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GERADORES SÍNCRONOS NA GERAÇÃO DE ENERGIA EM
PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS
Humberto Herculano Neves de Sousa, Adriano Fernando, Karem Khetllem Pereira da
Silva, Marcel Tavares Coelho, Luís Fernando Quintino e Cesar Augusto Della Piazza Faculdade de Engenharia Carlos Drummond de Andrade
Engenharia Eletrônica com Ênfase em Automação Industrial, São Paulo - SP
[email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected] e [email protected].
Resumo – Este trabalho tem como objetivo explanar os
conceitos das pequenas centrais hidrelétricas (PCH), e a
utilização dos motores geradores síncronos, com potência
instalada superior a 1 megawatts (MW) e de igual ou
inferior potência à 30 MW de acordo com a ANEEL em
regulamento de nº 394 de dezembro de 1998. O presente
trabalho apresenta os principais equipamentos em uma
PCH e informa sua forma de operação nestas instalações.
No estudo apresentado estão as características técnicas
dos principais equipamentos de uma PCH, respeitando os
limites máximos de potência instalada, conforme normas.
Palavras-Chave – Agência Nacional de Energia Elétrica,
Geradores Síncronos, PCH, Recursos Hídricos.
SYNCHRONOUS GENERATORS FOR
GENERATING ENERGY IN SMALL
HYDROPOWER PLANTS
Abstract - This paper aims to explain the concepts and
small hydropower plants, and the use of synchronous
generators motors in SHP, with an installed power of
more than 1 megawatt (MW) and equal to or less power
to 30 MW according to ANEEL (National Electric
Energy Agency) in #394 of Regulation December 1998,
ANEEL is the agency that regulates the industry in
Brazil, with the presented study will be possible to obtain
generation of technical data, capacity and importance of
the information in the installation of a SHP respecting the
maximum installed capacity, according the standards.
Keywords - National Agency of Electric Power,
Synchronous Generators, SHP, Water Resources.
I. INTRODUÇÃO
As pequenas centrais hidrelétricas (PCH´s) são usinas de
geração de energia elétrica a partir do aproveitamento do
potencial hídrico de pequeno porte ou a fio d’água.
_____________________________
Para que seja definida como tal, a sua capacidade deve
estar dentro dos limites superior a 1 MW e inferior ou igual a
30 MW de sua geração enérgica, além de um reservatório
hídrico com área menor que 13 km². A Agência Nacional de
Energia Hidrelétrica (ANEEL) é o órgão responsável que
regulamenta o setor no Brasil, qualificando como pequena as
hidrelétricas que encaixam se neste perfil estrutural e de
capacidade potencial de acordo com o Regulamento nº 394 de 4 de Dezembro de 2016 [1].
Uma pequena central hidrelétrica que opera a fio d'água,
sem reservatório, não permite a regularização ou controle do
fluxo d'água. Com isso em situações de estiagem a vazão
disponível pode ser menor que a capacidade das turbinas,
causando ociosidade, porém, quando o volume de água no
rio é maior que o necessário para a geração de energia na
máxima potência de geração, a água que sobra passa por
cima da barragem através dos vertedouros e segue pelo curso
natural do rio sem passar pelas máquinas.
Esta disposição possui a vantagem de ocasionar baixo impacto ambiental devido à pequena área alagada, menor
custo de implantação e menor tempo quando comparado às
hidrelétricas de grande porte. Porém, apresenta o problema
de não poder armazenar água excedente do período de
chuvas para utilização no período seco, pois isto requer um
grande reservatório. Uma barragem de PCH possui
geralmente uma ou mais comportas de fundo
(descarnadoras), que são utilizadas para:
- Dispor a saída de um percentual da vazão total do rio
denominada vazão sanitária ou vazão residual;
- Propiciar a passagem de água excedente durante as
cheias, diminuindo a espessura da lâmina de água sobre os vertedouros;
- Permitir a descarga de areia do reservatório, amenizando
os problemas de assoreamento.
A vazão sanitária é uma exigência ambiental, sendo
necessária para manter o curso original do rio e o
ecossistema local.
