Apostila Geracao Transmissao e Distribuicao de=Energia Eletrica

GTDEE GERAÇÃO TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉ TRICA APOSTILA REFERE RE FERENTE NTE A GERAÇÃO TRANSMISSÃO TRANSMISSÃO E DISTRIBU DISTRIBUIÇÃO IÇÃO DE DE ENERGIA ELÉTRICA SEUS EQUIPAMENTOS EQUIPAMENTOS E TECNOLOGIAS TECNOLOGIAS APLICADAS. APLICADAS. Elaborada El aborada pelo Eng. André Marci arcio o Modesto em01 em01-maio aio-20 -2011 Revisão 01

eNG eN G

Conteúdo

1.

INTRODUÇÃ INTR ODUÇÃO: O: ............................ ............................................. ................................ ............................. ............................... ................................ ................. 3 1.1. DEF DEFINIÇÃO INIÇÃO DE ENERGIA ENE RGIA E P OTÊNCIA OTÊ NCIA ........ ............. ........... ........... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ....... 4 1.1.1 E NERGI NE RGIA A............................. .............................................. ................................ ............................. ............................... ................................ ................. 4 1.1.2 P OTÊNCIA OTÊ NCIA .......................... ........................................... ................................ ............................. ............................... ................................ .................5 1.2. HISTÓRIA HIST ÓRIA DOS SISTE SIS TEMAS MAS ELÉ E LÉTRIC TRICOS OS DE P OTÊNCIA OTÊ NCIA.......... ............... .......... ......... ......... ........... .......... ....6 1.3. O QUE É GERAÇÃO E COGERAÇÃO? .................................................................. 9 1.3.1. GE GERAÇ RAÇÃO ÃO .......................... ........................................... ................................ ............................. ............................... ................................ ................. 9 1.3.2. COGERA COGE RAÇÃO ÇÃO............ .......................... ............................... ............................... ............................. ................................ .......................... ......... 10 1.3.3. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO ........................ 13

2.

O SIS S ISTE TEMA MA DE GE GERAÇ RAÇÃO ÃO ................................ ................................................. ................................ ............................. ...................... ........ 15 2.1. MÁQUINA P RIMÁRIA...................... RIMÁR IA....................................... ............................... ............................... ................................ ................... .... 15 2.2. TRANSFORMADO TRANSFORMADORES RES .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... ..... ..... .... .... 15 2.3. CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO ........................................................... 15

3.

MÁQUINA P RIMÁRIA RIMÁR IA............................ .......................................... ............................... ................................ ............................. ...................... ........16 3.1. HIDRÁULIC HIDRÁ ULICAS AS .......................... ........................................... ................................ ............................. ............................... ............................... ..............16 3.2. DIESE DIE SELL ............................... .............................................. ............................. ............................... ................................ ............................. ...................... ........ 20 3.3. TERMELÉTRICAS ..... ....... .... .... .... .... ..... ..... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... ..... ..... ..... ..... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..24 3.4. TERMONUCLEARES TERMONUCLEARES ... ..... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... ..25 3.5. TURBINAS TURBINAS EÓLICAS EÓLICAS .... ...... .... .... ..... ..... ..... ..... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... ..26

4.

GERADOR GE RADORES ES................. ............................... ............................... ................................ ............................. ............................... ............................... ..............30 4.1. NOÇÕES NOÇÕE S DE APLIC AP LICAÇÕ AÇÕES ES ....................... ........................................ ................................ ............................. ........................... ............. 30 4.2. TIPOS DE ACIONAM ACIONAMENTOS.. ENTOS.... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... ..... ..... .... .... 31 4.3. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO....................................................................... 32 4.4. LIGAÇÕES NO SISTEMA TRIFÁSICO .................................................................. 36 4.5. GERADORE GER ADORES S COM EXCITAÇ EXC ITAÇÃO ÃO P OR E SCOVAS SC OVAS ......... .............. .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... ....40 4.6. CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE .................................................................... 42 4.7. P OTENCIA OTE NCIA NOMINAL .................... .................................. ............................... ................................ ............................. ...................... ........ 43 43 Engenheiro André Marcio Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

Conteúdo

1.

INTRODUÇÃ INTR ODUÇÃO: O: ............................ ............................................. ................................ ............................. ............................... ................................ ................. 3 1.1. DEF DEFINIÇÃO INIÇÃO DE ENERGIA ENE RGIA E P OTÊNCIA OTÊ NCIA ........ ............. ........... ........... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ....... 4 1.1.1 E NERGI NE RGIA A............................. .............................................. ................................ ............................. ............................... ................................ ................. 4 1.1.2 P OTÊNCIA OTÊ NCIA .......................... ........................................... ................................ ............................. ............................... ................................ .................5 1.2. HISTÓRIA HIST ÓRIA DOS SISTE SIS TEMAS MAS ELÉ E LÉTRIC TRICOS OS DE P OTÊNCIA OTÊ NCIA.......... ............... .......... ......... ......... ........... .......... ....6 1.3. O QUE É GERAÇÃO E COGERAÇÃO? .................................................................. 9 1.3.1. GE GERAÇ RAÇÃO ÃO .......................... ........................................... ................................ ............................. ............................... ................................ ................. 9 1.3.2. COGERA COGE RAÇÃO ÇÃO............ .......................... ............................... ............................... ............................. ................................ .......................... ......... 10 1.3.3. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO ........................ 13

2.

O SIS S ISTE TEMA MA DE GE GERAÇ RAÇÃO ÃO ................................ ................................................. ................................ ............................. ...................... ........ 15 2.1. MÁQUINA P RIMÁRIA...................... RIMÁR IA....................................... ............................... ............................... ................................ ................... .... 15 2.2. TRANSFORMADO TRANSFORMADORES RES .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... ..... ..... .... .... 15 2.3. CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO ........................................................... 15

3.

MÁQUINA P RIMÁRIA RIMÁR IA............................ .......................................... ............................... ................................ ............................. ...................... ........16 3.1. HIDRÁULIC HIDRÁ ULICAS AS .......................... ........................................... ................................ ............................. ............................... ............................... ..............16 3.2. DIESE DIE SELL ............................... .............................................. ............................. ............................... ................................ ............................. ...................... ........ 20 3.3. TERMELÉTRICAS ..... ....... .... .... .... .... ..... ..... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... ..... ..... ..... ..... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..24 3.4. TERMONUCLEARES TERMONUCLEARES ... ..... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... ..25 3.5. TURBINAS TURBINAS EÓLICAS EÓLICAS .... ...... .... .... ..... ..... ..... ..... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... ..26

4.

GERADOR GE RADORES ES................. ............................... ............................... ................................ ............................. ............................... ............................... ..............30 4.1. NOÇÕES NOÇÕE S DE APLIC AP LICAÇÕ AÇÕES ES ....................... ........................................ ................................ ............................. ........................... ............. 30 4.2. TIPOS DE ACIONAM ACIONAMENTOS.. ENTOS.... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... ..... ..... .... .... 31 4.3. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO....................................................................... 32 4.4. LIGAÇÕES NO SISTEMA TRIFÁSICO .................................................................. 36 4.5. GERADORE GER ADORES S COM EXCITAÇ EXC ITAÇÃO ÃO P OR E SCOVAS SC OVAS ......... .............. .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... ....40 4.6. CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE .................................................................... 42 4.7. P OTENCIA OTE NCIA NOMINAL .................... .................................. ............................... ................................ ............................. ...................... ........ 43 43 Engenheiro André Marcio Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

4.8. CLASS CL ASSES ES DE IS OLAMENTO OLAME NTO .......................... ........................................... ................................ ............................. ...................... ........ 46 4.9. REGIME RE GIME DE SERVI SE RVIÇO ÇO ...................... .................................... ............................... ................................ ............................. ...................... ........ 46

5.

4.10.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS ............................................................. 47

4.11.

CARACTERÍSTICAS CARACTE RÍSTICAS NECESSÁR NECES SÁRIAS IAS PARA P ARA A CORRETA CORR ETA SELEÇÃO SELE ÇÃO ..... ........ ..... ..... ..... 50

TRANSFORMADO TRANSFORMADORES RES DE DISTRIBU DISTRIBUIÇÃO IÇÃO DE FOÇA FOÇA .... ...... .... ..... ..... ..... ..... .... .... .... .... ..... ..... ..... ..... ..... ..... .... .... 51 5.1. TIPOS DE TRANSFORM TRANSFORMADO ADORES RES ..... ....... .... .... .... ..... ..... ..... ..... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... ..... ..... ..... ..... .... .... 52 5.2. TRANSFORMADO TRANSFORMADORES RES QUANTO QUANTO À FINALID FINALIDAD ADE E .... ...... .... .... .... ..... ..... ..... ..... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... 53 5.3. TRANSFORMADO TRANSFORMADORES RES QUANTO QUANTO AOS ENROLAM ENROLAMENTOS ENTOS .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..53 5.4. TRANSFORMADO TRANSFORMADORES RES QUANTO QUANTO AOS TIP TIP OS CONSTRUTIVO CONSTRUTIVOS S ... ..... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... ..53 5.5. COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR ........................................................... 53 5.6. TIPOS DE LIGAÇÃO LIGAÇÃO .... ...... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..55 5.7. P OTÊNCIA OTÊ NCIAS S ............................. .............................................. ................................ ............................. ............................... ............................... ..............58 5.8. DEF DEFINIÇÕES INIÇÕES IMPORTANTE IMPOR TANTES S E NORMALIZAÇÃO ......... .............. .......... .......... ......... ......... ......... ......... ......... ....60 5.9. MANUTENÇÃO MANUTE NÇÃO ............................. .............................................. ............................... ............................... ................................ ........................ .........62

6.

CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO. ................................................................. 65 6.1. COMANDO CO MANDO X MANOBRA ............................... .............................................. ............................... ............................... ........................ ......... 65 65 6.2. P ROTEÇ ROT EÇÃO ÃO ............................. ............................................ ............................. ............................... ............................... ............................... ................... 65 6.3. RELE RE LEAMENT AMENTO O ............................. ........................................... ............................... ................................ ............................. ........................... .............67 6.4. EQUIP EQU IP AMENTOS AMENT OS DE MANOBRA .......................................... ........................................................... ............................... ..............70 6.5. PROTEÇÃO DE GERADORES ............................................................................. 71 6.6. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES ............................................................... 72 6.7. COORDENAÇ COOR DENAÇÃO..................... ÃO.................................... ............................. ............................... ................................ ............................... .................. 73 6.8. DIAGRAMAS DIAGR AMAS ELÉT EL ÉTRIC RICOS OS ............................. ............................................ ............................... ............................... ........................ ......... 73 6.9. REP RESENTAÇÃO RES ENTAÇÃO ESQUEMÁTICA ES QUEMÁTICA DE SISTEMA SISTE MAS S DE P OTÊNCIA ..... ........ ..... ..... ..... ..... ..... 78 6.10.

DIAGRAMA DE PROTEÇÃO ELÉTRICA ........................................................... 80

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 82

Engenheiro André Marcio Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

1. INTRODUÇÃO: Na história da sociedade, a energia elétrica, desde a sua descoberta, sempre ocupou lugar de destaque, tendo em vista vista a dependência dependência da qualidade de vida e do progresso econôm econômico ico da qualidade do produto e dos serviços relacionados à energia elétrica, que por sua vez dependem de como as empresas de eletricidade projetam, operam e mantêm os sistemas elétricos de potência. A eletricidade é a forma mais fácil de se transportar energia para a sua utilização nos processos processos de manufatura. anufatura. Ela E la surgiu s urgiu como como forma de substituir a energia da máquina 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 produção de energia elétrica por empresas empresas do set setor or privado, com o objetivo de atrair investimentos investimentos no set setor or e assim assim “desafogar” “desafogar” o sistem s istema a elétr elétrico ico Brasileiro. Brasileiro.


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 pode ser convertida 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

Engenheiro André Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

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 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. As potências 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


1.2.

HISTÓRIA DOS SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

Muito da tecnologia hoje em uso deve-se a grandes pioneiros e empreendedores da eletricidade. Seus nomes e feitos são aqui registrados como tributo de reconhecimento pela grande contribuição. James Watt 1736 – 1819 (Escocês)

Mecânico, concebeu o princípio da máquina a vapor, que possibilitou a revolução industrial. A unidade de potência útil foi dada em sua homenagem (watt). Al essandro Vol ta 1745 - 1827 (Italiano)

Em 1800 anunciou a invenção da bateria. A unidade de força eletromotriz foi criada em sua homenagem (volt). André Marie Ampère 1775 - 1836 (Francês)

Iniciou pesquisa em 1820 sobre campos elétricos e magnéticos a partir do anunciado de Oersted (Oe – intensidade de campo magnético). Descobriu que as correntes agiam sobre outras correntes. Elaborou completa teoria experimental e matemática lançando as bases do eletromagnetismo. A unidade de corrente elétrica foi escolhida em sua homenagem (ampère).


Georg Simon Ohm 1789-1854 (Alemão)

Em 1827 enunciou a lei de Ohm. Seu trabalho só foi reconhecido pelo mundo científico em 1927. As unidades de resistência, reatância e impedância elétrica foram escolhidas em sua homenagem (ohm). Michael Faraday 1791-1867 (Inglês)

Físico e químico, em 1831 descobriu a indução eletromagnética. Constatou que o movimento de um imã através de uma bobina de fio de cobre causava fluxo de corrente no condutor. Estabeleceu o princípio do motor elétrico. Considerado um dos maiores experimentalistas de todos os tempos. A unidade de capacitância é em sua homenagem (F). Joseph Henry 1797-1878 (Americano)

Descobriu a indutância de uma bobina. Em sua homenagem seu nome foi dado à unidade de indutância (henry).


Gustav Rober t Kirch hoff 1824–1887 (Alemão)

Em 1847 anunciou as leis de Kirchhoff para correntes e tensões. Thomas Al va Edison 1847-1931 (Americano)

Em 1879 inventou a lâmpada elétrica. Patenteou 1100 invenções: cinema, gerador elétrico, máquina de escrever, etc. Criou a Edison General Electric Company. Foi sócio da ‘General Electric Company’. Instalou em 1882 a primeira usina de geração de energia elétrica do mundo com fins comerciais, na área de Wall Street, Distrito Financeiro da cidade de New York. A Central gerava em corrente contínua, com seis unidades geradoras com potência total de 700 kW, para alimentar 7200 lâmpadas em 110 V. O primeiro projeto de êxito de central elétrica havia sido instalado no mesmo ano em Londres, com capacidade de geração para 1000 lâmpadas. William Stanley 1858-1968 (Americ ano)

Em 1885/6 desenvolveu comercialmente o transformador.


Nikola Tesla 1856-1943 (Croata-Americano)

Em 1888 inventou dos motores de indução e síncrono. Inventor do sistema polifásico. Responsável pela definição de 60 Hz como freqüência padrão nos EUA. A unidade para densidade de fluxo magnético é em sua homenagem (T).

George Westinghouse 1846-1914 (Americano)

Inventor do disjuntor a ar. Comprou a patente do recém inventado transformador dos ingleses Lucien Gaulard e J ohn D. Gibbs. Comprou a patente do motor elétrico de Tesla. Em 1886 organizou a Westinghouse Electric Company. Venceu a batalha das correntes contra Edison.

1.3.

O QUE É GERAÇÃO E COGERAÇÃO?

1.3.1. GERAÇÃO

A geração de energia elétrica é a transformação de qualquer tipo de energia em energia elétrica. Esse processo ocorre em duas etapas. Na 1ª etapa uma máquina primária transforma qualquer tipo de energia, normalmente hidráulica ou térmica, em energia cinética de rotação. Em uma 2ª etapa um gerador elétrico acoplado à máquina primária transforma a energia cinética de rotação em energia elétrica. Engenheiro André Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

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

1.3.2. COGERAÇÃO

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


Diferentemente da geração, na cogeração a energia térmica, ou outro tipo de energia, é utilizado diretamente nos processos de manufatura, tais como fornos, caldeiras, entre outros. A cogeração é o reaproveitamento dos “resíduos” de energia dessas fontes para a geração de energia elétrica diminuindo, assim, as perdas e, conseqüentemente, aumentando o rendimento e o aproveitamento das fontes de energia. A cogeração é a forma mais eficiente de gerar calor e energia elétrica a partir de uma mesma fonte de energia. Comparando a utilização de combustível fóssil com a quantidade de calor que é normalmente gasta no processo de geração de energia, a cogeração alcança níveis de eficiência 3 vezes maior, podendo chegar a 4 vezes, do que no processo convencional de geração. No entanto a cogeração passou a ser utilizada há muito pouco tempo. No meio da década de 80, com o preço do gás natural relativamente baixo, a cogeração tornou-se uma alternativa atrativa como uma nova forma de geração de energia elétrica. De fato, a cogeração é um dos maiores responsáveis pela grande diminuição da construção de usinas hidrelétricas e termonucleares ocorrida na década de 80. Hoje a cogeração corresponde a mais da metade da capacidade das novas usinas instaladas na América do Norte na ultima década. Os equipamentos de cogeração podem utilizar outros combustíveis além do gás natural. Existem instalações em operação que utilizam madeira, bagaço de cana-de-açúcar, e outros combustíveis dependendo do local e disponibilidade. As implicações ambientais da cogeração são bem menores quando comparadas às do processo convencional de geração, não apenas pela sua inerente eficiência, mas também pelo seu caráter descentralizador. Isto se deve ao fato de ser impraticável o transporte de calor (energia térmica) a grandes distâncias, e os equipamentos de cogeração são localizados fisicamente próximos aos processos que utilizam calor. Desta forma a energia elétrica tende a ser gerada.


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. P or 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 as 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.


1.3.3. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO

O sistema de produção de energia elétrica do Brasil pode ser classificado como um sistema hidrotérmico de grande porte, com forte predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários. A maior parte da capacidade instalada é composta por usinas hidrelétricas, que se distribuem em 14 diferentes bacias hidrográficas nas diferentes regiões do país de maior atratividade econômica. São os casos das bacias dos rios Tocantins, Madeira, Parnaíba, São Francisco, Paraguai, Paranaíba, Grande, Paraná, Tietê, Paraíba do Sul, P aranapanema, Iguaçu, Uruguai e J acuí onde se concentram as maiores centrais hidrelétricas. Os reservatórios nacionais situados em diferentes bacias hidrográficas não têm nenhuma ligação física entre si, sendo interligados por linhas de transmissão que funcionam como vasos comunicantes entre as bacias hidrográficas.

[Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx] Figura Integração eletroenergética no Brasil.


A capacidade de geração do Brasil em 2010 é de 110.05,45 MW e para 2011 é de 112.398,49 MW de potência, com um total de total 2.100 empreendimentos em operação. A fim de vislumbrar a dimensão do sistema hidroenergético brasileiro. Os dez agentes de maior capacidade instalada no país são apresentados na Tabela 1.4.


