GRUPOS GERADORES

7/31/2019 GRUPOS GERADORES

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GRUPOS GERADORES

PARTE II

ALTERNADORES - GRUPOS GERADORESPRINCPIOS DE FUNCIONAMENTO, INSTALAO, OPERAO E

MANUTENO DE GRUPOS GERADORES

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13 - ALTERNADOR

Denominamos alternadorao gerador de corrente alternada,assim como denominamos dnamo ao gerador de correntecontnua. Os geradores so mquinas destinadas a converterenergia mecnica em energia eltrica. A transformao deenergia nos geradores fundamenta-se no princpio fsicoconhecido como Lei de Lenz. Esta lei afirma que "quandoexiste induo magntica, a direo da fora eletromotriz

induzida tal, que o campo magntico dela resultante tende

a parar o movimento que produz a fora eletromotriz ."

Os alternadores pertencem a categoria das mquinas

sncronas, isto , mquinas cuja rotao diretamenterelacionada ao nmero de plos magnticos e a freqncia dafora eletromotriz. No h, basicamente, diferenasconstrutivas entre um alternador e um motor sncrono,podendo um substituir o outro sem prejuzo de desempenho.Assim, um alternador quando tem seu eixo acionado por ummotor, produz energia eltrica nos terminais e, ao contrrio,recebendo energia eltrica nos seus terminais, produz energiamecnica na ponta do eixo, com o mesmo rendimento.

A induo magntica ocorre sempre que h movimento

relativo entre um condutor e um campo magntico. Ogerador elementar, concebido por Michael Faraday em1831, na Inglaterra e mais ou menos na mesma pocapor Joseph Henry, nos Estados Unidos, era constitudopor uma espira que girava entre os plos de um m,semelhante figura:
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GERADOR ELEMENTAR

Uma espira de fio girandoem um campo magntico

forma um geradorelementar, que ligado aocircuito externo por meiodos anis coletores.

SADA DO GERADORELEMENTAR

A fora eletromotriz e a

corrente de um geradorelementar mudam de direocada vez que a espira gira180. A tenso de sada destegerador alternada. umALTERNADOR.

Faraday estabeleceu, ainda, que os valores instantneos da fora eletromotriz(ou tenso) podiam ser calculados pela relao:

e = B . l . v. sen(), em que:

e =Fora eletromotriz;

B =Induo do Campo Magntico;

l =Comprimento do condutor;

v =Velocidade linear de deslocamento do condutor e

=ngulo formado entre Be v.

O campo magntico da figura acima constitudo por ms naturais. Para que sejapossvel controlar tenso e corrente em um alternador, o campo magntico produzidopor ms artificiais, formados por bobinas alimentadas com corrente contnua supridapor uma fonte externa e controlada por um regulador de tenso.


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Com muitas espiras, um campo magntico controlado por meio de um dispositivo deexcitao com corrente contnua, montados em arranjo conveniente, fabrica-se osalternadores comerciais utilizados nos grupos geradores, bem como os grandesalternadores das usinas hidroeltricas. Nas figuras, vistas de detalhes de alternadoresproduzidos pela WEG.


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ALTERNADOR NEGRINI:


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Estator e tampa com bobinas de campo daexcitariz.

Alternador NEGRINI

Rotor com ventilador, induzido da excitatrize ponte retificadora na extremidade do eixo

Alternador NEGRINI Tipo ATE

Mecanicamente, o alternador constitudo por duas partes principais: uma fixa, que acarcaa, onde se encontram os ps de fixao, e a outra mvel (girante). A parte fixachamamos estator e a parte mvel chamamos rotor.

Eletricamente, tambm, so duas partes principais. Uma delas responsvel pelo campomagntico, onde esto localizados os plos do alternador, que chamamos decampo (ouindutor). A outra parte onde aparece a fora eletromotriz, a qual chamamos deinduzido.

O posicionamento do campo e do induzido do origem a dois tipos de mquinasdiferentes. Quando o campo est localizado no estator, temos o que chamamos demquina de plos fixos (ou de plos externos) e, ao contrrio, quando o campo seencontra no rotor, temos o que chamamos de mquina de plos girantes (ou de plosinternos). As mquinas de plos fixos so pouco utilizadas devido ao inconveniente danecessidade de escovas para retirar a energia gerada. As mquinas de plos girantes so


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as mais utilizados por permitirem a retirada da energia diretamente dos terminais dasbobinas.