A diminuição da espessura da lâmina de água sobre os
vertedouros evita o alagamento indesejável de outras
estruturas da barragem; a descarga de areia do reservatório
diminui o assoreamento que ocorre em virtude do material
trazido pelo rio; as descargas de fundo devem ser programadas com o IBAMA (exigência da legislação
ambiental) [2].
Para isso, é preciso conhecer o coração que bate por trás
desta geração energética, o gerador elétrico, componente
bastante comum no seguimento elétrico com função bastante
conhecida, converter energia mecânica em energia elétrica
2
podendo esta ser alternada ou contínua. Um gerador de
corrente contínua é conhecido como dínamo e um gerador de
corrente alternada como alternador, ou geradores síncronos.
Os alternadores são os responsáveis por gerar a corrente
alternada que chegam as nossas residências.
No presente estudo de geradores síncronos serão tratadas
as características que o torna uma máquina síncrona, em a
velocidade angular do campo do estator é a mesma
velocidade angular do campo do rotor, sendo daí o nome que
dá a característica síncrona da máquina. Esta velocidade está
associada a frequência da tensão gerada, o que caracteriza a frequência da rede elétrica.
A forma de onda da tensão gerada nos terminais do
gerador é alternada devido ao campo elétrico formado no
estator ser alternado, embora que o campo elétrico formado
no rotor ser contínua, porém, com a velocidade angular no
rotor, ao passar nas bobinas do estator, formam, por indução,
um campo alternado. A velocidade do rotor e do estator
depende do número de polos do estator, que é o mesmo do
rotor. A equação eletromecânica que relaciona a frequência
(característica elétrica da rede), o número de polos
(característica mecânica da máquina síncrona) é:
120
. snpf (1)
Dentro do sincronismo de rotação (rpm) e frequência (Hz) das máquinas síncronas (gerador síncrono e motor síncrono),
a equação da velocidade síncrona mais conhecida é:
p
fns
.120 (2)
Onde:
𝑛𝑠 = Velocidade síncrona em rpm;
𝑓 = Frequência em Hz;
𝑃 = Número de polos do motor.
Esta equação também é utilizada para calcular a
velocidade síncrona dos motores de indução.
As máquinas síncronas trabalham com essa equação, a
uma mesma velocidade do campo magnético entre o estator e
o rotor, sem que haja uma diferença de velocidade entre
ambos.
II. FUNDAMENTAÇÃO
As turbinas hidráulicas transformam a energia hidráulica
de um fluxo de água que passa em suas “pás mecânicas”, em
energia mecânica na ponta do eixo da turbina que depois,
acoplada a um gerador, é transformada em energia elétrica, princípios de funcionamento comum. A água vem pelo
conduto forçado até a entrada da turbina, onde passa por um
sistema de palhetas guias móveis, que controlam a vazão
volumétrica fornecida à turbina. Para se aumentar a potência
às palhetas se abrem, para diminuir a potência elas se
fecham.
Após passar por este mecanismo, a água chega ao rotor da
turbina, onde a energia cinética é transferida para o rotor, na
forma de torque e velocidade de rotação. Após passar pelo
rotor, um duto chamado tubo de sucção conduz a água até a
parte de jusante do rio, no nível mais baixo. As turbinas
hidráulicas para PCHs podem ser montadas com o eixo no
sentido horizontal ou vertical.
Turbinas hidráulicas utilizadas nas PCH’s devem ser
escolhidas de modo a se obter facilidade de operação e de
manutenção, dando-se grande importância à sua robustez e
confiabilidade, pois a tendência é de que a usina seja operada
no modo não assistido [3][4]. A potência simplificada que é
fornecida pela turbina é dada por:
][10..... 3 KwQHgpnP liqtt
(3)
Onde:
𝑃𝑡 é a potência da turbina (kW);
𝜂𝑡 é o rendimento da turbina; ρ é a massa especifica da água (kg/m³3);
g é a aceleração da gravidade (m/s² );
𝐻𝑙𝑖𝑞 é a queda líquida (m); Q é a vazão (m³ /s).
A queda líquida 𝐻𝑙𝑖𝑞 (m) e a vazão de projeto por turbina
Q (m³/s) são os parâmetros utilizados para a escolha
preliminar do tipo de turbina, conforme mostra a Figura 1. A
potência (kW) estimada na saída pode ser obtida da mesma
figura, bastando interpolar os valores das linhas oblíquas [3].
