Geração e Distribuição

Geração e Distribuição

(Parte 1 de 5)

MÓDULO 4
Geração de Energia

WEG – Transformando Energia em Soluções tr_CTC

- 241_P1

Módulo 4 – Geração de Energia * “ Material sujeito a alterações sem prévio aviso!”

Módulo 4 – Geração de Energia

1 Introdução9
1.1 Definição de energia e potência10
1.1.1 Energia10
1.1.2 Potência10
1.2 O que é geração e cogeração?12
1.2.1 Geração12
1.2.2 Cogeração12
1.3 O sistema de geração15
1.3.1 Máquina primária15
1.3.2 Geradores15
1.3.3 Transformadores15
1.3.4 Controle, comando e proteção15
2 Máquinas Primárias17
2.1 Hidráulicas17
2.2 Diesel21
2.3 Termelétricas24
2.4 Termonucleares26
2.5 Turbina a Gás30
2.5.1 Turbinas a gás em circuito aberto31
2.6 Turbinas Eólicas36
3 GERADORES42
3.1 Introdução42
3.1.1 Histórico42
3.1.2 Noções de aplicações42
3.1.2.1 Tipos de acionamentos43
3.2 NOÇÕES FUNDAMENTAIS4
3.2.1 Princípio de funcionamento4
3.2.2 Geração de corrente trifásica47
3.2.2.1 Ligações no sistema trifásico47
3.2.2.2 Tensão nominal múltipla49
3.2.3 Comportamento do gerador em vazio e sob carga52
3.2.4 Máquinas de pólos lisos e salientes55
3.2.5 Reatâncias56
3.2.6 Potência em máquinas de pólos salientes59
3.2.7 Definições61
3.2.7.1 Distorção harmônica61
3.2.7.2 Fator de desvio61
3.2.7.3 Modulação de tensão63
3.2.7.4 Desequilíbrio angular63
3.2.7.5 Desbalanceamento de tensão63
3.2.7.6 Transiente de tensão63
3.2.7.7 Tolerância de tensão64
3.3 GERADORES WEG65
3.3.2 Geradores com excitação por escovas65
3.3.2.1 Tipo SL (antigo DL)65
3.3.4 Geradores com excitação sem escovas para aplicações especiais69
3.3.5 Motores síncronos70
3.3.6 Regulador de tensão72
3.3.7 Tempo de regulagem da tensão (tempo de resposta)72
3.3.8 NOMENCLATURA DAS MÁQUINAS SÍNCRONAS WEG73
3.4 CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE76
3.4.1 Altitude76
3.4.2 Temperatura ambiente76
3.4.4 Atmosfera Ambiente7
3.4.4.1 Ambientes Agressivos7
3.4.5 Graus de proteção78
3.4.5.1 Código de identificação78
3.4.5.2 Tipos usuais80
3.4.6 Limites de ruído80
3.4.7 Vibração81
3.4.8 Ventilação82
3.4.8.1 Gerador aberto82
3.4.8.2 Gerador totalmente fechado83
3.4.9 Acessórios/especialidades85
3.4.9.1 Resistência de aquecimento85
3.4.9.2 Proteção térmica de geradores elétricos85
3.5 CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO8
3.5.1 Potência nominal8
3.5.2 Elevação de temperatura-classe de isolamento91
3.5.2.1 Aquecimento do enrolamento91
3.5.2.2 Classes de isolamento92
3.5.2.3 Medida da temperatura do enrolamento92
3.5.2.4 Aplicação à máquinas elétricas93
3.5.3 Queda de tensão94
3.5.3.1 Cálculo da queda de tensão94
3.5.3.2 Influência do fator de potência96
3.5.3.3 Influência da carga inicial96
3.5.4 Limitações na partida de motores98
3.5.5 Sobrecarga103
3.5.6 Sobrevelocidade104
3.5.7 Corrente de curto-circuito104
3.5.8 Conversão de reatâncias105
3.5.9 Proteção do gerador106
3.5.10 Regime de serviço106
3.5.10.1 Regimes Padronizados106
3.5.1 Diagrama de carga108
3.5.12 Operação em paralelo de geradores110
3.5.13 Cálculo da bobina de aterramento do ponto estrela de geradores113
3.6 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS114
3.6.1 Componentes Principais114
3.6.1.1 Estator da máquina principal114
3.6.1.2 Rotor da máquina principal114
3.6.1.3 Estator da excitatriz principal114
3.6.1.4 Rotor da excitatriz principal e diodos retificadores girantes114
3.6.1.5 Excitatriz auxiliar115
3.6.2 Placa de identificação115
3.6.3 Normas116
3.6.4 Pintura - Geradores para aplicação geral116
3.6.5 Terminais de aterramento116
3.6.6 Forma construtiva116
3.6.7 Condições usuais de serviço120
3.7 SELEÇÃO DE GERADORES121
3.7.1 Características necessárias para a correta seleção121
3.7.2 Principais aplicações de geradores121
3.7.2.1 Conversão de freqüência122
3.7.2.2 Conversão de Corrente123
3.7.2.3 NO-BREAK124
3.7.2.4 Short-Break Diesel125
3.7.2.5 Geradores para CPD125
3.7.2.6 Geradores linha Industrial126
3.7.2.7 Geradores para Telecomunicações (padrão TELEBRÁS)126
3.7.2.8 Geradores alimentando cargas deformantes127
3.8 ENSAIOS128
3.8.1 ENSAIOS DE ROTINA128
3.8.2 ENSAIOS DE TIPO128
3.8.3 ENSAIOS ESPECIAIS128
3.9 COLETÂNEA DE FÓRMULAS129