Segundo o tipo de aplicao, os alternadores so construdos com caractersticasespeciais para atender os diversos segmentos a que se destinam, com diferenas de

forma construtiva, isolao, refrigerao, acabamento e caractersticas eltricasconforme abaixo:

13.1 - APLICAES

Alternadores Industriais: So os chamados de "mquinas de linha", destinados aatender a maioria dos consumidores normais.

Alternadores Navais: So mquinas construdas para uso naval, com todos os

componentes projetados e tratados para resistir corroso marinha.

Alternadores Marinizados: basicamente so alternadores industriais destinados aservio em reas agressivas, recebendo ento um tratamento especial em algunscomponentes.

Alternadores para Telecomunicaes: So mquinas especiais, com caractersticasdeterminadas para no causar interferncia nas telecomunicaes e tambm para atenderao tipo de carga, que bastante severa. Em geral, os alternadores destinados a atenderequipamentos de telecomunicaes alimentam retificadores de alta capacidade queproduzem deformaes da forma de onda da tenso gerada, o que levado emconsiderao no projeto e na construo do alternador especial.

Alternadores a prova de exploso: Destinam-se ao servio em reas saturadas,principalmente petrolferas e qumicas, onde h risco de materiais inflamveis, sendototalmente blindados para impedir que qualquer centelhamento entre em contato com aatmosfera ambiente, tendo por isso um sistema de refrigerao especial, tipo trocador decalor, de modo que o ar existente no interior da mquina no transmitido ao exterior.

13.2 - NUMERO DE FASES

Pode-se ainda distinguir os alternadores segundo o numero de fases, que, no casopresente, so:

Alternadores monofsicos: So aqueles que possuem as bobinas do enrolamentoinduzido de tal forma que a tenso de sada obtida em dois pontos terminais.

Alternadores trifsicos: Possuem trs grupos independentes de bobinas, montadasdefasadas em 120 entre si, sendo ligadas de tal maneira que podemos ter trs ou quatropontos de ligao para os consumidores. Em geral, cada grupo independente de bobinas

tem duas bobinas separadas, para permitir que, com o fechamento das ligaes externas,se obtenha valores diferentes de tenso, como veremos adiante. O tipo de fechamento


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normalmente utilizado o "estrela com neutro acessvel", onde existe um ponto deligao para cada fase mais um ponto denominado "neutro", que constitudo pelofechamento das extremidades das bobinas. A tenso entre os trs pontos terminais decada fase sempre a mesma, que deve corresponder ao tipo de fechamento escolhido. Atenso medida entre cada fase e o neutro menor, sendo, numericamente, igual ao valor

da tenso entre fases dividida pela raiz quadrada de 3. O neutro para ser ligado aoaterramento da instalao eltrica local.

No sistema trifsico ligado a carga equilibrada no deve haver circulao de correntepelo condutor neutro, o que na prtica resulta muito difcil, razo pela qual, osalternadores chamados industriais so construdos para suportar um desequilbrio decarga entre fases mximo de 15%, valor que no deve ser excedido, pois alm deprovocar funcionamento irregular e diferenas de tenso entre fases, pode danificar oalternador.

13.3 - LIMITAES

O que limita a potncia do alternador a temperatura alcanada pelo enrolamento doinduzido. Por isso, so mquinas que sofrem perdas por aquecimento, que pode resultarda temperatura ambiente ou da altitude. Os alternadores de linha normal de produoso fabricados para operar com temperatura ambiente mxima de 40C e altitude de1.000 m acima do nvel do mar. Para servio em condies mais adversas, necessriocorrigir para menos a potncia do alternador.

13.4. - CONCEITOSBSICOS SOBRE CORRENTE ALTERNADA

Como visto no gerador elementar, diz-se que a corrente alternada quando muda devalor ao longo do tempo em funo da posio das espiras em relao ao campomagntico. Fisicamente, essas mudanas de valores instantneos ocorrem segundo leismatematicamente definidas como veremos em seguida.

