AULA 3 INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE GERAÇÃO · A cogeração é a forma mais eficiente de gerar calor e energia elétrica a partir de uma mesma fonte de energia. ... tensão de 13,8

AULA 3 – INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE GERAÇÃO

RAFAEL DE OLIVEIRA RIBEIRO 1

Introdução

Na história da sociedade, a energia elétrica, desde a sua descoberta, sempre ocupou lugar de destaque, tendo em vista a dependência da qualidade de vida e do progresso econômico da qualidade do produto e dos serviços relacionados à energia elétrica, que por sua vez dependem de como as empresas de eletricidade projetam, operam e mantêm os sistemas elétricos de potência.

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Introdução

A eletricidade é a forma mais fácil de se transportar energia para a sua utilização nos processos de manufatura. Ela surgiu como forma de substituir a energia da máquina a vapor, pilastra mestra da atual revolução industrial.

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Energia

Com o crescimento do setor industrial no Brasil a partir do inicio dos anos 90, o aumento da demanda de energia elétrica superou a capacidade de crescimento do sistema de geração das concessionárias de energia levando o governo a considerar possibilidade de produção de energia elétrica por empresas do setor privado, com o objetivo de atrair investimentos no setor e assim “desafogar” o sistema elétrico Brasileiro.

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Energia Os físicos definem a palavra energia como a quantidade de trabalho que um sistema é capaz de fornecer. Energia, de acordo com os físicos, não pode ser criada, consumida ou destruída.

No entanto a energia pode ser transformada ou transmitida de diferentes formas: a energia cinética do movimento das moléculas de ar pode ser convertida em energia cinética de rotação pelo rotor de uma turbina eólica, que por sua vez pode ser convertida em energia elétrica através de um gerador acoplado ao rotor da turbina.

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Energia

Em cada processo de conversão de energia, parte da energia da fonte é dissipada em forma de calor (energia térmica) em função do atrito entre as engrenagens, moléculas de ar e esforços mecânicos da máquina conversora.

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Energia Sabendo-se disto, a relação entre a energia que entra no sistema de conversão e a energia que sai desse sistema é denominada de:

a) Fator de potência

b) Queda de tensão

c) Rendimento

d) Fluxo de potência

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Energia Sabendo-se disto, a relação entre a energia que entra no sistema de conversão e a energia que sai desse sistema é denominada de:

a) Fator de potência

b) Queda de tensão

c) Rendimento

d) Fluxo de potência

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Potência A potência elétrica é normalmente medida em watt [W], quilowatt [kW], megawatt [MW], etc. Ou seja, potência é a quantidade de energia transferida por unidade de tempo.

A potência pode ser medida em qualquer instante de tempo, enquanto a energia precisa ser medida em um intervalo de tempo, como um segundo, uma hora, um ano, etc.

Por exemplo, se uma turbina ou gerador possuem uma potência nominal de 600 quilowatts [kW], significa que aquela turbina pode produzir 600 quilowatts hora [kW.h] de energia por hora de operação, trabalhando no ponto máximo de eficiência.

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Potência

Todavia, dizer que um país como a Dinamarca possui 1.000MW de potência eólica instalada, não quer dizer quanta energia as turbinas produzem.

As turbinas eólicas funcionam cerca de 75% das horas do ano, mas funciona com capacidade máxima apenas durante um número limitado de horas no ano.

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Potência Para calcular a quantidade de energia produzida por uma turbina eólica é necessário conhecer a distribuição da velocidade do vento por cada turbina.

No caso acima citado, as turbinas retornam, na média, 2.300 horas de funcionamento a plena carga por ano. Para calcular a energia total produzida multiplica-se os 1.000MW de potência instalada pelas 2.300 horas de funcionamento a plena carga, que é igual a 2.300.000 [MWh] ou 2,3 [TW.h] de energia.

Em outras áreas, tais como a Escócia, ou o oeste da Irlanda, encontramos turbinas que trabalham, na média, 3.000 horas a plena carga, e até mais. No entanto na Alemanha não são encontradas turbinas que trabalham mais que 2.000 horas por ano a plena carga.

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Um pouco de história

Muito da tecnologia hoje em uso deve-se a grandes pioneiros e empreendedores da eletricidade.

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Geração de Energia Elétrica A geração de energia elétrica é a transformação de qualquer tipo de energia em energia elétrica. Esse processo ocorre em duas etapas.

Na 1ª etapa uma máquina primária transforma qualquer tipo de energia, por exemplo hidráulica ou térmica, em energia cinética de rotação.

Em uma 2ª etapa um gerador elétrico acoplado à máquina primária transforma a energia cinética de rotação em energia elétrica.

