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1 HISTÓRICO O gerador elementar foi inventado na Inglaterra em 1831 por MICHAEL FARADAY, e nos Estados Unidos , mais ou menos na mesma época, por JOSEPH HENRY. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O gerador síncrono, ou gerador, tem como função transformar a energia mecânica fornecida por uma máquina primária (turbina, motor diesel ou gás) em energia elétrica. O funcionamento está baseado na lei da indução eletromagnética de Faraday. Toda vez que uma espira ficar imersa em um campo magnético variável será induzida uma força eletromotriz(f.e.m.) e aparecerá uma tensão CA. As partes principais de um gerador são: ROTOR: A parte móvel do gerador cujo campo magnético é gerado e excita o gerador. São os pólos da máquina. É alimentado em corrente contínua com uma baixa tensão, gasta de 1% a 7% da potência nominal da gerador. ESTATOR: A parte fixa do gerador. Local onde ficam as bobinas que geram a tensão ao serem aplicadas uma f.e.m. sobre elas. ANÉIS COLETORES e ESCOVAS: Tem por função levar alimentação ao rotor. Atualmente os geradores são fabricados com excitatriz que substitui o sistema de escovas. Construtivamente, o gerador pode ser de duas formas: Armadura girante e pólos estacionários armadura estacionária eArmadura girante e pólos estacionários ou armadura estacionária e pólos girantes . Armadura estacionária e pólos girantes é a forma construtiva mais difundia, porque apresenta uma série de vantagens, entre as quais pode-se citar: Maior facilidade de isolação das bobinas para altas tensões. É mais fácil isolar um elemento estacionário do que um rotativo, devido ao peso, tamanho e forças centrifugas. Como o campo funciona com baixas tensões, sendo mais fácil isolá-lo. A cada giro do rotor teremos um ciclo completo da tensão gerada, para uma máquina de um par de pólos. Os enrolamentos podem ser construídos com um número maior de pares de pólos, que se distribuirão alternadamente (um norte e um sul). Neste caso, teremos um ciclo a cada par de pólos. Sendo ” N " a rotação da máquina em "rpm" e ” f " a freqüência em ciclos por segundo (Hz = Hertz) teremos: Hz = N*P 120 Onde: N = velocidade em RPM; P = Número de pólos; 120 = Constante Então: 3600 RPM Hz = (3600 * 1)/60 = 60 Hz. Para um Gerador de quatro pólos: 1500 RPM Hz = (1500 * 2)/60 = 50 Hz 1800 RPM Hz = (1800 * 2)/60 = 60 Hz Pelos resultados acima, podemos concluir que existe uma relação fixa entre freqüência da f.e.m. gerada e a rotação da máquina primária. Devido ao fato da rotação e da freqüência estarem sincronizadas, esta máquina é denomina de gerador síncrono. Geração trifásica O sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos de tensões U1 , U2 e U3 tais que a defasagem entre elas seja de 120º. O enrolamento desse tipo de gerador é constituído por três conjuntos de bobinas dispostas simetricamente no espaço, formando entre si também um ângulo de 120º. Para que o sistema seja equilibrado isto é, U1 = U2= U3 o número de espiras de cada bobina também deverá ser igual. 7 Tensão nominal múltipla Nos sistemas trifásicos, a tensão entre fases é determinada pelas ligações de fechamento que forem executadas. Normalmente os geradores são fornecidos com 12 terminais de bobinas do induzido para serem ligados de forma a gerar tensão em 220/127 V, 380/220 V ou 440/254 V. Os diferentes valores possíveis de tensão são o resultado do arranjo das bobinas, que são construídas em grupos, resultando para cada fase um conjunto de 2 bobinas que podem ser ligadas em: • Ligação estrela paralelo; • Ligação estrela série; •Ligação zig-zag; 9 É comum em geradores o fornecimento em três tensões 220/380/440. O procedimento nestes casos para se obter 380V é ligar o gerador em 440 V, e alterar a referência no regulador de tensão, de modo a se obter a redução de tensão (redução da indução magnética). Deste modo, poderemos obter três tensões na ligação Y, que é a mais comum em geradores. É importante salientar que esta ligação só deve ser executada sob orientação do suporte técnico da STEMACexecutada sob orientação do suporte técnico da STEMAC, pois implica em algumas modificações nas características técnicas do equipamento. Este tipo de ligação visa melhorar o desempenho do equipamento com relação à presença de harmônicas no sistema, e de cargas desbalanceadas, porém existe uma perda de potência em função deste fechamento, cerca de 15% a 20% da nominal do GMG. O aperto das conexões deve ser feita de acordo