Capítulo 5 A Energia Híddrica

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CURSO DE TECNOLOGIAS ENERGÉTICAS 1 
Prof. Avanir Lessa 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TECNOLOGIAS ENERGÉTICAS 
 
 
 
 
 
 
 
PROFESSOR: AVANIR CARLOS LESSA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tatuapé 
Victor Civita 
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Capítulo 5 A Energia Hídrica 
 
5.1 Introdução 
 
A energia hídrica é obtida através das Centrais Hidrelétricas que são usinas de geração de energia 
elétrica a partir do aproveitamento do potencial hídrico de pequeno porte médio ou grande porte. Esta 
energia elétrica é transportada até as cidades por meio de linhas de transmissão e distribuição. 
 
Para que seja obtida a energia hídrica grandes barragens são construídas nos leitos dos rios, 
ocasionando alagamentos nas suas margens, muitas vezes desviando o seu curso para que as centrais de 
geração sejam instaladas. 
 
A seguir figura que exemplifica um sistema elétrico desde a geração até o consumo de energia 
elétrica. 
 
 
Através da figura a seguir, tem-se as etapas que a energia hídrica na forma de energia elétrica, 
após ser transformada chega aos lares dos brasileiros: 
 
 
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A maior usina de fornecimento de energia hídrica no Brasil é Itaipu. 
 
 
 
Alguns dados de Itaipu são interessantes: 
 
Extensão total: 7.919 metros. 
Altura máxima: 196 metros. 
Número de unidades geradoras: 20. 
Potência unitária: 715 MW. 
 
 
 
 
Além das grandes centrais hídricas ou hidroelétricas existentes no Brasil, têm-se também a 
geração de energia elétrica pelas pequenas centrais hídricas. 
 
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As Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) são usinas de geração de energia elétrica a partir do 
aproveitamento do potencial hídrico de pequeno porte ou a fio d’água. Para que seja definida como tal, a 
sua capacidade deve estar dentro dos limites superior a 1 MW e inferior ou igual a 30 MW de sua geração 
enérgica, além de um reservatório hídrico com área menor que 13 km². 
 
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) qualifica como pequena as hidrelétricas que 
encaixam neste perfil estrutural e de capacidade potencial de acordo com o Regulamento nº 394 de 4 de 
Dezembro de 2016. 
: 
Uma Pequena Central Hidrelétrica opera a fio d'água, sendo assim, o reservatório não permite a 
regularização do fluxo d'água. Com isso, em situações de estiagem a vazão disponível pode ser menor que 
a capacidade das turbinas, causando ociosidade, porém, quando o volume de água no rio é maior que o 
necessário para a geração de energia na máxima potência de geração, a água que sobra passa por cima da 
barragem através dos vertedouros e segue pelo curso natural do rio sem passar pelas máquinas. 
 
Esta disposição possui a vantagem de ocasionar baixo impacto ambiental devido à pequena área 
alagada, menor custo de implantação e menor tempo quando comparado às hidrelétricas de grande porte. 
Porém, apresenta o problema de não poder armazenar água excedente do período de chuvas para 
utilização no período seco, pois isto requer um grande reservatório. 
 
Uma barragem de PCH possui geralmente uma ou mais comportas de fundo (descarnadoras), que 
são utilizadas para: 
 
 Dispor a saída de um percentual da vazão total do rio denominada vazão sanitária ou vazão 
residual. 
 
 Propiciar a passagem de água excedente durante as cheias, diminuindo a espessura da 
lamina de água sobre os vertedouros. 
 
 Permitir a descarga de areia do reservatório, amenizando os problemas de assoreamento. 
 
5.2 As Turbinas Hidráulicas 
 
As turbinas hidráulicas transformam a energia hidráulica de um fluxo de água que passa em suas 
“pás mecânicas”, em energia mecânica na ponta do eixo da turbina que depois, acoplada a um gerador, é 
transformada em energia elétrica, princípios de funcionamento comum. 
 
A água vem pelo conduto forçado até a entrada da turbina, onde passa por sistemas de palhetas 
guias móveis, que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina. Para se aumentar a potência às 
palhetas se abrem, para diminuir a potência elas se fecham. 
 
Após passar por este mecanismo, a água chega ao rotor da turbina, onde a energia cinética é 
transferida para o rotor, na forma de torque e velocidade de rotação. Após passar pelo rotor, um duto 
chamado tubo de sucção conduz a água até a parte de jusante do rio, no nível mais baixo. As turbinas 
hidráulicas para podem ser montadas com o eixo no sentido horizontal ou vertical. 
 