Módulo 4 – Geração de Energia

DISTRIBUIÇÃO E FORÇA130
4.1 INTRODUÇÃO130
4.2 NOÇÕES FUNDAMENTAIS131
4.2.1 Transformadores e suas aplicações131
4.2.2 Tipos de Transformadores132
4.2.2.1 Divisão dos Transformadores quanto à Finalidade133
4.2.2.2 Divisão dos Transformadores quanto aos Enrolamentos133
4.2.2.3 Divisão dos Transformadores quanto aos Tipos Construtivos133
4.2.3 COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR133
4.2.4 Sistemas Elétricos135
4.2.4.1 Sistemas de Corrente Alternada Monofásica135
4.2.4.2 Sistemas de Corrente Alternada Trifásica136
4.2.5 POTÊNCIAS142
4.2.5.1 Potência Ativa ou Útil143
4.2.5.2 Potência Reativa143
4.2.6 Potência Aparente143
4.3 DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃO147
4.3.1 Potência Nominal147
4.3.1.1 Transformadores Trifásicos147
4.3.1.2 Transformadores Monofásicos147
4.3.1.3 Potências nominais normalizadas147
4.3.2 TENSÕES148
4.3.2.1 Definições148
4.3.2.2 Escolha da Tensão Nominal149
4.3.3 Derivações151
4.3.3.1 Definições151
4.3.4.1 Corrente nominal153
4.3.4.3 Corrente de curto-circuito154
4.3.4.4 Corrente de partida ou In rush155
4.3.5 Frequência Nominal155
4.3.6 Nível de Isolamento155
4.3.7 Deslocamento angular156
4.3.8 Identificação dos Terminais158
4.4 Características de Desempenho163
4.4.1 Perdas163
4.4.2 Rendimento165
4.4.3 Regulação166
4.4.4 Capacidade de sobrecarga167
4.5 CARACTERÍSTICAS DA INSTALAÇÃO173
4.5.2 CONDIÇÕES NORMAIS DE TRANSPORTE E INSTALAÇÃO173
for aplicável173
4.5.3 OPERAÇÃO EM PARALELO175
4.5.3.1 DIAGRAMAS VETORIAIS COM MESMO DESLOCAMENTO ANGULAR175
4.5.3.3 IMPEDÂNCIA175
4.5.4 OPERAÇÃO EM PARALELO178
4.6 SELEÇÃO DOS TRANSFORMADORES179
4.6.1 DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA DO TRANSFORMADOR179
4.6.2 FATOR DE DEMANDA (d)179
4.6.2.1 DETERMINAÇÃO DA DEMANDA MÁXIMA DE UM GRUPO DE MOTORES179
4.6.2.2 DETERMINAÇÃO DA DEMANDA MÁXIMA DA INSTALAÇÃO181
4.6.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE O USO DAS TABELAS182
OBTIDO NA DEMANDA182
4.6.4.1 EVENTUAIS AUMENTOS DA POTÊNCIA INSTALADA186
4.6.4.2 CONVENIÊNCIA DA SUBDIVISÃO EM MAIS UNIDADES186
4.6.4.3 POTÊNCIA NOMINAL NORMALIZADA187
4.6.5 DADOS NECESSÁRIOS PARA IDENTIFICAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR187
4.7 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS188
4.7.1.1 NÚCLEO188
4.7.1.2 ENROLAMENTO189
4.7.1.3 DISPOSITIVOS DE PRENSAGEM, CALÇOS E ISOLAMENTO190
4.7.1.4 COMUTADOR DE DERIVAÇÕES190
4.7.3 TANQUE194
4.7.3.1 SELADOS195
4.7.3.2 COM CONSERVADOR DE ÓLEO196
4.7.3.3 TRANSFORMADORES FLANGEADOS196
4.7.4 RADIADORES197
4.7.5 TRATAMENTO SUPERFICIAL E PINTURA198
4.7.6 LÍQUIDO DE ISOLAÇÃO E REFRIGERAÇÃO198
4.7.7 PLACAS DE IDENTIFICAÇÃO E DIAGRAMÁTICA201
4.7.8 ACESSÓRIOS203
4.7.8.1 RELÉ BUCHHOLZ (TRAFOSCÓPIO)204
4.7.8.2 TERMÔMETRO COM CONTATOS205
4.7.8.3 INDICADOR DE NÍVEL DE ÓLEO207
4.7.8.4 IMAGEM TÉRMICA209
4.7.8.5 VÁLVULA DE ALÍVIO DE PRESSÃO211
4.8 ENSAIOS218
4.8.1 ENSAIOS DE ROTINA218
4.8.2 ENSAIOS DE TIPO219
4.8.3 ENSAIOS ESPECIAIS219
4.8.4 OBJETIVOS DA REALIZAÇÃO DE ALGUNS ENSAIOS DE ROTINA:219
4.8.4.1 RESISTÊNCIA ELÉTRICA DOS ENROLAMENTOS:219
4.8.4.2 RELAÇÃO DE TENSÕES:220
4.8.4.3 RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO220
4.8.4.4 POLARIDADE220
4.8.4.5 DESLOCAMENTO ANGULAR E SEQUÊNCIA DE FASES220
4.8.4.6 PERDAS EM VAZIO221
