sistemas elétricos de potencia - Senai

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Sistemas Elétricos de Potência
Departamento Regional de Rondônia 
 Medidas Elétricas 
Centro de Formação Profissional SENAI - RO 1
 
 
 
 
 
Federação das Indústrias do Estado de Rondônia 
Presidente do Sistema FIERO/SESI/SENAI/IEL 
Euzébio André Guareschi 
 
Diretor Superintendente do SESI/RO 
Valdemar Camata Junior 
 
Diretor Regional do SENAI/RO 
Vivaldo Matos Filho 
 
Superintendente do Instituto Euvaldo Lodi - IEL/RO 
Valdemar Camata Junior 
 
 
Diretora da Escola Centro de Formação Profissional “Marechal Rondon” 
Elsa Ronsoni Mendes Pereira 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fevereiro
 2007 
 
 
 
UTILIZAÇÃO DE MATERIAL DIDÁTICO. 
 
 
 O SENAI deseja, por meio dos diversos materiais didáticos nivelados em um 
contexto nacional, aguçar a sua curiosidade, responder às suas demandas de 
informações e construir links entre os diversos conhecimentos e competências, tão 
importantes para sua formação profissional. 
 
 Além dos esforços e dedicação de todo o grupo do SENAI DR/RO na confecção 
de material didático estamos também utilizando as obras divulgadas no site 
www.senai.br/recursosdidaticos desenvolvidas por outros Departamentos Regionais, 
reservados os direitos patrimoniais e intelectuais de seus autores nos termos da Lei nº. 
9610, de 19/02/1998. 
 
Tal utilização se deve ao fato de que tais obras vêm de encontro as nossas 
necessidades, bem como têm a função de enriquecer a qualidade dos recursos didáticos 
fornecidos aos nossos alunos como forma de aprimorar seus conhecimentos e 
competências. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Sistemas Elétricos de Potência
* “ Material sujeito a alterações sem prévio aviso!”
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Sistemas Elétricos de Potência
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
3.1.2.1Tipos de acionamentos ..........................................................................................................43
3.2 NOÇÕES FUNDAMENTAIS ............................................................................... 44
3.2.1 Princípio de funcionamento ______________________________________________44
3.2.2 Geração de corrente trifásica______________________________________________47
3.2.2.1Ligações no sistema trifásico ................................................................................................47
3.2.2.2Tensão 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
3.2.7.1Distorção harmônica..............................................................................................................61
3.2.7.2Fator de desvio .......................................................................................................................61
3.2.7.3Modulação de tensão .............................................................................................................63
3.2.7.4Desequilíbrio angular .............................................................................................................63
3.2.7.5Desbalanceamento de tensão.................................................................................................63
3.2.7.6Transiente de tensão...............................................................................................................63
3.2.7.7Tolerância de tensão ..............................................................................................................64
3.3 GERADORES WEG............................................................................................. 65
3.3.1 Normas aplicáveis _____________________________________________________65
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Sistemas Elétricos de Potência
3.3.2 Geradores com excitação por escovas _______________________________________65
3.3.2.1Tipo 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.__________________________________________________763.4.3 Determinação da potência útil do gerador nas diversas condições de temperatura e altitude 76
3.4.4 Atmosfera Ambiente ___________________________________________________77
3.4.4.1Ambientes Agressivos ...........................................................................................................77
3.4.5 Graus de proteção _____________________________________________________78
3.4.5.1Código de identificação .........................................................................................................78
3.4.5.2Tipos usuais ............................................................................................................................80
3.4.6 Limites de ruído_______________________________________________________80
3.4.7 Vibração ____________________________________________________________81
3.4.8 Ventilação ___________________________________________________________82
3.4.8.1Gerador aberto ........................................................................................................................82
3.4.8.2Gerador totalmente fechado ..................................................................................................83
3.4.9 Acessórios/especialidades________________________________________________85
3.4.9.1Resistência de aquecimento...................................................................................................85
3.4.9.2Proteção 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
3.5.2.1Aquecimento do enrolamento ...............................................................................................91
3.5.2.2Classes de isolamento ............................................................................................................92
3.5.2.3Medida da temperatura do enrolamento ...............................................................................92
3.5.2.4Aplicação à máquinas elétricas .............................................................................................93
3.5.3 Queda de tensão_______________________________________________________94
3.5.3.1Cálculo da queda de tensão ...................................................................................................94
3.5.3.2Influência do fator de potência..............................................................................................96
3.5.3.3Influência da carga inicial......................................................................................................96
3.5.4 Limitações na partida 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
3.5.10Regime de serviço ____________________________________________________106
3.5.10.1 .............................................................................................................Regimes Padronizados
106
3.5.11Diagrama de carga ____________________________________________________108
