Usinas Hidrelétricas conceitos

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE SETE LAGOAS - UNIFEMM 
Unidade Acadêmica de Ensino de Ciências Gerenciais 
Engenharia Elétrica 
 
 
 
 
CRISTIANO CARVALHO DINIZ 
MARCELO HENRIQUE PIRES RODRIGUES 
MATEUS CASSOL FRANÇA 
RAFAEL CLERISSON DE ALMEIDA QUITES 
RAQUEL CAETANO PEREIRA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
USINAS HIDRELÉTRICAS: conceitos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SETE LAGOAS 
2016 
 
 
CRISTIANO CARVALHO DINIZ 
MARCELO HENRIQUE PIRES RODRIGUES 
MATEUS CASSOL FRANÇA 
RAFAEL CLERISSON DE ALMEIDA QUITES 
RAQUEL CAETANO PEREIRA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
USINAS HIDRELÉTRICAS: conceitos 
Trabalho da disciplina Máquinas 
Hidráulicas e Usinas Hidrelétricas, do 6º 
período do curso de engenharia elétrica, da 
Unidade Acadêmica de Ensino de Ciências 
Gerenciais, do Centro Universitário de Sete 
Lagoas, como requisito parcial de avaliação. 
 
Finalidade: Apresentar conceitualmente 
uma usina hidrelétrica, suas partes 
principais e as respectivas funções. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SETE LAGOAS 
2016 
 
 
USINAS HIDRELÉTRICAS: conceitos 
 
CRISTIANO CARVALHO DINIZ* 
MARCELO HENRIQUE PIRES RODRIGUES* 
MATEUS CASSOL FRANÇA* 
RAFAEL CLERISSON DE ALMEIDA QUITES* 
RAQUEL CAETANO PEREIRA* 
 
RESUMO 
 
 Centenas de hidrelétricas foram construídas no Brasil nas últimas décadas, de 
variados portes e potências. Isso torna o estudo das centrais hidrelétricas algo atrativo para 
engenheiros eletricistas, que podem buscar sempre pontos de melhorias e oportunidades. O 
presente trabalho propõe a apresentação desse vasto campo de atuação através dos conceitos, 
dos estudos técnicos de dimensionamento e da revisão bibliográfica de trabalhos que já 
abordaram esse assunto. Para a implantação de uma hidrelétrica é necessário o estudo 
hidrológico de onde será implantada a usina, a topografia, o estudo das transformações de 
energia e de todos os aspectos técnicos que compõem a construção de uma usina. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Palavras-chave: Usina. Hidrelétricas. Transformações de energia 
* Graduandos do curso de Engenharia Elétrica do Centro Universitário de Sete Lagoas – UNIFEMM.
 
 
LISTAS DE ILUSTRAÇÕES 
 
Figura 1 – Modelagem de trecho de um rio .............................................................................9 
Figura 2 - Esquema para transformação de energia. ............................................................... 10 
Figura 3 - Atividades de estudo e projeto de uma central hidrelétrica .................................... 15 
Figura 4 - Esquema de usina hidrelétrica ............................................................................... 17 
Figura 5 - Esquema de um rio entre sua nascente a e a foz ..................................................... 18 
Figura 6 - Fluviograma do comportamento das vazões médias mensais em 10 anos no Rio 
Paracatu. ............................................................................................................... 19 
Figura 7 - Desenho esquemático de usina em queda natural .................................................. 21 
Figura 8 - Usina em queda natural ......................................................................................... 22 
Figura 9 - Fluxograma de implantação de uma CH ................................................................ 25 
Figura 10 - Corte transversal em barragem a gravidade. ........................................................ 26 
Figura 11 - Barragem em enrocamento .................................................................................. 27 
Figura 12 - Barragem em arco ............................................................................................... 27 
Figura 13 - Barragem de contrafortes .................................................................................... 28 
Figura 14 - Níveis de operação e volumes dos reservatórios .................................................. 29 
Figura 15 - Barramento singelo ............................................................................................. 34 
Figura 16 - Subestação com barramento auxiliar ................................................................... 34 
 
 
 
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 
 
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. 
 
BIG – Banco de Informações da Geração 
 
CH – Centrais Hidrelétricas. 
 
CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica 
 
CV – Cavalo Vapor 
 
F.P. = Fator de Potência 
 
GCH – Grande Central Hidrelétrica. 
 
GE – Gerador Ellétrico. 
 
MCH – Minicentral Hidrelétrica. 
 
MME – Ministério de Minas e Energia. 
 
PCH – Pequenas centrais hidrelétricas. 
 
PCH-COM – Programa de Desenvolvimento e Comercialização de Energia Elétrica de 
Pequenas Centrais Hidrelétricas. 
 
PIE – Produtor Independente de Energia Elétrica. 
 
TH – Turbina hidráulica. 
 
UHE – Usina Hidrelétrica.
 
 
SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO........................................................................................................... 6 
2 BREVE CONTEXTO HISTÓRICO E ATUAL...................................................... 7 
2.1 O Histórico das PCH’s................................................................................................ 8 
3 TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA QUE ACONTECEM NA USINA........... 9 
4 
ASPECTOS TÉCNICOS DOS PROJETOS DE CENTRAIS 
HIDRELÉTRICAS..................................................................................................... 
14 
4.1 Estudo Hidrológico..................................................................................................... 17 
4.1.1 Fluviograma................................................................................................................. 18 
4.1.2 Vazões extremas.......................................................................................................... 19 
4.2 Características Topográficas..................................................................................... 20 
4.2.1 Tipos de arranjos........................................................................................................ 20 
4.2.1.1 Locais com quedas naturais.......................................................................................... 20 
4.2.1.2 Locais sem quedas naturais.......................................................................................... 21 
4.3 Cálculo de Potência da Usina..................................................................................... 22 
4.4 Atividades de Estudo e Implantação das Hidrelétricas.......................................... 23 
4.4.1 Classificação das centrais hidrelétricas................................................................... 23 
4.4.2 Etapas para implantação................................................................................... 24 
4.4.3 Barragem.......................................................................................................... 26 
4.4.4 Vertedouro........................................................................................................ 28 
4.4.5 Reservatório...................................................................................................... 28 
4.4.6 Comportas........................................................................................................ 30 
4.4.7 Circuito de geração........................................................................................... 30 
4.4.8 Obrasde desvio e controle do rio...................................................................... 30 
4.5 Aspectos Geotécnicos e Geológicos.................................................................... 30 
4.6 Principais Componentes de uma Central Hidrelétrica....................................... 31 
4.6.1 Casa de Força................................................................................................... 31 
4.6.2 Turbinas........................................................................................................... 31 
4.6.3 Geradores.......................................................................................................... 32 
4.6.4 Transformadores principais............................................................................. 32 
4.6.5 Equipamentos auxiliares................................................................................... 33 
 