4.8.4.7 PERDAS EM CARGA221
4.8.4.8 ENSAIOS DIELÉTRICOS2
4.8.4.9 ESTANQUEIDADE223
4.8.5 OBJETIVO DA REALIZAÇÃO DE ALGUNS ENSAIOS DE TIPO E ESPECIAIS223
4.8.5.1 ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA:223
4.8.5.2 IMPULSO ATMOSFÉRICO:223
4.8.5.3 NÍVEL DE RUÍDO224
4.8.5.4 CURTO-CIRCUITO224
4.8.5.5 FATOR DE POTÊNCIA DO ISOLAMENTO224
4.8.5.6 TENSÃO DE RADIOINTERFERÊNCIA224
4.9 INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO225
4.9.1 TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO225
4.9.1.1 RECEBIMENTO225
4.9.1.2 MANUSEIO225
4.9.1.3 ARMAZENAGEM225
4.9.1.4 INSTALAÇÃO226
4.9.1.5 MANUTENSÃO226
4.9.1.6 INSPEÇÃO PERIÓDICA226
4.9.1.7 REVISÃO COMPLETA227
4.9.2 TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA (FORÇA)227
4.9.2.1 RECEBIMENTO227
4.9.2.2 DESCARREGAMENTO E MANUSEIO227
4.9.2.3 VERIFICAÇÕES E ENSAIOS DE RECEBIMENTO228
4.9.2.4 ARMAZENAMENTO228
4.9.2.5 INSTALAÇÃO228
4.9.2.6 MONTAGEM DO TRANSFORMADOR229
4.9.2.7 CUIDADOS RECOMENDADOS DURANTE E APÓS A MONTAGEM229
4.9.3 ENSAIOS230
4.9.4 ENERGIZAÇÃO231
4.9.5 MANUTENÇÃO231
4.10 Conforme Anexo234
5 Quadros236
5.1 Manobra e Proteção236
5.1.1 Aspectos Gerais236
5.1.1.1 Manobra236
5.1.1.2 Proteção - Aspectos considerados236
5.1.1.3 Análise generalizada da proteção237
5.1.1.4 Características gerais dos equipamentos de proteção238
5.1.1.5 Características Funcionais do Releamento241
5.1.2 Aspectos específicos242
5.1.2.1 Equipamentos de manobra242
5.1.2.2 Proteção de motores244
5.1.2.4 Proteção de transformadores245
5.1.2.5 Proteção de barramentos245
5.1.3 Coordenação246
5.1.3.1 Proteção de linhas247
5.1.4 Princípios de coordenação248
5.2 Diagramas elétricos249
5.2.1 Diagrama Unifilar249
5.2.2 Diagrama Trifilar250
5.2.3 Diagrama Funcional251
5.2.4 Diagramas Construtivos252
5.2.4.1 Diagrama Sinóptico253
5.3 Consideração a respeito de quadros elétricos254
5.3.1 Classificações254
5.3.1.1 Quanto a função254
5.3.1.2 Quanto ao local de instalação257
5.3.1.3 Quanto ao grau de proteção257
5.3.1.4 Quanto ao tipo de construção258
5.3.2 Comportamento dos metais (estrutura e barramento)258
5.3.3 Características dos metais258
5.3.3.1 Densidade258
5.3.3.2 Propriedades térmicas259
5.3.3.3 Propriedades elétricas259
5.3.3.4 Propriedades químicas260
5.3.3.5 Propriedades Mecanicas260
5.4 Graus de Proteção261
5.5 Condições Normais de Serviço265
5.6 Considerações de Normalização267
5.6.1 Definições (Segundo IEEE C 37.20.2 - 1993)267
5.6.1.1 Painéis Metal Clad267
5.6.1.2 Painéis Cubicle268
5.6.1.3 Painéis Interrupter268
5.6.1.4 Painéis Baixa Tensão269
6 Produção Independente de Energia Elétrica no Brasil270
6.1 Introdução270
6.2 Ligação em Autoprodutores em paralelo com o sistema de distribuição272
6.2.1 Paralelismo272
6.2.1.1 Condições para o Paralelismo273
6.2.1.2 Métodos para o Sincronismo273
6.2.2 Proteção Contra Faltas274
6.2.2.1 Nomenclatura para Relés (NBR 5175 - Maio 1988)274
6.2.3 Projeto Elétrico283
7 Dimensionamento de Fios e Cabos de Baixa Tensão284
7.1 Os Seis Critérios Técnicos de Dimensionamento de Condutores Elétricos284
7.2 Seção do Condutor Neutro285
7.3 O Condutor de Proteção286
7.4 Cores dos Condutores Neutro e de Proteção287
7.5 Tabelas288
7.5.2 Correntes Máximas de Curto-Circuito310
7.5.3 Correntes Máximas de Curto-Circuito311
7.5.4 Correntes Máximas de Curto-Circuito312