3.5.12Operação em paralelo de geradores________________________________________110
3.5.13Cálculo da bobina de aterramento do ponto estrela de geradores ___________________113
3.6 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS .......................................................... 114
3.6.1 Componentes Principais ________________________________________________114
3.6.1.1Estator da máquina principal ...............................................................................................114
3.6.1.2Rotor da máquina principal .................................................................................................114
3.6.1.3Estator da excitatriz principal ..............................................................................................114
3.6.1.4Rotor da excitatriz principal e diodos retificadores girantes.............................................114
3.6.1.5Excitatriz auxiliar .................................................................................................................115
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Sistemas Elétricos de Potência
3.6.1.6Enrolamento auxiliar (ou bobina auxiliar)..........................................................................115
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
3.7.2.1Conversão de freqüência......................................................................................................122
3.7.2.2Conversão de Corrente ........................................................................................................123
3.7.2.3NO-BREAK..........................................................................................................................124
3.7.2.4Short-Break Diesel ...............................................................................................................125
3.7.2.5Geradores para CPD.............................................................................................................125
3.7.2.6Geradores linha Industrial ...................................................................................................126
3.7.2.7Geradores para Telecomunicações (padrão TELEBRÁS).................................................126
3.7.2.8Geradores 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
5.1.1.4Características gerais dos equipamentos de proteção ........................................................132
5.1.1.5Características Funcionais do Releamento .........................................................................135
5.1.2 Aspectos específicos __________________________________________________136
5.1.2.1Equipamentos de manobra...................................................................................................136
5.1.2.2Proteção de motores .............................................................................................................138
5.1.2.3Proteção de Geradores .........................................................................................................138
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Sistemas Elétricos de Potência5.1.2.4Proteção de transformadores ...............................................................................................139
5.1.2.5Proteção de barramentos......................................................................................................139
5.1.3 Coordenação ________________________________________________________140
5.1.3.1Proteção de linhas ................................................................................................................141
5.1.4 Princípios de coordenação ______________________________________________142
5.2 Diagramas elétricos ............................................................................................143
5.2.1 Diagrama Unifilar ____________________________________________________143
5.2.2 Diagrama Trifilar _____________________________________________________144
5.2.3 Diagrama Funcional ___________________________________________________145
5.2.4 Diagramas Construtivos ________________________________________________146
5.2.4.1Diagrama Sinóptico .............................................................................................................147
5.3 Consideração a respeito de quadros elétricos......................................................148
5.3.1 Classificações _______________________________________________________148
5.3.1.1Quanto a função ...................................................................................................................148
5.3.1.2Quanto ao local de instalação ..............................................................................................151
5.3.1.3Quanto ao grau de proteção .................................................................................................151
5.3.1.4Quanto ao tipo de construção ..............................................................................................152
5.3.2 Comportamento dos metais (estrutura e barramento) ___________________________152
5.3.3 Características dos metais_______________________________________________152
5.3.3.1Densidade .............................................................................................................................152
5.3.3.2Propriedades térmicas ..........................................................................................................153
5.3.3.3Propriedades elétricas ..........................................................................................................153
5.3.3.4Propriedades químicas .........................................................................................................154
5.3.3.5Propriedades Mecanicas ......................................................................................................154
5.4 Graus de Proteção ..............................................................................................155
5.5 Condições Normais de Serviço ............................................................................159
5.6 Considerações de Normalização..........................................................................161
5.6.1 Definições (Segundo IEEE C 37.20.2 - 1993) ________________________________161
5.6.1.1Painéis Metal Clad ...............................................................................................................161
5.6.1.2Painéis Cubicle .....................................................................................................................162
5.6.1.3Painéis Interrupter................................................................................................................162
5.6.1.4Painéis Baixa Tensão ...........................................................................................................163
