2 Transformadores Transformadores m onofásicos
2.1 2.1 Introd ução
A bordo de navios mercantes encontramos várias aplicações de transformadores, tais como: transformadores de serviço que atendem aos sistemas elétricos cuja tensão de alimentação seja diferente da tensão de saída do gerador; transformadores monofásicos, componentes das fontes de alimentação de componentes
eletrônicos;
transformadores
de
ignição
das
caldeiras;
autotransformadores das chaves de partida compensadas; transformadores de corrente e transformadores de potencial que alimentam os medidores de parâmetros elétricos e dispositivos de proteção dos grupos geradores e outros. 2.2 Transformador monofásico
Vamos inicialmente estudar o transformador monofásico, com ênfase no de dois enrolament enrolamentos. os. P osteriorment osteriormente e abordaremos abordaremos o transform transformador ador trifásico. 2.3 2.3 Transform ador elementar
O transformador é um equipamento utilizado para elevar ou reduzir tensões, tendo como princípio de funcionamento a indução mútua entre dois ou mais enrolamentos. Um transformador bàsicamente é constituído por um enrolamento primário, definido como aquele em que aplicamos a tensão de entrada; um enrolamento secundário, definido como aquele em que obtemos a tensão de saída; e um caminho para o fluxo magnético denominado núcleo, formado por material laminado,de alta permeabilidade magnética, que é o grande responsável pela transformação, conforme ilustrado na figura 7.
Figura 7- Tansformador elementar
2.4 Funcionamento do transformador
Conforme mencionado anteriormente, o funcionamento do transformador baseia-se nos fundamentos do eletromagnetismo, especificamente na Lei de indução de Faraday. Verifica-se que, ao movimentar um campo magnético diante de um condutor, surge uma corrente induzida. Em outras palavras, poderíamos dizer que um campo magnético variável produz um fluxo magnético variável, responsável pela tensão induzida. Observamos na figura 3 que o primário e o secundário são duas bobinas isoladas uma da outra, porém, envolvendo um núcleo comum. Ao alimentar-se o primário ou o secundário com sua respectiva tensão nominal, obteremos um fluxo magnético
no
núcleo
de
ferro.
Se a fonte utilizada para a alimentação do primário, por exemplo, for de corrente contínua, não teremos uma transformação de tensão constante no secundário, pois o fluxo magnético gerado pela corrente contínua não é variável ao longo do tempo. Sendo o primário alimentado com tensão alternada, ele produzirá um fluxo magnético variável, já que a corrente alternada oscila em 60 Hz. Esse fluxo magnético variável percorrerá o núcleo de ferro, atingindo o secundário, provocando o surgimento de uma tensão alternada nesse enrolamento, consequência da indução magnética. A tensão que aparece no secundário, consequência da ação do fluxo magnético variável gerado pelo primário recebe o nome de tensão induzida. A tensão induzida é sempre proporcional ao número de espiras da bobina e de acordo com a indução magnética que a provocou, podendo ser calculada pela relação de transform transformação ação a seguir: seguir:
Figura 7- Tansformador elementar
2.4 Funcionamento do transformador
Conforme mencionado anteriormente, o funcionamento do transformador baseia-se nos fundamentos do eletromagnetismo, especificamente na Lei de indução de Faraday. Verifica-se que, ao movimentar um campo magnético diante de um condutor, surge uma corrente induzida. Em outras palavras, poderíamos dizer que um campo magnético variável produz um fluxo magnético variável, responsável pela tensão induzida. Observamos na figura 3 que o primário e o secundário são duas bobinas isoladas uma da outra, porém, envolvendo um núcleo comum. Ao alimentar-se o primário ou o secundário com sua respectiva tensão nominal, obteremos um fluxo magnético
no
núcleo
de
ferro.
Se a fonte utilizada para a alimentação do primário, por exemplo, for de corrente contínua, não teremos uma transformação de tensão constante no secundário, pois o fluxo magnético gerado pela corrente contínua não é variável ao longo do tempo. Sendo o primário alimentado com tensão alternada, ele produzirá um fluxo magnético variável, já que a corrente alternada oscila em 60 Hz. Esse fluxo magnético variável percorrerá o núcleo de ferro, atingindo o secundário, provocando o surgimento de uma tensão alternada nesse enrolamento, consequência da indução magnética. A tensão que aparece no secundário, consequência da ação do fluxo magnético variável gerado pelo primário recebe o nome de tensão induzida. A tensão induzida é sempre proporcional ao número de espiras da bobina e de acordo com a indução magnética que a provocou, podendo ser calculada pela relação de transform transformação ação a seguir: seguir:
Figura 8 - Princípio de funcionamento do transformador
E1/E2= N1/N2 (1), sendo: E1= Tensão no primário; E2= Tensão no secundário; N1= Número de espiras do primário; N2= Número de espiras no secundário. Sabe-se que o transformador é a máquina elétrica de maior rendimento, pelo fato de ser uma máquina estática, sendo suas perdas no cobre e no ferro bastante reduzidas. Assim sendo, podemos considerar que no transformador ideal a potência aparente do lado primário(S1) é igual à potência aparente do lado secundário(S2), ou seja: S1=S2 ou E1.I1=E2.I2 E1/E2=I2/I1 (2), sendo: I1= Corrente C orrente primária; primária; I2= Corrente secundária.
Reunindo as equações (1) e (2), obteremos a equação fundamental dos transformadores: V1/V2=I2/I1=N1/N2 Analisando a equação fundamental, concluímos que quanto maior o número de espiras, maior será a tensão e menor a corrente e, quanto menor o número de espiras,
menor
será
a
tensão
e
maior
a
corrente.
É bom ressaltar que o transformador não funciona em corrente contínua, pois seu princípio de funcionamento é baseado na variação de um fluxo magnético, portanto é preciso alimentá-lo com C.A. 2.5 Perdas no tr ansform ador
Como mencionamos anteriormente, as perdas são mínimas em um transformador, entretanto, elas são as responsáveis pelo rendimento um pouco abaixo dos 100%. Estas perdas são denominadas perdas no cobre e perdas no ferro. As perdas no cobre são devidas às resistências ôhmicas dos enrolamentos primário e secundário que são constituídos por fios condutores de cobre esmaltado. A resistência total das bobinas, sob a influência de uma corrente elétrica é aquecida, e este aquecimento significa potência desperdiçada. Para reduzir estas perdas. os enrolamentos poderão estar imersos em óleo mineral isolante, no caso de transformadores de distribuição e potência, ou, em ambientes refrigerados, em contado com o meio ambiente, no caso de transformadores a seco. Os transformadores de serviço utilizados em navios mercantes são do tipo a seco. As perdas no ferro ou por correntes parasitas são devido à ação do fluxo magnético variável no núcleo do transformador ao ser induzido no mesmo uma tensão e, como o núcleo forma um circuito fechado, surgirá no mesmo uma corrente elétrica que produzirá um campo magnético em oposição ao campo que deu origem a esta corrente, ocasionando perda de rendimento e aquecimento. Para minimizar os efeitos das correntes parasitas, não se deve utilizar um núcleo de material ferromagnético maciço em um transformador. Na construção do núcleo são utilizadas chapas de material ferromagnético, de espessura reduzida, isoladas eletricamente uma das outras e justapostas, formando um bloco compacto.
Por estarem isoladas eletricamente, não facilitam a circulação das correntes parasitas, reduzindo o aquecimento e a influência negativa do campo magnético. Você já observou que o núcleo dos transformadores e a parte interna dos motores elétricos são fabricados com material laminado e não maciço? Abaixo apresentamos diversos tipos de transformadores monofásicos utilizados em diversos equipamentos de um navio mercante.
Figura 9 - Transformadores monofásicos Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Figura 10 - Transformadores monofásicos
Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Figura 11 – Transformadores monofásicos Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Figura 12 - Transformadores monofásicos Fonte: www.wisetransformadores.com.br 2.6 Polarização dos tr ansfor madores
Sabemos que dois ou mais indutores podem ser ligados, em série, de duas formas distintas: série aditiva e série subtrativa. Na ligação em série aditiva, há um reforço nos campos magnéticos criados em cada indutor, ao ser percorrido por corrente elétrica; na ligação em série subtrativa, há um enfraquecimento entre os
campos
magnéticos
de
cada
indutor.
A polaridade de um indutor é definida pelos sentidos de enrolamento e do fluxo de corrente elétrica, conforme mostram as figuras 13 e 14.
Figura 13 - Polaridade de um indutor Fonte:Física História & Cotidiano, Bonjorno & Clinton
Figura 14 - Regra da mão direita Fonte:Física História & Cotidiano, Bonjorno & Clinton Observe que na figura 13, o sentido de enrolamento é da frente para trás; e na figura 14 é o inverso, sendo que em ambos os casos, o sentido de corrente é o mesmo. A regra prática para a determinação da polaridade de um indutor é bastante simples; estendendo a mão direita, a parte interna (palma) estará orientada no sentido de como o condutor foi enrolado e as pontas dos quatro dedos (do indicador ao mínimo) estarão orientadas no sentido da corrente elétrica. O quinto dedo, ou seja, o polegar definirá a posição do polo norte. Observe atentamente a figura 15 e aplique a regra da mão direita e confirme as respectivas polaridades.
Figura 15 - Regra da mão direita Fonte:cwx.prenhall.com Em um transformador, as bobinas ou enrolamentos nada mais são que indutores que devem ser ligados em série aditiva para que haja um reforço dos ,
campos magnéticos. Portanto, os enrolamentos que compõem o lado de alta-tensão devem obedecer à regra da polarização aditiva; o mesmo critério deve ser obedecido para os enrolamentos que compõem o lado de baixa-tensão. Na prática, a polarização de um transformador é definida através de dois métodos: Golpe Indutivo e Polarização em A.C. Tais métodos são complexos, requerem instrumentos especiais e possibilitam riscos de descargas perigosas durante os ensaios. O Golpe Indutivo é mais simples e rápido de polarizar um transformador e é aplicado separadamente em cada um dos três enrolamentos que formam o transformador trifásico: consiste em aplicar uma tensão C.C. no primário e observar a resposta em um galvanômetro conectado no secundário. A polaridade estará correta quando o mesmo padrão de resposta for obtido para os três enrolamentos que serão identificados de acordo com esta resposta. O método de polarização em A.C. é mais complexo e trabalhoso, porém, exige menos instrumentos e recursos de bancada, bastando uma fonte A.C. ajustável: consiste em alimentar um dos enrolamentos com tensão reduzida e ligar os outros enrolamentos em série até que tenhamos a soma das tensões de cada enrolamento. A cada etapa, marcamos os terminais dos enrolamentos já polarizados. Os transformadores são entregues pelos fabricantes com todos os enrolamentos identificados e polaridades definidas. A placa de identificação do transformador contém todas as orientações do fabricante para efetuar as ligações desejadas. É importante manter visível a placa de identificação de um transformador.
2.7 Autotransformadores
Os autotransformadores são transformadores especiais, que possuem um único enrolamento com várias derivações denominadas de TAP’s, como pode ser visto na figura16.
Figura 16 - Autotransformador Fonte: www.wisetransformadores.com.br A aplicação de autotransformadores é indicada quando não se tem necessidade de isolação elétrica entre primário e secundário, e a redução de tensão não ultrapassa 50% da tensão primária, como, por exemplo, o autotransformador trifásico utilizado em sistemas de compensação de partida de motores elétricos, denominadas chaves compensadoras, que possuem tap’s de 50%, 65% e 85% da tensão de entrada, muito utilizado em navios, como ilustra a figura 17.
Figura 17- Chave compensadora Fonte: www.wisetransformadores.com.br
2.8 Transfor mador de pot encial
Os transformadores de potencial, conhecidos como TP’s, são utilizados para alimentar as bobinas de potencial de instrumentos de medição e instrumentos de proteção em sistemas de potência, conforme figura 18.
Figura 18 - Transformadores de potencial Fonte:Siemens Os TP’s possuem como característica principal a tensão secundária de 115V, sendo a tensão primária de valores elevadíssimos. Tomando como exemplo o sistema de distribuição de energia de uma Concessionária, em que a tensão primária seja de 13800 volts, e que se deseja medir o nível de tensão em um painel de comando. É evidente que não podemos instalar um voltímetro que meça diretamente os 13800 volts. O TP, neste caso, participa do sistema de medição reduzindo o nível de tensão para ser aplicado ao voltímetro, de 13800V para 115V. O transformador de potencial também pode ser utilizado para acionar as bobinas de acionamento de disjuntores de alta tensão, pois é inviável comandá-los em tensões elevadas. Em navios mercantes, onde a tensão gerada é de 440 volts, os sistemas de medição e de proteção são alimentados com TP’s de relação 440/115 volts. 2.9 Transfor mador de corr ente
Os transformadores de corrente, conhecidos como TC’s, igualmente como os TP’s, também são utilizados para alimentar instrumentos de medição e instrumentos de proteção, sendo entretanto, conectados nas bobinas de corrente de tais equipamentos. A figura 19 mostra transformadores de corrente.
Figura 19 - Transformadores de corrente Fonte:Siemens Como característica principal, a corrente secundária de um TC é de 5A, sendo a corrente primária determinada pelo barramento ou condutor elétrico envolvido pelo mesmo. Em navios mercantes, os TC’s são bastante empregados. Suponhamos que um navio graneleiro seja alimentado por um gerador de 950KVA-440Volts, e no quadro elétrico esteja instalado um medidor de potência ativa,denominado wattímetro. A corrente nominal do gerador é de 1248A, corrente esta que danificaria as bobinas de corrente
do
medidor.
Para eliminar este inconveniente, o medidor será alimentado por um TC de relação 1250/5A, pois não são fabricados TC’s de relação 1248/5A. O secundário de um TC, quando energizado, nunca deve ficar em aberto, pois uma elevadíssima tensão será induzida em seus terminais, podendo ser fatal. Portanto, em um TC instalado, quando não estiver alimentando um medidor ou um relé, seus terminais deverão ser curto-circuitados.
3 Transform adores t rifásicos
3.1 Introd ução
A bordo de navios são bastante utilizados transformadores de serviço, a seco, para eliminar riscos de explosão; de emprego ecològicamente corretos, possuindo três enrolamentos
no
primário
e
três
enrolamentos
no
secundário.
Tais transformadores são os chamados trifásicos, com amplo emprego na indústria e sistemas de distribuição. Nos navios, os transformadores trifásicos são utilizados para alimentar cargas cujas tensões nominais são menores que 440volts, que é a tensão padrão.Iremos abordar os seus aspectos construtivos mais importantes, tipos de ligações e aplicações. A figura 20 mostra-nos o transformador de serviço de um navio.
Figura 20 - Transformador trifásico de serviço Fonte navio Itaperuna 3.2 Aspectos construt ivos
Basicamente os transformadores trifásicos são constituídos por um conjunto de três transformadores monofásicos, conforme a figura 21.
Figura 21- Transformador trifásico constituído por três monofásicos Os transformadores trifásicos, por serem constituídos por três transformadores monofásicos que compartilham um núcleo comum de material ferromagnético, que possuem as mesmas características construtivas, número de espiras, seção dos condutores e potência, sendo correto afirmar que a potência de uma unidade trifásica é três vezes a de uma unidade monofásica, ou seja: S3ø=3.S1Ø, onde: S3ø=Potência aparente do transformador trifásico S1Ø=Potência aparente do transformador monofásico Existem diversos tipos de transformadores trifásicos, conforme mostram as figuras abaixo. Em todos os tipos construtivos de transformadores trifásicos há a necessidade de dissipação do calor produzido pelo equipamento em operação.Em transformadores trifásicos de médio e grande portes, geralmente os enrolamentos permanecem imersos em óleo mineral isolante que está em contato com as aletas externas, melhorando a dissipação de calor. Transformadores menores, tais como os utilizados em navios mercantes, possuem seus enrolamentos em contato com o ar, que é suficiente para dissipar o calor gerado. Como observação, informamos que a restrição ao uso de transformadores a óleo em navios, é devido à possibilidade de explosão por centelhamento nas espiras, em virtude de acúmulo de gases inflamáveis no óleo isolante.
Figura 22 - Transformador trifásico de potência Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Figura 23 - Transformador trifásico de distribuição. Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Figura 24 - Transformador trifásico a seco Fonte: www.wisetransformadores.com.br Normalmente os transformadores trifásicos possuem uma caixa de ligação ou bornes em que podemos efetuar as ligações e conexões. Para identificar os terminais primários, é utilizada a letra H seguida do número do terminal, e, para identificar os terminais secundários, é utilizada a letra X, também seguida do número do terminal. Em transformadores de alta e média tensão, os bornes de ligação são sustentados por isoladores que os mantêm a uma distância adequada da carcaça do transformador, conforme a figura 13.
. Figura 25 - Bornes de ligações de um transformador Fonte: www.wisetransformadores.com.br
3.3 Tipos de ligações de um transformador trifásico
Os transformadores trifásicos possuem enrolamentos primário e secundário preparados para serem ligados, de acordo com o esquema de ligações fornecido pelo fabricante. Os esquemas de ligações do fabricante trazem a identificação dos terminais de alta e de baixa-tensão com as letras H e X respectivamente, e, as bobinas das fases são identificadas com a numeração normalizada: Fase R (1,4)/ (7,10) Fase S (2,5)/(8,11) Fase T (3,6)/(9,12) Em em circuitos trifásicos temos dois tipos básicos de ligações: estrela e triângulo. Os transformadores trifásicos de distribuição geralmente possuem ligação triângulo no lado de alta-tensão e estrela no lado de baixa-tensão. A figura 26 ilustra o fechamento de um transformador trifásico de distribuição de seis terminais.
Figura 26 - Tipos de ligações trifásicas para 6 terminais
A figura 27 ilustra os possíveis fechamentos de um transformador trifásico de distribuição de 12 terminais.
Figura 27 - Tipos de ligações trifásicas para 12 terminais Observe que o ponto comum das ligações estrela dos secundários é representado por X0 e corresponde ao neutro do transformador. 3.4 Placa de Identifi cação de um tr ansfor mador tr ifásic o
Nos transformadores trifásicos, o fabricante deverá fornecer os dados nominais em uma placa de identificação que deverá estar fixada em um ponto de fácil visualização, contendo as seguintes informações: 1- Potência nominal em KVA; 2- Tensão nominal primária em KV; 3- Tensão nominal secundária em KV; 4- Corrente nominal primária em ampère. (A); 5- Corrente nominal secundária em ampère (A); 6- Freqüência nominal em Hertz (Hz); 7- Impedância percentual (Z%). A figura 28 mostra a locação de transformadores de serviço instalados em um navio.
