Geração e Distribuição, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Baixe Geração e Distribuição e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! WEG INDÚSTR IAS LTDA CENTRO DE TREINAMENTO DE CLIENTES MÓDULO 4 Geração de Energia WEG – Transformando Energia em Soluções tr _ C TC -2 4 1 _ P 1 WEG – Transformando Energia em Soluções 1 Módulo 4 – Geração de Energia * “ Material sujeito a alterações sem prévio aviso!” WEG – Transformando Energia em Soluções 4 Módulo 4 – Geração de Energia 3.6.2 Placa de identificação________________________________ ______________________ 115 3.6.3 Normas________________________________ ________________________________ _116 3.6.4 Pintura - Geradores para aplicação geral ________________________________ _______116 3.6.5 Terminais de aterramento ________________________________ ___________________ 116 3.6.6 Forma construtiva ________________________________ ________________________ 116 3.6.7 Condições usuais de serviço ________________________________ ________________ 120 3.7 SELEÇÃO DE GERADORES ................................ ................................ .............. 121 3.7.1 Características necessárias para a correta seleção ________________________________ 121 3.7.2 Principais aplicações de geradores ________________________________ ____________121 3.7.2.1 Conversão de freqüência ................................ ................................ ............................. 122 3.7.2.2 Conversão de Corrente ................................ ................................ ................................ 123 3.7.2.3 NO-BREAK ................................ ................................ ................................ ...............124 3.7.2.4 Short-Break Diesel ................................ ................................ ................................ .....125 3.7.2.5 Geradores para CPD ................................ ................................ ................................ ...125 3.7.2.6 Geradores linha Industrial ................................ ................................ ........................... 126 3.7.2.7 Geradores para Telecomunicações (padrão TELEBRÁS) ................................ ............126 3.7.2.8 Geradores alimentando cargas deformantes ................................ ................................ .127 3.8 ENSAIOS ................................ ................................ ................................ ............... 128 3.8.1 ENSAIOS DE ROTINA ________________________________ ___________________ 128 3.8.2 ENSAIOS DE TIPO ________________________________ ______________________ 128 3.8.3 ENSAIOS ESPECIAIS ________________________________ ____________________ 128 3.9 COLETÂNEA DE FÓRMULAS ................................ ................................ ........... 129 4 CARACTERISTICAS E ESPECIFICAÇÕES DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO E FORÇA ................................................................................130 4.1 INTRODUÇÃO................................ ................................ ................................ ...... 130 4.2 NOÇÕES FUNDAMENTAIS ................................ ................................ ................ 131 4.2.1 Transformadores e suas aplicações ________________________________ ___________131 4.2.2 Tipos de Transformadores ________________________________ __________________ 132 4.2.2.1 Divisão dos Transformadores quanto à Fina lidade................................ ....................... 133 4.2.2.2 Divisão dos Transformadores quanto aos Enrolamentos ................................ ..............133 4.2.2.3 Divisão dos Transformadores quanto aos Tipos Construtivos ................................ .......133 4.2.3 COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR ________________________________ __133 4.2.4 Sistemas Elétricos ________________________________ ________________________ 135 4.2.4.1 Sistemas de Corrente Alternada Monofásica ................................ ................................ 135 4.2.4.2 Sistemas de Corrente Alternada Trifásica ................................ ................................ ....136 4.2.5 POTÊNCIAS ________________________________ ____________________________ 142 4.2.5.1 Potência Ativa ou Útil ................................ ................................ ................................ 143 4.2.5.2 Potência Reativa ................................ ................................ ................................ .........143 4.2.6 Potência Aparente ________________________________ ________________________ 143 4.3 DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃO ................................ ...... 147 4.3.1 Potência Nominal ________________________________ _________________________ 147 4.3.1.1 Transformadores Trifásicos ................................ ................................ ........................ 147 4.3.1.2 Transformadores Monofásicos ................................ ................................ ....................147 4.3.1.3 Potências nominais normalizadas ................................ ................................ ................147 4.3.2 TENSÕES ________________________________ ______________________________ 148 4.3.2.1 Definições ................................ ................................ ................................ ..................148 4.3.2.2 Escolha da Tensão Nominal ................................ ................................ ........................ 149 4.3.3 Derivações ________________________________ ______________________________ 151 4.3.3.1 Definições ................................ ................................ ................................ ..................151 4.3.4 Correntes ________________________________ _______________________________ 153 4.3.4.1 Corrente nominal ................................ ................................ ................................ ........153 4.3.4.2 Corrente de excitação ................................ ................................ ................................ .153 WEG – Transformando Energia em Soluções 5 Módulo 4 – Geração de Energia 4.3.4.3 Corrente de curto-circuito ................................ ................................ ........................... 154 4.3.4.4 Corrente de partida ou In rush ................................ ................................ ..................... 155 4.3.5 Frequência Nominal ________________________________ _______________________ 155 4.3.6 Nível de Isolamento ________________________________ _______________________ 155 4.3.7 Deslocamento angular ________________________________ _____________________ 156 4.3.8 Identificação dos Terminais ________________________________ _________________158 4.4 Características de Desempenho ................................ ................................ ............. 163 4.4.1 Perdas________________________________ ________________________________ __163 4.4.2 Rendimento ________________________________ _____________________________ 165 4.4.3 Regulação________________________________ _______________________________ 166 4.4.4 Capacidade de sobrecarga ________________________________ __________________ 167 4.5 CARACTERÍSTICAS DA INSTALAÇÃO ................................ .......................... 173 4.5.1 OPERAÇÃO EM CONDIÇÕES NORMAIS E ESPECIAIS DE FUNCIONAMENTO. __173 4.5.2 CONDIÇÕES NORMAIS DE TRANSPORTE E INSTALAÇÃO. __________________ 173 4.5.2.1 O transporte e a instalação devem estar de acordo com NBR 7036 ou a NBR 7037, a que for aplicável. ................................ ................................ ................................ ....................173 4.5.3 OPERAÇÃO EM PARALELO ________________________________ ______________175 4.5.3.1 DIAGRAMAS VETORIAIS COM MES MO DESLOCAMENTO ANGULAR ...........175 4.5.3.2 RELAÇÕES DE TRANSFORMAÇÃO IDÊNTIC AS INCLUSIVE DERIVAÇÕES ...175 4.5.3.3 IMPEDÂNCIA ................................ ................................ ................................ ...........175 4.5.4 OPERAÇÃO EM PARALELO ________________________________ ______________178 4.6 SELEÇÃO DOS TRANSFORMADORES ................................ ............................ 179 4.6.1 DETERMINAÇÃO DA POTÊNC IA DO TRANSFORMADOR ____________________ 179 4.6.2 FATOR DE DEMANDA (d) ________________________________ ________________ 179 4.6.2.1 DETERMINAÇÃO DA DEMANDA MÁXIMA DE UM GRUPO DE MOTORES ....179 4.6.2.2 DETERMINAÇÃO DA DEMANDA MÁX IMA DA INSTALAÇÃO .........................181 4.6.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE O USO DAS TABELAS ___________________________ 182 4.6.4 CRITÉRIOS DE ESCOLHA DOS TRANSFORMADORES COM BASE NO VALOR OBTIDO NA DEMANDA. ________________________________ _________________182 4.6.4.1 EVENTUAIS AUMENTOS DA POTÊNCIA INSTALADA ................................ .......186 4.6.4.2 CONVENIÊNCIA DA SUBDIVISÃO EM MAIS UNIDADES ................................ ..186 4.6.4.3 POTÊNCIA NOMINAL NORMALIZADA ................................ ................................ 187 4.6.5 DADOS NECESS ÁRIOS PARA IDENTIFICAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR ____187 4.7 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS ................................ ............................ 188 4.7.1.1 NÚCLEO ................................ ................................ ................................ ...................188 4.7.1.2 ENROLAMENTO ................................ ................................ ................................ ......189 4.7.1.3 DISPOSITIVOS DE PRE NSAGEM, CALÇOS E ISOLAMENTO ............................. 190 4.7.1.4 COMUTADOR DE DERIVAÇÕES ................................ ................................ ...........190 4.7.2 BUCHAS ________________________________ _______________________________ 191 4.7.3 TANQUE ________________________________ _______________________________ 194 4.7.3.1 SELADOS ................................ ................................ ................................ .................195 4.7.3.2 COM CONSERVADOR DE ÓLEO ................................ ................................ ...........196 4.7.3.3 TRANSFORMADORES FLANGEADOS ................................ ................................ ..196 4.7.4 RADIADORES ________________________________ __________________________ 197 4.7.5 TRATAMENTO SUPERFICIAL E PINTURA ________________________________ _198 4.7.6 LÍQUIDO DE ISOLAÇÃO E REFRIGERAÇÃO ________________________________ 198 4.7.7 PLACAS DE IDENTIFICAÇÃO E DIAGRAMÁTICA ___________________________ 201 4.7.8 ACESSÓRIOS ________________________________ ___________________________ 203 4.7.8.1 RELÉ BUCHHOLZ (TRAFOSCÓPIO) ................................ ................................ ......204 4.7.8.2 TERMÔMETRO COM CONTATOS ................................ ................................ .........205 4.7.8.3 INDICADOR DE NÍVEL DE ÓLEO ................................ ................................ ..........207 4.7.8.4 IMAGEM TÉRMICA ................................ ................................ ................................ .209 4.7.8.5 VÁLVULA DE ALÍVIO DE PRESSÃO ................................ ................................ .....211 4.7.8.6 RELÉ DE PRESSÃO SÚBITA ................................ ................................ ...................213 WEG – Transformando Energia em Soluções 6 Módulo 4 – Geração de Energia 4.8 ENSAIOS ................................ ................................ ................................ ............... 218 4.8.1 ENSAIOS DE ROTINA ________________________________ ___________________ 218 4.8.2 ENSAIOS DE TIPO ________________________________ ______________________ 219 4.8.3 ENSAIOS ESPECIAIS ________________________________ ____________________ 219 4.8.4 OBJETIVOS DA REALIZAÇÃO DE ALGUNS ENSA IOS 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 ISOLAMENTO ................................ ................................ ...........220 4.8.4.4 POLARIDADE ................................ ................................ ................................ ..........220 4.8.4.5 DESLOCAMENTO ANGULAR E SEQUÊNCIA DE FASES ................................ ....220 4.8.4.6 PERDAS EM VAZIO ................................ ................................ ................................ .221 4.8.4.7 PERDAS EM CARGA ................................ ................................ ............................... 221 4.8.4.8 ENSAIOS DIELÉTRICOS ................................ ................................ .........................222 4.8.4.9 ESTANQUEIDADE ................................ ................................ ................................ ...223 4.8.5 OBJETIVO DA REALIZAÇÃO DE ALGUNS ENSAIOS DE TIPO E ESPECIAIS ____223 4.8.5.1 ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA: ................................ ................................ ..........223 4.8.5.2 IMPULSO ATMOSFÉRICO: ................................ ................................ ..................... 223 4.8.5.3 NÍVEL DE RUÍDO ................................ ................................ ................................ ....224 4.8.5.4 CURTO-CIRCUITO ................................ ................................ ................................ ..224 4.8.5.5 FATOR DE POTÊNCIA DO ISOLAMENTO ................................ ............................ 224 4.8.5.6 TENSÃO DE RADIOINTERFERÊNCIA ................................ ................................ ...224 4.9 INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO ................................ ................................ ...... 225 4.9.1 TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO ________________________________ _225 4.9.1.1 RECEBIMENTO................................ ................................ ................................ ........225 4.9.1.2 MANUSEIO ................................ ................................ ................................ ..............225 4.9.1.3 ARMAZENAGEM ................................ ................................ ................................ .....225 4.9.1.4 INSTALAÇÃO ................................ ................................ ................................ ..........226 4.9.1.5 MANUTENSÃO ................................ ................................ ................................ ........226 4.9.1.6 INSPEÇÃO PERIÓDICA ................................ ................................ ........................... 226 4.9.1.7 REVISÃO COMPLETA ................................ ................................ ............................. 227 4.9.2 TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA (FORÇA) _____________________________ 227 4.9.2.1 RECEBIMENTO................................ ................................ ................................ ........227 4.9.2.2 DESCARREGAMENTO E MANUSEIO................................ ................................ ....227 4.9.2.3 VERIFICAÇÕES E ENSAIOS DE RECEBIMENTO ................................ .................228 4.9.2.4 ARMAZENAMENTO ................................ ................................ ................................ 228 4.9.2.5 INSTALAÇÃO ................................ ................................ ................................ ..........228 4.9.2.6 MONTAGEM DO TRANSFORMADOR ................................ ................................ ...229 4.9.2.7 CUIDADOS RECOMENDADOS DURANTE E APÓS A MONTAGEM ...................229 4.9.3 ENSAIOS________________________________ _______________________________ 230 4.9.4 ENERGIZAÇÃO ________________________________ _________________________ 231 4.9.5 MANUTENÇÃO ________________________________ _________________________ 231 4.10 Conforme Anexo ................................ ................................ ................................ .... 234 5 Quadros................................................................................................................236 5.1 Manobra e Proteção ................................ ................................ ............................... 236 5.1.1 Aspectos Gerais ________________________________ __________________________ 236 5.1.1.1 Manobra ................................ ................................ ................................ ..................... 236 5.1.1.2 Proteção - Aspectos considerados ................................ ................................ ...............236 5.1.1.3 Análise generalizada da proteção ................................ ................................ ................237 5.1.1.4 Características gerais dos equipamentos de proteção ................................ ...................238 5.1.1.5 Características Funcionais do Releamento ................................ ................................ ...241 5.1.2 Aspectos específicos ________________________________ ______________________ 242 5.1.2.1 Equipamentos de manobra ................................ ................................ .......................... 242 5.1.2.2 Proteção de motores ................................ ................................ ................................ ....244 5.1.2.3 Proteção de Geradores ................................ ................................ ................................ 244 WEG – Transformando Energia em Soluções 9 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. WEG – Transformando Energia em Soluções 10 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. Unidades de Energia 1 J [joule] = 1 [W.s] = 4.1868 [cal] 1 GJ [gigajoule] = 109 J 1 TJ [terajoule] = 1012 J 1 PJ [petajoule] = 1015 J 1 kWh [quilowatt hora] = 3,600,000 [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 d e 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 WEG – Transformando Energia em Soluções 11 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 2.300.000 [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, 3.000 horas a plena carga, e até mais. No entanto na Alemanha não são encontradas turbinas que trabalham mais que 2.000 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 WEG – Transformando Energia em Soluções 14 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. WEG – Transformando Energia em Soluções 15 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 WEG – Transformando Energia em Soluções 16 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. WEG – Transformando Energia em Soluções 19 Módulo 4 – Geração de Energia Figura 2.1.3 - Corte longitudinal em uma turbina tipo hélice, kaplan, de eixo vertical. 1- rotor, 2- pá, 3- palheta diretriz, 4- tampa intermediaria, 5- tampa externa, 6- tampa interna, 7- anel periférico, 8- caixa, 9- palheta fixa, 10- tubo de sucção, 11- eixo, 12- flange de acoplamento. a) Turbinas de Reação (ou propulsão): São turbinas em que o trabalho mecânico é obtido pela transformação das energias cinéticas e de pressão da água em escoamento através do rotor. As turbinas de reação são as do tipo Francis e Kaplan. b) Turbinas de Ação (ou impulso): Aquela em que o trabalho mecânico é obtido pela obtenção da energia cinética da água em escoamento através do rotor. As turbinas de ação são as do tipo Pelton. WEG – Transformando Energia em Soluções 20 Módulo 4 – Geração de Energia Figura 2.1.4 – Corte transversal em uma turbina pelton de dois injetores, de eixo horizontal e coroa em uma única peça. 1- rotor, 2- pá, 3- coroa de pás, 4- tampa, 5- desviador frontal, 6- poço, 7- blindagem, 8- canal de fuga, 9-eixo de turbina, 10- injetor, 11- freio de jato, 12- agulha, 13- cruzeta pelton, 14- defletor. A turbina hidráulica utiliza a energia cinética de rotação de seu rotor para girar o gerador ao qual está conectado. Um dispositivo elétrico chamado transformador converte a tensão de saída do gerador em tensões aproveitáveis pelas concessionárias. Estima-se que o Brasil tenha um potencial de geração de energia hidrelétrica da ordem de 200.000MW, capaz de fornecer 1 milhão de GWh de eletricidade anualmente, dos quais somente 25% estão sendo utilizados. A capacidade nominal instalada de geração de energia elétrica no Brasil é de 57.232MW, dos quais 92% são derivados de hidrelétricas. A ELETROBRÁS participa com 27.052MW da capacidade nominal instalada. Em 1996, o sistema teve energia disponível da ordem de 311.379GWh, para um consumo de 260.908GWh, empregava 157.063 trabalhadores e tinha aproximadamente 39,8 milhões de consumidores. O Brasil, juntamente com o Paraguai, possui uma das maiores usinas hidrelétricas do mundo, a Itaipú Binacional, com capacidade instalada de 12.600MW, localizada no rio Paraná, fronteira dos dois países. WEG – Transformando Energia em Soluções 21 Módulo 4 – Geração de Energia 2.2 DIESEL O motor Diesel é uma maquina térmica, ou seja, transforma energia térmica em energia mecânica através do mesmo principio de funcionamento dos motores a explosão, como os conhecidos motores de automóveis. Esses motores são chamados de máquinas térmicas a pistão ou motores de combustão interna. Seu objetivo é a obtenção de trabalho através da liberação da energia química do combustível. Figura 2.2.1 – Grupo gerador com motor Diesel 1- Máquina térmica motora, motor Diesel. 2- Máquina elétrica geradora. 3- Árvore, através da qual o motor Diesel fornece a potência para o gerador. 4- Saída dos produtos da combustão. 