6 Produção Independente de Energia Elétrica no Brasil..........................................164
6.1 Introdução ..........................................................................................................164
6.2 Ligação em Autoprodutores em paralelo com o sistema de distribuição .............166
6.2.1 Paralelismo _________________________________________________________166
6.2.1.1Condições para o Paralelismo .............................................................................................167
6.2.1.2Métodos para o Sincronismo ...............................................................................................167
6.2.2 Proteção Contra Faltas _________________________________________________168
6.2.2.1 Nomenclatura para Relés (NBR 5175 - Maio 1988).........................................................168
6.2.3 Projeto Elétrico ______________________________________________________177
7 Dimensionamento de Fios e Cabos de Baixa Tensão.............................................178
7.1 Os Seis Critérios Técnicos de Dimensionamento de Condutores Elétricos ..........178
7.2 Seção do Condutor Neutro ..................................................................................179
7.3 O Condutor de Proteção .....................................................................................180
7.4 Cores dos Condutores Neutro e de Proteção .......................................................181
7.5 Tabelas ...............................................................................................................182
7.5.1 Grupos Contendo Cabos de Dimensões Diferentes_____________________________193
Departamento Regional - SENAI - RO8
Sistemas Elétricos de Potência
7.5.2 Correntes Máximas de Curto-Circuito ______________________________________204
7.5.3 Correntes Máximas de Curto-Circuito ______________________________________205
7.5.4 Correntes Máximas de Curto-Circuito ______________________________________206
7.5.5 Determinação da Integral de Joule (l2t) de Condutores Elétricos ___________________207
REFERÊNCIAS__________________________________________________________209
Departamento Regional - SENAI - RO9
Sistemas Elétricos de Potência
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.
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Sistemas Elétricos de Potência
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
energia cinética 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 entrano 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 de 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
Departamento Regional - SENAI - RO11
Sistemas Elétricos de Potência
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
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Sistemas Elétricos de Potência
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.
Departamento Regional - SENAI - RO13
Sistemas Elétricos de Potência
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 energia elétrica tende a ser gerada
Departamento Regional - SENAI - RO14
Sistemas Elétricos de Potência
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 combustíveisa 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.
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Sistemas Elétricos de Potência
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
Departamento Regional - SENAI - RO16
Sistemas Elétricos de Potência
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 mais confiáveis e mais rápidos do que os hidrogeradores, pois uma perturbação na carga
requer uma adaptação rápida e precisa do sistema de geração.
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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
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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 turbinasde reação ou propulsão, e
turbinas de ação ou impulso.
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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.
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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.
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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 através de 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.
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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.
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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.
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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 formadosde 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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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.
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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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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 (∆m) e a
energia de coesão fica E=∆m.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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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
moveruma 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 a indústria de armamentos nucleares, o plutônio produzido nos
reatores é armazenado, para uso no futuro em reatores que o utilizem como combustível .
Em muitos países a utilização da energia nuclear é tão grande que ultrapassa 60% de
toda a energia gerada. A tabela a seguir mostra o quanto alguns países produzem de energia
nuclear em relação ao total de energia gerada.
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País Eletricidade de origem nuclear
França 70%
Bélgica 67%
Suécia 50%
Suíça 39%
Alemanha 30%
Espanha 29%
Japão 25%
Tabela 2.1 – Percentual de eletricidade de origem nuclear
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2.5 TURBINA A GÁS
As primeiras turbinas a gás foram idealizadas a mais de 150 anos. No entanto o
desenvolvimento e a implementação dessa tecnologia foi dificultada por uma série de motivos.
Destacamos entre eles:
• A máquina a vapor era o grande avanço da engenharia na época, e todo o
desenvolvimento industrial estava fundamentado neste tipo de máquina. Portanto,
para que houvesse concorrência, um novo tipo de máquina teria que possuir níveis
de rendimento muito altos, o que só era possível a temperaturas próximas de 500oC.
Essas temperaturas só foram alcançadas nos últimos 50 anos com o avanço da
metalurgia que passou a fornecer materiais que suportassem esses níveis de
temperatura por longos períodos de tempo.
• Em função do número excessivo de estágios do turbocompressor, a potência para
instalações estacionárias era limitada. Apesar dos avanços consideráveis na
resolução deste problema, ele ainda ocupa a cabeça de muitos engenheiros
encarregados de desenvolver esta tecnologia.
