Geração de Energia Elétrica 1

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AULA 1 
GERAÇÃO DE ENERGIA 
ELÉTRICA E SUBESTAÇÕES 
Profª Thaís Marzalek Blasi 
 
 
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INTRODUÇÃO 
Nesta aula abordaremos os conceitos básicos acerca de usinas 
hidrelétricas e informações sobre cenário brasileiro para geração hidrelétrica. 
Além disso, trataremos dos principais componentes das usinas: barragens, 
turbinas e geradores e suas principais características. 
TEMA 1 – CONCEITOS BÁSICOS DE USINAS HIDRELÉTRICAS 
1.1 Definição de usina hidrelétrica 
O uso da água para mover maquinários e gerar energia remonta às antigas 
civilizações, que já utilizavam moinhos e rodas de água para auxiliar no trabalho. 
Com o passar dos anos, os seres humanos começaram a utilizar a força da água 
para a geração de energia elétrica, e assim surgiram as primeiras usinas 
hidrelétricas, no final do século XIX. 
As usinas hidrelétricas baseiam-se em um conjunto de obras e 
equipamentos que serão aqui apresentados e detalhados. 
Para que seja possível gerar energia elétrica, é necessário haver um 
desnível ou queda em um curso de água. À medida que a água flui para um ponto 
mais baixo de sua altura original, a energia potencial gravitacional é convertida 
em energia cinética, resultando no movimento do volume de água. Esse fluxo de 
água, ao passar por uma turbina hidráulica, converte a energia cinética em 
mecânica (cinética + potencial), fazendo a turbina girar e, consequentemente, 
movimentar o rotor do gerador acoplado. O gerador, por sua vez, converte a 
energia cinética do rotor em energia elétrica. Por fim, a água que passou pela 
turbina volta ao rio, seguindo seu curso natural. 
Todo esse processo de geração de energia elétrica apresenta eficiência 
acima de 90%. Esse é um rendimento bastante elevado quando comparado a 
outros métodos de geração de energia elétrica. Nesse caso, as perdas consistem 
em atritos nas máquinas rotativas e perdas nos equipamentos elétricos (Iberdrola, 
2021). 
Um conceito muito relevante no contexto de geração hidrelétrica 
corresponde à vazão de um rio, que corresponde ao volume de água que passa 
em uma seção reta por unidade de tempo, sendo geralmente expressa em metros 
 
 
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cúbicos por segundo (m³/s). Esse conceito será utilizado mais adiante, em 
diversas definições associadas à geração hidrelétrica. 
Com relação às principais vantagens das usinas hidrelétricas, podemos 
destacar: 
• Possibilidade de reutilização do recurso hídrico, ou seja, a água usada para 
gerar energia pode ser utilizada posteriormente para outras finalidades, 
como irrigação ou na navegação em rios; 
• As hidrelétricas correspondem a empreendimentos com grande aporte de 
capital, mas possuem longa vida útil e baixos custos operacionais; 
• Permitem a regulação do fluxo de água no leito dos rios, especialmente 
quando há represas, controlando o fluxo de água e contribuindo para evitar 
cheias ou secas; 
• Flexibilidade na operação, podendo responder rapidamente a variações no 
setor elétrico, adequando rapidamente os níveis de geração e aumentando 
a confiabilidade e estabilidade do sistema elétrico; 
• São consideradas fontes renováveis de energia que não apresentam 
emissão de gases de efeito estufa durante o processo de geração de 
energia (Enel, 2021; Itaipu, 2021). 
1.2 Classificação das usinas hidrelétricas 
É possível classificar as usinas hidrelétricas de diversas formas de acordo 
com o critério adotado. Em termos de potência, os sistemas de geração 
hidrelétrica podem ser classificados em Usinas Hidrelétricas (UHE), Pequenas 
Centrais Hidrelétricas (PCH) e Centrais Geradoras Hidrelétricas (CGH). 
De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), as UHE 
correspondem aos empreendimentos com potência instalada superior a 5 MW que 
não estejam enquadradas como PCH e que estejam sujeitas à autorização para 
exploração e aproveitamento do potencial hídrico. 
Já as PCHs correspondem às usinas com reservatório de até três 
quilômetros quadrados, com potência instalada entre 1 e 30 MW. Por fim, as 
CGHs devem apresentar potência instalada inferior a 1 MW. Por se tratar de 
usinas de menor porte, elas podem ser construídas em rios de menor vazão, 
sendo empreendimentos de custos menores quando em comparação às UHEs. 
 