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

2.1.

MÁQUINA PRIMÁRIA

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 motor Diesel, turbina hidráulica turbina 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.

2.2.

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

2.3.

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 que será estudado. 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


3. MÁQUINA PRIMÁRIA 3.1.

HIDRÁULICAS

Toda eletricidade é proveniente de uma fonte de energia encontrada na natureza, como os combustíveis fósseis, os ventos, entre outros. Nas hidrelétricas este princípio não é diferente. A fonte de energia é a energia potencial de um volume de água, em função da diferença de altitude entre o montante e a jusante. Para iniciar o processo de conversão da energia potencial da água em energia elétrica, a água dos reservatórios é captada, através de um sistema de adução onde a água é transportada através de condutos de baixa pressão. Os condutos de baixa pressão possuem uma declividade muito baixa, pois a sua finalidade é apenas o transporte da água até a entrada dos condutos forçados, que conduzem a água até a casa de máquinas onde se encontram as turbinas. A turbina hidráulica é uma máquina com a finalidade de transformar a energia cinética do escoamento contínuo da água que a atravessa em trabalho mecânico. Para isso elas são equipadas com uma série de pás (ou conchas, no caso das turbinas Pelton). Quando a água atravessa essas pás, as turbinas giram com uma grande força. A força com que gira essa turbina depende inicialmente da altura da queda de água, que corresponde, aproximadamente, a diferença de altitude entre a adução e a entrada da turbina. Existem várias formas de conseguir um desnível aproveitável: Por represamento, onde uma barragem acumula as águas dos rios em alturas necessárias para obtenção dessa energia. Neste caso as casas de máquinas são localizadas nos pés das barragens. Por Desvio, onde uma parte do rio é desviada de seu curso normal para aproveitar-se um desnível de terreno. Ou por derivação, onde parte da água de um rio é desviada e jogada em outro rio aproveitando-se o desnível entre os dois rios. Nestes últimos as casas de máquinas são localizadas o mais próximo possível da jusante dos desníveis. Basicamente existem 2 tipos de turbinas hídricas: as turbinas de reação ou propulsão, e turbinas de ação ou impulso.


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.

Turbina Francis:

A Turbina Francis é uma turbina hidráulica que foi desenvolvida pelo engenheiro estadunidense J ames B. Francis em 1849. Turbinas Francis são adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. A Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de Tucuruí, Usina Hidrelétrica de Furnas, Usina Hidrelétrica de Foz do Areia, AHE de Salto Pilão e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda de água.

Figura 4.1.1.


Figura 4.1.1 – Corte longitudinal em uma turbin a tipo Francis , eixo vertical. 1- rotor, 2- pá,

3- labirinto interno, 4- labirinto externo, 5- Orifícios de equilíbrio de pressão, 6- tubo de equilíbrio de pressão, 7- palheta diretriz, 8- tampa, 9- caixa espiral, 10- palheta fixa, 11- tubo de sucção, 12eixo, 3- flange de acoplamento, 14- servomotor das aletas ajustáveis.

Foto 4.1.2. – de uma turbina

Francis em corte

A turbi na Kaplan

A turbina Kaplan é uma turbina hidráulica. É adequada para operar entre quedas até 60 m. A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. Este assemelha-se a um propulsor de navio (similar a uma hélice). Um servomotor montado normalmente dentro do cubo do rotor, é responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás. O óleo é injetado por um sistema de bombeamento localizado fora da turbina, e conduzido até o rotor por um conjunto de tubulações rotativas que passam por dentro do eixo. O acionamento das pás é conjugado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinação das pás do rotor. As Kaplans também apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operação. A usina hidroelétrica de Três Marias funciona com turbina Kaplan.


Figura 4.1.3. Figura 4.1.3.- 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 turbi na Pelton

A turbina Pelton é uma turbina hidráulica de ação, isto é, funciona à pressão atmosférica. É constituída por uma roda e um ou mais injectores, cuja função é transformar a energia de pressão do escoamento em energia cinética, orientando esse mesmo escoamento para a roda. É mais adequada para grandes quedas úteis ( entre os 350 m até 1100 m). Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que as outras, e tem o rotor de característica bastante distintas. Os jactos de água provinientes dos injectores ao chocarem com as pás do rotor (em forma de dupla colher) geram o impulso que faz com que a roda se mova. Temos uma desse sistema de turbina em funcionamento na usina de Henry B orden em Cubatão SP na Serra do Mar.


Figura 4.1.4. Figura 4.1.4. – Corte transversal em uma turbina Pelton de dois injetores, de eixo horizontal

a 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.

3.2.

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.


Figura4.2.1. Figura 4.2.1 – Grupo gerador com motor Diesel 1- Máquina térmica motora, motor Diesel. 2Máquina 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 4.2.1 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 classificados de várias maneiras, entre as quais algumas merecem destaque: No caso dos motores diesel, a regulação de velocidade é feita a partir da injeção de combustível no motor, tal como é feita nos motores diesel convencionais. Esta regulação de velocidade é fundamental para que a freqüência do grupo gerador seja constante, em 60 ou 50 Hz dependendo do sistema, independentemente da variação da carga. As centrais Diesel, apesar de sua limitação de potência, ruído e vibração, constituem um tipo de central muito utilizado até potências de 40 MW. Isto porque são bastante compactas, entram em carga em um tempo muito pequeno, são de fácil operação e apresentam um plano de manutenção de fácil execução, entre outros motivos. Engenheiro André Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

Maior Motor a Diesel do Mundo.

O maior motor a diesel estacionário do mundo utilizado em navios, mas quem também pode ter sua aplicação em centrais elétricas. É fabricado pela companhia Wartsila-Sulzer, sediada em Helsinque, na Finlândia. Esses motores são usados nos maiores navios de transporte de contêineres do mundo, como o Emma Maersk.

Figura 4.2.2. o Motor sendo Transportado.


Figura4.2.3. Detalhe da Arvore de Transmissão (Vira Brequim).

Dados Técnic os: Versão de 14 Cilindros

• Cilindrada: 25480 litros • Nº de Válvulas: 2 por Cilindro • Curso do Cilindro: 2489.2 mm • Diâmetro do Cilindro: 960 mm • Peso: 2300 toneladas (O Virabrequim pesa 300 toneladas) • Comprimento: 27 metros • Altura: 13 metros • Rotação: 92-102 RPM •Potência Máxima: 108920 HP - 81,22MW a 102 RP M • Consumo na Potencia Máxima: 13.7 toneladas de Diesel por hora


3.3.

TERMELÉTRICAS

As máquinas a vapor foram às primeiras máquinas a produzirem energia mecânica aproveitável para processos industriais. P or 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 4.3.1 – 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 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.

3.4.

TERMONUCLEARES

As 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 4.4.1). 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 4.4.1 – 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 J oliot-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 à carga do elétron (1.602 x 10-19 C). Os nêutrons são eletricamente neutros. As partículas do núcleo são chamadas de núcleos. 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.

3.5.

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, é proveniente 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.


Uma turbina eólica típica de 600kW possui um rotor com 43 a 44 metros de diâmetro, o que significa que cobre uma área de 1500m2. A área do rotor determina quanta energia o rotor está apto a retirar do vento. Como a área do rotor aumenta com o quadrado do diâmetro, uma turbina que possua possua um rotor 2 vezes vezes maior recebe 2² =4 vezes mais mais energia. energia.

Figura 4.5.1 – Visão Visão geral de de uma uma turb turbina ina eólica 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 s e movam. movam. Em Em uma uma turbina de 600kW 600kW moderna, as pás do rotor medem cerca de 20 metros.

Figura 4.5.2. – Princípio de funcionamento da asa


À flange do rotor está ligado um eixo de baixa rotação que é acoplada a um um ampliador. 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 ampliador é um dispositivo mecânico que transmite transmite potência através 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 anutenção da temperat temperatura ura dentro dentro de faixas aceitáveis. O eixo de alta alta rotação interliga interliga o ampliador ampliador e o gerador. Ele E le esta es ta equipado equipado com com um um freio freio a disco disco mecânico de em e mergência 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 utiliz utiliza a o mesmo mesmo princí princípio pio de funcioname funcionamento nto do do motor motor assíncrono. assí ncrono. Esta Es ta caracterís característtica torna os geradores de turbinas eólicas mais baratos e com um menor custo de manutenção. No entanto isso só é possível poss ível porque porque a pot potência máxima áxima das turbinas turbinas eólicas eólicas fica compreend compreendida ida em em um uma faix 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 vento utilizando o cata-vento. cata-vento. O sistema sistema hidráulico hidráulico é utilizado 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 turbina constante. constante. A unidade de refrigeração refrigeração é responsável responsável por manter 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. O papel da torre da turbina eólica é sustentar o corpo e o rotor da turbina. Geralmente é uma uma vantagem vantagem a utiliz utilização ação de torres torres altas uma vez que a velocidade do vento cresce conforme conforme a Engenheiro André Marcio Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

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. O anemômetro é usado para medir a velocidade enquanto o cata-vento mede a direção do vento. vento. Os sinais eletrônicos enviados pelo transdutor transdutor de velocidade do anemômetro anemômetro é utilizado pelo sistem sis tema a de contr controle ole da turbina turbina para acioná-la quando quando a velocidade do vento chegar a 5 metros 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 eletrônico eletrônicoss utilizados pelo transdutor transdutor de direção do cata-vento cata-vento são utilizados pelo sistem sistema a de controle para acionar o mecanismo de direcionamento.