Figura 28 - Locação de transformadores de serviço Fonte: navio Itaperuna. 3.5 Perdas em um tr ansfor mador
Um transformador, além das perdas devido às correntes parasitas, possui outras perdas. A primeira que veremos é em função do enrolamento das bobinas. Como as bobinas são feitas de fio de cobre esmaltado e esse fio possui certa resistência ôhmica, é correto afirmar que a resistência total de uma bobina, sob influência de uma corrente elétrica, provoque aquecimento e isto significa potência desperdiçada. Essas perdas são denominadas de perdas no cobre. Outra perda no transformador está relacionada à histerese magnética. Ela provoca o atraso entre o campo magnético e a indução magnética. Como esta perda está relacionada com a qualidade do material utilizado na montagem do núcleo, ela é chamada de perda no ferro. As perdas no cobre e no ferro serão determinadas através de experiências que estudaremos na unidade de ensino 5. 3.6 Rendimento d e um transfo rmador
Através das perdas no cobre e no ferro, determinadas através dos ensaios de curto circuito e de circuito aberto, que veremos na unidade de ensino 5, é determinado o rendimento de um transformador.
6 Geradores de cor rente alternada
6.1 Introd ução
Os geradores de corrente alternada, também denominados de geradores síncronos ou alternadores, são os responsáveis pela geração de energia elétrica nos navios mercantes, portanto, de grande importância o estudo dessas máquinas elétricas girantes. Em um navio encontram-se instalados pelo menos três geradores síncronos, sendo dois localizados na praça de máquinas, denominados de geradores principais, e um no convés superior, denominado gerador de emergência. A figura 59 mostra um gerador síncrono instalado em um navio mercante e a figura 60 mostra seu respectivo painel elétrico, localizado no QEP (Quadro Elétrico Principal).
Figura 59 - Gerador síncrono Fonte: navio Itaperuna.
Figura 60 - Painel do gerador síncrono Fonte: navio Itaperuna. Estas máquinas, juntamente com uma máquina primária acoplada ao seu eixo, convertem energia mecânica em elétrica, através do movimento relativo entre campo magnético e condutores elétricos. O gerador elementar foi inventado na Inglaterra, em 1831 pelo físico Michael Faraday. Este gerador elementar consistia basicamente por um ímã que se movimentava no interior de uma espira, ou vice-versa, provocando o aparecimento de uma força eletromotriz induzida(fem) na espira, registrado em um galvanômetro, conforme mostra a figura 61.
Figura 61 - Lei de Faraday Fonte: Acervo Saber Observe que é necessário o movimento relativo entre campo magnético e espira. Nos geradores utilizados em instalações marítimas, o condutor é fixo e o campo é móvel, por razões que abordaremos posteriormente. 6.2 Princípio de funcionamento
Como citado anteriormente, a função de um gerador síncrono é a conversão de energia mecânica em elétrica. Com finalidades didáticas, no estudo do princípio de funcionamento iremos considerar inicialmente uma espira imersa em um campo magnético produzido por um ímã permanente, conforme mostrado na figura 62.
Figura 62 - Gerador elementar Fonte: Acervo Saber. Os terminais da espira são conectados a dois anéis ligados ao circuito externo (carga) através de escovas de grafite. Este tipo de gerador é de armadura móvel e de campo fixo. Admitindo-se que a espira (bobina) se movimenta com velocidade uniforme v, no sentido horário, no interior do campo magnético B, também uniforme. Segundo a Lei de Indução de Faraday, o valor instantâneo da f.e.m. induzida no condutor em movimento de rotação é determinado por: E= B.l.v.senΦ ( Volts), onde: E é a força eletromotriz induzida na armadura; B é a indução do campo magnético; l é o comprimento do condutor; v é a velocidade linear; e Φ é o ângulo formado entre B e v.
No gerador prático, a armadura é composta de n espiras, logo: E=n.B.l.v.senΦ ( Volts). Observe na figura 51, que o campo magnético é formado por um eletroímã constituído por sapatas polares de material de alta permeabilidade magnética e
uma bobina que é alimentada por uma fonte de corrente contínua, necessária para manter as polaridades magnéticas fixas. No gerador prático, a alimentação do campo magnético com corrente contínua vem do próprio gerador, através de um sistema de excitação denominado Regulador Automático de Voltagem(AVR), conforme veremos posteriormente. A variação da f.e.m. induzida no condutor, em função do tempo, é determinada pela lei da distribuição da indução magnética sob um par de polos. Esta distribuição tem um caráter complexo e depende da forma
geométrica da sapata polar. Com um “designer” conveniente das peças polares, poderemos obter uma distribuição senoidal de induções. Nesta condição, a f.e.m. induzida no condutor também varia com o tempo sob uma forma senoidal. A figura 63 mostra somente um lado da bobina imersa no campo magnético, em 12 posições diferentes, estando cada posição separada uma da outra de 30º. A figura 64 mostra as tensões correspondentes a cada uma das posições.
Figura 63 - Bobina imersa em campo magnético Fonte: Acervo Saber.
Figura 64 - Forma de onda da tensão gerada
Fonte: Acervo Saber.
Nos geradores de capacidades elevadas, como é o caso de navios, é utilizado o tipo construtivo em que o campo magnético é móvel. Neste caso, a tensão de armadura é retirada diretamente, sem necessitar escovas. A potência de excitação destes geradores normalmente é inferior a 5% da potência nominal de saída; por este motivo, o tipo de armadura fixa , ou campo girante, é o mais utilizado.Você já imaginou as dimensões das escovas necessárias para retirar uma corrente de intensidade de 1000A de uma armadura girante? A figura 65 mostra um corte transversal de um alternador elementar de armadura fixa.
Figura 65 - Corte transversal do gerador elementar Fonte: Acervo Saber. 6.3 Frequência da tensão i nduzida em um alternador
Em um gerador elementar, a cada giro da espira teremos um ciclo completo da tensão gerada. Na prática, as peças polares são construídas com um número maior de pares de polos magnéticos que se distribuirão alternadamente. Neste caso, o ciclo se completa a cada par de polos. Considerando “N” a velocidade da máquina primária em RPM e “F” a frequência da tensão induzida em ciclos por segundo(Hertz), teremos: F= (NxP)/120 ( Hertz)
As frequencias mundialmente padronizadas na geração de tensões elétricas são nos valores de 50 Hz e 60 Hz. No Brasil, adota-se a frequência de 60 Hz. A tabela 2 mostra as velocidades síncronas das máquinas primárias para as freqüências e número de polos utilizados na prática.
Tabela 2
6.4 Compo nentes de um gerador síncr ono
Os alternadores bàsicamente possuem uma parte fixa denominada estator e uma móvel denominada rotor. Na parte estática estão localizados os enrolamentos ou bobinas do induzido(armadura), alojados nas ranhuras de um núcleo de ferro. Na parte móvel, encontram-se localizadas as peças polares ou sapatas,constituídas por material ferromagnético de alta permeabilidade magnética,envolvidas
pelo
enrolamento
ou
bobina
de
campo,cujas
extremidades são ligadas a dois anéis coletores que recebem, através de escovas, corrente contínua de uma fonte externa ou do próprio induzido, conforme veremos posteriormente.
Dependendo do tipo de excitação utilizado, temos os TC’s, retificador trifásico, regulador automático de voltagem(AVR), excitatriz principal, excitatriz auxiliar e alternador auxiliar. A figura 66 mostra os componentes de um gerador síncrono.
Figura 66 - Componentes de um gerador síncrono Fonte: WEG
6.5 Tipos construt ivos d o campo magnético
Os geradores síncronos podem ser construídos com rotores de polos lisos (cilíndricos) ou polos salientes, dependendo da velocidade da máquina primária. O rotor de polos cilíndricos possui o entreferro uniforme ao longo de toda a periferia do núcleo de ferro, podendo ser acionado em velocidades superiores a 1800 r.p.m., sem que os condutores possam romper por ação da força centrífuga, pois os mesmos estão firmemente alojados nas ranhuras do núcleo de ferro. A figura 67 mostra um rotor de polos lisos.
Figura 67 - Rotor de polos cilíndricos Fonte: WEG. Os rotores de polos salientes apresentam uma descontinuidade no entreferro ao longo da periferia do núcleo de ferro, formando as denominadas regiões interpolares, onde o entreferro é extenso, tornando visível a saliência dos polos. Neste tipo de rotor, os condutores situados nas saliências estão submetidos à ação considerável da força centrífuga, podendo romper. Por este motivo, este tipo construtivo de rotor não é utilizado em alternadores acionados em velocidades acima de1800 r.p.m. A figura 68 mostra um rotor de polos salientes.
Figura 68 - Rotor de polos salientes Fonte: WEG.
6.6 Tipo s de geradores quanto à natureza da máquin a motri z
Quanto ao tipo de acionamentos, os geradores são classificados em: a) grupo diesel: são geradores acionados por motores diesel com potências nominais de até 1500KVA, rotação até 1800 r.p.m,IV polos, tensões nominais de 220V, 380V ou 440V, frequências nominais de 50Hz ou 60Hz b) turbogeradores: são geradores acionados por turbinas a vapor, com potências nominais de até 20MVA, rotação até 1800 r.p.m., IV polos, tensões nominais de 220V a 13800V, frequências nominais de 50Hz ou 60Hz c) hidrogeradores: são geradores acionados por turbinas hidráulicas, com potências nominais de até 20MVA, rotação entre360 a 1800 r.p.m., IV a XX polos, tensões nominais de 220V a 13800V, frequências nominais de 50Hz ou 60Hz. Em navios mercantes são utilizados grupos diesel e/ou turbogeradores. Os hidrogeradores são utilizados em usinas hidrelétricas.
6.7 Geração de corr ente trif ásica
O sistema trifásico é obtido através da combinação de três sistemas monofásicos de tensões U1, U2 e U3, tais que a defasagem entre elas seja 120º. A armadura deste tipo de gerador é composta por três conjuntos de bobinas dispostas simetricamente no espaço, formando entre sí também ângulos de 120°. Para que o sistema seja equilibrado, isto é, U1=U2=U3, o número de espiras de cada bobina deverá ser igual. A figura 69ilustra as formas de ondas de tensão em cada bobina do sistema.
Figura 69 - Formas de ondas trifásicas Fonte: WEG. A ligação dos três sistemas monofásicos para se obter o sistema trifásico é feita usualmente através de duas formas distintas: estrela (Y) ou triângulo (∆). 6.8 Ligação estrela ou Y
Ligando uma das extremidades de cada enrolamento monofásico a um ponto comum aos três, as extremidades opostas formarão um sistema trifásico em estrela ou Y, conforme mostra a figura 70. O ponto comum ou quarto condutor é denominado neutro.
Figura 70 - Ligação estrela ou Y. Fonte: WEG. Definem-se ‘’tensões e correntes de fase’’ as tensões e correntes de cada um dos três sistemas monofásicos, indicados por VF e IF, ou seja, entre as extremidades da estrela e o ponto comum. Como “tensões de linha” são definidas as tensões entre as extremidades da estrela, e como correntes de linha as que saem em cada extremidade do Y. A figura 71 mostra um sistema trifásico a três condutores.
Figura 71 - Sistema trifásico a três condutores Fonte: WEG.
As relações entre os valores de linha e de fase em uma ligação Y são: VL= √3xVF IL= IF Em um sistema trifásico em Y com quatro condutores, teremos: IN= IA+IB+IC Se o sistema for equilibrado, IA=IB=IC e IN=0; se o sistema não for equilibrado, IN≠0. 6.9 Ligação triângulo o u delta
Se ligarmos os três sistemas monofásicos entre sí, como indica a figura 72, formaremos um triângulo, em cujos vértices originam-se as fases do sistema trifásico em ligação delta.
Figura 72 - Ligação delta ou triângulo Fonte: WEG. A tensão entre dois vértices do triângulo chama-se “tensão de linha”, que é a tensão nominal do sistema trifásico. A corrente que sai de cada vértice é chamada de corrente de linha.
Figura 73 - Sistema trifásico em delta Fonte: WEG. Examinando a figura 73, observamos que: 1) a cada carga é aplicada a tensão de linha VL, que é a própria tensão do sistema monofásico correspondente, ou seja: VL= VF. 2) a corrente de linha (IL) é igual à soma das correntes das fases ligadas ao vértice respectivo, ou seja: IL=IF1+IF3. Como as correntes estão defasadas entre si, a soma deverá ser feita graficamente como mostra a figura 74.
Figura 74 - Soma fasorial de correntes Fonte: WEG.
Pode-se mostrar que: IL=√3xIF
6.10 Tipo de li gação dos alternador es de navios
Os alternadores ou geradores síncronos utilizados em navios possuem os enrolamentos da armadura ligados em estrela, com o ponto comum solidamente interligado à estrutura metálica do navio, originando o “terra”. No quadro elétrico principal, não há barramento de neutro, sendo a tensão de linha de 440v o único valor fornecido pelo gerador. Qualquer carga que necessitar de tensão diferente de 440v será alimentada por transformadores de serviço. Qualquer corrente de desequilíbrio no sistema ou de contatos acidentais para a “massa” será dispersada no mar através do casco do navio. 6.11 Compor tamento do gerador em vazio
Em vazio, ou seja, sem carga, a tensão de armadura depende do fluxo magnético gerado pelos polos de excitação, ou da corrente contínua que circula pelo enrolamento de campo. Isto somente é verdadeiro pelo fato de que o estator (induzido) não é percorrido por corrente, portanto, é nula a reação da armadura, cujo efeito é de alterar o fluxo total. Ao gráfico que relaciona a tensão gerada e a corrente de excitação denominamos de característica a vazio (fig. 75), no qual podemos observar o estado de saturação da máquina.
Figura 75 - Característica a vazio Fonte: WEG.
Em carga, a corrente que atravessa os condutores da armadura origina um campo magnético, causando alterações na intensidade e distribuição do campo magnético principal. Esta alteração depende da corrente, do fator de potência e da característica da carga, como veremos a seguir. 6.12 Gerador ali mentando carg a puramente resisti va
Quando o gerador alimenta um circuito puramente resistivo, tal como uma sauna, é criado pela corrente de carga, na armadura, um campo magnético defasado de 90°, em atraso, em relação ao campo principal, conforme mostrado na figura 76.
Figura 76 - Campos em quadratura Fonte: WEG. Os polos principais exercem sobre os polos de reação de armadura (no induzido) uma força contrária ao movimento, necessitando-se de acréscimo de potência mecânica para se manter o rotor girando. O diagrama da fig. 66 mostra a alteração do fluxo magnético principal em vazio ( Фo) em relação ao fluxo magnético de reação de armadura (ØR). A modificação de Фo é pequena, não produzindo uma variação muito grande em relação ao fluxo resultante. Devido à queda de tensão nos enrolamentos da armadura,será necessário aumentar a corrente de excitação para manter a tensão nominal(ver fig.77).
Lembre-se que, em uma carga puramente resistiva, o fator de potência é unitário, ou seja, tensão e corrente estão em fase.
Figura 77 - Tensão e corrente em fase Fonte: WEG. 6.13 Gerador ali mentando um a carga puramente indut iva
O fator de potência de uma carga puramente indutiva é zero, pois a tensão está adiantando de 90° em relação à corrente, assim sendo, a carga puramente indutiva apenas troca energia com o alternador, consequentemente, a injeção de combustível é desmagnetizante, conforme mostra a figura 78.
Figura 78 - Carga puramente indutiva Fonte: WEG.
As cargas puramente indutivas armazenam energia no seu campo magnético e a devolvem ao gerador, não exercendo nenhum conjugado frenante sobre o induzido. Neste caso, somente será necessária energia mecânica para compensar as perdas. Devido ao efeito desmagnetizante, será necessário um grande aumento da corrente de excitação para manter a tensão nominal. 6.14 Gerador alim entando um a carga puramente capacitiv a
A carga puramente capacitiva possui comportamento oposto ao da carga puramente indutiva, a corrente está adiantada de 90º em relação à tensão, consequentemente, seu fator de potência é zero. O campo de reação da armadura estará na mesma direção e mesmo sentido do campo principal; logo, o campo induzido tem um efeito magnetizante, reforçando o campo principal. Devido ao efeito magnetizante, será necessário reduzir a corrente de excitação para manter a tensão nominal, conforme mostra a figura 79.
Figura 79 - Carga puramente capacitiva Fonte: WEG. Como o gerador, efetivamente, não entrega energia à carga, o motor acionante não é solicitado e a injeção de combustível é a mesma requerida para o funcionamento a vazio.
A figura 80 mostra a variação da corrente de excitação para manter a tensão de armadura constante para os três tipos básicos de cargas.
Figura 80 - Corrente de excitação para os tipos básicos de carga Fonte: WEG. Como sabemos que, na prática, a carga a ser alimentada por um alternador possui características predominantemente indutiva, devido à presença de bobinas de motores elétricos, reatores, lâmpadas de descarga, etc., na variação da carga alimentada, deverá haver compensação na velocidade da máquina primária e na corrente de excitação. 6.15 Contro le de frequenci a em um alternador
No item 6.3 foi visto que a frequencia da tensão gerada em um alternador é diretamente proporcional ao número de polos e à velocidade da máquina primária, ou seja: ƒ=
.
Em um alternador, o número de polos é definido na construção da máquina, ou seja, é um valor constante.Desta forma,a freqüência dependerá diretamente da velocidade da máquina motriz. Em um navio, a máquina primária pode ser um motor diesel, cuja velocidade é controlada através da injeção de combustível, ou uma turbina cuja velocidade é controlada pela quantidade de vapor, sendo o primeiro caso o mais utilizado.
Admitindo a utilização de um motor diesel como máquina primária, podemos ter as seguintes situações: a) aumento de carga: nesta condição a máquina primária será submetida a uma elevação de torque, tendo como consequência uma diminuição de velocidade e consequentemente uma redução na frequência. Para restabelecer o equilíbrio, o regulador de velocidade deverá atuar, e, através de um servomotor, aumentar a injeção de combustível, aumentando a velocidade até que a frequência atinja 60Hz. b) redução de carga: ao ser reduzida a carga alimentada pelo alternador, haverá uma redução no torque da máquina primária, ocasionando uma elevação na velocidade com consequente aumento na frequência. Para restabelecer o equilíbrio, o regulador de velocidade deverá atuar através do servo-motor, diminuindo a injeção de combustível, reduzindo a velocidade até que a frequência atinja 60Hz. Os fabricantes de grupos geradores desenvolveram reguladores de velocidade eficientes, de resposta rápida, de maneira que a frequência da tensão gerada por um alternador permanece praticamente constante para qualquer variação de carga. Existem reguladores hidráulicos, mecânicos, eletrônicos e digitais. 6.16 Sistemas de exci tação
Como sabemos em um alternador dois parâmetros devem ser controlados: a frequência e tensão de saída. O controle de frequência, conforme visto no ítem anterior,é efetuado através de um sistema eletrônico que iremos estudar. O sistema de excitação age diretamente ou indiretamente no campo magnético do alternador, mantendo constante, aumentando ou diminuindo a intensidade de corrente contínua para o mesmo. Os sistemas de excitação têm a sua atuação dependente do tipo de carga que o alternador alimenta.