com a tabela acima, retirada do manual de instalação e manutenção linha G plus, da WEG. Este procedimento visa evitar a fadiga do material, bem como não danificá-lo no momento do aperto. Deve-se também, quando da revisão das conexões, verificar a fixação do(s) TC(s) instalado(s) na bazeta do gerador e o sentido do(s) mesmo(s), que pode(m) estar(em) invertido(s) e gerar(em) erro de leitura pelo sistema. A resistência de isolamento do enrolamento deve ser medidaA resistência de isolamento do enrolamento deve ser medida antes da entrada em serviço. Se o equipamento for armazenado, deve-se fazer uma verificação periódica, durante este período. A tabela acima indica a ordem de grandeza dos valores que podem ser esperados ao utilizar o Megômetro em máquina limpa e seca, a 40ºC, quando a tensão de ensaio (1000 V) é aplicada durante 1 minuto. O valor mínimo admissível para a resistência Rm do isolamento é dada pela fórmula: Rm = Un + 1 Onde: Rm - resistência de isolamento mínima recomendada em Mega Ohm com o enrolamento à temperatura de 40ºC. Un - tensão nominal da máquina, em kV. Se o ensaio for feito em temperatura ambiente diferente de 40ºC, será necessário corrigir a leitura para 40ºC, utilizando-se uma curva de variação da resistência do isolamento em função da temperatura, levantada com a própria máquina. Estes dados são fornecidos pelo fabricante. Se os valores de resistência forem diferentes dos mostrados na tabela acima, o gerador deverá ser submetido ao processo de secagem descrito no manual do equipamento. COMPORTAMENTO DO GERADOR COMPORTAMENTO DO GERADOR COMPORTAMENTO DO GERADOR COMPORTAMENTO DO GERADOR VAZIO E SOB CARGAVAZIO E SOB CARGA Em vazio (rotação constante), a tensão de armadura depende do fluxo magnético gerado pelos pólos de excitação, ou ainda da corrente que circula pelo enrolamento de campo (rotor). Isto porque o estator não é percorrido por corrente, portanto é nula a reação da armadura cujo efeito é alterar o fluxo total. Carga puramente resistiva: Se o gerador alimenta um circuito puramente resistivo, a corrente de carga gera um campo magnético no estator. Campo magnético induzido produz dois pólos defasados de 90º em atraso em relação aos pólos principais do rotor, e estes exercem sobre os pólos uma força contrária ao movimento, gastando-se potência mecânica para se manter o rotor girando. Devido a perda de tensão nos enrolamentos da armadura será necessário aumentar a corrente de excitação para manter a tensão nominal. Carga puramente indutiva: Neste caso, a corrente de carga está defasada em 90º em atraso em relação a tensão, e o campo de reação do armadura (estator) estará consequentemente na mesma direção do campo principal, mas em polaridade oposta. O efeito da carga indutiva é desmagnetizante. As cargas indutivas armazenam energia no seu campo indutor e a devolvem totalmente ao gerador, não exercendo nenhum conjugado frenante sobre o induzido. Neste caso, só será necessário energia mecânica para compensar as perdas. Devido ao feito desmagnetizante será necessário um grande aumento da corrente de excitação para se manter a tensão nominal. EXCITAÇÃO Para manter constante a tensão de saída do gerador, é necessário regular o sistema de excitação, pois é a intensidade do campo magnético induzido que determina este valor, dessa forma, é aplicado o regulador de tensão no sistema, que é o equipamento que monitora as variações de tensão de saída do gerador e atua diretamente na excitatriz para que esta aumente ou diminua o fluxo do campomagnético, mantendo constante a tensão para qualquer solicitação de carga. Quanto a forma construtiva, duas são as configurações básicas para o sistema de excitação do gerador; EXCITAÇÃO DINÂMICA e EXCITAÇÃO ESTÁTICA. O primeiro, denominado excitação dinâmica, é montado no próprio eixo do gerador com ponte de diodos girantes. O segundo, denominado excitação estática, é constituído por um retificador utiliza a própria energia gerada pelo gerador para alimentar o campo com corrente continua. Nos geradores antigos este gerador de corrente contínua era um dínamo, com escovas e coletor de lâminas de cobre. Atualmente utiliza-se um pequeno gerador de pólos fixos, cuja corrente alternada gerada no induzido rotativo é retificada por uma ponte retificadora de onda completa, também girante, que transfere a corrente retificada diretamente ao campo do gerador, sem a necessidade de escovas. Este sistema é denominado “Brushless” e é largamente utilizado. 