 
4.7 Subestação da usina.......................................................................................... 33 
5 Conclusão.......................................................................................................... 35 
6 Referências........................................................................................................ 36 
 
6 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
Este trabalho tem por finalidade a apresentação dos conceitos das usinas 
hidrelétricas, fornecendo ao leitor a possibilidade de se familiarizar com as partes 
componentes das centrais hidrelétricas, um pouco da sua história e do cenário atual. No 
entanto, não há a pretensão de se orientar quanto aos detalhes construtivos e de projetos 
detalhistas, mesmo que aborde de forma simplificada as transformações de energia e cálculos 
necessários à implantação das centrais hidrelétricas. 
O estudo se inicia na história das usinas e do cenário atual. Logo após é feita uma 
avaliação das transformações de energia de forma teórica e o objetiva. Os estudos técnicos 
tentaram abordar as principais partes de uma usina, desde o estudo hidrológico, o começo de 
tudo, passando pelo desvio do rio e a apresentação de cada parte da usina, até o cálculo de 
potência para implantação. 
7 
 
2 BREVE CONTEXTO HISTÓRICO E ATUAL 
 
As primeiras centrais geradoras de energia elétrica do Brasil surgiram entre 1880 
e 1900. Neste período, mais da metade correspondia a pequenas centrais hidrelétricas 
(GOMES
1
, citado por FARIA, 2011). 
Na década de 1920 a população brasileira praticamente dobrou de tamanho em 
relação ao início do século, aumentando a necessidade do parque industrial. A geração de 
energia elétrica acompanhou esse crescimento, também duplicando seu tamanho. Na época, 
essa geração já era majoritariamente hídrica (GOMES
1
, citado por FARIA, 2011). 
Na década de 50 o Brasil enfrentou racionamentos constantes devido a uma crise 
energética, culminada pelo aumento da demanda de energia elétrica. Nesta época a maioria do 
parque gerador era em pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH) e o setor era dominado por 
empresas privadas (GUIMARÃES
2
, citado por FARIA, 2011). 
Segundo Clemente
3
, citado por Faria (2011, p.25), “foi neste momento de crise 
energética que o Brasil efetuou a transição do setor elétrico do modelo privado para o modelo 
público, seguindo a tendência mundial de estatização”. 
Em 1955 foi construída, já seguindo o modelo público, a primeira grande 
hidrelétrica, denominada hoje como Usina de Paulo Afonso I (CLEMENTE
3
, citado por 
FARIA, 2011). 
Desde então o setor energético passou por várias mudanças, como a utilização 
política para controle da inflação, uma grave crise de incapacidade financeira, a privatização 
das companhias operadoras, e a implantação por parte do governo para assegurar a expansão e 
a oferta de energia. 
Mas segundo Lima
4
, citado por Faria (2011), toda a reforma não impediu o 
racionamento de energia, desencadeada pelos baixos níveis dos reservatórios das hidrelétricas. 
 
 
1 GOMES, A.C.S. BNDES 50 anos: Histórias Setoriais - Setor Elétrico. Brasília: BNDES, 2002. 
2 GUIMARÃES, G. Crise energética e privatização. Brasília: Consultoria Legislativa da Câmara dos Deputados, 
2001, 11p. 
3 CLEMENTE, L. Seleção de potência instalada ótima no de PCHs no contexto de mercados competitivos. 
2001. 270 p. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2001. 
4 LIMA, F.A. A regulação por contratos no setor elétrico brasileiro: O contrato de comercialização de energia 
elétrica no ambiente regulado – CCEAR e os leilões de energia. 43 p. Monografia. (Pós Graduação em Direito da 
Regulação e Defesa da Concorrência) – Instituto CEUB de Pesquisa e Desenvolvimento, Universidade de 
Brasília, Brasília, 2006. 
8 
 
2.1 O Histórico das PCH’s 
 
Entre as décadas de 1950 e 1990, as PCHs foram praticamente excluídas do 
planejamento da expansão do sistema energético brasileiro (ANDRADE
5
, citado por FARIA, 
2011). 
O mesmo autor complementa que: 
as principais mudanças que possibilitaram a expansão das PCHs foram: criação da 
figura do Produtor Independente de Energia Elétrica (PIE) como agente gerador, [...] 
o livre acesso ao sistema de transmissão, [...] o desconto nas tarifas de uso dos 
sistemas de transmissão, [...] a isenção do pagamento da compensação financeira por 
área inundada, o aumento do número de consumidores ‘livres’ [...] e o lançamento 
do Programa de Desenvolvimento e Comercialização de Energia Elétrica de 
Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH-COM). 
 
“O Banco de Informações da Geração (BIG) relata a existência de 458 PCHs e 
206 Usinas Hidrelétricas (UHE) em operação, com aproximadamente 105,824 MW de 
potência instalada. Além disso, existiam 35 PCHs e 8 UHEs em construção e outros 125 
PCHs e 6 UHEs outorgados. (ANEEL, 2016)”. 
 
5 ANDRADE, J.S.O. Pequenas Centrais Hidrelétricas: Análise das causas que impedem a rápida expansão de 
um programa de PCH no Brasil. 2006. 88 p. Dissertação (Mestrado) – Programa de Pós-Graduação em 
Engenharia, Universidade de Salvador, Salvador, 2006. 
 