A escolha da velocidade de rotação da turbina depende da
potência nominal, da altura de queda, do tipo de turbina e do
tipo de gerador. Para o gerador síncrono sem multiplicador, a
velocidade de rotação é a mesma para a turbina e o gerador,
sendo assim, deve-se procurar a velocidade síncrona mais
próxima da calculada utilizando na equação (2).
A partir desses dados, é possível determinar a velocidade específica da turbina, essa grandeza define a geometria ou o
tipo do rotor da turbina hidráulica [5] [6], que é dada por:
4/3
3
).(
..10
gH
Qnn
liq
s (4)
Onde:
𝑛𝑠 é a velocidade específica;
n é a velocidade de rotação síncrona (rpm);
g é a aceleração da gravidade (m/s²);
𝐻𝑙𝑖𝑞 é a queda líquida (m);
Q é a vazão (m³/s).
3
Fig. 1. Gráfico compilado para base de seleção de turbinas
III. PARTES DE UMA TURBINA
Uma turbina é formada basicamente por cinco partes:
caixa espiral, pré-distribuidor, distribuidor, rotor e eixo, tubo
de sucção, que pode se observado na Figura 2.
Fig. 2. Partes de Uma Turbina Francis compilado [3]
A. Caixa Espiral
Tubulação de forma toroidal que envolve a região do
rotor. Fica integrada à estrutura civil da casa de força, não
sendo possível ser removida ou modificada sem obras
específicas, e tem como objetivo distribuir a água igualmente
na entrada da turbina. É fabricada com chapas de aço
carbono soldada em segmentos.
B. Pré-distribuidor Destina-se o pré-distribuidor para direcionar a água para a
entrada do distribuidor. É composta de dois anéis superiores,
entre os quais são montados um conjunto de 18 a 24 palhetas
fixas, com perfil hidrodinâmico de baixo arrasto, para não
gerar perda de carga e não provocar turbulência no
escoamento. É uma parte sem movimento, soldada à caixa
espiral e fabricada com chapas ou placas de aço carbono.
C. Distribuidor O distribuidor é constituído de uma série de 18 a 24
palhetas móveis, acionadas por um mecanismo hidráulico
montado na tampa da turbina (sem contato com a água).
Todas as palhetas tem o seu movimento conjugado, isto é,
todas se movem ao mesmo tempo e de maneira igual, cujo
acionamento é feito por pistões hidráulicos. O distribuidor
controla a potência da turbina, pois regula vazão d’água. É
um sistema que pode ser operado manualmente ou em modo
automático, tornando o controle da turbina praticamente
isento de interferência do operador.
D. Rotor e eixo
O rotor da turbina é onde ocorre a conversão de energia
hídrica em potência de eixo, que será transmitida ao gerador
acoplado na ponta do eixo.
E. Tubo de sucção
Duto de saída da água, geralmente com diâmetro final
maior que o inicial, desacelera o fluxo da água após esta ter
passado pela turbina, devolvendo-a ao rio parte jusante da
casa de força.
IV. SISTEMA DE REGULAÇÃO DE VELOCIDADE
O sistema de regulação em unidades de PCH permite a
tomada de velocidade da turbina até a rotação nominal de projeto e posterior a sincronização do gerador com a rede
elétrica. O regulador de velocidade controla a potência
mecânica da turbina/gerador e a frequência da tensão gerada.
O monitoramento desse valor e a garantia que a unidade
geradora está sincronizada com a rede elétrica. Em caso de
ligação com rede elétrica de grande porte, a unidade geradora
acompanha a frequência da rede, e o regulador passa a ter a
função de controlar a potência ativa fornecida pela máquina
síncrona.
A. Sistema de excitação do gerador
O sistema de excitação do gerador composto pela excitatriz do gerador, responsável por fornecer a tensão e a
corrente contínua para as bobinas que estão instaladas no
rotor, fazendo que o fluxo do campo magnético formado no
rotor seja contínuo, tem o objetivo de manter a tensão
4
nominal do gerador constante, ajustando a corrente de campo
do gerador e mantendo o gerador na região interna de seus
limites. O sistema de excitação é responsável pela tensão da
máquina, pelo fator de potência, pela amplitude da corrente
gerada e auxilia a garantir que a tensão da energia gerada na
usina mantenha-se constante, variando dentro de uma
margem de erro estipulada por norma.