5 - Entrada ou saída do fluido refrigerante. A figura 2.2.1 mostra um grupo gerador onde um motor Diesel é a máquina térmica motora que está acoplada a um alternador, máquina elétrica geradora ou operadora. Observa-se que o motor Diesel fornece na árvore um trabalho em uma unidade de tempo, potência, entregando ao meio externo, através de seus sistemas de refrigeração e nos produtos de combustão, calor. Tal potência e calores são resultado da liberação de uma energia química liberada através de reações exotérmicas entre um combustível, no caso o óleo Diesel, e um comburente, no caso o oxigênio do ar. Os motores a pistão de combustão interna podem ser classificadas de várias maneiras, entre as quais algumas merecem destaque: • Quanto ás propriedades do gás na fase de compressão: motores Otto e motores Diesel; • Quanto ao ciclo de trabalho: Motores de 2 e 4 tempos. Nos motores de 2 tempos ocorre um processo de trabalho a cada giro da árvore, e no motor 4 tempos são necessários 2 giros para completar um ciclo do processo; • Quanto ao movimento do pistão: motores a pistão rotativos ou alternativos; • Quanto ao número de cilindros. WEG – Transformando Energia em Soluções 24 Módulo 4 – Geração de Energia 2.3 TERMELÉTRICAS As máquinas a vapor foram as primeiras máquinas a produzirem energia mecânica aproveitável para processos industriais. Por isto essas máquinas foram fundamentais para o acontecimento da revolução industrial. Com o aparecimento da eletricidade, as máquinas a vapor se tornaram peças fundamentais para a geração de energia elétrica, uma vez que já existia o domínio dessa tecnologia. As instalações de potência com turbinas a vapor podem visar apenas a obtenção de energia elétrica ou mecânica ou simultaneamente elétrica ou mecânica e vapor para o processo. Essas centrais podem trabalhar em circuito aberto ou fechado, sendo o circuito aberto muito utilizado quando se pretende utilizar calor para o processo. Figura 2.3.1 – Funcionamento de uma instalação de potência a vapor. O aquecimento da água é feito através da queima de algum combustível. De um modo geral denomina-se combustível, qualquer corpo cuja combinação química com outro seja exotérmica. Entretanto, condições de baixo preço, existência na natureza ou processo de fabricação em grande quantidade limitam o número de combustíveis usados tecnicamente. Tendo em vista seu estado físico, os combustíveis podem ser classificados em sólidos, líquidos ou gasosos. Os combustíveis sólidos são formados de C, H2, O2, S, H2O e cinzas. Sendo combustíveis apenas os 4 primeiros elementos. Entre os combustíveis sólidos temos os minerais WEG – Transformando Energia em Soluções 25 Módulo 4 – Geração de Energia como turfas linhitos e carvão, e os não-minerais como lenha, serragem, bagaço de cana, de pinho etc. Os combustíveis líquidos também podem ser minerais ou não minerais. Os minerais são obtidos pela refinação do petróleo, destilação do xisto betuminoso ou hidrogenação do carvão. Os mais usados são a gasolina, o óleo diesel e o óleo combustível. Os combustíveis líquidos não- minerais são os álcoois e os óleos vegetais. Os combustíveis gasosos são divididos em naturais e artificiais. Entre os naturais destacam-se o gás dos pântanos CH4 e os gases de petróleo. Entre os artificiais temos o gasogênio, gás de alto-forno e gás de esgoto. Basicamente, uma instalação a vapor é composta de bomba, caldeira, turbina e condensador. Tendo em vista a pressão na saída da turbina, temos as instalações a vapor de condensação e de contrapressão. Nas primeiras, a pressão do vapor na saída da turbina é menor que a atmosférica, nas segundas maior. A combustão ocorre na caldeira, dentro da câmara de combustão onde são injetados o combustível e o comburente (ar). Após a combustão são retirados, como produto do processo, gases e cinzas constituídos de produtos não queimados. A liberação de energia térmica devido ao processo de combustão aquece a água na caldeira até evaporar. Uma vez na tubulação um superaquecedor eleva a temperatura do vapor aumentando assim a pressão para entrar na turbina. Ao passar pela turbina o vapor perde pressão e vai para o condensador onde volta ao estado líquido e é bombeado de volta para a caldeira. A turbina é a máquina que transforma a energia da pressão do vapor em energia cinética de rotação e, através de um eixo de acoplamento, transmite essa energia para o gerador. WEG – Transformando Energia em Soluções 26 Módulo 4 – Geração de Energia 2.4 TERMONUCLEARES A usinas termonucleares funcionam utilizando o mesmo princípio de funcionamento das usinas térmicas, ou seja, as máquinas que entregam energia para o gerador são as turbinas a vapor (ver figura 2.4.1). O que torna essas usinas especiais é o combustível utilizado. Ao invés de uma reação química de combustão, o que acontece é uma liberação de energia a nível atômico. Figura 2.4.1 – Funcionamento de uma usina nuclear O núcleo do átomo foi descoberto em 1911 por Rutherford ao analisar as partículas liberadas pelos átomos, mas somente após a descoberta do nêutron por Chadwick e as reações feitas pelo casal Joliot-Curie em 1932 é que o núcleo começou a adquirir a sua real importância. O tamanho do núcleo é muito pequeno. Ele ocupa o centro do átomo, e a carga total positiva, bem como quase toda a massa do átomo está no núcleo. Ele é formado basicamente por prótons e nêutrons. Os prótons possuem uma carga positiva numericamente igual a carga do elétron (1.602 x 10-19 C). Os nêutrons são eletricamente neutros. As partículas do núcleo são chamadas de nucleons. As forças que mantém as partículas do núcleo unidas entre si são provenientes da repulsão eletrostática entre os prótons e de forças pequenas da natureza que aparecem dentro do núcleo que são chamadas de forças nucleares. A energia acumulada por essas forças nucleares são chamadas de energia de coesão e é calculada pela equação de Einstein: E=MC2. WEG – Transformando Energia em Soluções 29 Módulo 4 – Geração de Energia País Eletricidade de origem nuclear França 70% Bélgica 67% Suécia 50% Suíça 39% Alemanha 30% Espanha 29% Japão 25% Tabela 2.1 – Percentual de eletricidade de origem nuclear WEG – Transformando Energia em Soluções 30 Módulo 4 – Geração de Energia 2.5 TURBINA A GÁS As primeiras turbinas a gás foram idealizadas a mais de 150 anos. No entanto o desenvolvimento e a implementação dessa tecnologia foi dificultada por uma série de motivos. Destacamos entre eles: • A máquina a vapor era o grande avanço da engenharia na época, e todo o desenvolvimento industrial estava fundamentado neste tipo de máquina. Portanto, para que houvesse concorrência, um novo tipo de máquina teria que possuir níveis de rendimento muito altos, o que só era possível a temperaturas próximas de 500oC. Essas temperaturas só foram alcançadas nos últimos 50 anos com o avanço da metalurgia que passou a fornecer materiais que suportassem esses níveis de temperatura por longos períodos de tempo. • Em função do número excessivo de estágios do turbocompressor, a potência para instalações estacionárias era limitada. Apesar dos avanços consideráveis na resolução deste problema, ele ainda ocupa a cabeça de muitos engenheiros encarregados de desenvolver esta tecnologia. • baixo rendimento dos compressores resultavam em um baixo rendimento para a instalação, problemas estes que só foram resolvidos nas últimas décadas através do desenvolvimento da mecânica dos fluidos, das técnicas construtivas, da teoria dos modelos e dos respectivos ensaios, que permitiram a fabricação de turbocompressores com rendimentos superiores a 85%. Não há duvidas que os grandes avanços tecnológicos que viabilizaram o desenvolvimento das turbinas a gás são mérito da indústria aeronáutica que, necessitando aumentar a velocidade dos aviões, abandonaram os motores a pistão para se dedicarem ao desenvolvimento de motores a reação. Desta forma surgiram o primeiro turboélices e turbojatos na Segunda guerra mundial. Figura 2.5.1 – Grupo gerador a gás com turbina em circuito aberto De uma forma bem geral podemos classificar as instalações de turbinas a gás em dois grandes grupos: Turbinas a gás em circuito aberto e Turbinas a gás em circuito fechado. WEG – Transformando Energia em Soluções 31 Módulo 4 – Geração de Energia 2.5.1 TURBINAS A GÁS EM CIRCUITO ABERTO As instalações das turbinas a gás em circuito aberto, estacionárias, podem ser com ou sem recuperação. Neste tipo de instalação encontram-se os motores a reação turboélice e turbojato. O princípio de funcionamento dos motores a reação é simples. No item 2.2 vimos o funcionamento dos motores a pistão. Esses motores utilizam a força exercida nos pistões devida a rápida expansão dos gases em função da explosão. Como já sabemos, a toda força que exerce uma ação corresponde uma força de reação de mesma intensidade, mas com o sentido oposto ao da força atuante. Na figura 2.5.2 estão representadas, de forma simplificada, as forças que atuam em um cilindro quando ocorre a combustão no seu interior. Figura 2.5.2 - forças atuantes em um cilindro com pistão Em função do princípio da ação e reação, as forças que agem nas laterais do cilindro se anulam, uma vez que a superfície é cilíndrica. A força que provoca o deslocamento do pistão é equilibrada por outra de mesma intensidade no fundo do cilindro, provocando também o seu deslocamento se nenhum vínculo existir para impedir. Dizemos que o pistão sofre um deslocamento pela “ação” de uma força, enquanto o cilindro é deslocado pela “reação” de um a força de igual modulo e direção, porem no sentido contrário. Normalmente utilizamos a ação e procuramos eliminar a reação através de vínculos. Isto ocorre, por exemplo, em todos os motores a pistão, em fuzis, metralhadoras , canhões, etc. Nos motores a reação, a idéia é usar a força de reação. No entanto essa força é de curta duração, como a força do recuo de um tiro. Contudo, se usarmos uma metralhadora que dispara milhares de tiros por minuto, essa força terá maior duração, mas com grandes oscilações. A amplitude das oscilações pode ser reduzida diminuindo-se os tamanhos dos projéteis. Se essas dimensões tenderem a zero, também essas amplitudes o farão. O escoamento contínuo de um gás corresponde a realização prática desse princípio. Uma vez que as moléculas do gás representarão os elementos expelidos em dimensões diminutas, logo teremos uma força de reação constante. Como em um balão de borracha cheio onde o ar é expulso através de uma abertura. A figura acima representa uma esfera oca, com uma abertura por onde escoa continuamente uma massa m de fluido a uma velocidade c. Consequentemente ela sofrerá uma reação ou impulsão com uma força F de módulo igual a: cmF ⋅= WEG – Transformando Energia em Soluções 34 Módulo 4 – Geração de Energia Figura 2.5.7 – Esquema geral de uma central térmica a gás em circuito fechado. 1 – Turbocompressor de baixa pressão. 2 – Turbocompressor de alta pressão. 3 – Turbina de alta pressão. 4 – Redutor. 5 – Turbina de baixa pressão. 6 – Pré-refrigerador. 7 – Refrigerador intermediário. 8 – Trocador de calor. 