Geração de Distribuição

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WEG INDÚSTR IAS LTDA 
 CENTRO DE TREINAMENTO DE CLIENTES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 MÓDULO 4 
 Geração de Energia 
WEG – Transformando Energia em Soluções 
 
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WEG – Transformando Energia em Soluções 1 
Módulo 4 – Geração de Energia 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
* “ Material sujeito a alterações sem prévio aviso!” 
 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 2 
Módulo 4 – Geração de Energia 
Índice 
 
1 Introdução............................................................................................................... 9 
1.1 Definição de energia e potência ................................ ................................ ............... 10 
1.1.1 Energia ________________________________ ________________________________ __10 
1.1.2 Potência ________________________________ ________________________________ _10 
1.2 O que é geração e cogeração? ................................ ................................ .................. 12 
1.2.1 Geração ________________________________ ________________________________ _12 
1.2.2 Cogeração ________________________________ _______________________________ 12 
1.3 O sistema de geração................................ ................................ ................................ 15 
1.3.1 Máquina primária ________________________________ __________________________ 15 
1.3.2 Geradores ________________________________ ________________________________ 15 
1.3.3 Transformadores ________________________________ __________________________ 15 
1.3.4 Controle, comando e proteção ________________________________ ________________ 15 
2 Máquinas Primárias.............................................................................................. 17 
2.1 Hidráulicas ................................ ................................ ................................ ............... 17 
2.2 Diesel ................................ ................................ ................................ ........................ 21 
2.3 Termelétricas ................................ ................................ ................................ ........... 24 
2.4 Termonucleares................................ ................................ ................................ ........ 26 
2.5 Turbina a Gás ................................ ................................ ................................ .......... 30 
2.5.1 Turbinas a gás em circuito aberto ________________________________ _____________31 
2.5.2 Turbinas a gás em circuito fechado. ________________________________ ____________ 33 
2.6 Turbinas Eólicas ................................ ................................ ................................ ...... 36 
3 GERADORES ....................................................................................................... 42 
3.1 Introdução................................ ................................ ................................ ................ 42 
3.1.1 Histórico________________________________ ________________________________ _42 
3.1.2 Noções de aplicações ________________________________ _______________________ 42 
3.1.2.1 Tipos de acionamentos ................................ ................................ ................................ ..43 
3.2 NOÇÕES FUNDAMENTAIS ................................ ................................ .................. 44 
3.2.1 Princípio de funcionamento ________________________________ __________________ 44 
3.2.2 Geração de corrente trifásica ________________________________ _________________ 47 
3.2.2.1 Ligações no sistema trifásico ................................ ................................ ........................ 47 
3.2.2.2 Tensão nominal múltipla ................................ ................................ ............................... 49 
3.2.3 Comportamento do gerador em vazio e sob carga ________________________________ _52 
3.2.4 Máquinas de pólos lisos e salientes ________________________________ ____________ 55 
3.2.5 Reatâncias ________________________________ _______________________________ 56 
3.2.6 Potência em máquinas de pólos salientes ________________________________ ________59 
3.2.7 Definições ________________________________ _______________________________ 61 
3.2.7.1 Distorção harmônica ................................ ................................ ................................ .....61 
3.2.7.2 Fator de desvio ................................ ................................ ................................ .............61 
3.2.7.3 Modulação de tensão ................................ ................................ ................................ ....63 
3.2.7.4 Desequilíbrio angular ................................ ................................ ................................ ....63 
3.2.7.5 Desbalanceamento de tensão ................................ ................................ .........................63 
3.2.7.6 Transiente de tensão ................................ ................................ ................................ .....63 
3.2.7.7 Tolerância de tensão ................................ ................................ ................................ .....64 
3.3 GERADORES WEG................................ ................................ ................................ 65 
3.3.1 Normas aplicáveis ________________________________ _________________________ 65 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 3 
Módulo 4 – Geração de Energia 
3.3.2 Geradores com excitação por escovas ________________________________ __________65 
3.3.2.1 Tipo SL (antigo DL) ................................ ................................ ................................ .....65 
3.3.3 Geradores com excitação sem escovas (Brushless) ________________________________ 66 
3.3.4 Geradores com excitação sem escovas para aplicações especiais _____________________ 69 
3.3.5 Motores síncronos ________________________________ _________________________ 70 
3.3.6 Regulador de tensão ________________________________ ________________________ 72 
3.3.7 Tempo de regulagem da tensão (tempo de resposta) _______________________________ 72 
3.3.8 NOMENCLATURA DAS MÁQUINAS SÍNCRONAS WEG ______________________ 73 
3.4 CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE ................................ ................................. 76 
3.4.1 Altitude ________________________________ ________________________________ _76 
3.4.2 Temperatura ambiente. ________________________________ ______________________ 76 
3.4.3 Determinação da potência útil do gerador nas diversas condições de temperatura e a ltitude 76 
3.4.4 Atmosfera Ambiente ________________________________ _______________________77 
3.4.4.1 Ambientes Agressivos ................................ ................................ ................................ ..77 
3.4.5 Graus de proteção ________________________________ _________________________ 78 
3.4.5.1 Código de identificação ................................ ................................ ................................ 78 
3.4.5.2 Tipos usuais ................................ ................................ ................................ .................80 
3.4.6 Limites de ruído ________________________________ ___________________________ 80 
3.4.7 Vibração________________________________ ________________________________ _81 
3.4.8 Ventilação ________________________________ _______________________________ 82 
3.4.8.1 Gerador aberto ................................ ................................ ................................ ..............82 
3.4.8.2 Gerador totalmente fechado ................................ ................................ ..........................83 
3.4.9 Acessórios/especialidades ________________________________ ___________________ 85 
3.4.9.1 Resistência de aquecimento ................................ ................................ ..........................85 
3.4.9.2 Proteção térmica de geradores elétricos ................................ ................................ .........85 
3.5 CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO ................................ ........................... 88 
3.5.1 Potência nominal ________________________________ __________________________ 88 
3.5.2 Elevação de temperatura -classe de isolamento ________________________________ ___91 
3.5.2.1 Aquecimento do enrolamento ................................ ................................ ....................... 91 
3.5.2.2 Classes de isolamento ................................ ................................ ................................ ...92 
3.5.2.3 Medida da temperatura do enrolamento ................................ ................................ .........92 
3.5.2.4 Aplicação à máquinas elétricas ................................ ................................ .....................93 
3.5.3 Queda de tensão ________________________________ ___________________________ 94 
3.5.3.1 Cálculo da queda de tensão ................................ ................................ ...........................94 
3.5.3.2 Influência do fator de potência ................................ ................................ ......................96 
3.5.3.3 Influência da carga inicial ................................ ................................ ............................. 96 
3.5.4 Limitações na partid a de motores ________________________________ _____________98 
3.5.5 Sobrecarga ________________________________ ______________________________ 103 
3.5.6 Sobrevelocidade ________________________________ __________________________ 104 
3.5.7 Corrente de curto-circuito ________________________________ __________________ 104 
3.5.8 Conversão de reatâncias ________________________________ ____________________ 105 
3.5.9 Proteção do gerador ________________________________ _______________________ 106 
3.5.10 Regime de serviço ________________________________ ________________________ 106 
3.5.10.1 Regimes Padronizados ................................ ................................ ............................. 106 
3.5.11 Diagrama de carga ________________________________ ________________________ 108 
3.5.12 Operação em paralelo de geradores ________________________________ ___________110 
3.5.13 Cálculo da bobina de aterramento do ponto estrela de geradores ____________________ 113 
3.6 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS ................................ ............................ 114 
3.6.1 Componentes Principais ________________________________ ____________________ 114 
3.6.1.1 Estator da máquina principal ................................ ................................ ....................... 114 
3.6.1.2 Rotor da máquina principal ................................ ................................ .........................114 
3.6.1.3 Estator da excitatriz principal ................................ ................................ ...................... 114 
3.6.1.4 Rotor da excitatriz principal e d iodos retificadores girantes ................................ .........114 
3.6.1.5 Excitatriz auxiliar ................................ ................................ ................................ .......115 
3.6.1.6 Enrolamento auxiliar (ou bobina auxiliar) ................................ ................................ ...115 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 4 
Módulo 4 – Geração de Energia 
