Tema_7_2011_Casa_Forca

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Tema 7 - Casas de força e seus principais 
equipamentos: 
turbinas, geradores e transformadores de 
energia elétrica 
 
Heloisa Teixeira Firmo 
hfirmo@poli.ufrj.br 
 
 
 
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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. 
 
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 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. 
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O deslocamento ordenado de cargas (corrente elétrica) produz um 
campo magnético. 
2. Introdução: Revisão de alguns 
conceitos de eletrotécnica 
 
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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 
 
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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 
 
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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 
 
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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. 
 
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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. 
 
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Se o condutor tiver 
uma trajetória 
circular o valor da 
f.e.m. mudará 
constantemente. 
3. Geradores. 
 
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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. 
 
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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. 
 
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Magneto em rotação dentro de uma espira estática 
3. Geradores. 
 
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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. 
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 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. 
 
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 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. 
 
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 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. 
 
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5. Turbinas. 
 
Francis 
Turbina Francis da Voith (azul) acoplada a gerador Westinghouse 
de 117,6 kW (vermelho) 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador 
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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. 
 
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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. 
 
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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. 
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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. 
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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. 
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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. 
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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)