9 – Aquecedor de ar. Note que a turbina a gás em circuito fechado não usa o gás como combustível. A combustão é feita com qualquer produto combustível com a intenção de fornecer energia térmica ao sistema. O gás é utilizado apenas como o fluido que transforma a energia térmica em energia cinética para tocar as turbinas. Por exemplo existem usinas nucleares que utilizam o sistema de turbinas a gás em circuito fechado para geração de energia elétrica, onde a energia térmica é gerada a partir de combustível nuclear. Figura 2.5.8 – Ciclos teóricos da turbina a gás com circuito fechado (Carnot, Ericsson) Esse tipo de turbina utiliza o ciclo básico teórico de Carnot com duas isotérmicas e duas adiabáticas tal como mostrado na figura 2.5.8, que é aproximado na prática pelo ciclo de Ackeret e Keller onde a compressão isotérmica 1,2 é substituída por compressões adiabáticas e WEG – Transformando Energia em Soluções 35 Módulo 4 – Geração de Energia refrigeração isobárica enquanto a expansão isotérmica 3,4 é substituída por expansões adiabáticas e aquecimentos isobáricos. Figura 2.5.9 – Ciclo de trabalho da turbina a gás com circuito fechado (Ackeret e Keller) WEG – Transformando Energia em Soluções 36 Módulo 4 – Geração de Energia 2.6 TURBINAS EÓLICAS Para se entender o funcionamento da turbina eólica faz-se necessário conhecer um pouco da origem da energia transformada em eletricidade por esses equipamentos que, apesar de seu princípio de funcionamento aparentemente simples, são hoje o que existe de mais moderno na área de geração de energia elétrica para fins comerciais. Toda a energia renovável (exceto a geotérmica e a das marés), bem como a energia dos combustíveis fósseis, são provenientes do Sol. O sol irradia 1014 kwh por hora de energia para a terra. Cerca de 1 a 2% dessa energia proveniente do Sol é convertida em energia eólica. Isto corresponde a cerca de 50 a 100 vezes mais do que a energia convertida em biomassa por todas as plantas do planeta. Diferenças de temperatura fazem com que o ar circule. As regiões em volta do equador, na latitude 0o, são mais atingidas pelo calor do sol do que o restante do globo. Se não houvesse a rotação da terra o ar simplesmente circularia na direção dos pólos a 10 Km de altitude, desceria e retornaria ao equador. Uma vez que o globo está rodando, todo o movimento do hemisfério norte é dirigido para a direita, se observarmos este fenômeno em uma posição fixa olhando para o equador (no hemisfério sul ela tende para a esquerda). Essa força aparente de curvatura é conhecida como força de Coriolis (nome do matemático francês Gustave Gaspard Coriolis 1792 – 1843). A força de Coriolis é um fenômeno visível. Por exemplo, os trilhos das estradas de ferro desgastam mais de um lado que do outro, os rios são mais profundos em uma margem que na outra (O lado depende de em qual hemisfério você está). Isto também funciona para os ventos. No hemisfério norte, por exemplo, o vento tende a rodar no sentido anti-horário, enquanto no hemisfério sul, é no sentido horário. Estes dois fatores (as diferenças de temperatura e a força de Coriolis) aliados à geografia, que impõe obstáculos à passagem dos ventos e considera as costas dos continentes, definem o movimento dos ventos. Uma turbina eólica obtém potência convertendo a força dos ventos em um torque atuando nas pás do rotor. A quantidade de energia que o vento transfere para o rotor depende da densidade do ar, da área do rotor, e da velocidade do vento. Figura 2.6.1 – Um cilindro de ar de1500m2 e 1m de largura atravessa o rotor de uma turbina eólica. WEG – Transformando Energia em Soluções 39 Módulo 4 – Geração de Energia Para “captar” a energia cinética do vento e transferir para a flange do rotor transformando em energia cinética de rotação, as pás do rotor e são desenhadas conforme as asas de um avião. Ou seja, o desenho aerodinâmico cria regiões de diferentes pressões em torno das pás fazendo com que elas se movam. Em uma turbina de 600kW moderna, as pás do rotor medem cerca de 20 metros. Figura 2.6.4 – Princípio de funcionamento da asa O corpo da turbina eólica faz o encapsulamento dos componentes principais, incluindo o redutor e o gerador elétrico. O pessoal da manutenção pode entrar dentro do corpo a partir da torre da turbina quando houver necessidade. Em uma das extremidades do corpo fica o rotor, isto é, as pás interligadas pela flange, na outra o namômetro e o cata-vento. Figura 2.6.5 – Corpo da turbina À flange do rotor está ligado um eixo de baixa rotação que é acoplada a um ampliador. Uma turbina de 600kW possui uma rotação relativamente baixa, cerca de 19 a 30 rpm. No eixo de baixa rotação estão localizadas bombas para o sistema hidráulico que opera o freio aerodinâmico como veremos mais adiante. O ampliador é um dispositivo mecânico que transmite potência através de dois eixos girando em velocidades diferentes. Em uma turbina de 600kW, por exemplo, o ampliador transmite uma potência recebida da turbina através do eixo de baixa rotação a uma velocidade de 19 a 30 rpm para um gerador através do eixo de alta rotação a uma velocidade de aproximadamente 1500 rpm, isto é, 50 vezes mais rápido. Por causa das perdas em função do atrito mecânico das engrenagens, a temperatura do ampliador aumenta e um sistema de refrigeração a óleo é responsável pela manutenção da temperatura dentro de faixas aceitáveis. O eixo de alta rotação interliga o ampliador e o gerador. Ele esta equipado com um freio a disco mecânico de emergência que é usado no caso do freio aerodinâmico falhar ou quando a turbina está em manutenção. O gerador usado nas turbinas eólicas é um gerador de indução ou gerador assíncrono, que utiliza o mesmo princípio de funcionamento do motor assíncrono. Esta característica torna WEG – Transformando Energia em Soluções 40 Módulo 4 – Geração de Energia os geradores de turbinas eólicas mais baratos e com um menor custo de manutenção. No entanto isso só é possível porque a potência máxima das turbinas eólicas fica compreendida em uma faixa que vai de 500 a 1500kW. O controlador eletrônico é um computador que monitora continuamente as condições do vento na turbina e controla o mecanismo de direcionamento da turbina, que tem a função de manter a turbina sempre perpendicular à incidência do vento. No caso de algum defeito, como o sobreaquecimento do gerador ou do ampliador, o controlador comanda a parada da turbina e avisa o computador do operador via linha telefônica através de um modem. O mecanismo de direcionamento utiliza um motor elétrico para virar o corpo da turbina de forma que ela fique totalmente contra o vento. Ele é operado por um controlador eletrônico que monitora a direção do vento utilizando o cata-vento. O sistema hidráulico é utilizado para operar o freio aerodinâmico da turbina. Mudando- se o angulo de ataque das pás, pode-se variar a velocidade da turbina. Desta forma o controlador atua no sistema hidráulico com o objetivo de manter a velocidade da turbina constante. A unidade de refrigeração é responsável por manter a temperatura do gerador e do ampliador dentro de uma faixa aceitável para que não se diminua a vida útil destes equipamentos. Por isso o sistema de refrigeração possui um ventilador elétrico independente que tem a função de resfriar o gerador, bem como o óleo que é utilizado pelo ampliador. Figura 2.6.6 – partes componentes da turbina O papel da torre da turbina eólica é sustentar o corpo e o rotor da turbina. Geralmente é uma vantagem a utilização de torres altas uma vez que a velocidade do vento cresce conforme a distância do solo. Uma turbina de 600kW, hoje, fica suspensa a uma altura que varia entre 40 e 60 metros, o que corresponde aproximadamente a uma altura de um prédio de 13 a 20 andares. As torres podem ser tubulares (como mostrado na figura) ou em treliça. Torres tubulares são mais seguras para as pessoas que trabalham na manutenção, uma vez que é utilizado o interior da torre para se alcançar o topo. A vantagem da torre em treliça é que ela é bem mais barata. WEG – Transformando Energia em Soluções 41 Módulo 4 – Geração de Energia O anemômetro é usado para medir a velocidade enquanto o cata-vento mede a direção do vento. Os sinais eletrônicos enviados pelo transdutor de velocidade do anemômetro é utilizado pelo sistema de controle da turbina para aciona-la quando a velocidade do vento chegar a 5 metros por segundo. O computador também para a turbina automaticamente se a velocidade do vento chegar a 25 metros por segundo com a finalidade de proteger a turbina e seus arredores. Os sinais eletrônicos utilizados pelo transdutor de direção do cata-vento são utilizados pelo sistema de controle para acionar o mecanismo de direcionamento. WEG – Transformando Energia em Soluções 44 Módulo 4 – Geração de Energia 3.2 NOÇÕES FUNDAMENTAIS 3.2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO A característica principal de um gerador elétrico é transformar energia mecânica em elétrica. Para facilitar o estudo do princípio de funcionamento, vamos considerar inicialmente uma espira imersa em um campo magnético produzido por um ímã permanente (Figura 3.2). O princípio básico de funcionamento está baseado no movimento relativo entre uma espira e um campo magnético. Os terminais da espira são conectados a dois anéis, que estão ligados ao circuito externo através de escovas. Este tipo de gerador é denominado de armadura giratória. Figura 3.2 - Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura girante) Admitamos que a bobina gira com velocidade uniforme no sentido da flecha dentro do campo magnético "B" também uniforme (Figura 3.2). Se "v" é a velocidade linear do condutor em relação ao campo magnético, segundo a lei da indução (FARADAY), o valor instantâneo da f.e.m. induzida no condutor em movimento de rotação é determinada por: )sen(vlBe θ⋅⋅⋅= Onde: e = força eletromotriz; B = indução do campo magnético; l = comprimento de cada condutor; v = velocidade linear; θ = ângulo formado entre B e v. WEG – Transformando Energia em Soluções 45 Módulo 4 – Geração de Energia Para N espiras teremos então: N)sen(vlBe ⋅θ⋅⋅⋅= A variação da f.e.m. no condutor, em função do tempo, é determinada pela lei da distribuição da indução magnética sob um pólo. Esta distribuição tem um caráter complexo e depende da forma da sapata polar. Com um desenho conveniente da sapata poderemos obter uma distribuição senoidal de induções. Neste caso, a f.e.m. induzida no condutor também varia com o tempo sob uma lei senoidal. A Figura 3.4a. mostra somente um lado da bobina no campo magnético, em 12 posições diferentes, estando cada posição separada uma da outra de 30o. A Figura 3.4b nos mostra as tensões correspondentes a cada uma das posições. Já nos geradores de campo giratório (Figura 3.3) a tensão de armadura é retirada diretamente do enrolamento de armadura (neste caso o estator) sem passar pelas escovas. A potência de excitação destes geradores normalmente é inferior a 5% da potência nominal, por este motivo, o tipo de armadura fixa (ou campo girante) é o mais utilizado. Figura 3.3 - Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura fixa). WEG – Transformando Energia em Soluções 46 Módulo 4 – Geração de Energia Figura 3.4 - Distribuição da Indução Magnética sob um Pólo A cada giro das espiras