Um dos componentes vitais do sistema de excitação é o
regulador de tensão. O regulador de tensão forma a
realimentação de controle entre o gerador principal e os
elementos que controlam a excitação do gerador. Estes componentes eletrônicos, requerem baixos níveis de
potência. O regulador de tensão observa se a tensão terminal
do gerador está constante, e caso haja variação é porque a
potência ativa e a corrente de saída o gerador está variando e
ele altera, aumentando ou diminuindo a corrente de campo
do gerador.
Utiliza-se, geralmente, geração de corrente contínua
acopladas diretamente ao eixo do gerador para geradores até
50 MW. A partir desta potência a excitatriz está instalada
fora do gerador e o fornecimento de energia é em corrente
alternada com pontes retificadoras.
B. Válvulas de segurança
A válvula de segurança assume as funções da comporta de
emergência da tomada d’água, interrompendo o fluxo de
água e protegendo a unidade, em caso de falha do
mecanismo de controle da turbina. Além disso, em caso de
manutenção, o fechamento da Válvula permite o
esvaziamento da caixa espiral e do tubo de sucção. Em geral,
são abertas por meio de cilindro hidráulico com pressão do
próprio regulador de velocidade.
V. GERADOR ELÉTRICO
As máquinas elétricas rotativas é o gerador síncrono e
fundamental, pois essa máquina é capaz de converter energia
mecânica em elétrica, e é um dos itens mais importantes de
qualquer usina elétrica. É responsável por transformar a
energia mecânica gerada pela turbina em energia elétrica. Geradores Síncronos são maquinas que atuam na mesma
velocidade do campo girante. Quando um gerador síncrono
fornece potência elétrica a uma carga, a corrente de armadura
cria uma onda componente do fluxo que gira à velocidade de
sincronismo. Este fluxo reage com o fluxo criado pela
corrente de excitação e obtém-se um binário eletromagnético
devido à tendência que os campos magnéticos têm de se
alinhar, além de possuir uma maior capacidade de potência.
A velocidade síncrona do gerador (determinada pelo
número de polos eletromagnéticos do equipamento) é de
extrema importância no dimensionamento do gerador. Geradores de baixa rotação, e consequentemente maior
número de pólos, são maiores e mais caros que um gerador
de mesma potência, mas de menor polaridade. Por isso
costuma-se utilizar multiplicadores de rotação, acoplados ao
eixo da turbina, para proporcionar uma velocidade maior no
eixo do gerador, e consequentemente, ter-se uma máquina
menor e mais barata.
A. Rotor (campo) É a parte girante da máquina constituída de um material
ferromagnético envolto no enrolamento de campo, que tem
como função produzir um campo magnético constante para
interagir com o campo produzido pelo enrolamento do
estator. A tensão aplicada nesse enrolamento é contínua e a
intensidade da corrente suportada por esse enrolamento é
muito menor que o enrolamento do estator, além disso, o
rotor pode conter dois ou mais enrolamentos, sempre em
número par e todos conectados em série sendo que cada
enrolamento será responsável pela produção de um dos pólos do eletroímã.
B. Estator (armadura)
Parte fixa da máquina, montada em volta do rotor de
forma que o mesmo possa girar em seu interior, também
constituído de um material ferromagnético envolto em um
conjunto de enrolamentos distribuídos ao longo de sua
circunferência. Pelo estator circula toda a energia elétrica
gerada, sendo que tanto a voltagem quanto a corrente elétrica que circulam são bastante elevadas em relação ao campo, que
tem como função apenas produzir um campo magnético para
"excitar" a máquina de forma que seja possível a indução de
tensões nos terminais dos enrolamentos do estator.
