Apostila_Gerador_v6_1

GERADOR

Geradores

CENTRO DE TREINAMENTO STEMAC

STEMAC S/A Grupos Geradores

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GERADOR

Índice Histórico ....................................... ...................................................... ...................................... .......................................... ..................................03 ...............03 Gerador elementar ....................................... ...................................................... ...................................... .........................................03 ..................03 Princípio funcionamento........................................ .......................................................... ........................................ ............................04 ......04

de

Números de pólos............................... pólos................................................. ...................................... ........................................ ............................05 ........05 Geração de Energia Trifásica................................ Trifásica................................................... ....................................... ............................07 ........07 Ligações no Sistema Trifásico............................. Trifásico............................................... ...................................... ...............................08 ...........08 Tipos de Carga ....................................... ...................................................... ...................................... .......................................... .......................09 ....09 Excitação........................ Excitação............................................ ...................................... ...................................... ...................................... ............................1 ..........1 3 RAT.................................... RAT...................................................... ...................................... .......................................... ..................................... ......................14 .......14 Modelos de geradores WEG ....................................................... ....................................................... ...........................15 .........15 Gerador DL ....................................... ...................................................... ...................................... .......................................... .............................16 ..........16 Gerador DKBH ....................................... ...................................................... ...................................... .......................................... ........................17 .....17 Gerador BTA/GTA ....................................... ...................................................... ...................................... .........................................18 ..................18 Ponte de diodos girantes ................................... ....................................................... ........................................ ..............................19 ..........19 Potência Elétrica ....................................... ...................................................... ...................................... .......................................... .....................20 ..20 Fator de Potência ....................................... ...................................................... ...................................... .......................................... ....................21 .21 Potência Instantânea ....................................... ...................................................... ...................................... .....................................22 ..............22 Rolamentos................... Rolamentos....................................... ....................................... ...................................... ..................................... ..............................2 ............2 4 Alinhamento................... Alinhamento....................................... ...................................... ...................................... ...................................... .............................2 ...........2 5 Acoplamentos................. Acoplamentos..................................... ...................................... ...................................... ...................................... ............................2 ..........2 7



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GERADOR

Definições e conceitos

Gerador Gerador Elementar Elementar de de Rotor Rotor Girante Girante

HISTÓRICO O gerador elementar foi inventado na Inglaterra em 1831 por MICHAEL FARADAY, e nos Estados Unidos , mais ou menos na mesma época, por JOSEPH HENRY. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O gerador síncrono, ou gerador, tem como função transformar a energia mecânica fornecida por uma máquina primária (turbina, motor diesel ou gás) em energia elétrica. O funcionamento está baseado na lei da indução eletromagnética de Faraday. Toda vez que uma espira ficar imersa em um campo magnético variável será induzida uma força eletromotriz(fem) e aparecerá uma tensão CA. As partes principais de um gerador são: ROTOR: A parte móvel do gerador cujo campo magnético é gerado e excita o gerador. São os pólos da máquina. É alimentado em corrente contínua com uma baixa tensão, gasta de 1% a 7% da potência nominal da gerador. ESTATOR: A parte fixa do gerador. Local onde ficam as bobinas que geram a tensão ao serem aplicadas uma fem sobre elas. ANÉIS COLETORES e ESCOVAS: Tem por função levar alimentação ao rotor. Atualmente os geradores são fabricados com excitatriz que substitui o sistema de escovas. CENTRO DE TREINAMENTO STEMAC


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GERADOR


Gerador Gerador Elementar Elementar

Construtivamente, o gerador pode ser de duas formas: Armadura girante e pólos estacionários ou armadura estacionária e pólos girantes . Armadura estacionária e pólos girantes é a forma construtiva mais

difundia, porque apresenta uma série de vantagens, entre as quais podese citar: Maior facilidade de isolação das bobinas para altas tensões. É mais fácil isolar um membro estacionário do que um rotativo, devido ao peso, tamanho e forças centrifugas. Como o campo funciona com baixas tensões, sendo mais fácil isolá-lo.



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GERADOR


Números de Pólos Números de Pólos •Freqüência e velocidade estão diretamente relacionados Hz = N*P 60

A cada giro do rotor 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 (Hz = Herz) teremos:

Hz = N*P 60 Onde: N = velocidade em RPM; P = Par de pólos; 60 = Constante. Então: 3600 RPM Hz = (3600 * 1)/60 = 60 Hz.



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GERADOR


Números de Pólos Números de Pólos •Gerador de quatro pólos

Para um Gerador de quatro pólos: 1500 RPM Hz = (1500 * 2)/60 = 50 Hz 1800 RPM Hz = (1800 * 2)/60 = 60 Hz Pelos resultados acima, podemos concluir que existe uma relação fixa entre freqüência da fem gerada e a rotação da máquina primária. Devido ao fato da rotação e da freqüência estarem sincronizadas, esta máquina é denomina de gerador síncrono.