teremos um ciclo completo da tensão gerada, para uma máquina de um par de pólos. Os enrolamentos podem ser construídos com um número maior de pares de pólos, que se distribuirão alternadamente (um norte e um sul). Neste caso, teremos um ciclo a cada par de pólos. Sendo "n" a rotação da máquina em "rpm" e "f" a freqüência em ciclos por segundo (HERTZ) teremos: ]Hz[npf 120 ⋅ = Onde: f = frequência (Hz) p = número de pólos n = rotação síncrona (rpm) Note que o número de pólos da máquina terá que ser sempre par, para formar os pares de pólos. Na tabela 3.1 são mostradas, para as freqüências e polaridades usuais, as velocidades síncronas correspondentes. Número de pólos 60 Hz 50 Hz 2 3600 3000 4 1800 1500 6 1200 1000 8 900 750 10 720 600 Tabela 3.1 - Velocidades Síncronas WEG – Transformando Energia em Soluções 49 Módulo 4 – Geração de Energia Figura 3.7 - Ligação Estrela Examinando o esquema da figura 3.7b vê-se que: 1) A corrente em cada fio da linha, ou corrente de linha (IL), é a mesma corrente da fase à qual o fio está ligado, ou seja, IL = IF. 2) A tensão entre dois fios quaisquer do sistema trifásico é a soma gráfica figura 3.7c das tensões das duas fases as quais estão ligados os fios considerados, ou seja, FFL V,VV ⋅=⋅= 73213 Exemplo: Temos uma carga trifásica composta de três cargas iguais, cada carga é feita para ser ligada a uma tensão de 220V, absorvendo, 5,77A. Qual a tensão nominal do sistema trifásico que alimenta esta carga em suas condições normais (220V e 5,77A) Qual a corrente de linha (IL)? Temos VF = 220V (nominal de cada carga) VL = 1,732 x 220V = 380V IL = IF = 5,77 A. 3.2.2.2 TENSÃO NOMINAL MÚLTIPLA A grande maioria dos geradores são fornecidos com terminais do enrolamento religáveis, de modo a poderem pelo menos fornecer duas tensões diferentes. Os principais tipos de religação de terminais de geradores ou motores assíncronos para funcionamento em mais de uma tensão são: a) Ligação série-paralela: O enrolamento de cada fase é dividido em duas partes (lembrar que o número de pólos é sempre par, de modo que este tipo de ligação é sempre possível). WEG – Transformando Energia em Soluções 50 Módulo 4 – Geração de Energia Ligando as duas metades em série, cada metade ficará com a metade da tensão de fase nominal da máquina. Ligando as duas metades em paralelo, a máquina poderá ser alimentada com uma tensão igual à metade da tensão anterior, sem que se altere a tensão aplicada a cada bobina. Veja os exemplos numéricos da figura 3.8. Figura 3.8 - Tensão Nominal Múltipla É comum em geradores o fornecimento em três tensões 220/380/440. O procedimento nestes casos para se obter 380 V é ligar o gerador em 440 V, e alterar a referência no regulador de tensão, de modo a se obter a redução de tensão (redução da indução magnética). Deste modo, poderemos obter três tensões na ligação Y, que é a mais comum em geradores. WEG – Transformando Energia em Soluções 51 Módulo 4 – Geração de Energia LIGAÇÃO TENSÃO DE LINHA CORRENTE DE LINHA POTÊNCIA (VA) Y 3⋅= FL VV IL = IF ∆ VL = VF 3⋅= FL II FF IVP ⋅⋅= 3 LL IVP ⋅⋅= 3 Tabela 3.2 - Relação entre tensões(linha/fase) correntes (linha/fase) e potência em um sistema trifásico. b) Ligação estrela-triângulo: É comum para partida de motores assíncronos a ligação estrela-triângulo. Nesta ligação, o enrolamento de cada fase tem as duas pontas trazidas para fora do motor. Se ligarmos as três fases em triângulo cada fase receberá a tensão da linha, por exemplo (figura 3.9b) 220 Volts. Se ligarmos as três fases em estrela (figura 3.9a), o motor pode ser ligado a uma linha com tensão igual a 220 x 3 = 380 V sem alterar a tensão no enrolamento que continua igual a 220 Volts por fase. Este tipo de ligação exige 6 terminais acessíveis no motor e serve para quaisquer tensões nominais duplas, desde que a segunda seja igual a primeira multiplicada por 3 . Exemplos:220/380V - 380/660V - 440/760V. Note que uma tensão acima de 600 Volts não é considerada baixa tensão, mas entra na faixa da alta tensão, em que as normas são outras, nos exemplos 380/660 e 440/760V, a maior tensão declarada serve somente para indicar que o motor pode ser religado em estrela-triângulo, pois não existem linhas dessas tensões. Figura 3.9 - Ligação Estrela-Triângulo WEG – Transformando Energia em Soluções 54 Módulo 4 – Geração de Energia c) Carga puramente capacitiva: A corrente de armadura para uma carga capacitiva está defasada de 90o em adiantamento em relação a tensão. O campo de reação da armadura conseqüentemente estará na mesma direção do campo principal e com a mesma polaridade. O campo induzido, neste caso, tem um efeito magnetizante (figura 3.13a e b). As cargas capacitivas armazenam energia em seu campo elétrico e a devolvem totalmente ao gerador, não exercendo também, como no caso anterior, nenhum conjugado de frenagem sobre o induzido. Devido ao efeito magnetizante será necessário reduzir a corrente de excitação para manter a tensão nominal (figura3.14) Figura 3.13 - Carga Puramente Capacitiva Figura 3.14 - Variação da corrente de excitação para manter a tensão de armadura constante. WEG – Transformando Energia em Soluções 55 Módulo 4 – Geração de Energia d) Cargas intermediárias: Na prática, o que encontramos são cargas com defasagem intermediária entre totalmente indutiva ou capacitiva e resistiva. Nestes casos o campo induzido pode ser decomposto em dois campos, um transversal e outro desmagnetizante (indutiva) ou magnetizante (capacitiva). Somente o campo transversal tem um efeito frenante consumindo, desta forma, potência mecânica da máquina acionante. O efeito magnetizante ou desmagnetizante deverá ser compensado alterando-se a corrente de excitação. 3.2.4 MÁQUINAS DE PÓLOS LISOS E SALIENTES Os geradores síncronos são construídos com rotores de pólos lisos ou salientes. PÓLOS LISOS: São rotores nos quais o entreferro é constante ao longo de toda a periferia do núcleo de ferro. Figura 3.15 - Rotor de pólos lisos PÓLOS SALIENTES: São rotores que apresentam uma descontinuidade no entreferro ao longo da periferia do núcleo de ferro. Nestes casos, existem as chamadas regiões interpolares onde o entreferro é muito grande, tornando visível a saliência dos pólos. WEG – Transformando Energia em Soluções 56 Módulo 4 – Geração de Energia Figura 3.16 - Rotor de pólos salientes 3.2.5 REATÂNCIAS A análise básica do desempenho transitório de máquinas síncronas é muito facilitada por uma transformação linear de variáveis, na qual as três correntes de fase do estator IA, IB, e IC, são substituídas por três componentes, a componente de eixo direto, Id, a componente de eixo em quadratura, Iq, e uma componente monofásica I0, conhecida como componente de seqüência zero (eixo zero). Para operação equilibrada em regime permanente (figura 3.17), I0 é nula (não sendo discutida, portanto). O significado físico das componentes de eixo direto e em quadratura é o seguinte: A máquina de pólos salientes tem uma direção preferencial de magnetização determinada pela saliência dos pólos de campo. A permanência ao longo do eixo polar ou direto, é apreciavelmente maior do que ao longo do eixo interpolar ou quadratura. WEG – Transformando Energia em Soluções 59 Módulo 4 – Geração de Energia Onde: I = valor eficaz da corrente de curto-circuito em regime permanente. 2 I = I RP x m O gerador síncrono é o único componente do sistema elétrico que apresenta três reatâncias distintas, cujos valores obedecem a inequação: Xd"< Xd' < Xd 3.2.6 POTÊNCIA EM MÁQUINAS DE PÓLOS SALIENTES A potência de uma máquina síncrona é expressa por: P = m . UF . IF . cosϕ m = Número de fases UF = Tensão de fase IF = Corrente de fase A potência elétrica desenvolvida em máquinas de pólos salientes também pode ser expressa em função do ângulo de carga, que surge entre os fasores Uf (tensão de fase) e E0 (força eletromotriz induzida) determinado pela posição angular do rotor em relação ao fluxo girante de estator (figura 3.19a) Figura 3.19a - Ângulo de Carga em Máquinas de Pólos Salientes WEG – Transformando Energia em Soluções 60 Módulo 4 – Geração de Energia Figura 3.19b - Diagrama de Tensão - Gerador Síncrono de Pólos Salientes Onde: xd e xq reatância de eixo direto e em quadratura respectivamente P = Pd + Pq Pd = UF . Id . senϕ Pq = UF . Iq . cosϕ Figura 3.20 - Curva de potência em máquinas síncronas A potência eletromagnética que é a potência transmitida pelo rotor de um gerador ao estator pode ser expressa por: )2( sen xd 1 - xq 1 2 U . m + )( sen xd U . E . m = P FF0 δ⋅      δ 2 O primeiro termo da expressão anterior: )( sen xd U . E . m = P F0e δ , é a potência que depende da tensão da rede UF e da excitação da máquina (figura 3.20). O segundo termo da expressão: )2( sen xd 1 - xq 1 2 U . m F δ⋅     2 , é adicional devido a diferença de relutância do entreferro, a qual não depende da excitação da máquina (figura 3.20). WEG – Transformando Energia em Soluções 61 Módulo 4 – Geração de Energia 3.2.7 DEFINIÇÕES 3.2.7.1 DISTORÇÃO HARMÔNICA O formato ideal da onda de tensão de uma fonte de energia CA é senoidal. Qualquer onda de tensão que contenha certa distorção harmônica (figura 3.21) pode ser apresentada como sendo equivalente a soma da fundamental mais uma série de tensões CA relacionadas harmonicamente de amplitudes específicas. A distorção pode ser definida para cada harmônica em relação a sua amplitude como uma percentagem da fundamental. A distorção harmônica pode ser calculada utilizando-se a fórmula: E )(E = Distorção 1 2 m m ∑ 2 Onde: Em = Tensão harmônica de ordem "m"; E1 = Fundamental; Na figura 3.21 está representada a forma de onda tomada entre fase-fase em gerador. A distorção calculada foi de 2,04%. Na figura 3.22 temos a forma de onda tomada entre fase- neutro. A distorção calculada foi de 15,71% (a) (b) Figura 3.21 (a) - Forma de onda com 2,04% de distorção harmônica; (b) - Forma de onda com 15,71% de distorção harmônica 3.2.7.2 FATOR DE DESVIO Desvios ou variações do formato senoidal da onda podem ocorrer durante qualquer parte da onda: positivo, negativo ou durante o cruzamento por zero (figura 3.22) WEG – Transformando Energia em Soluções 64 Módulo 4 – Geração de Energia 3.2.7.7 TOLERÂNCIA DE TENSÃO Desvios máximos aceitáveis na tensão geralmente são expressos como percentagens da tensão nominal, por exemplo: + 5% ‡ 105% continuamente – 7,5% ‡ 92,5% continuamente WEG – Transformando Energia em Soluções 65 Módulo 4 – Geração de Energia 3.3 GERADORES WEG Atualmente a WEG MÁQUINAS produz duas linhas básicas de máquinas síncronas: linha S e linha GTA. A linha S foi criada para atender aplicações mais específicas e é composta de produtos engenheirados (motores e geradores) com carcaças a partir da 355 até 2000 em baixa ou alta tensão. São fabricados em chapas de aço soldadas, abertos ou fechados com trocador de calor a ar ou água, formas construtivas B3, D5, D6 ou V1. Acionadas geralmente por turbinas hidráulicas ou a vapor. A linha GTA é uma evolução das extintas linhas DK e BTA, composta somente de máquinas seriadas (geradores) normais, telecomunicações e navais , com carcaças a partir da 200 até 500, somente em baixa tensão. São fabricadas em chapas de aço calandradas, abertas, e nas formas construtivas B15T ou B5/B3T. Acionadas geralmente por motores diesel. Esta linha tem como principais vantagens, em relação à linha BTA anterior, as seguintes características: • Passo de bobinagem 2/3, baixa distorção harmônica e baixa reatância subtransitória, sendo apto a alimentar cargas deformantes com componentes de 3a harmônica altas; • Excitatriz com imãs permanentes, facilitando assim o escorvamento sob qualquer condição; • Facilidade de manutenção, proporcionada pela robustez das máquinas, acesso facilitado aos diodos e regulador de tensão; • Facilidade de manutenção da corrente de curto-circuito devido a presença de bobina auxiliar para alimentação do regulador de tensão. 