Fig. 3. Esquema compilado de um Gerador Síncrono [9][8]
1) Principio de funcionamento A energia mecânica é suprida à máquina pela aplicação de
um torque e pela rotação do eixo da mesma. No caso de
PCHs, a fonte de energia mecânica prove de uma turbina
hidráulica. Uma vez estando o gerador ligado à rede elétrica,
sua rotação é ditada pela frequência da rede, pois a
frequência da tensão trifásica depende diretamente da
velocidade da máquina.[7]
Para que a máquina síncrona seja capaz de efetivamente
converter a energia mecânica aplicada a seu eixo, é
necessário que o enrolamento de campo localizado no rotor
da máquina seja alimentado por uma fonte de tensão contínua de forma que ao girar o campo magnético gerado
pelos pólos do rotor tenham um movimento relativo aos
condutores dos enrolamentos do estator. Essa alimentação
provem de um dispositivo, chamado excitatriz, que pode ser
do tipo estático (com escovas de carvão, que estão em
contato com o eixo) ou brushless (sem escovas).
5
2) Volante de inércia Nas unidades geradoras de pequeno porte pode ocorrer
que o efeito de inércia (GD2) das massas girantes seja
insuficiente para garantir uma regulação de velocidade
estável. Nesse caso, o regulador não terá capacidade para
controlar as variações bruscas de carga na unidade geradora,
dentro das condições de regulação estabelecidas.
Quatro grandezas tem um inter-relacionamento na
variação brusca de carga e em suas consequências. São elas:
efeito de inércia das massas girantes, velocidade de
fechamento do distribuidor, sobre velocidade transitória da unidade e sob-repressão no conduto de adução.
3) Transformadores elevadores
São os transformadores que elevam a tensão da energia
produzida pelo gerador.
Geradores de PCH’s normalmente produzem em uma
tensão entre 220V à 13,8kV, dependendo da potência do
gerador, enquanto que as linhas de transmissão operam em
tensões que variam de 13,8kV à 500kV, dependendo da distancia entre a usina e o centro consumidor. Por isso, para
que a energia gerada na PCH possa ser integrada à rede, são
necessários transformadores elevadores.
4) Sistemas de proteção
A escolha de um sistema de proteção para os
equipamentos elétricos constituintes de uma PCH envolve
aspectos operacionais, econômicos, de segurança física e pessoal, que devem ser analisados caso a caso. O sistema de
proteção deve constituir um sistema independente do sistema
de controle digital e as proteções devem atuar diretamente,
através de seus contatos de saída, sobre os disjuntores ou
dispositivos de parada, de modo a garantir a parada da
máquina sem necessidade do sistema de controle digital.
Atualmente, encontram-se disponíveis, quase que
exclusivamente, relés de proteção com tecnologia digital, que
em geral, incluem sistemas de proteção diferencial, Proteção
contra carga desequilibrada, proteção contra perda de
excitação, proteção contra sobre velocidade, proteção contra
sobre tensão, proteção contra sobrecarga, entre outros, visando proteger o equipamento de possíveis falhas, que
possam acarretar danos à usina e ao pessoal.
5) Sistemas de supervisão e controle
A maioria das PCHs modernas possui algum tipo de
automação em sua operação. O barateamento de sensores,
atuadores e controladores lógicos programáveis tem
permitido que essa automação, antes restritas a usinas de grande porte, envolvendo soluções complexas e
equipamentos de custo relativamente elevado, venha a ser
aplicada em usinas menores. Em algumas pequenas centrais,
toda a operação pode ser controlada remotamente,
necessitando de um operador apenas para situações
emergenciais.
A definição do sistema de supervisão e controle de uma
PCH é essencialmente uma decisão econômica. Basicamente
devem ser analisadas e comparadas duas possibilidades: a
operação convencional, por meio de operadores ou a
automação ou semi-automação da usina.
A automação ou semi-automação de uma usina apresenta as seguintes vantagens:
• Redução dos custos operacionais
• Ganhos de qualidade sobre o processo
• Melhor utilização do pessoal
• Maior agilidade operativa
• Melhor utilização dos recursos disponíveis
• Melhor produtividade
No caso específico das pequenas centrais hidroelétricas,
os investimentos recomendados no processo de automação
ou semi-automação são balizados pelos custos operacionais
destas instalações (basicamente mão de obra) e pelo custo da
energia comercializada. Assim, as iniciativas nesta área apontam, quase sempre, para soluções técnicas adequadas,
porém com custos reduzidos. A automação ou semi-
automação de uma PCH normalmente envolve dois
subsistemas, a saber:
• Subsistema de controle da barragem ou reservatório, que
regula a altura do reservatório, a abertura de comportas e a
vazão fornecida ao canal de adução.