 
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Há ainda as micro (até 100 kW) e minicentrais hidrelétricas (acima de 100 
e abaixo de 1.000 kW), que, em geral, são utilizadas para fornecimento de energia 
para comunidades remotas ou propriedades rurais. 
É possível ainda classificar as usinas hidrelétricas em função do tipo de 
operação hidrológica: há aquelas que utilizam reservatórios de regulação, o que 
permite grande variação do nível do reservatório (entre os limites máximo e 
mínimo), sendo capazes de armazenar água e, consequentemente, energia, ao 
longo do tempo; e as usinas a fio d’água, ou seja, sem reservatório de regulação, 
operam quase sem reserva de água e, portanto, de energia, devendo turbinar ou 
verter quase todo o volume de água afluente. 
Há ainda a classificação de acordo com a queda de água: centrais de queda 
baixíssima (alturas menores que 10 m), baixa queda (entre 10 e 50 m), média 
queda (50 a 250 m) e alta queda (acima de 250 m). 
TEMA 2 – CENÁRIO BRASILEIRO DE GERAÇÃO HIDRELÉTRICA 
No Brasil, grande parte da capacidade de geração hidrelétrica foi instalada 
entre os anos de 1974 e 2004, e grande parte das instalações foram iniciadas nos 
anos 1980, tendo em vista a crise do petróleo que havia acontecido na década 
anterior. Concomitantemente, houve o crescimento da demanda por eletricidade 
com o aumento de indústrias eletrointensivas (EPE, 2007). 
De acordo com os dados da ANEEL, em março de 2021, o Brasil 
apresentava capacidade instalada total de 174.883,10 MW, sendo 58,34% da 
produção de energia realizada pelas UHEs, 3,12% correspondente à produção 
das PCHs e 0,47% das CGHs. Dessa forma, é evidente a importância das fontes 
hidrelétricas para geração de energia no país, uma vez que elas correspondem a 
aproximadamente 62% da geração (ANEEL, 2021). 
De acordo com o Sistema de Informações de Geração da ANEEL, até 
agosto de 2021 o Brasil apresentava um total de 1495 empreendimentos de 
geração hídrica, totalizando uma potência instalada (potência fiscalizada) de 
109.375 MW e uma potência outorgada, ou seja, já autorizada para entrar em 
operação, superior a 111.376 MW, como podemos observar na Tabela 1. 
 
 
 
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Tabela 1 – Dados dos empreendimentos de geração hídrica 
Tipo de 
empreendimento 
Número de 
empreendimentos 
Potência 
outorgada 
(kW) 
Potência 
fiscalizada 
(kW) 
CGH 731 833.373,42 851.064,42 
PCH 541 7.148.997,32 5.498.056,57 
UHE 223 103.394.328,00 103.026.516,00 
Total 1495 111.376.698,74 109.375.636,99 
Fonte: ANEEL, 2021. 
Essas usinas estão espalhadas pelo território nacional, aproveitando o 
potencial hidrológico de cada bacia hidrográfica. De acordo com o Conselho 
Nacional de Recursos Hídricos (CNRH), o Brasil pode ser dividido em 12 regiões 
hidrográficas, de modo a contribuir para orientar o planejamento e gerenciamento 
dos recursos hídricos no país. Cada região apresenta um potencial hidráulico, 
associado às características encontradas nos rios da região. Dessa forma, o 
potencial hídrico disponível para a geração de energia em uma região pode ser 
obtido como o potencial tecnicamente viável subtraído do potencial inviabilizado 
devido às restrições ambientais, bem como à aplicação do recurso hídrico para 
outros fins, como navegação, irrigação e outras atividades que dependam do fluxo 
de água. 
Na Figura 1a, é possível visualizar as regiões do país com maior potencial 
hidrelétrico (tons mais escuros); na Figura 1b, estão representadas as 
localizações das UHEs; na Figura 1c, das PCHs; e, na Figura 1d, das CGHs. 
Comparando os quatro mapas, é visível a concentração das usinas, tanto as de 
maior como as de menor porte nas regiões do país que apresentam maior 
potencial hídrico.6 
Figura 1 – a. Mapa do Brasil com a representação do potencial hidrelétrico total 
em MW; b localização das UHEs; c. localização das PCHs; d. localização das 
CGHs 
 