3.3.1 NORMAS APLICÁVEIS As máquinas são projetadas, fabricadas e testadas segundo as normas ABNT, IEC e DIN, onde aplicáveis. Especificamente podemos citar: • VDE 0530-Máquinas Elétricas Girantes (Especificação e Características de Ensaio); • NBR 5117-Máquinas Síncronas (Especificação); • NBR 5052-Máquinas Síncronas (Método de Ensaio). 3.3.2 GERADORES COM EXCITAÇÃO POR ESCOVAS 3.3.2.1 TIPO SL (ANTIGO DL) No gerador SL, o campo é alimentado em corrente contínua por escovas e anéis coletores, e a tensão alternada é retirada do estator (fig.3.2.1), neste sistema normalmente o campo é alimentado por uma excitatriz chamada de excitatriz estática. A tensão de saída do gerador é mantida constante para qualquer carga e fator de potência, pois esta verifica constantemente a tensão de saída. Quando acionado na rotação nominal o processo de escorvamento se inicia pela tensão residual do gerador. WEG – Transformando Energia em Soluções 66 Módulo 4 – Geração de Energia VANTAGENS: • Menor tempo de resposta na recuperação de tensão; • Menor queda de tensão na partida de motores de indução. DESVANTAGENS: • Exige manutenção periódica no conjunto escovas e porta escovas; • Não é aconselhável a utilização em centro de processamento de dados, telecomunicações, devido a possibilidade de gerar rádio interferência em função de mau contato das escovas. 3.3.3 GERADORES COM EXCITAÇÃO SEM ESCOVAS (BRUSHLESS) Para aplicação industrial temos os seguintes tipos: a) SP (antigos DKBH e DKBP) - O gerador tipo SP possui uma excitatriz auxiliar ao regulador de tensão, formada por ímãs permanentes. No regulador, a tensão proveniente da excitatriz auxiliar é retificada, enviada a um gerador de pólos fixos (excitatriz principal) e ponte retificadora girante . Então, essa tensão contínua é aplicada ao rotor da máquina (figura 3.26). Neste sistema as escovas e porta escovas são eliminados pois a tensão de alimentação do campo do gerador é obtida através da tensão induzida na excitatriz e o único elemento de interação é o campo magnético. Na linha SP a excitatriz auxiliar é montada em compartimento separado do estator principal da máquina. A antiga linha D possuia duas variações: • DKBH: excitatriz auxiliar sem ímãs, montada internamente ao gerador. Neste tipo de excitatriz, se a máquina ficar parada por longos períodos, pode-se ter dificuldade de se iniciar o escorvamento. • DKBP: excitatriz auxiliar com ímãs, montada externamente ao gerador (montada na tampa traseira). b) SS (antigo DKBL) - No gerador tipo SS a alimentação do regulador é obtida através de TAP's do próprio enrolamento para baixa tensão ou TP's (trafos de potencial) para alta tensão. Então, no regulador, a tensão é retificada e enviada a um gerador de pólos fixos (excitatriz principal) e ponte retificadora girante. c) GTA (antigo BTA) - Gerador brushless (sem escovas) sem excitatriz auxiliar. Utiliza um enrolamento auxiliar independente, alojado nas ranhuras da armadura (bobina auxiliar). Serve para fornecer a tensão para o regulador de tensão. (figuras 3.27 e 3.28). A bobina auxiliar é um bobinado auxiliar que fica alojado em algumas ranhuras do estator principal da máquina. Sua função é fornecer potência para alimentar o campo da excitatriz principal, regulada e retificada pelo regulador de tensão. WEG – Transformando Energia em Soluções 69 Módulo 4 – Geração de Energia 3.3.4 GERADORES COM EXCITAÇÃO SEM ESCOVAS PARA APLICAÇÕES ESPECIAIS a) TELECOMUNICAÇÕES - Os geradores tipo Telecomunicações são fabricados elétrica e mecanicamente conforme especificações da norma TELEBRÁS . As aplicações mais comuns são grupos diesel de emergência para centrais telefônicas, repetidoras, radares, sistema de rádio, aeroportos e outras cargas críticas. Vantagens: • Não utiliza escovas e porta-escovas conseguindo-se com isso, manutenção reduzida, solicitando cuidados apenas na lubrificação dos rolamentos. • Não introduz rádio-interferências ocasionado pelo mau contato das escovas. • Deformações na forma de onda gerada, provocada pelas cargas, não interferem na regulação, pois o regulador é alimentado por uma bobina auxiliar, independente da tensão de saída. • Admite facilmente o controle de tensão manual. Características Técnicas: • Normas aplicáveis: VDE, ABNT, IEC e TELEBRÁS. • Forma construtiva: B5/B3T com flange para acoplamento monobloco a motor diesel. • Reatância sub-transitória de eixo direto (xd") menor que 12%. • Distorção harmônica total menor que 3% para carga linear. • Precisão da regulação de tensão ±0,5% para qualquer valor de carga com fator de potência entre 0,8 e 1,0. • Transitório de tensão para degrau de 100% da carga: ±10% da tensão nominal. • Tempo de resposta para recuperar a tensão, menor que 0,5 segundos. • Variações de ±5% na rotação do motor diesel, não prejudicam a regulação da tensão. • Faixa de ajuste da tensão nominal pelos potenciômetros: ajuste normal ±15%, ajuste fino ±5% • Sobrecarga admissível: 10% durante 1 hora a cada 6 horas, de 200% por 15 segundos a cada 1 hora. b) NAVAL - Os geradores para uso naval são projetados e fabricados para atender parâmetros e características técnicas de acordo com as entidades classificadoras e normas afins. c) MARINIZADO - Os geradores marinizados são projetados e fabricados para atender parâmetros e características técnicas para aplicações em ambientes marítimos, entretanto, não obedecem a entidades classificadoras. WEG – Transformando Energia em Soluções 70 Módulo 4 – Geração de Energia 3.3.5 MOTORES SÍNCRONOS Devido a portaria no 85 do DNAEE de 15/03/1992 que alterou o valor mínimo do fator de potência de 0,85 para 0,92, tornou-se mais difícil atender a este limite. Uma das soluções aplicáveis para a obtenção de fatores de potência dentro da faixa especificada pela portaria é a utilização de motores ou compensadores síncronos. A grande vantagem da aplicação destas máquinas é a facilidade no ajuste e a possibilidade da manutenção contínua do valor do fator de potência pré-ajustado. O motor síncrono apresenta ainda vantagem de poder acionar uma carga no eixo (mecânica), enquanto funciona como compensador do fator de potência. Os motores síncronos caracterizam-se quanto à dinâmica de funcionamento, por terem a mesma velocidade de rotação do campo girante da armadura em regime permanente e por não terem, por si só, conjugado de partida. Deste modo, tais motores necessitam de um método de partida. Na prática, o mais comum consiste em dar a partida no motor síncrono como se este fosse um motor assíncrono e depois excitar o indutor (alimentar o enrolamento de campo com corrente contínua), a fim de sincronizá-lo. Para os motores síncronos de pólos salientes, o método de partida consiste na aplicação de barras de cobre, latão ou alumínio nas sapatas polares, que são curto-circuitadas nas extremidades por meio de anéis coletores, como se fosse a gaiola de um motor de indução assíncrono. A figura 3.29a mostra as barras curto-circuitadas nas sapatas polares. A gaiola de partida também é chamada de enrolamento amortecedor, pois além de fornecer o conjugado de partida, amortece as oscilações causadas pelas variações de carga, estabilizando a rotação do motor. A partida do motor síncrono sem escovas ("brushless") é feita com enrolamento de campo (excitação) curto-circuitado e com o induzido (armadura) conectado à rede. Curto- circuita-se o enrolamento de campo com o objetivo de evitar a indução de tensões muito altas entre seus terminais, o que provocaria a perfuração do isolamento. Liga-se a armadura a uma rede de tensão alternada e, então, manifesta-se o conjugado de motor assíncrono e o rotor acelera até próximo à velocidade síncrona sem contudo, atingí-la. Quando a velocidade do rotor for cerca de 95% da velocidade síncrona, é alimentado o enrolamento de campo com corrente contínua. O campo magnético criado pelo enrolamento de campo entrelaça-se com o campo magnético da armadura, manifestando o conjugado de sincronismo e fazendo com que o rotor acompanhe o campo de armadura, movimentando-se à velocidade síncrona. Este fenômeno transitório é chamado "sincronização". WEG – Transformando Energia em Soluções 71 Módulo 4 – Geração de Energia Figura 3.29 – Perfil da chapa do campo (a) e Diagrama esquemático para Motor Síncrono (b) Sistema de Excitação Sem Escovas para Motor Síncrono O sistema de excitação sem escovas é constituído de: • Excitatriz auxiliar; • Excitatriz principal; • Enrolamento de campo. A excitatriz auxiliar é uma máquina de pólos externos. Seu rotor é constituído de barras axiais encravadas nas sapatas polares do rotor da máquina principal, que são seus pólos de excitação. O estator, constituído de chapas, possui um enrolamento trifásico. A excitatriz principal é um gerador de corrente trifásica de pólos salientes que acomodam as bobinas do campo de excitação, que são ligadas em série. O rotor da excitatriz principal é laminado, e suas ranhuras abrigam um enrolamento trifásico ligado em estrela. O ponto comum desta ligação estrela é inacessível. De cada ponto da ligação estrela saem dois fios para os retificadores girantes, assentados sobre dois suportes dissipadores. O enrolamento de campo é montado sobre o rotor da máquina principal, com as bobinas enroladas sobre os pólos de excitação. O esquema do sistema de excitação do campo do motor síncrono sem escovas é mostrado na figura 3.29b. O estator da máquina principal, que é alimentado pela rede através dos terminais U1, V1, W1 induz através das barras axiais encravadas no rotor, uma tensão trifásica na excitatriz WEG – Transformando Energia em Soluções 74 Módulo 4 – Geração de Energia G T A . 3 1 5 M I 3 1 S 0 4 C Aplicação I Industrial M Marinizado T Telecomunicações N Naval E Especial G T A . 3 1 5 M I 3 1 S 0 4 C Característica T Gerador Brushless c/Bobina auxiliar P Gerador Brushless c/Excitatriz auxiliar S Gerador Brushless s/auxiliar L Gerador com escovas D Motor com escovas E Motor Brushless sem Excitatriz auxiliar F Motor Brushless com Excitatriz auxiliar M Monofásico Brushless sem Excitatriz auxiliar N Monofásico Brushless com Excitatriz auxiliar Q Monofásico Brushless com Bobina auxiliar G T A . 3 1 5 M I 3 1 S 0 4 C Código do Pacote 00 até 99 G T A . 3 1 5 M I 3 1 S 0 4 C Tipo de Rotor S Pólos Salientes L Pólos Lisos G T A . 3 1 5 M I 3 1 S 0 4 C Número de Pólos WEG – Transformando Energia em Soluções 75 Módulo 4 – Geração de Energia GTA.315MI31104C Tipo de Cálculo C Consulta E Especificação para OP,AM e AT K Catálogo G T A . 3 1 5 M I 3 1 S 0 4 C Tipo de Refrigeração A Aberto Autoventilado F Trocador de calor ar-ar W Trocador de calor ar-água I Ventilacao forçada Independente D Auto-Ventilador por Dutos T Ventilação Forçada por Dutos L Ventilacao Forçada com Trocador Ar -água V Ventilação Forçada Aberto WEG – Transformando Energia em Soluções 76 Módulo 4 – Geração de Energia 3.4 CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE Entre outros, dois fatores influem na determinação da potência admissível: a temperatura do meio refrigerante e a altitude em que o gerador for instalado. a) Meio refrigerante: Na maioria dos casos o ar ambiente de temperatura não superior a 40oC e isento de elementos prejudiciais. b) Altitude (não superior a 1000m sobre o nível do mar). Até nestes valores de altitude e temperatura ambiente considera-se condições normais que o gerador deve fornecer, sem sobre aquecimento, sua potência nominal. 3.4.1 ALTITUDE Gerador funcionando em altitude acima de 1000m apresentam problemas de aquecimento causado pela rarefação do ar e consequentemente diminuição do seu poder de arrefecimento. A insuficiente troca de calor entre o gerador e o ar circundante, leva à exigência de redução de perdas, o que significa também redução de potência. Os geradores tem aquecimento diretamente proporcional as perdas e estas variam aproximadamente, numa razão quadrática com a potência. 3.4.2 TEMPERATURA AMBIENTE. Geradores que trabalham em temperaturas inferiores a –20oC apresentam os seguintes problemas: a) Excessiva condensação, exigindo drenagem adicional ou instalação de resistência de aquecimento, caso o gerador fique longos períodos parado. b) Formação de gelo nos mancais provocando endurecimento das graxas ou lubrificantes dos mancais, exigindo o emprego de lubrificantes especiais ou graxa anti-congelante. Em geradores que trabalham a temperatura ambiente constantemente superiores a 40oC, o enrolamento pode atingir temperaturas prejudiciais a isolação.Este fato tem que ser compensado por um projeto especial do gerador, usando materiais isolantes especiais ou pela redução da potência nominal do mesmo. 3.4.3 DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA ÚTIL DO GERADOR NAS DIVERSAS CONDIÇÕES DE TEMPERATURA E ALTITUDE Associando os efeitos da variação da temperatura e da altitude à capacidade de dissipação, a potência do gerador pode ser obtida multiplicando-se a potência útil pelo fator de multiplicação encontrado na figura 3.41. WEG – Transformando Energia em Soluções 79 Módulo 4 – Geração de Energia 1o Algarismo: Indica o grau de proteção contra penetração de corpos sólidos estranhos e contato acidental. 0 - sem proteção 1 - corpos estranhos de dimensões acima de 50mm 2 - idem, acima de 12mm 4 - idem, acima de 1mm. 5 - proteção contra acúmulo de poeiras prejudiciais ao gerador. 2o Algarismo: Indica o grau de proteção contra penetração de água no interior do gerador 0 - sem proteção 1 - pingos de água na vertical 2 - pingos de água até a inclinação de 15• com a vertical 3 - água de chuva até a inclinação de 60• com a vertical 4 - respingos de todas as direções 5 - jatos de água de todas as direções 6 - água de vagalhões 7 - imersão temporária 8 - imersão permanente As combinações entre os dois algarismos, isto é, entre os dois critérios de proteção, estão resumidos na tabela 3.4. Note que, de acordo com a norma, a qualificação do gerador em cada grau no que refere a cada um dos algarismos, é bem definida através de ensaios padronizados e não sujeita a duplas interpretações, como acontecia anteriormente. WEG – Transformando Energia em Soluções 80 Módulo 4 – Geração de Energia 1o ALGARISMO 2o ALGARISMO GERADORES CLASSE DE PROTEÇÃO PROTEÇÃO CONTRA CONTATO PROTEÇÃO CONTRA CORPOS ESTRANHOS PROTEÇÃO CONTRA ÁGUA IP00 NÃO TEM NÃO TEM NÃO TEM IP02 NÃO TEM NÃO TEM PINGOS DE ÁGUA ATÉ UMA INCLINAÇÃO DE 15o COM A VERTICAL IP11 TOQUE ACIDENTAL COM A MÃO CORPOS ESTRANHOS SÓLIDOS DE DIMENSÕES ACIMA DE 50mm. PINGOS DE ÁGUA NA VERTICAL IP12 PINGOS DE ÁGUA ATÉ UMA INCLINAÇÃO DE 15o COM A VERTICAL IP13 ÁGUA DE CHUVA ATÉ UMA INCLINAÇÃO DE 60o COM A VERTICAL. IP21 TOQUE COM OS DEDOS CORPOS ESTRANHOS SÓLIDOS DE DIMENSÕES ACIMA DE 12mm. PINGOS DE ÁGUA NA VERTICAL IP22 PINGOS DE ÁGUA ATÉ UMA INCLINAÇÃO DE 15o COM A VERTICAL IP23 ÁGUA DE CHUVA ATÉ UMA INCLINAÇÃO DE 60o COM A VERTICAL A B E R T O IP44 TOQUE COM FERRAMENTAS CORPOS ESTRANHOS SÓLIDOS ACIMA DE 1mm RESPINGOS DE TODAS AS DIREÇÕES IP54 PROTEÇÃO COMPLETA CONTRA TOQUE PROTEÇÃO CONTRA ACÚMULO DE POEIRAS NOCIVAS RESPINGOS DE TODAS AS DIREÇÕES F E C H A D O IP55 JATOS DE ÁGUA DE TODAS AS DIREÇÕES Tabela 3.4 - Grau de Proteção 3.4.5.2 TIPOS USUAIS Embora os algarismos indicativos do grau de proteção possam ser combinados de muitas maneiras, somente alguns tipos de proteção são empregados nos casos normais. São eles IP21, IP23 (geradores abertos). Para aplicações especiais mais rigorosas, são comuns também os graus de proteção IP54 (ambientes muito empoeirados) e IP55 (casos em que os equipamentos são lavados periodicamente com mangueiras, como em fábricas de papel). 3.4.6 LIMITES DE RUÍDO As normas IEC 39.9 e a NBR - projetos limites 3:02.8-001 especificam limites máximos de nível de potência sonora, em decibéis, na escala de ponderação A, dB (A), para ruídos de máquinas elétricas girantes transmitindo através do ar, conforme Tabela 3.5. WEG – Transformando Energia em Soluções 81 Módulo 4 – Geração de Energia GRAUS DE PROTEÇÃO IP22 IP44 IP22 IP44 IP22 IP44 IP22 IP44 IP22 IP44 IP22 IP44 VELOCIDADE NOMINAL -RPM n > 960 960 < n ≤ 1320 1320 < n ≤ 1900 1900 < n ≤ 2360 2360 < n ≤ 3150 3150 < n ≤ 3750 FAIXAS DE POTÊNCIAS NOMINAIS, P GERADORES kW cv NÍVEL DE POTÊNCIA SONORA dB(A) P < 1,1 P < 1,1 71 76 75 78 78 80 80 82 82 84 85 88 1,1 < P < 2,2 1,5 < P < 3,0 74 79 78 80 81 83 83 86 85 88 89 91 2,2 < P < 5,5 3,0 < P < 7,5 77 82 81 84 85 87 86 90 89 92 93 95 5,5 < P < 11 7,5 < P < 15 81 85 85 88 88 91 90 94 93 96 97 99 11 < P < 22 15 < P < 30 84 88 88 91 91 95 93 98 96 100 99 102 22 < P < 37 30 < P < 50 87 91 91 94 94 97 96 100 99 103 101 104 37 < P < 55 50 < P < 75 90 93 94 97 97 99 98 102 101 105 103 106 55 < P < 110 75 < P< 150 94 96 97 100 100 103 101 105 103 107 104 108 110 < P < 220 150 < P < 300 97 99 100 103 103 106 103 108 105 109 106 110 220 < P < 630 300 < P < 860 99 101 102 105 106 108 106 110 107 111 107 112 630 < P < 1100 860 < P < 1500 101 103 105 108 108 111 108 112 109 112 109 114 1100 < P < 2500 1500 < P < 3400 103 105 108 110 110 113 109 113 110 113 110 115 2500 < P < 6300 3400 < P < 8600 105 108 110 112 111 115 111 115 112 115 111 116 Tabela 3.5 - Nível de potência sonora em dB(A). 3.4.7 VIBRAÇÃO A tabela 3.6 indica valores admissíveis para a máxima velocidade de vibração para as diversas carcaças, dentro de 3 tipos de balanceamento que são: Normal, Reduzido e Especial conforme Norma DIN 45665. Os geradores normalmente são balanceados no grau N. WEG – Transformando Energia em Soluções 84 Módulo 4 – Geração de Energia a) Gerador totalmente fechado com trocador de calor ar-ar. O gerador possui dois ventiladores acoplados no eixo, um interno e outro externo. O trocador de calor é colocado na parte superior do gerador. Figura3.43 - Refrigeração do gerador com trocador de calor ar-ar. O trocador de calor ar-ar é constituído de tubos colocados axialmente e montados na parte superior do gerador. O tubo é fornecido em aluminio trefilado, liga ABNT 1100 e em algumas aplicações, em aço sem costura, fosfatizado e protegido por uma tinta anti-corrosiva. b) Gerador totalmente fechado com trocador de calor ar-água O gerador possui um ventilador acoplado no eixo. A figura 3.44 mostra o esquema do circuito de refrigeração do gerador com trocador de calor ar-água. Figura 3.44 - Refrigeração do gerador com trocador de calor ar-água WEG – Transformando Energia em Soluções 85 Módulo 4 – Geração de Energia 3.4.9 ACESSÓRIOS/ESPECIALIDADES 3.4.9.1 RESISTÊNCIA DE AQUECIMENTO As resistências de aquecimento são utilizadas em gerador instalado em ambientes muito úmidos, impedindo a condensação de água ao ficarem parados por longo espaço de tempo, devido ao fato de aquecerem o enrolamento alguns graus acima do ambiente (5 a l0oC). CARCAÇA POTÊNCIA (W) 160 48 225 90 250 90 280 180 315 180 355 180 400 180 450 180 Tabela 3.7 - Potência das Resistências de Aquecimento por Carcaça A aplicação é opcional, solicitada pelo cliente ou recomendada pela WEG quando ficar evidenciada a aplicação em ambientes desfavoráveis. As resistências de aquecimento poderão funcionar em redes de alimentação de 110V, 220V e 440V, dependendo da tensão da resistência e da ligação das mesmas. A tensão de alimentação das resistências deverá ser especificada pelo cliente. Dependendo da carcaça, serão empregados os resistores de aquecimento da tabela 3.7. 3.4.9.2 PROTEÇÃO TÉRMICA DE GERADORES ELÉTRICOS A proteção térmica é efetuada por meio de termoresistências(resistência calibrada), termistores, termostatos ou protetores térmicos. Os tipos de detetores a serem utilizados são determinados em função da classe de temperatura do isolamento empregado, de cad a tipo de máquina e da exigência do cliente. 3.4.9.2.1 TERMORESISTÊNCIAS(PT-100) São elementos onde sua operação é baseada na característica de variação da resistência com a temperatura, intrínseca a alguns materiais(geralmente platina, níquel ou cobre). Possuem resistência calibrada, que varia linearmente com a temperatura, possibilitando um acompanhamento contínuo do processo de aquecimento do gerador pelo display do controlador com alto grau de precisão e sensibilidade de resposta. Sua aplicação é ampla nos diversos setores de técnicas de medição e automatização de temperatura nas indústrias em geral. Geralmente, aplica-se em instalações de grande responsabilidade, como por exemplo, em mancais de rolamentos ou buchas. Um mesmo detetor pode servir para alarme e para desligamento. Desvantagem: • Os elementos sensores e o circuito de controle possuem um alto custo. WEG – Transformando Energia em Soluções 86 Módulo 4 – Geração de Energia 3.4.9.2.2 TERMISTORES(PTC E NTC) São detetores térmicos compostos de sensores semi-condutores que variam sua resistência bruscamente ao atingirem uma determinada temperatura. PTC - Coeficiente de Temperatura Positivo NTC - Coeficiente de Temperatura Negativo O tipo "PTC" é um termistor cuja resistência aumenta bruscamente para um valor bem definido de temperatura, especificado para cada tipo. Essa variação brusca na resistência interrompe a corrente no PTC, acionando um relé de saída, o qual desliga o circuito principal. Também pode ser utilizado para sistemas de alarme ou alarme e desligamento (2 por fase). Para o termistor "NTC" acontece o contrário do PTC, porém, sua aplicação não é normal em geradores elétricos, pois os circuitos eletrônicos de controle disponíveis, geralmente são para o PTC. Os termistores possuem tamanho reduzido, não sofrem desgastes mecânicos e têm uma resposta mais rápida em relação aos outros detetores, embora permitam um acompanhamento contínuo do processo de aquecimento do gerador. Os termistores com seus respectivos circuitos eletrônicos de controle oferecem proteção completa contra sobreaquecimento produzido por sobrecarga, sub ou sobretensões ou liga-desliga. Possuem um baixo custo, relativamente ao do tipo Pt-100, porém, necessitam de relé para comando da atuação do alarme ou operação. 3.4.9.2.3 TERMOSTATOS São detetores térmicos do tipo bimetálico com contatos de prata normalmente fechados, que se abrem quando ocorre determinada elevação de temperatura. Quando a temperatura de atuação do bimetálico baixar, este volta a sua forma original instantaneamente permitindo o fechamento dos contatos novamente. Os termostatos podem ser destinados para sistemas de alarme, desligamento ou ambos (alarme e desligamento) de geradores elétricos trifásicos, quando solicitado pelo cliente. São ligados em série com bobina do contator. Dependendo do grau de segurança e da especificação do cliente, podem ser utilizados três termostatos (um por fase) ou seis termostatos (grupos de dois por fase). WEG – Transformando Energia em Soluções 89 Módulo 4 – Geração de Energia Figura 3.45 – Potência em função do cos(ϕ) b) Fixação da potência de acordo com a potência do motor de acionamento. Muitas vezes, não é possível conhecer a potência exata das fontes consumidoras. Neste caso a potência do gerador é determinada a partir da potência de acionamentos e, como fator d e potência podemos adotar 0,8. Da potência útil do motor de acionamento, diminuímos as perdas do gerador, para obter a potência ativa que fica a disposição nos terminais do gerador. ]kW[ 100 )G( . P = P MG η Onde: PG - potência do gerador [kW] PM - potência do motor acionante [kW] η(G) - rendimento do gerador (%) Para potência do motor acionante dado em [cv], multiplicar por 0,736 para obter [kW] PM[kW] = PM[cv] x 0,736 Devemos levar em consideração o rendimento dos geradores indicado nos catálogos para fatores de potência entre 0,8 e 1,0. )Cos( x 100 x P = )Cos( P = S MG ϕ η ϕ Exemplos: Numa indústria deve ser instalado um Grupo Diesel para fornecer eletricidade às suas instalações, onde existem as seguintes fontes consumidoras. WEG – Transformando Energia em Soluções 90 Módulo 4 – Geração de Energia a) Iluminação 80 [kVA] Cos(ϕ) = 0,7 b) Aquecimento 152 [kVA] Cos(ϕ) = 1,0 c) 1 motor trifásico WEG - IP54 - 40 [cv] - IV d) 1 motor trifásico WEG - IP54 - 60 [cv] – IV Carcaça 200L e) 1 motor trifásico WEG - IP54 - 75 [cv] - IV Do catálogo de motores trifásicos WEG obteremos: motor 40 [cv], 30 kW, Cos(ϕ) = 0,85, η = 90,9%, IP/IN = 7,6 motor 60 [cv], 45 kW, Cos(ϕ) = 0,88, η = 90,8%, IP/IN = 7,8 motor 75 [cv], 55 kW, Cos(ϕ) = 0,90, η = 91,9%, IP/IN = 7,4 Para determinação da potência foi considerado serviço contínuo. Será analisado posteriormente a influência da partida dos motores. Para o cálculo da potência ativa e aparente nos motores geralmente indica-se a potência útil no eixo; a potência ativa consumida abtém-se dividindo pelo rendimento. Do valor da potência ativa e da reativa, obtém-se a potência aparente total do gerador, bem como o fator de potência para o motor de 40 cv teremos: ]kW[ 33,0 = 90,9 30 = 100 x ]kW[ P = ]kW[ P m 100× η ]kVA[38,8 = 0,85 33,0 = cos ]kW[ P = ]kVA[ S ϕ ]kW[ P - ]kVAr[ S = ]kVAr[ Q 22 ]kVAr[ 20,4 = )(33,0 - )(38,8 = Q 22 Desta maneira, e para os demais, obteremos os seguintes resultados da Tabela 3.9 CARGA cos ϕ η% S(kVA) P(kW) Q(kVAr) Iluminação 0.70 80 56 57,1 Aquecimento 1.00 152 - Motor 40 cv 0.85 90,9 38.8 33.0 20.4 Motor 60 cv 0.88 90,8 56.3 49.5 26.8 Motor 75 cv 0.90 91,9 66.4 59.8 28.9 Tabela 3.9 - Quadro Geral de Potência A potência aparente do gerador será: )28,9 + 26,8 + 20,4 + 0 + (57,1 + )59,8 + 49,5 + 33,0 + 152 + (56 = S 22 ]kVA[ 375 = S O fator de potência geral será: WEG – Transformando Energia em Soluções 91 Módulo 4 – Geração de Energia 0,934 = 375 350,3 = S P = )os(c ∑ϕ Do catálogo de geradores WEG, tipo industrial obtemos o gerador GTA315SI25, para tensão de 220V com potência de 405 kVA. O rendimento do gerador com carga total, está indicado no catálogo como 94%. A potência do acionamento do gerador será: 0,940 0,934 x 405 = )cos( x ]kVA[ P = P GM η ϕ ]kW[402 = PM Neste exemplo foram analisadas as condições estacionárias do gerador, entretanto antes que o tamanho da máquina possa ser determinado em definitivo, ainda resta examinar as condições para a partida de motores. O procedimento está descrito no item 3.5.3. 3.5.2 ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA-CLASSE DE ISOLAMENTO 3.5.2.1 AQUECIMENTO DO ENROLAMENTO A potência útil fornecida pelo gerador é menor que a potência acionante, isto é, o rendimento do gerador é sempre inferior a 100%. A diferença entre duas potências representa as perdas, que são transformadas em calor, o qual aquece o enrolamento e deve ser dissipado para fora do gerador, para evitar que a elevação de temperatura seja excessiva. O mesmo acontece em todos os tipos de máquinas elétricas. No motor do automóvel, por exemplo, o calor gerado pelas perdas internas tem que ser retirado do bloco pelo sistema de circulação de água com radiador ou pela ventoinha, em motores resfriados a ar. No item 3.4 podem ser vistos os diferentes tipos de ventilação. Vida útil de máquina elétrica girante Se não considerarmos as peças que se desgastam devido ao uso, como escovas e rolamentos, a vida útil de máquina elétrica é determinada pelo material isolante. Este material é afetado por muitos fatores, como umidade, vibrações, ambientes corrosivos e outros. Dentre todos os fatores, o mais importante é, sem dúvida, a temperatura de trabalho dos materiais isolantes empregados. Um aumento de 8 a 10 graus na temperatura da isolação reduz sua vida útil pela metade. Quando falamos em diminuição da vida útil da máquina, não nos referimos às temperaturas elevadas, quando o isolante se queima e o enrolamento é destruído de repente. Vida útil da isolação, em termos de temperatura de trabalho, bem abaixo daquela em que o material se queima, refere-se ao envelhecimento gradual do isolante, que vai se tornando ressecado, perdendo o poder isolante, até que não suporte mais a tensão aplicada e produza o curto-circuito. A experiência mostra que a isolação tem uma duração praticamente ilimitada, se a sua temperatura for mantida abaixo de um certo limite. Acima deste valor, a vida útil da isolação vai se tornando cada vez mais curta, à medida que a temperatura de trabalho é mais alta. Este limite WEG – Transformando Energia em Soluções 94 Módulo 4 – Geração de Energia 3.5.3 QUEDA DE TENSÃO 3.5.3.1 CÁLCULO DA QUEDA DE TENSÃO Ao se aplicar uma carga no gerador teremos subitamente uma queda de tensão que depende da reatância do gerador, da corrente, do cos ø da carga e do t ipo de regulação. Os maiores problemas de queda de tensão e recuperação de tensão ocorrem na partida de motores de indução. Durante a partida de motores de indução, o fator de potência é da ordem de 0,3. Para facilitar o cálculo vamos considerar o cos(ϕ) igual a zero, bem como desprezarmos a impedância dos cabos de alimentação e a resistência interna do gerador. Admitindo as simplificações mencionadas (figura 3.46). mA A X + X X = U∆ Figura 3.46 - Impedância para um Gerador Síncrono (modo simplificado) Em função da variação da carga a reatância do gerador varia com o tempo (xd”, xd' e xd conforme as constantes de tempo próprias) como mostrado no item 3.2.5. Na figura 3.47 é mostrado a variação da tensão em função do tempo. As curvas mostradas dependem de parâmetros do gerador e do tempo de resposta da excitação e do sistema de regulação. WEG – Transformando Energia em Soluções 95 Módulo 4 – Geração de Energia Figura 5.3.2 - Variação da Tensão em Função do Tempo O cálculo da queda de tensão torna-se complexa se levarmos em consideração a variação da reatância no tempo. Podemos chegar a valores muito próximos da realidade se considerarmos para a queda de tensão a reatância transitória (xd'), para máquinas com excitatriz e regulador eletrônico e a reatância subtransitória (xd") para máquinas com excitação estática (com escovas). A equação da queda de tensão fica então: 100 . dX + 1 dX = U% * * ∆ Ou de forma genérica para qualquer valor de Ip/In do gerador; vale a relação: 100 . (Ip/In)] . dX[ + 1 (Ip/In)] . dX[ = U% * * ∆ Onde: X* d = xd'em máquinas com excitatriz e regulador eletrônico, em pu (Geradores brushless); X* d = xd" em máquinas com excitatriz estática, em pu (Geradores com escovas); Ip = corrente de partida do motor; In = corrente nominal do gerador. A tabela 3.11 mostra o valor de ∆U em função de X* d e Ip/In para cos(ϕ) igual a zero. WEG – Transformando Energia em Soluções 96 Módulo 4 – Geração de Energia 3.5.3.2 INFLUÊNCIA DO FATOR DE POTÊNCIA Se houver necessidade de se calcular a queda de tensão para cos ø diferente de zero devemos utilizar o gráfico da figura 3.48. Neste gráfico, podemos encontrar o valor de correção "x" e que deverá ser multiplicada pelo ∆U para cos(ϕ) = 0. ∆U(cos(ϕ) qualquer) = X. ∆U(cos(ϕ) = 0). A queda de tensão, como pode ser visto na curva, irá reduzir quando o fator de potência crescer. 3.5.3.3 INFLUÊNCIA DA CARGA INICIAL As cargas iniciais em geradores podem ser agrupadas em três tipos: • Impedância constante; • kVA constante; • Corrente constante. A corrente do gerador reduzirá proporcionalmente à tensão do gerador, quando este estiver sob uma carga do tipo impedância constante. Conseqüentemente este efeito reduzirá a queda de tensão. Para efeito de cálculo poderá ser desprezado. Exemplo de carga tipo impedância constante: • Lâmpadas; • Aquecedores; • Resistores. Quando se tem cargas do tipo kVA constante, na redução da tensão teremos um aumento da corrente, ocasionando conseqüentemente um aumento da queda de tensão. Um exemplo deste tipo de carga são motores de indução. A variação da corrente em motores de indução, com relação a queda de tensão, pode ser vista na figura 3.50 Esta variação de corrente deverá ser adicionada à corrente de partida do motor de indução. Apesar dos fatores de potência serem diferentes, considera-se de forma pessimista, iguais. Ao se combinar cargas do tipo kVA constante e impedância constante, obtemos cargas do tipo corrente constante, pois o efeito é contrário com tendência de se anularem.Neste caso, a queda de tensão não provocaria variações de corrente e conseqüentemente não haveria queda de tensão. Estes tipos de cargas podemos considerar como o mais comum. Podemos utilizar, para o cálculo da queda de tensão, a tabela 3.11.