Se a carga alimentada pelo alternador possuir características resistivas ou indutivas, a tensão no barramento será menor que a nominal do gerador; logo, o sistema de excitação, através do regulador automático de voltagem (AVR), deverá aumentar a intensidade de corrente para o campo magnético, a fim de que a tensão na armadura do gerador aumente e compense a queda de tensão provocada pela carga. Quando a carga alimentada pelo alternador possuir características capacitivas (o que é pouco provável), a tensão no barramento será maior que a tensão nominal do gerador, logo, o sistema de excitação, através do AVR, deverá diminuir a intensidade de corrente para o campo magnético, a fim de que a tensão diminua e compense o aumento de tensão provocado pela carga. Quando a tensão no barramento for igual à corrente nominal, o sistema de excitação deverá manter constante a intensidade de corrente para o campo magnético do alternador. Lembre-se que em operação normal a tensão no barramento deverá ser igual à nominal do gerador. Na prática, a carga possui característica indutiva, porém, a resistência elétrica dos condutores se faz presente na composição da mesma; logo, quando aumentar a carga, a máquina motriz estará submetida a um torque maior, tendo como conseqüência uma súbita redução em sua velocidade, diminuindo a frequência , exigindo a ação imediata do regulador de velocidade. Devido ao efeito desmagnetizante do campo da reação da armadura, haverá uma queda de tensão no barramento, e o AVR aumentará a intensidade da corrente para o campo magnético, ou seja: Aumento de carga → acréscimo na corrente de campo. Quando retira-se cargas do barramento, o regulador de velocidade imediatamente diminuirá a injeção de combustível, mantendo a frequência do sistema constante. Agora, o efeito desmagnetizante do campo da reação da armadura será menor, e, consequentemente, haverá um aumento nas tensões do barramento, e o AVR diminuirá a intensidade da corrente para o campo magnético, ou seja: Diminuição de carga → decréscimo na corrente de campo.
6.17 Tipos de excit atrizes
A corrente contínua necessária para o controle de tensão poderá ser obtida de uma fonte externa ao alternador ou do próprio gerador (autoexcitação). Os alternadores utilizados na geração de energia elétrica em navios são autoexcitados. A condição necessária para a autoexcitação é a existência do magnetismo residual, retido nas peças polares após a última utilização do gerador. Em caso de perda do magnetismo residual, torna-se necessário restabelecer o campo magnético, através da aplicação de uma tensão contínua, de polaridades corretas, nas escovas. A este procedimento chamamos de “escorvamento”. Existem dois tipos de sistemas de autoexcitação, sendo um estático e um dinâmico. 6.18 Sist ema de excitação estátic o
A excitatriz estática é formada basicamente pelos seguintes componentes e respectivas funções: a) transformadores de corrente (TC’s. A função dos TC’s é conduzir uma parcela da corrente gerada pelo alternador para alimentar a excitatriz. É conveniente lembrar que a potência de excitação varia de 1 a 5% da potência nominal do alternador. b) retificador estático trifásico. Retifica as correntes enviadas através dos TC’s, pois a corrente de campo deverá ser do tipo contínua. c) regulador automático de voltagem (A.V.R). É um componente eletrônico, formado por circuitos lógicos que irão analisar as variações de tensão no barramento devido às oscilações de carga, tendo como set-point o valor da tensão nominal do gerador,formando um sistema de controle de malha fechada. O AVR é a parte mais importante da excitatriz.
A excitatriz estática é um sistema de resposta rápida, pois o AVR atua diretamente no campo do alternador, entretanto, é um sistema de baixa confiabilidade, devido à resistência de contato entre escova e anéis coletores. A manutenção de um sistema estático é bem simples, sendo que, se houver uma boa manutenção preventiva, este sistema não irá causar problemas. A figura 81 mostra o diagrama do sistema estático.
RETIFICADOR
ALTERNADOR
CAMPO
Figura 81 - Sistema de excitação estático 6.19 Sistema dinâmico ou br ushl ess
Este sistema foi desenvolvido com a finalidade de aumentar a confiabilidade na regulação de tensão de um alternador, visto que as escovas e anéis coletores são eliminados. No sistema brushless utiliza-se um alternador auxiliar com potência entre 1 a 3% da potência do alternador principal. Este alternador auxiliar está acoplado ao eixo, estando localizado entre a máquina motriz e o alternador principal, possuindo seu campo magnético no estator e armadura no rotor, ou seja, em configuração oposta à do alternador principal. O AVR atuará diretamente no campo estático do alternador auxiliar, através de contatos fixos. Na armadura do alternador auxiliar é induzida uma tensão, que será transformada em corrente contínua na ponte retificadora rotativa e alimentará diretamente o campo rotativo do alternador principal, estabelecendo
o equilíbrio entre tensão na carga e tensão nominal do gerador síncrono principal. O sistema brushless possui uma resposta mais lenta que o sistema estático, pois o AVR não atua diretamente no campo do alternador principal, entretanto, a confiabilidade do sistema é quase 100%. A manutenção de um sistema sem escovas é mais trabalhosa, pois, havendo algum dano na parte rotativa do sistema, será necessário parar a máquina para solucioná-lo. A fig.82 mostra o diagrama do sistema dinâmico.
Figura 82 – Sistema dinâmico 6.20 Operação em paralelo de geradores síncron os
A operação em paralelo entre alternadores consiste em colocar dois ou mais alternadores em operação, de forma a constituírem uma única máquina com características iguais às de um dos alternadores que compõem o sistema. Nos navios mercantes, os geradores principais operam em paralelo nas operações de carga e descarga, manobras de atracação e desatracação quando o propulsor lateral for elétrico, e em situações em que estando um gerador operando a carga ultrapasse 80% da sua capacidade.
Esta última condição é para que seja preservada a vida útil da unidade geradora. 6.21 6.21 Condi Condi ções n ecessárias ecessárias para a operação em paralelo
A fim de ser garantida a operação paralela, ou sincronizada, entre dois ou mais
geradores
síncronos,
as
seguintes
condições
deverão
ser
simultaneamente verificadas: 1) os alternadores que irão operar em paralelo deverão estar com o
mesmo valor eficaz de tensão de linha;. li nha;. 2) os alternadores deverão estar na mesma frequência de operação; 3) as formas de onda das tensões dos geradores deverão ser idênticas; 4) todos os alternadores deverão possuir a mesma seqüência de fases; 5) as formas de ondas das tensões dos geradores, para as fases de mesmo
nome, deverão estar em concordância. As condições necessárias necessárias são justificadas da da seguinte forma: 1) se um dos alternadores em operação sincronizada, por algum dano no AVR
ou no regulador de velocidade, ficar com tensão de linha menor que os demais, irá caracterizar a operação motorizada do gerador avariado e, antes que isto aconteça, atuará o relé de potência inversa, desconectando o alternador do barramento; 2) esta condição assegura uma frequência única para o sistema. Deve-se
atuar nos reguladores de velocidade das máquinas motrizes; 3) esta condição assegura o eqüilíbrio do sistema; 5) esta condição é considerada como a mais importante de todas, pois, em
caso de não cumprimento, ocorrerá um curto-circuito entre f ases de mesmo nome, de alternadores diferentes. 6.22 6. 22 Instru mentos d e sincro nizaçã nização o
Instalados em um painel do QEP, existem instrumentos que permitem a visualização das condições necessárias à operação paralela de grupos geradores; são eles:
Voltímetro Voltímetro duplo, que i ndica, em um único instrumento, os valores eficazes
das tensões de linha de dois geradores; Frequencímetro duplo, que i ndica, no mesmo medidor, os valores das
frequências de dois geradores; Voltímetro Voltímetro nulo, que mede o valor eficaz da diferença de potencial entre
fases de mesmo nome de dois geradores. No momento de concordância este valor é zero; 4 Sincronoscópio de lâmpadas, lâmpadas, que é um indicador do momento exato de
concordância de fases, mostrando, através da sequência do brilho das lâmpadas, esta condição. Em particular, se as lâmpadas forem ligadas entre fases iguais, a indicação será quando as mesmas estiverem apagadas; 5 Sincronos Sincronos cópio eletrônico, que Indica, através de um ponteiro que gira,o
momento de concordância de fases. Esta indicação corresponde à indicação de aproximadamente 12 horas em um relógio analógico. Você observou que para confirmação do momento exato de concordância de fases, temos no painel de sincronismo três indicadores: voltímetro nulo, sincronoscópio de lâmpadas e sincronoscópio eletrônico, portanto, esta é a condição principal para o sincronismo. A figura 83 mostra o painel de sincronismo, localizado no QEP de um navio.
Figura 83 - Painel de sincronismo Fonte: navio Itaperuna. 6.23 6.23-- Colocação de um g erador no barramento p ara operação operação si ngela
Vamos admitir que um navio esteja sem nenhum gerador no QEP, ou seja, o navio está completamente apagado. Nesta situação, o sistema de energia temporário (banco de baterias) deve está em condições de alimentar o sistema de partida dos MCA’s, e o sistema de comando dos disjuntores principais dos geradores. Para colocarmos manualmente um gerador no barramento do QEP, devemos primeiramente acionar o botão de partida do respectivo MCA. Após o MCA atingir a rotação nominal, o gerador irá gerar a tensão e frequência nominais (440v-60hz), visualizados através do voltímetro e frequencímetro instalados no painel do gerador, localizado no QEP. Em seguida, aciona-se a chave que energiza a bobina de fechamento do disjuntor e, neste instante, o gerador é colocado no barramento. Após a colocação do gerador no barramento, deve-se ligar as cargas que devem ser alimentadas e, simultaneamente, aumenta-se através do servomotor, a velocidade da máquina primária para manter constante a frequência. O aumento de carga provocará um decréscimo na tensão, o que
exigirá o aumento da corrente de campo, através da ação manual no reostato de campo instalado no painel do gerador no QEP. Se estiver selecionada a operação automática, todos os procedimentos anteriores são realizados através de um controlador l ógico programável. 6.24 Colocação um g erador para operar em paralelo com o barramento
O termo “em paralelo com o barramento” significa operação em paralelo com outro gerador. O gerador que está no barramento alimenta uma determinada carga que deverá, após o sincronismo, ser distribuída proporcionalmente com o gerador que entrará em operação síncrona. Como os grupos geradores principais de bordo são construtivamente idênticos, o operador irá atentar para as condições de mesma tensão de linha, mesma freqüência e momento exato de concordância de fases. Os procedimentos nesta operação são os seguintes: 1) acionar o sistema de partida do MCA do gerador que vai entrar; 2) ligar os instrumentos de sincronismo; 3) verificar no voltímetro duplo as tensões de linha dos geradores. Se não
tiver igualdade nos valores, atuar no reostato de campo que entrará, até que a condição seja satisfeita; 4) verificar no frequencímetro duplo, a frequência das tensões de linha dos
geradores. Se não há igualdade nos valores, atuar no servomotor do gerador que entrará, até que a condição seja satisfeita. 5) verificar no sincronoscópio o momento exato de concordância de fases; 6) acionar o disjuntor do gerador que entrará; 7) atuar simultaneamente, nos reguladores de velocidade, aumentando a
velocidade do gerador que entrou e reduzindo a do que já estava no barramento, em sucessivos pequenos intervalos, verificando nos kilowattímetros a distribuição proporcional da carga. Por exemplo, se antes do paralelismo o gerador que estava em operação singela alimentasse uma carga de 400kw, após a distribuição síncrona, passaria a alimentar 200kw, e o gerador que entrou assumirá os outros 200kw, pois os dois alternadores possuem idênticas capacidades.
6.25 Retir ando um g erador da operação síncrona
Para retirar um gerador da operação paralela, deve-se proceder da seguinte forma: a) passar a carga do gerador que sairá para o que ficará em operação singela,
atuando, simultaneamente, nos reguladores de velocidade, r eduzindo a velocidade do gerador que sairá ; aumentando a do que ficará no barramento, verificando quando zerar a indicação do kilowattímetro do gerador que sairá; b) desligar o disjunto do gerador que sai; c) acionar o botão de parada do MCA do gerador que sai; e d) regular manualmente a tensão e a frequência do gerador que permanece
no barramento. 6.26 Proteções de gr upos geradores
Os grupos geradores possuem níveis de proteções que dependem da potência e tensão nominais dos mesmos. O grau de proteção de um grupo gerador de uma hidrelétrica, por exemplo, é bastante diversificado e complexo em relação a um grupo gerador que é utilizado em navios mercantes. Os grupos geradores de navios possuem potência nominais compreendidas entre 150kva e 2000kva, com tensão nominal de 440v, considerada baixa. Para estes geradores, as proteções utilizadas são: Disjuntor. É a proteção principal de um gerador, possuindo proteções
contra curto-circuito, através de sua unidade magnética; contra sobrecarga, através de sua unidade térmica (par bimetálico); contra subtensão, através da bobina de mínima e contra sobretensão,través da bobina de máxima.Estas proteções são consideradas de ação direta, pois estão internas ao equipamento, atuando diretamente em sua bobina de abertura.
Relé de potência in versa. É a proteção contra motorização do gerador, ou
seja, quando dois ou mais geradores operam em paralelo, e, se por alguma avaria no AVR ou no regulador de velocidade, a sua tensão de saída diminuir, este gerador passará a consumir ao invés de gerar, passando a ser carga. Esta situação é caracterizada pela inversão do fluxo de corrente, que passará a ser no sentido barramento para gerador na máquina avariada. Sendo o relé de potência inversa do tipo direcional, o mesmo detectará a inversão do fluxo de corrente, e, através de um contato auxiliar energizará a bobina de abertura do disjuntor, retirando-o do barramento. Neste caso, a atuação do disjuntor é de ação indireta. Proteção contra curto-circuito no barramento. Trata-se de sensores
eletrônicos
que
supervisionam
a
resistência
de
isolamento
das
fases em relação ao barramento. Se for detectado algum curto-circuito entre fases
e
barramento,
ou
de
uma
metálica(terra),
a
proteção
que
o
fechamento
comanda
fase
para
interrompe do
a
estrutura
o
disjuntor,
circuito ou
seja,
o disjuntor atua através de uma ação indireta. Esta proteção atua antes do fechamento do disjuntor. Relé de sincronismo. Esta proteção consiste em um relé cujos contatos
auxiliares
estarão
geradores desta
fechados
estiverem maneira,
circuito
de
entrará
no
somente
em
sòmente comando
barramento.É
quando
concordância nesta
do uma
condição
disjuntor outra
do forma
os de habilitará gerador indireta
dois fases; o que de
proteção através do disjuntor. Relé de falta de fase. São portas eletrônicas ou “gates” que habilitam o
circuito de comando do disjuntor somente quando as três fases estão ativas, ou
acionam a bobina de abertura do disjuntor quando da perda ou falta de uma das fases. Esta proteção atua tanto na condição de disjuntor fechado como na de disjuntor aberto. Proteção contra alta temperatura no campo. Esta proteção consiste em
sensores de temperatura instalados no interior da bobina de campo e produzem um alarme antes de comandar a abertura do disjuntor. Essa proteção utiliza vários sensores distribuídos pelo enrolamento de campo que atuam portas eletrônicas (gates) para energizar a bobina de abertura do disjuntor ou impedir a ação do circuito de comando quando a temperatura no campo magnético atingir o máximo valor permitido.Observe que o circuito de comando do disjuntor é a parte vital da proteção dos geradores; logo, deve utilizar voltagem contínua do sistema temporário de energia elétrica de bordo, para que, mesmo na condição de navio apagado, o mesmo possa atuar. 6.27 Sist ema de auto mação de gru pos geradores
Os grupos geradores são dotados de sistemas microprocessados de controle e alarme, dependendo do grau de importância do sistema elétrico a ser atendido. No sistema elétrico de navios, o nível de automação dos grupos geradores é de médio a alto. Neste item, iremos descrever a automação dos três grupos geradores existentes na praça de máquinas e o grupo gerador de emergência, abordando as seguintes situações: * QEP desenergizado, partida do primeiro gerador e colocação do mesmo no barramento. * Partida do segundo gerador, sincronismo com o barramento e colocação do mesmo em operação paralela. * Ídem, utilizando o sincronismo manual de emergência. As condições de “standby” e partidas possíveis são as seguintes: * Definição da condição de “standby” para os geradores.
* Partida automática de um gerador auxiliar em “standby”, em situação de “black-out”. * Partida automática de um gerador auxiliar em “standby” devido à alta carga elétrica no gerador de serviço( acima de 80% de sua capacidade nominal). * Partida automática de um gerador auxiliar em “standby” devido à alta/baixa voltagem ou alta/baixa frequência no barramento. * Partida automática de um gerador auxiliar em “standby” devido à necessidade de entrada em operação de uma carga, como por exemplo, propulsor lateral ou bomba de lastro de água salgada. * Retransmissão do sinal de partida para o próximo gerador auxiliar em “standby” no caso de falha na partida do primeiro gerador auxiliar em “standby”. * Condições para que seja possível energizar os grupos demarradores da planta de gás. * Condições para que seja possível energizar os grupos demarradores do sistema de gás inerte. * Ídem, para o circuito de comando do compartimento dos motores elétricos. * Corte preferencial dos consumidores não essenciais devido à sobrecarga no gerador em serviço. * Excitação de emergência para os alternadores. * Parada automática de um dos geradores no caso de redução da carga individual abaixo de 35%, quando em operação paralela. * Desconexão automática entre o QEP e QEE em caso de black-out no barramento principal. * Partida automática do gerador de emergência e alimentação do QEE. * Conexão automática entre QEP e QEE se houver retorno de tensão ao barramento principal. * Parada automática do gerador de emergência. * Dispositivos de proteção do gerador de emergência. * Proteção do barramento principal no caso de curto-circuito no QEE. * Sequencia de partida automática dos consumidores após um”black-out”.
Existem dois níveis de automação nos grupos geradores dos navios mercantes, que são: * Automação da unidade em si e de seus equipamentos auxiliares, denominado nível inferior, no qual o motor diesel e o gerador estão totalmente protegidos e autocontrolados. * Automação da operação do sistema de geração de energia, denominado nível superior, no qual o motor diesel e o gerador também estão totalmente protegidos e autocontrolados; além disso, a unidade é partida e parada dependendo da demanda de potência do sistema. Na automação em nível de unidade , o motor somente partirá no momento em que a válvula solenóide de partida for energizada, o que permitirá que o ar de partida penetre nos cilindros. As condições de partida e parada do motor diesel são as seguintes: a) O motor partirá e continuará funcionando quando: * a rotação for superior a 300 r.p.m. * o sensor de sobrevelocidade não houver detectado rotação superior a 1035 r.p.m. * a pressão de óleo lubrificante não estiver abaixo de 2 bar. * a temperatura de água doce não for superior a 90ºC. * o botão de parada não for acionado. b) O motor será parado automaticamente quando: * a rotação for superior a 1035 r.p.m., o que caracteriza sobre-velocidade. * a pressão de óleo lubrificante for inferior a 2 bar. * a temperatura de água doce for superior a 90ºC. O gerador, em nível de unidade, é controlado por um dispositivo de proteção que deverá possuir, no mínimo, as seguintes funções:
* monitoração da alimentação nas três fases. * proteção contra subvoltagem. * proteção contra curtocircuito. * proteção contra sobrecorrente. * proteção contra potência inversa. * desligamento dos consumidores não essenciais. * monitoração de sobrevoltagem. * monitoração de subfrequência. Além disso, as seguintes variáveis devem ser controladas: * temperatura do ar de resfriamento. * temperatura dos mancais. * detector de vazamentos. Estas últimas três funções apenas geram alarmes, não provocando a parada automática do gerador. O oficial de serviço deve, portanto, estar atento a este detalhe e tomar imediatamente as providencias necessárias. Na automação em nível de sistema, o motor será partido e controlado como descrito anteriormente. Além disso, ele pode agora ser partido e parado automaticamente de acordo com as condições de demanda de potência do sistema. Em nível de sistema, o gerador é controlado como descrito em nível de unidade. Além disso, torna-se agora necessário sincronizar a unidade com o barramento e dividir carga. Em muitos navios mercantes, são utilizados na automação de geradores os dispositivos GSK8, ASE3 e FLR4500, todos de fabricação AEG.