(a) (b) 
 
(c) (d) 
Fontes: Figura 1a – ANEEL, 2017; Figuras 1b, 1c e 1d – ANA, 2021. 
Na sequência, vamos abordar, em detalhes, a usina hidrelétrica de Itaipu, 
a qual corresponde à segunda maior usina em capacidade instalada no mundo, 
atrás apenas da usina de Três Gargantas, na China, com 22.400 MW. Embora 
não tenha a maior capacidade de geração (14.000 MW), Itaipu ainda é a maior 
usina hidrelétrica em geração de energia no mundo. 
Na década de 1960, os governos brasileiro e paraguaio iniciaram as 
negociações para a construção da usina que permitiria aproveitar o potencial 
hídrico de rio Paraná. Em 1973, foi assinado o tratado de Itaipu e, em 1974, foi 
 
 
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criada a empresa binacional Itaipu, responsável pela construção e, 
posteriormente, operação e gerenciamento da usina. 
Em maio de 1984, Itaipu começou a gerar energia, com a entrada em 
operação da primeira das 20 unidades geradoras da usina. Cada unidade 
geradora tem potência instalada de 700 MW. Em 2000, a usina estabeleceu um 
novo recorde de geração, de 93 milhões de MWh em um ano. Em maio de 2007, 
entraram em operação as duas últimas unidades geradoras previstas no projeto. 
Em 2016, Itaipu foi a primeira hidrelétrica no mundo a superar 100 milhões de 
MWh, sendo, desde então, a maior hidrelétrica do mundo em geração acumulada 
(Itaipu, 2021). 
A usina hidrelétrica de Itaipu tem 196 metros de altura, barragem com 7.919 
metros de extensão, vertedouro com capacidade de vazão de 62.200 m³/s e 
reservatório com 170 km de extensão. 
Outras usinas de grande porte no Brasil são a Usina Hidrelétrica de Belo 
Monte (quarta maior do mundo em capacidade instalada, com 11.233 MW) e a 
Usina Hidrelétrica de Tucuruí (sexta maior do mundo, com capacidade instalada 
de 8.370 MW). 
TEMA 3 – BARRAGENS 
As barragens são obras transversais ao leito do rio. Suas principais 
funcionalidades são represar a água para captação e desvio, elevação do nível 
d’água para aproveitamento elétrico e navegação, e represamento de água para 
regularização de vazões (Reis, 2011). 
Barragens podem ser construídas com diversos materiais ou combinações 
desses, como concreto, terra e enrocamento (blocos de pedra ou cimento). 
Um exemplo é a barragem da Usina Hidrelétrica de Itaipu, representada na 
Figura 2, que apresenta trechos de concreto, de enrocamento e de terra. Além 
disso, a barragem permite obter o desnível de 120 metros entre o ponto de 
captação da água (tomadas de água) e as turbinas (Itaipu, 2021). 
 