3.6.2 Placa de identificação________________________________ ______________________ 115 
3.6.3 Normas________________________________ ________________________________ _116 
3.6.4 Pintura - Geradores para aplicação geral ________________________________ _______116 
3.6.5 Terminais de aterramento ________________________________ ___________________ 116 
3.6.6 Forma construtiva ________________________________ ________________________ 116 
3.6.7 Condições usuais de serviço ________________________________ ________________ 120 
3.7 SELEÇÃO DE GERADORES ................................ ................................ .............. 121 
3.7.1 Características necessárias para a correta seleção ________________________________ 121 
3.7.2 Principais aplicações de geradores ________________________________ ____________121 
3.7.2.1 Conversão de freqüência ................................ ................................ ............................. 122 
3.7.2.2 Conversão de Corrente ................................ ................................ ................................ 123 
3.7.2.3 NO-BREAK ................................ ................................ ................................ ...............124 
3.7.2.4 Short-Break Diesel ................................ ................................ ................................ .....125 
3.7.2.5 Geradores para CPD ................................ ................................ ................................ ...125 
3.7.2.6 Geradores linha Industrial ................................ ................................ ........................... 126 
3.7.2.7 Geradores para Telecomunicações (padrão TELEBRÁS) ................................ ............126 
3.7.2.8 Geradores alimentando cargas deformantes ................................ ................................ .127 
3.8 ENSAIOS ................................ ................................ ................................ ............... 128 
3.8.1 ENSAIOS DE ROTINA ________________________________ ___________________ 128 
3.8.2 ENSAIOS DE TIPO ________________________________ ______________________ 128 
3.8.3 ENSAIOS ESPECIAIS ________________________________ ____________________ 128 
3.9 COLETÂNEA DE FÓRMULAS ................................ ................................ ........... 129 
4 CARACTERISTICAS E ESPECIFICAÇÕES DE TRANSFORMADORES DE 
DISTRIBUIÇÃO E FORÇA ................................................................................130 
4.1 INTRODUÇÃO................................ ................................ ................................ ...... 130 
4.2 NOÇÕES FUNDAMENTAIS ................................ ................................ ................ 131 
4.2.1 Transformadores e suas aplicações ________________________________ ___________131 
4.2.2 Tipos de Transformadores __________________________________________________ 132 
4.2.2.1 Divisão dos Transformadores quanto à Fina lidade................................ ....................... 133 
4.2.2.2 Divisão dos Transformadores quanto aos Enrolamentos ................................ ..............133 
4.2.2.3 Divisão dos Transformadores quanto aos Tipos Construtivos ................................ .......133 
4.2.3 COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR ________________________________ __133 
4.2.4 Sistemas Elétricos ________________________________ ________________________ 135 
4.2.4.1 Sistemas de Corrente Alternada Monofásica ................................ ................................ 135 
4.2.4.2 Sistemas de Corrente Alternada Trifásica ................................ ................................ ....136 
4.2.5 POTÊNCIAS ________________________________ ____________________________ 142 
4.2.5.1 Potência Ativa ou Útil ................................ ................................ ................................ 143 
4.2.5.2 Potência Reativa ................................ ................................ ................................ .........143 
4.2.6 Potência Aparente ________________________________ ________________________ 143 
4.3 DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃO ................................ ...... 147 
4.3.1 Potência Nominal ________________________________ _________________________ 147 
4.3.1.1 Transformadores Trifásicos ................................ ................................ ........................ 147 
4.3.1.2 Transformadores Monofásicos ................................ ................................ ....................147 
4.3.1.3 Potências nominais normalizadas ................................ ................................ ................147 
4.3.2 TENSÕES ________________________________ ______________________________ 148 
4.3.2.1 Definições ................................ ................................ ................................ ..................148 
4.3.2.2 Escolha da Tensão Nominal ................................ ................................ ........................ 149 
4.3.3 Derivações ________________________________ ______________________________ 151 
4.3.3.1 Definições ................................ ................................ ................................ ..................151 
4.3.4 Correntes ________________________________ _______________________________ 153 
4.3.4.1 Corrente nominal ................................ ................................ ................................ ........153 
4.3.4.2 Corrente de excitação ................................ ................................ ................................ .153 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 5 
Módulo 4 – Geração de Energia 
4.3.4.3 Corrente de curto-circuito ................................ ................................ ........................... 154 
4.3.4.4 Corrente de partida ou In rush ................................ ................................ ..................... 155 
4.3.5 Frequência Nominal ________________________________ _______________________ 155 
4.3.6 Nível de Isolamento ________________________________ _______________________ 155 
4.3.7 Deslocamento angular ________________________________ _____________________ 156 
4.3.8 Identificação dos Terminais ________________________________ _________________158 
4.4 Características de Desempenho ................................ ................................ ............. 163 
4.4.1 Perdas________________________________ ________________________________ __163 
4.4.2 Rendimento ________________________________ _____________________________ 165 
4.4.3 Regulação________________________________ _______________________________ 166 
4.4.4 Capacidade de sobrecarga ________________________________ __________________ 167 
4.5 CARACTERÍSTICAS DA INSTALAÇÃO ................................ .......................... 173 
4.5.1 OPERAÇÃO EM CONDIÇÕES NORMAIS E ESPECIAIS DE FUNCIONAMENTO. __173 
4.5.2 CONDIÇÕES NORMAIS DE TRANSPORTE E INSTALAÇÃO. __________________ 173 
4.5.2.1 O transporte e a instalação devem estar de acordo com NBR 7036 ou a NBR 7037, a que 
for aplicável. ................................ ................................ ................................ ....................173 
4.5.3 OPERAÇÃO EM PARALELO ________________________________ ______________175 
4.5.3.1 DIAGRAMAS VETORIAIS COM MES MO DESLOCAMENTO ANGULAR ...........175 
4.5.3.2 RELAÇÕES DE TRANSFORMAÇÃO IDÊNTIC AS INCLUSIVE DERIVAÇÕES ...175 
4.5.3.3 IMPEDÂNCIA ................................ ................................ ................................ ...........175 
4.5.4 OPERAÇÃO EM PARALELO ________________________________ ______________178 
4.6 SELEÇÃO DOS TRANSFORMADORES ................................ ............................ 179 
4.6.1 DETERMINAÇÃO DA POTÊNC IA DO TRANSFORMADOR ____________________ 179 
4.6.2 FATOR DE DEMANDA (d) ________________________________ ________________ 179 
4.6.2.1 DETERMINAÇÃO DA DEMANDA MÁXIMA DE UM GRUPO DE MOTORES ....179 
4.6.2.2 DETERMINAÇÃO DA DEMANDA MÁX IMA DA INSTALAÇÃO .........................181 
4.6.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE O USO DAS TABELAS ___________________________ 182 
4.6.4 CRITÉRIOS DE ESCOLHA DOS TRANSFORMADORES COM BASE NO VALOR 
OBTIDO NA DEMANDA. ________________________________ _________________182 
4.6.4.1 EVENTUAIS AUMENTOS DA POTÊNCIA INSTALADA ................................ .......186 
4.6.4.2 CONVENIÊNCIA DA SUBDIVISÃO EM MAIS UNIDADES ................................ ..186 
4.6.4.3 POTÊNCIA NOMINAL NORMALIZADA ................................ ................................ 187 
4.6.5 DADOS NECESS ÁRIOS PARA IDENTIFICAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR ____187 
4.7 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS ................................ ............................ 188 
4.7.1.1 NÚCLEO ................................ ................................ ................................ ...................188 
4.7.1.2 ENROLAMENTO ................................ ................................ ................................ ......189 
4.7.1.3 DISPOSITIVOS DE PRE NSAGEM, CALÇOS E ISOLAMENTO ............................. 190 
4.7.1.4 COMUTADOR DE DERIVAÇÕES ................................ ................................ ...........190 
4.7.2 BUCHAS ________________________________ _______________________________ 191 
4.7.3 TANQUE ________________________________ _______________________________ 194 
4.7.3.1 SELADOS ................................ ................................ ................................ .................195 
4.7.3.2 COM CONSERVADOR DE ÓLEO ................................ ................................ ...........196 
4.7.3.3 TRANSFORMADORES FLANGEADOS ................................ ................................ ..196 
4.7.4 RADIADORES ________________________________ __________________________ 197 
4.7.5 TRATAMENTO SUPERFICIAL E PINTURA ________________________________ _198 
4.7.6 LÍQUIDO DE ISOLAÇÃO E REFRIGERAÇÃO ________________________________ 198 
4.7.7 PLACAS DE IDENTIFICAÇÃO E DIAGRAMÁTICA ___________________________ 201 
4.7.8 ACESSÓRIOS ________________________________ ___________________________ 203 
4.7.8.1 RELÉ BUCHHOLZ (TRAFOSCÓPIO) ................................ ................................ ......204 
4.7.8.2 TERMÔMETRO COM CONTATOS ................................ ................................ .........205 
4.7.8.3 INDICADOR DE NÍVEL DE ÓLEO ................................ ..........................................207 
4.7.8.4 IMAGEM TÉRMICA ................................ ................................ ................................ .209 
4.7.8.5 VÁLVULA DE ALÍVIO DE PRESSÃO ................................ ................................ .....211 
4.7.8.6 RELÉ DE PRESSÃO SÚBITA ................................ ................................ ...................213 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 6 
Módulo 4 – Geração de Energia 
4.8 ENSAIOS ................................ ................................ ................................ ............... 218 
4.8.1 ENSAIOS DE ROTINA ________________________________ ___________________ 218 
4.8.2 ENSAIOS DE TIPO ________________________________ ______________________ 219 
4.8.3 ENSAIOS ESPECIAIS ________________________________ ____________________ 219 
4.8.4 OBJETIVOS DA REALIZAÇÃO DE ALGUNS ENSA IOS DE ROTINA:____________219 
4.8.4.1 RESISTÊNCIA ELÉTRICA DOS ENROLAMENTOS: ................................ ..............219 
4.8.4.2 RELAÇÃO DE TENSÕES: ................................ ................................ ........................ 220 