Um alternador produz corrente eltrica cujos valores instantneos obedecem a umaforma senoidal de onda determinada pelas seguintes equaes:

Corrente: i = Ip sen(t)

Tenso: v = Vp sen(t + )

e a potncia instantnea - p = v i

O ngulo de fase - - varia em funo dos consumidores alimentados peloalternador. , portanto, uma caracterstica das cargas e seus valores serevestem de grande importncia no dimensionamento dos componentes doscircuitos alimentados, bem como sua correo pode se tornar necessria, para

evitar cobrana adicional pela concessionria de energia, quando se verificavalores decosabaixo do limite contratual.


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Nas figuras a seguir, uma viso dos valores instantneos.

Legenda:

v = Tenso instantneai =Corrente instantneaVp =Tenso de picoIp =Corrente de picof =Freqncia =Freqncia angular (= 2 f)t =Tempo =ngulo de faseT =Perodo (= 2 / = 1 / f)

Potncia Instantnea:

p = v i

Quando a corrente percorre umcircuito de resistncia pura, acorrente se mantm em fase com atenso e o ngulo de fase zero (= 0). Todos os valores de potnciaso positivos (p > 0).

Quando a corrente percorre umcircuito com carga indutiva oucapacitiva, h uma defasagem dacorrente em relao tenso e (> 0). Neste caso, surge potnciainstantnea negativa. Quanto maioro ngulo de fase, maior o valornegativo instantneo.


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Para o valor do ngulo de fase

igual a 90, as somas daspotncias instantneas se anulame a potncia mdia zero. Emboracom os mesmos valores de tensoe corrente circulando, no hutilizao de energia.

Tenso trifsica.

No mesmo perodo, os valores detenso variam defasados de 120nas fases R, S e T (ou U, V e W).

Valor eficaz:

o valor da potncia mdia, equivalente ao valor de corrente contnua queaplicada ao circuito, produz a mesma quantidade de calor. Sendo R a

resistncia do circuito, calculado pela frmula: que uma

vez resolvida, d os resultados: e os quaisso conhecidos como valores RMS (de Root Mean Square). Os valores RMSso os que so lidos nos instrumentos de medio. (Note que tais instrumentosindicam valores RMS de grandezas que se comportam de forma senoidal aolongo do tempo. Para medio de grandezas com outras formas de onda, sonecessrios instrumentos TRUE RMS).

13.4.1 - TENSO, POTNCIA E FREQNCIA

Nos sistemas trifsicos, a tenso entre fases determinada pelas ligaes de fechamentoque forem executadas. Normalmente os alternadores so fornecidos com 12 terminais debobinas do induzido para serem ligados de forma a gerar tenso em 220/127 V, 380/220

V ou 440/254 V. A tenso entre fase e neutro o quociente da diviso da tenso entrefases pela raiz quadrada de 3. Os diferentes valores possveis de tenso so o resultado


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do arranjo das bobinas, que so construdas em grupos, resultando para cada fase umconjunto de 2 bobinas que podem ser ligadas como se v nas figuras seguintes:

Observar que a

numerao dasextremidades dasbobinas se faz em espiral,de fora para dentro, emsentido horrio, de formaque os nmeros 1 e 4,assim como 2 e 5 soextremidades da mesmabobina. O arranjo danumerao na caixa determinais que utiliza

barras de ligao feitoiniciando pelo nmero 11no canto superioresquerdo, terminandocom o nmero 3, no cantoinferior direito. Em geral,h outros terminais nacaixa, para ligao doscircuitos de excitao.Existe alternadores queapresentam 10 pontas ao

invs de 12. Neste caso,os pontos 10, 11 e 12 j


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esto fechadosinternamente e oalternador no permite aligao 380/220 V. Se fornecessrio utilizar

380/220 V, duas soluespodem ser adotadas: a) -utilizar o fechamento de440/220 V e regular atenso para 380 V noregulador de tenso ou b)- abrir a ligao internadas pontas 10, 11 e 12 ealterar o fechamento parao esquema acima. Namaioria dos casos de

mudana de tenso, necessrio substituir ovoltmetro do quadro decomando, caso este noseja multitenso. Asligaes dofreqencmetro e doregulador de tensopodem ser remanejadaspara pontos onde exista atenso compatvel,conforme o caso.


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13.4.2 - POTNCIA DO ALTERNADOR

Vimos no captulo 4 que a potncia do alternador definida em KVA (potncia

aparente) e que a potncia ativa definida em kW, sendo o fator de potncia(cos ) a relao entre as potncias ativa e aparente e que kW=cos . KVA.Vimos ainda que existe a potncia reativa, que surge nos circuitos eltricoscom cargas indutivas, especialmente motores eltricos.

Na realidade, a potncia aparente (KVA) a soma vetorial das potncias ativa (kW) ereativa (KVAr). No tringulo de potncias abaixo, pode-se visualizar as relaes queexistem entre as trs potncias:

Das relaes geomtricas do tringulo retngulo,sabemos que:

(KVA) = (kW) + (KVAr)e que

cos = (kW) (KVA). fcil perceber que,mantendo-se constante o valor de(kW), quanto maior for o valor de (KVAr),menor ser cos e maior ser (KVA). Porisso o fator de potncia universalmente

denominado cos .

Se estabelecssemos uma comparao comum copo de chope, teramos algo semelhante figura abaixo:


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A potncia ativa (kW), a exemplo do que foi visto no captulo sobre partida demotores eltricos, calculada, para circuitos trifsicos com cargas equilibradas,conhecidos os valores de tenso (E), corrente (I) e fator de potncia (cos ),

pela relao:

13.4.2.1 - RENDIMENTO MECNICO DO ALTERNADOR

O Rendimento do Alternador definido em termos percentuais pela relaoentre a potncia eltrica por ele fornecida aos consumidores e a potnciamecnica absorvida do motor acionador. sempre menor que 1.

O rendimento do alternador (h) no constante e se aproxima do seu valormximo com a carga entre 80 e 100% da potncia mxima. Alternadorespequenos tem rendimento mais baixo do que os alternadores maiores (at 0,93acima de 250 KVA). Deve ser informado pelo fabricante para clculos maisseguros. Quando se tratar de clculos estimativos, pode ser tomado igual 90%(ou 0,9), que o valor adotado pelos montadores de grupos geradores, emgeral.


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13.4.3 - FREQNCIA

Como dissemos anteriormente, o alternador uma mquina sncrona e quesua velocidade de rotao e freqncia esto relacionadas com o nmero deplos. Sendo f= freqncia (em Hz); N= velocidade de rotao (em rpm) e Np= nmero de plos, temos que:

Assim, um alternador de 60 Hz que trabalha a 1800 rpm, tem:

60 = (1.800 x Np) 120 Np = 4 plos. Analogamente, um alternador de 6 plos,

para gerar tenso em 60 Hz, precisa girar a: 60 = (N x 6) 120 N = 1.200 rpm.Um alternador especial para aeroportos, que necessita gerar tenso na freqncia de 400Hz trabalhando a 2000 rpm, necessita de: 400 = (2000 x Np) 120 Np = 24 plos.

13.5 - EXCITAO

Como visto anteriormente, para induzir a fora eletromotriz necessitamos deum circuito magntico - o campo do alternador. Em mquinas de pequenoporte, podemos formar o campo por meio de ms permanentes naturais, mas,normalmente, isto feito por meios eletromagnticos ao alimentar as bobinas


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que constituem os plos com corrente contnua. Isto se denomina excitaramquina por meio de uma fonte de corrente contnua denominada excitatriz.

Para manter constante a tenso de sada do alternador, necessrio regular osistema de excitao pois a intensidade do campo magntico quem

determina este valor. Portanto, necessitamos de um regulador de tenso, que o elemento capaz de "sentir" as variaes de tenso de sada do alternador eatuar diretamente na excitatriz para que esta aumente ou diminua o fluxo decorrente no campo magntico, mantendo constante a tenso para qualquersolicitao de carga.