9 
 
3 TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA QUE ACONTECEM NA USINA 
 
Conforme alertam Souza, Santos e Bortoni (2009, p.1), 
Estudos de implantação de Centrais Hidrelétricas (CH), de qualquer porte, somente 
poderão ser iniciados quando quedas e vazões forem criteriosamente quantificadas, 
bem como as questões ambientais delimitadas pelo órgão ambiental competente. 
 
A energia que se processa na usina hidrelétrica é a energia potencial gravitacional 
devido à diferença de altitude do curso do rio. Esta energia se transforma em energia cinética 
de rotação na ação da turbina hidráulica (TH), a energia cinética é convertida em energia 
mecânica e finalmente é transformada em energia elétrica no gerador elétrico (GE) interligado 
à turbina por um acoplamento (A) (CRUZ
6
, apud FARIAS, 2011). 
Nessas transformações, para que possam ser aplicados os princípios da mecânica, 
precisamos antes modelar a natureza. Nessa modelagem vamos considerar as variações de 
alturas constantes (H) e as vazões de entrada e saída também constantes (Q). Assim podemos 
imaginar dois reservatórios interligados por um conduto onde escoa a vazão devido à 
diferença de altura, esquema ilustrado na figura 1 (SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009). 
 
Figura 1 – Modelagem de trecho de um rio 
 
Souza; Santos; Bortoni, 2009 
 
6 CRUZ, T.B. Estimativas de potenciais hidrelétricos remanescentes de PCH´s com base em ferramentas de 
geoprocessamento. 2008. 54p. (Projeto final de graduação em engenhariahídrica). Universidade Federal de 
Itajubá, Itajubá, 2008. 
10 
 
A transformação de energia potencial gravitacional em energia elétrica ilustrado 
na figura 2, com os principais componentes. 
 
Figura 2 - Esquema para transformação de energia. 
 
Souza; Santos; Bortoni, 2009 
 
Segundo Souza, Santos e Bortoni (2009) “aplicando-se a este sistema os 
princípios da conservação da energia e da massa entre o nível de montante (NM) e o nível de 
jusante (NJ), tendo este último como referência, obtém-se”: 
A energia hidráulica média disponível, por unidade de massa na entrada 1 e saída 2 da turbina 
será dada, respectivamente, por: 
 
 
 
 
 
 
 
 e 
 
 
 
 
 
 
 
A energia específica hidráulica, transformada em trabalho pela turbina: 
 
Para que essa energia específica seja máxima, deve-se ter: 
 
 
 
 
 
 
11 
 
Quando a turbina não possui tubo de sucção (turbina de ação), o trabalho específico máximo é 
determinado pela expressão: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (1) 
 
Onde, 
P1 = Pressão estática na saída da turbina [N / m
2
]; 
v2 = velocidade média da água na saída da turbina [m / s]; 
g = aceleração da gravidade [m / s
2
]. 
Segundo Schreiber
7
, citado por Farias (2011), “um determinado volume d’água 
caindo de certa altura produz o trabalho teórico de”: 
 
 (2) 
 
Onde, 
T = trabalho teórico; 
γ = peso específico da água, 1 T/m3; 
V = volume d’água, em m3; 
H = altura da queda bruta. 
A potência teórica de um aproveitamento hidrelétrico é definida por: 
 
 (3) 
 
Onde, Q é igual à descarga, m
3
 / s. 
Ainda segundo do mesmo autor, a potência hidrelétrica é a energia que se fornece 
em um determinado intervalo de tempo e a unidade é em watt (W), ou seja, J/s. geralmente 
para centrais hidrelétricas utilizam-se as unidades kW
8
, MW ou GW. 
“Todavia, a transformação de energia potencial em cinética e posteriormente para 
mecânica e elétrica acarreta em perdas, pois estas conversões não são totalmente eficientes” 
(SCHEREIBER
7
, citado por FARIAS, 2011). 
 
7 SCHREIBER, G.P. Usinas Hidrelétricas. São Paulo, Edgar Blucher; Rio de Janeiro, ENGEVIX, 1977. 
8 1 t.m/s = 9,81 kW 
12 
 
Complementado por Souza, Santos e Bortoni (2009), temos que “a potência 
perdida internamente na turbina, oriunda de atrito, fugas, choques e turbulência, e seu 
rendimento interno são determinados por ensaios, resultando em”: 
 
 e 
 
 
 (4) 
 
Ainda segundo Souza, Santos e Bortoni (2009), “a potência perdida externamente 
à turbina tem origem no seu eixo, nos seus mancais, buchas e vedadores, permitindo calcular 
a potência perdida mecânica na turbina e o rendimento mecânico correspondente”: 
 
 e 
 
 
 (5) 
 
A soma de Ppi e Pm é a potência perdida total na turbina, sendo o seu rendimento 
total calculado por: 
 
 
 
 
 (6) 
 
Segundo o mesmo autor, “as perdas no sistema girante não pertencem ao eixo da 
turbina nem do gerador elétrico e são determinadas por ensaios ou por expressões 
normalizadas”. 
Sendo que η é o fator de rendimento da turbina e do gerador e Hliq é a queda 
líquida, que é a queda bruta menos as perdas de carga nos órgãos de adução, tem-se que a 
potência efetiva corresponde à equação 6. 
 
 (7) 
 
 “Assim, a produção de energia elétrica utilizando a energia mecânica da água é 
um produto da queda líquida, das vazões disponíveis e do rendimento do conjunto turbina-
gerador multiplicada pelo tempo” (USACE9, apud FARIA, 2011). 
 
9 US ARMY CORPS OF ENGINEERS (USACE). Geotechnical investigations. 2001. Disponível em< 
http://140.194.76.129/publications/eng-manuals/>. Acesso em: 25 de Jan. de 2010. 
13 
 
 “O rendimento das turbinas Pelton, Francis e Kaplan variam entre 75% e 97%” 
(SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009). 
 No caso das PCHs, normalmente, aproveitam apenas o curso natural do rio, tendo 
um pequeno reservatório, compensando a descarga diariamente ou semanalmente. Assim, é 
necessário avaliar durante quanto tempo a descarga estará disponível e ao mesmo tempo a 
queda correspondente e a potência resultante destes fatores (SCHEREIBER
7
, conforme 
FARIAS, 2011). 
14 
 
4 ASPECTOS TÉCNICOS DOS PROJETOS DE CENTRAIS HIDRELÉTRICAS 
 
 “A implantação de uma usina hidrelétrica envolve uma série de estudos [...] que 
visam avaliar a viabilidade técnica, econômica e ambiental de uma local para o 
aproveitamento do potencial hidroenergético. Atividades listadas na figura 
3”(ELETROBRÁS10, citado por FARIA, 2011). 
 