Turbinas hidráulicas utilizadas devem ser escolhidas de modo a se obter facilidade de operação e 
de manutenção, dando-se grande importância à sua robustez e confiabilidade, pois a tendência é de que a 
usina seja operada no modo não assistido. 
 
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A potência simplificada que é fornecida pela turbina é dada por: 
 
][10..... 3 KwQHgpnP liqtt
 
 
Onde: 𝑃 é a potência da turbina (kW); 𝜂 é o rendimento da turbina; ρ é a massa especifica da 
água (kg/m³3); g é a aceleração da gravidade (m/s² ); 𝐻 é a queda líquida (m); Q é a vazão (m³ /s). 
 
A queda líquida 𝐻 (m) e a vazão de projeto por turbina Q (m³ /s) são os parâmetros utilizados 
para a escolha preliminar do tipo de turbina, conforme mostra a Figura a seguir. 
 
A potência (kW) estimada na saída pode ser obtida da mesma figura, bastando interpolar os 
valores das linhas oblíquas. A escolha da velocidade de rotação da turbina depende da potência nominal, 
da altura de queda, do tipo de turbina e do tipo de gerador. 
 
Para o gerador síncrono sem multiplicador, a velocidade de rotação é a mesma para a turbina e o 
gerador, sendo assim, deve-se procurar a velocidade síncrona mais próxima da calculada utilizando na 
equação. 
 
A partir desses dados, é possível determinar a velocidade específica da turbina. Essa grandeza 
define a geometria ou o tipo do rotor da turbina hidráulica, que é dada por: 
 
 4/3
3
).(
..10
gH
Qn
n
liq
s  
 
Onde: 𝑛 é a velocidade específica; n é a velocidade de rotação síncrona (rpm); g é a aceleração da 
gravidade (m/s²); 𝐻 é a queda líquida (m); Q é a vazão (m³/s). 
 
 
 
Gráfico compilado para base de seleção de turbinas (HACKER, 2016) 
 
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5.3 Partes de Uma Turbina 
 
Uma turbina é formada basicamente por cinco partes: caixa espiral, pré-distribuidor, distribuidor, 
rotor e eixo, tubo de sucção, que pode se observado na figura a seguir: 
 
 Partes de Uma Turbina Francis Compilação 
A. Caixa Espiral 
 
Tubulação de forma toroidal que envolve a região do rotor. Fica integrada à estrutura civil da casa 
de força, não sendo possível ser removida ou modificada sem obras específicas, e tem como objetivo 
distribuir a água igualmente na entrada da turbina. É fabricada com chapas de aço carbono soldada em 
segmentos. 
B. Pré-distribuidor 
 
Destina-se o pré-distribuidor para direcionar a água para a entrada do distribuidor. É composta de 
dois anéis superiores, entre os quais são montados um conjunto de 18 a 24 palhetas fixas, com perfil 
hidrodinâmico de baixo arrasto, para não gerar perda de carga e não provocar turbulência no escoamento. 
É uma parte sem movimento, soldada à caixa espiral e fabricada com chapas ou placas de aço carbono. 
C. Distribuidor 
 
O distribuidor é constituído de uma série de 18 a 24 palhetas móveis, acionadas porum 
mecanismo hidráulico montado na tampa da turbina (sem contato com a água). Todas as palhetas têm o 
seu movimento conjugado, isto é, todas se movem ao mesmo tempo e de maneira igual, cujo acionamento 
é feito por pistões hidráulicos. 
 
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O distribuidor controla a potência da turbina, pois regula vazão d’água. É um sistema que pode ser 
operado manualmente ou em modo automático, tornando o controle da turbina praticamente isento de 
interferência do operador. 
D. Rotor e eixo 
 
O rotor da turbina é onde ocorre a conversão de energia hídrica em potência de eixo, que será 
transmitida ao gerador acoplado na ponta do eixo. 
E. Tubo de sucção 
 
Duto de saída da água, geralmente com diâmetro final maior que o inicial, desacelera o fluxo da 
água após esta ter passado pela turbina, devolvendo-a ao rio parte jusante da casa de força. 
 
5.4 Sistema de Regulação de Velocidade 
 
O sistema de regulação em unidades de PCH permite a tomada de velocidade da turbina até a 
rotação nominal de projeto e posterior a sincronização do gerador com a rede elétrica. O regulador de 
velocidade controla a potência mecânica da turbina/gerador e a frequência da tensão gerada. 
 
O monitoramento desse valor e a garantia que a unidade geradora está sincronizada com a rede 
elétrica. Em caso de ligação com rede elétrica de grande porte, a unidade geradora acompanha a 
frequência da rede, e o regulador passa a ter a função de controlar a potência ativa fornecida pela máquina 
síncrona. 
 
