Apostila Hidrogerador Voith

GERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES

Desenvolvida Pelo Departamento de Engenharia de Design Eletromagntico (VHEC) Autores : Caio Werner Kramer Carlos Haluska Jr. Davi J. F. Squaiella Joo Fernando Namoras

SUMRIO

SUMRIOSUMRIO ..................................................................................................................................... I 1. HISTRICO ENGENHARIA EM HIDROGERAO .....................................................1 2. O HIDROGERADOR..............................................................................................................3 2.1. DEFINIO: MQUINA ELTRICA ROTATIVA..........................................................4 2.2. TEORIA CLSSICA .........................................................................................................4 2.3. GERADOR ELEMENTAR IDEALIZADO E REPRESENTAO ...................................4 2.4. FLUXO GIRANTE ............................................................................................................5 2.5. FATOR DE POTNCIA DO GERADOR [COS] .............................................................6 2.6. FREQNCIA...................................................................................................................6 2.7. ROTAO DO GERADOR (ROTAO SNCRONA)....................................................6 2.8. CONSIDERAES SOBRE OS LIMITES TRMICOS DO GERADOR .........................7 2.9. CONSIDERAES SOBRE RENDIMENTO DO GERADOR ....................................... 10 2.10. CONSIDERAES SOBRE AS REATNCIAS E CONSTANTES DE TEMPO ........... 10 2.11. EXEMPLO PARA O CURTO TRIFSICO .................................................................... 11 3. PROJETO ELTRICO ......................................................................................................... 12 3.1. INTERFACES PARA O DIMENSIONAMENTO ELTRICO ........................................ 12 3.2. INTERFACE COM A TURBINA .................................................................................... 12 3.3. INTERFACE COM SISTEMA ELTRICO ..................................................................... 12 3.4. DADOS DE ENTRADA PARA PROJETO DO GERADOR............................................ 13 3.5. DIMENSIONAMENTO DO GERADOR ......................................................................... 15 3.6. CURVA DE TITEL.......................................................................................................... 15 3.7. DO PONTO DE VISTA ELETROMAGNTICO............................................................. 16 3.8. VENTILAO ................................................................................................................ 18 3.9. DIMENSES PRINCIPAIS ............................................................................................. 18 3.10. HIDROGERADORES FABRICADOS PELA VOITH HYDRO ...................................... 19 3.11. BASIC DESIGN............................................................................................................... 19 3.12. VALORES TPICOS DAS REATNCIAS E CONSTANTES DE TEMPO PARA MQUINAS SNCRONAS TRIFSICAS....................................................................... 33 3.13. CURVAS CARACTERSTICAS DO GERADOR ........................................................... 33 4. COMPONENTES DO GERADOR....................................................................................... 35GERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES

SUMRIO

4.1. CONJUNTO GERAL ....................................................................................................... 35 4.2. COMPONENTES DAS PARTES ATIVAS DO GERADOR............................................ 35 4.3. ENROLAMENTO DO ESTATOR ................................................................................... 36 4.4. NCLEO DO ESTATOR................................................................................................. 38 4.5. ENROLAMENTO DOS POLOS ...................................................................................... 40 4.6. ENROLAMENTO AMORTECEDOR.............................................................................. 41 4.7. NCLEO DO POLO ........................................................................................................ 42 4.8. ENTREFERRO ................................................................................................................ 42 4.9. COROA DO ROTOR ....................................................................................................... 43 4.10. CUSTO DE MATRIA-PRIMA POR COMPONENTE DO GERADOR ( W1 ).............. 44 4.11. HORAS DE FABRICAO POR COMPONENTE DO GERADOR ( W1 ) ................... 44 5. PROJETO MECNICO ....................................................................................................... 45 5.1. INTERFACES PARA O DIMENSIONAMENTO MECNICO ...................................... 45 5.2. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO MECNICO...................................................... 46 5.3. NATUREZA DOS ESFOROS MECNICOS................................................................ 47 5.4. TENSES ADMISSVEIS............................................................................................... 48 5.5. DADOS DE ENTRADA PARA PROJETO MECNICO DO GERADOR ...................... 48 5.6. CRITRIOS DE DIMENSIONAMENTO MECNICO POR COMPONENTES............. 53 5.7. VENTILAO ................................................................................................................ 58 5.8. CARCAA ...................................................................................................................... 59 5.9. NCLEO DO ESTATOR E FIXAO CARCAA ................................................. 60 PONTO DE VISTA MECNICO............................................................................................. 60 5.10. CRUZETA ....................................................................................................................... 61 5.11. MANCAIS ....................................................................................................................... 62 5.12. FREIO / MACACO HIDRULICO ................................................................................. 65 5.13. COBERTURA SUPERIOR .............................................................................................. 67 5.14. DESENVOLVIMENTO EM ELEMENTOS FINITOS.................................................... 67 6. PRINCPIOS DE ISOLAO .............................................................................................. 69 6.1. CONCEITOS DE ISOLAO ......................................................................................... 69 6.2. CARACTERSTICAS DOS MATERIAIS ISOLANTES.................................................. 69 6.3. FUNO E REQUISITOS DO SISTEMA DE ISOLAO ............................................ 73 6.4. TIPOS DE SISTEMA DE ISOLAO ............................................................................ 73GERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES

SUMRIO

6.5. PRINCIPAIS CARACTERSTICAS FSICAS DA ISOLAO ...................................... 84 6.6. CLASSES DE ISOLAO E CLASSIFICAO TRMICA ......................................... 88 6.7. DETERIORAO DA ISOLAO ................................................................................ 92 6.8. CONCLUSO.................................................................................................................. 94 7. ESTADO DA ARTE E NOVAS TECNOLOGIAS............................................................. 100 7.1. HISTRIA E DESENVOLVIMENTO DE HIDROGERADORES VOITH HYDRO ..... 100 7.2. EVOLUO DAS TECNOLOGIAS: ............................................................................ 101 7.3. CONDIES ATUAIS DO MERCADO DE HIDROGERAO ................................. 101 7.4. EVOLUO TECNOLGICA - ASPECTOS PRINCIPAIS : ....................................... 102 7.5. INOVAES TECNOLGICAS - UTILIZAO DE RECURSOS E FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS..................................................................................................... 103 7.6. MONTAGEM VIRTUAL DE COMPONENTES ........................................................... 107 7.7. TECNOLOGIA DE HIDROGERADORES .................................................................... 108 8. RECAPACITAO E REPOTENCIAO ..................................................................... 109 8.1. MODERNIZAO HIDRELTRICA ........................................................................... 109 8.2. BENEFCIOS DA MODERNIZAO: ......................................................................... 109 8.3. PONTOS IMPORTANTES DA MODERNIZAO: .................................................... 109 8.4. PRINCIPAIS MEDIDAS DE MODERNIZAO DE GERADORES : ......................... 111 8.5. PRINCIPAIS AVANOS TECNOLGICOS NA MODERNIZAO: ........................ 111 8.6. ISOLAO DO ENROLAMENTO ESTATRICO ...................................................... 112 8.7. USINA HENRY BORDEN / SP - DADOS COMPARATIVOS ..................................... 113 9. REFERNCIA BIBLIOGRFICA .................................................................................... 116


HISTRICO

1.

HISTRICO ENGENHARIA EM HIDROGERAOEm 16 de fevereiro de 2000 foi assinado o contrato entre Siemens AG e J.M. Voith AG

formando a Joint-Venture VOITH SIEMENS HYDRO POWER GENERATION, propiciando novas possibilidades no mercado mundial de hidrogerao, oferecendo solues sistmicas completas, firmando e ampliando ainda mais nossa liderana neste setor. Porm a histria de nossa empresa comea em 1903 com a Siemens Dynamowerk, Berlim, realizando seu primeiro marco na histria da gerao de energia eltrica no mbito da Hidrogerao Mundial, projetando e fornecendo ao Mxico as seis primeiras mquinas com potncia superior a 5 MVA para a Usina Necaxa. Aps 72 anos com um know how de aproximadamente 500 projetos distintos de Hidrogeradores de grande porte fornecidos para vrios pases no mundo, a Siemens inicia em 1975 no Brasil a fabricao de Hidrogeradores na Fbrica Lapa, So Paulo, com a Usina de Paulo Afonso IV, cliente CHESF, fornecendo cinco geradores de 486 MVA. Ao longo dos anos a Voith Siemens foi se capacitando, tanto na sua parte de Engenharia de Produtos, quanto na fabricao propriamente dita, projetando e construindo vrias das principais hidroeltricas do Brasil e do mundo. No perodo de 1903 a 2002, a Voith Siemens foi responsvel pelo projeto e fabricao de 614 projetos distintos de Hidrogeradores de grande porte, com total de 1275 geradores fornecidos, atingindo a invejvel marca de 89.924,30 MVA de potncia hidroeltrica instalada no mundo. Atividades denominadas Core Technologies fazem parte de atividades de responsabilidade da Engenharia da VOITH SIEMENS HYDRO POWER GENERATION, entre elas destacam-se: Design eletromagntico para projetos de Hidrogeradores, tanto para geradores convencionais, eixo verticais e horizontais, como para geradores no convencionais como bulbo, rotao varivel, geradores com enrolamentos refrigerados a gua. Projetos do sistema de ventilao. Projetos de enrolamentos com desenvolvimento contnuo de tcnicas de isolao. Utilizao intensa de ferramentas de clculo por elementos finitos, Ansys. Utilizao intensa de ferramentas de projetos como Cad 3D, Pro-Engineer e Solid Edge.


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HISTRICO

A VOITH SIEMENS HYDRO POWER GENERATION tm a honra de ter participado em todos os projetos de destaque de Hidrogeradores no mundo, colocando seu nome em destaque nos marcos mundiais da Engenharia em Hidrogeradores, como: 1866 - Werner von Siemens inventa o dnamo. 1895 - Kursfossen, Noruega. Primeiro Hidrogerador de corrente alternada. 1903 - Necaxa, Mxico. Registro mundial: potncia de cada unidade 6,25 MVA. 1938 - Fengman, China. Primeiros geradores de 100 de MVA do mundo. 1964 - Roenkhausen, Alemanha. Primeira unidade de reversvel (motor-gerador) na Alemanha. 1970 - Raccoon Mountain, USA. Maior unidade reversvel fornecida na poca no mundo, com quatro unidades de 425 MVA com refrigerao a gua no estator e no rotor. 1974 - Grand Coulee II, USA. Maior gerador no mundo ( na poca ) com refrigerao a ar, 672 MVA. 1976 - Bath County, USA. Maior unidade reversvel ( na poca ) com refrigerao a ar, 6 unidades de 447 MVA. 1976 - Guri II, Venezuela. Maior gerador no mundo ( na poca ) com refrigerao a ar, 805 MVA. 1978 - Itaipu, Brasil / Paraguai. Projeto mecnico completo para a maior hidroeltrica do mundo

(13.300 MW). Potncia mxima de cada unidade : 823 MW. 1992 - Grand Coulee III, USA. Novos estatores refrigerados a gua para os maiores geradores hidroeltricos no mundo na poca, potncia 826 MVA por unidade com um dimetro externo de 23 m. 1997 - Three Gorges, China. Projeto e fornecimento de geradores e equipamento eltrico para a maior hidroeltrica em construo (2003) no mundo com potncia total instalada maior que 18.000 MW. 2000 Guangzhou II, China. Maior unidade reversvel fornecida do mundo com potncia total instalada de 2.400 MW, fornecidas quatro unidades.GERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES PGINA 2 DE 115

PRINCPIOS DE FUNCIONAMENTO DO GERADOR

2.