 
10 CENTRAIS ELÉTRICAS DO BRASIL (ELETROBRÁS). Diretrizes de estudos e projetos de pequenas 
centrais hidrelétricas. Rio de Janeiro. 2000 
15 
 
Figura 3 - Atividades de estudo e projeto de uma central hidrelétrica 
 
Adaptado de FARIAS (2011) 
16 
 
 Segundo Faria (2011), “para a compreensão de cada um dos fatores que 
interferem tanto no custo como no beneficio de uma UHE, é necessário compreender a função 
das principais estruturas de um aproveitamento hidrelétrico”: 
 Barragem: “Estrutura que tem como objetivo reter a água para 
determinados fins, criando, artificialmente um desnível local” (SOUZA11 
et. al., citado por FARIA, 2011). 
 Vertedouro: “Obra projetada com o objetivo de escoar a cheia de projeto 
para a manutenção do nível d’água do reservatório em uma cota desejável, 
evitando o risco da água atingir a crista da barragem” (SOUZA7 et. al., 
citado por FARIA, 2011). 
 Circuito de geração: “O circuito de geração tem por finalidade aduzir a 
água para a transformação de energia mecânica em energia elétrica” 
(MME
12
, citado por FARIA, 2011). 
No caso do cricuito de geração, tem-se: 
 A tomada d’água: “Estrutura destinada a captar a água para o conduto 
forçado ou canal/túnel de adução” (FARIA, 2011). 
 Canal e Túnel de adução: “estruturas responsáveis por aduzir a água até o 
conduto forçado em arranjos de derivação” (FARIA, 2011) 
 Chaminé de Equilibrio: “tem a finalidade de estabilizar as variações de 
pressão resultantes de variação parcial ou total da vazão turbinada nas 
situações de partida, variações de carga ou rejeição de carga da unidade 
geradora” (MME8, citado por FARIA, 2011). 
 Câmara de carga: “realiza a transição entre o canal e a tomada d’água do 
conduto forçado. É dimensionada com o objetivo de atender condições 
críticas de partida e parada brusca da unidade geradora” (SOUZA7 et. al., 
citado por FARIA, 2011). 
 Conduto Forçado: “Liga a tomada d’água à casa de força funcionando sob 
pressão. Os condutos forçados podem ser externos ou em túneis” (MME8, 
citado por FARIA, 2011). 
 
11 SOUZA, de Z, SANTOS A.H.M., BORTONI, E.C. Centrais Hidrelétricas: estudos para implantação. Rio de 
Janeiro: ELETROBRÁS, 1999. 426p. 
12 MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA (MME). Manual de inventário hidrelétrico de bacias hidrográficas. 
Rio de Janeiro: E-papers, 2007. 684 p. 
17 
 
 Casa de força: “abriga os equipamentos elétricos e mecânicos. O arranjo 
típico da casa de força é [...] condicionado pelo tipo da turbina e do 
gerador” (ELETROBRÁS6, citado por FARIA, 2011). 
 Túnel ou canal de fuga: “localizado à jusante dotubo de sucção, entre a 
cas de força e o rio, é o canal através do qual a vazão turbinada é restituida 
ao rio” (ELETROBRÁS6, segundo FARIA, 2011). 
A figura 4 apresenta um corte esquemático de um arranjo de uma usina 
hidrelétrica. 
 
Figura 4 - Esquema de usina hidrelétrica 
 
SOUZA
7
, adaptado por FARIA, 2011 
 
4.1 Estudo Hidrológico 
 
 É necessário ter conhecimento da disponibilidade hídrica para se estimar a energia 
que poderá ser produzida em determinado local. O regime de vazões depende das observações 
das variáveis hidrológicas e do histórico dos dados hidrográficos, presumindo que, no futuro, 
as condições serão as mesmas ou pelo menos muito semelhantes. (TUCCI, citado por 
FARIAS, 2011). 
 Na figura 5 está à representação de um rio da nascente até a foz e as suas seções 
intermediárias. 
 
18 
 
Figura 5 - Esquema de um rio entre sua nascente a e a foz 
 
Souza; Santos; Bortoni, 2009 
 Na representação, H são as quedas e as vazões médias, sendo as quedas 
calculadas pelas diferenças de cotas Z. 
 E, segundo Souza, Santos e Bortoni (2009), “a potência hidráulica máxima teórica 
média do rio Pt máx (kW) será determinada por”: 
 
 
 
4.1.1 Fluviograma 
 
 Segundo Souza, Santos e Bortoni (2009), 
denomina-se fluviograma o gráfico que representa as vazões, em uma seção 
transversal do rio em função do tempo. Esta representação pode ser feita com as 
vazões instantâneas, médias diárias, semanais, mensais ou anuais, máximas e 
mínimas semanais, mensais ou anuais. 
 Na figura 6 está representado um exemplo de fluviograma das vazões médias 
mensais em um posto no rio Paracatu. 
 
19 
 
Figura 6 - Fluviograma do comportamento das vazões médias mensais em 10 anos no Rio Paracatu. 
 
Souza; Santos; Bortoni (2009) 
 
 Souza, Santos e Bortoni (2009) observam que as maiores vazões aparecem entre 
novembro e março do ano seguinte, enquanto os períodos de menores vazões ocorrem sempre 
entre maio e setembro de cada ano, assim como a máxima vazão ocorreu em fevereiro de 
1966 e a menor vazão em agosto de 1971. 
 