 
 
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Figura 2 – Barragem da Usina Hidrelétrica de Itaipu 
 
Fonte: Itaipu, 2021. 
As barragens podem ser divididas em dois tipos: de gravidade e em arco. 
As barragens de gravidade são aquelas com seção vertical triangular ou 
trapezoidal, de modo que o peso da barragem garante estabilidade e resistência. 
Essas barragens geralmente são retilíneas ou levemente curvadas quando vistas 
de cima. Já as barragens em arco apresentam forma convexa, de modo que a 
maior parte das pressões hidrostáticas da água são transferidas para as laterais 
da barragem. Por terem essa característica, são geralmente construídas em vales 
muito largos ou em locais com encostas rochosas (ENEL, 2021). 
As barragens apresentam ainda, como parte de sua estrutura, os 
vertedouros, estruturas capazes de realizar o escoamento de água do 
reservatório, permitindo controlar o nível de água deste. Os vertedouros podem 
ser de superfície (também chamados de descarga livre), correspondendo a uma 
barreira com a altura definida pelo nível desejado do reservatório, de modo que 
haverá transbordamento quando o nível de água ultrapassar a altura do 
vertedouro. Outra possibilidade são os vertedores de fundo ou de descarga 
controlada, os quais são controlados por comportas, permitindo o controle do nível 
de água do reservatório. É importante destacar que toda água vertida não é 
utilizada para a geração de energia elétrica. Dessa forma, a operação das usinas 
deve ser feita de modo a se evitar a abertura dos vertedouros. 
 
 
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Figura 3 – Barragens: a. de gravidade; b. em arco 
 (a) 
 (b) 
Créditos: goce risteski/Adobe Stock; Real Moment/Adobe Stock. 
A construção de barragens deve seguir a Política Nacional de Segurança 
de Barragens, definida pela Lei n. 12.334/2010 e recentemente alterada pela Lei 
n. 14.066/2020. 
TEMA 4 – TURBINAS 
A turbina corresponde ao elemento capaz de transformar a energia da água 
em energia mecânica para o rotor do gerador. Essa energia mecânica é produto 
da queda e vazão nominal, aceleração da gravidade e massa específica da água. 
 
 
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Basicamente, as turbinas compreendem um rotor inserido em uma câmara 
que orienta o fluxo de água. Essa câmara pode ser em formato espiral ou aberta. 
Já o rotor corresponde à parte móvel da turbina, e é composto por um conjunto 
de pás e acoplado a um sistema de controle de velocidade que atua no sistema 
de distribuição do fluxo de água chamado distribuidor. Após a água passar pelo 
rotor, ela é direcionada, pelo tubo de sucção, para o canal de restituição (Barreto; 
Tiago Filho, 2008). 
Os principais tipos de turbinas são: de impulso (ou ação), quando o 
escoamento da água se dá a pressão constante; e de reação, quando o 
escoamento de água ocorre com variação de pressão. Com relação à trajetória 
do fluxo de água, as turbinas podem ser classificadas em radial (turbina Francis), 
axial (turbina Kaplan) ou tangencial (turbina Pelton). 
As turbinas Francis foram criadas nos EUA, em 1849, pelo inglês James 
Bicheno Francis, e é o tipo de turbina mais utilizado em hidrelétricas. É uma 
turbina de fluxo centrípeto, ou seja, a água ganha impulso no duto em espiral e as 
hélices na parte fixa, que são ajustáveis, direcionam o fluxo para as hélices do 
rotor. Em relação ao posicionamento do eixo, as turbinas Francis podem ser 
horizontais ou verticais e, em relação à velocidade de rotação do rotor, podem ser 
desde lentas (a partir de 55 rotações por minuto – rpm) até aplicações 
ultrarrápidas (até 450 rpm). Elas são utilizadas para aplicações com diferença de 
altura de 10 a 400 metros e fluxos de água de 2 a 100 metros cúbicos por segundo 
(ANEEL, 2017; Barreto; Tiago Filho, 2008; ENEL 2021). 
As turbinas Kaplan, por sua vez, foram desenvolvidas pelo austríaco Viktor 
Kaplan em 1913, que concebeu uma turbina com capacidade de ajustar o passo 
e a inclinação das pás da hélice de forma similar às hélices de um navio. Em 
relação ao distribuidor, é semelhante às turbinas Francis, com pás orientáveis 
para a entrada do fluxo de água no rotor. São turbinas do tipo axial, ou seja, o 
fluxo de água faz as hélices girarem em direção axial em relação ao eixo do rotor. 
Apresentam boa eficiência para usinas com pequena diferença de altura devido à 
possibilidade de controle do ângulo de ataque das pás, o que possibilita a 
aplicação em casos com grandes variações de vazões (vazões de até 200 metros 
cúbicos por segundo). Devido à sua maior complexidade, apresentam custos 
superiores às demais (ANEEL, 2017, Barreto; Tiago Filho, 2008, ENEL, 2021; 
Macintyre, 1983). 
 