4.8.4.3 RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO ................................ ................................ ...........220 
4.8.4.4 POLARIDADE ................................ ................................ ................................ ..........220 
4.8.4.5 DESLOCAMENTO ANGULAR E SEQUÊNCIA DE FASES ................................ ....220 
4.8.4.6 PERDAS EM VAZIO ................................ ................................ ................................ .221 
4.8.4.7 PERDAS EM CARGA ................................ ................................ ............................... 221 
4.8.4.8 ENSAIOS DIELÉTRICOS ................................ ................................ .........................222 
4.8.4.9 ESTANQUEIDADE ................................ ................................ ................................ ...223 
4.8.5 OBJETIVO DA REALIZAÇÃO DE ALGUNS ENSAIOS DE TIPO E ESPECIAIS ____223 
4.8.5.1 ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA: ................................ ................................ ..........223 
4.8.5.2 IMPULSO ATMOSFÉRICO: ................................ ................................ ..................... 223 
4.8.5.3 NÍVEL DE RUÍDO ................................ ................................ ................................ ....224 
4.8.5.4 CURTO-CIRCUITO ................................ ................................ ................................ ..224 
4.8.5.5 FATOR DE POTÊNCIA DO ISOLAMENTO ................................ ............................ 224 
4.8.5.6 TENSÃO DE RADIOINTERFERÊNCIA ................................ ................................ ...224 
4.9 INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO ................................ ................................ ...... 225 
4.9.1 TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO ________________________________ _225 
4.9.1.1 RECEBIMENTO................................ ................................ ................................ ........225 
4.9.1.2 MANUSEIO ................................ ................................ ................................ ..............225 
4.9.1.3 ARMAZENAGEM ................................ ................................ ................................ .....225 
4.9.1.4 INSTALAÇÃO ................................ ................................ ................................ ..........226 
4.9.1.5 MANUTENSÃO ................................ ................................ ................................ ........226 
4.9.1.6 INSPEÇÃO PERIÓDICA ................................ ................................ ........................... 226 
4.9.1.7 REVISÃO COMPLETA ................................ ................................ ............................. 227 
4.9.2 TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA (FORÇA) _____________________________ 227 
4.9.2.1 RECEBIMENTO................................ ................................ ................................ ........227 
4.9.2.2 DESCARREGAMENTO E MANUSEIO................................ ................................ ....227 
4.9.2.3 VERIFICAÇÕES E ENSAIOS DE RECEBIMENTO ................................ .................228 
4.9.2.4 ARMAZENAMENTO ................................ ................................ ................................ 228 
4.9.2.5 INSTALAÇÃO ................................ ................................ ................................ ..........228 
4.9.2.6 MONTAGEM DO TRANSFORMADOR ................................ ................................ ...229 
4.9.2.7 CUIDADOS RECOMENDADOS DURANTE E APÓS A MONTAGEM ...................229 
4.9.3 ENSAIOS________________________________ _______________________________ 230 
4.9.4 ENERGIZAÇÃO ________________________________ _________________________ 231 
4.9.5 MANUTENÇÃO ________________________________ _________________________ 231 
4.10 Conforme Anexo ................................ ................................ ................................ .... 234 
5 Quadros................................................................................................................236 
5.1 Manobra e Proteção ................................ ................................ ............................... 236 
5.1.1 Aspectos Gerais ________________________________ __________________________ 236 
5.1.1.1 Manobra ................................ ................................ ................................ ..................... 236 
5.1.1.2 Proteção - Aspectos considerados ................................ ................................ ...............236 
5.1.1.3 Análise generalizada da proteção ................................ ................................ ................237 
5.1.1.4 Características gerais dos equipamentos de proteção ................................ ...................238 
5.1.1.5 Características Funcionais do Releamento ................................ ................................ ...241 
5.1.2 Aspectos específicos ________________________________ ______________________ 242 
5.1.2.1 Equipamentos de manobra ................................ ................................ .......................... 242 
5.1.2.2 Proteção de motores ................................ ................................ ................................ ....244 
5.1.2.3 Proteção de Geradores ................................ ................................ ................................ 244 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 7 
Módulo 4 – Geração de Energia 
5.1.2.4 Proteção de transformadores ................................ ................................ ....................... 245 
5.1.2.5 Proteção de barramentos ................................ ................................ ............................. 245 
5.1.3 Coordenação ________________________________ ____________________________ 246 
5.1.3.1 Proteção de linhas ................................ ................................ ................................ .......247 
5.1.4 Princípios de coorden ação ________________________________ __________________ 248 
5.2 Diagramas elétricos ................................ ................................ ................................249 
5.2.1 Diagrama Unifilar ________________________________ ________________________ 249 
5.2.2 Diagrama Trifilar ________________________________ _________________________ 250 
5.2.3 Diagrama Funcional ________________________________ _______________________ 251 
5.2.4 Diagramas Construtivos ________________________________ ____________________ 252 
5.2.4.1 Diagrama Sinóptico ................................ ................................ ................................ ....253 
5.3 Consideração a respeito de quadros elétricos ................................ ....................... 254 
5.3.1 Classificações________________________________ ____________________________ 254 
5.3.1.1 Quanto a função ................................ ................................ ................................ .........254 
5.3.1.2 Quanto ao local de instalação ................................ ................................ ...................... 257 
5.3.1.3 Quanto ao grau de proteção ................................ ................................ .........................257 
5.3.1.4 Quanto ao tipo de construçã o ................................ ................................ ...................... 258 
5.3.2 Comportamento dos metais (estrutura e barramento) _____________________________ 258 
5.3.3 Características dos metais ________________________________ __________________ 258 
5.3.3.1 Densidade ................................ ................................ ................................ ..................258 
5.3.3.2 Propriedades térmicas ................................ ................................ ................................ .259 
5.3.3.3 Propriedades elétricas ................................ ................................ ................................ .259 
5.3.3.4 Propriedades químicas ................................ ................................ ................................ 260 
5.3.3.5 Propriedades Mecanicas ................................ ................................ .............................. 260 
5.4 Graus de Proteção ................................ ................................ ................................ .. 261 
5.5 Condições Normais de Serviço ................................ ................................ ............... 265 
5.6 Considerações de Normalização ................................ ................................ ............ 267 
5.6.1 Definições (Segundo IEEE C 37.20.2 - 1993) ________________________________ ___267 
5.6.1.1 Painéis Metal Clad ................................ ................................ ................................ ......267 
5.6.1.2 Painéis Cubicle ................................ ................................ ................................ ...........268 
5.6.1.3 Painéis Interrupter ................................ ................................ ................................ ......268 
5.6.1.4 Painéis Baixa Tensão ................................ ................................ ................................ ..269 
6 Produção Independente de Energia Elétrica no Brasil ........................................270 
6.1 Introdução................................ ................................ ................................ .............. 270 
6.2 Ligação em Autoprodutores em paralelo com o sistema de distribuição ............. 272 
6.2.1 Paralelismo________________________________ ______________________________ 272 
6.2.1.1 Condições para o Paralelismo ................................ ................................ ..................... 273 
6.2.1.2 Métodos para o Sincronismo ................................ ................................ ....................... 273 
6.2.2 Proteção Contra Faltas ________________________________ _____________________ 274 
6.2.2.1 Nomenclatura para Relés (NBR 5175 - Maio 1988) ................................ ....................274 
6.2.3 Projeto Elétrico ________________________________ __________________________ 283 
7 Dimensionamento de Fios e Cabos de Baixa Tensão...........................................284 
7.1 Os Seis Critérios Técnicos de Dimensionamento de Condutores Elétricos .......... 284 
7.2 Seção do Condutor Neutro................................ ................................ ..................... 285 
7.3 O Condutor de Proteção ................................ ........................................................ 286 
7.4 Cores dos Condutores Neutro e de Proteção ................................ ......................... 287 
7.5 Tabelas ................................ ................................ ................................ ................... 288 
7.5.1 Grupos Contendo Cabos de Dimensões Diferentes _______________________________ 299 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 8 
Módulo 4 – Geração de Energia 
7.5.2 Correntes Máximas de Curto -Circuito ________________________________ _________310 
7.5.3 Correntes Máximas de Curto -Circuito ________________________________ _________311 
7.5.4 Correntes Máximas de Curto -Circuito ________________________________ _________312 
7.5.5 Determinação da Integral de Joule (l 2t) de Condutores Elétricos _____________________ 313 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 9 
Módulo 4 – Geração de Energia 
1 INTRODUÇÃO 
 