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GERADOR

Geração de Energia Trif ásica

Geração trifásica O sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos de tensões U1 , U2 e U3 tais que a defasagem entre elas seja de 120º. O enrolamento desse tipo de gerador é constituído por três conjuntos de bobinas dispostas simetricamente no espaço, formando entre si também um ângulo de 120º. Para que o sistema seja equilibrado isto é, U1 = U2= U3 o número de espiras de cada bobina também deverá ser igual.



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GERADOR

Configurações

Ligações no Sistema Trifásico Trif ásico Ligações

Tensão nominal múltipla Nos sistemas trifásicos, a tensão entre fases é determinada pelas ligações de fechamento que forem executadas. Normalmente os geradores são fornecidos com 12 terminais de bobinas do induzido para serem ligados de forma a gerar tensão em 220/127 V, 380/220 V ou 440/254 V. Os diferentes valores possíveis de tensão são o resultado do arranjo das bobinas, que são construídas em grupos, resultando para cada fase um conjunto de 2 bobinas que podem ser ligadas em: • Ligação estrela paralelo; • Ligação estrela série.



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GERADOR

Configurações

Ligação Estrela Paralelo 220/127 Vca

Observar que a numeração das extremidades das bobinas se faz em espiral, de fora para dentro, em sentido horário, de f orma que os números 1 e 4, assim como 2 e 5 são extremidades da mesma bobina. O arranjo da numeração na caixa de terminais que utiliza barras de ligação é feito iniciando pelo número 11 no canto superior esquerdo, terminando com o número 3, no canto inferior direito. Em geral, há outros terminais na caixa, para ligação dos circuitos de excitação. Existem geradores que apresentam 10 pontas ao invés de 12. Neste caso, os pontos 10, 11 e 12 já estão fechados internamente e o gerador não permite a ligação 380/220 V. Se for necessário utilizar 380/220 V, duas soluções podem ser adotadas: a) Utilizar o fechamento de 440/220 V e regular a tensão para 380 V no regulador de tensão; b) Abrir a ligação interna das pontas 10, 11 e 12 e alterar o fechamento para o esquema acima. Na maioria dos casos de mudança de tensão, é necessário substituir o voltímetro do quadro de comando, caso este não seja multitensão. As ligações do freqüencímetro e do regulador de tensão podem ser remanejadas para pontos onde exista a tensão compatível, conforme o caso.



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GERADOR

Configurações

Ligação Estrela Série 440/254Vca, 380/220 Vca

É comum em geradores o fornecimento em três tensões 220/380/440. O procedimento nestes casos para se obter 380V 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.



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GERADOR

Tipos de Carga CARGA RESISTIVA

CARGA INDUTIVA

CARGA CAPACITIVA

COMPORTAMENTO DO GERADOR VAZIO E SOB CARGA Em vazio (rotação constante), a tensão de armadura depende do fluxo magnético gerado pelos pólos de excitação, ou ainda da corrente que circula pelo enrolamento de campo (rotor). Isto porque o estator não é percorrido por corrente, portanto é nula a reação da armadura cujo efeito é alterar o fluxo total. Carga puramente resistiva: Se o gerador alimenta um circuito puramente resistivo, a corrente de carga gera um campo magnético no estator. Campo magnético induzido produz dois pólos defasados de 90º em atraso em relação aos pólos principais do rotor, e estes exercem sobre os pólos uma força contrária ao movimento, gastando-se potência mecânica para se manter o rotor girando. Devido a perda de tensão nos enrolamentos da armadura será necessário aumentar a corrente de excitação para manter a tensão nominal.



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GERADOR

Carga puramente indutiva: Neste caso, a corrente de carga está defasada em 90º em atraso em relação a tensão, e o campo de reação do armadura (estator) estará consequentemente na mesma direção do campo principal, mas em polaridade oposta. O efeito da carga indutiva é desmagnetizante. As cargas indutivas armazenam energia no seu campo indutor e a devolvem totalmente ao gerador, não exercendo nenhum conjugado frenante sobre o induzido. Neste caso, só será necessário energia mecânica para compensar as perdas. Devido ao feito desmagnetizante será necessário um grande aumento da corrente de excitação para se manter a tensão nominal.

Carga puramente capacitiva: A corrente de armadura para uma carga capacitiva está defasada de 90º em adianto em relação a tensão. O campo de reação da armadura consequentemente estará na mesma direção do campo principal e com a mesma polaridade. O campo induzido, neste caso, tem um efeito magnetizante. As cargas capacitivas armazenam energia em seu campo elétrico e a devolvem totalmente ao gerador, não exercendo também, como no caso anterior, nenhum conjugado e frenagem sobre o induzido. Devido ao efeito magnetizante será necessário reduzir a corrente de excitação para manter a tensão nominal.