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Cogeração

De acordo com a ANEEL (Agencia Nacional de Energia Elétrica), “Cogeração de energia é definida como o processo de produção combinada de calor e energia elétrica (ou mecânica), a partir de um mesmo combustível, capaz de produzir benefícios sociais, econômicos e ambientais.

A atividade de cogeração contribui efetivamente para a racionalização energética, uma vez que possibilita maior produção de energia elétrica e térmica a partir da mesma quantidade de combustível.”

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Cogeração Diferentemente da geração, na cogeração a energia térmica, ou outro tipo de energia, é utilizado diretamente nos processos de manufatura, tais como fornos, caldeiras, entre outros.

A cogeração é o reaproveitamento dos “resíduos” de energia dessas fontes para a geração de energia elétrica diminuindo, assim, as perdas e, consequentemente, aumentando o rendimento e o aproveitamento das fontes de energia.

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Cogeração

A cogeração é a forma mais eficiente de gerar calor e energia elétrica a partir de uma mesma fonte de energia.

Comparando a utilização de combustível fóssil com a quantidade de calor que é normalmente gasta no processo de geração de energia, a cogeração alcança níveis de eficiência 3 vezes maior, podendo chegar a 4 vezes, do que no processo convencional de geração. No entanto a cogeração passou a ser utilizada há muito pouco tempo.

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Cogeração Os equipamentos de cogeração podem utilizar outros combustíveis além do gás natural. Existem instalações em operação que utilizam madeira, bagaço de cana-de-açúcar, e outros combustíveis dependendo do local e disponibilidade.

As implicações ambientais da cogeração são bem menores quando comparadas às do processo convencional de geração, não apenas pela sua inerente eficiência, mas também pelo seu caráter descentralizador. Isto se deve ao fato de ser impraticável o transporte de calor (energia térmica) a grandes distâncias, e os equipamentos de cogeração são localizados fisicamente próximos aos processos que utilizam calor.

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Geração de Energia Elétrica

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O Sistema de Geração

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

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Principais Elementos Hidrelétrica • 1. Reservatório ou lago:

Surge quando a água do rio é represada pela construção de uma barragem.

• 2. Barragem: É uma estrutura construída no leito de um rio, permitindo acumular água. Pode ser de terra, alvenaria ou concreto.

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Principais Elementos Hidrelétrica • 5. Conduto Forçado: É a

canalização que conduz água, sob pressão, para as turbinas. Podem ser externos ou subterrâneos.

• 6. Casa de Força: Local de onde se opera a usina e estão localizados os grupos turbo-geradores e auxiliares.

• 7. Canal de Fuga: Local de saída da água após movimentar as turbinas.

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Principais Elementos Hidrelétrica • 3. Vertedouro: Permite o

controle do nível da água do reservatório, principalmente em períodos de cheias. Pode ter ou não comportas.

• 4. Tomada d’água: É a estrutura que permite a condução da água do reservatório para adução das turbinas. Equipada com comportas de fechamento e grades de proteção.

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Principais Elementos Hidrelétrica • 8. Subestação: Recebe a energia elétrica

gerada na usina, transformando-a em alta tensão, para que possa ser transportada pelas linhas de transmissão a grandes distâncias.

• 9. Turbina: É uma roda com pás. A água faz a turbina girar ao atingi-la, transformando energia hidráulica em energia mecânica.

• 10. Gerador: Está acoplado mecanicamente à turbina. A energia mecânica disponível no eixo da turbina é transformada em energia elétrica pelo gerador.

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Máquina Primária Maquina primária que faz a transformação de qualquer tipo de energia em energia cinética de rotação para ser aproveitada pelo gerador. Por exemplo, a máquina que transforma a energia liberada pela combustão do gás em energia cinética é a turbina a gás.

As principais máquinas primárias utilizadas hoje são motor Diesel, turbina hidráulica, turbina a vapor, turbinas a gás e eólicas. Normalmente as centrais elétricas onde as máquinas primárias são turbinas a vapor, as centrais são classificadas em relação ao combustível utilizado para aquecer o vapor.

Onde ocorre o processo de combustão as centrais são chamadas de termelétricas e onde ocorre o processo de fissão nuclear são chamadas de termonucleares.

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Transformadores

Uma vez gerada a energia elétrica, existe a necessidade de se compatibilizar o nível da tensão de saída com a tensão do sistema ao qual o grupo gerador será ligado. O equipamento utilizado para elevar ou rebaixar o nível de tensão é o transformador.