Módulo 4 – Geração de Energia

1 INTRODUÇÃO

A eletricidade é a forma mais fácil de se transportar energia para a sua utilização nos processos de manufatura. Ela surgiu como forma de substituir a energia da máquina a vapor, pilastra mestra da atual revolução industrial.

Com o crescimento do setor industrial no Brasil a partir do inicio dos anos 90, o aumento da demanda de energia elétrica superou a capacidade de crescimento do sistema de geração das concessionárias de energia levando o governo a considerar possibilidade de produção de energia elétrica por empresas do setor privado, com o objetivo de atrair investimentos no setor e assim “desafogar” o sistema elétrico Brasileiro.

A economia e a produção de energia elétrica passaram a ser prioridade para o Ministério das Minas e Energia e o DNAEE (hoje ANEEL), que através de campanhas informativas incentivavam o uso racional de energia elétrica visando diminuir o desperdício e, através da modificação da legislação regulamentar a geração e a cogeração de energia por grupos e empresas privadas.

Módulo 4 – Geração de Energia

1.1 DEFINIÇÃO DE ENERGIA E POTÊNCIA 1.1.1 ENERGIA

Os físicos definem a palavra energia como a quantidade de trabalho que um sistema é capaz de fornecer. Energia, de acordo com os físicos, não pode ser criada, consumida ou destruída. No entanto a energia pode ser transformada ou transmitida de diferentes formas: a energia cinética do movimento das moléculas de ar podem ser convertidas em energia cinética de rotação pelo rotor de uma turbina eólica, que por sua vez pode ser convertida em energia elétrica através de um gerador acoplado ao rotor da turbina. Em cada processo de conversão de energia, parte da energia da fonte é dissipada em forma de calor (energia térmica) em função do atrito entre as engrenagens, moléculas de ar e esforços mecânicos da máquina conversora. A relação entre a energia que entra no sistema de conversão e a energia que sai desse sistema chama-se rendimento. Costuma-se medir a capacidade de produção de energia em quilowatt hora ou megawatt hora durante um certo período de tempo. Note que a unidade de energia é quilowatt hora [kW.h], e não apenas quilowatt [kW]. Confundir estas unidades é um erro bem comum.