6.28 Dispositivos de controle automático de geradores
Em aplicações nos sistemas de geração elétrica de navios, temos diversos microprocessadores de inúmeros fabricantes. Iremos evidenciar os de fabricação da AEG. * Sincronizador automático ASE3 Este dispositivo opera em conjunto com o FLR4500 e tem como função sincronizar o gerador com o barramento. Basicamente o dispositivo efetua duas funções: a) regulagem e ajuste para a frequência de sincronismo, medindo e transmitindo os desvios para o FLR4500; e b) envio de sinais de comando para a bobina de fechamento do disjuntor. Através de um dispositivo de medição de desvios, os desvios entre o gerador a ser sincronizado e o barramento serão medidos e transmitidos como desvios de controle. O sinal de comando para o disjuntor é determinado pelo processamento das seguintes informações: * as voltagens efetivas momentâneas dos dois sistemas geradores de energia devem ser sempre maiores que 85% e menores que 110% da voltagem nominal. * os ângulos de defasagens elétricos entre fases iguais dos dois sistemas devem ser menores do que um valor pré-fixado (0,1% a 1%). * uma unidade de controle de sincronismo, completamente independente destes sistemas de medição, verifica se o desvio limite foi ultrapassado de 1,2%, controla também o ângulo de defasagem e as diferenças de voltagem entre o gerador e o barramento. Se todas as condições forem satisfeitas, são emitidos sinais para as duas chaves que operam o relé C. Se o gerador está na barra o relé C permanecerá energizado, caso contrário, energizará. A figura 84 mostra o diagrama esquemático do sincronizador ASE3.
Figura 84 - Sincronizador ASE3 Fonte: AEG. * Divisor eletrônico de carga FLR4500 Este dispositivo tem por finalidade efetuar a distribuição de cargas entre geradores que operam em paralelo e regular a frequência de um gerador em operação singela. Seu modo de operação é o seguinte: a) através das indicações de ”motor funcionando” e “gerador funcionando” é determinado qual dos servomotores reguladores de combustível deverá atuar e regular a freqüência do gerador desejado com respectiva distribuição de potência ativa, utilizando os valores medidos de frequência e potência ativa.
b) A frequência do barramento é verificada e convertida em um sinal de 0-4mA através de um transdutor apropriado. A diferença entre as frequências do gerador que se quer sincronizar e o barramento é medida pela unidade ASE3 e informada ao sistema como um desvio de frequência. A potência ativa fornecida por cada gerador é convertida em um sinal de 0-4mA através de um outro transdutor apropriado. A potência ativa total fornecida pelo sistema é igual ao somatório das potencias ativas individuais. A cada gerador é atribuído um valor de referência de potência ativa, dependendo de sua capacidade nominal. c) se o motor de um grupo está em operação, porém, o correspondente gerador ainda não estiver no barramento, se o sinal “sincronizar o grupo” é dado para este grupo, a frequência do barramento será o input referência e a freqüência do gerador será o valor para o regulador correspondente. Estes valores são medidos como desvios de freqüência pelo ASE3. d) se apenas um gerador estiver em operação, a freqüência de referência do dispositivo de medição de freqüência do barramento servirá como input referência e a freqüência do barramento servirá como valor real para o correspondente regulador. e) se vários geradores operam, e para nenhum deles é dado o sinal “reduzir o fornecimento de potência ativa”, a média aritmética dos valores de potência ativa fornecida servirá como input ou referência para todos os grupos em operação, e as potencias ativas fornecidas por cada grupo servem como valores reais. Além disso, todos os reguladores individuais recebem a informação do desvio de freqüência conforme descrito no parágrafo anterior, para que possam efetuar a divisão de potência, na freqüência desejada para o barramento. f) se vários geradores estão em operação e para um ou mais deles é dado o sinal “reduzir a potência ativa fornecida”, o valor zero serve como “input” de referência para os demais grupos e a potência ativa fornecida por cada grupo seve como valor real. A média aritmética dos valores de potência ativa fornecidas por cada grupo serve como valor real se a informação do desvio de frequência for dada, para que possam efetuar a divisão de potência na
frequência desejada para o barramento, independente do número de geradores em operação. g) cada desvio é enviado como “input” para o respectivo servomotor regulador de injeção de combustível e, de acordo com o desvio, as bobinas dos relés “Aumentar/+” ou “Diminuir/-“ serão energizadas. Através dos contatos destes relés, todos os reguladores de velocidade serão acionados até o momento em que a frequência desejada é atingida e cada gerador forneça a sua parte da potência ativa requerida. h) com a finalidade de evitar oscilações existe um “check back” no servomotor, que faz com que os contatos dos relés, quando o valor de referência estiver próximo de ser alcançado, não mais permaneçam fechados durante muito tempo, mas em regime intermitente.Desta forma, o valor de referência é atingido passo a passo. i) para a entrada de um gerador do barramento, em função da demanda de potência, é utilizada uma chave programável, na qual é pré-selecionado o valor da potência diferencial, na qual outro gerador deverá ser colocado no barramento. A potência diferencial é definida como sendo a diferença entre a potência disponível e a carga, em percentagem, relacionada com a potência de cada gerador. A potência disponível é a somação das potências nominais de todos os geradores ligados ao barramento. j) através de outra chave programável pode ser pré-selecionada a retirada de barra de um dos geradores, em função da existência de uma “reserva de potência”. A “potência de reserva” é definida como a diferença entre a potência disponível após a retirada do respectivo grupo da barra e a carga instantânea, em percentagem. * Dispositivo verificador de sincronismo EPI Este dispositivo monitora o momento exato em que a concordância é verificada entre as fases iguais dos geradores que irão operar em paralelo. A freqüência do gerador que entrará é ajustada automàticamente e gradualmente até atingir uma diferença de 0,8Hz, em relação ao barramento. Após ser alcançado um ângulo elétrico de fase de +/- 15º, o EPI transmitirá o sinal para a
energização da bobina de fechamento do disjuntor. A figura 85 mostra o diagrama de conexão do EPI.
Figura 85 - Diagrama de conexão do EPI Fonte: AEG. 6.29 Característic as nomi nais de um alternador
Em um alternador, o fabricante deve fixar uma placa de identificação, em local de fácil visibilidade, com as informações técnicas necessárias para a correta aplicação da máquina. Estas informações são as que seguem: a) Potência nominal → é a potência aparente, expressa em kVA, significando
o carregamento máximo da máquina em regime contínuo. b) Tipos de ligações → são as maneiras de efetuar as ligações dos
enrolamentos do induzido( gerador trifásico), indicando os respectivos valores de tensões e correntes nominais.Convém ressaltar que, em um gerador trifásico de aplicação marítima, as bobinas do induzido devem ser ligadas em estrela,
com o ponto comum sòlidamente interligado à estrutura metálica da embarcação. c) Fator de serviço → significa a sobrecarga máxima, em regime contínuo, que
um alternador poderá ser submetido, sem afetar sua vida útil. d) Frequência nominal → é o número de alternâncias da forma de onda da
tensão gerada em ciclos por segundo. No Brasil, a frequência padronizada é de 60 Hertz. e) Fator de potência→ corresponde ao cosseno do ângulo entre a potência
aparente e a potência ativa do gerador, devido unicamente a sua reatância interna. f) Regime de serviço → é o grau de regularidade da carga a que o gerador é
submetido. g) Classes de isolamento → o limite de temperatura que assegura que o
isolamento de um determinado material depende da constituição física do mesmo.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 isolamentos utilizados em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura conforme a Norma NBR 7094 são as seguintes: Classe A(105ºC) - Classe E(120ºC) – Classe B(130ºC) - Classe F(155ºC) Classe H (180ºC). As classes B e F são as comumente utilizadas em motores; já para geradores; as mais comuns são a F e H. h) Graus de proteção → os invólucros dos equipamentos elétricos,conforme as
características do local em que serão instalados e de sua acessibilidade, devem oferecer um determinado grau de proteção. Assim, por exemplo, um equipamento a ser instalado num local sujeito a jatos de água deve possuir um invólucro capaz de suportar tais jatos,sob determinados valores de pressão e ângulo de incidência, sem que haja penetração de água.
As normas IEC e NBR 6146 definem os graus de proteção dos equipamentos elétricos por meio das letras características IP seguidas por dois algarismos. 1º algarismo: indica o grau de proteção contra penetração de corpos sólidos estranhos e contato acidental. 0 - sem proteção 1 - corpos estranhos de dimensões acima de 50mm 2 - idem, acima de 12mm. 4 - idem, acima de 1mm. 5 - proteção contra acúmulo de poeiras prejudiciais ao gerador. 2º algarismo: Indica o grau de proteção contra penetração de água no interior do gerador 0 - sem proteção 1 - pingos de água na vertical 2 - pingos de água até a inclinação de 15º com a vertical 3 - água de chuva até a inclinação de 60º com a vertical 4 - respingos de todas as direções 5 - jatos de água de todas as direções 6 - água de vagalhões 7 - imersão temporária 8 - imersão permanente As combinações entre os dois algarismos, isto é, entre os dois critérios de proteção, estão resumidos na tabela 3. Note que, de acordo com a norma, a qualificação do gerador em cada grau no que se refere a cada um dos algarismos, é bem definida através de ensaios padronizados e não sujeita a duplas interpretações.
Tabela 3 - Graus de proteções de geradores Fonte: WEG. 6.30 Resist ência de isol amento de um gerador
Quando o gerador não é colocado imediatamente em serviço, ou quando ficar fora de operação, deve-se protegê-lo contra umidade,temperatura elevada e sujeiras, evitando assim que a resistência de isolamento sofra com isso. A resistência de isolamento do enrolamento deve ser medida antes da entrada em serviço. Se o ambiente for muito úmido, é necessário uma verificação periódica durante a armazenagem. A tabela 4 indica a ordem de grandeza dos valores que podem ser esperados ao utilizar o meghômetro em uma máquina limpa e seca, a 40ºC,quando a tensão de ensaio (1000 V) é aplicada durante 1 minuto.
Tabela 4 - Resistências de isolamento de geradores Fonte: WEG. O valor mínimo admissível para a resistência Rm do isolamento de um gerador é dada por:
Onde: Rm - resistência de isolamento mínima recomendada em M Ω, com o enrolamento à temperatura de 40ºC. Un - tensão nominal da máquina, em kV. Se o ensaio for feito em temperatura ambiente diferente de 40ºC, será necessário corrigir a leitura para 40ºC, utilizando-se uma curva de variação da resistência do isolamento em função da temperatura. 6.31 Geradores de eixo
Os geradores de eixo ou “shaft generator”, ou GE são máquinas síncronas acionadas, através de engrenagens multiplicadoras, pelo MCP, sendo uma opção para a economia de combustível durante as viagens.
6.32- Justi fic ativa da util ização dos GE’s
Durante as viagens normais, em regime de cruzeiro, um gerador de eixo pode suprir o navio de toda potência elétrica requerida, trazendo inúmeras vantagens como: a) os custos com combustíveis são reduzidos, pois a máquina primária é o M.C.P. que consome óleo pesado, enquanto que os MCA’s utilizam óleo diesel, b) os custos de manutenção são menores, levando-se em consideração a redução no tempo de operação dos geradores diesel; e c) devido ao fato de os geradores de eixo operarem em baixas velocidades, há uma redução no nível de ruídos na praça de máquinas. 6.33 Operação do gerador de eixo
Sendo os geradores de eixo máquinas elétricas síncronas com excitação em separado, acionados pelo MCP, fornecendo corrente CA a uma frequência que depende da velocidade deste motor, e, sendo esta velocidade variável, visando a eliminar este efeito, a tensão de saída é convertida em CC por um retificador conectado em ponte trifásica. Esta tensão CC é convertida de volta em CA na mesma frequência de alimentação do sistema do navio, através de um inversor tiristorizado de comutação de linha (conversor CC do tipo cascata). Dependendo da capacidade do equipamento, a corrente de curto-circuito CC pode ser reduzida através de um reator série denominado “choque intermediário”. O inversor pode fornecer apenas potência ativa, porém, o sistema necessita também de potência reativa, sendo esta fornecida pelo compensador síncrono conectado em paralelo. Este compensador síncrono é um gerador do tipo “brushless” com tensão controlada, que é levado à sua velocidade nominal por um motor que é, então, desligado, passando a operar girando livremente com ele. Este compensador síncrono também absorve alguns harmônicos do inversor e realiza, junto com o reator do sistema, a atenuação da tensão de alimentação. O inversor e o compensador síncrono são conectados ao sistema através dos seus respectivos reatores. A tensão que alimenta o sistema é mantida constante pelo regulador de voltagem do compensador síncrono, e, assim,
também é conseguida a divisão da carga reativa durante a operação de paralelismo. Este regulador de tensão tiristorizado é localizado junto ao equipamento de excitação denominado “thyripart”, montado sobre espaçadores antivibratórios, do compensador síncrono. O controle de frequência constante da tensão de alimentação do sistema é realizado de modo similar àquele utilizado nos geradores diesel auxiliares. Quando a carga ativa no sistema aumenta, a velocidade do compensador diminui. No instante em que isto ocorre, o controlador de velocidade aumenta a excitação do gerador de eixo, correspondendo aproximadamente à operação da cremalheira da bomba de combustível em um motor diesel. Quando há uma redução na carga ativa do sistema, a ação do controlador é similar a esta, porém invertida. 6.34 Operando o gerador d e eixo
Um gerador de eixo é capaz apenas de suprir a potência que o navio necessita em regime de cruzeiro, e não em manobras que façam com que a velocidade do motor principal atinja um valor abaixo do mínimo para o qual o mesmo foi projetado. Assim, o gerador de eixo só poderá ser ligado ao sistema quando: a) o sistema já estiver sendo alimentado pelos geradores diesel auxiliares; b) a posição do telégrafo da máquina (TM) e a velocidade do motor principal estiverem acima do valor mínimo; e c) nenhum sinal de grupo (alarme ou desarme) estiver sendo enviado. Operando a botoeira de partida (“start”), é iniciada uma sequência automática de partida, terminando em “pronto para sincronizar” (“ready to synchronize”). A lâmpada “potência disponível” (“power available”) apaga-se. No modo de sincronização automática, os ângulos de fase são equalizados e o disjuntor principal é fechado por um sinal do equipamento de sincronização (não alimentado pelo gerador de eixo). Esta operação pode ser realizada também através do recurso de sincronização manual. Os ângulos de fase são
equalizados por ajuste manual do gerador síncrono ou das unidades de geração auxiliares. A aceitação automática de carga acarretará na queda de velocidade do gerador de eixo e do gerador diesel; deste modo, a distribuição de carga pode ser efetuada com o ajuste da frequência do gerador de eixo, ou, respectivamente, pela velocidade do gerador diesel. Se o gerador de eixo puder suportar a carga do sistema, então os geradores auxiliares conectados ao sistema poderão ser desligados; caso contrário, após a distribuição de carga abrirá o “tie-breaker”, seccionando o barramento. Convém lembrar que geradores diesel e geradores de eixo são máquinas de características diferentes, não sendo, portanto, recomendável a operação em paralelo, à não ser durante o pequeno intervalo de passagem de carga. O gerador de eixo é desconectado do sistema, operando-se a botoeira de parada (“stop”) após, primeiro, ter sido dada a partida e sincronizados os geradores auxiliares. 6.35 Função das partes com ponentes do gerador de eixo Seção de pot ência: a figura 86 mostra o diagrama da seção de potência de
um gerador de eixo.
Figura 86- Seção de potência de um GE A corrente alternada de frequência variável produzida pelo gerador de eixo é retificada, atenuada pelo reator de ligação (3) se necessário, e convertida em corrente alternada de frequência constante pelo inversor tiristorizado (4). O conversor, constituído por um retificador e por um inversor, é do tipo “Ligação CC”. O gerador de eixo pode apenas alimentar de potência ativa o sistema através do conversor. A potência reativa requerida pelo sistema é alimentada pelo compensador síncrono (6). Ele também alimenta a comutação e o controle do inversor, da potência reativa de que necessitam. O compensador síncrono opera em paralelo com o inversor. A corrente de excitação do gerador de eixo é ajustada pelo conversor de excitação, de acordo com os sinais de controle.
6.36 Função do sis tema de cont rol e
A figura 87 mostra a seção de controle de um gerador de eixo.
Figura 87 - Seção de controle de um GE Os valores imediatos (instantâneos) da frequência (1) e (15), corrente (10) e (14), e ângulos de corte (5) que o sistema de controle necessita são obtidos e convertidos em tensões CC proporcionais. Geradores de função para amortecimento (8) e limitação do ângulo de disparo (4), fornecem os sinais de entrada de “set point” da freqüência e do ângulo de corte. As unidades de controle (2) e (13) fazem com que haja ligação entre o sistema de controle, inversor e o conversor da excitação (11). Eles convertem os sinais de controle em adequados pulsos de disparo para os tiristores dos dois conversores.