• baixo rendimento dos compressores resultavam em um baixo rendimento para a
instalação, problemas estes que só foram resolvidos nas últimas décadas através do
desenvolvimento da mecânica dos fluidos, das técnicas construtivas, da teoria dos
modelos e dos respectivos ensaios, que permitiram a fabricação de
turbocompressores com rendimentos superiores a 85%.
Não há duvidas que os grandes avanços tecnológicos que viabilizaram o
desenvolvimento das turbinas a gás são mérito da indústria aeronáutica que, necessitando
aumentar a velocidade dos aviões, abandonaram os motores a pistão para se dedicarem ao
desenvolvimento de motores a reação. Desta forma surgiram o primeiro turboélices e turbojatos
na Segunda guerra mundial.
Figura 2.5.1 – Grupo gerador a gás com turbina em circuito aberto
De uma forma bem geral podemos classificar as instalações de turbinas a gás em dois
grandes grupos: Turbinas a gás em circuito aberto e Turbinas a gás em circuito fechado.
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2.5.1 TURBINAS A GÁS EM CIRCUITO ABERTO
As instalações das turbinas a gás em circuito aberto, estacionárias, podem ser com ou
sem recuperação. Neste tipo de instalação encontram-se os motores a reação turboélice e
turbojato.
O princípio de funcionamento dos motores a reação é simples. No item 2.2 vimos o
funcionamento dos motores a pistão. Esses motores utilizam a força exercida nos pistões devida
a rápida expansão dos gases em função da explosão. Como já sabemos, a toda força que exerce
uma ação corresponde uma força de reação de mesma intensidade, mas com o sentido oposto ao
da força atuante. Na figura 2.5.2 estão representadas, de forma simplificada, as forças que atuam
em um cilindro quando ocorre a combustão no seu interior.
Figura 2.5.2 - forças atuantes em um cilindro com pistão
Em função do princípio da ação e reação, as forças que agem nas laterais do cilindro se
anulam, uma vez que a superfície é cilíndrica. A força que provoca o deslocamento do pistão é
equilibrada por outra de mesma intensidade no fundo do cilindro, provocando também o seu
deslocamento se nenhum vínculo existir para impedir. Dizemos que o pistão sofre um
deslocamento pela “ação” de uma força, enquanto o cilindro é deslocado pela “reação” de uma
força de igual modulo e direção, porem no sentido contrário. Normalmente utilizamos a ação e
procuramos eliminar a reação através de vínculos. Isto ocorre, por exemplo, em todos os
motores a pistão, em fuzis, metralhadoras , canhões, etc. Nos motores a reação, a idéia é usar a
força de reação. No entanto essa força é de curta duração, como a força do recuo de um tiro.
Contudo, se usarmos uma metralhadora que dispara milhares de tiros por minuto, essa força terá
maior duração, mas com grandes oscilações. A amplitude das oscilações pode ser reduzida
diminuindo-se os tamanhos dos projéteis. Se essas dimensões tenderem a zero, também essas
amplitudes o farão. O escoamento contínuo de um gás corresponde a realização prática desse
princípio. Uma vez que as moléculas do gás representarão os elementos expelidos em dimensões
diminutas, logo teremos uma força de reação constante. Como em um balão de borracha cheio
onde o ar é expulso através de uma abertura.
A figura acima representa uma esfera oca, com uma abertura por onde escoa
continuamente uma massa m de fluido a uma velocidade c. Consequentemente ela sofrerá uma
reação ou impulsão com uma força F de módulo igual a:
cmF ⋅=
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Sistemas Elétricos de Potência
Desta forma, quanto maior a massa de gás que sai da esfera por unidade de tempo,
maior a velocidade para a mesma seção, logo, maior a reação.
Figura 2.5.3 – Força de reação
Este é o princípio de funcionamento dos motores a reação, dos quais fazem parte o
Turboélice, motojato, turbojato, pulsojato, estatorreator ou impactorreator e o foguete.
Se fixarmos essas máquinas e colocarmos na saída uma hélice, podemos transformar a
energia cinética do gás de escape, que sai por causa da diferença de pressão entre o interior e o
exterior, em energia cinética de rotação. Essa energia cinética de rotação pode ser transmitida a
um gerador através de um eixo acoplado as hélices.