1 J [joule]= 1 [W.s] = 4.1868 [cal]

Unidades de Energia 1 GJ [gigajoule] = 109 J 1 TJ [terajoule] = 1012 J 1 PJ [petajoule] = 1015 J

1 kWh [quilowatt hora] = 3,600,0 [joules] 1 toe [tonelada de óleo equivalente] = 7.4 barris de óleo cru na máquina primária

= 7.8 barris no total de consumo final

= 1270 m3 de gás natural 1 Mtoe [milhão de toneladas de óleo equivalente] = 41.868 PJ

1.1.2 POTÊNCIA

A potência elétrica é normalmente medida em watt [W], quilowatt [kW], megawatt

[MW], etc. Ou seja, potência é a quantidade de energia transferida por unidade de tempo. A potência pode ser medida em qualquer instante de tempo, enquanto a energia precisa ser medida em um intervalo de tempo, como um segundo, uma hora, um ano, etc. Por exemplo, se uma turbina ou gerador possuem uma potência nominal de 600 quilowatts [kW], significa que aquela turbina pode produzir 600 quilowatts hora [kW.h] de energia por hora de operação, trabalhando no ponto máximo de eficiência.

Dizer, por exemplo, que um país como a Dinamarca possui 1.000MW de potência eólica instalada, não quer dizer quanta energia as turbinas produzem. As turbinas eólicas funcionam cerca de 75% das horas do ano, mas funciona com capacidade máxima apenas durante um numero limitado de horas no ano. Para calcular a quantidade de energia produzida por uma turbina eólica é necessário conhecer a distribuição da velocidade do vento por cada turbina. No caso acima citado, as

Módulo 4 – Geração de Energia turbinas retornam, na média, 2.300 horas de funcionamento a plena carga por ano. Para calcular a energia total produzida multiplica-se os 1.000MW de potência instalada pelas 2.300 horas de funcionamento a plena carga, que é igual a 2.300.0 [MWh] ou 2,3 [TW.h] de energia. Em outras áreas, tais como a Escócia, ou o oeste da Irlanda, encontramos turbinas que trabalham, na média, 3.0 horas a plena carga, e até mais. No entanto na Alemanha não são encontradas turbinas que trabalham mais que 2.0 horas por ano a plena carga.

A potência dos motores de automóveis são geralmente medidas em cavalos e não em kW. A unidade “cavalo vapor” da uma idéia intuitiva de quanto “músculo” o gerador ou motor possui, enquanto a energia da uma idéia de quanto um motor ou gerador “trabalhou” durante um período de tempo.

Unidades de potência. 1 kW = 1.359 CV

Módulo 4 – Geração de Energia

1.2 O QUE É GERAÇÃO E COGERAÇÃO? 1.2.1 GERAÇÃO

A geração de energia elétrica é a transformação de qualquer tipo de energia em energia elétrica. Esse processo ocorre em duas etapas. Na 1a etapa uma máquina primária transforma qualquer tipo de energia, normalmente hidráulica ou térmica, em energia cinética de rotação. Em uma 2a etapa um gerador elétrico acoplado à máquina primária transforma a energia cinética de rotação em energia elétrica.

Como exemplo podemos tomar uma hidroelétrica onde uma turbina hidráulica transforma a energia potencial da água em desnível, em energia cinética de rotação que é transferida a um eixo acoplado a um gerador, tal como mostrado na figura 1.

1.2.2 COGERAÇÃO

De acordo com a ANEEL (Agencia Nacional de Energia Elétrica), “Cogeração de energia é definida como o processo de produção combinada de calor e energia elétrica (ou mecânica), a partir de um mesmo combustível, capaz de produzir benefícios sociais, econômicos e ambientais. A atividade de cogeração contribui efetivamente para a racionalização energética, uma vez que possibilita maior produção de energia elétrica e térmica a partir da mesma quantidade de combustível.”

Diferentemente da geração, na cogeração a energia térmica, ou outro tipo de energia, é utilizado diretamente nos processos de manufatura, tais como fornos, caldeiras, entre outros. A cogeração é o reaproveitamento dos “resíduos” de energia dessas fontes para a geração de energia elétrica diminuindo, assim, as perdas e, conseqüentemente, aumentando o rendimento e o aproveitamento das fontes de energia.