6.37 Cont rol e de frequência
Esta descrição do princípio de funcionamento tem por hipótese que o sistema esteja alimentado exclusivamente pelo gerador de eixo. O compensador síncrono, que está conectado como um gerador de tensão constante, encarrega-se da estabilização da tensão, do suprimento de potência reativa e do controle da frequência do sistema. Ele opera como um trocador de fases e não transmite potência mecânica nesta troca. Mudanças na potência ativa do sistema produzem variações na energia cinética de rotação do compensador síncrono, que irá provocar alterações na frequência de alimentação do sistema. O desvio na frequência é sentido pela entrada do controlador de frequência (7) e convertido em mudanças correspondentes na excitação do gerador de eixo por ação do controlador da corrente de excitação (6), da unidade de controle (13) e do conversor de excitação (11). Uma queda na frequência produz um correspondente aumento na excitação do gerador e, deste modo, no suprimento de potência ao sistema, bem como da velocidade de rotação do compensador síncrono. Então, a frequência cresce novamente. Um aumento na frequência causa uma correspondente redução na excitação do gerador e, assim, uma redução na potência que alimenta o sistema e na rotação do compensador síncrono, logo, a frequência reduzirá novamente. A limitação de carga para o gerador é feita pelo controlador de limitação (9), que age no controlador de corrente de excitação (7) e modula o “set-point” da corrente de excitação do gerador de eixo. O controlador da corrente de excitação é limitado assim que a corrente de carga, retirada através do transdutor (10), atinge ou excede seu valor máximo permitido devido a um aumento na demanda de potência do sistema. Como resultado, a última corrente de excitação é também retida ou reduzida, de acordo com o controle do desvio da corrente de carga. A carga do gerador é, assim, mantida em seu nível permitido. A demanda extra de potência do sistema, agora, só pode ser satisfeita pela energia cinética de rotação do compensador síncrono, causando uma queda na freqüência de alimentação do sistema. A redução na velocidade
do eixo do hélice tem o mesmo efeito de redução de frequência, se o controlador de limitação (9) estiver operando. 6.38 Contro le do ângulo d e corte
O valor mínimo do ângulo de corte do inversor, devido à sobreposição e ao intervalo de atraso do tiristor, não varia quando o gerador de eixo está produzindo uma saída constante e, desta forma, é mantido um valor constante para o controlador de ângulo de corte (3) e para a unidade de controle (2). Este controle do valor mínimo do ângulo de corte previne falhas de comutação inversa e reação à proteção de sobrecarga. A potência manterá sua amplitude constante, com a velocidade variando entre o valor nominal e valor máximo de eixo de hélice. Se a velocidade cair abaixo do valor nominal, a plena excitação do gerador não será mais suficiente para manter o gerador na tensão nominal, conseqüentemente, a fim de equalizá-la com a tensão do sistema, o ângulo de disparo ajustado no inversor deve ser reduzido, isto é, o ângulo de corte deve ser apropriadamente incrementado. O gerador de função (4) fornece uma relação adequada entre o set-point e a velocidade. Assim, abaixo do valor nominal de velocidade, o gerador de eixo opera com uma característica de saída proporcional à velocidade. 6.39 Sistema híbrido de geração
Com a finalidade de economizar os gastos com combustíveis durante as viagens, muitos navios utilizam o sistema híbrido de geração elétrica, que consiste na utilização de geradores auxiliares, “shaft generator” e turbogerador de gases de escape. O TGGE utiliza como máquina primária uma turbina de alta velocidade que é acionada pelos gases provenientes da combustão do MCP, que são superaquecidos, ganhando maior energia cinética. Estes gases, em navios que utilizam o sistema tradicional de geração de energia elétrica são lançados na atmosfera.
O sistema de controle de um TGGE é bastante complexo comparado a um gerador auxiliar e menos complexo quando comparado a um GE. Em se tratando de um sistema com três máquinas de características diferentes, torna-se bastante complicada a operação em paralelo. Portanto, em navios que utilizam o sistema híbrido, obrigatòriamente, o barramento principal do QEP deve ser do tipo separado, ou seja, as seções correspondentes à cada máquina devem ser interligadas nas extremidades por disjuntores que poderão estar abertos ou fechados, dependendo da situação em que o sistema esteja operando. A figura 88 ilustra a configuração básica de um sistema híbrido de geração elétrica.
Figura 88 - Sistema híbrido de geração elétrica
4 Máquinas elétricas de corr ente contínua 4.1 Introd ução
As máquinas elétricas de corrente contínua, geradores e motores, possuem atualmente aplicações reduzidas nos navios mercantes. Os geradores cc não são mais utilizados nos modernos navios e a aplicação dos motores cc são em sistemas de acionamento que exigem alto torque de partida e controle de velocidade tais como guindastes, em que a utilização de motores trifásicos torna-se economicamente inviável. 4.2 Construç ão de uma máquina c.c
A máquina elétrica cc poderá ser utilizada como gerador ou como motor. No primeiro caso, converterá energia mecânica em energia elétrica, e no segundo, energia elétrica em energia mecânica. Construtivamente, a máquina cc, possui uma parte estática denominada estator e uma girante denominada rotor, necessárias para que ocorra o movimento relativo entre campo magnético e condutores, condição básica para a Lei de indução de Faraday, que é o princípio de funcionamento das máquinas elétricas. A figura 29 mostra as partes internas de uma máquina de corrente contínua básica e sua representação.
Figura 29 – Partes de uma máquina cc básica Fonte: Acervo Saber. O rotor é composto por: a) eixo da Armadura: responsável pela transmissão de energia mecânica para o meio externo ao motor, pelo suporte dos elementos internos do rotor e pela fixação ao estator, por meio de rolamentos e mancais; b) núcleo da armadura: composta de lâminas de Fe-Si, isoladas umas das outras,com ranhuras axiais na sua periferia para abrigar os enrolamentos da armadura; c) enrolamento da armadura: são bobinas isoladas entre sí e eletricamente
ligadas ao comutador; e d) comutador: consiste de uma anel com segmentos de cobre isolados entre sí, e eletricamente conectados às bobinas do enrolamento da armadura. O estator é composto por: a) carcaça: serve de suporte ao rotor, aos polos e de fechamento de caminho magnético; b) enrolamento de campo: são bobinas que geram um campo magnético intenso nos pólos; c) polos ou sapatas polares: distribuem o fluxo magnético produzido pelas bobinas de campo; e d) escovas: são barras de carvão e grafite que estão em contato permanente com o comutador. A figura 30 mostra uma máquina elétrica de cc comercial.
Figura 30 - Construção da máquina cc Fonte:www .oficinaecia.com.br 4.3- Geradores cc
Conforme descrito anteriormente, o gerador cc converte energia mecânica de rotação em energia elétrica através do movimento relativo entre condutores e
um campo magnético. O campo magnético de uma máquina cc está localizado em sua parte estática, sendo que uma máquina comercial apresenta duas bobinas de campo identificadas por F1- F2( campo principal ou shunt) e S1S2(campo auxiliar ou série),conforme veremos posteriormente. A armadura através do eixo é posta em movimento de rotação por uma fonte de energia mecânica, por exemplo, uma turbina hidráulica ou eólica. Os condutores da armadura, ao entrarem em movimento de rotação, cortarão as linhas de força do campo magnético estático e neles será induzida uma tensão segundo a lei de indução de Faraday; entretanto, sabemos que esta tensão gerada é do tipo alternada, logo, como o gerador é de corrente contínua? A resposta a esta pergunta está na ação do comutador, a qual, no gerador, é a de um retificador mecânico.Os bornes que ligam as escovas aos anéis do comutador e estes aos terminais do enrolamento da armadura são identificados por A1-A2..
4.4 Classif icação dos geradores cc qu anto à excitação
Os geradores de corrente contínua classificam-se quanto à excitação, ou seja, a forma como o campo magnético é alimentado, em geradores de excitação independente e geradores autoexcitados. 4.5 Geradores cc com excitação ind ependente
Os geradores de excitação independente ou separada possuem o campo magnético alimentado por uma fonte adicional independente da máquina elétrica que irá operar.Em geral, o enrolamento de campo que produz a excitação é constituído de condutores que não suportam grandes correntes, pois a excitação, em geral, utiliza correntes baixas para produzir o campo magnético em comparação com as correntes que circulam no enrolamento de armadura.A figura 31 mostra o circuito equivalente de um gerador cc com excitação indepentente.
Figura 31 - Gerador cc com excitação independente Fonte: Acervo Saber.
4.6 Geradores c c auto excitados
Os geradores cc autoexcitados utilizam uma parcela da tensão gerada para alimentar o seu campo magnético. Como citado no item 4.2, as máquinas cc possuem duas bobinas de campo identificadas respectivamente por F1F2(constituída por muitas espiras de fino) e D1-D2(constituída por poucas espiras de fio grosso), sendo a primeira a bobina de campo principal ou “shunt” e a segunda a bobina de campo auxiliar ou série. Dependendo da configuração como estas bobinas são ligadas em relação à armadura, podemos ter os seguintes tipos: a) gerador série Neste tipo de gerador o campo auxiliar é ligado em série com a armadura, daí a necessidade das espiras serem constituídas por fios grossos, pois toda a corrente fornecida pela armadura para a carga passará pelo campo magnético. Observe na figura 32 que neste tipo de gerador somente haverá a excitação se houver carga para completar o circuito.
Figura 32 - Gerador série Fonte: Acervo Saber. Onde: E→ Tensão gerada na armadura; V→ Tensão fornecida à carga; Ri→ resistência ôhmica interna da armadura; Rs→resistência ôhmica do enrolamento do campo série; e Ic→ corrente elétrica de carga. A figura 33 mostra a curva característica de um gerador cc tipo série. No início de operação, se o circuito estiver fechado, uma pequena tensão é induzida devido ao magnetismo residual( A). Quando o gerador passa à condição de alimentação de carga, a corrente de campo aumenta, aumentando a tensão gerada na armadura. Aumentando-se a carga, a tensão nos terminais de carga aumentará até chegar no intervalo entre os pontos B e C, onde o campo magnético atingirá seu ponto de saturação e qualquer novo aumento na
corrente de carga não provocará um incremento na tensão gerada. Após o ponto C, qualquer aumento na corrente de carga provocará maiores quedas de tensão nas resistências ôhmicas da armadura e do campo, causando acentuada diminuição na tensão de saída do gerador. O gerador série funciona na região entre C e E,de modo que a corrente na carga permanece constante, mesmo quando a resistência da carga varia, sendo portanto, um gerador de corrente constante. Atualmente os geradores cc tipo série não possuem aplicações em navios.
Figura 33 - Curva característica do gerador série Fonte: Acervo Saber. b) gerador “ shunt” ou derivação Quando o campo principal é ligado em paralelo com a armadura, teremos o gerador “shunt”. Neste tipo de gerador, uma pequena parcela da corrente de armadura passará pelo campo principal, sendo controlada pelo reostato de campo, sendo que, mesmo sem carga, haverá corrente de excitação, pois o circuito de campo é independente do circuito de armadura. A figura 34 mostra o circuito equivalente de um gerador derivação ou “shunt”.
Figura 34 - Gerador “shunt” Fonte: Acervo Saber. Onde: E→ Tensão gerada na armadura;
V→ Tensão fornecida à carga; Ri→ resistência ôhmica interna da armadura; Rsh→resistência ôhmica do enrolamento do campo “shunt”; Ic→ corrente elétrica de carga; Ii→ corrente elétrica de armadura; e Ie→ corrente elétrica de excitação do campo “shunt”. Em um gerador “shunt”, o crescimento da tensão entre os terminais é rápido, pois a excitação existirá mesmo com o circuito de carga aberto.À medida que a carga aumenta, a tensão entre os terminais externos diminuirá, devido ao aumento da queda de tensão na resistência ôhmica da armadura.
Figura 35 - Curva característica do gerador “shunt” Fonte: Acervo Saber. Observe na figura 35 que a queda de tensão entre os terminais de carga, quando a corrente de carga aumenta desde a condição a vazio até a condição de plena carga, é relativamente pequena. O gerador “shunt” é utilizado em aplicações onde desejamos uma tensão praticamente constante, independentemente da variação de carga. A tensão entre os terminais de um gerador “shunt” é controlada através de um reostato ligado em série com o enrolamento de campo. c) gerador compost o ou misto Combinando-se os geradores série e “shunt”, obteremos o gerador composto (compound) ou misto. Quando o campo em série é ligado com polaridade aditiva em relação ao campo “shunt”, ou seja, quando os campos reforçam-se, dizemos que o gerador é do tipo composto cumulativo. Quando a polaridade do campo série é oposta à do campo “shunt”, dizemos que o gerador é do tipo composto diferencial. Se o campo “shunt” for ligado em paralelo com o campo série e a armadura, dizemos que é composto de longa derivação; se for ligado em paralelo somente com a armadura, dizemos que é composto de curta derivação. Em ambos os tipos de ligação do campo “shunt”, as características são praticamente iguais, conforme mostra a figura 36.
Figura 36 - Gerador misto Fonte: Acervo Saber. Onde: E→ Tensão gerada na armadura; V→ Tensão fornecida à carga; Ri→ resistência ôhmica interna da armadura. Rsh→resistência ôhmica do enrolamento do campo “shunt”; Ic→ corrente elétrica de carga; Ii→ corrente elétrica de armadura; e Ie→ corrente elétrica de excitação do campo “shunt”.
Figura 37 - Curva característica do gerador misto Fonte: Acervo Saber. Os geradores de excitação composta eliminam a queda de tensão de saída dos geradores “shunt” quando a carga é aumentada, pois a adição do campo série reforça o campo magnético total quando a corrente de carga aumenta, compensando a queda de tensão na resistência ôhmica da armadura, obtendo-se uma tensão de saída praticamente constante.
4.7 Ação do comu tador na máquin a cc
No item 4.2 verificamos a construção de uma máquina cc que pode funcionar como gerador ou motor, dependendo da conversão de energia: mecânica em elétrica ou vice-versa. Verificaremos neste item que, no gerador, a função do comutador é de retificação mecânica da tensão gerada e, no motor é de dar continuidade no movimento de rotação. a) ação do comutador em um gerador c c Sabemos que, em um gerador elementar, a tensão gerada possui forma senoidal e é transferida para uma carga através de dois aneis coletores ligados nas extremidades da espira imersa em um campo magnético, conforme mostra a figura 38.
Figura 38- Gerador elementar Fonte: www.joseclaudio.eng.br Aplicando a regra da mão esquerda aos dois lados da espira, verifica-se que as duas escovas fazem contato com condutores que nos primeiros 180º deslocam-se para cima e nos 180º restantes deslocam-se para baixo, pois sabemos que a espira está em movimento circular uniforme. A forma de onda da tensão gerada é mostrada na figura 39.
Figura 39 - Forma de onda do gerador elementar Fonte: www.joseclaudio.eng.br
Se eliminarmos um anel coletor e dividirmos o outro em dois segmentos e ligarmos cada um deles nas extremidades da espira, conforme a figura 40, verificamos que a escova do lado esquerdo está em contato com um condutor que está em movimento para cima e a escova do lado direito com um condutor em movimento para baixo. Aplicando a regra da mão esquerda, verificamos que as polaridades das escovas não são alteradas durante uma volta completa da espira, ou seja, uma escova terá sempre polaridade positiva e a outra polaridade negativa.Desta forma, a tensão de saída do gerador é retificada mecanicamente e cada metade do anel coletor é denominado de segmento do comutador. A figura 41 mostra a forma de onda da tensão retificada em um gerador elementar.
Figura 40 - Gerador cc elementar Fonte: Hyperphysics.
Figura 41 - Forma de onda de um gerador cc elementar. Fonte: Hyperphysics.
b) ação do co mutador em um motor cc
A ação do comutador em um motor c.c. é dar continuidade ao movimento de rotação, conforme verificaremos nos itens seguintes. 4.8 Motores cc
Os motores de corrente contínua têm sua principal aplicação nas condições que exijam elevado conjugado de partida, como na tração elétrica, ou quando se deseja controle de velocidade sobre amplas faixas, ou ainda quando se deseja grandes potências com velocidades ajustáveis. Além disso, as máquinas de corrente contínua possuem aplicações onde a fonte de tensão disponível seja de corrente continua. Nos navios mercantes antigos, os motores de corrente contínua eram bastante empregados. Nos navios atuais, devido ao avanço da eletrônica de potência, os motores trifásicos estão sendo empregados em larga escala, pois a velocidade dos mesmos pode ser controlada através dos inversores de frequência, e, através de “soft-starter” consegue-se partidas suaves com altos torques. Os motores cc possuem altos custos de aquisição e necessitam de manutenção rigorosa em relação aos motores trifásicos. 4.9 Princípio de funcionamento dos motores cc
Quando a máquina cc for utilizada como motor, alimentam-se os circuitos de armadura e de campo, obtendo-se através de efeitos eletromagnéticos a rotação da armadura. Para entendermos o funcionamento do mesmo, utilizaremos o motor elementar mostrado na figura 42, na qual a armadura é representada pelo corte transversal de uma única espira.
Figura 42 - Motor elementar cc Linhas de força do campo magnético das peças polares. Na figura acima, são representadas as linhas de força do campo magnético das peças polares devido à corrente contínua que circula na bobina de campo, não sendo representadas as linhas de força do campo magnético ao redor da espira que representa a armadura. A figura 43 representa somente as linhas de força do campo magnético ao redor da espira.
Figura 43 - Motor elementar cc Linhas de força do campo magnético da armadura. Observando as figuras 42 e 43 e fazendo a composição dos campos magnéticos das peças polares e da armadura, acima do condutor do lado esquerdo há um reforço das linhas de força, pois as mesmas( peça polar e armadura) estão no mesmo sentido; abaixo do mesmo há um enfraquecimento do campo,pois as linhas de força estão em sentidos contrários. No condutor do lado direito ocorrerá o inverso, ou seja,um enfraquecimento do campo magnético acima e um reforço abaixo do mesmo, conforme mostra a figura 44. Observe que a configuração do campo magnético no interior da máquina, devido à interação dos campos magnéticos das peças polares e da armadura, atua de forma a empurrar o condutor do lado esquerdo para baixo e o do lado direito para cima, originando um binário que tende a deslocar a armadura no sentido anti-horário
Figura 44 - Motor elementar cc Linhas de força no interior da máquina. Na figura 45 mostramos a armadura do motor elementar, em corte transversal em todos os condutores e não somente em uma espira, como na figura 42. Observamos que a armadura forma um ímã de polos N’ e S’ que são atraídos pelos polos N e S das peças polares, dando origem ao movimento de rotação.
Figura 45 - Motor elementar cc Interação entre os campos magnéticos das peças polares e da armadura. Na figura 46, observamos que, após um deslocamento de 90º da armadura, seu polo S’ será firmemente atraído pelo polo N da peça polar, o mesmo acontecendo com seu polo N’ em relação ao polo S da peça polar. Neste instante, o movimento de rotação da armadura irá parar. Entretanto, neste momento é invertido o sentido da corrente da armadura, através dos segmentos do comutador; consequentemente, é invertida a polaridade da armadura e será mantida a continuidade do movimento de rotação. Observe que os condutores da armadura do lado direito, que estavam em contato com a escova positiva, passarão a entrar em contato com a escova negativa; já os condutores do lado esquerdo, que estavam em contato com a escova negativa, passarão a entrar em contato com a escova positiva, invertendo o sentido da corrente na armadura, ou seja, o comutador em um motor cc tem a finalidade de manter a continuidade de movimento, conforme mostram as figuras 46 e 47.
Figura 46 - Motor elementar cc Interação entre os campos magnéticos das peças polares e da armadura.
Figura 47 - Motor elementar cc Ação do comutador para continuidade de movimento.
4.10 Equação fundamental dos mot ores cc
Através da figura 48, que representa o circuito equivalente de um motor cc, iremos obter suas equações básicas:
Figura 48 - Circuito equivalente de um motor cc Fonte: Acervo Saber. Aplicando a lei de Kirchhoff ao circuito da armadura, teremos: U= R.I + E, onde: U é a tensão aplicada na armadura; R é a resistência ôhmica da armadura; I é a corrente da armadura ou fornecida pela fonte; e E é a força eletromotriz desenvolvida na armadura. a) velocidade(n) do motor cc E= K.n.Ф ( lei de Faraday). U= R.Ia + K.n.Ф n= (U- R.Ia)/(K.Ф) ( r.p.m ) b) torque(T) ou conjugado de um motor c.c. E.Ia = T.W K.n.Ф.Ia = T.2.п.n T= (K.n.Ф.Ia)/(2.п.n) T= K’.Ф.Ia ( N.m )
4.11 Tipos d e motor es cc
Igualmente aos geradores de corrente contínua, os motores cc classificamse de acordo com as ligações do campo magnético em relação à armadura, ou seja, série, ‘shunt” e “compound”. a) motor série A figura 49 mostra o circuito equivalente de um motor cc tipo série, em que o campo magnético é ligado em série com a armadura. Convém lembrar que é o campo auxiliar (poucas espiras de fio grosso) que está ligado e não o campo auxiliar (muitas espiras de fio fino).