Figura 2.5.4 – Principio de funcionamento do rotor
Este é o princípio de funcionamento da turbina a gás em circuito aberto. Este tipo de
instalação possui um rendimento médio em torno de 30%. O combustível utilizado é o gás
natural. Em seguida é mostrado, de uma forma simplificada, o ciclo teórico para o
funcionamento da turbina.
Figura 2.5.5 – Turbina
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Sistemas Elétricos de Potência
Em um ciclo simples da turbina, o ar a baixa pressão entra em um compressor (estado 1)
onde tem sua pressão elevada (estado 2). O combustível é adicionado ao ar comprimido e
enviado à câmara de combustão onde ocorre o processo de combustão. O produto desta
combustão entra na turbina (estado 3) e se expande para oestado 4. Uma parte do trabalho
produzido é utilizado para fazer o compressor funcionar e o restante é utilizado para fazer
funcionar o equipamento auxiliar e produzir energia elétrica.
O ciclo de Bryton descreve um ciclo simplificado de uma turbina a gás. As quatro
etapas do ciclo são:
(1-2) Compressão adiabática
(2-3) Aquecimento isobárico, isto é, a pressão constante
(3-4) Expansão adiabática
(4-1) Resfriamento isobárico.
Os diagramas p x v (pressão x volume) e T x s (temperatura x entropia) são mostrados a
seguir.
Figura 2.5.6 – Ciclo de Bryton
2.5.2 TURBINAS A GÁS EM CIRCUITO FECHADO.
 Instalações com turbinas a gás em circuito fechado, onde a combustão ocorre fora do
circuito e o funcionamento é semelhante ao das turbinas a vapor, com a diferença que o fluido
utilizado é um gás, podendo ser o próprio ar ou outro gás como o hélio por exemplo.
Nas turbinas a gás com circuito fechado o fluido a baixas temperaturas (ambiente) passa
por um estágio de compressão onde 2 ou mais turbocompressores elevam a pressão do gás em
torno de 5 vezes. Após o estágio de compressão o gás é aquecido, aproveitando-se o calor da
saída da turbina e passando por uma caldeira, até atingir temperaturas superiores a 700oC de
onde vai para a entrada das turbinas.
As turbinas funcionam por diferença de pressão, ou seja, aproveitam a energia cinética
do gás que passa de um lugar de da alta para um lugar de baixa pressão. Após passar por alguns
estágios de turbinas o gás volta a pressão inicial e passa por um trocador de calor onde pré-
aquece o gás que entra no aquecedor, abaixando a sua temperatura para perto de 100oC. O gás
então é resfriado e retorna a sua condição inicial recomeçando o ciclo.
O esquema mostrado a seguir proporciona uma visão de como ocorre o processo a partir
da compressão do gás, até a sua expansão após a passagem pela turbina de baixa pressão. Para
entender o funcionamento basta acompanhar os valores de temperatura e pressão em cada etapa
do processo.
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Figura 2.5.7 – Esquema geral de uma central térmica a gás em circuito fechado.
1 – Turbocompressor de baixa pressão. 2 – Turbocompressor de alta pressão.
3 – Turbina de alta pressão. 4 – Redutor. 5 – Turbina de baixa pressão. 6 – Pré-refrigerador.
7 – Refrigerador intermediário. 8 – Trocador de calor. 9 – Aquecedor de ar.
Note que a turbina a gás em circuito fechado não usa o gás como combustível. A
combustão é feita com qualquer produto combustível com a intenção de fornecer energia térmica
ao sistema. O gás é utilizado apenas como o fluido que transforma a energia térmica em energia
cinética para tocar as turbinas. Por exemplo existem usinas nucleares que utilizam o sistema de
turbinas a gás em circuito fechado para geração de energia elétrica, onde a energia térmica é
gerada a partir de combustível nuclear.
Figura 2.5.8 – Ciclos teóricos da turbina a gás com circuito fechado (Carnot, Ericsson)
Esse tipo de turbina utiliza o ciclo básico teórico de Carnot com duas isotérmicas e duas
adiabáticas tal como mostrado na figura 2.5.8, que é aproximado na prática pelo ciclo de Ackeret
e Keller onde a compressão isotérmica 1,2 é substituída por compressões adiabáticas e
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refrigeração isobárica enquanto a expansão isotérmica 3,4 é substituída por expansões
adiabáticas e aquecimentos isobáricos.