Módulo 4 – Geração de Energia

Figura 1 – Central hidráulica em circuito aberto a céu aberto, Rio Paraná, Itapu, Brasil. 1- Barragem, 2- grades, 3- tomada de águas, 4- conduto forçado, 5- turbina, 6- alternador, 7- casa de máquinas, 8- pórtico-ponte, 9- sistema de descarga 10- transformadores, 1- sistema de transmissão.

A cogeração é a forma mais eficiente de gerar calor e energia elétrica a partir de uma mesma fonte de energia. Comparando a utilização de combustível fóssil com a quantidade de calor que é normalmente gasta no processo de geração de energia, a cogeração alcança níveis de eficiência 3 vezes maior, podendo chegar a 4 vezes, do que no processo convencional de geração. No entanto a cogeração passou a ser utilizada a muito pouco tempo. No meio da década de 80, com o preço do gás natural relativamente baixo, a cogeração tornou-se uma alternativa atrativa como uma nova forma de geração de energia elétrica. De fato, a cogeração é um dos maiores responsáveis pela grande diminuição da construção de usinas hidrelétricas e termonucleares ocorrida na década de 80. Hoje a cogeração corresponde a mais da metade da capacidade das novas usinas instaladas na América do Norte na ultima década.

Os equipamentos de cogeração podem utilizar outros combustíveis além do gás natural.

Existem instalações em operação que utilizam madeira, bagaço de cana-de-açúcar, e outros combustíveis dependendo do local e disponibilidade.

As implicações ambientais da cogeração são bem menores quando comparadas às do processo convencional de geração, não apenas pela sua inerente eficiência, mas também pelo seu caráter descentralizador. Isto se deve ao fato de ser impraticável o transporte de calor (energia térmica) a grandes distâncias, e os equipamentos de cogeração são localizados fisicamente próximos aos processos que utilizam calor. Desta forma a energia elétrica tende a ser gerada

Módulo 4 – Geração de Energia próxima aos centros consumidores, reduzindo as perdas pela transmissão e a necessidade de equipamentos para a distribuição. Um número significativo de conseqüências positivas para o meio ambiente decorrem deste fato. As plantas de cogeração tendem a ser pequenas por isso podem pertencer e serem operadas por companhias menores e afastadas de um centro industrial.

Como regra geral, elas também são construídas próximas a áreas populacionais, o que significa que devem ser mantidas no mais alto padrão ambiental. Como por exemplo, na Europa e ,cada vez mais, na América do Norte, a cogeração é o coração do sistema de calefação da cidade. Calefação distrital e cogeração combinados podem reduzir as emissões de gases poluentes mais do que qualquer outra tecnologia.

Figura 2 – Esquema geral de cogeração em uma industria

Para entender cogeração, é necessário saber que a forma mais convencional de se gerar energia é baseada na queima de um combustível para produzir vapor. É a pressão do vapor que gira a turbina e gera energia, em um processo inerentemente ineficiente. Por causa de um principio básico da física, pouco mais que um terço da energia liberada pela queima do combustível pode ser convertida em pressão de vapor para gerar energia elétrica. A cogeração, no entanto, utiliza esse excesso de calor, normalmente na forma de vapor, a uma temperatura relativamente baixa, liberada pelas turbinas. Esse vapor é utilizado em uma gama de aplicações das mais variadas, e efetivamente diminui a combustão de combustíveis a base de carbono, juntamente com todas as implicações ambientais que a queima desses combustíveis possui.

Além da cogeração, há um grande número de tecnologias que fazem uso do vapor liberado pelas turbinas a baixas temperatura e pressão. Essas tecnologias são conhecidas como sistemas de “ciclo combinado”. Elas são mais eficientes que a geração convencional de energia, mas não tão eficiente quanto a cogeração.

Módulo 4 – Geração de Energia

1.3 O SISTEMA DE GERAÇÃO

O sistema de geração é formado pelos seguintes componentes: Máquina primária, geradores, transformador e sistema de controle, comando e proteção.

1.3.1 MÁQUINA PRIMÁRIA

É a maquina primária que faz a transformação de qualquer tipo de energia em energia cinética de rotação para ser aproveitada pelo gerador. Por exemplo, a máquina que transforma a energia liberada pela combustão do gás em energia cinética é a turbina a gás.