 
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Por sua vez, as turbinas Pelton foram criadas em 1879 pelo norte-
americano Lester Allan Pelton, com o objetivo de aumentar a eficiência das rodas 
d’água. O distribuidor das turbinas Pelton apresenta um bocal de forma apropriada 
para guiar a água, formando um jato cilíndrico sobre a pá do rotor, que apresenta 
um número de pás com formato de concha dupla, igualmente espaçadas ao longo 
de um disco que gira; essa estrutura é conhecida como rotor Pelton. Ao redor do 
rotor existem injetores que fazem jatos de água tangenciais às conchas, que 
impulsionam o movimento do rotor – sendo essa uma turbina do tipo tangencial. 
Os injetores possuem válvulascontroladas pelo regulador de velocidade que 
controlam a vazão de água que impulsiona o rotor. As turbinas Pelton podem ser 
usadas em aplicações com grandes diferenças de altura (de 300 a 1.400 metros) 
e vazões inferiores a 50 metros cúbicos por segundo (ANEEL, 2017; ENEL, 2021; 
Macintyre, 1983). 
Na Figura 4 são ilustrados os três tipos de turbinas previamente 
apresentados. 
Figura 4 – Turbinas hidráulicas: a. Francis; b. Kaplan; c. Pelton 
 
 
(a) (b) 
 
(c) 
Créditos: Sergei/Adobe Stock; Tunatura/Shutterstock; Satakorn/Shutterstock. 
 
 
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Os reguladores de velocidade atuam no sistema de distribuição do fluxo de 
água controlando a potência ativa disponibilizada ao sistema, além de controlar a 
rotação no caso de operação a vazio, que correspondem a 25% da vazão nominal 
para as turbinas Kaplan e Pelton, e 50% para as Francis. Caso as turbinas operem 
com vazões abaixo desses percentuais, elas passam a apresentar vibrações, 
oscilações no eixo e efeitos de cavitação (processo de formação de bolhas que 
geram desgaste da superfície, vibrações e perda de eficiência). 
TEMA 5 – GERADORES 
O gerador é o elemento responsável por converter a energia mecânica 
proveniente das turbinas em energia elétrica. Os geradores podem ser 
classificados em síncronos ou assíncronos. De modo geral, são compostos por 
duas partes principais, a parte fixa, denominada estator, e a parte rotativa, 
chamada rotor. 
Os geradores síncronos podem ser classificados em de baixa e de alta 
velocidade. Os de baixa velocidade são acionados pela turbina, e apresentam 
polos salientes, um grande diâmetro e pequeno comprimento axial. Já os de alta 
velocidade, também conhecidos como turbogeradores, são geralmente utilizados 
em centrais termoelétricas. As máquinas síncronas apresentam relação entre a 
velocidade de operação, a frequência e o número de polos do gerador, de modo 
que, para máquinas com velocidades mais baixas, o número de polos deve ser 
maior, aumentando consequentemente o tamanho do gerador. A Tabela 2 
apresenta os números de polos necessários à máquina síncrona para que ela 
apresente a geração de energia elétrica na frequência de 60 Hz, de acordo com a 
velocidade de rotação do gerador. 
Tabela 2 – Número de polos para máquinas síncronas operando na frequência de 
60 Hz 
Número de polos Rotação do gerador em rpm 
2 3600 
4 1800 
6 1200 
8 900 
10 720 
12 600 
 