A eletricidade é a forma mais fácil de se transportar energia para a sua utilização nos 
processos de manufatura. Ela surgiu como forma de substituir a energia da máquina a vapor, 
pilastra mestra da atual revolução industrial. 
Com o crescimento do setor industrial no Brasil a partir do inicio dos anos 90, o 
aumento da demanda de energia elétrica superou a capacidade de crescimento do sistema de 
geração das concessionárias de energia levando o governo a considerar possibilidade de 
produção de energia elétrica por empresas do setor privado, com o objetivo de atrair 
investimentos no setor e assim “desafogar” o sistema elétrico Brasileiro. 
A economia e a produção de energia elétrica passaram a ser prioridade para o Ministério 
das Minas e Energia e o DNAEE (hoje ANEEL), que através de campanhas informativas 
incentivavam o uso racional de energia elétrica visando diminuir o desperdício e, através da 
modificação da legislação regulamentar a geração e a cogeração de energia por grupos e 
empresas privadas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 10 
Módulo 4 – Geração de Energia 
1.1 DEFINIÇÃO DE ENERGIA E POTÊNCIA 
1.1.1 ENERGIA 
 
Os físicos definem a palavra energia como a quantidade de trabalho que um sistema é 
capaz de fornecer. Energia, de acordo com os físicos, não pode ser criada, consumida ou 
destruída. No entanto a energia pode ser transformada ou transmitida de diferentes formas: a 
energiacinética do movimento das moléculas de ar podem ser convertidas em energia cinética de 
rotação pelo rotor de uma turbina eólica, que por sua vez pode ser convertida em energia elétrica 
através de um gerador acoplado ao rotor da turbina. 
Em cada processo de conversão de energia, parte da energia da fonte é dissipada em 
forma de calor (energia térmica) em função do atrito entre as engrenagens, moléculas de ar e 
esforços mecânicos da máquina conversora. A relação entre a energia que entra no sistema de 
conversão e a energia que sai desse sistema chama-se rendimento. 
Costuma-se medir a capacidade de produção de energia em quilowatt hora ou megawatt 
hora durante um certo período de tempo. Note que a unidade de energia é quilowatt hora [kW.h], 
e não apenas quilowatt [kW]. Confundir estas unidades é um erro bem comum. 
 
Unidades de Energia 
 
1 J [joule] = 1 [W.s] = 4.1868 [cal] 
1 GJ [gigajoule] = 109 J 
1 TJ [terajoule] = 1012 J 
1 PJ [petajoule] = 1015 J 
1 kWh [quilowatt hora] = 3,600,000 [joules] 
1 toe [tonelada de óleo equivalente] 
= 7.4 barris de óleo cru na máquina primária 
= 7.8 barris no total de consumo final 
= 1270 m3 de gás natural 
1 Mtoe [milhão de toneladas de óleo equivalente] = 41.868 PJ 
 
1.1.2 POTÊNCIA 
 
A potência elétrica é normalmente medida em watt [W], quilowatt [kW], megawatt 
[MW], etc. Ou seja, potência é a quantidade de energia transferida por unidade de tempo. A 
potência pode ser medida em qualquer instante de tempo, enquanto a energia precisa ser medida 
em um intervalo de tempo, como um segundo, uma hora, um ano, etc. Por exemplo, se uma 
turbina ou gerador possuem uma potência nominal de 600 quilowatts [kW], significa que aquela 
turbina pode produzir 600 quilowatts hora [kW.h] de energia por hora d e operação, trabalhando 
no ponto máximo de eficiência. 
Dizer, por exemplo, que um país como a Dinamarca possui 1.000MW de potência 
eólica instalada, não quer dizer quanta energia as turbinas produzem. As turbinas eólicas 
funcionam cerca de 75% das horas do ano, mas funciona com capacidade máxima apenas 
durante um numero limitado de horas no ano. 
Para calcular a quantidade de energia produzida por uma turbina eólica é necessário 
conhecer a distribuição da velocidade do vento por cada turbina. No caso acima citado, as 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 11 
Módulo 4 – Geração de Energia 
turbinas retornam, na média, 2.300 horas de funcionamento a plena carga por ano. Para calcular 
a energia total produzida multiplica-se os 1.000MW de potência instalada pelas 2.300 horas de 
funcionamento a plena carga, que é igual a 2.300.000 [MWh] ou 2,3 [TW.h] de energia. 
 Em outras áreas, tais como a Escócia, ou o oeste da Irlanda, encontramos turbinas 
que trabalham, na média, 3.000 horas a plena carga, e até mais. No entanto na Alemanha não são 
encontradas turbinas que trabalham mais que 2.000 horas por ano a plena carga. 
A potência dos motores de automóveis são geralmente medidas em cavalos e não em 
kW. A unidade “cavalo vapor” da uma idéia intuitiva de quanto “músculo” o gerador ou motor 
possui, enquanto a energia da uma idéia de quanto um motor ou gerador “trabalhou” durante um 
período de tempo. 
 