4.1.2 Vazões extremas 
 
 Vazões extremas são as vazões máximas e mínimas que poderão vir a ocorrer. 
Para vazões máximas utilizam-se os dados do ano hidrológico (outubro a setembro do ano 
seguinte), isso porque as vazões de dezembro e janeiro estão fortemente relacionadas e é onde 
o período é bem definido, destacando o maior risco de inundações. E para as vazões mínimas 
utiliza-se o ano civil (janeiro a dezembro) (SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009). 
20 
 
 “Vazões máximas são calculadas para dimensionamento de obras civis [...] e as 
vazões mínimas, em geral, são calculadas para atendimento de requisitos ambientais” 
(SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009). 
 
4.2 Características Topográficas 
 
 “Aliados aos aspectos geológico-geotécnicos e as restrições socioambientais, as 
características topográficas de um local são os principais condicionantes para concepção do 
arranjo de uma usina hidrelétrica” (ELETROBRÁS6, conforme FARIA, 2011). 
 Esses estudos visam englobar os seguintes aspectos: 
 Elaboração de base cartográfica em escala adequada ao empreendimento; 
 Determinação da queda bruta disponível no local; 
 Levantamento do perfil longitudinal do rio no trecho de interesse; 
 Levantamento da curva cota x área e da curva cota x volume; 
 Locação das estruturas; 
 Locação das sondagens; 
 Locação do reservatório (ELETROBRÁS, apud FARIA, 2011). 
 
4.2.1 Tipos de arranjos 
 
 Cada local apresenta características peculiares de topografia, geologia e 
hidrologia. A concepção de um projeto passa por várias alternativas, até que se atinja àquela 
que melhor combine os elementos e restrições, a segurança, as facilidades de operação e 
manutenção e o menor custo, procurando sempre minimizar os impactos ambientais negativos 
(MME
8
, citado por FARIA, 2011). 
 Em função da topografia, existem basicamente dois tipos de arranjos: locais com 
ou sem queda natural. 
 
4.2.1.1 Locais com quedas naturais 
 
 A Eletrobrás, conforme lembra Farias (2011) define que: 
Em locais com quedas naturais é comum que o barramento fique à jusante da queda 
contendo o vertedouro e a tomada d’água. O barramento tem a função de criar um 
21 
 
pequeno reservatório que possibilite que a água seja desviada para o circuito de 
adução. Circuito hidráulico de adução fica posicionado em um das ombreiras e é 
composto por dois trechos: um de baixa pressão e outro de alta pressão. O trecho de 
baixa pressão é definido em função das características topográficas e geológico-
geotécnicas do local, sendo constituído por canal, túnel ou conduto. O trecho em alta 
pressão é constituído por condutos forçados que levam a água até a casa de força, 
que fica, usualmente, afastada do barramento. 
 
 
Figura 7 - Desenho esquemático de usina em queda natural 
 
CEPEL
13
, adaptado por FARIAS, 2011 
 
 
4.2.1.2 Locais sem quedas naturais 
 
 Ainda segundo a Eletrobrás, citada por Faria, 2011: 
Nos locais onde o desnível é criado pela própria barragem, o arranjo usual é 
compacto com as estruturas alinhadas e com a casa de força no pé da barragem. A 
adução é feita através de uma tomada d’água, incorporada ao barramento e casa de 
força. Como cada local possui características topográficas próprias, alternativas de 
arranjo geral que pareçam atrativas devem ser estudadas. 
 A figura 8 ilustra uma usina sem queda natural. 
 
13 CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA (CEPEL). Manual de aplicação de sistemas 
descentralizados de geração de energia elétrica para projetos de eletrificação rural: pequenas centrais 
hidrelétricas. Rio de Janeiro. 2000. 
22 
 
Figura 8 - Usina em queda natural 
 
 
FARIAS, 2011 
 
 
4.3 Cálculo de Potência da Usina 
 
 “A definição da potência instalada de uma usina é realizada usualmente na fase de 
projeto básico através de análises de custo-benefício, uma vez que na fase de inventário é 
adotado, segundo critérios da ANEEL, um fator de capacidade de referência 0,5” (FARIA, 
2011). 
 Segundo Sá (2009), a queda disponível (Hd) é a queda bruta da usina (Hb) menos a 
soma das perdas. Definido essas perdas, a potência da turbina em cavalo vapor (CV) é: 
 
 
 
 
 [CV] (8) 
 
Onde: 
W = potência da turbina [CV]; 
 = peso específico da água – 1000[kg / m3]; 
Q = vazão [m
3
 / seg]; 
23 
 
Hd = altura disponível [m]; 
Η = rendimento da turbina [%]. 
 Segundo o mesmo autor, a potência do gerador em KVA é dada por: 
 
 
 
 
 [KVA] (9) 
 (10) 
 
Onde: 
WCV = potência da turbina em [CV]; 
ηg = rendimento do gerador = 0,90; 
cos φ = fator de potencia – F.P. = 80% 
 
 “O número de pares de pólos do gerador (P) é dado pela relação, abaixo, em 
função da frequência (f) e da velocidade (n) da turbina [...] sendo que quanto menor a 
velocidade, maior é o número de pares de pólos do gerador” (SÁ, 2009). 
 
 
 
 
 (11) 
 
Onde: 
P = número de pares de pólos; 
f – frequência; 
n – rotações por minuto da turbina 
 
4.4 Atividades de Estudo e Implantação das Hidrelétricas 
 
4.4.1 Classificação das centrais hidrelétricas 
 
 Segundo Souza, Santos e Bortoni (2009, grifo nosso), a Agência Nacional de 
Energia Elétrica (ANEEL) classifica as usinas de acordo com sua potência e da seguinte 
maneira: 
Minicentral Hidrelétrica (MCH) para centrais com potência de até 1 MW, que ficam sob 
inteira responsabilidadedos interessados, pessoa física ou jurídica que obtenha licença 
24 
 
ambiental. A Pequena Central Hidrelétrica (PCH) são as centrais hidrelétricas com potência 
entre 1 MW e 30 MW e cujo reservatório tenha no máximo 13 km2. Pode ser gerida por 
produtor independente, pessoa jurídica que recebe concessão para produzir energia elétrica 
para comércio por sua conta e risco, ou por autoprodutor, que pode ser pessoa física ou 
jurídica que recebe concessão para produzir energia elétrica para seu uso exclusivo, podendo 
comercializar o excedente com autorização especial da ANEEL. A Usina Hidrelétrica (UHE) 
ou Grande Central Hidrelétrica (GCH) são centrais hidrelétricas com potência superior a 30 
MW, gerida por pessoa física ou jurídica que receba concessão após processo licitatório. 
 