O HIDROGERADORComo forma de visualizar apresentado abaixo um esquema com os diferentes tipos bsicos

de mquinas eltricas. No so apresentados tipos de mquinas extremamente peculiares, pois, ou sua aplicao reduzida a casos singularmente especficos, ou apresentam apenas interesse acadmico ou didtico.

Abaixo apresentado o esquema completo de uma planta de gerao de energia. O foco deste documento ser em torno do componente Hidrogerador, onde sero apresentados os aspectos fsicos, de clculo, construo, inovaes e estado da arte.


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2.1. DEFINIO: MQUINA ELTRICA ROTATIVA o equipamento capaz de converter energia mecnica em energia eltrica (gerador) ou energia eltrica em mecnica (motor). Para seu funcionamento, como motor ou gerador, sempre necessrio o movimento relativo entre um campo magntico e os condutores da mquina. Toda mquina eltrica rotativa pode funcionar como motor ou gerador.

2.2. TEORIA CLSSICAOersted (1777-1851) e Ampre (1831): uma corrente eltrica capaz de produzir um campo magntico. Faraday (1831): um campo magntico varivel produz uma corrente eltrica. Lei de Faraday = t

Leis de Lenz (1804-1865): O sentido da corrente tal a se opor a causa que a produz.

2.3. GERADOR ELEMENTAR IDEALIZADO E REPRESENTAO

Tenso induzida no enrolamento do estator pela reao ao fluxo magntico varivel. Corrente no enrolamento do estator depende da carga conectada.


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2.4. FLUXO GIRANTE

O resultado do fluxo girante que a potncia mecnica no eixo produzida pela turbina, menos as perdas no gerador so transformados em potncia eltrica nos terminais do gerador (princpio da converso eletromecnica de energia).

Potncia Ativa (P) = Potncia Efetivamente Gerada em kW. PATIVA do Gerador = PTURBINA Perdas no Gerador [kW], ou PATIVA do Gerador = PTURBINA * Rendimento do Gerador () [kW] Potncia gerada depende da carga ligada aos terminais do gerador.


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2.5. FATOR DE POTNCIA DO GERADOR [COS] Indica a capacidade nominal do gerador de fornecer reativos a rede. = ngulo de fase entre onda da tenso e onda da corrente.

Exemplo para uma fase do gerador: Tenso : U = UMX * cos(.t) Corrente : I = IMX * cos(.t + ) Onde : U = Tenso Eficaz, I = Corrente Eficaz UMX = Tenso de Pico = 2 * U IMX = Corrente de Pico = 2 * I = Velocidade Angular

t = tempo

2.6. FREQNCIANmero de ciclos por segundo que se repete a onda completa. Freqncia do gerador = Freqncia da rede.

2.7. ROTAO DO GERADOR (ROTAO SNCRONA)Necessidade de manter rotao constante para manter mesma freqncia da rede 60 ou 50 Hz. Conjugado eletromagntico ocorre somente na rotao sncrona. Rotao nominal = Freqncia da rede * 120 / Nmero de plos [rpm] Para 60 Hz : Rotao nominal = 7200 / Nmero de plos [rpm] Para 50 Hz : Rotao nominal = 6000 / Nmero de plos [rpm] Geradores so normalmente trifsicos com as trs fases do enrolamento do estator ligadas em estrela com seqncia de fases positiva.GERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES PGINA 6 DE 115


Sistema trifsico : ondas da tenso ou corrente defasadas em 120.

Tenso na fase A : U = UMX * cos(.t) Tenso na fase B : U = UMX * cos(.t 120) Tenso na fase C : U = UMX * cos(.t + 120) Seqncia de fases positiva : vetores girando no sentido anti-horrio. Caso mais comum: positiva para seqncia ABC conforme diagrama acima. Seqncia de fases do gerador deve coincidir com a seqncia de fases da rede ou da subestao. Enrolamento do estator projetado para atender a seqncia de fases quando a mquina girar em seu sentido nominal de rotao. Se a mquina girar no sentido inverso a seqncia de fases tambm se inverte.

2.8. CONSIDERAES SOBRE OS LIMITES TRMICOS DO GERADORAs perdas eltricas e mecnicas em mquinas eltricas ocorrem com a subseqente transformao de tais perdas em energia trmica ocasionando o aquecimento das diversas partes da mquina. Para assegurar adequada operao da mquina, o aquecimento de cada uma de suas partes necessita ser mantido dentro de valores compatveis. A maior limitao garantir adequado desempenho do sistema isolante dos enrolamentos, pois todos os materiais isolantes conhecidos comeam a deteriorar a uma temperatura relativamente baixa. Assim, a mxima potncia disponvel em dado gerador limitada pela mxima temperatura permissvel para os materiais isolantes empregados.


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Os materiais isolantes que historicamente foram usados em mquinas eltricas e aqueles presentemente utilizados podem ser classificados termicamente, segundo a IEC Publ. 85, nas seguintes classes: Classe Y - abrange materiais fibrosos, a base de celulose ou seda, no impregnados, no

imersos em lquidos isolantes, e materiais similares. A temperatura caracterstica desta classe de 90C; Classe A - abrange materiais fibrosos, base de celulose ou seda (tipicamente)

impregnados com lquidos isolantes e outros materiais similares. A temperatura caracterstica de 105C; Classe E - abrange algumas fibras orgnicas sintticas e outros materiais; sua

temperatura caracterstica de 120C; Os materiais das classes Y, A e E no so de uso corrente, atualmente, no mercado nacional ou internacional de mquinas eltricos, sendo utilizados materiais das classes seguintes: Classe B - abrange materiais base de polister e poli-imdicos aglutinados com

materiais orgnicos ou impregnados com estes. A temperatura caracterstica dessa classe de 130C; Classe F - abrange materiais base de mica, amianto e fibra de vidro aglutinados com

materiais sintticos, usualmente silicones, polisteres ou epxis. Temperatura caracterstica de 155C; Classe H - abrange materiais base de mica, asbestos ou fibra de vidro aglutinados

tipicamente com silicones de alta estabilidade trmica, apresentando temperatura caracterstica de 180C; Classe C - inclui mica, vidro, cermica e quartzo sem aglutinante; temperatura caracte-

rstica acima de 180C. Os materiais de classes B e F so usuais hoje, nos mercados nacional e internacional de mquinas eltricas. Esto sendo realizados estudos de utilizao da classe H em hidrogeradores para novos projetos.


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Temperaturas caractersticas dos sistemas de isolao.

Para hidrogeradores so usualmente utilizadas as classes B e F de isolao com as seguintes caractersticas : Limite de temperatura dos enrolamentos do estator e dos plos devido

isolao = 155C Classe F. Clientes solicitam reserva trmica : temperatura mxima do enrolamento do

estator = 125C e dos plos = 130C Classe B. Em geral a temperatura do ar frio de refrigerao dos enrolamentos = 40C. Aquecimento mximo do enrolamento do estator : 125 - 40 = 85 K, conforme IEC. Aquecimento mximo do enrolamento dos plos : 130 - 40 = 90 K, conforme IEC.


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2.9. CONSIDERAES SOBRE RENDIMENTO DO GERADORO rendimento do Gerador decorrente das perdas eltricas e mecnicas e inerente ao seu funcionamento.Abaixo pode ser observada a equao de rendimento de um gerador normalmente utilizada quando as tolerncias previstas so aceitveis, como exemplo, a norma IEC 34.1.

=Perdas do Gerador.

PGERADOR [ kVA] * cos( ) [%] ( PGERADOR [kVA] * cos( )) + Perdas[kVA]

Perdas medidas com o gerador operando em Vazio. Perdas de ventilao. Perdas nos mancais. Perdas no ferro. Perdas medidas com o gerador operando em Carga. R1 * IN2 do enrolamento estatrico (Perdas Joule). Rf * IFN2 do enrolamento de campo (Perdas Joule). Perdas adicionais. Perdas de excitao.

2.10. CONSIDERAES SOBRE AS REATNCIAS E CONSTANTES DE TEMPOReatncias : no so entes fsicos, mas entes matemticos para modelar comportamento eltrico do gerador em regime normal e de falha. Constantes de tempo : definem os perodos de cada comportamento durante uma falha. Perodo subtransitrio: Instantes iniciais da falha. Correntes e torques elevados. Sob influncia do enrolamento amortecedor. Normalmente o cliente exige reatncias maiores que, para minimizar correntes e torques.


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Perodo transitrio: Perodo intermedirio. Correntes e torques ainda elevados. Sob influncia do plos. Normalmente o cliente exige reatncias menores que, para sensibilizar a proteo e aumentar a estabilidade dinmica. Perodo permanente: Fim do regime transitrio. Correntes e torques estabilizados. Sob influncia do enrolamento do estator e entreferro. Normalmente o cliente exige reatncias menores que, para sensibilizar a proteo e aumentar a estabilidade esttica. Relao de curto-circuito: Indica o valor da corrente de curto permanente aps o fim do transitrio. exigido um valor maior que tambm para sensibilizar a proteo.

2.11. EXEMPLO PARA O CURTO TRIFSICO


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PROJETO ELTRICO

3.

PROJETO ELTRICO

3.1. INTERFACES PARA O DIMENSIONAMENTO ELTRICO

3.2. INTERFACE COM A TURBINA Potncia disponvel no eixo. Rotao nominal. Sobrevelocidade. Rotao de disparo. Momento de inrcia. Sentido de rotao (horrio ou anti-horrio). Arranjo (Horizontal ou Vertical). Linha de eixo (arranjo dos mancais).

3.3. INTERFACE COM SISTEMA ELTRICO Tenso do enrolamento primrio do transformador. Freqncia (Hertz). Reatncias do gerador (permanente e transitrias). Constantes de tempo. Regulao de tenso (Relao de curto-circuito). Momento de inrcia.


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PROJETO ELTRICO

3.4. DADOS DE ENTRADA PARA PROJETO DO GERADORITEM 1 Potncia Aparente Regime de servio /Sobrecarga UNIDADE MVA RAZO / PROPSITO Primordial para o dimensionamento do volume da mquina em conjunto com o nmero de plos ou rotao Fundamental para parametrizao da mquina sob o aspecto da classe de aquecimento. Determina a composio da potncia aparente em potncia ativa e reativa . Importante para o dimensionamento do enrolamento de excitao, quanto menor o cos mais energia reativa o gerador deve fornecer a rede e portanto necessita de maior capacidade de excitao. Determinante para a escolha do tipo e configurao do enrolamento, nmero de ranhuras e principalmente composio da isolao estabelece a relao entre o nmero de plos e a rotao efetiva da mquina. Interfere no dimensionamento do enrolamento do estator, rotor e no aquecimento. Usual 5%Un e 3%Fn, valores maiores requerem dimensionamento especfico. Em combinao com a freqncia determina o nmero de plos. Determina a condio crtica para o dimensionamento das partes girantes, tem forte influncia no momento de inrcia. Juntamente com a potncia a ser fornecida, ser importante para o dimensionamento de todas as partes ativas da mquina, bem como do sistema de ventilao. Interfere no dimensionamento do sistema de ventilao e clculo de aquecimento das partes ativas. Interfere no clculo de aquecimento dos enrolamentos, visto que as normas limitam valores absolutos de temperatura. O valor mais usual 40 C. Influencia principalmente no dimensionamento do trocador de calor. O valor mais usual 25 C. No design eltrico tem influncia no tipo de ventilao e principalmente nas perdas mecnicas a serem consideradas, portanto no rendimento.