4. GERADORES O gerador elementar foi inventado na Inglaterra em 1831 por MICHAEL FARADAY, e nos E stados stados Unidos, mais mais ou menos menos na mesma mesma época, época, por J OSE OS EP H HENRY HE NRY . Este E ste gerado geradorr consistia consistia basicamente de um ímã que se movimentava dentro de uma espira, ou vice-versa, provocando o aparecimento de uma F.E.M. registrado num galvanômetro.

Figura 4.1 - O galvanômetro "G" indica a passagem de uma corrente quando o ímã se move em relação a bobina.

4.1.

NOÇÕES NOÇ ÕES DE APL APLICAÇÕES ICAÇÕES

Geradores síncronos são máquinas destinadas a transformar energia mecânica em energia elétrica. Praticamente toda a energia consumida nas indústrias, residências, cidades, etc...,são proveniente proveniente destes destes geradores. São fabrica geradores para as seguintes aplicações:  Geração Eólica; Alimentação ação de Fazendas, F azendas, Sítios, S ítios, Garim Garimpos, pos, Carros Carros de Som S om;;  Aliment equenos Cent Centros ros de Geração de Energ E nergia ia para uso Geral;  P equenos  Grupos Diesel de Emergência;  Centro de Processamento de Dados;  Telecomunicações;  Usinas Hidroelétricas PCH’s;  Cogeração / Turbo Geradores; E specíficas para uso Naval, Usinas de Açúcar A çúcar e Álcool, Madeir Madeireiras, eiras,  Aplicações Específicas  Arrozeiras, Petroquímica, etc. Engenheiro André Marcio Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

4.2.

TIPOS DE ACIONAMENTOS

A - GRUPO DIESEL

São geradores acionados por Motores Diesel; Potência: 50 a 1500 kVA Rotação: 1800 rpm (IV pólos) Tensão: 220, 380 ou 440 V - 50 ou 60 Hz. B - HIDROGERADORES

São geradores acionados por Turbinas Hidráulicas; Potência: até 20.000 kVA Rotação: 360 a 1800 rpm (XX a IV pólos) Tensão: 220 a 13.800 V C - TURBOGERADORES

São geradores acionados por Turbinas a Vapor; Potência: até 20.000 kVA Rotação: 1800 rpm ( IV pólos ) Tensão: 220 a 13.800 V


4.3.

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.

Figura 4.2 - 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 4.2). 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:


Onde: e = força eletromotriz; B =indução do campo magnético; l =comprimento de cada condutor; v =velocidade linear; Ɵ =ângulo formado entre B e v. Para N espiras teremos então:

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 4.4a. mostra somente um lado da bobina no campo magnético, em 12 posições diferentes, estando cada posição separada uma da outra de 30o. A Figura 4.4b nos mostra as tensões correspondentes a cada uma das posições. J á 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).


Figura 4.4 - Distribuição da Indução Magnética sob um Pólo No Brasil, a energia elétrica é fornecida em corrente alternada no sistema trifásico, na freqüência de 60Hz. O alternador que gera corrente alternada pelo sistema trifásico é constituído por três bobinas deslocadas de 120º (parte fixa) e por um eletroímã (parte móvel). Conforme o gráfico a seguir, um ciclo completo da corrente alternada corresponde a 360º ou a uma volta completa do eletroímã. Por isso, as três correntes alternadas monofásicas produzidas por um alternador trifásico estão defasadas entre si de 120º elétricos ou 1/3 do ciclo.

Figura 4.5 – esquema elétrico da defasagem 120°


Figura 4.6 – gráfico de defasagem de 120° 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:

Onde: f =freqüência (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 4.1 são mostradas, para as freqüências e polaridades usuais, as velocidades síncronas correspondentes.

Tabela 4.1 - Velocidades Síncronas Engenheiro André Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

4.4.

LIGAÇÕES NO SISTEMA TRIFÁSICO

LIGAÇÃO TRIÂNGULO:

Chamamos "tensões/correntes de fase" as tensões e correntes de cada um dos três sistemas monofásicos considerados, indicados por Vf e If. Se ligarmos os três sistemas monofásicos entre si, como indica a figura 4.7 .a, podemos eliminar três fios, deixando apenas um em cada ponto de ligação, e o sistema trifásico ficará reduzido a três fios U, V e W. A tensão entre dois quaisquer destes três fios chama-se "tensão de linha" (Vl), que é a tensão nominal do sistema trifásico. A corrente em qualquer um dos fios chama-se "corrente de linha" (Il).

Figura 4.7. - Ligação Triângulo Examinando o esquema da figura 4.7 b, vê-se que:  A cada carga é aplicada a tensão de linha "Vl", que é a própria tensão do sistema monofásico correspondente, ou seja, VL =VF .  A corrente em cada fio de linha, ou corrente de linha "IL", é a soma das correntes das duas fases ligadas a este fio, ou seja, Como as correntes estão defasadas entre si, a soma deverá ser feita graficamente, Pode-se mostrar que Exemplo: Temos um sistema trifásico equilibrado de tensão nominal 220 V. A corrente de linha (Il) medida é 10 A. Ligando a este sistema uma carga trifásica composta de três cargas iguais ligadas em triângulo, qual a tensão e a corrente em cada uma das cargas? Temos VF =V1 =220V em cada uma das cargas.

LIGAÇÃO ESTRELA: Engenheiro André Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

Ligando um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum aos três, os três fios restantes formam um sistema trifásico em estrela como na figura 4.8a. Às vezes, o sistema trifásico em estrela é "a quatro fios" ou "com neutro". O quarto fio é ligado ao ponto comum às três fases. A tensão de linha, ou tensão nominal do sistema trifásico, e a corrente de linha são definidos do mesmo modo que na ligação triângulo.

Figura 4.8. - Ligação Estrela Examinando o esquema da figura 4.8b vê-se que:  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.  A tensão entre dois fios quaisquer do sistema trifásico é a soma gráfica figura 4.8c das tensões das duas fases as quais estão ligados os fios considerados, ou seja,

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.

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). 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 4.9

Figura 4.9 - 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.

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 4.10b) 220 Volts. Se ligarmos as três fases em estrela (figura 4.10a), 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 4.10 - Ligação Estrela-Triângulo


4.5.

GERADORES COM EXCITAÇÃO POR ESCOVAS

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.4.11), 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. 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.

Figura 4.11 - Gerador com Excitação por Escovas


GERADORES COM EXCITAÇÃO SEM ESCOVAS (BRUSHLESS)

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. (figura 4.12). 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.

Figura 4.12 - Gerador tipo GTA 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.


4.6.

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. Meio refrigerante: Na maioria dos casos o ar ambiente de temperatura não superior a 40°C e isento de elementos prejudiciais. 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. ALTITUDE

Gerador funcionando em altitude acima de 1000m apresentam problemas de aquecimento causado pela rarefação do ar e conseqüentemente 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 têm aquecimento diretamente proporcional as perdas e estas variam aproximadamente, numa razão quadrática com a potência. TEMPERATURA AMBIENTE.

Geradores que trabalham em temperaturas inferiores a – 20°C apresentam os seguintes problemas: Excessiva condensação, exigindo drenagem adicional ou instalação de resistência de aquecimento, caso o gerador fique longos períodos parado. 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 ambientem constantemente superiores a 40°C, 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.


4.7.

POTENCIA NOMINAL

É a potência que o gerador pode fornecer, dentro de suas características nominais, em regime contínuo. O conceito de potência nominal, ou seja, a potência que o gerador pode fornecer está intimamente ligado à elevação de temperatura do enrolamento. Sabemos que o gerador pode acionar cargas de potência bem acima de sua potência nominal, até quase atingir o limite de estabilidade. O que acontece, porém, é que se esta sobrecarga for excessiva, isto é, for exigida do gerador uma potência muito acima daquela para a qual foi projetado, o aquecimento normal será ultrapassado e a vida do gerador será diminuída, podendo ele, até mesmo, queimar-se rapidamente. A potência do gerador é fixada em relação à potência das fontes consumidoras, ou de acordo com a potência do motor do acionamento: a) Fixação de potência de acordo com a potência das fontes consumidoras. Para a determinação do tamanho da máquina devemos conhecer a potência aparente S:

Nos catálogos a potência aparente é dada em kVA, sendo válida para os fatores de potência entre 0,8 e 1,0 (Indutivos). Para fatores de potência menores que 0,8, a potência deve ser reduzida, isto implica, portanto que o Cos(Ɵ) também deve ser conhecido. Portanto, se um gerador for conectado a carga com fatores de potência distintos, é preciso averiguar antes, quais os componentes de potência ativa e reativa, e daí determinar a potência aparente total, bem como o fator de potência geral.


S =(P1+ P2+...+Pn )2+(Q1+Q2+...+Qn )2 Onde:

Pn =componente da potência ativa da fonte consumidora (VA); Qn = componente da potência reativa da fonte consumidora (VAr).

Figura 4.13 – Potência em função do cos(φ) 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 de potência pode 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.

Onde:

PG - potência do gerador [kW] PM - potência do motor acionante [kW] ή(G) - rendimento do gerador (%) Exemplos:

Numa indústria deve ser instalado um Grupo Diesel para fornecer eletricidade às suas instalações, onde existem as seguintes fontes consumidoras.


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 - IP 54 - 75 [cv] – IV 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:

Desta maneira, e para os demais, obteremos os seguintes resultados da Tabela 4.2

Tabela 3.9 - Quadro Geral de Potência A potência aparente do gerador será:

O fator de potência geral será:


Do catálogo do fabricante (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:

4.8.