4.4.2 Etapas para implantação 
 
 Souza, Santos e Bortoni (2009, p.22), citando Eletrobrás
14
 e recomendações da 
ANEEL, estabelecem as etapas de estudos para a implantação de um aproveitamento 
hidrelétrico: 
 Estimativa do potencial hidrelétrico: Análise da bacia hidrográfica quanto 
à topografia, hidrologia e uso múltiplo da água. 
 Estudo de inventário hidrelétrico: estabelece o potencial hidrelétrico e a 
definição da motorização que propicie o máximo aproveitamento do 
potencial hidráulico com o menor custo. O estudo pode ser simplificado 
para centrais de pequeno porte ou pleno, de maior complexidade e voltado 
para GCH. 
 Estudo de viabilidade: Define-se a concepção global, visando 
características técnico-econômicas, ambiental e avaliação dos benefícios e 
custos associados. 
 Projeto básico: Onde o aproveitamento hidrelétrico é detalhado e onde se 
define o orçamento. Nessa etapa é realizado o projeto ambiental. 
 Projeto executivo: Processam-se os desenhos necessários à execução da 
obra e onde são tomadas as medidas para implantação do reservatório. 
 Execução do empreendimento: Execução de acordo com o projeto 
executivo. No final dessa etapa, a CH estará pronta para operação. 
A figura 9 apresenta o fluxograma descrito anteriormente: 
 
14 Manual de Inventário Hidrelétrico de Bacias Hidrográficas Eletrobrás. Rio de Janeiro. BR. 1997 
25 
 
Figura 9 - Fluxograma de implantação de uma CH 
 
Diretrizes para projetos de PCH – Eletrobrás, 2010 
26 
 
4.4.3 Barragem 
 
 A barragem possui a função de reter a água para determinados fins, criando, 
artificialmente, um desnível local (SOUZA
7
, segundo FARIA, 2011). 
 Segundo Souza, Santos Bortoni (2009), os tipos mais comuns são: 
 Barragem à gravidade: Feita em concreto, resistem à ação das forças 
externas por efeito de seu próprio peso, figura 10. 
 
Figura 10 - Corte transversal em barragem a gravidade. 
 
Souza; Santos; Bortoni (2009) 
 
 
 Barragem de enrocamento: “Construída com pedras lançadas e pedras 
arrumadas manual ou mecanicamente [...] possuindo uma membrana 
impermeabilizante ligada a um diafragma colocado nas fundações” 
(SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009), conforme figura 11. 
27 
 
Figura 11 - Barragem em enrocamento 
 
SOUZA; SANTOS; BORTONI (2009) 
 
 Barragem de terra: Construída em terra compactada, geralmente com 
material impermeável no centro e um filtro de drenagem. Em formato 
trapezoidal com revestimento em pedra ou grama (SOUZA; SANTOS; 
BORTONI, 2009). 
 Barragem em arco: O comprimento deve ser pequeno em relação à altura. 
Exige a presença, nas encostas do vale, de material rochoso de grande 
resistência (CHIOSSI, 2013). “Composta de uma parede única de 
concreto, curva em planta, com a sua face convexa voltada para montante” 
(FILHO, 2006, p. 364), sendo a “estrutura curva engastada nas paredes 
rochosas da secção de barramento” (SOUZA; SANTOS; BORTONI, 
2009). Representada na figura 12. 
Figura 12 - Barragem em arco 
 
EMPSON, 2013 
28 
 
 Barragem em contrafortes: “Barragem de concerto armado com declive 
para montante, que toma a carga de água e a transmite aos contrafortes 
laterais. Estes são paredes verticais com seu eixo normal à placa” (FILHO, 
2006). Conforme figura 13. 
 
Figura 13 - Barragem de contrafortes 
 
FILHO, 2006 
 
A posição do barramento deve procurar maximizar os ganhos energéticos, 
respeitando as restrições socioambientais [...] e minimizar as dimensões da barragem com o 
objetivo de redução de custos (FARIAS, 2011). 
 
4.4.4 Vertedouro 
 
 O vertedouro é projetado para conduzir as vazões de cheia para a jusante da 
barragem, em condições de segurança (ELETROBRÁS, 2003), “evitando o risco de o nível da 
água atingir a crista do reservatório” (SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009). Podendo ser 
dimensionado com ou sem comportas, dependendo da análise técnico-econômica, sendo que 
se a opção for com comporta, devem ser previstas no mínimo duas (ELETROBRÁS, 2003). 
 
4.4.5 Reservatório 
 
 O reservatório serve para armazenar água proveniente de um excesso hídrico para 
que a mesma seja utilizada no período de seca. A capacidade do reservatório é dimensionada 
29 
 
de acordo com o tempo de regularização e o tempo de enchimento do mesmo. O tempo de 
regularização é o tempo de interesse que se tem em manter no reservatório o volume útil. O 
tempo de enchimento é o tempo necessário para encher esse reservatório com a vazão 
disponível (SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009). 
“As PCHs quase sempre são a fio de água, tendo como consequência a concepção 
da barragem simplificada, dispensando, na maioria das vezes, o uso de comportas” (SOUZA; 
SANTOS; BORTONI, 2009). 
Quando é necessária uma regularização de maiores volumes do reservatório, tal 
concepção deve ser substituída por outra onde o volume possa ser controlado por essas 
comportas, posicionadas na parte superior do extravasor. A figura 14 ilustra os níveis de 
operação dos reservatórios com comportas. 
 