Figura 49 - Circuito equivalente do motor cc série Fonte:Prof. Ivan Camargo. Equacionando, teremos: Va= (ra + rf)xIa + E, onde: Ia=if → corrente de armadura ou de campo; Va→ tensão aplicada na armadura; ra→ resistência ohmica da armadura; rf → resistência ohmica do campo; e E→ força contra-eletromotriz desenvolvida na armadura. Nos motores cc tipo série, quando a carga aumenta, a corrente de armadura (ou de campo) aumentará, a velocidade diminuirá, pois, como sabemos, a velocidade de um motor cc é inversamente proporcional à intensidade do campo magnético. O torque aumentará bastante, já que dependerá diretamente do quadrado da corrente de armadura, ou seja: T= KΦIa Φ= K’Ic If=Ia Então: T=K’’(Ia)²
O motor cc tipo série possui velocidade variável, isto é, sua velocidade varia bastante com a variação de carga. Ele gira lentamente com pesadas cargas e, muito rapidamente, com cargas leves. Se a carga for retirada completamente, o motor irá disparar perigosamente, podendo até despedaçar, pois a corrente de armadura será muito pequena e o campo muito fraco e, para recuperar o equilíbrio, as linhas de força deverão ser cortadas rapidamente. O motor série é conveniente quando parte com cargas pesadas ligadas a ele como, por exemplo, guindastes e guinchos, porque com altas correntes na armadura, ele produz um torque elevado e funciona em baixa rotação. Os grandes motores série são geralmente ligados diretamente à carga e não através de correias ou polias. A figura 50 mostra as curvas características de um motor série.
Figura 50 - Características de um motor série Fonte: Eletricidade Básica – Coleção Schaum. b) motor “shunt” Este é o tipo mais comum de motor cc. Ele é ligado da mesma forma que o gerador “shunt” ou gerador em derivação, conforme mostra a figura 51. Suas curvas características de velocidade carga e torque carga ( figura 52) mostram que o torque aumenta linearmente com o aumento na corrente da armadura, enquanto a velocidade cai ligeiramente, à medida que a corrente da armadura aumenta. A velocidade básica é a velocidade com carga máxima. O ajuste de velocidade é feito inserindo-se uma resistência no campo usando um reostato. Em uma determinada posição do reostato, a velocidade do motor permanecerá praticamente constante para todas as cargas. Os acionadores ou dispositivos de partida usados com os motores cc limitam a corrente de partida da armadura em 125 a 200 por cento da corrente de carga máxima (nominal). Deve-se tomar cuidado para não se abrir o circuito do campo de um motor “shunt” que está em operação, porque a velocidade do motor aumenta descontroladamente até o motor danificar.
Figura 51 - Circuito equivalente do motor cc “shunt”. Fonte: Prof. Ivan Camargo.
Equacionando, teremos: Va= Vf=ra.Ia + E=rf.If I= Ia + If, onde: Ia→ corrente de armadura ou de carga; If → corrente de campo;. Va→ tensão aplicada na armadura; Vf → tensão aplicada no campo; ra→ resistência ôhmica da armadura; rf → resistência ôhmica do campo; e E→ força contraeletromotriz desenvolvida na armadura.
Figura 52 - Características de um motor “shunt” Fonte: Eletricidade Básica – Coleção Schaum. c) motor “compound”.
Este tipo de motor cc associa as características operacionais dos motores “shunt” e dos motores série, utilizando simultaneamente as bobinas de campo principal e de campo auxiliar, conforme mostradas na figura 52. O motor composto funciona com segurança sem carga. À medida que se adicionam as cargas, a sua velocidade diminui, e o torque é maior se comparado com o do motor “shunt”, conforme a figura 53.
Figura 52 - Circuito equivalente do motor cc “compound” Fonte: Prof. Ivan Camargo.
Os fluxos dos dois enrolamentos de campo podem se somar no entreferro (compound aditiva) ou se subtrair (compound subtrativa). Por outro lado, visto dos terminais da máquina, o enrolamento de campo série pode estar depois do enrolamento paralelo (compound longa), ou antes (compound curta). As equações em regime permanente de cada um destes modelos podem ser facilmente obtidas a partir dos seus respectivos diagramas.
Figura 53 - Características de um motor “compound” Fonte: Eletricidade Básica – Coleção Schaum. Na figura 54, são comparadas as curvas características de torque e velocidade em função da corrente de armadura dos motores cc tipo série,
“shunt” ou derivação e “compound”. Os motores cc podem também ser excitados por um imã permanente; neste caso, se comportam como uma máquina de excitação independente. Normalmente estas máquinas são pequenas.
Figura 54 - Comparação das características dos tipos de motores cc Fonte: Eletricidade Básica – Coleção Schaum. 4.12 Contro le de veloci dade dos mot ores cc
Em diversas aplicações práticas, torna-se necessário controlar a velocidade de um motor de corrente contínua, em função da variação da carga acionada. Através do circuito equivalente de um motor cc mostrado na figura 55, equacionaremos este parâmetro e analisaremos os fatores que o determinam.
Figura 55 - Circuito equivalente de um motor cc Fonte: Eletricidade Básica – Coleção Schaum. Através do circuito acima, temos que: Ua= Ia.Ra + E (1), onde, Ua é a tensão aplicada na armadura; Ia é a corrente circulante na armadura;
Ra é a resistência ôhmica do enrolamento da armadura; e E é a tensão gerada (força eletromotriz) na armadura, através da lei de Faraday, pois seus condutores cortam o campo magnético das peças polares. A força eletromotriz gerada na armadura é diretamente proporcional à velocidade (N) com que os condutores da armadura cortam o fluxo( Ф) do campo magnético, ou seja: E= k.Ф.N (2), onde k é uma constante construtiva do motor. Substituindo a equação (2) na equação (1), teremos: N= k.( Ua-ia.Ra)/Ф (3) Admitindo-se na equação (3) que Ra.Ia=0, pois a resistência da armadura possui valor baixíssimo, teremos: N= k.Ua/Ф (4) Através da equação (4), observamos que a velocidade atingida por um motor cc varia diretamente com o valor da tensão aplicada na armadura e inversamente com o fluxo magnético das peças polares, sendo que um circuito de campo aberto provocará uma altíssima velocidade que poderá danificar permanentemente a máquina, pois o fluxo magnético é diretamente proporcional à corrente de campo. O controle de velocidade até ao valor nominal é feita através da variação da tensão aplicada na armadura do motor, mantendo-se o fluxo magnético constante. Velocidades superiores à nominal podem ser conseguidas pela diminuição do fluxo magnético, mantendo-se constante o valor da tensão aplicada na armadura. 4.13 Aci onamentos c om veloc idade variável
Conforme visto anteriormente, a velocidade dos motores de corrente contínua pode ser controlada através da tensão de armadura ou através da intensidade do campo magnético das peças polares. Controlar a velocidade de motores torna-se necessário para manter a boa qualidade de determinadas aplicações e pode ser efetuado utilizando-se um microprocessador PIC programável em linguagem C ou C++, as quais são aplicáveis na maioria dos processos automatizáveis. Um outro método utiliza o microcontrolador Intel 8051 através de um controle de velocidade em malha fechada. Nos navios mercantes, os pequenos motores cc utilizados em diversos acionamentos específicos de equipamentos de navegação, empregam os citados controladores, podendo-se alterar parâmetros durante o funcionamento.
4.14 Resist ência de partida de um mo tor cc
Através da equação (1) do item anterior, verificamos que Ia= (Ua – E)/Ra, ou seja, a corrente de armadura depende diretamente da diferença entre a tensão aplicada na armadura e a força eletromotriz que surge na mesma quando o motor está em movimento, e, inversamente do valor da resistência ôhmica da armadura. No instante da partida do motor E=0, pois não há movimento relativo entre o campo magnético das peças polares e os condutores que formam a armadura, e, sendo a resistência ôhmica da armadura de valor baixíssimo, a corrente de partida atingirá um valor elevado que poderá danificar o motor. Para evitar este inconveniente, é introduzido um reostato em série com a armadura. No momento da partida, o reostato deverá estar no seu valor máximo, sendo gradativamente retirado, com o motor entrando em movimento lentamente. Após o motor entrar em movimento, surgirá a força eletromotriz na armadura, limitando a corrente de partida. 4.15 Inversão do sentid o de rotação de um mot or cc
Para inverter o sentido de rotação de um motor cc existem duas possibilidades: inverter as polaridades da tensão aplicada na armadura ou inverter as polaridades da tensão aplicada ao campo magnético. Inverte-se um ou outro parâmetro, nunca os dois ao mesmo tempo. É importante observar que, para inverter o sentido de rotação utilizando-se o campo magnético, há a necessidade de interromper o circuito de campo, o que em um motor tipo “shunt” ou em um de excitação independente, ocasionará sobrevelocidade. Portanto, o método seguro de inversão do sentido de rotação de um motor cc é fazê-lo invertendo-se as polaridades da tensão aplicada na armadura.
7 Motor es de Corr ente Alternada 7.1 Introd ução
A carga elétrica alimentada pelos geradores síncronos de um navio, em sua maior parte, é composta por motores elétricos de corrente alternada, também denominados motores de indução ou assíncronos. Há ainda o motor de indução síncrono, porém, este tipo de motor ac possui aplicação reduzida em instalações elétricas marítimas. Atualmente, os sistemas de acionamento dos motores de indução utilizam componentes eletrônicos tiristorizados através de equipamentos denominados “soft starter” e conversores de frequência; entretanto, em grande parte da frota mercante mundial encontramos os sistemas de acionamento que utilizam componentes eletromecânicos. A compreensão do princípio de funcionamento e do acionamento destas máquinas será de grande utilidade na solução de prováveis defeitos que você vivenciará no navio. 7.2 Classif icação dos mot ores ca
Os motores de corrente alternada. classificam-se quanto ao funcionamento em síncronos e assíncronos. Um motor é classificado como síncrono quando seu eixo gira na mesma velocidade do campo magnético girante da rede elétrica na qual está ligado, ou seja, o motor gira em sincronismo com a geração de energia elétrica(alternadores). O motor elétrico é classificado como assíncrono quando seu eixo gira em uma velocidade menor que a do campo magnético girante da rede elétrica na qual está ligado, podendo ser alimentado trifasicamente ou monofasicamente.Nesta classificação, podemos ter: a) Motores de corrente alternada trifásicos: * motores assíncronos ( de indução) tipo gaiola; * motores assíncronos de rotor bobinado; e * motores síncronos.
b) motores de corrente alternada monofásicos: * motores assíncronos (de indução) tipo gaiola; * motores assíncronos de rotor bobinado; e * motores síncronos.
c) motores especiais: * motores universais; * motores de passo; e * servomotores.
O fluxograma abaixo mostra os diversos tipos de motores existente atualmente.
Figura 89 - Tipos de motores elétricos Fonte: Acervo Saber.
7.3 Princípio de funcionamento dos motores AC – campo girante
Quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica, é criado um campo magnético dirigido conforme o eixo da bobina e de valor proporcional à corrente. Na figura 90 é mostrado um enrolamento monofásico atravessado por uma corrente I, sendo H o campo magnético criado por ela. O enrolamento é constituído de um par de polos (um polo “norte” e um polo “sul”), cujos efeitos se somam para estabelecer o campo H. O fluxo magnético atravessa o rotor entre os dois polos e se fecha através do núcleo do estator.Se a corrente I é alternada, o campo H também é, e inverte seu sentido em cada meio ciclo.O campo H é pulsante, pois sua intensidade varia proporcionalmente à corrente, sempre na “mesma” direção norte--sul.
Figura 90- Campo criado em um enrolamento manofásico Fonte: Acervo Saber. Na figura 91 é mostrado um enrolamento trifásico, composto por três monofásicos espaçados entre si de 120 graus. Se este enrolamento for alimentado por um sistema trifásico, as correntes I1, I2 e I3 criarão, do mesmo modo, os seus próprios campos magnéticos H1, H2 e H3. Estes campos são espaçados entre si de 120 graus. O campo total H resultante, a cada instante, será igual à soma dos três campos H1, H2 e H3, naquele instante.
Figura 91 - Campo criado em um enrolamento trifásico Fonte: Acervo Saber. A figura 92 mostra as três formas de ondas de tensão U1, U2 e U3, defasadas de 120º, em um ciclo de 360º, originando a composição dos campos magnéticos H1, H2 e H3, mostrados em seis posições, gerando a sequência de fases de sentido horário do campo resultante H, como mostrado na figura 82. Este campo magnético girante, aplicado nos enrolamentos do estator, é o responsável pelo funcionamento dos motores de indução. Quando permuta-se duas fases, inverte-se o sentido do campo magnético girante, conseqüentemente invertendo-se o sentido de rotação do motor.
Figura 92 - Tensões trifásicas Fonte: WEG.
Figura 93- Composição de um campo magnético girante Fonte: WEG.
7.4 Construção do m otor t rifásico síncrono
Construtivamente um motor síncrono é idêntico a um alternador , estudado na unidade de ensino 6. Teóricamente, a máquina síncrona pode ser utilizada como gerador , convertendo energia mecânica em energia elétrica ou como motor em conversão inversa. O motor síncrono é formado pelos seguintes componentes: a) estator:
a.1) carcaça: sua função principal é apoiar e proteger o motor, servindo de alojamento para os enrolamentos do estator ou da armadura, em ranhuras localizadas nas chapas metálicas de aço silício,de baixas perdas magnéticas. A carcaça forma um conjunto sólido e robusto, sendo a base estrutural da máquina. A figura 94 mostra o estator de um motor síncrono de grande porte.
Figura 94 - Estator de um motor síncrono Fonte:WEG. a.2) enrolamentos ou bobinas de armadura: os enrolamentos da armadura são alojados em ranhuras localizadas nas chapas de aço silício que formam o núcleo, defasados de 120º, ligados em estrela ou em triângulo, e, quando alimentados através de uma fonte trifásica, irão gerar o campo magnético girante necessário ao funcionamento do motor. A figura 95 mostra os enrolamentos ou bobinas da armadura de um motor síncrono.
Figura 95 - Enrolamentos ou bobinas de armadura Fonte: WEG.
a.3) excitatriz: tem como função fornecer corrente contínua magnetizante para a bobina de campo do motor. Tal como o gerador síncrono, o motor congênere possui um dos dois tipos de excitatrizes, ou seja, a excitatriz “brushless” (sem escovas) ou a excitatriz estática.
A excitatriz “brushless” (sem escovas) é composta pelo rotor, estator, diodos retificadores e circuito de disparo. A excitatriz estática é composta de anéis coletores e escovas e depende de uma fonte externa para alimentação do campo do motor. A figura 96 mostra a excitatriz dinâmica de um motor síncrono. Motores síncronos com sistema de excitação brushless possuem uma excitatriz girante, normalmente localizada em um compartimento na parte traseira do motor. A excitatriz funciona como um gerador de corrente alternada onde o rotor que fica localizado no eixo do motor, possui um enrolamento trifásico e o estator é formado por polos alternados norte e sul alimentados por uma fonte de corrente contínua externa.O enrolamento trifásico do rotor é conectado a uma ponte de diodos retificadores. A tensão gerada no rotor é retificada e utilizada para a alimentação do enrolamento de campo do motor. A amplitude desta corrente de campo pode ser controlada através do retificador que alimenta o campo do estator da excitatriz. Os motores síncronos com excitação brushless possuem um custo de manutenção reduzido. devido ao fato de não possuirem escovas. Por não possuirem contatos elétricos deslizantes, eliminando a possibilidade de faiscamento, os motores síncronos com excitação do tipo brushless são recomendados para aplicações em áreas especiais com atmosfera explosiva. Motores síncronos com excitatriz do tipo estática são constituidos de anéis coletores e escovas que possibilitam a alimentação de corrente dos polos do rotor através de contato deslizante. A corrente contínua para alimentação dos polos deve ser proveniente de um conversor e controlador estático CA/CC. A excitatriz estática atualmente está sendo muito utilizada em aplicações com variação de velocidade através de inversores de freqüência.
Figura 96 - Excitatriz “brushless” Fonte: WEG.
A figura 97 mostra uma excitatriz estática de um motor síncrono.
Figura 97 - Excitatriz estática Fonte: WEG.
A figura 98 mostra, em diagrama simplificado,um sistema de excitação estático.
Figura 98 - Sistema estático simplificado Fonte: WEG. A figura 99 mostra, em diagrama simplificado,um sistema de excitação dinâmico.
Figura 99- Sistema dinâmico simplificado Fonte: WEG. 7.5 7.5 Princípio Princípio d e funcionamento funcionamento d o moto r síncrono trif ásico
O motor síncrono possui o estator idêntico ao do alternador estudado na unidade de ensino 6, e,ao ser alimentado por tensão alternada trifásica, produz o campo girante constante, girando na velocidade síncrona. Existe um outro campo no rotor, criado pela alimentação das bobinas das sapatas polares por tensão contínua través dos anéis coletores. Conforme veremos a seguir, o motor síncrono por si só não tem torque de partida, devendo ser acelerado por algum meio auxiliar. Uma maneira é utilizar o enrolamento amortecedor ou de compensação ou ainda em gaiola de esquilo para a partida, que consiste de barras sólidas embutidas na superfície da face polar e curto-circuitadas em cada extremidade por meio de anéis conforme mostra a figura 100.
Figura 100 - Peça polar e enrolamento amortecedor de um motor síncrono Fonte: Fitzgerald. Seja uma tensão trifásica aplicada ao estator de um motor síncrono, num instante em que as correntes em cada bobina são mostradas na figura 101, com a corrente na bobina a-a’ na posição1da figura 102.
Figura 101 - Campo magnético parado Fonte: Fitzgerald.
Figura 102 - Corrente na bobina a-a’ Fonte: Ftzgerald. Devido aos polos criados pelo campo (motor de 2 polos) um condutor se encontra sobre o polo N e outro sob o polo S. Da interação entre a corrente nos condutores (superior e inferior) e os campos, como o condutor é fixo, a face polar superior fica sujeita a um torque para a direita, enquanto que a face polar inferior fica sujeita a um torque para a esquerda, como mostra a figura 103. Portanto, o rotor fica sujeito a um torque que tenderia a move-lo no sentido horário. Para a corrente na posição 2 da figura 102 se tem a inversão da corrente e o rotor fica sujeito a um torque que tenderia a move-lo no sentido anti-horário, em conseqüência das interações mostradas na figura 104.