Figura 2.5.9 – Ciclo de trabalho da turbina a gás com circuito
fechado (Ackeret e Keller)
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2.6 TURBINAS EÓLICAS
Para se entender o funcionamento da turbina eólica faz-se necessário conhecer um
pouco da origem da energia transformada em eletricidade por esses equipamentos que, apesar de
seu princípio de funcionamento aparentemente simples, são hoje o que existe de mais moderno
na área de geração de energia elétrica para fins comerciais.
Toda a energia renovável (exceto a geotérmica e a das marés), bem como a energia dos
combustíveis fósseis, são provenientes do Sol. O sol irradia 1014 kwh por hora de energia para a
terra. Cerca de 1 a 2% dessa energia proveniente do Sol é convertida em energia eólica. Isto
corresponde a cerca de 50 a 100 vezes mais do que a energia convertida em biomassa por todas
as plantas do planeta.
Diferenças de temperatura fazem com que o ar circule. As regiões em volta do equador,
na latitude 0o, são mais atingidas pelo calor do sol do que o restante do globo. Se não houvesse a
rotação da terra o ar simplesmente circularia na direção dos pólos a 10 Km de altitude, desceria
e retornaria ao equador.
Uma vez que o globo está rodando, todo o movimento do hemisfério norte é dirigido
para a direita, se observarmos este fenômeno em uma posição fixa olhando para o equador (no
hemisfério sul ela tende para a esquerda). Essa força aparente de curvatura é conhecida como
força de Coriolis (nome do matemático francês Gustave Gaspard Coriolis 1792 – 1843).
A força de Coriolis é um fenômeno visível. Por exemplo, os trilhos das estradas de ferro
desgastam mais de um lado que do outro, os rios são mais profundos em uma margem que na
outra (O lado depende de em qual hemisfério você está). Isto também funciona para os ventos.
No hemisfério norte, por exemplo, o vento tende a rodar no sentido anti-horário, enquanto no
hemisfério sul, é no sentido horário.
Estes dois fatores (as diferenças de temperatura e a força de Coriolis) aliados à
geografia, que impõe obstáculos à passagem dos ventos e considera as costas dos continentes,
definem o movimento dos ventos.
Uma turbina eólica obtém potência convertendo a força dos ventos em um torque
atuando nas pás do rotor. A quantidade de energia que o vento transfere para o rotor depende da
densidade do ar, da área do rotor, e da velocidade do vento.
Figura 2.6.1 – Um cilindro de ar de1500m2 e 1m de largura
atravessa o rotor de uma turbina eólica.
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A figura mostra como uma fatia de ar de 1 metro de espessura se move através de um
rotor de área de 1500m2 de uma típica turbina eólica de 600kW. Com 43m de diâmetro do rotor,
cada cilindro de ar pesa 1,9 toneladas, isto é, 1500 vezes 1,25kg que é o peso de 1m3 de ar.
A energia cinética de um corpo em movimento é proporcional a sua massa. A energia
cinética do vento também depende da densidade do ar, ou seja, de sua massa por unidade de
volume. Em outras palavras, quanto mais pesado for o ar, mais energia é recebida pela turbina.
Sob pressão atmosférica normal e a 15oC a massa do ar é de 1,25 kg por metro cúbico,
mas a densidade aumenta com o aumento da umidade. De forma análoga, quanto mais frio o ar,
mais denso. Em altas altitudes (em montanhas por exemplo) a pressão do ar é menor e portanto
a densidade é menor.
Uma turbina eólica típica de 600kW possui um rotor com 43 a 44 metros de diâmetro, o
que significa que cobre uma área de 1500m2. A área do rotor determina quanta energia o rotor
está apto a retirar do vento. Como a área do rotor aumenta com o quadrado do diâmetro, uma
turbina que possua um rotor 2 vezes maior recebe 22 = 4 vezes mais energia.