CLASSES DE ISOLAMENTO

Como foi visto acima, o limite de temperatura depende do tipo de material empregado. Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela combinação de vários materiais) são agrupados em Classes de isolamento, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil. As classes de isolamento utilizados em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura conforme a Norma NBR 7094 são as seguintes:  Classe A(105°C);  Classe E(120°C);  Classe B(130°C);  Classe F(155°C);  Classe H (180°C). As classes B e F são as comumente utilizadas em motores normais, já para geradores os mais comuns são a F e H.

4.9.

REGIME DE SERVIÇO

É o grau de regularidade da carga a que o gerador é submetido. O gerador é projetado para regime contínuo, isto é, a carga é constante, por tempo indefinido, e igual à potência nominal da máquina. Engenheiro André Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

A indicação do regime da máquina deve ser feita pelo comprador, da forma mais exata possível. Nos casos em que as cargas não variam ou nos quais variam de forma previsível, o regime poderá ser indicado numericamente ou por meio de gráficos que representem a variação em função do tempo das grandezas variáveis. Quando a seqüência real dos valores no tempo for indeterminada, deverá ser indicada uma seqüência fictícia não menos severa que a real. Os regimes que serão citados foram definidos em vista especialmente na aplicação de geradores, (por exemplo S1, S2 e S3): a) Regime S1

Funciona à carga constante de duração suficiente para que se alcance o equilíbrio Térmico. b) Regime de Tempo Limitado (S2)

Funciona à carga constante, durante um certo tempo, inferior ao necessário para atingir o equilíbrio térmico, seguido de um período de repouso de duração suficiente para restabelecer a igualdade de temperatura com o meio refrigerante c) Regime Intermitente Periódico (S3)

Seqüência de ciclos idênticos , cada qual incluindo um período de funcionamento a carga constante e um período de repouso durante um ciclo de regime e no qual a corrente de partida não afeta de modo significante a elevação de temperatura.

4.10. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS COMPONENTES PRINCIPAIS

O gerador completo, pode ser desmontado numa série de unidades funcionais, que são mostradas a seguir. A composição dos geradores depende do tipo de máquina. ESTATOR DA MÁQUINA PRINCIPAL

A carcaça é de aço calandrado (GTA -WEG) ou chapa soldada (S- WEG). O pacote de chapas do estator, com seu respectivo enrolamento, está assentado sobre as nervuras da carcaça. Os enrolamentos são normalmente produzidos para classe de isolamento F ou H e são fixadas por uma cunha de fechamento, composta de material isolante. As cabeças dos enrolamentos são fortalecidas para que possam resistir a choques e vibrações .


ROTOR DA MÁQUINA PRINCIPAL

O rotor acomoda o enrolamento de campo, cujos pólos são formados por pacotes de chapas. Um enrolamento em gaiola, para amortecimento compensa serviços em paralelo, e com carga irregular. ESTATOR DA EXCITATRIZ PRINCIPAL

A excitatriz principal é um gerador de corrente trifásica de pólos salientes, e está presa à placa do mancal não acionado por vários parafusos. Os pólos salientes acomodam as bobinas de campo, que são ligadas em série, sendo que sua extremidade é levada ao bloco de conexão na caixa de bornes. ROTOR DA EXCITATRIZ PRINCIPAL E DIODOS RETIFICADORES GIRANTES

O rotor da excitatriz principal está montado sobre o eixo da máquina principal. O rotor 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 os suportes dissipadores. Dos dois fios, um é ligado ao retificador sobre o suporte positivo e o segundo, ao mesmo retificador sobre os suporte negativo. ENROLAMENTO AUXILIAR (OU BOBINA A UXILIAR)

É um bobinado auxiliar monofásico, que fica alojado em algumas ranhuras do estator principal. Sua função é fornecer potência para alimentar o campo da excitatriz principal, regulado e retificado pelo regulador de tensão. PLACA DE IDENTIFICAÇÃO

Quando o fabricante projeta um gerador e o oferece à venda, ele tem que partir de certos valores adotados para:  Características de carga alimentada;  Condições em que o gerador irá funcionar. O conjunto desses valores constitui as "características nominais" do gerador. A maneira pela qual o fabricante comunica estas informações ao cliente, é através da placa de identificação do gerador (figura 4.14) Engenheiro André Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

Figura 4.14 - P laca de identificação

Figura 4.15 - Partes integrantes do gerador

Figura 4.16 - Forma construtiva Engenheiro André Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

4.11. CARACTERÍSTICAS NECESSÁRIAS PARA A CORRETA SELEÇÃO Para a correta especificação do gerador, são necessárias as seguintes informações na fase da consulta: 1) Potência nominal (kVA) 2) Tipo de refrigeração (Aberto, Troc. ar-ar ou Troc. ar-água) 3) Rotação (no de pólos) 4) Fator de Potência 5) Tensão nominal 6) Número de fases (Trifásico ou Monofásico) 7) Freqüência de operação (Hz) 8) Tipo de excitação: - sem escovas - sistema com escovas com excitatriz estática 9) Grau de proteção 10) Forma construtiva 11) Temperatura ambiente 12) Altitude 13) Tipo de aplicação: Industrial, Telecomunicações, Naval, Marinizado 14) Característica da carga. Ex: partida de motores de indução 15) Faixa de ajuste da tensão 16) Precisão da regulação 17) Acessórios 18) Sobrecargas ocasionais 19) Tensão de alimentação dos aquecedores internos 20) Tipo de regulação (U/f constante ou U constante) 21) Tipo de acoplamento 22) Máquina acionante


5. TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE FOÇA Podemos dizer que os transformadores trifásicos são três transformadores monofásicos trabalhando em conjunto, e cada fase contém duas bobinas, uma primária e uma secundária. As bobinas das três fases devem ser exatamente iguais. Os transformadores tem um papel importante na geração, transmissão e distribuição dessa energia elétrica. A energia elétrica, até chegar ao ponto de consumo, passa pelas seguintes etapas: a) Geração

Onde a força hidráulica dos rios ou a força do vapor superaquecido é convertida em energia nos chamados geradores. b) Transmissão

Os pontos de geração normalmente encontram-se longe dos centros de consumo. Torna-se necessário elevar a tensão no ponto de geração, para que os condutores possam ser de seção reduzida, por fatores econômicos e mecânicos, e diminuir a tensão próxima do centro de consumo, por motivos de segurança. O transporte de energia é feito em linhas de transmissão, que atingem até centenas de milhares de Volts e que percorrem milhares de quilômetros. c) Distribuição

Como dissemos acima, a tensão é diminuída próximo ao ponto de consumo, por motivos de segurança. Porém, o nível de tensão desta primeira transformação, não é ainda o de utilização, uma vez que é mais econômico distribuí-la em média tensão. Então, junto ao ponto de consumo, é realizada uma segunda transformação, a um nível compatível com o sistema final de consumo (baixa tensão). Como podemos notar, é imprescindível a manipulação do nível de tensão num sistema e potência, quer por motivos econômicos, quer por motivos de segurança, ou ambos. Isto é possível graças a um equipamento estático, de construção simples e rendimento elevado, chamado transformador. A seguir, apresentamos esquematicamente um sistema de potência, onde temos geração, transmissão, distribuição e transformação de energia elétrica.


Figura 5.1

5.1.

TIPOS DE TRANSFORMADORES

Sendo um equipamento que transfere energia de um circuito elétrico a outro, o transformador toma parte nos sistemas de potência, para ajustar a tensão de saída de um estágio do sistema à tensão da entrada do seguinte. O transformador nos sistemas elétricos e eletromecânicos poderá assumir outras funções, como isolar eletricamente os circuitos entre si, ajustar a impedância do estágio seguinte à do anterior, ou todas estas finalidades citadas, ao mesmo tempo. A transformação da tensão (e da corrente) é obtida graças a um fenômeno chamado Indução Eletromagnética, ao qual nos ateremos mais adiante.


5.2.

TRANSFORMADORES QUANTO À FINALIDADE

a) Transformadores de corrente; b) Transformadores de potencial; c) Transformadores de distribuição; d) Transformadores de força.

5.3. TRANSFORMADORES QUANTO AOS ENROLAMENTOS a) Transformadores de dois ou mais enrolamentos; b) Autotransformadores.

5.4.

TRANSFORMADORES QUANTO AOS TIPOS CONSTRUTIVOS

Quanto ao material do núcleo:

1) Com núcleo ferromagnético; 2) Com núcleo de ar. Quanto a for ma do núcleo:

1) Nuclear ou envolvido; 2) Encouraçado ou envolvente. Quanto ao número d e fases:

1) Monofásico; 2) Polifásico (principalmente o trifásico). Quanto à maneira de dissipação de calor:

1) P arte ativa imersa em líquido isolante (transformador imerso); 2) P arte ativa envolta pelo ar ambiente (transformador a seco).

5.5.

COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR

O fenômeno da transformação é baseado no efeito da indução mútua, onde temos um núcleo constituído de lâminas de aço prensadas e onde foram construídos dois enrolamentos.


Figura 5.2

Se aplicarmos uma tensão U1 alternada ao primário circulará por este enrolamento uma corrente IL alternada que por sua vez dará condições ao surgimento de um fluxo magnético também alternado. A maior parte deste fluxo ficará confinada ao núcleo, uma vez que é este o caminho de menor relutância. Este fluxo originará uma força eletro motriz (f.e.m.) E 1 no primário e E 2 no secundário proporcionais ao número de espiras dos respectivos enrolamentos, segundo a relação:

Podemos também provar que as correntes obedecem à seguinte relação:

Onde: I1 é a corrente no primário e I2 no secundário.