Figura 103 - Interações entre linhas de campo(1) Fonte: Fitzgerald.
Figura 104 - Interações entre linhas de campo(2) Fonte: Fitzgerald. Devido à inércia do rotor, o torque produzido em um segundo é nulo, pois o rotor foi efetivamente atraído alternativamente, nos sentidos horário e antihorário, 60 vezes naquele segundo, para a frequência de 60 Hz.Se o rotor for levado até a velocidade síncrona, no momento em que se inverter o sentido da corrente, inverte-se o campo, campo, o que fará que se tenha um torque líquido. Os polos N e S do rotor,girando a uma velocidade síncrona, entram em sincronismo com o campo magnético girante. Se for adicionada uma carga ao eixo da máquina, o contratorque criado por ela fará com que o rotor se atrase momentaneamente; porém, se uma carga excessiva for adicionada a ponto de o rotor sair do sincronismo, o motor para de funcionar. Logo, um motor síncrono ou funciona à velocidade síncrona ou não funciona. 7.6 7.6 Métodos Métodos de parti da de motores síncr onos
É evidente, então, que se deve trazer o rotor a uma velocidade suficiente próxima da síncrona, para ocorrer o sincronismo com o campo girante. Alguns dos meios para que isto aconteça são: a) utilizar um motor acoplado ao eixo do motor síncrono, que se for de indução deve ter, no mínimo, um par de polos a menos que os do motor síncrono; e b) a utilização dos enrolamentos de compensação. Na partida com enrolamentos de compensação, deve-se curto-circuitar o enrolamento de CC enquanto se aplica CA ao estator, trazendo o motor até sua velocidade a vazio como um motor de indução. Em seguida remove-se o curto-
circuito do campo e aplica-se tensão CC a este enrolamento, ajustando-se a corrente (pode-se variar o nível de tensão CC ou o valor da resistência de campo) para que ela seja mínima. Na partida sob carga, a melhor técnica é utilizar um rotor bobinado em lugar do enrolamento em gaiola nas faces polares, ou seja, o chamado enrolamento de compensação tipo rotor bobinado. A figura 105 mostra um diagrama esquemático, onde se utiliza, acoplado ao enrolamento de campo, uma resistência trifásica. O motor parte com toda a resistência externa por fase e com o enrolamento de campo curto-circuitado. À medida que se diminui a resistência, o rotor se aproxima da velocidade síncrona e, após ela ser atingida, aplica-se uma tensão contínua ao campo.
Figura 105 - Partida do motor síncrono bobinado sob carga Fonte: Fitzgerald. 7.7 Características de funcionamento do motor síncrono
O motor síncrono tem duas fontes de excitação possíveis: a da fonte trifásica CA na armadura e a de CC no enrolamento de campo. Se a corrente de campo é exatamente suficiente para produzir a fmm necessária, não se necessitando de corrente de magnetização ou potência reativa, o motor funciona com fator de potência unitário. Quando a corrente de campo é menor que a suficiente, se diz que o motor está subexcitado, a deficiência em fmm precisa ser suprida pela armadura; o motor funciona com fator de potência atrasado. Se a corrente de campo é maior que o necessário, se diz que o motor está sobreexcitado, o excesso de fmm deve ser contrabalanceado na armadura e uma componente de corrente adiantada está presente; o motor funciona com fator de potência adiantado. O motor síncrono, quando funcionando na condição de sobreexcitado e a vazio, recebe o nome de condensador síncrono e desempenha a mesma função de um banco de capacitores, sendo mais eficientes que os capacitores estáticos.
7.8 Aplicações dos mo tores síncronos
Nos navios mercantes, os motores síncronos estão presentes em acionamentos de elevadores, em sistemas híbridos de geração de energia elétrica, recuperando a energia reativa perdida na operação de geradores de eixo, elevando o fator de potência da instalação. 7.9 Motores de ind ução trifásicos- pr incípio de fu ncionamento
O princípio de funcionamento de um motor trifásico de indução está baseado na formação de um campo magnético girante(como no motor síncrono), na parte estática do motor. Este campo magnético girante induzirá, na parte rotativa do motor que, como veremos posteriormente, pode ser do tipo gaiola ou bobinado, um campo magnético que, pela Lei de Lenz, estará em oposição ao campo indutor. O campo girante do estator desloca-se com velocidade constante, denominada velocidade síncrona, dada por: Ns= 120.F/P, onde: Ns é a velocidade síncrona em r.p.m. F é a frequência da rede elétrica em hertz. P é o número de polos magnéticos do motor. O campo magnético induzido no rotor tenderá inicialmente a caminhar em sentido oposto ao do campo indutor, porém, será arrastado pelo mesmo. Devido à inércia, a velocidade com que o campo magnético girante do rotor caminhará será menor que a do campo magnético girante do estator. Esta defasagem de velocidades entre os campos magnéticos girantes do estator e do rotor é o fator principal para que o motor mantenha-se em rotação, pois, se as velocidades fossem iguais, não haveria movimento relativo entre os campos magnéticos girantes do estator e do rotor. O motor de indução é também denominado de assíncrono devida sua velocidade ser menor que a do campo magnético girante da rede elétrica na qual está sendo energizado. 7.10 Desli zamento ou escorr egamento de um mo tor de induç ão
À diferença de velocidades entre os campos magnéticos girantes do estator e do rotor dá-se a denominação de deslizamento ou escorregamento de um motor trifásico assíncrono. O escorregamento é dado em percentual, sendo que a velocidade a plena carga pode ser de 5 a 10% menor que o valor da velocidade do motor a vazio. A relação que define o deslizamento é: s=(Ns-Nr)/Ns, onde: s escorregamento (%); Ns velocidade síncrona (r.p.m.); e Nr velocidade do motor (r.p.m.) →
→
→
A velocidade do motor é dada por: Nr=Ns(1- s ). 7.11 Construção do motor assíncrono
Os motores assíncronos possuem uma construção simples.Este tipo de construção leva a muitas vantagens, indicando-se sua aplicação em localizações remotas, e sua operação em situações severas de trabalho, onde a poeira e outros materiais abrasivos sejam fatores a serem considerados. Se compararmos dois motores com características nominais idênticas, sendo um deles do tipo cc e outro do tipo assíncrono, o tipo cc possuirá maior torque, entretanto, o motor de indução terá menor variação de velocidade desde a condição a vazio até a condição de plena carga.O motor de indução trifásico é composto fundamentalmente de duas partes: estator e rotor . O estator é formado por: carcaça, núcleo de chapas magnéticas e enrolamento trifásico, ou seja, três conjuntos iguais de bobinas, uma para cada fase, defasadas de 120º, ligados à rede elétrica através de bornes localizados na caixa de ligações. A figura 106 mostra o estator de um motor assíncrono.
Figura 106 - Estator de um motor trifásico assíncrono
Fonte: WEG. O rotor é formado pelo eixo, o qual transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor; núcleo de chapas magnéticas, enrolamento trifásico, fechado sobre si mesmo, isto é, possui um ponto comum ou em curto-circuito através de um reostato trifásico externo. O enrolamento do rotor também pode ser substituído por um conjunto de barras de alumínio.
O que caracteriza o motor de indução é que somente o estator é ligado à rede de alimentação. O rotor, não sendo alimentado externamente, será induzido pelo estator, daí o seu nome de motor de indução. Construtivamente, podemos ter em um motor assíncrono os seguintes tipos de rotores: a) rotor tipo gaiola de esquilo: este tipo de rotor possui uma construção bastante simples. Constitui-se de um eixo, um núcleo laminado que possui ranhuras, nas quais são introduzidas barras de alumínio, em curto-circuito em ambas extremidades. Estas barras não são isoladas do núcleo e do eixo, entretanto, as correntes induzidas ficarão limitadas a circular nas barras e nos anéis de curto-circuito devido à baixa resistência elétrica dos mesmos em relação ao núcleo e eixo. Os motores de indução que utilizam rotores tipo gaiola possuem baixo torque de partida devido à baixa resistência rotórica; entretanto, existem motores que utilizam rotores de dupla gaiola, sendo que a gaiola externa é utilizada apenas na partida, após a máquina atingir uma velocidade próxima da nominal o motor passará a funcionar com a gaiola interna. As barras condutoras são deslocadas de um pequeno ângulo em relação ao eixo com a finalidade de produzir um torque mais uniforme e para reduzir o zumbido magnético característico da operação do motor. A figura 107 mostra um rotor tipo gaiola.
Figura 107 - Rotor tipo gaiola de um motor trifásico assíncrono Fonte: WEG. b) Rotor bobinado ou de anéis: neste tipo de rotor, as barras condutoras são substituídas por um enrolamento trifásico, que poderá está ligado em estrela ou em triangulo. Os terminais do enrolamento trifásico são levados a três anéis coletores, que através de escovas são ligados a um reostato trifásico externo, ligado da mesma maneira como está ligado o enrolamento rotórico. Na partida do motor, o reostato deverá estar com o máximo de resistência inserida, com a
finalidade de reduzir a impedância, aumentando a corrente rotórica, e,consequentemente, o torque de partida. Após o motor adquirir velocidade próxima da nominal, o rotor é curto-circuitado, passando o motor a funcionar com o rotor bobinado original. A figura 108 mostra um rotor bobinado de um motor trifásico assíncrono.
Figura 108 - Rotor bobinado de um motor trifásico assíncrono Fonte: WEG. 7.12 Tipos de lig ações de motores tr ifásico s
Os motores trifásicos de indução são fabricados com possibilidades de ligações em múltiplas tensões nominais. Para que isso seja possível, os fabricantes fornecem os mesmos com seis, nove ou doze bobinas no estator. Sabemos que as ligações básicas em um sistema trifásico são em estrela ou em paralelo; logo, devemos sempre mentalizar os conceitos de tensões de linha e de fase. As múltiplas tensões nominais de um motor são valores de linha. Vamos admitir que cada bobina seja projetada para a tensão nominal de 220V; então, teremos as seguintes possibilidades para a ligação de um motor trifásico assíncrono: a) motor de seis terminais acessíveis a.1) Ligação em estrela: Na ligação em estrela (380 V) os terminais 4, 5 e 6 são interligados e os terminais 1, 2 e 3 são ligados à rede.
Figura 109 - Ligação dos terminais do motor em estrela a.2) Ligação em delta ou triangulo: Na ligação em triângulo (220V), o início de uma fase é fechado com o final da outra e essa junção é ligada à rede. :
Figura 110 - Ligação dos terminais do motor em delta ou triangulo Um motor trifásico de seis terminais acessíveis(220V para cada bobina) pode ser ligado em redes de alimentação cujos valores nominais de tensão de linha sejam de 220V ou 380V; logo, não é possível a ligação deste motor diretamente do QGBT de um navio mercante(440V). No caso de aplicação marítima, o fabricante deverá fornecer o motor de seis terminais com tensão nominal de 440V por bobina e a ligação de seus terminais deve ser em triângulo. A figura 100 mostra a placa de ligação de um motor de seis terminais.
Figura 111 - Placa de ligação dos terminais de um motor de seis terminais b) motor de nove terminais acessíveis Os motores com nove terminais tem possibilidade de ligação em três tensões nominais: 220/380/440V.
c) motor de doze terminais acessíveis Os motores com doze terminais têm possibilidade de ligação em quatro tensões nominais: 220/380/440/760V. A figura 112 mostra o esquemático dos grupos de ligações de um motor de 12 terminais, que o fabricante deve fornecer na placa de identificação do motor, juntamente com outros dados nominais do mesmo.
Figura 112- Esquemas de ligações de um motor de doze terminais Na figura 101, o primeiro grupo de ligações corresponde a uma ligação em triangulo paralelo(220V); a segunda em estrela paralela(380V); a terceira, em delta série(440V); e a quarta em estrela série(760V). O último grupo(760V) somente é utilizado na partida estrela/triângulo de um motor que será alimentado por uma rede trifásica de tensão nominal de linha de 440V, como é o caso de um navio. Em todas as múltiplas possibilidades de ligação dos terminais de um motor de indução trifásico, devem ser obedecidas as polaridades corretas das bobinas. Para inverter o sentido de rotação de um motor trifásico, permuta-se duas fases de alimentação do motor; com isso, é invertido o sentido de rotação do campo magnético girante aplicado ao rotor. 7.13 7.13 Corrente de parti parti da de um mot or tr ifásic o assíncrono
Para retirar da inércia o rotor de um motor elétrico, é solicitado da rede de alimentação uma corrente elétrica proporcional a massa rotórica, podendo alcançar até 7 vezes o valor nominal. Esta corrente não depende da carga aplicada ao eixo do motor, ou seja, a corrente de partida de um motor trifásico assíncrono a vazio possui possui a mesma amplitude amplitude da atingida, atingida, se o motor motor partir com carga acoplada ao seu eixo. A influência da carga é a de prolongar o tempo de partida. A figura 113 mostra a corrente de partida de um motor em função do tempo.
Figura 113 - Curva corrente versus tempo de um motor trifásico Fonte:www.editoraerica.com.br Se a partida do motor for a plena tensão, o motor solicitará da rede de alimentação uma elevada corrente, que causará queda de tensão no sistema elétrico. As normas técnicas das concessionárias permitem partidas direta para motores de até 5cv para tensão de linha de 220v, e até 7,5cv para 380v. Nas instalações marítimas (440v), é permitida a partida direta para potencias de até 10cv. 7.14 7.14 Corrente nominal de um mot or t rifásico assíncrono assíncrono
A corrente nominal de um motor assíncrono assíncrono trifásico é dado por
onde: K→ constante igual a 1,73 para os motores trifásicos; V→ tensão de linha da rede de alimentação, em Volts; FP→ fator de potencia do motor; e η→ rendimento do motor.
7.15 7.15 Parti Parti da direta de um mo tor t rif ásico de induç ão
Conforme mencionado no item anterior somente motores de pequena inércia no rotor podem ser acionados a plena tensão, pois a corrente de partida dos mesmos não causará grandes distúrbios na rede elétrica. O motor deverá ser fechado (ligado) para a tensão de linha da rede local, obedecendo o esquemático de placa e ligado através de uma chave trifásica manual ou de
uma chave magnética. A figura 114 mostra os diagramas de força e comando de uma chave magnética de partida direta.
Figura 114 - Partida direta
7.16 Parti da estr ela-tri ângulo de um mot or tr ifásic o de indução
A partida estrela-triângulo é um método utilizado que reduz a corrente de partida para um terço, tendo como consequência a redução para o mesmo valor do torque ou conjugado de partida. Para que o motor seja acionado através de uma chave estrela-triângulo, é necessário que o motor possua no mínimo seis terminas acessíveis e que a tensão nominal do motor na ligação triângulo coincida com o valor nominal da tensão de linha da rede de energia na qual era ligado. A carga a ser acionada não deve exigir alto torque de partida. Na partida, o motor será ligado em estrela à rede de suprimento. Como o motor está preparado para ser alimentado com tensão 1,73 vezes o valor da tensão de alimentação, partirá com subtensão que implicará na redução da corrente de acionamento. Após decorrido o intervalo de tempo de partida a
ligação do motor passará a ser em triângulo, coincidente com à da rede de alimentação. A figura 104 mostra o diagrama de força e a figura 115 o de comando de uma chave magnética de partida estrela-triângulo
Figura 115 - Partida Y/ ∆ - circuito de força
Figura 116 - Partida Y/ ∆ - circuito de comando
7.17 Parti da compensada de um mo tor t rif ásico de induç ão
Na partida compensada, o artifício utilizado para redução da corrente de partida do motor, é o emprego de um autotransformador trifásico ligado em estrela. Este autotransformador possui derivações (tap’s) de 100,95,90,85,80, 75,70,65 e 60% da tensão nominal do motor. Na partida, o motor será energizado pelo autotransformador, no tap pré-selecionado; após decorrido o intervalo de tempo de partida, o motor será desconectado do autotransformador e receberá alimentação nominal. A corrente de partida será reduzida e o torque de partida será mantido suficiente para acionar cargas exigentes. A figura 117 mostra o circuito de força de uma chave compensadora.
Figura 117 - Circuito de força de uma chave compensadora
7.18 Placa de identi fic ação de um motor tr ifásic o assíncr ono
Os motores elétricos possuem uma placa identificadora, colocada pelo fabricante, onde são informados os dados nominais dos mesmos . Para se instalar adequadamente o motor é imprescindível que saibamos interpretar os dados da placa. A placa de identificação contém as informações que determinam as características normais e de desempenho dos motores; que são definidas pela NBR-7094.A figura 118 mostra a placa de identificação de um motor.
Figura 118 - Placa de identificação de um motor trifásico Fonte: WEG. Os dados de placa informados na placa são os seguintes: Linha 1 → indica que o motor é de corrente alternada, trifásico, 132S é o modelo, de carcaça, data de fabricação, nº. de série do motor; Linha 2→ Tipo de motor, frequência nominal, categoria de conjugado; Linha 3→ Potência nominal do motor: 7.5kW (10cv), rotação nominal do motor; Linha 4→ Fator de serviço, classe de isolamento, elevação de temperatura, relação de corrente de partida pela nominal, grau de proteção; Linha 5→ Tensões e correntes nominais de operação; Linha 6→ Regime de serviço, máxima temperatura ambiente e altitude máxima Linha 7→ Rendimento do motor em condições nominais, fator de potência do motor em condições nominais, SFA corrente no fator de serviço, quando
maior que 1,15; Linha 8
→
Esquemas de ligações;
Linha 9
→
Tipo de rolamento dianteiro, tipo de rolamento traseiro,tipo de graxa utilizada nos rolamentos e peso do motor
Observação: o fator de serviço de um motor significa a máxima sobrecarga permitida em regime contínuo, sem afetar sua vida útil.
7.19 Motores de indução assíncronos monofásicos
Nos navios mercantes, inúmeros equipamentos possuem em suas instalações motores monofásicos alimentados com tensões inferiores a 440 v, a partir dos transformadores de serviço. Construtivamente, os motores monofásicos são semelhantes aos trifásicos estudados anteriormente, com a diferença de possuírem um único enrolamento no estator.Sua grande vantagem é a de poderem ser ligados em tensões monofásicas,normalmente utilizadas em equipamentos auxiliares dos sistemas elétricos marítimos. Entretanto, possuem o inconveniente de serem incapazes de partir sem a ajuda de um circuito auxiliar, o que não ocorre com os motores trifásicos. O princípio de funcionamento dos motores monofásicos é similar ao do motor trifásico assíncrono. Como só existem uma fase e um neutro, várias técnicas são utilizadas para produzir o campo magnético girante necessário para a partida dos mesmos. Iremos apresentar algumas delas. Uma vez que o rotor de um motor monofásico começa a girar, acionado pelo campo girante provocado, continuará a funcionar com a alimentação monofásica. 7.20 Parti da de motores mo nofásic os
A figura 119 mostra a formação do campo magnético devido a uma só fase. Este campo é pulsante, tendo sempre a mesma direção, não permitindo indução de correntes significativas no rotor.