Figura 14 - Níveis de operação e volumes dos reservatórios 
 
Souza; Santos; Bortoni, 2009 
 Os conceitos dos delineamentos são explicados por Souza, Santos e Bortoni 
(2009): 
 Volume útil (Vu): volume de reserva energética a ser utilizado na 
regularização; 
 Volume morto (Vm): volume de água que, em principio, nunca será 
utilizado. 
 Volume de espera (Ve): Reserva para atenuar as cheias. 
 
30 
 
4.4.6 Comportas 
 
 “Dispositivo mecânico para controlar vazões hidráulicas em qualquer conduto 
livre ou forçado de cuja estrutura o conduto independe para sua continuidade física e 
operacional” (SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009). 
 Segundo Souza, Santos e Bortoni (2009), as comportas são classificadas em 
função do tipo de movimento quando em operação, podendo ser de translação, de rotação ou 
de translorrotação. 
 
4.4.7 Circuito de Geração 
 
 De acordo com o MME
8
, citado por FARIAS, 2011: 
O circuito de geração é constituído por canais, tomadas d’água, condutos ou túneis 
de baixa pressão, eventuais chaminés de equilíbrio ou câmaras de carga, condutos ou 
túneis de alta pressão, casa de força e canal ou túnel de fuga. A concepção do 
circuito de geração deve ser realizada de forma a implantar a casa de força a jusante 
da queda concentrada, de maneira a aproveitar ao máximo o desnível disponível. 
 
4.4.8 Obras de desvio e controle do rio 
 
 O manejo do rio durante a construção depende do relevo local e das 
particularidades do projeto, podendo ser em vales abertos, restringindo parcialmente a calha 
natural do rio através do estrangulamento, em vales mais estreitos, desviados por túneis, 
galerias ou estruturas rebaixadas. (ELETROBRÁS, 2003). 
 
4.5 Aspectos Geotécnicos e Geológicos 
 
AEletrobrás, conforme Farias (2011), cita os seguintes objetivos para os estudos e 
levantamentos geológico-geotécnicos: 
 Investigar as condições nas fundações da região das estruturas 
componentes do aproveitamento, bem como das encostas da vizinhança; 
 Pesquisar e caracterizar as áreas de empréstimos de solo, jazidas de areia e 
material pétreo
15
 próximos ao local do aproveitamento; 
 
15 Material de origem rochosa. 
31 
 
 Identificar possíveis locais para lançamento de bota-fora, instalação de 
canteiro e alojamento de operários; 
 Obtenção de dados geotécnicos de outras obras de porte executadas na 
região; 
 Estudo dos mapas geológicos, geomorfológicos, de potenciais de 
mineralização e de sismotectônia. 
 
4.6 Principais Componentes de uma Central Hidrelétrica 
 
4.6.1 Casa de Força 
 
 A casa de força tem a finalidade de alojar as máquinas e os equipamentos, bem 
como possibilitar sua montagem, desmontagem, operação e manutenção. As dimensões do 
local são determinadas pelas dimensões das máquinas que serão alojadas, sendo que o 
comprimento depende da turbina, que possui a espiral maior que o gerador, e esse, em geral, 
determina a largura da casa de força. (SCHREIBER, 1977). “Ela deve ser o suficiente para 
abrigar todos os equipamentos hidráulico e elétrico, tais como: turbina, regulador de 
velocidade, gerador, quadro de comando, transformador elevador com a devida proteção” 
(SÁ, 2009). 
Nas usinas de queda alta, em que a água é conduzida por tubulações forçadas, a 
casa de força fica separada de outras construções e nas de queda baixa está encostada ao pé da 
barragem (SCHREIBER, 1977). 
No arranjo da unidade geradora, o eixo da unidade turbina-gerador pode ter 
posição horizontal ou vertical, sendo a horizontal normalmente apenas em unidades pequenas. 
Essa escolha se dá por razões técnicas de algumas turbinas e em outras, a posição vertical 
também ocupam menos espaço (SCHREIBER, 1977). 
 
4.6.2 Turbinas 
 
 Nas hidrelétricas são usadas dois tipos de turbina, as de reação e as de ação. Na 
turbina de reação o ‘o trabalho mecânico é obtido pela transformação da energia cinética e de 
32 
 
pressão da água, em escoamento através das partes girantes’ e as de reação transformam 
somente a energia cinética da água (SCHREIBER, 1977). 
 “As turbinas de reação são do tipo Francis [...] e turbinas Kaplan. As turbinas de 
ação são do tipo Pelton” (SCHREIBER, 1977). 
 
4.6.3 Geradores 
 
 “O gerador transforma a energia mecânica produzida pela turbina em energia 
elétrica, sendo composto da parte fixa, o estator, e da parte rotativa, o rotor. O estator deve ser 
ancorado no concreto da casa de força, para poder resistir ao momento de torção” 
(SCHREIBER, 1977). 
 Os polos do rotor, magnetizados por corrente contínua, passam pelas bobinas do 
estator, induzindo nelas a corrente alternada. A corrente contínua é gerada colocando-se no 
rotor principal um gerador auxiliar, no qual é ligado, eletricamente, um motor de corrente 
alternada acoplado a um dínamo que fornece a corrente para a excitação do gerador principal 
(SCHREIBER, 1977). 
 As perdas no gerador acontecem normalmente pelo calor gerado. Para o 
resfriamento, o rotor é equipado com aletas que fazem o ar circular e pode haver ainda 
radiadores montados na circunferência externa, refrigerados a água (SCHREIBER, 1977). 
 O gerador é ligado ao transformador, que eleva a tensão ao nível de transmissão. 
Essa ligação pode ser feita por cabos para potências de até 50 MVA. Acima desta, devem ser 
usados barramentos, pois as seções dos cabos seriam muito grandes (SCHREIBER, 1977). 
 Na montagem do gerador, o estator normalmente chega em partes e são colocados 
no poço do gerador fixados por parafusos ou solda e feitas às ligações elétricas. O rotor é 
transportado inteiro e colocado dentro do estator. Para essa operação, na casa de força, são 
previstas pontes rolantes (SCHREIBER, 1977). 
 