17 O regulador de tensão compara a tensão de saída do gerador com o padrão ajustado no potenciômetro de ajuste de tensão e efetua as correções atuando no campo da excitatriz. No sistema de excitação estática, a corrente que alimenta o campo do gerador é retificada e controlada por uma excitatriz eletrônica. A condução da corrente se faz por meio de um par de anéis com escovas montado no eixo do gerador. Como utiliza a tensão gerada pelo gerador, necessita de um mínimo de tensão inicial, gerada pelo magnetismo remanente do gerador durante a partida, para iniciar o processo de retificação e alimentação do campo. Este processo de início de geração é denominado escorva do gerador. É importante salientar que existem níveis de queda de tensão para geradores quando da entrada de carga, considerados aceitáveis e que estes valores dependem de fatores, tais como tipos de carga e percentual de carga aplicada. O importante é que este valor não ultrapasse 7%.Porém existem casos em que valores superiores a este são considerados normais. Para valores diferentes deste, deve se consultar o suporte técnico da STEMAC. Atualmente a WEG MÁQUINAS produz duas linhas básicas de máquinas síncronas: linha S e linha GTA. A linha S foi criada para atender aplicações mais específicas e é composta de produtos engenheirados (motores e geradores) com carcaças a partir da 355 até 2000 em baixa ou alta tensão. São fabricados em chapas de aço soldadas, abertos ou fechados com trocador de calor a ar ou água. Acionadas geralmente por turbinas hidráulicas ou a vapor. A linha GTA é uma evolução das extintas linhas DK e BTA, composta somente de máquinas seriadas (geradores) normais, telecomunicações e navais, com carcaças a partir da 200 até 400, somente em baixa tensão. São fabricadas em chapas de aço calandradas. Acionadas geralmente por motores diesel. Geradores com excitação por escovasGeradores com excitação por escovasGeradores com excitação por escovasGeradores com excitação por escovas No gerador DL, o campo é alimentado em corrente contínua por escovas e anéis coletores, e a tensão alternada é retirada do estator, neste sistema normalmente o campo é alimentado por uma excitatriz chamada de excitatriz estática. A tensão de saída do gerador é mantida constante para qualquer carga e fator de potência, pois esta verifica constantemente a tensão de saída. Quando acionado na rotação nominal o processo de escorvamento se inicia pela pequena tensão residual do gerador. VANTAGENS: Menor tempo de resposta na recuperação de tensão. Menor queda de tensão na partida de motores de indução. DESVANTAGENS: Exige manutenção periódica no conjunto escovas e porta escovas. Não é aconselhável a utilização em centro de processamento de dados, telecomunicações, devido a possibilidade de gerar rádio interferência em função de mau contato das escovas. GeradoresGeradores comcom excitaçãoexcitação semsem escovasescovas ((BrushlessBrushless)) Os geradores BRUSHLESS, são compostos por um estator, um rotor, uma ponte de diodos girantes, uma excitatriz principal e uma excitatriz auxiliar, esta última com imãs permanentes em alguns modelos. O processo de excitação do gerador começa pela excitatriz auxiliar que alimenta o regulador de tensão com uma tensão alternada. Esta tensão é retificada e enviada a um gerador de pólos fixos (excitatriz principal). A excitatriz principal envia uma tensão alternada para a ponte retificadora girante. Então, essa tensão é retificada e é aplicada ao rotor da máquina. Neste sistema as escovas e porta escovas são eliminados pois a tensão de alimentação do campo do gerador é obtida através da tensão induzida na excitatriz e o único elemento de interação é o campo magnético. A antiga linha D possuía duas variações: - DKBH: excitatriz auxiliar sem ímãs, montada internamente ao gerador. Neste tipo de excitatriz, se a máquina ficar parada por longos períodos, pode-se ter dificuldade de se iniciar o escorvamento. - DKBP: excitatriz auxiliar com ímãs, montada externamente o gerador (montada na tampa traseira). - SS (antigo DKBL) - No gerador tipo SS a alimentação do regulador é obtida através de TAP's do próprio enrolamento para baixa tensão ou TP's (trafos de potencial) para alta tensão. Então, no regulador, a tensão é retificada e enviada a um gerador de pólos fixos (excitatriz principal) e ponte retificadora girante. Gerador brushless (sem escovas) sem excitatriz auxiliar. Utiliza um enrolamento auxiliar independente, alojado nas ranhuras da armadura (bobina auxiliar). Serve