As principais máquinas primárias utilizadas hoje são motores Diesel, turbinas hidráulicas, turbinas a vapor, turbinas a gás e eólicas. Normalmente as centrais elétricas onde as máquinas primárias são turbinas a vapor, as centrais são classificadas em relação ao combustível utilizado para aquecer o vapor. Onde ocorre o processo de combustão as centrais são chamadas de termelétricas e onde ocorre o processo de fissão nuclear são chamadas de termonucleares.

1.3.2 GERADORES

São os geradores que transformam a energia cinética de rotação das máquinas primárias em energia elétrica.

Os geradores são dimensionados de acordo com a potência que a máquina primária pode fornecer. Além da potência, o tipo de máquina primária ( eólica, hídrica, térmica, etc...) define também a velocidade de rotação que irá ser transmitida ao gerador e, em função dessa velocidade é definido o número de pólos do gerador. O funcionamento, especificação e detalhes do projeto serão estudados mais profundamente no capitulo 3.

1.3.3 TRANSFORMADORES

Uma vez gerada a energia elétrica, existe a necessidade de se compatibilizar o nível da tensão de saída com a tensão do sistema ao qual o grupo gerador será ligado. O equipamento utilizado para elevar ou rebaixar o nível de tensão é o transformador. Desta forma um grupo gerador que gera energia a uma tensão de 13.8 kV pode ser ligado a uma linha de transmissão de 69kV desde que um transformador de 13,8/69 kV faça o ajuste da tensão. O funcionamento dos transformadores será estudado com mais detalhes no capitulo 5.

1.3.4 CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO

Para interligar um grupo gerador a uma rede de transmissão ou distribuição são necessários vários requisitos. Em primeiro lugar, a tensão de saída do gerador não pode variar mais que 10% para cima ou para baixo. O controle da tensão é feito através da excitatriz do próprio gerador e será estudada no capitulo 3. No entanto, não basta apenas compatibilizar a tensão. É necessário que se faça o sincronismo com a rede antes de comandar o fechamento da linha. Para que estas medidas sejam tomadas, são necessários vários equipamentos de manobra e

Módulo 4 – Geração de Energia proteção, tais como TC’s, TP’s, relés e disjuntores. O quadro de comando e proteção reúne todos estes equipamentos, e permite ao operador supervisionar o funcionamento do sistema e atuar imediatamente caso se faça necessário. A freqüência do sistema elétrico é a variável mais importante e a mais difícil de ser controlada. Para que o sistema de geração funcione corretamente, é necessário que a freqüência de tensão de saída do gerador seja constante e de acordo com o sistema elétrico da região em que se encontra. Por exemplo, no Brasil a freqüência de operação do sistema elétrico é de 60 Hz, e o sistema de geração de energia elétrica do Paraguai é de 50 Hz. Esta freqüência é função da rotação do gerador, portanto o gerador deve funcionar sempre em uma rotação fixa, que é aplicada pela máquina primária. Portanto ela depende da velocidade de rotação da máquina primária. Cabe ao sistema de controle atuar nos reguladores de velocidade das máquinas primárias e assim garantir uma freqüência fixa da tensão na saída do gerador.

A potência elétrica de saída do gerador é diretamente proporcional a potência mecânica transmitida pela máquina primária através do eixo. Sabemos que a potência mecânica na ponta do eixo de uma máquina girante é diretamente proporcional ao produto da velocidade de rotação e o torque na ponta de eixo: nCkP××= onde k é uma constante de proporcionalidade.

Portanto, se o gerador precisar entregar mais potência para o sistema devido a um aumento súbito de carga, a máquina primária precisa aumentar o torque transferido ao gerador, uma vez que a rotação deve-se manter constante. Algumas das principais diferenças entre os turbogeradores e os hidrogeradores é a velocidade de rotação e o momento de inércia da parte girante. Nos hidrogeradores a velocidade de rotação é normalmente bem mais baixa e o momento de inércia bem maior do que nos turbogeradores, uma das conseqüências desta diferença é a de que os turbogeradores necessitam de sistemas de controle de corrente de campo e controle da velocidade de rotação da máquina primária mais confiáveis e mais rápidos do que os hidrogeradores, pois uma perturbação na carga requer uma adaptação rápida e precisa do sistema de geração.

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2 MÁQUINAS PRIMÁRIAS 2.1 HIDRÁULICAS

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