4.6.4 Transformadores principais 
 
 “Teoricamente os transformadores pertencem ao sistema de transmissão e geração 
e não ao sistema de geração de energia. Porém, em geral, o gerador está ligado ao 
transformador e os dois formam, assim, um bloco” (SCHREIBER, 1977). 
33 
 
 “Os transformadores podem ser trifásicos ou monofásicos e fazem parte das 
máquinas que compões a casa de força” (SCHREIBER, 1977). 
 O transformador deve ser constantemente resfriado. Para isso, e para uma redução 
de tamanho do equipamento, usa-se ventilação forçada dos radiadores que compõe a carcaça 
do transformador. Para uma redução ainda maior nas dimensões, usa-se a água como meio 
resfriador (SCHREIBER, 1977). 
 “Os transformadores são colocados sobre poços que recolhem o óleo que 
eventualmente saia dos mesmos, e conduzem-no por tubulações até um poço com separador 
de óleo [...] para evitar a poluição fluvial” (SCHREIBER, 1977). 
 
4.6.5 Equipamentos auxiliares 
 
 “As turbinas, os geradores e os transformadores representam as peças grandes e 
principais das instalações na casa de força, mas para sua operação precisa-se de instalações 
secundárias que devem ser levadas em conta no projeto” (SCHREIBER, 1977). 
 Os equipamentos auxiliares são: pontes rolantes ou guindastes pórticos que 
servem como meio de transporte, montagem e desmontagem dos equipamentos; o sistema de 
abastecimento d’água para refrigeração com uso de filtros grossos que retém corpos 
flutuantes, para as instalações contra incêndio e para água potável que necessita de 
tratamento; a rede de drenagem e esgoto; rede de distribuição de ar comprimido, contendo 
compressores e tomadas distribuídas pela casa de força; instalações para a purificação de óleo 
dos transformadores, onde são instaladas bombas estacionárias e móveis, purificadores e 
tanques de óleo sujo e limpo; ventilação e ar condicionado, pois os geradores têm 
temperaturas elevadas mesmo depois de refrigerados e irradiam esse calor, juntamente com os 
motores, para a casa de força; espaço para prateleiras em que serão colocados cabos de 
controle, medição, proteção, indicação e de força para alimentação dos motores 
(SCHREIBER, 1977). 
 
4.7 Subestação da Usina 
 
 Segundo Souza, Santos e Bortoni (2009), 
Nas centrais hidrelétricas, as subestações cumprem a importante função de ligar o 
gerador elétrico, através de seu transformador ao sistema de transmissão, 
distribuição ou industrial, dependendo da sua localização, finalidade e porte. Este 
34 
 
objetivo é alcançado pela conveniente comutação ou manobra de disjuntores e 
chaves seccionadoras, energizando ou desligando os barramentos e linhas ou cargas 
conectadas. 
 Em instalações até 13,8 kV, uma alternativa que atende a confiabilidade a o baixo 
custo é o barramento singelo, mas de baixa flexibilidade operativa, conforme figura 15 
(SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009). 
 
 
Figura 15 - Barramento singelo 
 
Souza, Santos e Bortoni (2009) 
 
 
 
 Para tensões de até 138 kV pode ser usado um barramento auxiliar ou de 
transferência, que permite comutação sem interrupção de energia. A figura 16 ilustra essa 
alternativa. Em instalações de grande porte usa-se o arranjo de barramento duplo no lugar do 
auxiliar. (SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009). 
 
Figura 16 - Subestação com barramento auxiliar 
 
Souza, Santos e Bortoni (2009) 
35 
 
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 
Neste trabalho abordam-se os conceitos das usinas hidrelétricas, apresentando as 
partes que compõe as centrais e o cenário brasileiro atual. Foi citado em alguns trechos, além 
das grandes centrais hidrelétricas, as mini e pequenas centrais.Foi apresentado o cálculo de 
transformação de energia, partindo da energia hidráulica até a energia elétrica gerada, com 
uma pequena explanação de cálculo de potência da usina. 
36 
 
REFERÊNCIAS 
 
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Brasil. Brasília, 2016. Banco de Informações de Geração. Disponível em 
<http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm >. Acesso em: 
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CHIOSSI, Nivaldo. Geologia de engenharia. 3. ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2013. 
 
ELETROBRÁS: Centrais elétricas S.A., Critérios de projeto civil de usinas hidrelétricas. 
Brasília: CBDB, 2003. 279 p. 
 
ELETROBRÁS: Centrais elétricas S.A., Diretrizes para projetos de PCH. Rio de Janeiro, 
[2010?]. Disponível em: 
<http://www.eletrobras.com/ELB/data/Pages/LUMISF99678B3PTBRIE.htm> Acesso em: 
17/05/16 
 
EMPSON, William. In: OFICINA SOBRE SEGURANÇA DE BARRAGENS, 2013, 
Brasília. Aspectos geotécnicos da segurança de barragens. Brasília: Buildin Strong, 2013. P. 
10. Disponível em: <http://slideplayer.com.br/slide/1851855/>. Acesso em: 25 de maio de 
2015 
 
FARIA, Felipe Aguiar Marcondes de. Metodologia de prospecção de pequenas centrais 
hidrelétricas. 2011. 212f. Dissertação (mestrado) – Escola politécnica da universidade de São 
Paulo, Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária, São Paulo, 2011. 
 
FILHO, Jaime de A. Gusmão. Desempenho de obras geotécnicas. Recife: Universitária da 
UFPE, 2006. 523 p. 
 
FRANÇA Maria Luiza Campolina; FREITAS Ziléia Barbosa de. Guia para apresentação de 
trabalhos técnico-científicos do Unifemm. 4. ed. Sete Lagoas, 2015. 
 
SÁ, Cleber Malta de. Micro, mini e pequenas centrais hidrelétricas. Goiânia: Kelps, 2009. 
172 p. 
 
SCHREIBER, Gerhard Paul, Usinas hidrelétricas. São Paulo; Edgard Blücher, 1978. 
 
SOUZA, Zulcy de; SANTOS, Afonso Henriques Moreira Santos; BORTONI, Edson da 
Costa. Centrais hidrelétricas: Implantação e comissionamento. 2. ed. Rio de Janeiro: 
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