Quando a tensão do primário U 1 é superior à do secundário U 2, temos um transformador abaixador. Caso contrário, teremos um transformador elevador de tensão.


5.6.

TIPOS DE LIGAÇÃO

Os transformadores podem ser ligados em estrela, em triângulo e em ziguezague e essas ligações são executadas tanto no primário quanto no secundário. As ligações do primário e do secundário podem ser combinadas de várias formas:   

Em estrela no primário e em estrela no secundário; Em triângulo no primário e em triângulo no secundário; Em estrela no primário e em triângulo no secundário e vice-versa.

Os transformadores dividem-se em dois grupos. Grupo A

Quando a tensão do secundário está em fase com a tensão do primário;

Grupo B

Quando a tensão do secundário está defasada em 30º da tensão do primário. Dois transformadores de grupos diferentes não podem ser ligados em paralelo.


Tipos de ligação de transfor madores trifásicos do gr upo A

Tabela 5.1.


Tipos de ligação de transfor madores trifásicos do gr upo B

Tabela 5.2


5.7.

POTÊNCIAS

Em um sistema elétrico, temos três tipos de potências: potência aparente, a ativa e reativa. Estas potências estão intimamente ligadas de tal forma que constituem um triângulo, o chamado triângulo das potências.

Figura 5.3 - Triângulo das potências

S =potência aparente, expressa em VA (volts-ampère) P =potência ativa ou útil, expressa em W (watt) Q =potência reativa, expressa em VAr (volt ampère reativa) = ângulo que determina o fator de potência.

Um transformador é dimensionado pela potência aparente (S) e por aí se nota a importância da manutenção de um fator de potência elevado numa instalação. O baixo fator de potência causa sérios problemas às instalações elétricas, entre as quais podem ser destacados; sobrecargas nos cabos e transformadores, crescimento da queda de tensão, redução do nível de iluminamento, aumento das perdas no sistema de alimentação. Além disto, as concessionárias de energia cobram pesadas multas sobre a tarifa deenergia para aqueles que apresentarem fator de potência inferior a 0,92.


A seguir, introduzimos uma tabela prática para determinação dos valores de tensão, corrente, potência e fator de potência de transformadores em Tabela 4.1. função do tipo de ligação:

EXEMPLO:

Cálculo da potência aparente requerida por dois Equipamentos com fator de potência (cos ᵠ) diferentes.


CONCLUSÃO:

Verificamos que o equipamento 2 que possui o maior fator de potência requer apenas 1.087 VA, enquanto que o equipamento 1 requer 2000 VA de potência aparente. Um transformador é dimensionado pela potência aparente (S), e por aí nota-se a importância da manutenção de um fator de potência elevado em uma instalação. Deveremos lembrar também que as concessionárias de energia cobram pesadas multas sobre tarifa de energia para aqueles que apresentarem fator de potência inferior a 0,92.

5.8.

DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃO

POTÊNCIA NOMINAL

Entende-se por potência nominal de um transformador, o valor convencional de potência aparente, que serve de base ao projeto, aos ensaios e às garantias do fabricante e que determina o valor da corrente nominal que circula, sob tensão nominal, nas condições especificadas na respectiva norma. TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

A potência nominal de um transformador trifásico é a potência aparente definida pela expressão: Potência nominal =Un . In . 3/1000 (kVA) POTÊNCIAS NOMINAIS NORMALIZADAS

As potências nominais em kVA, normalizadas pela ABNT (NBR-5440), dos transformadores de distribuição para instalação em postes e plataformas, são as seguintes: a) Transformadores monofásicos para instalação em postes: 5, 10, 15, 25, 37.5, 50, 75 e 100 kVA; b) Transformadores trifásicos para instalação em postes 15, 30, 45, 75, 112.5 e 150kVA; c) Transformadores trifásicos para instalação em plataformas: 225 e 300kVA. Há potências normalizadas pela ABNT para transformadores de potência, que são as seguintes: 500,750,1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3750, 5000, 7500, 10000. Engenheiro André Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

Recomenda-se a escolha de um destes valores, pois os fabricantes já possuem projetos prontos para os mesmos, o que reduz os custos e o tempo de entrega dos referidos transformadores. IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS

J unto aos terminais (buchas) encontramos uma identificação, pintada, ou marcada em baixo relevo na chapa do tanque, constituída de uma letra e um algarismo. As letras poderão ser duas, H ou X. Os terminais marcados em H são os de alta tensão e os marcados com X são de baixa tensão. Os algarismos poderão ser 0, 1, 2 e 3 correspondendo, respectivamente, ao terminal de neutro e ao das fases, 1, 2 e 3. Portanto, as combinações possíveis são H0, H1, H2, H3 e X0, X1, X2 X3.

Figura 5.4 Transformador Trifásico FF DADOS NECESSÁRIOS PARA IDENTIFICAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR

a) Potência; b) Tensões Primárias e derivações; c) Tensão Secundária; d) Frequência; e) Normas aplicáveis; f) Acessórios; g) Valores de Impedância, corrente de excitação e perdas; h) Qualquer outra característica importante: dimensões especiais por exemplo.


5.9.

MANUTENÇÃO

Refere-se a transformadores imersos ou em líquido isolante, funcionando em condições normais, que recomendam providências e manutenções periódicas, tanto nas oficinas como no campo. INSPEÇÃO PERIÓDICA

A cada doze meses, ou a critério do usuário, deve ser realizado no campo uma inspeção externa com o transformador energizado, observando-se a distância e estado do equipamento. Verificação de fissuras, lascas ou sujeiras nas buchas e danos externos no tanque ou acessórios;  O estado dos terminais de ligações do transformador;  Vazamento pelas buchas, tampas, bujões, soldas, etc;  Pontos de corrosão em qualquer parte;  Existência de ruídos anormais de origem mecânica ou elétrica;  Fixação do transformador;  Aterramento e equipamentos de proteção do transformador;  Nível do líquido isolante, quando o indicador for externo. A cada cinco anos, ou a critério do usuário, devem ser realizados os seguintes ensaios e procedimentos com o transformador desenergizado.  Resistência de isolamento;  Retirada da amostra do líquido isolante. NOTA : Se os valores indicarem a necessidade de revisão completa no transformador, recomenda-se enviar a unidade para oficinas especializadas ou fabricante. REVISÃO COMPLETA         

Retirada do conjunto núcleo-bobinas (parteativa) para inspeção e limpeza; Manutenção do tanque (interno e externo) e dos radiadores; Efetuar tratamento do líquido isolante ou substituí-lo caso haja necessidade; Substituição das gaxetas das tampas e das buchas do transformador; Verificar os terminais; Verificar os flanges e parafusos; Secagem do conjunto núcleo-bobinas e reaperto geral; Montagem do transformador; Execução dos ensaios.




NOTA: Os ensaios devem adotar, a seu critério, qualquer método a fim de evitar que ocorram sobrecargas no transformador. ENSAIOS

É recomendável a execução dos seguintes ensaios no transformador antes de sua energização: a) Análise do líquido isolante; b) Análise cromatográfica; c) Medição do fator de potência do transformador e fator de potência e capacitância das buchas, se providas de derivações capacitivas; d) Medição da resistência de isolamento do transformador e da fiação de painéis e o acionamento(s) motorizado(s); e) Medição da relação de transformação em todas as fases e posições do comutador de derivações sem tensão; f) Simulação da atuação de todos os dispositivos de supervisão, proteção e sinalização, verificação do ajuste e/ou; g) Medição da relação de transformação, saturação e polaridade dos TC. Curto-circuito e aterrar todos os secundários do TC que não tiverem previsão de uso, em só transformador provido; h) Verificar as tensões e isolação dos circuitos auxiliares antes de sua energização; i) Após energização dos painéis e acionamentos motorizados, verificar sentido de rotação dos motores dos ventiladores; j) Medição da resistência elétrica em todos os enrolamentos, em todas as fases e posições do comutador de derivações; k) Instalação do secador de ar / sílica-gel.



6. CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO. Para interligar um grupo gerador a uma rede de transmissão ou distribuição sempre é necessários vários requisitos. Em primeiro lugar, o controle onde teremos todo controle na 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. 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 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 atua imediatamente caso se faça necessário.

6.1.

COMANDO X MANOBRA

Os termos “comando” e “manobra” são frequentemente confundidos. No entanto, “comando” é a ação (causa) que provoca a manobra (efeito). De acordo com a norma NBR5456 entende-se por “manobra” a mudança na configuração elétrica de um circuito, feita manual ou automaticamente por um dispositivo adequado e destinado a essa finalidade. J á o “comando funcional” é a ação destinada a garantir o desligamento, a ligação ou a variação da alimentação da energia elétrica de toda ou parte de uma instalação, em condições de funcionamento normal. Os dispositivos de manobra são dispositivos destinados a estabelecer ou interromper correntes, em um ou mais circuitos, providenciando afastamentos adequados que assegurem as condições de segurança especificada para quaisquer circuitos vivos.

6.2.

PROTEÇÃO

A “proteção” é a ação automática provocada por dispositivos sensíveis a determinadas condições anormais que ocorrem em um circuito, no sentido de evitar danos às pessoas e/ou evitar danos ao sistema ou equipamento elétrico. O “dispositivo de proteção” é um dispositivo que exerce uma ou mais funções de proteção em um sistema elétrico. É ele que envia, por exemplo, um comando para que um dispositivo de manobra atue. Na instalação de um sistema elétrico qualquer, seja um grupo de motores, geradores, uma subestação de entrada ou saída ou mesmo um sistema de iluminação, os equipamentos controle.


