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UFRJ 1 Tema 7 - Casas de força e seus principais equipamentos: turbinas, geradores e transformadores de energia elétrica Heloisa Teixeira Firmo hfirmo@poli.ufrj.br UFRJ 2 Sumário: 1. Bibliografia. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica. 3. Geradores. 4. Transformadores. 5. Casas de força. 6. Número e tamanho dos grupos de geração. 7. Turbinas. 8. Pré-Dimensionamento. 9. Arranjo da casa de força. 10. Equipamentos auxiliares. 11. Distribuição de energia elétrica. UFRJ 3 Schreiber, Usinas Hidrelétricas - Editora Edgar Blücher, Ltda. Macintyre, Máquinas Motrizes Hidráulicas. USBR, Selecting Hydraulic Reaction Turbines. Manuais ELB (Inventário, PCH, Viabilidade, Projeto Básico). Internet... 1. Bibliografia. UFRJ 4 O deslocamento ordenado de cargas (corrente elétrica) produz um campo magnético. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica UFRJ 5 Pode-se afirmar que o campo magnético diminui quando: nos afastamos do condutor diminui a corrente elétrica Se dobrarmos um condutor em forma de espira, o campo magnético vai reforçar-se criando um pólo norte num dos lados da espira em pólo sul do outro lado. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica UFRJ 6 Se enrolarmos um condutor em forma de bobina (conjunto de espiras) o efeito do campo magnético criado é ainda maior. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica UFRJ 7 Quando um pedaço de metal facilmente magnetizável é colocado perto de uma bobina em corrente, o pedaço de metal desloca-se na direção da bobina. Isto porque o pedaço de metal é magnetizado e atraído pelo campo magnético gerado pela bobina. A força do campo magnético, quando uma corrente atravessa a bobina, é proporcional à quantidade de espiras e à intensidade dessa corrente. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica UFRJ 8 Com a lei de Ampère, aprendemos que uma corrente elétrica induz um campo magnético. Na década de 1830, Faraday descobriu o inverso, isto é, um campo magnético pode criar uma corrente elétrica. Isso é possível através do surgimento de uma força eletromotriz (fem) induzida. Quando uma barra magnetizada se movimenta no interior de uma bobina, induz-se nesta última, uma corrente elétrica. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica ‘ 2. Introdução. UFRJ 11 Princípio de funcionamento de um gerador de corrente alternada (alternador). Apenas é induzida f.e.m. num condutor se o seu movimento for normal às linha de força de um campo magnético, i.e.: Apenas nos movimentos a e c é gerada f.e.m. 3. Geradores. UFRJ 12 Se o condutor tiver uma trajetória circular o valor da f.e.m. mudará constantemente. 3. Geradores. UFRJ 13 Se, ao invés de termos um condutor retilíneo em movimento dentro de um campo magnético, tivermos uma espira, em rotação em torno do seu eixo, as f.e.m. induzidas em ambos os lados da espira vão adicionar-se 3. Geradores. UFRJ 14 3. Geradores. Dado que para a geração de f.e.m. o que interessa é o movimento relativo entre condutores e campo magnético, se em vez de serem condutores(espira) a rodar com o magneto parado, for o magneto que rodar com a espira parada, o efeito será similar. 3. Geradores. UFRJ 16 Magneto em rotação dentro de uma espira estática 3. Geradores. UFRJ 17 3. Geradores. O gerador transforma a energia mecânica produzida pela turbina em energia elétrica. No Brasil, a energia das redes públicas de transmissão é de corrente alternada, trifásica, 60 Hz. O gerador possui uma parte móvel (rotor acoplado à turbina) e uma parte fixa, o estator. O estator deve estar fortemente ancorado ao concreto da casa de força para poder resistir ao momento de torção que assume seu valor máximo na ocasião de um curto-circuito. Os pólos do rotor magnetizados por corrente contínua, passam pelas bobinas do estator, induzindo nelas a corrente alternada. UFRJ 18 Nos geradores, o movimento de rotação do rotor provoca o aparecimento de uma f.e.m. no estator. Todas as máquinas rotativas de corrente alternada têm uma relação entre a freqüência da tensão de alimentação e a sua velocidade de rotação. Porém, as máquinas síncronas possuem uma velocidade de rotação fixa, que está relacionada, de uma forma rígida, com aquela freqüência. Essa relação é dada pela equação: f = p.n em que f é a freqüência, n é a velocidade de rotação (em rotações por segundo) e p é o número de pares de pólos da máquina. 3. Geradores. UFRJ 19 Levando-se em conta que o número de bobinas do estator corresponde ao número de pares de pólos do rotor, que o estator de grandes geradores deve ser transportado em partes e que o número das bobinas de cada uma dessas partes deve ser iguais, pode-se aplicar números de rotação que correspondam a um número de pólos divisível por 4. Perdas de um gerador: com fator máximo de rendimento de 97% , os 3% de perdas transformam-se quase completamente em calor, que deve ser retirado para evitar aquecimento excessivo no gerador. Com essa finalidade, o rotor é equipado com aletas de ventilação. 3. Geradores. UFRJ 20 Devido à versatilidade operativa e aos elevados rendimentos na conversão de energia, os geradores síncronos são amplamente utilizados em centrais hidrelétricas. Os geradores assíncronos, ou de indução, possuem a característica básica de trabalharem com rotação levemente diferente da rotação síncrona. 3. Geradores. UFRJ 22 5. Turbinas. Francis Turbina Francis da Voith (azul) acoplada a gerador Westinghouse de 117,6 kW (vermelho) http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador UFRJ 24 A corrente elétrica alternada é hoje preferencialmente usada para a transmissão e distribuição de energia elétrica, pela facilidade de sua transformação em valores mais altos ou mais baixos, graças a um equipamento chamado transformador. Na saída da usina geradora a tensão é elevada, diminuindo-se a corrente, antes da sua entrada na linha de transmissão. No outro extremo da linha, fazemos o inverso, isto é diminuímos a tensão e elevamos a corrente, para que possamos fazer a distribuição de energia. 4. Transformadores. UFRJ 25 4. Transformadores. O transformador é uma máquina estática (não tem peças em movimento) que baseia seu funcionamento na indução eletromagnética. Destina-se a baixar ou elevar o valor de uma tensão ou de uma corrente. UFRJ 27 Para facilitar a passagem das linhas de força, utiliza-se um material ferromagnético (bom condutor deste campo) a que se dá o nome de núcleo. 4. Transformadores. UFRJ 28 4. Transformadores. Nos transformadores da subestação elevadora de tensão, o enrolamento primário tem menor número de voltas de fio que o enrolamento secundário, podendo, em muitos casos, este enrolamento ser constituído por fios mais finos. UFRJ 29 4. Transformadores. Os transformadores rebaixadores de tensão têm maior número de voltas de fio no enrolamento primário que no secundário. Em geral, nesse tipo de transformador os fios utilizados no enrolamento secundário são mais grossos. UFRJ 30 Sendo UP e US as tensões nos terminais dos fios nos enrolamentos primário e secundário e NP e NS o número de voltas de fio em cada um desses enrolamentos, vale a seguinte relação para o transformador: UP/US=NP/NS 4. Transformadores. UFRJ 31 Balanço energético no transformador O rendimento nos transformadores é em torno de 98%, o que significa que a potência elétrica no enrolamento primário é praticamente igual à do enrolamento secundário, ou seja, UP iP (enrolamento primário) = US iS (enrolamento secundário)