para fornecer a tensão de alimentação para o regulador de tensão. A bobina auxiliar é um bobinado auxiliar que fica alojado em algumas ranhuras do estator principal da máquina. Sua função é fornecer potência para alimentar o campo da excitatriz principal, regulada e retificada pelo regulador de tensão. Em condições normais de operação do gerador, é produzida uma tensão monofásica de freqüência nominal do gerador, sofrendo pequenas distorções na forma de onda, dependendo do tipo de carga (resistiva, indutiva ou capacitiva). Em situações de curto-circuito na saída do gerador, é produzida uma tensão monofásica de terceira harmônica que alimenta o regulador de tensão e mantém o curto-circuito. A ilustração acima mostra o significado da nomenclatura utilizada pela WEG como exemplo, porém existem outros códigos, que podem ser consultados diretamente no manual do equipamento. Geradores de outros fabricantes, tais como CRAMACO, NEW AGE / STAMFORD também podem ser consultados nos respectivos manuais. DIODOSDIODOS Normalmente as falhas nos diodos são provocadas por fatores externos (surtos de tensão, carga capacitiva e etc) No caso de ocorrer a queima de um diodo girante, é necessário também, verificar as condições dos demais. Quando um diodo é danificado fica impossível determinar o estado exato dos demais diodos, mesmo que o teste indique bom estado. Devido o conjunto de diodos fazer parte do circuito de excitação da máquina síncrona, recomenda-se a substituição de todos os diodos. Reduzindo o risco de novas paradas motivadas pela danificação dos demais diodos. Observar na instalação dos diodos as polaridades, pois três diodos possuem catodo na carcaça e três possuem anodo na carcaça 25 26 Teste nos Diodos A condução de corrente deve acontecer apenas no sentido anodo-catodo, ou seja, na condição de polarização direta. A tabela acima determina a medida da chave do torquímetro e o torque a ser aplicado nos diodos, de acordo com suas dimensões. POTÊNCIA ATIVA Potência Ativa, que realiza o trabalho propriamente dito, gerando calor, iluminação, movimento, etc., e é medida em KW. POTÊNCIA REATIVA A energia elétrica reativa é normalmente expressa em kVAr. Por convenção, quando ela é dada em valores positivos ela é indutiva, e quando negativa ela é capacitiva. A energia reativa indutiva é necessária ao funcionamento de motores. Ela é responsável pela magnetização dos enrolamentos de motores e transformadores. A energia reativa capacitiva é normalmente fornecida ao sistema elétricopor capacitores. Outra forma de se explicar energia reativa é considerando-se o sincronismo entre tensão e corrente. Quando temos apenas cargas resistivas, a tensão e a corrente estão em fase. Ao ligarmos uma carga indutiva (motor), a corrente está defasada 90º em atraso com relação a tensão. Já as cargas capacitivas quando são alimentadas, a corrente é defasada 90º em adianto com relação a tensão. POTÊNCIA APARENTE A energia total (ou aparente) é a soma vetorial da energia reativa (indutiva e capacitiva) com a energia ativa. Denomina-se GMG híbrido aquele que a potência do gerador é superior a do motor. Utiliza-se este tipo de GMG em casos de cargas reativas muito elevadas. As entradas e saídas de ar devem ser mantidas desobstruídas a fim de que a troca de calor seja eficiente. Caso haja deficiência na troca de calor, o gerador irá sobre aquecer podendo danificar a bobinagem (queima do gerador). Os geradores até a carcaça 315 (inclusive) possuem rolamentos blindados, com isso não se faz necessário a relubrificação dos mesmos. Ao final da vida útil do lubrificante, o rolamento deve ser substituído. Para os geradores acima da carcaça 315, os rolamentos são relubrificáveis, nestes casos é necessário seguir rigorosamente as instruções quanto a relubrificação (periodicidade, quantidade e tipo de graxa), contidos no manual do gerador. A tabela acima informa o intervalo de manutenção, o tipo de rolamento, posição e a quantidade de graxa a ser colocada para geradores de carcaça superior a 315. 34 35 36 Para transporte do gerador, após o desacoplado, é fundamental que se faça o travamento do eixo, pois caso contrario podem ocorrer sérios danos ao estator principal e ao rotor. Para transporte do gerador, após o desacoplado, é fundamental que se faça o travamento do eixo, pois caso contrario podem ocorrer sérios danos ao estator principal e ao rotor. 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
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