Desta forma um grupo gerador que gera energia a uma tensão de 13,8 kV pode ser ligado a uma linha de transmissão de 69kV através de um transformador de 13,8/69 kV. 31

Controle, comando e proteção Para interligar um grupo gerador a uma rede de transmissão ou distribuição são necessários vários requisitos. Em primeiro lugar, a tensão de saída do gerador não pode variar mais que uma faixa percentual estabelecida, por exemplo mais do que 10% para cima ou para baixo.

O controle da tensão é feito através da excitatriz do próprio gerador que será estudado. No entanto, não basta apenas compatibilizar a tensão. É necessário que se faça o sincronismo com a rede antes de comandar o fechamento da linha (ANSI 25).

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Turbina Hidráulica

Toda eletricidade é proveniente de uma fonte de energia encontrada na natureza, como os combustíveis fósseis, os ventos, entre outros. Nas hidrelétricas este princípio não é diferente.

A fonte de energia é a energia potencial de um volume de água, em função da diferença de altitude entre o montante e a jusante.

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Turbina Hidráulica

Para iniciar o processo de conversão da energia potencial da água em energia elétrica, a água dos reservatórios é captada, através de um sistema de adução onde a água é transportada através de condutos de baixa pressão.

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Turbina Hidráulica A turbina hidráulica é uma máquina com a finalidade de transformar a energia cinética do escoamento contínuo da água que a atravessa em trabalho mecânico. Para isso elas são equipadas com uma série de pás (ou conchas, no caso das turbinas Pelton).

Quando a água atravessa essas pás, as turbinas giram com uma grande força. A força com que gira essa turbina depende inicialmente da altura da queda de água, que corresponde, aproximadamente, a diferença de altitude entre a adução e a entrada da turbina.

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Turbina Hidráulica Existem várias formas de conseguir um desnível aproveitável:

Por represamento, onde uma barragem acumula as águas dos rios em alturas necessárias para obtenção dessa energia. Neste caso as casas de máquinas são localizadas nos pés das barragens.

Por Desvio, onde uma parte do rio é desviada de seu curso normal para aproveitar-se um desnível de terreno.

Ou por derivação, onde parte da água de um rio é desviada e jogada em outro rio aproveitando-se o desnível entre os dois rios. Nestes últimos as casas de máquinas são localizadas o mais próximo possível da jusante dos desníveis. 36

Turbina Hidráulica Basicamente existem 2 tipos de turbinas hídricas: as turbinas de reação ou propulsão, e turbinas de ação ou impulso.

• Turbinas de Reação (ou propulsão): São turbinas em que o trabalho mecânico é obtido pela transformação das energias cinéticas e de pressão da água em escoamento através do rotor. As turbinas de reação são as do tipo Francis e Kaplan.

• Turbinas de Ação (ou impulso): Aquela em que o trabalho mecânico é obtido pela obtenção da energia cinética da água em escoamento através do rotor. As turbinas de ação são as do tipo Pelton.

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Turbina Francis

A Turbina Francis é uma turbina hidráulica que foi desenvolvida pelo engenheiro estadunidense James B. Francis em 1849.

Turbinas Francis são adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. A Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de Tucuruí, Usina Hidrelétrica de Furnas, Usina Hidrelétrica de Foz do Areia e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda de água. 38

Turbina Francis

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Turbina Francis

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Turbina Kaplan A turbina Kaplan é uma turbina hidráulica. É adequada para operar entre quedas até 60 m.

A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. Este assemelha-se a um propulsor de navio (similar a uma hélice). Um servomotor montado normalmente dentro do cubo do rotor, é responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás. O óleo é injetado por um sistema de bombeamento localizado fora da turbina, e conduzido até o rotor por um conjunto de tubulações rotativas que passam por dentro do eixo.

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Turbina Kaplan

O acionamento das pás é conjugado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinação das pás do rotor. As Kaplans também apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operação. A usina hidroelétrica de Três Marias funciona com turbina Kaplan.

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Turbina Pelton

A turbina Pelton é uma turbina hidráulica de ação, isto é, funciona à pressão atmosférica.

É constituída por uma roda e um ou mais injetores, cuja função é transformar a energia de pressão do escoamento em energia cinética, orientando esse mesmo escoamento para a roda.

É mais adequada para grandes quedas úteis (entre os 350 m até 1100 m).

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Turbina Pelton

Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que as outras, e tem o rotor de característica bastante distintas. Os jatos de água provenientes dos injetores ao chocarem com as pás do rotor geram o impulso que faz com que a roda se mova.

Sistema de turbina em funcionamento na usina de Henry Borden em Cubatão SP na Serra do Mar.

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Princípio de Funcionamento Gerador

A característica principal de um gerador elétrico é transformar energia mecânica em elétrica.

O princípio básico de funcionamento está baseado no movimento relativo entre uma espira e um campo magnético.