 
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Fonte: Barreto; Tiago Filho, 2008. 
A fim de evitar que as máquinas tenham que apresentar um número maior 
de polos e, consequentemente, tornem-se maiores e mais caras, é possível optar 
por acoplar correias e polias na turbina, de modo a aumentar a velocidade. Tendo 
em vista que a quantidade de polos é uma característica da construção do 
gerador, e sabendo-se que a frequência da tensão gerada é proporcional à 
velocidade de rotação do gerador, é necessário estabelecer controles de 
velocidade de modo que a tensão de saída apresente frequência dentro dos 
limites estabelecidos. 
Os geradores assíncronos (ou geradores de indução), apresentam 
menores custos e maior robustez, entretanto, necessitam de bancos de 
capacitores para excitação e um sistema de controle mais robusto para operação 
isolada (sem a rede como referência) (Barreto; Tiago Filho, 2008). 
As principais especificações dos geradores são potência nominal, número 
de fases, forma de conexão, tensão nominal, aterramento, rotação nominal e 
sistema de excitação. 
A potência nominal é definida em função da potência da turbina, sendo 
dada em termos de potência aparente (quilovolt-ampère – kVA). São associados 
à potência nominal do gerador: o rendimento deste com relação à transformação 
da energia da turbina em energia elétrica, e a especificação do fator de potência 
nominal, ou seja, quanto da potência aparente corresponde à potência ativa 
(quilowatt – kW), e quanto corresponde à potência reativa (quilovolt-ampère-
reativo – kvar). O rendimento de máquinas síncronas é na ordem de 90%, e o fator 
de potência geralmente opera na faixa de 0,8 a 0,9. 
O número de fases é relacionado com a potência nominal do gerador, de 
modo que os de menor porte podem apresentar conexão monofásica ou bifásica, 
e os de maior porte devem ser trifásicos. Ademais, a forma de conexão dos 
geradores trifásicos pode ser em delta ou em estrela, a depender da necessidade 
de um ponto neutro no local da instalação. 
A rotação nominal do gerador depende da turbina, que apresenta valores 
de rotação de acordo com a faixa de potência do gerador, tensão nominal e 
número de polos da máquina (Barreto; Tiago Filho, 2008). 
Por fim, o sistema de excitação pode ser feito de modo manual ou 
automático. No modo manual, um circuito de corrente contínua, classificado como 
serviço auxiliar, faz a tensão do gerador subir até o nível mínimo de excitação. 
 
 
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Quando a tensão nos terminais atingir 70% da tensão nominal, o circuito auxiliar 
é desconectado e o gerador passa a fornecer sua própria corrente de excitação, 
e a tensão é ajustada pelo controle de tensão de modo manual. No modo 
automático, o controle de tensão deve ajustar a tensão para o valor operacional 
após o fechamento da chave do circuito auxiliar (Moura et al., 2019). 
Para o acoplamento do sistema de geração com a rede, é necessário que 
os geradores apresentem a mesma sequência de fases, mesma frequência e a 
mesma tensão em módulo e ângulo, sendo, para tanto, utilizado um 
sincronoscópio, que é um dispositivo que mostra o instante correto para 
fechamento do interruptor de sincronização (Moura et al., 2019). 
A Figura 5a apresenta a sala de máquinas de uma usina hidrelétrica, onde 
estão alocados os geradores da usina. Na Figura 5b, há um estator de um gerador 
hidrelétrico sem o rotor. 
Figura 5 – Gerador hidroelétrico: a. sala de máquinas; b. estator de gerador 
hidrelétrico 
 
 
Créditos: Keith Bell/Shutterstock; vladimir salman/Shutterstock. 
 
 
 
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REFERÊNCIAS 
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