5.5 Sistema de Excitação do Gerador 
 
O sistema de excitação do gerador composto pela excitatriz do gerador, responsável por fornecer a 
tensão e a corrente contínua para as bobinas que estão instaladas no rotor, fazendo que o fluxo do campo 
magnético formado no rotor seja contínuo, tem o objetivo de manter a tensão nominal do gerador 
constante, ajustando a corrente de campo do gerador e mantendo o gerador na região interna de seus 
limites. 
O sistema de excitação é responsável pela tensão da máquina, pelo fator de potência, pela 
amplitude da corrente gerada e auxilia a garantir que a tensão da energia gerada na usina mantenha-se 
constante, variando dentro de uma margem de erro estipulada por norma. 
 
Um dos componentes vitais do sistema de excitação é o regulador de tensão. O regulador de 
tensão forma a realimentação de controle entre o gerador principal e os elementos que controlam a 
excitação do gerador. Estes componentes eletrônicos, requerem baixo níveis de potência. 
 
O regulador de tensão observa se a tensão terminal do gerador está constante, e caso haja variação 
é porque a potência ativa e a corrente de saída o gerador está variando e ele altera, aumentando ou 
diminuindo a corrente de campo do gerador. 
 
Utiliza-se, geralmente, geração de corrente contínua acopladas diretamente ao eixo do gerador 
para geradores até 50 MW. A partir desta potência a excitatriz está instalada fora do gerador e o 
fornecimento de energia é em corrente alternada com pontes retificadoras. 
 
 
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5.6 O Gerador Elétrico – Alternador 
 
As máquinas elétricas rotativas é o gerador síncrono é fundamental, pois essa máquina é capaz de 
converter energia mecânica em elétrica, e é um dos itens mais importantes de qualquer usina elétrica. É 
responsável por transformar a energia mecânica gerada pela turbina em energia elétrica. 
 
Geradores Síncronos são maquinas que atuam na mesma velocidade do campo girante. Quando 
um gerador síncrono fornece potência elétrica a uma carga, a corrente de armadura cria uma onda 
componente do fluxo que gira à velocidade de sincronismo. 
 
Este fluxo reage com o fluxo criado pela corrente de excitação e obtém-se um binário 
eletromagnético devido à tendência que os campos magnéticos têm de se alinhar, além de possuir uma 
maior capacidade de potencia. 
 
A velocidade síncrona do gerador (determinada pelo número de polos eletromagnéticos do 
equipamento) é de extrema importância no dimensionamento do gerador. Geradores de baixa rotação, e 
consequentemente maior número de polos, são maiores e mais caros que um gerador de mesma potencia, 
mas de menor polaridade. 
 
Por isso, em determinadas situações, utiliza-se multiplicadores de rotação, acoplados ao eixo da 
turbina, para proporcionar uma velocidade maior no eixo do gerador, e consequentemente, ter-se uma 
máquina menor e mais barata. 
 
5.7 As Partes de Um Gerador Síncrono 
Rotor (campo) 
 
É a parte girante da máquina constituída de um material ferromagnético envolto no enrolamento 
de campo, que tem como função produzir um campo magnético constante para interagir com o campo 
produzido pelo enrolamento do estator. 
 
A tensão aplicada nesse enrolamento é contínua e a intensidade da corrente suportada por esse 
enrolamento é muito menor que o enrolamento do estator, além disso, o rotor pode conter dois ou mais 
enrolamentos, sempre em número par e todos conectados em série sendo que cada enrolamento será 
responsável pela produção de um dos pólos do eletroímã. 
Estator (armadura) 
 
Parte fixa da máquina, montada em volta do rotor de forma que o mesmo possa girar em seu 
interior, também constituído de um material ferromagnético envolto em um conjunto de enrolamentos 
distribuídos ao longo de sua circunferência. 
 
Pelo estator circula toda a energia elétrica gerada, sendo que tanto a voltagem quanto a corrente 
elétrica que circulam são bastante elevadas em relação ao campo, que tem como função apenas produzir 
um campo magnético para "excitar" a máquina de forma que seja possível a indução de tensões nos 
terminais dos enrolamentos do estator. 
 
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 Esquema de um Gerador Síncrono Compilada. 
 
5.8 Princípio de Funcionamento 
 
A energia mecânica é suprida à máquina pela aplicação de um torque e pela rotação do eixo da 
mesma. No caso de PCHs, a fonte de energia mecânica vem de uma turbina hidráulica. Uma vez estando 
o gerador ligado à rede elétrica, sua rotação é ditada pela frequência da rede, pois a frequência da tensão 
trifásica depende diretamente da velocidade da máquina. 
 