Quanto forma construtiva, duas so as configuraes bsicas para o sistemade excitao do alternador; EXCITAO DINMICA e EXCITAOESTTICA. O primeiro, denominado excitao dinmica, montado no prprioeixo do alternador. O segundo, denominado excitao esttica, constitudopor um retificador de corrente que utiliza a prpria energia gerada pelo

alternador para alimentar o campo com corrente retificada. Um circuitoeletrnico acoplado ao retificador faz a funo de regulador de tenso, abrindoou fechando o "gate" de um tiristor.

EXCITAO ESTTICA:

No sistema de excitao esttica, a corrente que alimenta o campo doalternador retificada e controlada por uma excitatriz eletrnica. A conduoda corrente se faz por meio de um par de anis com escovas montado no eixodo alternador. Como utiliza a tenso gerada pelo alternador, necessita de ummnimo de tenso inicial, gerada pelo magnetismo remanente do alternadordurante a partida, para iniciar o processo de retificao e alimentao docampo. Este processo de incio de gerao denominado escorva doalternador.

O sistema de excitao esttica tem resposta de regulao mais rpida do que

o sistema de excitao dinmica, uma vez que o regulador atua diretamente nocampo do alternador, o que lhe proporciona maior capacidade de partir motores


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eltricos de induo. Entretanto, como o fluxo de corrente controlado porpulsos dos tiristores, introduz deformaes na forma de onda da tensogerada, o que o torna contra-indicado para alternadores que alimentamequipamentos sensveis.

EXCITAO BRUSHLESS:

No sistema de excitao dinmica sem escovas utiliza-se um gerador decorrente contnua, montado no prprio eixo do alternador. O campo destegerador alimentado por um regulador externo que, modernamente, eletrnico semelhante ao empregado na excitao esttica. Nos alternadoresantigos este gerador de corrente contnua era um dnamo, com escovas ecoletor de lminas de cobre. Atualmente utiliza-se um pequeno alternador deplos fixos, cuja corrente alternada gerada no induzido rotativo retificada por

uma ponte retificadora de onda completa, tambm girante, que transfere acorrente retificada diretamente ao campo do alternador, sem a necessidade deescovas. Este sistema denominado "Brushless" e largamente utilizado.

EXCITAO POR M PERMANENTE:

Sistema de excitao por magneto (ou im) permanente, tambm conhecidopor excitao PMG, abreviatura da denominao em ingls de PermanentMagnet Generator. Trata-se de um sistema de excitao onde uma excitatrizauxiliar, constituda por um campo magntico constante produzido por umapea magnetizada antes da montagem, a qual funciona como indutor girandono interior de um enrolamento fixo, este trabalhando como induzido.Esquematicamente, tal sistema pode-se representar da seguinte forma:


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Neste tipo de alternador, a energia fornecida ao campo da excitatriz (campofixo) proveniente do PMG e independe da energia fornecida carga.Constitui-se, portanto, num sistema de excitao independente. Os valores detenso nos terminais do alternador que alimentam a carga, so usados apenascomo referncia, opcionalmente atravs de um transformador de potencial,podendo ser monitorados em duas ou trs fases, tambm opcionalmente, emfuno do projeto adotado pelo fabricante.

O regulador automtico de tenso (identificado acima como AVR - abreviaturade Automatic Voltage Regulator) difere do regulador de tenso utilizado numalternador convencional, auto-excitado, na medida em que no supre o campoda excitatriz com a mesma energia que alimenta os consumidores. Isto particularmente vantajoso nas aplicaes onde o alternador aciona grandesmotores eltricos porque possibilita a manuteno de valores elevados decorrente durante a partida destes motores, sem as grandes quedas de tensoque se verificam nos alternadores que no utilizam excitao independente.Tambm oferecem melhor desempenho do alternador quando alimentandocargas no lineares, tais como motores de corrente contnua alimentados portiristores, motores de corrente alternada com chaves de partida "Soft Start" ousistemas UPS (Uninterruptible Power Supply) tambm conhecidos como "NoBreaks" estticos. a opo desejvel para todos os casos onde se requermelhor qualidade da energia gerada.

O regulador de tenso (AVR) compara a tenso de sada do alternador com opadro ajustado no potencimetro de ajuste de tenso e efetua as correesatuando no campo da excitatriz.

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