Os terminais da espira são conectados a dois anéis, que estão ligados ao circuito externo através de escovas.

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Admitamos que a bobina gira com velocidade uniforme no sentido da flecha dentro do campo magnético "B" também uniforme.

Se "v" é a velocidade linear do condutor em relação ao campo magnético, segundo a lei da indução (FARADAY), o valor instantâneo da F.E.M. induzida no condutor em movimento de rotação é determinada por:

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A variação da F.E.M. no condutor, em função do tempo, é determinada pela lei da distribuição da indução magnética sob um pólo.

Esta distribuição tem um caráter complexo e depende da forma da sapata polar. Com um desenho conveniente da sapata poderemos obter uma distribuição senoidal de induções. Neste caso, a F.E.M. induzida no condutor também varia com o tempo sob uma lei senoidal.

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Já nos geradores de campo giratório a tensão de armadura é retirada diretamente do enrolamento de armadura (neste caso o estator) sem passar pelas escovas.

A potência de excitação destes geradores normalmente é inferior a 5% da potência nominal, por este motivo, o tipo de armadura fixa (ou campo girante) é o mais utilizado.

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No Brasil, a energia elétrica é fornecida em corrente alternada no sistema trifásico, na freqüência de 60Hz. O alternador que gera corrente alternada pelo sistema trifásico é constituído por três bobinas deslocadas de 120º (parte fixa) e por um eletroímã (parte móvel).

Conforme o gráfico a seguir, um ciclo completo da corrente alternada corresponde a 360º ou a uma volta completa do eletroímã. Por isso, as três correntes alternadas monofásicas produzidas por um alternador trifásico estão defasadas entre si de 120º elétricos ou 1/3 do ciclo.

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A cada giro das espiras teremos um ciclo completo da tensão gerada, para uma máquina de um par de pólos. Os enrolamentos podem ser construídos com um número maior de pares de pólos, que se distribuirão alternadamente (um norte e um sul). Neste caso, teremos um ciclo a cada par de pólos.

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Sendo "n" a rotação da máquina em "RPM" e "f" a frequência em ciclos por segundo (Hz) teremos:

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Exercícios

Calcular a velocidade síncrona (em rpm) dos geradores com diferentes polos e paras frequências de 60Hz e 50 Hz conforme tabela abaixo:

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Número de Polos 60 Hz 50 Hz

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Exercícios

Calcular a velocidade síncrona (em rpm) dos geradores com diferentes polos e paras frequências de 60Hz e 50 Hz conforme tabela abaixo:

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Número de Polos 60 Hz 50 Hz

2 3600 3000

4 1800 1500

6 1200 1000

8 900 750

10 720 600

Características do Ambiente

Entre outros, dois fatores influem na determinação da potência admissível: a temperatura do meio refrigerante e a altitude em que o gerador for instalado.

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

Altitude (não superior a 1000m sobre o nível do mar). Até nestes valores de altitude e temperatura ambiente considera-se condições normais que o gerador deve fornecer, sem sobre aquecimento, sua potência nominal.

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ALTITUDE

Gerador funcionando em altitude acima de 1000m apresentam problemas de aquecimento causado pela rarefação do ar e consequentemente diminuição do seu poder de arrefecimento.

A insuficiente troca de calor entre o gerador e o ar circundante, leva à exigência de redução de perdas, o que significa também redução de potência. Os geradores têm aquecimento diretamente proporcional as perdas e estas variam aproximadamente, numa razão quadrática com a potência.

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Características do Ambiente TEMPERATURA AMBIENTE

Geradores que trabalham em temperaturas inferiores a –20°C apresentam os seguintes problemas:

Excessiva condensação, exigindo drenagem adicional ou instalação de resistência de aquecimento, caso o gerador fique longos períodos parado.

Formação de gelo nos mancais provocando endurecimento das graxas ou lubrificantes dos mancais, exigindo o emprego de lubrificantes especiais ou graxa anti-congelante. 64


TEMPERATURA AMBIENTE

Em geradores que trabalham a temperatura ambientem constantemente superiores a 40°C, o enrolamento pode atingir temperaturas prejudiciais a isolação. Este fato tem que ser compensado por um projeto especial do gerador, usando materiais isolantes especiais ou pela redução da potência nominal do mesmo.

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Exercício

Do catálogo do fabricante (WEG), o gerador GTA315SI25, para tensão de 220V com potência de 405 kVA, possui rendimento (do gerador) com carga total de 94%.

Calcular a potência do acionamento do gerador sabendo-se que o fator de potência considerando toda a carga a ser alimentada é de 0,934.

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Exercício

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DÚVIDAS ?

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