2

%

3

cos

--

4 5

Tenso Freqncia Faixa de variao de tenso e freqncia Rotao nominal Rotao de disparo Sobreelevao de temperatura ou temperatura absoluta / cl. aquecimento Tipo de refrigerao Temperatura do ar frio Temperatura de gua fria Forma construtiva

V Hz

6

%Un %Fnrpm rpm

7 8

9

K / C

10

--

11 12 13

C C --


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PROJETO ELTRICO

14

Momento de inrcia Dimetro para passagem da turbina Limitaes de transporte/ N. de partes do estator Reatncias regime permanente, transitrio e subtransitrio Relao de curto IK0/IN Rendimento mnimo Penalidades para no atendimento de rendimento, temperaturas e reatncias Altura da instalao Norma Tenso de teste Impedncia da rede vista pelo gerador Nvel de rudo Sentido de rotao visto por AS / sequncia de fases

tm

2

15

mm

16

--

Praticamente orienta a determinao do dimetro interno da mquina. Quando exagerado, pode levar a uma mquina superdimensionada, cara e com baixo rendimento. Determina o dimetro interno mnimo do gerador, independentemente do valor solicitado de momento de inrcia. Influencia o dimensionamento do enrolamento do estator, ex. nmero de ranhuras divisvel pelo nmero de segmentos. Otimizao da largura da chapa para estampagem dos segmentos. Influenciam no dimensionamento eletromagntico, principalmente nos enrolamentos. Influencia no dimensionamento eletromagntico(reatncias) e entreferro. Indiretamente influencia a potncia de excitao. Interfere diretamente na quantidade e qualidade dos materiais, principalmente das partes ativas e portanto influenciam fortemente nos custos. Muito importante para a anlise de riscos a serem assumidos (valores garantidos), superdimensionamentos na mquina e formao de provises. Determinante para a manuteno dos valores de sobreelevao de temperatura normalizados e para a determinao do sistema de ventilao. Dita os valores de referncia para dimensionamento e testes, bem como tolerncias para os valores garantidos. Determina a espessura da isolao e/ou alteraes do sistema de isolao. Indispensvel para a determinao dos conjugados de curto circuito e falha de sincronizao. Influncia na escolha do enrolamento / ncleo do estator(rudo magntico) e da proteo acstica(rudo aerodinmico). Influencia no tipo de ventilao e a distribuio das fases no enrolamento estatrico.

17

pu

18

--

19

%

20

US$/KW

21

m.a.s.l.

22 23 24

-KV %

25

dB(A) horrio anti-horrio +/-

26


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PROJETO ELTRICO

3.5. DIMENSIONAMENTO DO GERADOR Conceito de fator de utilizao (constante de projeto). Volume = f (torque nominal). DI2 * L = PN / Ns. C = PN / ( DI2 * L * Ns ). PN = Potncia nominal [kVA]. DI = Dimetro interno do ncleo do estator [mm]. L = Comprimento efetivo do ncleo do estator [mm]. Ns = Rotao nominal [rpm]. ( C ) = ( kVA * min / m3 ).

3.6. CURVA DE TITELO fator determinante no dimensionamento de uma mquina sncrona a potncia aparente (kVA), que pode ser expressa atravs das dimenses principais (dimetro interno DI (m) e altura efetiva do pacote de chapas L (m)), das grandezas eltricas e magnticas (como Ampre-espiras/cm A1 para corrente nominal e a induo fundamental B1(T) para tenso nominal) e da rotao nominal Ns (min-1). Com isso tem-se que : PN = 1,11 * DI2 * L * Ns * A1 * B1 * 10-8 (kVA) Fazendo-se : C = 1,11 * A1 * B1 * 10-8, obtm-se : C = PN / ( DI2 * L * Ns ), que denominado Fator de Utilizao. Tanto o fator de utilizao C como o passo polar p e a relao L/p dependem em grande parte da potncia por plo (kVA / 2p), que resulta nas questes relativas ao aquecimento e a ventilao. Tittel representou em um diagrama o valor limite do fator de utilizao para hidrogeradores em funo da potncia por plo. Pela curva de Tittel, tendo-se C e sendo dados os valores de PN e Ns, possvel encontrar a relao entre DI e L. No prximo grfico (pgina seguinte) possvel observar a curva de Tittel que neste caso apresentada no formato di-log e por isso o seu comportamento passa a ser uma reta.


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PROJETO ELTRICO100

10

( KVA.min ) / m3

80 K 60 K KV A / POLE

1 10 100 1000 10000 KVA / POLE 100000

3.7. DO PONTO DE VISTA ELETROMAGNTICOP = k * B1 * A1 * DI2 * L * Ns PN = C * ( DI2 * L * Ns ) B1 = Amplitude fundamental da densidade de fluxo entreferro [T]. A1 = Amplitude fundamental da capacidade de carregamento de carga no enrolamento da armadura [A / m].

Velocidade Perifrica Mxima ( VD ). VD = ( * DI * ND) / 60. Limites mecnicos ( tecnologia de material ). Calculada na rotao de disparo. Limite usual = 220 m/s. ND = Rotao de Disparo.


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PROJETO ELTRICO

Momento de Inrcia ( J ) J = m * r2 * ( t * m2 ) J = k * DI4 * Lt Solicitao do cliente estabilidade do sistema. Solicitao da turbina regulao de velocidade. m = massa. r = raio de giro. Lt = Comprimento total do ncleo [m]. K = Constante de proporcionalidade, depende da mxima velocidade perifrica e da distribuio das massas rotativas. Para VD entre 100 e 180 m/s : 0,3 < k < 0,7. Comprimento relativo do ncleo. Passo polar: p = * DI / Z2p 1 L / p 5 L / p 1 Velocidade perifrica elevada. Solicitaes mecnicas elevadas. Perdas na ventilao elevadas. Facilidade de refrigerao. L / p 5 Distribuio de temperaturas. Dificuldade de refrigerao. 1 L / p 3 Potncias mdias e altas. Rotaes mdias e altas. 3 L / p 5 Potncias muito altas. Baixas rotaes. L/p>5 Geradores bulbo. Moto-ventiladores.GERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES PGINA 17 DE 115

PROJETO ELTRICO

3.8. VENTILAO

3.9. DIMENSES PRINCIPAISAbaixo apresentada a tabela que define os limites de exeqibilidade que so praticados nos atuais projetos e representam o estado da arte do design eletromagntico.P

B1 1,3 T Saturao do circuito magntico Fluxo concatenado com o enrolamento de campo Perdas devido ao fluxo disperso Partes macias

x

A1 100 kA / m

x

Di 20 mNs 200 m/s ( sobrevelocidade )

x

L 4m

Perdas e Aquecimento no : enrolamento do estator, enrolamento de campo e do estator, enrolamento de campo e regio final do ncleo do estator Perdas na superfcie do plo

Esforos mecnicos Resistncia do material do rotor

Resistncia torsional do estator Carcaa e cubo do rotor Estabilidade de vibrao

Elasticidade da coroa do rotor Expanso trmica Expanso trmica do ncleo do estator Foras magnticas Design dos ventiladores Tecnologia de refrigerao Perdas na ventilao Comprim.do circuito de refrigerao

Estabilidade dinmica : Reatncias = f ( A1 / B1 ) Vibraes ( origem magntica )

Mancal de escora Fabricao Transporte

Esforo mecnico no enrolamento de campo ( origem magntica )

3 xUxI

U = tenso estatrica : aprox. 25 kV - isolao I = corrente estatrica : aprox. 25 kA - perdas e esforos nas conexes

1080 MVA


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PROJETO ELTRICO

3.10. HIDROGERADORES FABRICADOS PELA VOITH HYDROMenor hidrogerador projetado e fabricado na Voith Hydro So Paulo, VHP: Ferro Ligas / Brasil : 1000 kVA, 480 V ( MICALASTIC ), 12 plos Maior hidrogerador projetado e fabricado na VSPA : Itaipu 50 Hz / Brasil - Paraguai : 823600 kVA, 18000 V ( MICALASTIC ), 66 plos Itaipu 60 Hz / Brasil - Paraguai : 737000 kVA, 18000 V ( MICALASTIC ), 78 plos Maior hidrogerador projetado e em fase de comissionamento pela VSPA : Sanxia / China : 840000 kVA, 20000 V ( MICALASTIC ), 80 plos Maior tenso de enrolamento projetado e fabricado na VSPA : Ludington / EUA : 325000 kVA, 20000 V ( MICALASTIC ), 64 plos

3.11.BASIC DESIGN 3.11.1. EXEMPLO DE UM DESIGN ELETOMAGNTICO Projeto: UHE VOITH HYDRO PN = 190 MVA (potncia nominal). Ns = 100 rpm (rotao nominal). ND = 278 rpm (rotao de disparo). J = 10000 tm2 (momento de inrcia). Elevao de temperatura: Enrolamento do estator: Enrolamento do rotor: 80 K 80 K

3.11.2. NMERO DE PLOS Rotao nominal = definido pela turbina. f=n*p f = freqncia [Hz]. n = rotao [rps]. Ns = 60 * n [rpm] (rotao sncrona). p = nmero de par de plos. 2p = nmero de plos =2 f 60 2 60 60 = = 72 plos Ns 100


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3.11.3. VOLUME DO GERADOR.Potncia 190 = = 2.64 MVA / plo 2p 72

Na curva de Titel: C 8.85 kVA.min / m3 Assim : 8.85 =

190000 2 = D I * L = 214.7 m 3 D I * L * 1002

3.11.4. COMPRIMENTO RELATIVO Elevada potncia e baixa rotao L / p = 4 Rim-ventilation. p = ( * DI) / 2p = ( * DI) / 72 L = (4 * * DI) / 72

3.11.5. DETERMINAO DO DIMETRO INTERNO. DI2 * L = 214.7 m3 DI2 * (4 * * DI / 72) = 214.7 m3 DI = 10,71m. Aps otimizao: DI = 10,40 m.

3.11.6. COMPRIMENTO DO FERRO. DI2 * L = 214.7 m3 L = 214.7 / (10,40)2 = 1,99m. Aps otimizao: L = 1,95 m. Verificao dos clculos executados at este momento: Fator de utilizao. C= 190000 kVA * min = 9,0 10,4 * 1,95 * 100 m32

Comprimento relativo.L

P

=

1950 = 4,30 10400 * 72

Velocidade perifrica. VD =

* 10,4 * 27860

= 151,40

m s


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3.11.7. ENROLAMENTO DO ESTATOREspecificao. Barras Enrolamento imbricado Ligao Y Definio do enrolamento. Corrente nominal : I N =PN * 3 190000 kVA = = 7949 A UN 3 * 13,8 kV

Corrente por ranhura : INN = ( IN / ZA ) * ZLN [kA / ranhura] ZA = Circuitos em paralelo. ZLN = Nmero de espiras por ranhura = 2 (barras). Para mquinas com barras refrigeradas a ar : 3 kA INN 6 kA. Com IN e INNMX : ZA ( IN * ZLN ) / INNMX = (7949 * 2) / 6000 = 2.650 ZA = Nmero de Circuitos em Paralelo ZA 3. ZA deve ser divisor de 2p (simetria de enrolamento). Exemplo : 2p = 2 2p = 4 srie : paralelo : srie : paralelo : Za = 1 Za = 2 Za = 1 Za = 4

srie + paralelo : Za = 2 Assim : 2p = 72 ZA = {1,2,3,4,6,8,9,12,18,24,36,72} Nmero de ranhuras Zn Condies de simetria. q = Zn / ( 3 * 2p ) = Nmero de ranhuras por plo e fase q = Q / N = frao irredutvel. Ento: N 3 . k ( k = 1,2,3,... ). N deve ser divisor de 2p. ( N * ZA ) deve ser divisor de 2p.


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3.11.8. AMPLITUDE DA FUNDAMENTAL DO DENSIDADE DE FLUXO B1 Zle = Nmero de condutores em srie = Zln . Zn / ZA B1 = 60 * 6 * U N * 106 [T ] e 1.1 B1 1.3 [T] * kc * kd * D I * L * N S * Zle

3.11.9. AMPLITUDE DA FUNDAMENTAL DA FORA MAGNETOMOTRIZ DE REAO DE ARMADURA - A1 A1 = I N * Z le [ A / mm] e 50 A1 100 (A/mm) * DI

3.11.10. PASSO DE RANHURA DO ESTATOR N1 N1 = * DI / ZN [mm] e 40 N1 100 (mm) Embora haja infinitas combinaes possveis entre Zln, Zn, ZA, atuando sobre os fatores A1, B1, na prtica existe nmero limitado de alternativas. Estas ento podem ser encontradas e ento escolhe-se a mais conveniente.

Veja abaixo as alternativas para o Projeto Alpha :

A tabela abaixo mostra o dado do enrolamento estator escolhido.Za 3 Zln 2 Zq 1 7/8 Zn 405 A1 66 B1 1.25 n1 81

Verificao.GERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES PGINA 22 DE 115

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INN = 7949 / 3 = 2650 A ZA = 3 divisor de 72 (2p) Zn Zq = 9/8 N = 8 N 3 . k ( k = 1,2,3,... ) N divisor de 72 (2p) N * ZA = 24 divisor de 72 (2p)

3.11.11. DIMENSIONAMENTO DAS BARRASDensidade de corrente. Perdas rendimentos , aquecimento. Adensamento de corrente. Condutor conduzindo corrente alternada, sob ao de campo magntico. Este efeito mais intenso na barras superior. Soluo: Subdiviso dos condutores em condutores parciais. Correntes de circulao Diferenas de potencial entre condutores parciais. Soluo: Transposio de condutores, ou seja, todos os condutores parciais ocupam todas as posies possveis na ranhura. Seo do enrolamento do estator com dimenso da ranhura para o Projeto Alpha.


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3.11.12. NCLEO MAGNTICO DO ESTATORFormar (junto com o rotor) um caminho de baixa relutncia magntica. Contm o enrolamento estator. Composto por dentes e coroa do estator. Conduz fluxo magntico varivel perdas. Composto por lminas finas e isoladas: reduo de perdas Foucault. Ao-silcio: reduo de perdas por histerese. Fatores que influenciam: Teor de carbono: Teor de silcio: menor permeabilidade. maior perdas por histerese. maior permeabilidade. menor perdas por histerese. maior resistncia eltrica(menor perdas Foucault). mais quebradio. Tenses internas: menor permeabilidade. maior perdas por histerese. recozimento. Dimensionamento do ncleo Indues limites ( em vazio ) Dente : 1.75 T. Coroa : 1.40 T. Relao: Largura da ranhura / entreferro 2 ... 4 Harmnicos. Perdas na sapata polar. Altura da coroa altura dos dentes Rudo. Estabilidade a vibraes. Subdiviso de ncleo em pacotes parciais. Refrigerao: enrolamentos, dente , estator coroa. Canais de ventilao. Distribuio de temperatura: axial e radial.


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Extremidades do ncleo. Perdas e aquecimento das regies finais e das placas de presso. Dedos de presso no-magnticos. Escalonamento. Rasgo nos dentes. Projeto AlphaDimetro interno Largura da ranhura Largura do dente (referido ao dim. int) Altura do dente Altura da coroa Dimetro externo Comprimento do ferro Dutos de ventilao Comprimento do ncleo Escalonamento da extremidade Tipo de ao 10400 mm 24.3 mm 56.4 mm 154.0 mm 141.5 mm 11000 mm 1950 mm (65 pacotes x 30 mm) 320 mm (64 dutos x 5 mm) 2270 mm (1950 mm + 320 mm) 3 x 10 mm axial / 5 mm radial Dentes no rasgados M270-50A (2.7 W/kg - 1.5T, 50 Hz) Espessura 0.5 mm

3.11.13. ENTREFERRO Transformao de energia Forma do entreferro forma de onda Maior entreferro: Menor Xd no-saturada Maior relao de curto-circuito Maior estabilidade em regime permanente Maior capacidade de absorver reativos (linha em vazio) Menor perda na superfcie da sapata polar Maior corrente de excitao maior perdas de excitao Maior custos Em geral : 0.02 / p 0.05 Projeto Alpha : = 17.5 mm / p = 17.5 / 453.8 = 0.0386


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3.11.14. ENROLAMENTO DE EXCITAO (CAMPO)Enrolamento magnetizado cuja finalidade produzir o fluxo magntico. Percorrido por corrente contnua (fluxo no varia no tempo). Fora magnetomotriz em carga. Fora magnetomotriz de magnetizao: Coroa da armadura do estator. Dentes da armadura do estator. Entreferro. Sapata polar do rotor. Corpo polar do rotor. Anel magntico do rotor. Fora magnetomotriz da (reao de) armadura Dimensionamento das barras: Nmero de espiras: Aumento no nmero de espiras aumento na tenso de campo diminui corrente de campo Tenso de campo elevado maior isolao entre espiras. Reduo na corrente de campo limite da excitatriz (tiristor) Densidade de corrente: Perdas rendimentos , aquecimento.


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Geometria das espiras Perfil de cobre com aletas de refrigerao triangulares para aumentar a rea de troca de calor.


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3.11.15. PLOS E ANEL MAGNTICO DO ROTORSapata polar: Define geometria do entreferro. Contm o enrolamento amortecedor. Suporta radialmente o enrolamento de campo. Maior altura aumenta disperso. Maior largura aumenta disperso. diminui induo mdia nos dentes. Laminada reduo das perdas na superfcie sapata Altura: esforos mecnicos (rotao de disparo) - 30 a 100mm Largura: disperso e induo nos dentes - 0.70 bp / p 0.82 Comprimento: disperso e perdas (comprimento do estator ncleo) Projeto Alpha : altura : hp = 40 mm largura : bp = 365 mm (bp / p = 0.811) comprimento : laminado = 2170 mm placas de presso = 2x50 mm comprimento final = 2270 mm

Corpo polar: Parte do circuito magntico. Est contido dentro do enrolamento de excitao. Suporta tangencialmente o enrolamento de excitao. Maior altura ou largura ou comprimento aumenta a disperso. Laminado reduo de perdas no corpo polar. Altura: enrolamento de excitao + quadro de presso + quadro isolante (sup. e inf.) Largura: induo mxima - em vazio 1.45 ... 1.50 T Comprimento: comprimento do ncleo do estator


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Projeto Alpha : altura : hps = 205 mm largura : bpsu = 275 mm comprimento : laminado = 2170 mm placa de presso = 2x50 mm comprimento final = 2270 mm induo mdia (em vazio) 1.47 T. Anel magntico: Parte do circuito magntico Suporta os plos com seus enrolamentos Critrio magntico: induo mxima (em vazio) 0.7 ... 0.8 T Seco mnima: Qmag = kfe . lps . Bpsu kfe: fator de empilhamento do corpo polar lps: comprimento do corpo polar bpsu: largura do corpo polar Projeto Alpha : kfe = 0.985 (LN-600) lps = 2270 mm bpsu = 275 mm Critrio mecnico: inrcia e esforos mecnicos Qmag = 0.615 m2

3.11.16. ENROLAMENTO AMORTECEDORFinalidades: Torque de partida em motores e compensadores sncronos. Facilitar a obteno do sincronismo (hunting). Amortecer oscilaes (curtos-circuitos, manobras, etc.). Fornecer torque de acelerao ou de frenagem durante uma falha simtrica ou e assimtrica (reduz a variao de velocidade durante a falha). Reduzir a taxa do recovery-voltage do disjuntor principal. Reduzir o stress da isolao enrolamento de excitao durante surtos no enrolamento de armadura.


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Classificao: Ligao : fechado - 2 anis fechados unindo todas as barras aberto - as barras de cada plo so unidas entre si, porm no h conexo direta entre plos Resistncia: alta resistncia ou baixa resistncia Dimensionamento: Corrente de seqncia inversa - I2/In: Conforme norma IEC : I2/In = 0.08, ou Especificado pelo cliente: Lajeado : I2/In = 0.08. Densidade de corrente do enrolamento amortecedor - S3: Perdas e aquecimento das barras Em geral S3 4.0 ... 5.0 A/mm2 Seco transversal das barras amortecedoras - QL3: Reflexo total da corrente de seqncia inversa: Q3 = I 2 * A1 * p I N * S3

Gerador: barras com seco circular e dimetro 3 :2 I 2 * A1 * p Z l 3 * * 3 = 4 I N * S3

Nmero de barras amortecedoras - Zl3: Em geral q < Zl3 < 2q , Zl3 k . Q , (k = 1,2,...) Aumento de Zl3 diminuem Xd e Xq Xd aproxima-se de Xq Passo de ranhura do enrolamento amortecedor - n3: Referindo-se ao dimetro interno do estator: n3 = n1 n3 n1 perdas no enrolamento Projeto Alpha: q = 1 7 / 8 1 7 / 8 < Zl3 < 3 3 / 4 Zl3 = 3 S3 = 2.5 A/mm2


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PROJETO ELTRICO2 I 2 * A1 * p Z l 3 * *3 = 4 I N * S3

3 * * 3 0.08 * 66 * 453.8 = 4 2.52

3 = 20.0 mm2

Assim: 3 = 20 mm , Ql3 = 314 mm2 , S3 = 2.54 A/mm2 Verificao: n3 = n1 = 81 mm Zl3.81 = 243 mm largura da sapata Seco do anel de curto-circuito - Qr Qr = 0.5 . Zl3 . Ql3 = 0.5 . 3 . 314 = 471 mm2

3.11.17. REATNCIAS DE MQUINA SNCRONAReatncia sncrona de eixo direto (pu): Xd = X1 + Xhd = 0.178 + 0.692 = 0.87 pu X1 = reatncia de disperso do estator Xhd = reatncia do campo principal de eixo direto Reatncia sncrona de eixo em quadratura (pu): Xq = X1 + Xhq = 0.178 + 0.494 = 0.67 pu Xhd = reatncia do campo principal de eixo em quadratura Reatncia sncrona de eixo direto, saturada (pu): Xdsat = 1 / (Iko/In) = 1 / 1.25 = 0.80 pu

Reatncia transitria de eixo direto (pu): X ' d = X 1 +

Xhd * X2 0.692 * 0.214 = 0.178 + = 0.34 p.u. Xhd + X 2 0.692 + 0.214

X2 = reatncia de disperso do campo


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PROJETO ELTRICO

Reatncia transitria de eixo em quadratura (pu) : Xq Xq Xq = 0.67 pu

Reatncia transitria de eixo direto, saturada (pu) : Xdsat = (0.8 ... 0.9 ) . Xd = 0.88 . 0.34 = 0.30 pu Reatncia subtransitria de eixo direto (pu): X ' ' d = X 1k +

1 1 1 1 + + Xhd X 2 X 3d

X3d = Reatncia de disperso do amortecedor eixo direto X ' ' d = 0.199 + 1 = 0.31 p.u. 1 1 1 + + 0.692 0.214 0.337

Reatncia subtransitria de eixo em quadratura (pu): X ' ' q = X 1k + Xhq * X3 0.494 * 0.185 = 0.199 + = 0.33 p.u. Xhq + X 3 0.494 + 0.185

X3q = Reatncia de disperso do amortecedor eixo em quadratura

Reatncia subtransitria de eixo direto, saturada (pu): Xdsat = (0.8 ... 0.9) . Xd = 0.88 . 0.31 = 0.27 pu Reatncia de seqncia inversa (pu): X2 = (Xd . Xq) 0.5 . (Xd + Xq) = 0.32 pu Reatncia de seqncia zero (pu) : X0 = 0.13 pu


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PROJETO ELTRICO

3.12.VALORES TPICOS DAS REATNCIAS E CONSTANTES DE TEMPO PARA MQUINAS SNCRONAS TRIFSICAS

3.13.CURVAS CARACTERSTICAS DO GERADOR 3.13.1. CURVA DE CAPABILIDADE


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PROJETO ELTRICO

3.13.2. CURVA DE SATURAO EM VAZIO E CURTO-CIRCUITO

3.13.3. CURVAS V (COM TENSO NOMINAL)


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COMPONENTES DO GERADOR

4.


4.1. CONJUNTO GERAL

4.2. COMPONENTES DAS PARTES ATIVAS DO GERADOR


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4.3. ENROLAMENTO DO ESTATORCircuito eltrico onde so induzidas as tenses e correntes (quando conectado a cargas) devido ao campo magntico varivel produzido pelo enrolamento de campo. Tipo, configurao e principais dimenses determinados pela potncia, tenso, nmero de plos (rotao), limites trmicos, exigncias de reatncias, rendimento e menores custos. Tipos de enrolamento: Bobinas : mltiplas espiras em cada bobina. Barras : cada barra somente uma espira podendo ser imbricada ou ondulada. Composto por condutores retangulares de cobre isoladas para garantir a tenso de operao e os testes especificados. Conectado em estrela, normalmente com trs terminais de fase e trs de neutro. Constitudo pelos dois materiais de maior custo (isolao e cobre) e consumidor intensivo de mo-de-obra, representa aproximadamente 23 % do custo total da mquina.

4.3.1. MONTAGEM DO ENROLAMENTO NO NCLEO


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4.3.2. DIMENSIONAMENTO DAS BARRAS:Densidade de corrente: Perdas rendimentos , aquecimento Adensamento de corrente: Condutor conduzindo corrente alternada, sob ao magntico. Este efeito mais intenso na barras superior. Soluo: Subdiviso dos condutores em condutores parciais. Correntes de circulao: Diferenas de potencial entre condutores parciais. Soluo: Transposio de condutores, ou seja, todos os condutores parciais ocupam todas as posies possveis na ranhura. de campo


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Sistema de isolao dos enrolamentos : MICALASTIC Classe F conforme principais normas internacionais. Composto: fitas de fibra de vidro e mica, impregnadas a vcuo com resina epoxy. Tenses nominais at 27 kV. Gradiente de tenso de 2.4 to 2.8 kV/mm (tenso de fase / espessura). Desde 1957 J fornecidas mais de 250.000 barras e bobinas. Horas de servio acumuladas : 42.500.000 ( status 09/97 ). Anos de servio acumulados : 4.850 ( status 09/97 ).

4.3.3. SISTEMA DE ISOLAO MICALASTIC :

4.4. NCLEO DO ESTATORPrincipal funo constituir um caminho de baixa resistncia (relutncia) para o fluxo magntico no estator. Dimenses dimensionadas pelos limites magnticos. Constitudo por chapas de ao silcio para reduo das perdas por histerese. Formado por chapas estampadas, de ao-silcio de baixa perda com 0,5 mm de espessura e envernizadas em ambos os lados para garantir reduzidas perdas no ferro: reduo das perdas por Foucault.GERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES PGINA 38 DE 115


Na circunferncia interna so estampadas as ranhuras (alojamento do enrolamento do estator). Ao longo do comprimento do ncleo so distribudos dutos radiais, para o fluxo de ar pelo estator. Dutos de ventilao so formados por espaadores de ao no magntico, perfil tipo I. Tem funo tambm estrutural de apoiar o enrolamento do estator, distribuindo uniformemente a temperatura, suportando e transmitindo para a carcaa os esforos decorrentes de falha e dilatao trmica. Representa aprox. 8 % do custo total do gerador.


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4.5. ENROLAMENTO DOS POLOS

Tambm denominado indutor, constitui o circuito eltrico onde injetado a corrente de excitao que produz o campo magntico da mquina. Principais dimenses determinadas pela potncia de excitao, limites trmicos, rendimento e menores custos. Potncia de excitao depende da potncia do gerador, exigncia de reatncias, entreferro e fator de potncia ( necessidade de reativos ). Massa de cobre influi tambm no dimensionamento do GD2. Formado por tiras de cobre soldadas, resultando numa bobina retangular com um nmero de espiras compatvel com o sistema de excitao ( esttico ou excitatriz rotativa ). Isolao entre espiras com Nomex e entre enrolamento e ncleo com peas de fibra de vidro reforadas com fibras de polister, classe F. Classe F conforme principais normas internacionais. O plo completo com ncleo e enrolamentos representa aproximadamente 22 % do custo total da mquina, alm de ser o maior consumidor de mo-de-obra, aprox. 23 % do total de horas.


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4.6. ENROLAMENTO AMORTECEDORBarras de cobre cilndricas distribudas sob a superfcie da sapata polar em ranhuras e soldadas nas extremidades em segmentos ou placas de cobre. Conexo entre plos por flexveis de cobre ou sem conexes com circulao de corrente diretamente pelo rotor. No h circulao de corrente durante operao normal do gerador. Circulao de corrente durante de falha de sincronizao, curto-circuito ou carga desbalanceada : Acelera a mquina se a rotao diminuir. Freia a mquina se a rotao aumentar. Funciona como enrolamento de partida em motores.


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4.7. NCLEO DO POLOFormado por chapas estampadas com 1 ou 2 mm prensadas por placas nas extremidades e tirantes, constitui o circuito magntico do rotor juntamente com a coroa do rotor ou eixo. Principais dimenses determinadas pela densidade de fluxo magntico, exigncia de reatncias, esforo centrfugo e tipo de ventilao adotado. Principais partes : Sapata polar: alm de dar forma ao entreferro, suporta o esforo centrfugo da massa de cobre do enrolamento de campo e aloja o enrolamento amortecedor. Corpo polar: aloja o enrolamento de campo.

4.8. ENTREFERROEspao entre estator e rotor onde ocorre efetivamente a converso eletromecnica de energia. Ponto de maior resistncia ( relutncia ) do circuito magntico, onde consumida a maior parte da energia que magnetiza a mquina. Dimensionado para atender as exigncias de reatncias e relao de curto-circuito. Juntamente com a forma da sapata polar, influencia diretamente na forma de onda da tenso. Normalmente a dimenso do entreferro no centro do plo representa aprox. 3 % do passo polar.


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4.9. COROA DO ROTORPrincpio Construtivo Chapas laminadas da alta resistncia mecnica. Empilhadas normalmente de forma sobreposta. Fixadas radialmente ao rotor por contrao trmica e tangencialmente por um conjunto de cunhas tangenciais e radiais. Carregamento Considerado Foras centrfugas devido a massa dos plos, coroa e ventiladores. Foras devido a trao magntica dos plos, coroa e ventiladores. Foras devido a excentricidade magntica entre rotor e estator.


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4.10.CUSTO DE MATRIA-PRIMA POR COMPONENTE DO GERADOR ( W1 )

4.11.HORAS DE FABRICAO POR COMPONENTE DO GERADOR ( W1 )


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PROJETO MECNICO

5.

PROJETO MECNICO

5.1. INTERFACES PARA O DIMENSIONAMENTO MECNICO

5.1.1. FORMAS CONSTRUTIVAS DE MQUINAS VERTICAIS (IEC 34-7)


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PROJETO MECNICO

5.2. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO MECNICO 5.2.1. BASES DO PROJETO MECNICODocumentos necessrios para se iniciar e desenvolver o projeto : Dados da Turbina para a Definio do Gerador. Especificao Tcnica do Projeto. Clculo Eltrico. Clculo Mecnico.

5.2.2. INTERFACE COM A TURBINA Potncia disponvel no eixo. Rotao nominal. Sobrevelocidade. Rotao de disparo. Momento de inrcia. Sentido de rotao (horrio ou anti-horrio). Arranjo (Horizontal ou Vertical). Linha de eixo (arranjo dos mancais).

5.2.3. FASES DO PROJETO MECNICOFASE INICIAL Fase na qual ocorre o estudo do projeto mecnico completo atravs do estudo completo do gerador e os clculos dos principais componentes : Otimizao do clculo mecnico da proposta tcnica. Estudo completo do gerador. Clculo detalhado da rotao crtica e rigidezes dos mancais. Clculo dos esforos na fundao. Elaborao do Conjunto Geral. Elaborao dos PTM (planos de testes e materiais)


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PROJETO MECNICO

FASE INTERMEDIRIA Fase na qual ocorre os estudos complementares juntamente com os clculos relativos aos componentes do rotor, estator, cruzetas e mancais, coberturas e as fundaes, por exemplo : Rotor : Estudo dos plos; coroa; cubo; acoplamentos; eixo; ventiladores e etc Estator : Estudo do ncleo; fixao do ncleo; carcaa e etc. Outros : Estudo dos mancais, cruzetas; coberturas; placas de fundao; frenagem e etc. FASE COMPLEMENTAR Fase na qual so processados os desenhos de fabricao e seus respectivos clculos seguindo uma diviso por grupos de construo conforme exemplificado abaixo : Grupo 0 : Informaes gerais Grupo 1000 : Rotor Grupo 2000 : Estator Grupo 3000 : Mancais e Cruzetas Grupo 4000 : Revestimentos e coberturas Grupo 5000 : Componentes de montagem Grupo 6000 : Instrumentao de superviso e controle Grupo 7000 : Dispositivos de mentagem e ferramentas especiais

5.3. NATUREZA DOS ESFOROS MECNICOS 5.3.1. ESFOROS ATUANTES :MECNICOS : Fora Peso (massas) Fora Centrfuga (velocidades nominal; regulagem; disparo) Empuxo hidrulico (turbina) ELTRICOS : Torque Nominal Falha de Sincronizao 50% dos plos em curto-circuito Momentos de curto-circuito Excentricidade Magntica Trao Magntica por poloGERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES PGINA 47 DE 115

PROJETO MECNICO

TRMICOS : Dilatao Trmica

5.3.2. INFLUNCIA DA TURBINA NO PROJETO DO GERADOR Torque : Eixo + referncia p/ esforos curtos Rotao de Disparo : Dimensionamento do rotor (cubo, coroa, plos,e etc) Empuxo Hidrulico : Dimensionamento do mancal e cruzeta de escora Inrcia : Dimensionamento da coroa do rotor massa do rotor Dimensionamento do mancal de escora Linha de eixo : Influncia na rotao crtica Eixo e estrutura dos mancais (rigidezes Acoplamentos : Dimensionamento do eixo e cubo do rotor Momentos Remanentes de Frenagem : Dimensionamento dos freios

5.4. TENSES ADMISSVEISPartes Rotativas: Rotao de Disparo sadm = 2/3 x e sadm = 1/3 x e = 1/4 x r Falha sadm = 2/3 x e

Partes Estticas: Operao Normal

Todas as tenses admissveis so determinadas segundo especificao tcnica.

5.5. DADOS DE ENTRADA PARA PROJETO MECNICO DO GERADOR1 2 3 4 5 ITEM Potncia Aparente cos Tenso Freqncia Corrente de excitao nominal UNIDADE MVA -V Hz A RAZO / PROPSITO Determina o torque nominal da mquina Determinante para a escolha do tipo e configurao do enrolamento, nmero de ranhuras, distncias dieltricas e principalmente composio da isolao estabelece a relao entre o nmero de plos e a rotao efetiva da mquina. Determina o dimensionamento do anel coletor /escovas e poloPGINA 48 DE 115


PROJETO MECNICO

6

Rotao nominal Rotao de disparo Forma construtiva do conjunto gerador/turbina Dados nominais do estator : dimetros, comprimentos e massas Dados nominais do rotor (plo) : dimetros, comprimentos e massas Tenso de escoamento das placas de presso do plo Tenso de escoamento das placas de presso do plo Tenso de escoamento da chapa da coroa

rpm

7

rpm

8

--

Em combinao com a freqncia determina o nmero de plos e determina o torque nominal da mquina Determina a condio crtica para o dimensionamento das partes girantes (eixo, cubo do rotor, coroa e plos) do rotor. Influncia nas consideraes que so feitas no clculo da rotao crtica, na anlise da estabilidade do conjunto gerador/turbina, influncia no tipo de ventilao e nas perdas mecnicas a serem consideradas no rendimento Determinante no dimensionamento da carcaa e ncleo do estator, cruzeta superior, coberturas e palcas de fundao do estator e esforos na fundao

9

mm / kg

10

mm / kg

Determina o dimensionamento dos polos (massas e inrcia )+ tipo e quantidade de fixao dos plos.

11

N/mm2

Determina o material a ser utilizado para as placas de presso.

12

N/mm2

Determina o material a ser utilizado para as chapas do polo.

13

N/mm2

Determina material a ser utilizado para as chapas da coroa. Com este valor possvel tambm variar a inrcia do gerador. Praticamente orienta a determinao do dimetro interno da mquina, influncia no dimensionamento da coroa, mancal combinado, cruzeta de escora e carcaa qdo aplicvel. Determina o tipo de ventilao ter o gerador, ou seja ,c/ ventiladores : axial e radial, s/ ventiladores : rimventilation, ventilao forada : c/ moto-ventiladores Interfere no clculo de aquecimento dos enrolamentos, visto que as normas limitam valores absolutos de temperatura. O valor mais usual 40 C. Influencia principalmente no dimensionamento do trocador de calor. O valor mais usual 25 C. Interfere no dimensionamento dos trocadores dePGINA 49 DE 115

14

Momento de inrcia

tm2

15

Tipo de ventilao

--

15

Temperatura do ar frio Temperatura de gua fria Perda de presso

C

16 17

C N/m2


PROJETO MECNICO

atravs dos trocadores de calor ar/gua Presso especfica nos segmentos do mancal de escora Forma construtiva da cruzeta de escora Dimetro para passagem da turbina Limitaes de transporte/ N. de partes do estator Temperatura dos mancais do gerador Poo onde ser instalado o gerador Presso do ar de frenagem Altura da instalao Rotao de aplicao do freios Tipo de turbina Momento de inrcia da turbina Nvel de rudo

calor ar/gua.

18

N/mm2

--

19

20

mm

21

--

22

C

23 24 25

-bar m.a.s.l.

Dimensionar geometricamente os segmentos de escora (largura e comprimento radia) de modo que se obtenha uma presso mxima de 4 N/mm2, para mquinas com um sentido de rotao 3,6 N/mm2 para mquinas com dois sentidos Definir se o mancal de escora estar apoiado sobre a cruzeta de escora ou se estar localizado dentro da mesma. Determina o dimetro interno mnimo do gerador, independentemente do valor solicitado de momento de inrcia e determina o comprimento do braos da cruzeta inferior do gerador, caso haja. Influencia o dimensionamento do enrolamento do estator, ex. nmero de ranhuras divisvel pelo nmero de segmentos. Otimizao da largura da chapa para estampagem dos segmentos. Estabelecer o valor mximo da temperatura nos segmentos dos mancais em condies nominais de operao. Usualmente utilizado o valor de 65C para o mancal de guia e 75C para o mancal de escora. O gerador vertical poder ser instalado dentro de um poo de concreto ou dentro de um invlucro metlico que ser dimensionado. Influencia diretamente no dimensionamento dos cilindros de frio do gerador e no clculo da frenagem. Determinante para a manuteno dos valores de sobreelevao de temperatura normalizados e para a determinao do sistema de ventilao. Interfere no tempo total de parada do gerador durante a frenagem Orienta principalmente sobre os tipos de esforos advindos da turbina a serem considerados no dimensionamento do mancal de escora, caso haja. Interfere diretamente no clculo da rotao crtica do conjunto gerador/turbina e no calculo da frenagem. Influncia na escolha do enrolamento / ncleo do estator(rudo magntico) e da proteo acstica(rudo aerodinmico).

26

rpm

27

--

28

tm2

29

dB(A)


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PROJETO MECNICO

30

31

Sentido de rotao visto por AS / sequncia de fases Dimetro do flange de acoplamento gerador/turbina Dimetro externo do eixo

horrio anti-horrio +/-

Influencia no tipo de ventilao e a distribuio das fases no enrolamento estatrico. Compatibilizar os dimetros do flange do gerador e da turbina de modo que sejam dimensionalmente to semelhantes quanto possvel Compatibilizar os dimetros do eixo do gerador logo acima do flange de acoplamento o do seu referente da parte da turbina de modo que sejam dimensionalmente to semelhantes quanto possvel. Equalizar os dimetros do furo no eixo da turbina e do gerador e verificar a viabilidade de passar atravs do eixo a tubulao para um possvel cabeote (caso de turbina Kaplan) ou da tubulao para vlvula de desaerao da turbina. utilizado como ponto de referncia e de partida para localizar os demais nveis do gerador, tais como nvel das placas de base do estator, da cobertura superior os quais influenciaro diretamente no dimensionamento da obra civil. Localizar e indicar onde estar guiado e/ou apoiado do eixo da turbina quando da execuo do clculo da rotao crtica Localizar e indicar onde estar localizada a massa do rotor da turbina que atuar como carga radial no eixo do conjunto gerador/turbina Dado de entrada para o clculo da rotao crtica do conjunto gerador/turbina

mm

32

mm

33

Dimetro interno do eixo (furo)

mm

34

Nvel do acoplamento gerador/turbina Nvel do mancal da turbina (quando existir) Nvel do centro das partes rotativas Rigidez ou elasticidade do mancal Empuxo hidrulico axial nas ps ( Francis ou Kaplan): Empuxo hidrulico radial nas ps ( Pelton): Peso das partes rotativas (eixo + rotor ) Momento remanente de trao e de frenagem causado pelo vazamento de gua nas ps

m

35

m

36

m KN/mm ou m/KN

37

38

KN

Influencia no dimensionamento do mancal de escora

39

KN

Influencia no clculo da rotao crtica

40

KN

Influencia no dimensionamento do mancal de escora

41

Nmm

Influencia diretamente no dimensionamento dos cilindros de freio do gerador e no tempo de parada do conjunto gerador/turbina


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PROJETO MECNICO

42

Tipo de leo a ser considerado (normalmente usado o mesmo tipo de leo para turbina e gerador) Torques de Falha

--

Est relacionado diretamente com o valor das perdas nos mancais que por sua vez influencia no rendimento do gerador.

43

pu

Influencia no dimensionamento dos componentes nas condies de falha


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PROJETO MECNICO

5.6. CRITRIOS DE DIMENSIONAMENTO MECNICO POR COMPONENTES 5.6.1. PLOCARREGAMENTOS : Fora centrfuga das massas do plo e enrolamento polar. Foras magnticas ROTAES CONSIDERADAS NO CLCULO : Rotao nominal Rotao de regulagem da turbina Rotao de disparo


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PROJETO MECNICO

5.6.2. COROA DO ROTORFINALIDADE Grande influncia na inrcia do conjunto rotativo. Fixao dos plos. Grande importncia na ventilao do tipo RIM. Fecha o circuito magntico do rotor. PRINCPIO CONSTRUTIVO Chapas de ao ligado, laminadas com alta resistncia mecnica (e 600 N/mm2). Empilhamento das chapas da coroa em forma de espiral. Fixada radialmente ao cubo do rotor por contrao trmica e tangencialmente por um conjunto de cunhas tangencias (resistem e transmitem o torque do eixo) e radiais (transmitem os esforos de contrao ao cubo do rotor e funcionam como guias que garantem a concentricidade da coroa em rotaes acima da velocidade de contrao). Os mtodos de fixao acima garantem a sua estabilidade radial. TIPOS DE COROA : FLUTUANTES E NO-FLUTUANTES Coroa Flutuante : na rotao nominal no exerce mais os esforos de contrao no cubo do rotor oriundos do processo de montagem, ou seja, a coroa no tem mais contato radial com o cubo do rotor nessa velocidade. Coroa No-Flutuante : ao contrrio da coroa flutuante, ainda na rotao nominal existe um residual de compresso no cubo do rotor. Vantagens A coroa flutuante ao contrrio da coroa no-flutuante permite o dimensionamento de uma estrutura mais leve do cubo do rotor, proporcionando tambm uma menor influncia nos furos de acoplamento do gerador com a turbina, no tendo que ser retrabalhados na montagem aps o processo de contrao. Desvantagens : O dimensionamento mecnico da coroa flutuante se torna mais complicado , sendo necessrio um conhecimento mais profundo do comportamento das estruturas do cubo do rotor e coroa do ponto em relao s freqncias naturais e deformaes.


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PROJETO MECNICO

CARREGAMENTO Foras centrfugas devido a massa dos plos, coroa e ventiladores/anel de freio quando aplicvel. Foras devido a trao magntica dos plos. Foras devido a excentricidade magntica entre o rotor e estator.


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PROJETO MECNICO

5.6.3. CUBO DO ROTORFINALIDADE : Suporte para a coroa, plos, ventiladores e anel de freio. Transmite o torque do eixo para a coroa e plos. Absorve os esforos de contrao da coroa


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PROJETO MECNICO

CARREGAMENTOS : Peso prprio do cubo + coroa + plos + ventiladores/anel de freio (qdo aplicvel). Foras centrfugas das massas envolvidas. Contrao da coroa. Foras de atrito Torque nominal Trao magntica por plo CONDIES DE CARREGAMENTO : Mquina. em repouso. Mquina na rotao nominal Mquina na rotao de sobrevelocidade Mquina na rotao de disparo


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PROJETO MECNICO

5.7. VENTILAO


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PROJETO MECNICO

5.8. CARCAA

Pescoo da carcaa

Vista geral de uma carcaa DESCRIO DO COMPONENTE A carcaa formada por anis horizontais e reforos verticais com pontos de fixao dos tirantes. A carcaa a responsvel pela transmisso dos esforos fundao do gerador. Seu dimensionamento deve levar em conta aspectos estticos e dinmicos oriundos da parte ativa do gerador, ou seja, ncleo, enrolamentos e plos.

FINALIDADE Comportar o ncleo do estator, o enrolamento do estator, cruzeta superior, mancal superior, cobertura, cargas mveis e componentes adicionais, como trocadores de calor ar-gua; Suportar todas as cargas axiais do conjunto rotrico proveniente do mancal de escora (somente para as formas construtivas W21 e W41); Suportar uma parcela das foras radiais provenientes do conjunto rotrico (excentricidade magntica, desbalanceamento residual, expanso trmica e curtocircuito em 50% dos plos); Suportar as cargas tangenciais (torque nominal, excentricidade magntica,

desbalanceamento residual, falha de sincronizao).

MATERIAL CONSTRUTIVO Chapas de ao carbono soldadas (normalmente usado: ASTM A36, e=250 N/mm );


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PROJETO MECNICO

5.9. NCLEO DO ESTATOR E FIXAO CARCAA PONTO DE VISTA MECNICO

Mecanicamente, o ncleo do estator formado por chapas de ao silcio isoladas, de espessura 0,5 mm, empilhadas de forma sobreposta, de maneira a aumentar sua rigidez aos esforos magnticos e trmicos do gerador.

O pacote do ncleo do estator possui canais de ventilao, formados por distanciadores de ao no magntico, de perfil duplo T, soldados nas chamadas chapas-canal.

A prensagem do ncleo conseguida atravs de tirantes de prensagem localizados em seu dimetro externo, chamados, pelo seu perfil, de barras duplo rabo-de-andorinha.

Carcaa Fixao do ncleo do estator Garras rabo-de-andorinha Barra rabo-de-andorinha Ncleo do estator atravs de tirantes rabo de andorinha

Os tirantes duplo rabo-de-andorinha so responsveis por transmitir os esforos do ncleo carcaa do estator. Seu sistema de fixao permite guiar o ncleo quando aquecido, permitindo dilatar radialmente evitando com isso o risco da ocorrncia do chamado efeito Buckling no ncleo.

De maneira a prevenir o afrouxamento da presso entre chapas ao longo do tempo por assentamento, pacotes de molas-prato so montados nas extremidades do pacote. Dependendo das dimenses da carcaa e ncleo, estes podem ser montados na fbrica ou at na obra.


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PROJETO MECNICO

5.10. CRUZETAAs cruzetas so estruturas compostas de uma parte central, onde se encontram os mancais e os tanques de leo (entre outros), e vrios braos radiais que so montados na parte central, cujo nmero varia de acordo com as caractersticas de cada mquina e cuja montagem pode ser feita na fbrica ou na obra, dependendo das dimenses dos componentes. Quanto ao emprego, as cruzetas podem ser de guia ou combinada (guia e escora) e quanto localizao podem ser superior ou inferior. Sua principal funo transmitir os esforos axiais e radiais provenientes dos respectivos mancais s fundaes, sendo que, no caso de cruzeta inferior, estes esforos so transmitidos diretamente s placas de fundao e, no caso da cruzeta superior, so transmitidos carcaa que, por sua vez, o transmitem placa de fundao. A definio do tipo de apoio depende do grau de rigidez necessria ao conjunto cruzeta + mancal, em virtude da rotao crtica do conjunto gerador + turbina. Quando a cruzeta est localizada no lado acoplado esta tambm normalmente aloja os freios/macacos e deve ser dimensionada para suportar a massa do rotor do gerador + turbina + empuxo hidrulico da turbina.

Exemplo de cruzeta superior (guia)

Exemplo de cruzeta inferior (combinada)


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PROJETO MECNICO

5.11. MANCAISOs mancais so as partes que suportam diretamente as cargas provenientes das partes rotativas do grupo gerador, tanto axial quanto radialmente. Devido ao atrito que estas peas sofrem e tambm por causa das altas temperaturas (tambm devido ao atrito) os mancais trabalham imersos em um tanque de leo, o qual compe a parte central das cruzetas. Este leo circula pelo mancal e bombeado at os trocadores de calor, localizados na parte externa do poo e, ao resfriar, bombeado novamente ao tanque.

5.11.1. MANCAL DE GUIAAs funes do mancal de guia so: _manter concntrico o giro da mquina; _transmitir os esforos estticos e dinmicos aos apoios da cruzeta e da para as fundaes; _garantir a rigidez necessria ao conjunto rotativo, no que se refere rotao crtica (vibraes).

Exemplo de mancal de guia em contato com o eixo do gerador

Exemplo de segmento de guia


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PROJETO MECNICO

Como tenses admissveis utilizadas no dimensionamento do mancal de guia, para as condies de trabalho, so: - servio normal: 4 N/mm ; - pior caso de sobrecarga: 27 N/mm .

Temperaturas de trabalho: - Segmento: Normal: 55C Mxima: 70C

- Tanque: Normal: 45C Mxima: 55C

5.11.2. MANCAL COMBINADOO mancal combinado recebe este nome porque contm um mancal de guia e escora trabalhando em conjunto. Quanto ao mancal de escora, este tambm composto pelo bloco de escora e de segmentos revestidos com metal branco (patente), apoiados em molas tipo prato, de material de altssima resistncia, estrategicamente localizadas no ponto de concentrao de carga em funo do sentido de rotao da mquina. As molas prato tem a funo de corrigir eventual oscilao e desnivelamento de ajuste dos segmentos, proporcionando assim uma equiparao de cargas nos mesmos. Durante a partida e parada da unidade, os mancais de escora possuem um sistema de injeo forada de leo, atravs dos segmentos de escora, que proporcionam um leve filme de leo na partida e apiam o conjunto na parada, evitando que se rompa o filme de leo, provocando atrito entre a superfcie do bloco de escora e dos segmentos, ou seja, atrito metal com metal. O metal branco mais utilizado o tipo LgSn80, podendo tambm ser utilizado o material PbSb14Sn9CuAs, ambos conforme DIN 4381.


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PROJETO MECNICO

Temperaturas de trabalho: _Segmento de guia : Idem ao mancal de guia _Segmento de escora: -Normal: 75C -Mxima: 90C _Tanque (leo): -Normal:55C -Mxima:65C

Exemplo de mancal combinado em contato com o eixo do gerador Orifcio de injeo de leo alta presso

Exemplo de segmento de escora superior e inferior


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PROJETO MECNICO

5.12. FREIO / MACACO HIDRULICOOs freios/macacos so componentes que podem funcionar na frenagem e no levantamento do conjunto rotativo. Na frenagem os mesmo so ativados atravs de presso pneumtica e no levantamento do conjunto rotativo, seja durante a montagem ou na manuteno, so ativados atravs de presso hidrulica. Da sua denominao freio/macaco. Esses componentes se localizam abaixo do rotor do gerador, apoiados nas fundaes ou nos braos da cruzeta inferior. Atravs de uma monitorao com chaves fim-de-curso se consegue controlar a funo de freio como tambm a funo de macaco. Como elemento freante se utiliza, acima dos cilindros, uma sapata de freio com lona de freio isenta de metais.

Freio

Cruzeta inferior

Localizao dos freios

Lona de HIDROGERADORES GERAO DE ENERGIA freio

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PROJETO MECNICO

Freio instalado sobre cruzeta

Vista do freio em perspectiva


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PROJETO MECNICO

5.13.COBERTURA SUPERIORLocalizada acima da cruzeta superior, este componente tem como objetivo proteger o gerador contra a entrada de corpos estranhos que podem eventualmente danific-lo. Tambm funciona como uma segurana para os operadores, evitando que os mesmos entrem em contato com peas sob tenso eltrica ou mesmo com componentes rotativos.

Alm disso, a cobertura superior tambm funciona como: Guia de ar: Uma vez posicionada no topo da cruzeta superior, ela fecha o ar, impedindo-o de ir para o meio externo, enclausurando-o no poo; Isolao acstica: Impede que o rudo proveniente do gerador atinja nveis altos na casa de fora, no deixando que o mesmo exceda o limite de 80 dBA. Plataforma: Permite que cargas mveis como operadores e equipamentos transitem com segurana sobre ela, sendo que mesma suporta cargas de at 500 kg/m

Vista inferior da cobertura superior

5.14. DESENVOLVIMENTO EM ELEMENTOS FINITOSGERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES Modelos EF Paramtricos PGINA 67 DE 115

Cruzeta escora / guia. Carcaa / Ncleo do estator.

PROJETO MECNICO

ANSYS Anlise estrutural de componentes. Otimizao do projeto. Modelamento paramtrico.


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SISTEMAS DE ISOLAO

6.

PRINCPIOS DE ISOLAO

6.1. CONCEITOS DE ISOLAOMaterial isolante todo material no metlico com caractersticas dieltricas, capaz de suportar gradientes de tenso ( diferenas de potencial ) sem ser atravessado por correntes eltricas significativas. Todos os materiais conduzem eletricidade em algum nvel. Assim, materiais isolantes so materiais condutores de elevadssima resistividade, to alta que a passagem de corrente por eles pode ser na maioria dos casos desprezada quando se trata de equipamentos eltricos de potncia, caso das mquinas eltricas girantes. Para exemplificar, a tabela abaixo apresenta uma classificao dos materiais quanto ao nvel de suas capacidades isolantes:

ClasseCondutores Maus condutores Bons isolantes

Resistividade volumtrica [ . cm ] 10-6 a 100 100 a 106 106 a 1020

Define-se Sistema de Isolao como sendo a aplicao de diferentes materiais isolantes de uma forma coordenada mediante tcnicas e procedimentos capazes de permitir a construo sistemtica ( e racional ) de elementos de enrolamentos para mquinas eltricas. Define-se Classe de isolao como sendo o conjunto de materiais isolantes com naturezas e caractersticas semelhantes, agrupados segundo as temperaturas mximas de operao. As principais classes de isolao para mquinas eltricas e suas temperaturas mximas admissveis sero vistas no item 6 do presente trabalho.

6.2. CARACTERSTICAS DOS MATERIAIS ISOLANTES 6.2.1. CONSTANTE DIELTRICA RELATIVA (R )A constante dieltrica relativa

r de um material isolante a relao entre a capacitncia de

um capacitor plano ideal contendo tal material e a capacitncia de um capacitor plano ideal de mesmo arranjo que utilize o ar como dieltrico. Logo, a natureza do material isolante que caracteriza sua constante dieltrica, que tambm pode ser denominada por capacidade indutiva especfica. A constante dieltrica relativa

r

dos materiais isolantes comercialmente disponveis

varia de 2 a 10, tomando-se o ar como unidade.GERAO DE ENERGIA HIDROGERADORES PGINA 69 DE 115

SISTEMAS DE ISOLAO

6.2.2. CAPACITNCIAConsiderando um material isolante ideal disposto entre eletrodos metlicos, ao submetermos este material a um ensaio de tenso aplicada em corrente contnua ( conforme esquema ao lado ),IDC UDC

circular uma corrente eltrica at que seja atingido um equilbrio entre as cargas eltricas nos eletrodos.

Seja Q a carga eltrica total transferida e U a tenso da fonte, denomina-se por capacitncia como sendo a relao entre esta carga eltrica e a tenso, ou seja,

C = Q . U-1Em um capacitor de eletrodos planos de rea S distanciados com material isolante ideal de constante dieltrica relativa r de espessura a, o valor da capacitncia intrnseca vale:

C = r . o . S . a-1

6.2.3. RESISTNCIA DE ISOLAOConsiderando um material isolante real disposto entre eletrodos metlicos, ao submetermos este material a um ensaio de tenso aplicada em corrente contnua (conforme esquema do item 5.2.2. acima), circular uma corrente eltrica at que seja atingido um equilbrio entre as cargas eltricas nos eletrodos e aps atingido este equilbrio, continuar a circular uma diminuta corrente constante no circuito. Tal corrente devido condutibilidade intrnseca do material isolante (interno ao material) bem como pode ser decorrente de uma fuga de corrente pela superfcie do material.

6.2.4. FATOR DE DISSIPAO ( TANG )Ao submetermos um material isolante real (onde se faa notar a passagem de corrente) disposto entre eletrodos metlicos a um ensaio de tenso aplicada em corrente alternada (conforme esquemaUAC IAC

ao lado), circular uma corrente eltrica decorrente de dois efeitos: componente devido ao efeito capacitivo ( I = U C ) componente devido ao efeito resistivo ( I = U . R-1 )


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SISTEMAS DE ISOLAO

Ao analisar-se o diagrama de energias equivalenteQ P S

( figura ao

lado ) podemos escrever que a potncia relacionada com a perda ativa P o produto da potncia aparente S pelo co-seno do ngulo ( angulo entre tenso e corrente ), isto , P = S cos . Considerando que o ngulo complementar ao ngulo , esta mesma expresso pode ser reescrita como P = S sen .

O mesmo se aplica para a se definir a potncia relacionada com a perda reativa Q, que o produto da potncia aparente S pelo seno do ngulo , isto , Q = S cos . Para definirmos as propriedades dos materiais e sistemas isolantes relativas a perdas de energia reativas e ativas, que se traduz diretamente suas propriedades isolantes, utiliza-se a o cociente entre a potncia ativa ( P ) e potncia reativa ( Q ) da seguinte forma:

P / Q = S sen / S cos = tang Esta grandeza tambm denominada por fator de perdas e seu comportamento em relao a tenso e temperatura um importante indicador sobre a qualidade da isolao de um material ou sistema de sistema.

6.2.5. TENSO SUPORTVELA capacidade de um material ou sistema de isolao de suportar uma solicitao dieltrica o parmetro bsico de anlise deste material ou sistema. A resistncia dieltrica de uma isolao discutida de dois pontos de vista: os valores de falhas e os suportveis. No primeiro caso, define-se a tenso eltrica que leva a uma falha ( ruptura ) no material ou sistema de isolao expressa como a mdia das tenses que levaram um determinado numero de exemplares de um dado conjunto de corpos de provas falha. No segundo caso, se expressa a tenso eltrica que um dado material isolante ou sistema de isolao pode suportar sem que sejam esperadas falhas. No primeiro caso, tem-se um parmetro obtido a partir de uma srie de dados experimentais, enquanto que o segundo caso apresenta uma interpretao mais conservadora da capacidade se um material ou sistema de isolao suportaria satisfatoriamente em dadas condies.


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SISTEMAS DE ISOLAO

Para se ter um parmetro que permita uma comparao entre diferentes materiais isolantes e sistemas isolantes, comum definir a solicitao dieltrica em termos de tenso por unidade de espessura unitria, ou seja, em unidades como kV/mm ( mais comum ) ou em termos de V/mil, ou seja, volts por milsimo de polegadas ( utilizado normalmente nos EUA ). Quando um material isolante ou sistema isolante submetido a uma tenso suficientemente alta para provocar sua ruptura, tal tenso chamada de tenso de ruptura ou rigidez dieltrica e depende de fatores como a taxa de incremento da tenso ( d V / dt ) durante o ensaio, do tempo durante o qual a tenso aplicada, da freqncia da tenso, da espessura da amostra do isolante, da temperatura e da configurao fsica dos eletrodos do equipamento de teste. A durao da aplicao da tenso de importncia primordial, pois a maioria dos materiais isolantes ou sistemas isolantes so fortemente afetados em suas caractersticas pela durao de solicitao dieltrica. Basicamente h dois tipos de testes dieltricos:U A B D C

Testes denominados de incremento rpido de tenso e curta durao, onde a tenso aumentada a uma taxa constante ou em patamares at que ocorra a ruptura do material ( identificados pelas letras A e B no diagrama ao lado ). Em mdia, este tipo de teste tem durao da ordem de segundos a minutos. Testes denominados de tenso constante, onde a tenso aumentada a uma taxa constante at que se atinja o valor desejado e este valor de tenso ser ento mantida at que ocorra a ruptura do material ( identificados pelas letras C e D no diagrama acima ) Em mdia, este tipo de teste tem durao da ordem de dezenas a milhares de horas.

T

6.2.6. CONDUTIBILIDADE TRMICA ( )Uma das caractersticas menos apreciadas dos materiais e sistemas isolantes que estes apresentam tambm uma baixa condutibilidade trmica, o que em termos prticos extremamente prejudicial ao sistema de isolao, pois compromete a troca de calor entre os enrolamentos, o meio refrigerante e o ncleo magntico, que adquire tambm a funo de irradiar o calor gerado pelas perdas RI2 dos enrolamentos. A Condutibilidade trmica ( ) dos materiais isolantes comercialmente disponveis varia de 0.1 a 0.8 W m-1 K-1.


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SISTEMAS DE ISOLAO

6.3. FUNO E REQUISITOS DO SISTEMA DE ISOLAOA aplicao de diferentes materiais isolantes de uma forma coordenada mediante tcnicas e procedimentos capazes de permitir a construo sistemtica ( e racional ) de elementos de enrolamentos para mquinas eltricas denominado por sistema de isolao, cuja funo de isolar os componentes sob tenso ( enrolamentos ) das partes metlicas aterradas da mquina eltrica ( ncleo do estator, ncleo do rotor/plos, carcaa, etc ) durante a expectativa de vida til desejada. Requisitos de um bom sistema de isolao: Apresentar elevada rigidez dieltrica, mesmo em elevadas temperaturas; Garantir bom contato fsico entre o enrolamento e o ncleo magntico; Garantir boa conduo de calor, gerado pelas perdas RI2 dos enrolamentos, para o meio refrigerante ( geralmente ar ) e para o ncleo magntico; Evitar, o mximo possvel, a ocorrncia de descargas eltricas no interior da isolao e suas interfaces; Suportar dilatraes e contraes de decorrentes das variaes de temperatura dos enrolamentos; Ser resistente a penetrao de umidade do meio refrigerante, o que prejudica sua resistncia de isolao; Apresentar boa resistncia qumica na presena de leos, graxas e agentes agressivos que possam estar presentes no interior da mquina; Ser auto-extinguvel em casos de incncio; Apresentar elevada rigidez mecnica para suportar os esforos nos enrolamentos durante operao normal ( vibraes ) e durante curto-circuitos ( deformaes ); Ser adequada as condies do ambiente onde a mquina ser instalada, por exemplo, ambientes explosivos.

6.4. TIPOS DE SISTEMA DE ISOLAOEm princpio cada fabricante de mquinas eltricas girantes desenvolveu sua prpria tecnologia em sistema de isolao em uma ou mais variaes conforme o nvel de tenso a ser praticado.


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SISTEMAS DE ISOLAO

6.4.1. COMPONENTES DA ISOLAOSob o ponto de vista dos materiais aplicados, as mquinas girantes tem os seguintes componentes: Isolao do condutor; Fita e folhas flexveis, em um material apenas ou mais materiais ( compostos ); Laminados e compostos rgidos; Cabos e anilhas; Protees semi-condutivas contra corona e controle de gradiente de tenso; Cadaros, fitas ou camisetas para amarraes; Resinas e vernizes de impregnao; A tecnologia em isolao, ao desenvolver um sistema de isolao, busca uma correta coordenao na aplicao dos materiais para se obter um resultado tecnicamente adequado e otimizado em termos de custos em funo de cad tipo de enrolamento.

6.4.1.1. ISOLAO DO CONDUTOROs condutores so os mais bsicos elementos de um enrolamento e em princpio, para aplicao em mquinas eltricas girantes, so sempre isolados. Segue exemplo de bobinas e barras com isolao do condutor conforme tecnologia da Voith Hydro. Bobinas Bobinas so fabricadas utilizando-se todos os condutores isolados; Isolao do condutor baseada na tecnologia de fita de mica fina em dupla camada; A isolao de cada condutor boa o suficiente para ser tambm a isolao da prpria espira; Nenhuma isolao de espira adicional aplicada. Barras Barras verdes ( ou seja, o feixe de condutores prensados e curados prontos para receber a isolao principal ) so fabricadas com condutores isolados; Isolao do condutor baseada na tecnologia de filamentos de fibra de vidro em dupla camada, impregnado; No existe a isolao de espira


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SISTEMAS DE ISOLAO

Bobinas

Barras

Vista de feixe de condutores de Fabricao da bobina uma barra verde

6.4.1.2. ISOLAO PRINCIPALSob o ponto de vista prtico de um sistema de isolao, a isolao principal a alma de uma mquina girante de alta-tenso. Conforme a tecnologia da Voith Hydro para enrolamentos estatricos de alta-tenso, a

isolao principal composta por mltiplas camadas sobrepostas de fita de mica fina, bandageadas mecanicamente sobre o feixe de condutores que constituem a barra verde. A qualidade da mecanizao do processo foi de vital importncia para se ter uma homognea aplicao da fita e com isso elevou-se em cerca de 15% a tenso de perfurao da isolao.


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SISTEMAS DE ISOLAO

A isolao principal tem a importante funo de separar o feixe de condutores de superfcies metlicas que se encontram aterradas, como por exemplo, a superfcie interna da ranhura. Tambm tem a importante funo de prover um adequado suporte mecnico para o feixe de condutores, visto que o cobre eletroltico ser um material com certa flexibilidade, pois os enrolamentos so submetidos a um elevado estresse mecnico ( vibraes mecnicas do gerador e vibraes de origem eltricas ) durante toda a vida til do enrolamento

6.4.1.3. PROTEO DE CORONA DA RANHURANos enrolamentos estatricos de alta tenso fazse necessrio que a superfcie externa da barra ou bobina tenha um bom contato eltrico c

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Apostila Hidrogerador Voith