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GERADOR

EXCITAÇÃO

EXCITAÇÃO Para manter constante a tensão de saída do gerador, é necessário regular o sistema de excitação, pois é a intensidade do campo magnético induzido que determina este valor, dessa forma, é aplicado o regulador de tensão no sistema, que é o equipamento que monitora as variações de tensão de saída do gerador e atua diretamente na excitatriz para que esta aumente ou diminua o fluxo do campo magnético, mantendo constante a tensão para qualquer solicitação de carga. Quanto a forma construtiva, duas são as configurações básicas para o sistema de excitação do gerador; EXCITAÇÃO DINÂMICA e EXCITAÇÃO ESTÁTICA. O primeiro, denominado excitação dinâmica, é montado no próprio eixo do gerador com ponte de diodos girantes. O segundo, denominado excitação estática, é constituído por um retificador utiliza a própria energia gerada pelo gerador para alimentar o campo com corrente continua. Nos geradores antigos este gerador de corrente contínua era um dínamo, com escovas e coletor de lâminas de cobre. Atualmente utiliza-se um pequeno gerador de pólos fixos, cuja corrente alternada gerada no induzido rotativo é retificada por uma ponte retificadora de onda completa, também girante, que transfere a corrente retificada diretamente ao campo do gerador, sem a necessidade de escovas. Este sistema é denominado “Brushless” e é largamente utilizado.



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GERADOR

RAT REGULADOR AUTOMÁTICO AUTOMÁTICO DE TENSÃO O regulador de tensão é um equipamento eletrônico e tem por finalidade manter a tensão de saída da máquina constante, independente da carga.

TEMPO DE REGULAGEM DE TENSÃO É o tempo transcorrido desde o início da queda de tensão até o momento em que a tensão entra no intervalo de tolerância estacionária (por exemplo ±0.5 e permanece.

O regulador de tensão compara a tensão de saída do gerador com o padrão ajustado no potenciômetro de ajuste de tensão e efetua as correções atuando no campo da excitatriz. No sistema de excitação estática, a corrente que alimenta o campo do gerador é retificada e controlada por uma excitatriz eletrônica. A condução da corrente se faz por meio de um par de anéis com escovas montado no eixo do gerador. Como utiliza a tensão gerada pelo gerador, necessita de um mínimo de tensão inicial, gerada pelo magnetismo remanente do gerador durante a partida, para iniciar o processo de retificação e alimentação do campo. Este processo de início de geração é denominado escorva do gerador.



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GERADOR

Modelos WEG

DL - Com escovas

DKBH - Sem escovas / Com excitatriz auxiliar

BTA/GTA - Sem escovas / Com bobina auxiliar

Atualmente a WEG MÁQUINAS produz duas linhas básicas de máquinas síncronas: linha S e linha GTA. A linha S foi criada para atender aplicações mais específicas e é composta de produtos engenheirados (motores e geradores) com carcaças a partir da 355 até 2000 em baixa ou alta tensão. São fabricados em chapas de aço soldadas, abertos ou fechados com trocador de calor a ar ou água. Acionadas geralmente por turbinas hidráulicas ou a vapor. A linha GTA é uma evolução das extintas linhas DK e BTA, composta somente de máquinas seriadas (geradores) normais, telecomunicações e navais, com carcaças a partir da 200 até 400, somente em baixa tensão. São fabricadas em chapas de aço calandradas. Acionadas geralmente por motores diesel.



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GERADOR

Modelos WEG

Gerador DL

Geradores com excitação por escovas No gerador DL, o campo é alimentado em corrente contínua por escovas e anéis coletores, e a tensão alternada é retirada do estator, 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 pequena 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.



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GERADOR

Modelos WEG

Gerador DKBH

Geradores com excitaç excitação sem escovas (Brushless (Brushless)) Os geradores BRUSHLESS, são compostos por um estator, um rotor, uma ponte de diodos girantes, uma excitatriz principal e uma excitatriz auxiliar, esta última com imãs permanentes em alguns modelos. O processo de excitação do gerador começa pela excitatriz auxiliar que alimenta o regulador de tensão com uma tensão alternada. Esta tensão é retificada e enviada a um gerador de pólos fixos (excitatriz principal). A excitatriz principal envia uma tensão alternada para a ponte retificadora girante. Então, essa tensão é retificada e é aplicada ao rotor da máquina. Neste sistema as escovas e porta escovas são eliminados pois a tensão de alimentação do campo do gerador é obtida através da tensão induzida na excitatriz e o único elemento de interação é o campo magnético. A antiga linha D possuía duas variações: - DKBH: excitatriz auxiliar sem ímãs, montada internamente ao gerador. Neste tipo de excitatriz, se a máquina ficar parada por longos períodos, pode-se ter dificuldade de se iniciar o escorvamento. - DKBP: excitatriz auxiliar com ímãs, montada externamente o gerador (montada na tampa traseira). - SS (antigo DKBL) - No gerador tipo SS a alimentação do regulador é obtida através de TAP's do próprio enrolamento para baixa tensão ou TP's (trafos de potencial) para alta tensão. Então, no regulador, a tensão é retificada e enviada a um gerador de pólos fixos (excitatriz principal) e ponte retificadora girante.