Figura 119 - Campo magnético pulsante Fonte: Editora Erica. Através de artifícios que veremos posteriormente, um campo auxiliar com defasagem de 90° em relação à alimentação é formado gerando um sistema bifásico, com a conseqüente formação de um campo girante capaz de promover a partida, como mostra a figura 120. Existem várias técnicas empregadas com o objetivo de proporcionar esta defasagem. Cada uma delas corresponde a um determinado tipo de motor monofásico, como se veremos nos próximos itens.
Figura 120 - Campo magnético girante provocado Fonte: Editora Erica. Após o motor atingir a velocidade entre 65 a 80% de sua velocidade nominal, o dispositivo auxiliar utilizado na partida pode ser retirado e o motor continuará em movimento. Apresentamos nos itens posteriores alguns tipos de motores monofásicos.
7.21 Motor mo nofásic o de fase divi dida
Este motor possui um enrolamento principal e um auxiliar, ambos defasados de 90 graus. O enrolamento auxiliar cria um deslocamento de fase que produz o torque necessário para a rotação inicial e a aceleração. Quando o motor atinge uma rotação predeterminada, o enrolamento auxiliar é desligado da rede através de uma chave que normalmente é atuada por uma força centrífuga. Como o enrolamento auxiliar é dimensionado para atuar apenas no arranque, se não for desligado logo após o arranque, danifica-se. O ângulo de defasagem que se pode obter entre as correntes do enrolamento principal e do enrolamento auxiliar é pequeno e, por isso, estes motores têm torque de partida igual ou pouco superior ao nominal, o que limita a sua aplicação a potências fracionárias e a cargas que exigem pouco torque de arranque, tais como ventiladores e exaustores, compressores herméticos, bombas centrífugas, e outros. A figura 121 mostra o circuito equivalente de motor monofásico de fase dividida.
Figura 121 - Motor de fase dividida Fonte: Editora Erica. 7.22 Motor monofásico com capacitor de partida
Em determinadas situações, o binário fornecido pelos motores com enrolamentos de divisão de fase é insuficiente para a partida com carga. Nestas condições, utiliza-se o reforço de um capacitor. O capacitor é colocado em série com o enrolamento auxiliar, sendo dimensionado de maneira que seja obtido um maior defasamento entre os campos principal e auxiliar e cinsequentemente um maior torque de partida. Através deste artifício é consegue-se um torque de partida aproximadamente quatro vezes maior que o nominal. A figura 122 mostra o circuito equivalente de um motor monofásico com capacitor de partida.
Figura 122 - Motor com capacitor de partida Fonte: Editora Erica. 7.23 Motor monof ásico com c apacitor permanente
Neste tipo de motor, o enrolamento auxiliar e seu capacitor em série ficam permanentemente conectados, não sendo necessária a chave centrífuga. Isto é bom, pois a ausência de partes móveis facilita a manutenção. O conjugado máximo, o rendimento e o fator de potência desses motores são melhores que os de outros tipos, aproximando-se aos valores obtidos em motores trifásicos.Em contrapartida, seu conjugado de partida é menor que o dos motores de fase dividida (entre 50% e 100% do conjugado nominal), limitando sua utilização a equipamentos como pequenas serras, furadeiras, condicionadores de ar e máquinas de escritório. São fabricados normalmente para potências entre 1/5 a 1,5 cv. A figura 123 mostra o circuito equivalente de um motor com capacitor permanente.
Figura 123 - Motor com capacitor permanente Fonte: Editora Erica. 7.24 Motor monofásico com dois capacitores
É uma "mistura" dos 2 anteriores: possui um capacitor de partida, desligado através de chave centrífuga quando o motor atinge cerca de 80% de sua rotação síncrona, e um outro que se encontra permanentemente ligado. Com isso, possui todas as vantagens daqueles motores: alto conjugado de partida,
alta eficiência e fator de potência elevado; no entanto, seu custo é elevado e só é fabricado para potências superiores a 1 cv.
Figura 124 - Motor com dois capacitores Fonte: Editora Erica. 7.25 Motor monofásico de campo distor cido
Também chamado de motor de polos sombreados, este motor consegue criar um campo girante através de modificações feitas em seus polos, o que pode ser feito de várias maneiras, caracterizando 3 tipos de motores: * pólos salientes; * "esqueleto"; e * de enrolamentos distribuídos. Um dos mais comuns é o de polos salientes, mostrado na figura 125, onde uma parte da cada polo (entre 25% e 35%) é enlaçada por uma espira de cobre em curto-circuito. O fluxo magnético produzido nesta espira fica atrasado em relação ao fluxo da parte não abraçada pela mesma, resultando num campo girante que sempre se move na direção da parte não enlaçada para a parte enlaçada do polo. Estes motores apresentam um único sentido de rotação. A maneira mais prática de obter-se rotação no sentido oposto é mudar a posição da ponta do eixo em relação ao estator; outros métodos são possíveis, porém muito onerosos. Devido ao seu método de partida, é o motor mais simples, confiável e econômico, porém, seu conjugado de partida é bastante baixo, na faixa de 15% a 50% do valor nominal, apresentando fator de potência e rendimento baixos. Por este motivo é fabricado para pequenas potências (tipicamente de alguns milésimos de cv até 1/4 cv), podendo ser usado em processos de movimentação de ar (ventiladores, exaustores, secadores de roupa e de
cabelo), pequenas bombas, compressores, projetores de slides, toca-discos e outros eletrodomésticos.
Figura 125 - Motor de campo distorcido Fonte: Editora Erica.
1 Acumuladores 1.1 Intro dução
A forma de energia elétrica gerada em grande quantidade nos navios é do tipo alternada, obtida através de efeitos eletromagnéticos nos geradores auxiliares, se o sistema for do tipo tradicional, ou no gerador de eixo e turbogeradores de gases de escape, se o sistema for do tipo híbrido, conforme estudaremos na unidade de ensino 6. Porém, em qualquer dos tipos de sistemas de geração elétrica empregado a corrente do tipo contínua é imprescindível para manter permanentemente ligados diversos tipos de consumidores, em situação de operação normal dos geradores síncronos, ou ainda, alimentar consumidores que não podem ficar sem alimentação elétrica, em situação de falha de operação dos geradores síncronos, incluindo o gerador de emergência. 1.2 Impor tância da corr ente contínua a bordo
Conforme explicado no item anterior, a corrente contínua (cc) possui grande utilidade nos navios mercantes, sendo utilizada para a alimentação permanente dos sistemas de automação do QEP (Quadro Elétrico Principal) e QEE (Quadro Elétrico de Emergência), Global Maritime Distress Safety Sistem(GMDSS), Geographic Positioning System(GPS), Alarmes de Incêndio, Telefonia, sistemas de partida dos motores das baleeiras, do DGE (Diesel Gerador de Emergência) e de MCA’s (Máquinas de Combustão Auxiliares). O sistema elétrico de um navio deve possuir uma fonte de energia temporária ( “provisional energy” ) formada por um grupo de acumuladores com baterias de 24 volts, do tipo chumbo ácido, com carregadores permanentemente em flutuação, para assegurar a operação quando necessário. A figura 1 mostra um grupo de baterias em flutuação de carga, prontas para entrarem em operação em condição emergencial. O sistema de energia temporário entrará em operação na falha de alimentação elétrica proveniente dos geradores auxiliares e do gerador de emergência, para garantir a energização dos seguintes sistemas:automação das máquinas principais, automação do QEP, automação do QEE, alarmes gerais, automação das caldeiras e MCA’s, comunicações, luzes e instrumentos de navegação. A energia em corrente contínua de 24 volts não pode faltar, pois haverá a desativação dos sistemas de segurança e, consequentemente, a paralisação de toda a geração de energia proveniente dos MCA’s e a propulsão do navio; portanto, devemos ter cuidados especiais de manutenção preventiva das baterias e dos respectivos carregadores para que não sejamos surpreendidos em uma situação emergencial.
Figura 1- Grupo de baterias em flutuação Fonte: navio Itaperuna
1.3 Pilh as e baterias
A energia elétrica em grande escala geralmente é obtida através de efeitos eletromagnéticos em alternadores ou geradores síncronos em forma alternada. A energia elétrica em forma contínua utilizada em navios é obtida através da associação de baterias, que denominamos de acumuladores. Nas baterias uma reação química interna produz energia elétrica, formando uma força eletromotriz (fem). A fem produz uma tensão final nos terminais da bateria que chamamos simplesmente de ddp (diferença de potencial). A invenção foi feita pelo físico italiano Alessandro Volta e, em sua homenagem, a unidade de medida de fem é o volt. As baterias são formadas por duas ou mais unidades de produção de tensão, denominadas células voltaicas ou pilhas. Cada célula é formada basicamente por dois eletrodos de diferentes tipos de metal, imersos em um eletrólito, que é uma solução contendo íons. Isto é fácil de ser obtido. O sal comum ou sal de cozinha é um composto químico de cloro e cloreto de sódio. Dissolvido em água, o cloreto de sódio se divide em íons positivos (sódio) e íons negativos (cloro). Existem muitos outros exemplos de soluções que contêm íons. A reação química entre os eletrodos e o eletrólito produz a tensão. Quando o eletrólito é líquido, temos a pilha úmida. Quando o eletrólito é em forma de pasta ou gel, temos a pilha seca. 1.4 Tipo d e acumu lador ut ili zado a bordo
Nos navios mercantes utilizam-se as baterias de chumbo- ácido, por serem as de melhor desempenho para as condições adversas da navegação marítima. Os procedimentos de manutenção resumem-se na verificação periódica do nível e da densidade do eletrólito, limpeza e reaperto nos
terminais, bem como carregador/retificador.
verificação
diária
do
funcionamento
do
1.5 Baterias de chumb o-ácido
A bateria de chumbo-ácido foi desenvolvida por Gaston Planté em 1860, período que remonta aos primórdios das células galvânicas.Durante estes 141 anos esta bateria sofreu aprimoramentos tecnológicos os mais diversos possíveis, fazendo com que a bateria de chumbo-ácido continue sendo uma das baterias mais confiáveis,atendendo a aplicações diversificadas, incluindo as marítimas. Ela é usada como bateria de arranque (sistemas de partida de baleeiras) e iluminação de emergência, como fontes alternativas em “nobreaks”, em sistemas de automação de máquinas elétricas, etc. A composição básica da bateria é essencialmente chumbo, ácido sulfúrico e materiais plásticos.O chumbo está presente na forma de chumbo metálico,ligas de chumbo, bióxido de chumbo e sulfato de chumbo. O ácido sulfúrico se encontra na forma de solução aquosa com concentrações variando de 27% a 37% em volume. O funcionamento da bateria se baseia na seguinte reação: Pb + PbO2 +2H2SO4 2PbSO4 +2H2O que, por sua vez, é resultado das duas semireações: Pb + H2SO4 PbSO4 +2H++2ePbO2 +2H++H2SO4 +2e- PbSO4 +2H2O Sendo assim, na bateria existe um ânodo de chumbo e um cátodo de bióxido de chumbo. Durante a descarga, tanto o ânodo quanto o cátodo são convertidos em sulfato de chumbo. No processo de recarga, o sulfato de chumbo é convertido em chumbo e bióxido de chumbo, regenerando o ânodo e o cátodo,respectivamente. Nas baterias marítimas, este material é suportado em grades de ligas de chumbo. A figura 2 mostra os componentes de uma bateria de chumbo ácido.
Figura 2 – Componentes de uma bateria de chumbo-ácido Fonte:www.battery.co.za 1.6 Tipo s de Baterias de chumb o-ácido
As baterias de chumbo ácido são fabricadas em três grupos : a) baterias de chumbo-ácido com solução líquida, dos tipos automotivas e estacionárias, que possuem o inconveniente de vazamento se forem viradas de posição, pois o ácido é liquido e envolve a parte elétrica (eletrólito),e as caixas plásticas possuem respiros; b) baterias de chumbo-ácido tipo VRLA (Valve Regulated Lead Acid Battery) AGM (Absorved Glass Mat) ; não vazam se forem viradas de posição, pois o ácido está impregnado no tecido que envolve a parte elétrica (eletrólito); e c) baterias de chumbo-ácido tipo VRLA GEL; não vazam se forem viradas de posição, pois o ácido é uma gelatina que envolve a parte elétrica (eletrólito). As baterias de Gel contêm um aditivo de sílica que envolve o eletrólito. No gel, que envolve o eletrólito, formam-se micro fendas que permitem as reações e recombinações entre a placa positiva e a placa negativa. Estas baterias usam a tecnologia VRLA , ou seja, são seladas e possuem um mecanismo de válvula de regulação que permite o escape dos gases,hidrogénio e oxigénio, durante o processo de carga. A tensão de carga, neste tipo de baterias, é mais baixa que nos outros tipos de baterias ácidas.
As baterias AGM, são o último passo na evolução das baterias ácidas. Em vez de usarem gel, as AGM usam fibra de vidro a envolver o eletrólito, o que contribui para que sejam mais resistentes aos impactos. Estas baterias também utilizam a tecnologia VRLA, porém, com melhor eficiência. 1.7 Processo d e carga em uma bateria
À medida que a bateria chumbo-ácido é descarregada, o ácido sulfúrico é consumido e água é produzida.Consequentemente, a composição do ácido sulfúrico no eletrólito e sua densidade variam desde 40% (m/m) e 1,30 g/cm3, no estado completamente carregado, até cerca de 16% (m/m) e 1,10 g/cm3, no estado descarregado. Dado que o potencial de circuito aberto depende da concentração de ácido sulfúrico no eletrólito e da temperatura, o valor deste potencial para um único par de eletrodos varia de 2,15 V, no estado carregado, até 1,98 V, no estado descarregado, à temperatura ambiente. A medida da densidade do eletrólito ao longo do processo de descarga da bateria é usada, portanto, para avaliar seu estado de carga. No processo de carga, o sulfato de chumbo é reconvertido a chumbo no anodo e a dióxido de chumbo no catodo. Os principais tipos de baterias chumbo-ácido são as automotivas,industriais e seladas,com um predomínio marcante das primeiras. As automotivas são usadas em veículos em geral para alimentar os sistemas de partida, iluminação e ignição e consistem de seis conjuntos de eletrodos na forma de placas, contidos em vasos independentes. Um vaso pode conter, por exemplo, 6 anodos e 5 catodos arranjados de forma alternada, começando e terminando com um anodo. Estes onze eletrodos são conectados em paralelo e, portanto, cada vaso fornece um potencial de cerca de 2 V. Os seis vasos são então conectados em série e a bateria fornece um potencial de aproximadamente 12 V. As baterias industriais são utilizadas para tracionar motores de veículos elétricos e também em serviços que não podem ser interrompidos em caso de queda de energia elétrica (companhias telefônicas, hospitais etc.). J á as seladas, de menor tamanho, são usadas para alimentar computadores, luzes de emergência etc., em caso de queda de energia. As baterias automotivas e industriais requerem adição periódica de água no eletrólito. Isso ocorre porque, no processo de carga da bateria chumbo-ácido, parte da água é decomposta nos gases hidrogênio e oxigênio. As baterias automotivas de baixa manutenção, além de serem projetadas para consumir menos água, contêm um volume de eletrólito em excesso, calculado de maneira a compensar a perda de água ao longo de sua vida útil (2 a 5 anos). Como visto, as baterias chumbo-ácido funcionam à base de chumbo,um metal pesado e tóxico e, portanto, representam sério risco ao meio ambiente. Na realidade, a grande maioria das baterias exauridas já é recolhida pelos fabricantes nacionais para recuperar o chumbo nelas contido, uma vez que o Brasil não dispõe de minas deste metal e o seu preço é relativamente alto no mercado internacional. 1.8 Método s d e carregamento d e baterias
Carregar ou dar carga a uma bateria significa recuperar a energia perdida durante a descarga da mesma, sendo necessário carregar com mais de 100%
da energia perdida, para que o processo seja eficiente. O carregamento depende da quantidade de energia descarregada, da temperatura ambiente, do método de carga e do tempo de recarga. Os métodos de carregamento são os seguintes: a) carregamento com tensão constante, que é o método mais rápido e eficiente de carregamento para as baterias de chumbo-ácido VRLA. A figura 3 mostra o gráfico corrente de carga versus tempo à tensão constante de 2,45V por célula.
Figura 3 – Gráfico corrente de carga versus tempo Fonte:www.battery.co.za b) carregamento rápido, método que retorna a capacidade completa em menos de 4 horas, sendo que em muitas aplicações o carregamento requer 1 hora ou menos. A figura 4 mostra o gráfico carregamento versus tempo (1 hora).
Figura 4 – Gráfico carregamento versus tempo Fonte:www.battery.co.za
c) carregamento com corrente constante, método que carrega igualmente todas as células, pois independe das tensões das mesmas. A figura 5 mostra o gráfico deste tipo de carregamento.
Figura 5 – Gráfico do carregamento com corrente constante Fonte:www.battery.co.za d) carregamento em flutuação, utilizado para aplicações em “standby”, como por exemplo os sistemas ininterruptos de energia de bordo. O carregador deve manter tensão constante entre 2,3V e 2,4V por célula, para a máxima vida útil da bateria. 1.9 Cicl o de vid a de uma bateria de chumb o ácido
Designa-se por ciclo completo de carga e descarga de uma bateria quando esta se encontra a 100% da sua capacidade, sofre uma determinada descarga e torna a recarregar até aos 100%. Quanto menor for a descarga maior é o número de ciclos da bateria, logo maior é a sua vida útil. Se a percentagem de descarga de uma bateria for de 50%, esta dura duas vezes mais do que uma de descarga de 80%, como se pode ver na figura 6. Daí que o recomendado seja uma percentagem de descarga na ordem dos 50%, pois é o valor que proporciona um melhor fator custo/armazenamento, o que confere a este tipo de baterias uma vida útil entre os 500 e os 800 ciclos.
Figura 6 – Ciclo de vida de uma bateria de chumbo ácido Fonte: www.battery.co.za 1.10 Efeito da temperatur a na vida úti l da bateria
A tensão de saída da bateria, aumenta com a elevação da temperatura, devido à ocorrência de reações químicas que originam a redução da densidade do eletrólito. Por outro lado, as altas temperaturas causam a destruição das placas e diminuem a vida das baterias. A baixa temperatura tem o efeito oposto, isto é, o ácido torna-se mais denso, o que provoca um decréscimo de tensão nos elementos. A percentagem de descarga, causada pelo efeito da temperatura, na capacidade das baterias é apresentada na tabela 1. Acima dos 20ºC, a capacidade das baterias aumenta 4% em cada 10ºC. Abaixo dos 10ºC, a capacidade das baterias diminui à medida que a temperatura decresce, quando a temperatura atinge -35ºC, metade da capacidade das baterias é perdida.
Tabela 1- Capacidade em função da temperatura Fonte: http://geopubs.wr.usgs.gov/open-file/of00-128/ 1.11 Precauções na ut ili zação de baterias d e chumb o-ácido
As baterias foram concebidas para ter uma certa durabilidade, dependendo da frequência do ciclo de carga/descarga e da sua utilização. Os seguintes cuidados devem ser aplicados quando da utilização de baterias de chumboácido:
