternador é essencial para a queda de tensão no caso de partida de motores elétricos trifásicos, ou seja, com alternador superdimensionado a queda de tensão pode ser mantida dentro de limites restritos.

Para grupos geradores sujeitos a uma carga inicial aplica-se também a relação de correntes de 1,3 ou 2,0 se à corrente inicial for adicionada a corrente de partida.

No caso de alternadores trifásicos, a corrente nominal pode ser ligada quando da partida de motores elétricos trifásicos, sem que haja uma queda de tensão superior a aproximadamente 18,0%. Aumentando-se a corrente de partida em mais 25% da corrente nominal do alternador, deve-se contar com mais uma queda de tensão da ordem de 4,0%. Isto significa que a um alternador em vazio podem ser ligados diretamente motores elétricos até uma ordem de grandeza de aproximadamente 20,0% da sua capacidade nominal sem que o motor Diesel sofra uma queda de velocidade anormal nem que haja queda de tensão transitória do alternador além de 20,0%, entre 0,1 e 0,5 segundo.

Quando se necessita partir motores cuja corrente de partida ultrapassa os limites das relações acima, é necessário estabelecer o limite de queda de tensão admissível pelos demais consumidores.

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A queda de tensão que se verifica durante as partidas de motores elétricos depende também do tipo de excitação do alternador. Excitação dinâmica tem um tempo de resposta ligeiramente superior do que a excitação estática.

Em resumo, para um projeto normal de grupo gerador, a sua potência ativa não deverá exceder a potência máxima admissível do motor Diesel (levando-se em conta o rendimento do alternador). A corrente de partida de motores elétricos trifásicos não deverá (inclusive a carga inicial do alternador) ser superior a 1,2 vezes a corrente nominal do alternador.

Para efetuar um cálculo preciso da queda de tensão do alternador durante a partida de motores elétricos, utilize os valores de reatância do alternador, informados pelo fabricante, e aplique a fórmula:

Onde:

ΔV = Queda de tensão; IP = Corrente de Partida;

IG = Corrente nominal do alternador e Xd” = Reatância transitória do alternador.

4.1.5 – TIPOS DE CORRENTE – TENSÃO – FREQÜÊNCIA

Uma rede elétrica é caracterizada pela indicação do tipo de corrente, tensão e freqüência. Os grupos geradores Diesel adaptados às redes públicas de consumo, para que todos os consumidores possam ser supridos tanto pela rede como pelo grupo gerador.

A tensão de 400 ou 231 V é a tensão de alimentação usual para consumidores de 380 ou 220 V. A sobretensão de 5% servirá para compensar as perdas de energia nas linhas. A corrente contínua, que não sendo considerada neste trabalho, será utilizada tão somente em casos especiais.

Todavia, o suprimento de corrente alternada trifásica é diferente nos diversos países do mundo. Na Europa Ocidental prevalecem redes de corrente trifásicas com 380 / 220 V e freqüência de 50 Hz, enquanto que na América do Norte o normal é 60 Hz. Muitos países da América do Sul utilizam 230 / 133 V e 60 Hz. Mas há ainda outras tensões e freqüências. O Brasil, até a década de 60, utilizava a freqüência de 50 Hz. Atualmente, embora a freqüência seja padronizada em 60 Hz, há regiões que utilizam a rede pública em 220 / 127 V e outras em 380 / 220 V, como Brasília, para citar um exemplo. A determinação de tensão e freqüência necessárias aos consumidores é, portanto, um fator imprescindível. Enquanto a tensão é importante apenas para o projeto do gerador, a velocidade de rotação do grupo, a ser escolhida, dependerá essencialmente da freqüência.

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5 – ALTERNADOR

Denominamos alternador ao gerador de corrente alternada, assim como denominamos dínamo ao gerador de corrente contínua. Os geradores são máquinas destinadas a converter energia mecânica em energia elétrica. A transformação de energia nos geradores fundamenta-se no princípio físico conhecido como Lei de Lenz. Esta lei afirma que “quando existe indução magnética, a direção da força eletromotriz induzida é tal, que o campo magnético dela resultante tende a parar o movimento que produz a força eletromotriz.”

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