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GERADOR

Modelos WEG

Gerador BTA/GTA

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 de alimentação para o regulador de tensão. 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. Em condições normais de operação do gerador, é produzida uma tensão monofásica de freqüência nominal do gerador, sofrendo pequenas distorções na forma de onda, dependendo do tipo de carga (resistiva, indutiva ou capacitiva). Em situações de curtocircuito na saída do gerador, é produzida uma tensão monofásica de terceira harmônica que alimenta o regulador de tensão e mantém o curto-circuito.



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GERADOR

Diodos

PONTE DE DIODOS GIRANTES

DIODOS Normalmente as falhas nos diodos são provocadas por fatores externos (surtos de tensão, carga capacitiva e etc) No caso de ocorrer a queima de um diodo girante, é necessário também, verificar as condições dos demais. Quando um diodo é danificado fica impossível determinar o estado exato dos demais diodos, mesmo que o teste indique bom estado. Devido o conjunto de diodos fazer parte do circuito de excitação da máquina síncrona, recomenda-se a substituição de todos os diodos. Reduzindo o risco de novas paradas motivadas pela danificação dos demais diodos.



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GERADOR

Diodos

PONTE DE DIODOS GIRANTES

Para efetuar a manutenção nos diodos é necessária a abertura da tampa traseira do gerador.

Teste nos Diodos A condução de corrente deve acontecer apenas no sentido anôdocatôdo, ou seja, na condição de polarização direta.



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GERADOR



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GERADOR

Fator de Potência

O que é fator de potência? O fator de potência representa a eficiência no aproveitamento de energia e é determinado da relação, potência ativa/potência aparente. Como a maioria das cargas de uma instalação elétrica são indutivas, elas exigem um campo eletromagnético para funcionar. Campos eletromagnéticos armazenam energia num semi-ciclo da tensão C.A. e devolvem-na, sem aproveitamento no semi-ciclo seguinte. A energia devolvida é parte da potência aparente que foi entregue ao sistema .



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GERADOR

Potencia Instantânea

POTÊNCIA INSTANTÂNEA P = V.I Quando a corrente percorre um circuito de resistência pura, corrente se mantém em fase com a tensão e o ângulo de fase é zero (ϕ = 0). Todos os valores de potência são positivos. Quando a corrente percorre um circuito com carga indutiva ou capacitiva, há uma defasagem da corrente em relação à tensão e (ϕ ≠ 0). Neste caso, potência instantânea negativa. Quanto maior o ângulo de fase, maior o valor negativo instantâneo. Para o valor do ângulo de fase igual a 90º, as somas das potências instântaneas se anulam e a potência média é zero. Embora com os mesmos valores de tensão e corrente circulando não há utilização de energia.



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GERADOR

Rolamentos O rolamento blindado até a carcaça 315 tem vida útil de 20.000 horas.

Os geradores até a carcaça 315 (inclusive) possuem rolamentos blindados, com isso não se faz necessário a relubrificação dos mesmos. Ao final da vida útil do lubrificante, o rolamento deve ser substituído. Para os geradores acima da carcaça 315, os rolamentos são relubrificáveis, nestes casos é necessário seguir rigorosamente as instruções quanto a relubricação (periodicidade, quantidade e tipo de graxa).



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GERADOR

Alinhamento

Um alinhamento incorreto pode causar defeito nos rolamentos , vibrações e mesmo ruptura do eixo. Para conseguir um alinhamento correto são utilizados os relógios comparadores, colocados um em cada semi-luva, um apontando radialmente e outro axialmente, assim é possível verificar simultaneamente o desvio de paralelismo e o de concentricidade, ao darse uma volta completa nos eixos.



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GERADOR

Os mostradores não devem ultrapassar a leitura de 0,05mm. Nas figuras abaixo é ilustrado como medir a folga axial. É de extrema importância que se deixe esta distância devido a dilatação do virabrequim durante o funcionamento que expande em direção ao gerador.

Nas figuras seguintes temos o exemplo de como medir a folga radial.



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Acoplamentos



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