Para atenuar os efeitos das perturbações, o sistema de proteção deve:  Assegurar, da melhor forma possível, a continuidade de alimentação dos sistemas adjacentes, isolando o sistema defeituoso;  Salvaguardar o equipamento e as instalações da rede;  Alertar os operadores em caso de perigo não imediato. Desta forma verifica-se a necessidade de dispositivos de proteção distintos para as situações anormais de funcionamento do conjunto ou de elementos isolados; para os curtoscircuitos e os defeitos de isolamento. Na proteção de um sistema elétrico devem ser levados em consideração três aspectos importantes:  A operação normal;  A prevenção contra falhas elétricas;  E a limitação dos defeitos devidos as falhas. A operação normal presume a inexistência de falhas do equipamento, a inexistência de erros do pessoal de operação e a inexistência dos ditos “atos de Deus”. No entanto as falhas consequentes dessas causas possuem um índice de ocorrência muito baixo, sendo então a melhor opção tomar providências no sentido da prevenção e/ou limitação dos efeitos das falhas. Algumas dessas providências são: a previsão de isolamento adequado; coordenação do isolamento; utilização de cabos de para-raios e baixa resistência de pé-de-torre, instruções apropriadas de operação e manutenção, etc. A limitação dos efeitos das falhas inclui: limitação da magnitude de corrente de curto circuito (reatores); projeto capaz de suportar os efeitos mecânicos e térmicos das correntes de defeito; a existência de circuitos múltiplos (redundância) e geradores reserva; existência de raleamento e outros dispositivos, bem como disjuntores com suficiente capacidade de interrupção; oscilógrafos e observação constante para observar a efetividade das medidas citadas; frequentes análises sobre mudanças no sistema com os consequentes reajustes dos relês, reorganização do esquema operativo, entre outros. Verifica-se, de acordo com as razões citadas acima, que o raleamento é apenas uma das várias providencias no sentido de atingir a finalidade de minimizar danos aos equipamentos e interrupções no fornecimento de energia quando ocorrem falhas elétricas no sistema. Contudo, devido a sua situação como guardiã silenciosa do sistema, justifica-se a ênfase neste seguimento.


6.3.

RELEAMENTO

Existem dois princípios gerais que devem ser obedecidos, em sequência: 1) Em nenhum caso a proteção deve dar ordens, se não existe defeito na sua zona de controle (desligamentos intempestivos podem ser piores que a falha). 2) Se existe defeito nessa zona, as ordens devem corresponder exatamente àquilo que se espera, considerada que seja a forma, intensidade e localização do defeito. Portanto o raleamento possui duas funções principais: a) Função pri ncipal – que é a de promover uma rápida retirada de serviço de um elemento do sistema, quando esse sofre um curto-circuito, quando começa a operar de modo anormal que possa causar danos, ou interferir com a correta operação do restante do sistema. Nessa função um relê (elemento detector-comparador e analisador) é auxiliado pelo disjuntor (interruptor), ou então um fusível engloba as duas funções (figura 6.1).

Figura 6.1 b) Função secundária – promovendo a indicação da localização e do tipo de defeito, visando mais rápida reparação e possibilidade de análise da eficiência e caráter de mitigação da proteção adotada.


Dentro dessa ideia geral, os chamados princípios fundamentais do releamento compreendem (figura 6.2): a) O releamento primário é aquele em que uma zona de proteção separa da é estabelecida ao redor de cada elemento do sistema, com vistas a seletividade, pelo que disjuntores são colocados na conexão de cada dois elementos; há uma superposição das zonas em torno dos disjuntores, visando ao socorro em caso de falha da proteção principal; se isso de fato ocorre, obviamente, prejudica-se a seletividade, mas esse é o mal menor. b) O releamento de retaguarda, cuja finalidade é a de atuar na manutenção do releamento primário ou falha deste, só é usado, por motivos econômicos, para determinados elementos do sistema e somente contra curto-circuito. No entanto, sua previsão deve-se à probabilidade de ocorrer falhas, seja na corrente ou tensão fornecida ao rele, ou na fonte de corrente de acionamento do disjuntor; ou no circuito de disparo ou no mecanismo do disjuntor; ou no próprio rele, etc. Nestas condições é desejável que o releamento de retaguarda seja arranjado independentemente das possíveis razões de falha do releamento primário. Uma observação importante é que o releamento de retaguarda não substitui uma boa manutenção e vice-versa.

Figura 6.2


CARACTERÍSTICAS FUNCIONAIS DO RELEAMENTO

Sensibilidade, seletividade, velocidade e confiabilidade são termos comumente usados para descrever as características funcionais do releamento. a) A velocidade ou rapidez de ação, na ocorrência de um curto-circuito, tem o objetivo de: diminuir a extensão do dano ocorrido (proporcional a RI 2.t); auxiliar a manutenção das máquinas operando em paralelo; melhorar as condições de ressincronização dos motores; assegurar a manutenção de condições normais de operação nas partes do sistema; diminuir o tempo total de paralização dos consumidores de energia; diminuir o tempo total de não liberação de potência, durante a verificação de dano, etc.

Evidentemente, relês rápido devem ser associados a disjuntores rápidos, de modo a dar um tempo de operação total pequeno. De fato, com o aumento da velocidade do releamento, mais carga pode ser transportada sobre um sistema, do que resulta economia global aumentada (evitase as vezes, a necessidade de duplicar certas linhas ). b) Por sensibilidade entende-se a capacidade da proteção responder as anormalidades nas condições de operação, e aos curtos circuitos para os quais foi projetada. c) Define-se confiabilidade como a probabilidade de um componente, um equipamento ou um sistema satisfazer a função prevista, sob dadas circunstâncias. d) Por seletividade entende-se a propriedade da proteção em reconhecer e selecionar entre aquelas condições para as quais uma imediata operação é requerida, e aquelas para as quais nenhuma operação ou um retardo de atuação é exigido.


6.4.

EQUIPAMENTOS DE MANOBRA

Os equipamentos de manobra são componentes do sistema elétrico que não tem somente a função de estabelecer a união entre geradores, transformadores, consumidores e linhas de transmissão e separa-los e secciona-los de acordo com as exigências desse serviço, como também são utilizados para a proteção de todos os componentes elétricos contra a atuação perigosa de sobrecargas, correntes de curto-circuito e contatos à terra. Levando-se em consideração algumas exceções e casos especiais, os equipamentos de manobra devem, portanto, serem capazes de abrir desde os menores correntes de carga de linhas, ou correntes de magnetização de transformadores a vazio, até as maiores correntes de curtocircuito que possam ocorrer na instalação, sem serem avariados através das consequências térmicas e dinâmicas dessas solicitações. Alguns equipamentos de manobra, os chamados disjuntores, devem ser capazes de interromper ou fechar, no menor tempo possível, todas as correntes normais e anormais. Finalmente, todos os equipamentos de manobra devem, quando abertos, suportar quaisquer solicitações de tensão entre seus contatos (espaço de interrupção) sem quaisquer descargas. Podemos dividir os equipamentos de manobra em:

a) Chaves secci onadoras : Servem única e exclusivamente, para estabelecer a conexão

ou separação de dois componentes ou circuitos de um sistema elétrico, ou a escolha e conexão entre um componente e um sistema de barramentos. Não se exige das seccionadoras a capacidade de abertura e ruptura de quaisquer correntes. Em funcionamento, isto é, com os seus contatos fechados, elas devem ser capazes de manter a condução de sua corrente nominal, sem sobreaquecimento. Além disso devem suportar todos os efeitos térmicos e dinâmicos das correntes de curto-circuito sem se avariar. A vazio, isto é, com seus contatos abertos, devem estabelecer um nível suficiente de isolamento, sem quaisquer descargas. Finalmente, as chaves seccionadoras são equipamentos de manobra que servem única e exclusivamente para separação de circuitos e componentes, sem quaisquer exigências de abertura de correntes. b) Interruptores: São equipamentos de manobra que podem interromper correntes de

qualquer natureza, até algumas poucas vezes a corrente nominal. Normalmente, os interruptores são pequenos disjuntores, ou disjuntores de pequena capacidade, não sendo exigidas muitas características para interrupção das correntes do circuito.


c) Chaves seccionadoras sob carga : São chaves seccionadoras que são construídas

com dispositivos especiais de extinção de arco, em seus contatos fixos e móveis, capazes de interromper até a corrente nominal. d) Disjuntores: É o equipamento de manobra cuja a função principal é a interrupção de

correntes de curto-circuito. Paralelamente o disjuntor deve ser capaz de interromper pequenas correntes indutivas e capacitivas sem sobre-tensões. Portanto são equipamentos que não oferecem qualquer limitação para quaisquer operações de fechamento e abertura de circuitos. Na realidade, os chamados “disjuntores” são também “conjuntores”, pois igualmente devem ser capazes de fechar quaisquer circuitos sob quaisquer condições de condução de corrente. e) Chaves seccionadoras disjuntor es : São disjuntores que igualmente atendem as

condições de chaves seccionadoras. São construídas excepcionalmente e, por motivos de serviço, somente para pequenas capacidades principalmente de interrupção. f) Contatores : são dispositivos de manobra para circuitos de baixa tensão, com a função

de uma chave, não manual, eletromagnética, que tem uma única posição de repouso e é capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições normais de operação, inclusive sobrecargas no funcionamento.