• Subsistema de controle da casa de força e subestação,
que regula a potência fornecida pelas turbinas, a partida do
gerador, a sincronização com a rede e a parada dos
equipamentos em casos de emergência [7].
6) Sistemas auxiliares elétricos
São os sistemas que fornecem energia, tanto em corrente
alternada como em corrente continua, para todos os sistemas
auxiliares da usina, como iluminação, sistemas de ventilação,
bombas de circulação de óleo, sistemas de excitação, entre
outros.
7) Sistemas auxiliares mecânicos São os sistemas que executam atividades secundarias na
usina, como bombas de óleo para os mancais e válvulas,
bombas para a drenagem da casa de força, sistemas de
ventilação, multiplicadores de velocidade, entre outros.
VI. INTEGRAÇÃO DOS GERADORES SINCRONOS
COM AS PCH’s
O gerador de energia elétrica na PCH é o que transforma a
energia mecânica em energia elétrica. Esse processo de
transformação de energia é realizado permanentemente em
uma velocidade mecânica constante, isso obriga o
acoplamento direto entre os eixos da turbina e do gerador. Essa característica faz os dois equipamentos girarem a
mesma velocidade mecânica, e as mudanças na demanda de
energia elétrica os afetam simultaneamente, ou seja, as
mudanças na demanda de energia elétrica solicitam do
gerador maior ou menor fornecimento de energia elétrica
(segundo a mudança na demanda), e este, por sua vez, exige
maior ou menor potência mecânica.
CONCLUSÃO
Este trabalho demonstra através da fundamentação teórica,
todos os detalhes dos equipamentos de uma pequena central
hidrelétrica, porém se baseando em dados reais de projeto e
construção, principalmente no que se refere a cálculo de
queda líquida e a vazão nominal para determinação da
potência mecânica do sistema, ficando dentro dos critérios
6
estabelecidos de uma PCH, com potências menores de
30MW.
Com posse destes valores foi possível explanar com
detalhes as especificação e características da turbina, do
gerador e dos demais componentes para aproveitamento do
potencial energético do sistema, tendo como referência o
guia da Eletrobrás sobre Diretrizes para Estudos e Projetos
de Pequenas Centrais Hidrelétricas.
O estudo dos componentes de uma PCH é de suma
importância para a engenharia elétrica, pois demonstra e
permite fazer entender com detalhes os componentes da principal fonte de geração de energia elétrica no país e seu
princípio de transformação.
REFERÊNCIAS
[1] Agencia Nacional de energia elétrica – ANEEL. Resolução n° 394 de dezembro de 1998.
[2] EcoD. Básico: Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH).
Acessado em 18 de Maio de 2016 em:
http://www.ecodesenvolvimento.org/posts/2011/marco/e
cod-basico-pequenas-centrais-hidreletricas-
pch#ixzz4AGtonGCi
[3] MELLO, Antônio. Acesso em 26 de Maio de 2016 em:
http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/
[4] ELETROBRÁS - Centrais Elétricas Brasileiras S.A.
Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais
Hidrelétricas. Ministério das Minas e Energia, Janeiro de 2000.
[5] Souza, Z.; Santos, A.H.M.; Bortoni, E.C. Centrais
Hidrelétricas: Estudos para Implantação. Centrais
Elétricas Brasileiras S. A. – ELETROBRÁS, 1999.
[6] VA TECH HYDRO. Noções Gerais Sobre Turbinas
Hidráulicas,100p, 2006.
[7] HENN, É. L. Máquinas de Fluído. Santa Maria: Editora
UFSM, 2012.
[8] Banco de informações de Geração, 2009. Sitio
Eletrônico da ANEEL, Disponível em
http://www.aneel.gov.br
[9] AUGUSTO, Alvaro, Máquinas Elétricas. Disponível em: http://maquinas-utfpr.blogspot.com.br/