Unidades de potência. 
 
1 kW = 1.359 CV 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 12 
Módulo 4 – Geração de Energia 
1.2 O QUE É GERAÇÃO E COGERAÇÃO? 
1.2.1 GERAÇÃO 
 
A geração de energia elétrica é a transformação de qualquer tipo de energia em energia 
elétrica. Esse processo ocorre em duas etapas. Na 1a etapa uma máquina primária transforma 
qualquer tipo de energia, normalmente hidráulica ou térmica, em energia cinética de rotação. Em 
uma 2a etapa um gerador elétrico acoplado à máquina primária transforma a energia cinética de 
rotação em energia elétrica. 
Como exemplo podemos tomar uma hidroelétrica onde uma turbina hidráulica 
transforma a energia potencial da água em desnível, em energia cinética de rotação que é 
transferida a um eixo acoplado a um gerador, tal como mostrado na figura 1. 
 
1.2.2 COGERAÇÃO 
 
De acordo com a ANEEL (Agencia Nacional de Energia Elétrica), “Cogeração de 
energia é definida como o processo de produção combinada de calor e energia elétrica (ou 
mecânica), a partir de um mesmo combustível, capaz de produzir benefícios sociais, econômicos 
e ambientais. A atividade de cogeração contribui efetivamente para a racionalização energética, 
uma vez que possibilita maior produção de energia elétrica e térmica a partir da mesma 
quantidade de combustível.” 
Diferentemente da geração, na cogeração a energia térmica, ou outro tipo de energia, é 
utilizado diretamente nos processos de manufatura, tais como fornos, caldeiras, entre outros. A 
cogeração é o reaproveitamento dos “resíduos” de energia dessas fontes para a geração de 
energia elétrica diminuindo, assim, as perdas e, conseqüentemente, aumentando o rendimento e 
o aproveitamento das fontes de energia. 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 13 
Módulo 4 – Geração de Energia 
 
Figura 1 – Central hidráulica em circuito aberto a céu aberto, Rio Paraná, Itapu, Brasil. 
1- Barragem, 2- grades, 3- tomada de águas, 4- conduto forçado, 5- turbina, 6- alternador, 7- casa 
de máquinas, 8- pórtico-ponte, 9- sistema de descarga 10- transformadores, 11- sistema de 
transmissão. 
 
A cogeração é a forma mais eficiente de gerar calor e energia elétrica a partir de uma 
mesma fonte de energia. Comparando a utilização de combustível fóssil com a quantidade de 
calor que é normalmente gasta no processo de geração de energia, a cogeração alcança níveis de 
eficiência 3 vezes maior, podendo chegar a 4 vezes, do que no processo convencional de 
geração. No entanto a cogeração passou a ser utilizada a muito pouco tempo. No meio da década 
de 80, com o preço do gás natural relativamente baixo, a cogeração tornou-se uma alternativa 
atrativa como uma nova forma de geração de energia elétrica. De fato, a cogeração é um dos 
maiores responsáveis pela grande diminuição da construção de usinas hidrelétricas e 
termonucleares ocorrida na década de 80. Hoje a cogeração corresponde a mais da metade da 
capacidade das novas usinas instaladas na América do Norte na ultima década. 
Os equipamentos de cogeração podem utilizar outros combustíveis além do gás natural. 
Existem instalações em operação que utilizam madeira, bagaço de cana-de-açúcar, e outros 
combustíveis dependendo do local e disponibilidade. 
As implicações ambientais da cogeração são bem menores quando comparadas às do 
processo convencional de geração, não apenas pela sua inerente eficiência, mas também pelo seu 
caráter descentralizador. Isto se deve ao fato de ser impraticável o transporte de calor (energia 
térmica) a grandes distâncias, e os equipamentos de cogeração são localizados fisicamente 
próximos aos processos que utilizam calor. Desta forma a energiaelétrica tende a ser gerada 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 14 
Módulo 4 – Geração de Energia 
próxima aos centros consumidores, reduzindo as perdas pela transmissão e a necessidade de 
equipamentos para a distribuição. Um número significativo de conseqüências positivas para o 
meio ambiente decorrem deste fato. As plantas de cogeração tendem a ser pequenas por isso 
podem pertencer e serem operadas por companhias menores e afastadas de um centro industrial. 
Como regra geral, elas também são construídas próximas a áreas populacionais, o que significa 
que devem ser mantidas no mais alto padrão ambiental. Como por exemplo, na Europa e ,cada 
vez mais, na América do Norte, a cogeração é o coração do sistema de calefação da cidade. 
Calefação distrital e cogeração combinados podem reduzir as emissões de gases poluentes mais 
do que qualquer outra tecnologia. 
 
Figura 2 – Esquema geral de cogeração em uma industria 
 
Para entender cogeração, é necessário saber que a forma mais convencional de se gerar 
energia é baseada na queima de um combustível para produzir vapor. É a pressão do vapor que 
gira a turbina e gera energia, em um processo inerentemente ineficiente. Por causa de um 
principio básico da física, pouco mais que um terço da energia liberada pela queima do 
combustível pode ser convertida em pressão de vapor para gerar energia elétrica. A cogeração, 
no entanto, utiliza esse excesso de calor, normalmente na forma de vapor, a uma temperatura 
relativamente baixa, liberada pelas turbinas. Esse vapor é utilizado em uma gama de aplicações 
das mais variadas, e efetivamente diminui a combustão de combustíveis a base de carbono, 
juntamente com todas as implicações ambientais que a queima desses combustíveis possui. 
Além da cogeração, há um grande número de tecnologias que fazem uso do vapor 
liberado pelas turbinas a baixas temperatura e pressão. Essas tecnologias são conhecidas como 
sistemas de “ciclo combinado”. Elas são mais eficientes que a geração convencional de energia, 
mas não tão eficiente quanto a cogeração. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 15 
Módulo 4 – Geração de Energia 
1.3 O SISTEMA DE GERAÇÃO 
 
O sistema de geração é formado pelos seguintes componentes: Máquina primária, 
geradores, transformador e sistema de controle, comando e proteção. 
 
1.3.1 MÁQUINA PRIMÁRIA 
 
É a maquina primária que faz a transformação de qualquer tipo de energia em energia 
cinética de rotação para ser aproveitada pelo gerador. Por exemplo, a máquina que transforma a 
energia liberada pela combustão do gás em energia cinética é a turbina a gás. 
As principais máquinas primárias utilizadas hoje são motores Diesel, turbinas 
hidráulicas, turbinas a vapor, turbinas a gás e eólicas. Normalmente as centrais elétricas onde as 
máquinas primárias são turbinas a vapor, as centrais são classificadas em relação ao combustível 
utilizado para aquecer o vapor. Onde ocorre o processo de combustão as centrais são chamadas 
de termelétricas e onde ocorre o processo de fissão nuclear são chamadas de termonucleares. 
 
1.3.2 GERADORES 
 
São os geradores que transformam a energia cinética de rotação das máquinas primárias 
em energia elétrica. 
Os geradores são dimensionados de acordo com a potência que a máquina primária 
pode fornecer. Além da potência, o tipo de máquina primária ( eólica, hídrica, térmica, etc...) 
define também a velocidade de rotação que irá ser transmitida ao gerador e, em função dessa 
velocidade é definido o número de pólos do gerador. O funcionamento, especificação e detalhes 
do projeto serão estudados mais profundamente no capitulo 3. 
 
1.3.3 TRANSFORMADORES 
 
Uma vez gerada a energia elétrica, existe a necessidade de se compatibilizar o nível da 
tensão de saída com a tensão do sistema ao qual o grupo gerador será ligado. O equipamento 
utilizado para elevar ou rebaixar o nível de tensão é o transformador. Desta forma um grupo 
gerador que gera energia a uma tensão de 13.8 kV pode ser ligado a uma linha de transmissão de 
69kV desde que um transformador de 13,8/69 kV faça o ajuste da tensão. O funcionamento dos 
transformadores será estudado com mais detalhes no capitulo 5. 
 
1.3.4 CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO 
 
Para interligar um grupo gerador a uma rede de transmissão ou distribuição são 
necessários vários requisitos. Em primeiro lugar, a tensão de saída do gerador não pode variar 
mais que 10% para cima ou para baixo. O controle da tensão é feito através da excitatriz do 
próprio gerador e será estudada no capitulo 3. No entanto, não basta apenas compatibilizar a 
tensão. É necessário que se faça o sincronismo com a rede antes de comandar o fechamento da 
linha. Para que estas medidas sejam tomadas, são necessários vários equipamentos de manobra e 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 16 
Módulo 4 – Geração de Energia 
proteção, tais como TC’s, TP’s, relés e disjuntores. O quadro de comando e proteção reúne todos 
estes equipamentos, e permite ao operador supervisionar o funcionamento do sistema e atuar 
imediatamente caso se faça necessário. 
A freqüência do sistema elétrico é a variável mais importante e a mais difícil de ser 
controlada. Para que o sistema de geração funcione corretamente, é necessário que a freqüência 
de tensão de saída do gerador seja constante e de acordo com o sistema elétrico da região em que 
se encontra. Por exemplo, no Brasil a freqüência de operação do sistema elétrico é de 60 Hz, e o 
sistema de geração de energia elétrica do Paraguai é de 50 Hz. Esta freqüência é função da 
rotação do gerador, portanto o gerador deve funcionar sempre em uma rotação fixa, que é 
aplicada pela máquina primária. Portanto ela depende da velocidade de rotação da máquina 
primária. Cabe ao sistema de controle atuar nos reguladores de velocidade das máquinas 
primárias e assim garantir uma freqüência fixa da tensão na saída do gerador. 
A potência elétrica de saída do gerador é diretamente proporcional a potência mecânica 
transmitida pela máquina primária através do eixo. Sabemos que a potência mecânica na ponta 
do eixo de uma máquina girante é diretamente proporcional ao produto da velocidade de rotação 
e o torque na ponta de eixo: 
nCkP ××= 
onde k é uma constante de proporcionalidade. 
 
Portanto, se o gerador precisar entregar mais potência para o sistema devido a um 
aumento súbito de carga, a máquina primária precisa aumentar o torque transferido ao gerador, 
uma vez que a rotação deve-se manter constante. 
Algumas das principais diferenças entre os turbogeradores e os hidrogeradores é a 
velocidade de rotação e o momento de inércia da parte girante. Nos hidrogeradores a velocidade 
de rotação é normalmente bem mais baixa e o momento de inércia bem maior do que nos 
turbogeradores, uma das conseqüências desta diferença é a de que os turbogeradores necessitam 
de sistemas de controle de corrente de campo e controle da velocidade de rotação da máquina 
primária maisconfiáveis e mais rápidos do que os hidrogeradores, pois uma perturbação na carga 
requer uma adaptação rápida e precisa do sistema de geração. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 17 
Módulo 4 – Geração de Energia 
2 MÁQUINAS PRIMÁRIAS 
2.1 HIDRÁULICAS 
 
Toda eletricidade é proveniente de uma fonte de energia encontrada na natureza, como 
os combustíveis fósseis, os ventos, entre outros. Nas hidrelétricas este princípio não é diferente. 
A fonte de energia é a energia potencial de um volume de água, em função da diferença de 
altitude entre o montante e a juzante. 
Para iniciar o processo de conversão da energia potencial da água em energia elétrica, a 
água dos reservatórios é captada, através de um sistema de adução onde a água é transportada 
através de condutos de baixa pressão. Os condutos de baixa pressão possuem uma declividade 
muito baixa, pois a sua finalidade é apenas o transporte da água até a entrada dos condutos 
forçados, que conduzem a água até a casa de máquinas onde se encontram as turbinas. 
 
 
Figura 2.1.1 – Exemplo de turbinas em barragens 
 
A turbina hidráulica é uma máquina com a finalidade de transformar a energia cinética 
do escoamento contínuo da água que a atravessa em trabalho mecânico. Para isso elas são 
equipadas com uma série de pás (ou conchas, no caso das turbinas Pelton). Quando a água 
atravessa essas pás, as turbinas giram com uma grande força. A força com que gira essa turbina 
depende inicialmente da altura da queda de água, que corresponde, aproximadamente, a 
diferença de altitude entre a adução e a entrada da turbina. 
Existem várias formas de conseguir um desnível aproveitável: Por represamento, onde 
uma barragem acumula as águas dos rios em alturas necessárias para obtenção dessa energia. 
Neste caso as casas de máquinas são localizadas nos pés das barragens. Por Desvio, onde uma 
parte do rio é desviada de seu curso normal para aproveitar-se um desnível de terreno. Ou por 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 18 
Módulo 4 – Geração de Energia 
derivação, onde parte da água de um rio é desviada e jogada em outro rio aproveitando-se o 
desnível entre os dois rios. Nestes últimos as casas de máquinas são localizadas o mais próximo 
possível da jusante dos desníveis. 
 
Figura 2.1.2 – Corte longitudinal em uma turbina tipo francis, eixo vertical. 1- rotor, 2- pá, 
3- labirinto interno, 4- labirinto externo, 5- Orifícios de equilíbrio de pressão, 6- tubo de 
equilíbrio de pressão, 7- palheta diretriz, 8- tampa, 9- caixa espiral, 10- palheta fixa, 11- tubo de 
sucção, 12- eixo, 13- flange de acoplamento, 14- servomotor das aletas ajustáveis. 
 
Basicamente existem 2 tipos de turbinas hídricas: as turbinas de reação ou propulsão, e 
turbinas de ação ou impulso. 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 19 
Módulo 4 – Geração de Energia 
 
Figura 2.1.3 - Corte longitudinal em uma turbina tipo hélice, kaplan, de eixo vertical. 1- rotor, 
2- pá, 3- palheta diretriz, 4- tampa intermediaria, 5- tampa externa, 6- tampa interna, 7- anel 
periférico, 8- caixa, 9- palheta fixa, 10- tubo de sucção, 11- eixo, 12- flange de acoplamento. 
 
 
a) Turbinas de Reação (ou propulsão): São turbinas em que o trabalho mecânico é 
obtido pela transformação das energias cinéticas e de pressão da água em 
escoamento através do rotor. As turbinas de reação são as do tipo Francis e 
Kaplan. 
 
b) Turbinas de Ação (ou impulso): Aquela em que o trabalho mecânico é obtido 
pela obtenção da energia cinética da água em escoamento através do rotor. As 
turbinas de ação são as do tipo Pelton. 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 20 
Módulo 4 – Geração de Energia 
 
Figura 2.1.4 – Corte transversal em uma turbina pelton de dois injetores, de eixo horizontal e 
coroa em uma única peça. 1- rotor, 2- pá, 3- coroa de pás, 4- tampa, 5- desviador frontal, 
6- poço, 7- blindagem, 8- canal de fuga, 9-eixo de turbina, 10- injetor, 11- freio de jato, 
12- agulha, 13- cruzeta pelton, 14- defletor. 
 
A turbina hidráulica utiliza a energia cinética de rotação de seu rotor para girar o 
gerador ao qual está conectado. Um dispositivo elétrico chamado transformador converte a 
tensão de saída do gerador em tensões aproveitáveis pelas concessionárias. 
Estima-se que o Brasil tenha um potencial de geração de energia hidrelétrica da ordem 
de 200.000MW, capaz de fornecer 1 milhão de GWh de eletricidade anualmente, dos quais 
somente 25% estão sendo utilizados. 
A capacidade nominal instalada de geração de energia elétrica no Brasil é de 
57.232MW, dos quais 92% são derivados de hidrelétricas. A ELETROBRÁS participa com 
27.052MW da capacidade nominal instalada. Em 1996, o sistema teve energia disponível da 
ordem de 311.379GWh, para um consumo de 260.908GWh, empregava 157.063 trabalhadores e 
tinha aproximadamente 39,8 milhões de consumidores. 
O Brasil, juntamente com o Paraguai, possui uma das maiores usinas hidrelétricas do 
mundo, a Itaipú Binacional, com capacidade instalada de 12.600MW, localizada no rio Paraná, 
fronteira dos dois países. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 21 
Módulo 4 – Geração de Energia 
2.2 DIESEL 
 
O motor Diesel é uma maquina térmica, ou seja, transforma energia térmica em energia 
mecânica através do mesmo principio de funcionamento dos motores a explosão, como os 
conhecidos motores de automóveis. Esses motores são chamados de máquinas térmicas a pistão 
ou motores de combustão interna. Seu objetivo é a obtenção de trabalho através da liberação da 
energia química do combustível. 
 
Figura 2.2.1 – Grupo gerador com motor Diesel 1- Máquina térmica motora, motor Diesel. 
2- Máquina elétrica geradora. 3- Árvore, através da qual o motor Diesel fornece a potência para 
o gerador. 4- Saída dos produtos da combustão. 5 - Entrada ou saída do fluido refrigerante. 
 
A figura 2.2.1 mostra um grupo gerador onde um motor Diesel é a máquina térmica 
motora que está acoplada a um alternador, máquina elétrica geradora ou operadora. Observa-se 
que o motor Diesel fornece na árvore um trabalho em uma unidade de tempo, potência, 
entregando ao meio externo, através de seus sistemas de refrigeração e nos produtos de 
combustão, calor. Tal potência e calores são resultado da liberação de uma energia química 
liberada atravésde reações exotérmicas entre um combustível, no caso o óleo Diesel, e um 
comburente, no caso o oxigênio do ar. 
Os motores a pistão de combustão interna podem ser classificadas de várias maneiras, 
entre as quais algumas merecem destaque: 
 
· Quanto ás propriedades do gás na fase de compressão: motores Otto e motores 
Diesel; 
· Quanto ao ciclo de trabalho: Motores de 2 e 4 tempos. Nos motores de 2 tempos 
ocorre um processo de trabalho a cada giro da árvore, e no motor 4 tempos são 
necessários 2 giros para completar um ciclo do processo; 
· Quanto ao movimento do pistão: motores a pistão rotativos ou alternativos; 
· Quanto ao número de cilindros. 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 22 
Módulo 4 – Geração de Energia 
 
Figura 2.2.2 – Corte no cabeçote de um motor de combustão interna PM1- Ponto morto 
superior. PM2- Ponto morto inferior. 1- Cilindro. 2- Pistão ou êmbolo. 3- Vela. 4- Válvulas. 
 
· Quanto a disposição dos cilindros: motores a pistão com cilindros em linha, V. L, 
H, W, em estrela e com cilindros opostos. 
 
Os motores a pistão de combustão interna mais utilizados em grupos geradores são os 
motores Diesel. Diferentemente do motores Otto, em que a mistura combustível e comburente é 
preparada fora do motor pelo carburador e injetada no cilindro, nos motores Diesel o ar é 
admitido no cilindro, comprimido, e o combustível é injetado na massa de ar comprimido através 
de um circuito independente ocasionando assim a inflamação espontânea. 
O ciclo de funcionamento de um motor Diesel é a 4 tempos onde a combustão ocorre 
com pequena variação de pressão a volume constante sendo sua maior parte desenvolvida a 
pressão constante. Tal fato é uma característica única nos motores a diesel. 
No caso dos motores diesel, a regulação de velocidade é feita a partir da injeção de 
combustível no motor, tal como é feita nos motores diesel convencionais. Esta regulação de 
velocidade é fundamental para que a freqüência do grupo gerador seja constante, em 60 ou 50 Hz 
dependendo do sistema, independentemente da variação da carga. 
As centrais Diesel, apesar de sua limitação de potência, ruído e vibração, constituem um 
tipo de central muito utilizado até potências de 40 MW. Isto porque são bastante compactas, 
entram em carga em um tempo muito pequeno, são de fácil operação e apresentam um plano de 
manutenção de fácil execução, entre outros motivos. 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 23 
Módulo 4 – Geração de Energia 
 
Figura 2.2.3 – Ciclo de trabalhe de motor Diesel a 4 tempos. 
PM1 e PM2 – Pontos mortos superior e inferior. VA – Válvula de admissão. VE – Válvula de 
escape. D – diâmetro do pistão. E – curso. R – Raio da árvore de manivelas. Vm – volume 
morto. Vc – Volume da cilindrada. I – Pistão ou êmbolo. II – Biela. III – Árvore de manivelas. 
IV – Camisa. V – Cavernas, para refrigeração. VI – Injetor. Estado 2 – Início da injeção. 
Estado 3 – final da combustão. 
1o tempo, 0-1, admissão 
2o tempo, 1-2, compressão 
3o tempo, 2-3-4, injeção, combustão e expansão 
4o tempo, 4-0, escape. 
 
 
 
 
 
 
WEG – Transformando Energia em Soluções 24 
Módulo 4 – Geração de Energia 
2.3 TERMELÉTRICAS 
 
As máquinas a vapor foram as primeiras máquinas a produzirem energia mecânica 
aproveitável para processos industriais. Por isto essas máquinas foram fundamentais para o 
acontecimento da revolução industrial. Com o aparecimento da eletricidade, as máquinas a vapor 
se tornaram peças fundamentais para a geração de energia elétrica, uma vez que já existia o 
domínio dessa tecnologia. 
As instalações de potência com turbinas a vapor podem visar apenas a obtenção de 
energia elétrica ou mecânica ou simultaneamente elétrica ou mecânica e vapor para o processo. 
Essas centrais podem trabalhar em circuito aberto ou fechado, sendo o circuito aberto muito 
utilizado quando se pretende utilizar calor para o processo. 
 
Figura 2.3.1 – Funcionamento de uma instalação de potência a vapor. 
 
O aquecimento da água é feito através da queima de algum combustível. De um modo 
geral denomina-se combustível, qualquer corpo cuja combinação química com outro seja 
exotérmica. Entretanto, condições de baixo preço, existência na natureza ou processo de 
fabricação em grande quantidade limitam o número de combustíveis usados tecnicamente. Tendo 
em vista seu estado físico, os combustíveis podem ser classificados em sólidos, líquidos ou 
gasosos. Os combustíveis sólidos são formados de C, H2, O2, S, H2O e cinzas. Sendo 
combustíveis apenas os 4 primeiros elementos. Entre os combustíveis sólidos temos os minerais 
 
 
 
 
 
 
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Módulo 4 – Geração de Energia 
como turfas linhitos e carvão, e os não-minerais como lenha, serragem, bagaço de cana, de pinho 
etc. Os combustíveis líquidos também podem ser minerais ou não minerais. Os minerais são 
obtidos pela refinação do petróleo, destilação do xisto betuminoso ou hidrogenação do carvão. 
Os mais usados são a gasolina, o óleo diesel e o óleo combustível. Os combustíveis líquidos não-
minerais são os álcoois e os óleos vegetais. Os combustíveis gasosos são divididos em naturais e 
artificiais. Entre os naturais destacam-se o gás dos pântanos CH4 e os gases de petróleo. Entre os 
artificiais temos o gasogênio, gás de alto-forno e gás de esgoto. 
Basicamente, uma instalação a vapor é composta de bomba, caldeira, turbina e 
condensador. Tendo em vista a pressão na saída da turbina, temos as instalações a vapor de 
condensação e de contrapressão. Nas primeiras, a pressão do vapor na saída da turbina é menor 
que a atmosférica, nas segundas maior. 
A combustão ocorre na caldeira, dentro da câmara de combustão onde são injetados o 
combustível e o comburente (ar). Após a combustão são retirados, como produto do processo, 
gases e cinzas constituídos de produtos não queimados. A liberação de energia térmica devido ao 
processo de combustão aquece a água na caldeira até evaporar. Uma vez na tubulação um 
superaquecedor eleva a temperatura do vapor aumentando assim a pressão para entrar na turbina. 
Ao passar pela turbina o vapor perde pressão e vai para o condensador onde volta ao estado 
líquido e é bombeado de volta para a caldeira. 
A turbina é a máquina que transforma a energia da pressão do vapor em energia cinética 
de rotação e, através de um eixo de acoplamento, transmite essa energia para o gerador.WEG – Transformando Energia em Soluções 26 
Módulo 4 – Geração de Energia 
2.4 TERMONUCLEARES 
 
A usinas termonucleares funcionam utilizando o mesmo princípio de funcionamento das 
usinas térmicas, ou seja, as máquinas que entregam energia para o gerador são as turbinas a 
vapor (ver figura 2.4.1). O que torna essas usinas especiais é o combustível utilizado. Ao invés 
de uma reação química de combustão, o que acontece é uma liberação de energia a nível 
atômico. 
 
Figura 2.4.1 – Funcionamento de uma usina nuclear 
 
O núcleo do átomo foi descoberto em 1911 por Rutherford ao analisar as partículas 
liberadas pelos átomos, mas somente após a descoberta do nêutron por Chadwick e as reações 
feitas pelo casal Joliot-Curie em 1932 é que o núcleo começou a adquirir a sua real importância. 
O tamanho do núcleo é muito pequeno. Ele ocupa o centro do átomo, e a carga total 
positiva, bem como quase toda a massa do átomo está no núcleo. Ele é formado basicamente por 
prótons e nêutrons. Os prótons possuem uma carga positiva numericamente igual a carga do 
elétron (1.602 x 10-19 C). Os nêutrons são eletricamente neutros. As partículas do núcleo são 
chamadas de nucleons. As forças que mantém as partículas do núcleo unidas entre si são 
provenientes da repulsão eletrostática entre os prótons e de forças pequenas da natureza que 
aparecem dentro do núcleo que são chamadas de forças nucleares. 
A energia acumulada por essas forças nucleares são chamadas de energia de coesão e é 
calculada pela equação de Einstein: E=MC2. 
 
 
 
 
 
 
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Módulo 4 – Geração de Energia 
Ao se determinar a massa do núcleo, descobrimos que ela é menor que a soma das 
massas dos seus componentes. A diferença entre as duas é chamada de erro de massa (Dm) e a 
energia de coesão fica E=Dm.C2 
Uma parte da massa do núcleo é transformada em energia de coesão para manter as 
partículas do núcleo unidas. Essa energia é liberada durante a reação nuclear. Dividindo a 
energia de coesão pelo número de componentes do núcleo obtemos a energia média do núcleo, 
um valor que indica a estabilidade do núcleo. Se o valor da energia de coesão média é alto, então 
este núcleo é estável. Se esse valor é baixo, então ele é instável e tende a emitir alguns de seus 
componentes para tornar-se mais estável. Neste caso o núcleo é radioativo. 
O elemento natural mais pesado que se encontra na Natureza é o urânio . A maior parte 
dele constitui-se de átomos estáveis , dotados de 92 prótons e 146 nêutrons . A soma dessas 
quantidades determina o número atômico 238 . Aproximadamente 1 % do urânio , porém , é 
constituído de átomos com apenas 143 nêutrons , o que resulta no número atômico 235 : estes 
são instáveis . 
Os termos energia atômica e energia nuclear são sinônimos e definem o mesmo 
conceito. A razão para esse nome duplo é histórica. 
A fissão nuclear é a reação na qual um núcleo pesado, quando bombardeado por 
nêutrons, dividem-se em dois núcleos, um com aproximadamente metade da massa do outro. 
Esta reação libera uma grande quantidade de energia e emite dois ou três nêutrons. Estes por sua 
vez podem causar outras fissões interagindo com outros núcleos que vão emitir novos nêutrons, e 
assim por diante, proporcionando uma liberação de energia em progressão geométrica. Este 
efeito é conhecido como reação em cadeia. Em uma fração de segundos o numero de núcleos que 
foram divididos liberam 106 vezes mais energia do que a obtida na explosão de um bloco de 
dinamite de mesma massa. Em vista da velocidade com que a reação nuclear ocorre, a energia é 
liberada muito mais rapidamente do que em uma reação química. Este é o princípio no qual a 
bomba nuclear é baseado. As condições sob as quais a bomba atômica foi descoberta e 
construída fazem parte da historia da humanidade e é familiar a todo mundo. 
Se, por outro lado, apenas um desses nêutrons liberados produzir apenas uma fissão, o 
numero de fissões por segundo passa a ser constante e a reação é controlada. Este é o principio 
de operação no qual os reatores nucleares são baseados, os quais são fontes controláveis de 
energia proveniente de fissões nucleares. 
A maioria dos reatores usa como combustível o urânio enriquecido, em que a 
porcentagem de U-235 é elevada de 1 para 3. O urânio, normalmente em forma de óxido, 
encontra-se acondicionado no interior de longas hastes. Estas são arranjadas paralelamente, 
formando elementos cilíndricos. Inicia-se a reação em cadeia bombardeando com nêutrons esses 
elementos de combustível. Ao se fissionarem, os núcleos de U-235 liberam nêutrons animados 
de alta energia para que estes possam ser usados na fissão de novos núcleos, sua velocidade de 
deslocamento precisa ser reduzida. 
Nesse momento, entra em cena um moderador, substância que envolve os elementos de 
combustível no núcleo do reator. Os moderador mais comuns são a água pesada e o grafite. 
Regula-se a taxa com que se dá a reação em cadeia por meio de hastes de controle, que 
podem ser introduzidas entre tubos de combustível. As hastes são feitas de materiais capazes de 
absorver nêutrons: quanto mais nêutrons forem absorvidos, menos núcleos experimentam a 
fissão e menor a energia produzida. O calor gerado na reação nuclear é absorvido no circuito de 
refrigeração. Na ausência deste, o núcleo do reator aqueceria de tal forma que acabaria por 
derreter. 
 
 
 
 
 
 
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Módulo 4 – Geração de Energia 
Há dois tipos básicos de reatores nucleares modernos. O primeiro deles emprega grafite 
como moderador e um gás no circuito de refrigeração. O segundo utiliza água pesada como 
moderador e água comum pressurizada como refrigerante. A água é mantida sob uma pressão tão 
alta que, mesmo em temperaturas na faixa de 300 graus centígrados, mantém seu estado liquido. 
 
Figura 2.4.2 – Partes componentes de uma usina nuclear 
 
Em ambos os tipos de reator, o fluido refrigerante passa através de um trocador de calor 
que contém água comum com o intuito de se transformar em vapor. Este vapor é usado para 
mover uma turbina, que por sua vez gera eletricidade. 
Depois de alguns anos o U-235 presente no urânio esgota-se. As hastes que contém o 
combustível são então retiradas e em seguida enviadas a uma usina de reprocessamento, onde se 
realiza a separação de componentes aproveitáveis. Os principais são o próprio urânio e o 
plutônio, bastante utilizado na confecção de artefatos nucleares. 
O plutônio é formado nos reatores pela absorção de nêutrons pelos núcleos de U-238. 
Um novo tipo de reator, chamado de enriquecimento rápido, produz quantidades bem mais 
elevadas de plutônio. 
Para que possam funcionar, esses reatores de enriquecimento rápido exigem a 
disponibilidade de uma enorme quantidade de nêutrons, uma vez que grande parcela deles é 
absorvida pelos núcleos de U-238. 
Como deve restar um fluxo de nêutrons suficiente para manter a reação em cadeia do U-
235, os reatores de enriquecimento rápido trabalham apenas com nêutrons rápidos. Em outras 
palavras, não contam com um moderador. Em compensação, exigem que o circuito de 
refrigeração seja preenchido por uma substância capaz de absorver as altas quantidades de calor 
resultantes - por exemplo sódio liqüefeito. 
Além de alimentar