6.5.

PROTEÇÃO DE GERADORES

Os dispositivos de proteção usuais podem ser classificados em duas categorias principais e que compreendem: a) Medidas preventivas e dispositivos de proteção contra os defeitos exteriores ao gerador; b) Proteção contra os defeitos internos dos mesmos. c) Ao lado de alguns outros dispositivos não constituídos por meio de relês, tais como para-raios, indicadores de circulação de óleo, termostatos, etc., os seguintes elementos fazem parte do primeiro grupo. 1) relês térmicos contra sobrecarga; 2) relês temporizados, a máximo de corrente, contra curtos-circuitos;


3) relês a máximo de tensão, contra as elevações de tensão devidas às manobras normais

do sistema; 4) relês sensíveis a corrente de seqüência negativa, para proteção contra funcionamento sob carga assimétrica, ou desequilibrada; 5) relês de potência inversa, para impedir o funcionamento do gerador como motor, etc.; J á a proteção contra defeitos internos compreende basicamente os seguintes dispositivos: 1) proteção diferencial contra curtos-circuitos entre elementos de fases diferentes; 2) proteção contra defeitos à massa do estator; 3) proteção contra defeitos à massa do rotor 4) proteção contra curtos-circuitos entre espiras de mesma fase; 5) proteção contra a abertura acidental ou não dos circuitos de excitação, etc.

Além disso, há ainda que se considerar outros dispositivos que, não sendo relês, estão intimamente ligados à proteção do gerador: os dispositivos de rápidas desoxidações, que evitam uma destruição maior dos enrolamentos devido a tensão própria, e a proteção contra incêndio, que atua na extinção do fogo iniciado devido aos arcos voltaicos dos defeitos.

6.6.

PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES

Devem-se considerar basicamente as proteções contra as sobrecargas e as de curtoscircuitos. Para os grandes transformadores, na proteção contra os curtos-circuitos, desempenhando um papel importante na continuidade do serviço, a proteção diferencial e a proteção bucholz. Para pequenas unidades (menores que 1000 kVA), e para os transformadores de média potência em sistemas radiais, os relês de sobrecorrente temporizados e os fusíveis. Na proteção contra as sobrecargas usam-se imagens térmicas e relês térmicos. Embora a construção dos transformadores tenha atingido um nível técnico bastante elevado, devem-se considerar duas causas principais de defeito nos sues isolamentos, e resultantes de sobretensões de origem atmosférica e de aquecimentos inadmissível dos enrolamentos devido a sobrecargas permanentes, ou temporárias repetitivas, mas que, mesmo sendo toleráveis na exploração do sistema, conduzem ao envelhecimento prematuro do isolamento dos enrolamentos e, finalmente, aos curtos-circuitos entre espiras ou mesmo entre fases.


6.7.

COORDENAÇÃO

Um sistema elétrico deve ser equipado com diversos dispositivos protetores, estrategicamente situados, destinados a protegê-lo efetiva e seguramente contra todos os defeitos de isolamento ou outros funcionamentos anormais. Para a proteção de um sistema são utilizados equipamentos como os relês fusíveis disparadores de ação direta, entre outros. Cada um desses dispositivos têm uma função específica. Tais dispositivos não atuam independentemente; pelo contrário, suas características de operação devem guardar entre si uma determinada relação, de modo que uma anormalidade no sistema possa ser isolada e removida sem que as outras partes do mesmo sejam afetadas. Isto é, os dispositivos protetores devem ser coordenados para operação seletiva. Nessas condições, podemos dizer que as finalidades da coordenação seriam: a)

Isolar a parte defeituosa do sistema, tão próximo quanto possível de sua origem, evitando a propagação das consequências;

b)

Fazer esse isolamento, no mais curto tempo possível, visando a redução dos danos.

Costumamos dizer que dois dispositivos em série, ou cascata, estão coordenados se seus ajustes são tais que ao segundo dispositivo, mais próximo da fonte, é permitido eliminar a falta caso o primeiro, mais próximo do defeito, falhe na atuação. Denomina-se tempo ou degrau de coordenação o intervalo de tempo que separa as duas hipóteses anteriores, e que deve cobrir pelo menos o tempo próprio do disjuntor, mais o tempo próprio do relê e uma certa margem de tolerância; por exemplo, em sistemas industriais (disjuntores até 8Hz) tal degrau é da ordem de 0,40,5[s].

6.8.

DIAGRAMAS ELÉTRICOS

Para o projeto elétrico de um cubículo ou quadro, deve-se representar todos os seus componentes de tal forma que se obtenha uma visão global de toda a instalação, tanto sob aspecto de disposição e localização no sistema elétrico, como de sua função e desempenho.


Assim, a escolha adequada de um equipamento, determina o conhecimento detalhado de sua função e comportamento, cuja definição é feita através de diagramas elétricos. A representação gráfica de um sistema elétrico de potência, ou os diagramas elétricos, deve conter a maior quantidade possível de informações, com o objetivo de representar realmente todos os componentes e funções especificadas. Consequentemente, vários são os diagramas elétricos, que se tornaram os mais usuais. São eles:    

Diagramas Unifilares; Diagramas Trifilares; Diagramas funcionais; Diagramas Construtivos (sinópticos, disposição de aparelho, etc.). DIAGRAMA UNIFILAR

É um diagrama onde se representa o circuito elétrico por uma de suas fases, daí o nome unifilar. Neste diagrama devem aparecer destacadamente as partes as partes de força do sistema (aquelas que se destinam à condução de energia, como finalidade principal).

Figura 6.3.


DIAGRAMA TRIFILAR

São a representação de um circuito elétrico, tomando em consideração suas três fases, sendo importante como subsídio para elaboração dos demais esquemas de detalhamento de um determinado projeto. O diagrama trifilar, além de conter as informações básicas do diagrama trifilar, contém muitos outros detalhes, que serão inclusive transportados para outros esquemas, dando uma excelente ideia de conjunto. Como inconveniente apresenta aquele de ser um desenho com todo. o conjunto, não devendo por esta razão ser usado para trabalhos específicos (como montagem), mas sim como ponto de referência.

Figura 6.4. Diagrama trifilar.

DIAGRAMA FUNCIONAL

A utilidade do diagrama funcional é mostrar de maneira esquemática como funcionam os equipamentos de proteção, controle e sinalização de umas instalações elétrica. Por este diagrama, pode-se identificar todas as restrições ao funcionamento de um disjuntor ou contator, por exemplo. Portanto, as condições de operação são diferentes neste diagrama. Para um perfeito entendimento destes diagramas, deve-se fixar os seguintes conceitos: Contato normalmente aberto é o contato que está sempre aberto quando o equipamento está desenergizado; contato normalmente fechado é o contato que está sempre fechado quando o equipamento está desenergizado. A tensão mais usual no Brasil para comando é de 125V CC.


Figura 6.5. Diagrama funcional. DIAGRAMAS CONSTRUTIVOS

Os diagramas construtivos são diagramas auxiliares e muito importantes na montagem da instalação, em manutenção e em busca de defeitos. Os mais utilizados são: Diagrama de Fiação

Este diagrama mostra a ligação dos cabos de comando interligando os equipamentos entre casa de comando e o cubículo ou pátio onde os equipamentos e encontram. Como os cabos de comando sempre terminam em réguas de bornes, uma listagem indicando onde começa e termina cada ligação é bastante útil.

Figura 6.6 . Diagrama Construtivo


DIAGRAMA SINÓPTICO

O diagrama sinóptico é a representação unifilar, do circuito elétrico, mostrando principalmente os aparelhos de manobra (disjuntor e seccionador). É utilizado sobre painéis de comando, de maneira a facilitar a operação do sistema.

Figura 6.7 Diagrama sinóptico


6.9.

REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE SISTEMAS DE POTÊNCIA

Os símbolos para representação dos componentes elétricos são apresentados nas Figuras a seguir:



6.10. DIAGRAMA DE PROTEÇÃO ELÉTRICA Vamos abordar agora os relés exigidos na ligação de autoprodutores em paralelo com o sistema de distribuição.

No diagrama acima, verifica-se a localização de cada relé e sua função, conforme descrito na tabela abaixo:


Os relés exigidos pelas concessionárias (no exemplo, a CPFL) dependem de cada tipo de autoprodutor. P or exemplo, cita-se os relés exigidos para o autoprodutor com venda de excedente e produtor independente de energia: Relé de subtensão (função 27); Relé de sobretensão de neutro (função 59 N); Relé direcional de sobrecorrente (função 67) que deverá atuar para defeitos na rede

da CPFL; Relé de sobrecorrente de fase e neutro, instantâneos e temporizados (função 50/51 e

50/51 N) que deverão atuar para defeitos internos ao autoprodutor; Relé de sobretensão (função 59); Relé de subfrequência (função 81), que poderá ser o mesmo dos geradores; Relé direcional de potência (função 32).

Cada concessionária tem sua norma característica, com suas exigências e atribuições, na qual são citadas as condições e os equipamentos mínimos exigidos que visam a qualidade de suprimento de energia elétrica, a proteção e a operação do sistema da concessionária. É importante ressaltar aqui que, para o sistema elétrico de um autoprodutor, faz-se necessária toda a proteção de sua ins talação (gerador(es), linha, etc.), de forma a garantir a segurança da operação em paralelo com a concessionária. (maiores detalhes, consultar a norma da respectiva concessionária).


Apostila Geracao Transmissao e Distribuicao de=Energia Eletrica

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