Figura 2.6.2 – Visão geral de uma turbina eólica
A velocidade do vento é extremamente importante para a quantidade de energia que
uma turbina pode converter para energia elétrica. A energia contida no vento varia com o cubo
da velocidade média do vento. Por exemplo, se a velocidade do vento aumenta 2 vezes, a energia
convertida aumenta 23 = 2 x 2 x 2 = 8 vezes. Mas por que a energia eólica varia com o cubo da
velocidade média do vento? Observando o nosso dia-a-dia sabemos que se dobrarmos a
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velocidade do carro, será necessário 4 vezes mais energia para movimentá-lo (essencialmente
istoé conseqüência da Segunda lei de Newton para o movimento dos corpos). No caso da turbina
eólica utiliza-se a energia de frenagem do vento, e se a velocidade do vento for o dobro, tem-se
duas vezes mais volume de ar por segundo movendo-se através do rotor, e cada unidade de
volume possui 4 vezes mais energia, como no exemplo do carro. O gráfico mostra que a uma
velocidade de 8 m/s tem-se uma potência (quantidade de energia por segundo) de 314 Watts por
metro quadrado exposto ao vento (o vento que chega perpendicular a área coberta pelo rotor). A
16 m/s tem-se 8 vezes mais potência, isto é, 2509 W/m2.
Figura 2.6.3 – Gráfico da potência por unidade de área
em função da velocidade do vento.
A tabela mostra a potência por metro quadrado exposto ao vento para diferentes
velocidades.
m/s W/m2 m/s W/m2 m/s W/m2
0 0 8 314 16 2509
1 1 9 447 17 3009
2 5 10 613 18 3572
3 17 11 815 19 4201
4 39 12 1058 20 4900
5 77 13 1346 21 5672
6 132 14 1681 22 6522
7 210 15 2067 23 7452
Tabela 2.6.1 – Valores discretos de potência por unidade de área.
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Para “captar” a energia cinética do vento e transferir para a flange do rotor
transformando em energia cinética de rotação, as pás do rotor e são desenhadas conforme as asas
de um avião. Ou seja, o desenho aerodinâmico cria regiões de diferentes pressões em torno das
pás fazendo com que elas se movam. Em uma turbina de 600kW moderna, as pás do rotor
medem cerca de 20 metros.
Figura 2.6.4 – Princípio de funcionamento da asa
O corpo da turbina eólica faz o encapsulamento dos componentes principais, incluindo
o redutor e o gerador elétrico. O pessoal da manutenção pode entrar dentro do corpo a partir da
torre da turbina quando houver necessidade. Em uma das extremidades do corpo fica o rotor, isto
é, as pás interligadas pela flange, na outra o namômetro e o cata-vento.
Figura 2.6.5 – Corpo da turbina
À flange do rotor está ligado um eixo de baixa rotação que é acoplada a um ampliador.
Uma turbina de 600kW possui uma rotação relativamente baixa, cerca de 19 a 30 rpm. No eixo
de baixa rotação estão localizadas bombas para o sistema hidráulico que opera o freio
aerodinâmico como veremos mais adiante.
O ampliador é um dispositivo mecânico que transmite potência através de dois eixos
girando em velocidades diferentes. Em uma turbina de 600kW, por exemplo, o ampliador
transmite uma potência recebida da turbina através do eixo de baixa rotação a uma velocidade de
19 a 30 rpm para um gerador através do eixo de alta rotação a uma velocidade de
aproximadamente 1500 rpm, isto é, 50 vezes mais rápido. Por causa das perdas em função do
atrito mecânico das engrenagens, a temperatura do ampliador aumenta e um sistema de
refrigeração a óleo é responsável pela manutenção da temperatura dentro de faixas aceitáveis.
O eixo de alta rotação interliga o ampliador e o gerador. Ele esta equipado com um freio
a disco mecânico de emergência que é usado no caso do freio aerodinâmico falhar ou quando a
turbina está em manutenção.
O gerador usado nas turbinas eólicas é um gerador de indução ou gerador assíncrono,
que utiliza o mesmo princípio de funcionamento do motor assíncrono. Esta característica torna
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os geradores de turbinas eólicas mais baratos e com um menor custo de manutenção. No entanto
isso só é possível porque a potência máxima das turbinas eólicas fica compreendida em uma
faixa que vai de 500 a 1500kW.
O controlador eletrônico é um computador que monitora continuamente as condições do
vento na turbina e controla o mecanismo de direcionamento da turbina, que tem a função de
manter a turbina sempre perpendicular à incidência do vento. No caso de algum defeito, como o
sobreaquecimento do gerador ou do ampliador, o controlador comanda a parada da turbina e
avisa o computador do operador via linha telefônica através de um modem.