Para que a máquina síncrona seja capaz de efetivamente converter a energia mecânica aplicada a 
seu eixo, é necessário que o enrolamento de campo localizado no rotor da máquina seja alimentado por 
uma fonte de tensão contínua de forma que ao girar o campo magnético gerado pelos pólos do rotor 
tenham um movimento relativo aos condutores dos enrolamentos do estator. 
 
Essa alimentação prove de um dispositivo, chamado excitatriz, que pode ser do tipo estático (com 
escovas de carvão, que estão em contato com o eixo) ou brushless (sem escovas). 
 
5.9 Transformadores Elevadores 
 
São os transformadores que elevam a tensão da energia produzida pelo gerador. 
 
Os geradores das grandes centrais de geração hídrica a tensão é de 25 kv e os geradores de PCH’s 
normalmente produzem em uma tensão entre 220V à 13,8kV, dependendo da potência do gerador, 
enquanto que as linhas de transmissão operam em tensões que variam de 13,8kV à 500kV, dependendo da 
distancia entre a usina e o centro consumidor. 
 
Por isso, para que a energia gerada na PCH possa ser integrada aos centros consumidores, são 
necessários transformadores elevadores. 
 
5.10 Sistemas de Proteção 
 
A escolha de um sistema de proteção para os equipamentos elétricos constituintes de uma central 
de geração hídrica envolve aspectos operacionais, econômicos, de segurança física e pessoal, que devem 
ser analisados caso a caso. 
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O sistema de proteção deve constituir um sistema independente do sistema de controle digital e as 
proteções devem atuar diretamente, através de seus contatos de saída, sobre os disjuntores ou dispositivos 
de parada, de modo a garantir a parada da máquina sem necessidade do sistema de controle digital. 
 
Atualmente, encontram-se disponíveis, quase que exclusivamente, relés de proteção com 
tecnologia digital, que em geral, incluem sistemas de proteção diferencial, proteção contra carga 
desequilibrada, proteção contra perda de excitação, proteção contra sobre velocidade, proteção contra 
sobre tensão, proteção contra sobrecarga, entre outros, visando proteger o equipamento de possíveis 
falhas, que possam acarretar danos à usina e ao pessoal. 
 
5.11 Sistemas de Supervisão e Controle 
 
A maioria das centrais de geração hídrica modernas possui sistema de supervisão e controle sendo 
a sua operação automatizada. O barateamento de sensores, atuadores e controladores lógicos 
programáveis tem permitido que essa automação, antes restritas a usinas de grande porte, envolvendo 
soluções complexas e equipamentos de custo relativamente elevado, venha a ser aplicada em usinas 
menores. 
 
Em algumas pequenas centrais, toda a operação pode ser controlada remotamente, necessitando de 
um operador apenas para situações emergenciais. 
 
A definição do sistema de supervisão e controle de uma PCH é essencialmente uma decisão 
econômica. Basicamente devem ser analisadas e comparadas duas possibilidades: a operação 
convencional, por meio de operadores ou a automação ou semi-automação da usina. 
 
A automação ou semi-automação de uma usina apresenta as seguintes vantagens: 
 
• Redução dos custos operacionais. 
 
• Ganhos de qualidade sobre o processo. 
 
• Melhor utilização do pessoal. 
 
• Maior agilidade operativa. 
 
• Melhor utilização dos recursos disponíveis. 
 
• Melhor produtividade 
 
No caso específico das pequenas centrais hidroelétricas, os investimentos recomendados no 
processo de automação ou semi-automação são balizados pelos custos operacionais destas instalações 
(basicamente mão de obra) e pelo custo da energia comercializada. 
 
Assim, as iniciativas nesta área apontam, quase sempre, para soluções técnicas adequadas, porém 
com custos reduzidos. A automação ou semi-automação de uma PCH normalmente envolve dois 
subsistemas, a saber: 
 
• Subsistema de controle da barragem ou reservatório, que regula a altura do reservatório, a 
abertura de comportas e a vazão fornecida ao canal de adução. 
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• Subsistema de controle da casa de força e subestação, que regula a potência fornecida pelas 
turbinas, à partida do gerador, a sincronização com a rede e a parada dos equipamentos em casos 
de emergência. 
 
5.12 Sistemas Auxiliares Elétricos 
 
São os sistemas que fornecem energia, tanto em corrente alternada como em corrente continua, 
para todos os sistemas auxiliares da usina, como iluminação, sistemas de ventilação, bombas de 
circulação de óleo, sistemas de excitação, entre outros. 
 
5.13 Sistemas Auxiliares Mecânicos 
 
São os sistemas que executam atividades secundarias na usina, como bombas de óleo para os 
mancais e válvulas, bombas para a drenagem da casa de força, sistemas de ventilação, multiplicadores de 
velocidade, entre outros.