O mecanismo de direcionamento utiliza um motor elétrico para virar o corpo da turbina
de forma que ela fique totalmente contra o vento. Ele é operado por um controlador eletrônico
que monitora a direção do vento utilizando o cata-vento.
O sistema hidráulico é utilizado para operar o freio aerodinâmico da turbina. Mudando-
se o angulo de ataque das pás, pode-se variar a velocidade da turbina. Desta forma o controlador
atua no sistema hidráulico com o objetivo de manter a velocidade da turbina constante.
 A unidade de refrigeração é responsável por manter a temperatura do gerador e do
ampliador dentro de uma faixa aceitável para que não se diminua a vida útil destes
equipamentos. Por isso o sistema de refrigeração possui um ventilador elétrico independente que
tem a função de resfriar o gerador, bem como o óleo que é utilizado pelo ampliador.
Figura 2.6.6 – partes componentes da turbina
O papel da torre da turbina eólica é sustentar o corpo e o rotor da turbina. Geralmente é
uma vantagem a utilização de torres altas uma vez que a velocidade do vento cresce conforme a
distância do solo. Uma turbina de 600kW, hoje, fica suspensa a uma altura que varia entre 40 e
60 metros, o que corresponde aproximadamente a uma altura de um prédio de 13 a 20 andares.
As torres podem ser tubulares (como mostrado na figura) ou em treliça. Torres tubulares são
mais seguras para as pessoas que trabalham na manutenção, uma vez que é utilizado o interior da
torre para se alcançar o topo. A vantagem da torre em treliça é que ela é bem mais barata.
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O anemômetro é usado para medir a velocidade enquanto o cata-vento mede a direção
do vento. Os sinais eletrônicos enviados pelo transdutor de velocidade do anemômetro é
utilizado pelo sistema de controle da turbina para aciona-la quando a velocidade do vento chegar
a 5 metros por segundo. O computador também para a turbina automaticamente se a velocidade
do vento chegar a 25 metros por segundo com a finalidade de proteger a turbina e seus arredores.
Os sinais eletrônicos utilizados pelo transdutor de direção do cata-vento são utilizados pelo
sistema de controle para acionar o mecanismo de direcionamento.
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3 GERADORES
3.1 INTRODUÇÃO
3.1.1 HISTÓRICO
O gerador elementar foi inventado na Inglaterra em 1831 por MICHAEL FARADAY, e
nos Estados Unidos, mais ou menos na mesma época, por JOSEPH HENRY.
Este gerador consistia basicamente de um ímã que se movimentava dentro de uma
espira, ou vice-versa, provocando o aparecimento de uma f.e.m. registrado num galvanômetro.
Figura 3.1 - O galvanômetro "G" indica a passagem de uma
corrente quando o ímã se move em relação a bobina.
A WEG INDÚSTRIAS LTDA, DIVISÃO MÁQUINAS iniciou sua fabricação em
1980, tendo adquirido ao longo destes anos uma larga experiência e tecnologia na fabricação de
geradores de pequeno e grande porte.
3.1.2 NOÇÕES DE APLICAÇÕES
Geradores síncronos são máquinas destinadas a transformar energia mecânica em
energia elétrica.
Praticamente toda a energia consumida nas indústrias, residências, cidades, etc...,são
proveniente destes geradores.
A WEG INDÚSTRIAS LTDA, DIVISÃO MÁQUINAS fabrica geradores para as
seguintes aplicações:
• Geração Eólica;
• Alimentação de Fazendas, Sítios, Garimpos, Carros de Som;
• Pequenos Centros de Geração de Energia para uso Geral;
• Grupos Diesel de Emergência;
• Centro de Processamento de Dados;
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• Telecomunicações;
• Usinas Hidroelétricas PCH’s;
• Cogeração / Turbo Geradores;
• Aplicações Específicas para uso Naval, Usinas de Açúcar e Álcool, Madeireiras,
Arrozeiras, Petroquímica, etc.
3.1.2.1 TIPOS DE ACIONAMENTOS
A - Grupo Diesel
São geradores acionados por Motores Diesel;
Potência: