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GTDEE GERAÇÃO TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

APOSTILA REFERENTE A GERAÇÃO TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

ELÉTRICA SEUS EQUIPAMENTOS E TECNOLOGIAS APLICADAS.

Elaborada pelo Eng. André Marcio Modesto em 01-maio-2011 Revisão 01

Engenheiro André Marcio Modesto – 01 – Maio – 2011 Revisão 01

Conteúdo 1. INTRODUÇÃO: ........................................................................................................... 3

1.1. DEFINIÇÃO DE ENERGIA E POTÊNCIA ................................................................ 4

1.1.1 ENERGIA ............................................................................................................ 4

1.1.2 POTÊNCIA ......................................................................................................... 5

1.2. HISTÓRIA DOS SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA ....................................... 6

1.3. O QUE É GERAÇÃO E COGERAÇÃO? .................................................................. 9

1.3.1. GERAÇÃO ......................................................................................................... 9

1.3.2. COGERAÇÃO.................................................................................................. 10

1.3.3. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO ........................ 13

2. O SISTEMA DE GERAÇÃO ...................................................................................... 15

2.1. MÁQUINA PRIMÁRIA......................................................................................... 15

2.2. TRANSFORMADORES ...................................................................................... 15

2.3. CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO ........................................................... 15

3. MÁQUINA PRIMÁRIA ................................................................................................ 16

3.1. HIDRÁULICAS ....................................................................................................... 16

3.2. DIESEL .................................................................................................................. 20

3.3. TERMELÉTRICAS ................................................................................................. 24

3.4. TERMONUCLEARES ............................................................................................ 25

3.5. TURBINAS EÓLICAS ............................................................................................ 26

4. GERADORES............................................................................................................ 30

4.1. NOÇÕES DE APLICAÇÕES .................................................................................. 30

4.2. TIPOS DE ACIONAMENTOS................................................................................. 31

4.3. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO....................................................................... 32

4.4. LIGAÇÕES NO SISTEMA TRIFÁSICO .................................................................. 36

4.5. GERADORES COM EXCITAÇÃO POR ESCOVAS ............................................... 40

4.6. CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE .................................................................... 42

4.7. POTENCIA NOMINAL ........................................................................................ 43


4.8. CLASSES DE ISOLAMENTO ................................................................................ 46

4.9. REGIME DE SERVIÇO .......................................................................................... 46

4.10. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS ............................................................. 47

4.11. CARACTERÍSTICAS NECESSÁRIAS PARA A CORRETA SELEÇÃO .............. 50

5. TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE FOÇA ............................................ 51

5.1. TIPOS DE TRANSFORMADORES ........................................................................ 52

5.2. TRANSFORMADORES QUANTO À FINALIDADE ................................................ 53

5.3. TRANSFORMADORES QUANTO AOS ENROLAMENTOS .................................. 53

5.4. TRANSFORMADORES QUANTO AOS TIPOS CONSTRUTIVOS ........................ 53

5.5. COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR ........................................................... 53

5.6. TIPOS DE LIGAÇÃO ............................................................................................. 55

5.7. POTÊNCIAS .......................................................................................................... 58

5.8. DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃO .............................................. 60

5.9. MANUTENÇÃO ..................................................................................................... 62

6. CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO. ................................................................. 65

6.1. COMANDO X MANOBRA ...................................................................................... 65

6.2. PROTEÇÃO ........................................................................................................... 65

6.3. RELEAMENTO ...................................................................................................... 67

6.4. EQUIPAMENTOS DE MANOBRA ......................................................................... 70

6.5. PROTEÇÃO DE GERADORES ............................................................................. 71

6.6. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES ............................................................... 72

6.7. COORDENAÇÃO................................................................................................... 73

6.8. DIAGRAMAS ELÉTRICOS .................................................................................... 73

6.9. REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE SISTEMAS DE POTÊNCIA ................... 78

6.10. DIAGRAMA DE PROTEÇÃO ELÉTRICA ........................................................... 80

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 82


1. INTRODUÇÃO:

Na história da sociedade, a energia elétrica, desde a sua descoberta, sempre ocupou lugar

de destaque, tendo em vista a dependência da qualidade de vida e do progresso econômico da

qualidade do produto e dos serviços relacionados à energia elétrica, que por sua vez dependem de

como as empresas de eletricidade projetam, operam e mantêm os sistemas elétricos de potência.

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.


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 pode ser convertida 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 entra no 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 d e 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 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.

As potências 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


1.2. HISTÓRIA DOS SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

Muito da tecnologia hoje em uso deve-se a grandes pioneiros e empreendedores da eletricidade.

Seus nomes e feitos são aqui registrados como tributo de reconhecimento pela grande

contribuição.

James Watt 1736 – 1819 (Escocês)

Mecânico, concebeu o princípio da máquina a vapor, que possibilitou a revolução industrial.

A unidade de potência útil foi dada em sua homenagem (watt).

Alessandro Volta 1745 - 1827 (Italiano)

Em 1800 anunciou a invenção da bateria.

A unidade de força eletromotriz foi criada em sua homenagem (volt).

André Marie Ampère 1775 - 1836 (Francês)

Iniciou pesquisa em 1820 sobre campos elétricos e magnéticos a partir do anunciado de Oersted

(Oe – intensidade de campo magnético).

Descobriu que as correntes agiam sobre outras correntes.

Elaborou completa teoria experimental e matemática lançando as bases do eletromagnetismo.

A unidade de corrente elétrica foi escolhida em sua homenagem (ampère).


Georg Simon Ohm 1789-1854 (Alemão)

Em 1827 enunciou a lei de Ohm.

Seu trabalho só foi reconhecido pelo mundo científico em 1927.

As unidades de resistência, reatância e impedância elétrica foram escolhidas em sua homenagem

(ohm).

Michael Faraday 1791-1867 (Inglês)

Físico e químico, em 1831 descobriu a indução eletromagnética.

Constatou que o movimento de um imã através de uma bobina de fio de cobre causava fluxo de

corrente no condutor.

Estabeleceu o princípio do motor elétrico.

Considerado um dos maiores experimentalistas de todos os tempos.

A unidade de capacitância é em sua homenagem (F).

Joseph Henry 1797-1878 (Americano)

Descobriu a indutância de uma bobina.

Em sua homenagem seu nome foi dado à unidade de indutância (henry).


Gustav Robert Kirchhoff 1824–1887 (Alemão)

Em 1847 anunciou as leis de Kirchhoff para correntes e tensões.

Thomas Alva Edison 1847-1931 (Americano)

Em 1879 inventou a lâmpada elétrica.

Patenteou 1100 invenções: cinema, gerador elétrico, máquina de escrever, etc.

Criou a Edison General Electric Company.

Foi sócio da ‘General Electric Company’.

Instalou em 1882 a primeira usina de geração de energia elétrica do mundo com fins comerciais,

na área de Wall Street, Distrito Financeiro da cidade de New York. A Central gerava em corrente

contínua, com seis unidades geradoras com potência total de 700 kW, para alimentar 7200

lâmpadas em 110 V. O primeiro projeto de êxito de central elétrica havia sido instalado no mesmo

ano em Londres, com capacidade de geração para 1000 lâmpadas.

William Stanley 1858-1968 (Americano)

Em 1885/6 desenvolveu comercialmente o transformador.


Nikola Tesla 1856-1943 (Croata-Americano)

Em 1888 inventou dos motores de indução e síncrono.

Inventor do sistema polifásico.

Responsável pela definição de 60 Hz como freqüência padrão nos EUA.

A unidade para densidade de fluxo magnético é em sua homenagem (T).

George Westinghouse 1846-1914 (Americano)

Inventor do disjuntor a ar.

Comprou a patente do recém inventado transformador dos ingleses Lucien Gaulard e John D.

Gibbs.

Comprou a patente do motor elétrico de Tesla.

Em 1886 organizou a Westinghouse Electric Company.

Venceu a batalha das correntes contra Edison.

1.3. O QUE É GERAÇÃO E COGERAÇÃO?

1.3.1. 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 pode 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.

1.3.2. 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.

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 há 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.


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 combustíveis a 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 as 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.


1.3.3. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO

O sistema de produção de energia elétrica do Brasil pode ser classificado como um sistema

hidrotérmico de grande porte, com forte predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos

proprietários.

A maior parte da capacidade instalada é composta por usinas hidrelétricas, que se

distribuem em 14 diferentes bacias hidrográficas nas diferentes regiões do país de maior

atratividade econômica. São os casos das bacias dos rios Tocantins, Madeira, Parnaíba, São

Francisco, Paraguai, Paranaíba, Grande, Paraná, Tietê, Paraíba do Sul, Paranapanema, Iguaçu,

Uruguai e Jacuí onde se concentram as maiores centrais hidrelétricas.

Os reservatórios nacionais situados em diferentes bacias hidrográficas não têm nenhuma

ligação física entre si, sendo interligados por linhas de transmissão que funcionam como vasos

comunicantes entre as bacias hidrográficas.

[Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/mapas_sin.aspx]

Figura Integração eletroenergética no Brasil.


A capacidade de geração do Brasil em 2010 é de 110.05,45 MW e para 2011 é de

112.398,49 MW de potência, com um total de total 2.100 empreendimentos em operação. A fim de

vislumbrar a dimensão do sistema hidroenergético brasileiro.

Os dez agentes de maior capacidade instalada no país são apresentados na Tabela 1.4.


2. O SISTEMA DE GERAÇÃO

O sistema de geração é formado pelos seguintes componentes: Máquina primária,

geradores, transformador e sistema de controle, comando e proteção.

2.1. MÁQUINA PRIMÁRIA 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 motor Diesel, turbina hidráulica turbina 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.

2.2. 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

2.3. 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 que

será estudado. 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


3. MÁQUINA PRIMÁRIA

3.1. 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 jusante.

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.

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

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.

Basicamente existem 2 tipos de turbinas hídricas: as turbinas de reação ou propulsão, e

turbinas de ação ou impulso.


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.

Turbina Francis: A Turbina Francis é uma turbina hidráulica que foi desenvolvida pelo engenheiro

estadunidense James B. Francis em 1849. Turbinas Francis são adequadas para operar entre

quedas de 40 m até 400 m. A Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de

Tucuruí, Usina Hidrelétrica de Furnas, Usina Hidrelétrica de Foz do Areia, AHE de Salto Pilão e

outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda de água.

Figura 4.1.1.


Figura 4.1.1 – 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, 3- flange de acoplamento, 14- servomotor das aletas ajustáveis.

A turbina Kaplan A turbina Kaplan é uma turbina hidráulica. É adequada para operar entre quedas até 60 m.

A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. Este assemelha-se a um propulsor

de navio (similar a uma hélice). Um servomotor montado normalmente dentro do cubo do rotor, é

responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás. O óleo é injetado por um sistema de

bombeamento localizado fora da turbina, e conduzido até o rotor por um conjunto de tubulações

rotativas que passam por dentro do eixo.

O acionamento das pás é conjugado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para

uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinação das

pás do rotor. As Kaplans também apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom

rendimento em uma ampla faixa de operação. A usina hidroelétrica de Três Marias funciona com

turbina Kaplan.

Foto 4.1.2. – de uma turbina

Francis em corte


Figura 4.1.3.

Figura 4.1.3.- 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 turbina Pelton A turbina Pelton é uma turbina hidráulica de ação, isto é, funciona à pressão atmosférica. É

constituída por uma roda e um ou mais injectores, cuja função é transformar a energia de pressão

do escoamento em energia cinética, orientando esse mesmo escoamento para a roda. É mais

adequada para grandes quedas úteis ( entre os 350 m até 1100 m). Este modelo de turbina opera

com velocidades de rotação maiores que as outras, e tem o rotor de característica bastante

distintas. Os jactos de água provinientes dos injectores ao chocarem com as pás do rotor (em

forma de dupla colher) geram o impulso que faz com que a roda se mova. Temos uma desse

sistema de turbina em funcionamento na usina de Henry Borden em Cubatão SP na Serra do

Mar.


Figura 4.1.4.

Figura 4.1.4. – Corte transversal em uma turbina Pelton de dois injetores, de eixo horizontal

a 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.

3.2. 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.


Figura4.2.1.

Figura 4.2.1 – 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 4.2.1 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 classificados de várias maneiras, entre as

quais algumas merecem destaque:

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.


Maior Motor a Diesel do Mundo.

O maior motor a diesel estacionário do mundo utilizado em navios, mas quem também pode

ter sua aplicação em centrais elétricas.

É fabricado pela companhia Wartsila-Sulzer, sediada em Helsinque, na Finlândia. Esses

motores são usados nos maiores navios de transporte de contêineres do mundo, como o Emma

Maersk.

Figura 4.2.2. o Motor sendo Transportado.


Figura4.2.3. Detalhe da Arvore de Transmissão (Vira Brequim).

Dados Técnicos: Versão de 14 Cilindros

• Cilindrada: 25480 litros

• Nº de Válvulas: 2 por Cilindro

• Curso do Cilindro: 2489.2 mm

• Diâmetro do Cilindro: 960 mm

• Peso: 2300 toneladas (O Virabrequim pesa 300 toneladas)

• Comprimento: 27 metros

• Altura: 13 metros

• Rotação: 92-102 RPM

• Potência Máxima: 108920 HP - 81,22MW a 102 RPM

• Consumo na Potencia Máxima: 13.7 toneladas de Diesel por hora


3.3. TERMELÉTRICAS As máquinas a vapor foram às 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 4.3.1 – 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

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.

3.4. TERMONUCLEARES

As 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 4.4.1). 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 4.4.1 – 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 à carga do

elétron (1.602 x 10-19 C). Os nêutrons são eletricamente neutros. As partículas do núcleo são

chamadas de núcleos. 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.

3.5. 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, é proveniente 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.


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 4.5.1 – Visão geral de uma turbina eólica

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 4.5.2. – Princípio de funcionamento da asa


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 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.

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.

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 acioná-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.


4. GERADORES

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 4.1 - O galvanômetro "G" indica a passagem de uma

corrente quando o ímã se move em relação a bobina.

4.1. 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.

São 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;

Telecomunicações;

Usinas Hidroelétricas PCH’s;

Cogeração / Turbo Geradores;

Aplicações Específicas para uso Naval, Usinas de Açúcar e Álcool, Madeireiras,

Arrozeiras, Petroquímica, etc.


4.2. TIPOS DE ACIONAMENTOS

A - GRUPO DIESEL São geradores acionados por Motores Diesel;

Potência: 50 a 1500 kVA

Rotação: 1800 rpm (IV pólos)

Tensão: 220, 380 ou 440 V - 50 ou 60 Hz.

B - HIDROGERADORES São geradores acionados por Turbinas Hidráulicas;

Potência: até 20.000 kVA

Rotação: 360 a 1800 rpm (XX a IV pólos)

Tensão: 220 a 13.800 V

C - TURBOGERADORES São geradores acionados por Turbinas a Vapor;

Potência: até 20.000 kVA

Rotação: 1800 rpm ( IV pólos )

Tensão: 220 a 13.800 V


4.3. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

A característica principal de um gerador elétrico é transformar energia mecânica em elétrica.

Para facilitar o estudo do princípio de funcionamento, vamos considerar inicialmente uma espira

imersa em um campo magnético produzido por um ímã permanente (Figura 3.2). O princípio básico

de funcionamento está baseado no movimento relativo entre uma espira e um campo magnético.

Os terminais da espira são conectados a dois anéis, que estão ligados ao circuito externo através

de escovas.

Figura 4.2 - Esquema de funcionamento de um

gerador elementar (armadura girante)

Admitamos que a bobina gira com velocidade uniforme no sentido da flecha dentro do

campo magnético "B" também uniforme (Figura 4.2).

Se "v" é a velocidade linear do condutor em relação ao campo magnético, segundo a lei da

indução (FARADAY), o valor instantâneo da F.E.M. induzida no condutor em movimento de rotação

é determinada por:


Onde:

e = força eletromotriz;

B = indução do campo magnético;

l = comprimento de cada condutor;

v = velocidade linear;

Ɵ = ângulo formado entre B e v.

Para N espiras teremos então:

A variação da F.E.M. no condutor, em função do tempo, é determinada pela lei da

distribuição da indução magnética sob um pólo. Esta distribuição tem um caráter complexo e

depende da forma da sapata polar. Com um desenho conveniente da sapata poderemos obter uma

distribuição senoidal de induções. Neste caso, a F.E.M. induzida no condutor também varia com o

tempo sob uma lei senoidal.

A Figura 4.4a. mostra somente um lado da bobina no campo magnético, em 12 posições

diferentes, estando cada posição separada uma da outra de 30o.

A Figura 4.4b nos mostra as tensões correspondentes a cada uma das posições.

Já nos geradores de campo giratório (Figura 3.3) a tensão de armadura é retirada

diretamente do enrolamento de armadura (neste caso o estator) sem passar pelas escovas. A

potência de excitação destes geradores normalmente é inferior a 5% da potência nominal, por este

motivo, o tipo de armadura fixa (ou campo girante) é o mais utilizado.

Figura 3.3 - Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura fixa).


Figura 4.4 - Distribuição da Indução Magnética sob um Pólo

No Brasil, a energia elétrica é fornecida em corrente alternada no sistema trifásico, na

freqüência de 60Hz. O alternador que gera corrente alternada pelo sistema trifásico é constituído

por três bobinas deslocadas de 120º (parte fixa) e por um eletroímã (parte móvel).

Conforme o gráfico a seguir, um ciclo completo da corrente alternada corresponde a 360º ou

a uma volta completa do eletroímã. Por isso, as três correntes alternadas monofásicas produzidas

por um alternador trifásico estão defasadas entre si de 120º elétricos ou 1/3 do ciclo.

Figura 4.5 – esquema elétrico da defasagem 120°


Figura 4.6 – gráfico de defasagem de 120°

A cada giro das espiras teremos um ciclo completo da tensão gerada, para uma máquina de

um par de pólos. Os enrolamentos podem ser construídos com um número maior de pares de

pólos, que se distribuirão alternadamente (um norte e um sul). Neste caso, teremos um ciclo a cada

par de pólos. Sendo "n" a rotação da máquina em "RPM" e "f" a freqüência em ciclos por segundo

(HERTZ) teremos:

Onde: f = freqüência (Hz)

p = número de pólos

n = rotação síncrona (RPM)

Note que o número de pólos da máquina terá que ser sempre par, para formar os pares de

pólos.

Na tabela 4.1 são mostradas, para as freqüências e polaridades usuais, as velocidades

síncronas correspondentes.

Tabela 4.1 - Velocidades Síncronas


4.4. LIGAÇÕES NO SISTEMA TRIFÁSICO

LIGAÇÃO TRIÂNGULO: Chamamos "tensões/correntes de fase" as tensões e correntes de cada um dos três

sistemas monofásicos considerados, indicados por Vf e If. Se ligarmos os três sistemas

monofásicos entre si, como indica a figura 4.7 .a, podemos eliminar três fios, deixando apenas um

em cada ponto de ligação, e o sistema trifásico ficará reduzido a três fios U, V e W.

A tensão entre dois quaisquer destes três fios chama-se "tensão de linha" (Vl), que é a

tensão nominal do sistema trifásico. A corrente em qualquer um dos fios chama-se "corrente de

linha" (Il).

Figura 4.7. - Ligação Triângulo

Examinando o esquema da figura 4.7 b, vê-se que:

A cada carga é aplicada a tensão de linha "Vl", que é a própria tensão do sistema

monofásico correspondente, ou seja, VL = VF.

A corrente em cada fio de linha, ou corrente de linha "IL", é a soma das correntes

das duas fases ligadas a este fio, ou seja,

Como as correntes estão defasadas entre si, a soma deverá ser feita graficamente, Pode-se

mostrar que

Exemplo: Temos um sistema trifásico equilibrado de tensão nominal 220 V. A corrente de

linha (Il) medida é 10 A. Ligando a este sistema uma carga trifásica composta de três cargas iguais

ligadas em triângulo, qual a tensão e a corrente em cada uma das cargas?

Temos VF = V1 = 220V em cada uma das cargas.

LIGAÇÃO ESTRELA:


Ligando um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum aos três, os três fios

restantes formam um sistema trifásico em estrela como na figura 4.8a.

Às vezes, o sistema trifásico em estrela é "a quatro fios" ou "com neutro".

O quarto fio é ligado ao ponto comum às três fases. A tensão de linha, ou tensão nominal

do sistema trifásico, e a corrente de linha são definidos do mesmo modo que na ligação triângulo.

Figura 4.8. - Ligação Estrela

Examinando o esquema da figura 4.8b vê-se que:

A corrente em cada fio da linha, ou corrente de linha (IL), é a mesma corrente da

fase à qual o fio está ligado, ou seja, IL = IF.

A tensão entre dois fios quaisquer do sistema trifásico é a soma gráfica figura 4.8c

das tensões das duas fases as quais estão ligados os fios considerados, ou seja,

Exemplo: Temos uma carga trifásica composta de três cargas iguais, cada carga é feita

para ser ligada a uma tensão de 220V, absorvendo, 5,77A. Qual a tensão nominal do sistema

trifásico que alimenta esta carga em suas condições normais (220V e 5,77A) Qual a corrente de

linha (IL)?

Temos VF = 220V (nominal de cada carga)

VL = 1,732 x 220V = 380V

IL = IF = 5,77 A.

TENSÃO NOMINAL MÚLTIPLA


A grande maioria dos geradores são fornecidos com terminais do enrolamento religáveis, de

modo a poderem pelo menos fornecer duas tensões diferentes. Os principais tipos de religação de

terminais de geradores ou motores assíncronos para funcionamento em mais de uma tensão são:

A) LIGAÇÃO SÉRIE-PARALELA: O enrolamento de cada fase é dividido em duas partes (lembrar que o número de pólos é

sempre par, de modo que este tipo de ligação é sempre possível).

Ligando as duas metades em série, cada metade ficará com a metade da tensão de fase

nominal da máquina. Ligando as duas metades em paralelo, a máquina poderá ser alimentada com

uma tensão igual à metade da tensão anterior, sem que se altere a tensão aplicada a cada bobina.

Veja os exemplos numéricos da figura 4.9

Figura 4.9 - Tensão Nominal Múltipla


É comum em geradores o fornecimento em três tensões 220/380/440. O procedimento

nestes casos para se obter 380 V é ligar o gerador em 440 V, e alterar a referência no regulador de

tensão, de modo a se obter a redução de tensão (redução da indução magnética). Deste modo,

poderemos obter três tensões na ligação Y, que é a mais comum em geradores.

B) LIGAÇÃO ESTRELA-TRIÂNGULO: É comum para partida de motores assíncronos a ligação estrela-triângulo. Nesta ligação, o

enrolamento de cada fase tem as duas pontas trazidas para fora do motor. Se ligarmos as três

fases em triângulo cada fase receberá a tensão da linha, por exemplo, (figura 4.10b) 220 Volts. Se

ligarmos as três fases em estrela (figura 4.10a), o motor pode ser ligado a uma linha com tensão

igual a 220 x 3 = 380 V sem alterar a tensão no enrolamento que continua igual a 220 Volts por

fase. Este tipo de ligação exige 6 terminais acessíveis no motor e serve para quaisquer tensões

nominais duplas, desde que a segunda seja igual a primeira multiplicada por 3 .

Exemplos: 220/380V - 380/660V - 440/760V. Note que uma tensão acima de 600 Volts não

é considerada baixa tensão, mas entra na faixa da alta tensão, em que as normas são outras, nos

exemplos 380/660 e 440/760V, a maior tensão declarada serve somente para indicar que o motor

pode ser religado em estrela-triângulo, pois não existem linhas dessas tensões.

Figura 4.10 - Ligação Estrela-Triângulo


4.5. GERADORES COM EXCITAÇÃO POR ESCOVAS

TIPO SL (ANTIGO DL)

No gerador SL, o campo é alimentado em corrente contínua por escovas e anéis coletores,

e a tensão alternada é retirada do estator (fig.4.11), neste sistema normalmente o campo é

alimentado por uma excitatriz chamada de excitatriz estática. A tensão de saída do gerador é

mantida constante para qualquer carga e fator de potência, pois esta verifica constantemente a

tensão de saída. Quando acionado na rotação nominal o processo de escorvamento se inicia pela

tensão residual do gerador.

VANTAGENS: Menor tempo de resposta na recuperação de tensão;

Menor queda de tensão na partida de motores de indução.

DESVANTAGENS: Exige manutenção periódica no conjunto escovas e porta escovas;

Não é aconselhável a utilização em centro de processamento de dados,

telecomunicações, devido a possibilidade de gerar rádio interferência em função de

mau contato das escovas.

Figura 4.11 - Gerador com Excitação por Escovas


GERADORES COM EXCITAÇÃO SEM ESCOVAS (BRUSHLESS)

GTA (antigo BTA) - Gerador brushless (sem escovas) sem excitatriz auxiliar. Utiliza um

enrolamento auxiliar independente, alojado nas ranhuras da armadura (bobina auxiliar). Serve para

fornecer a tensão para o regulador de tensão. (figura 4.12). A bobina auxiliar é um bobinado

auxiliar que fica alojado em algumas ranhuras do estator principal da máquina. Sua função é

fornecer potência para alimentar o campo da excitatriz principal, regulada e retificada pelo

regulador de tensão.

Figura 4.12 - Gerador tipo GTA

Vantagens: Não utiliza escovas e porta-escovas conseguindo-se com isso, manutenção

reduzida, solicitando cuidados apenas na lubrificação dos rolamentos.

Não introduz rádio-interferências ocasionado pelo mau contato das escovas.

Deformações na forma de onda gerada, provocada pelas cargas, não interferem na

regulação, pois o regulador é alimentado por uma bobina auxiliar, independente da

tensão de saída.

Admite facilmente o controle de tensão manual.


4.6. CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE Entre outros, dois fatores influem na determinação da potência admissível: a temperatura do

meio refrigerante e a altitude em que o gerador for instalado.

Meio refrigerante: Na maioria dos casos o ar ambiente de temperatura não superior a 40°C

e isento de elementos prejudiciais.

Altitude (não superior a 1000m sobre o nível do mar). Até nestes valores de altitude e

temperatura ambiente considera-se condições normais que o gerador deve fornecer, sem sobre

aquecimento, sua potência nominal.

ALTITUDE

Gerador funcionando em altitude acima de 1000m apresentam problemas de aquecimento

causado pela rarefação do ar e conseqüentemente diminuição do seu poder de arrefecimento.

A insuficiente troca de calor entre o gerador e o ar circundante, leva à exigência de redução

de perdas, o que significa também redução de potência. Os geradores têm aquecimento

diretamente proporcional as perdas e estas variam aproximadamente, numa razão quadrática com

a potência.

TEMPERATURA AMBIENTE.

Geradores que trabalham em temperaturas inferiores a –20°C apresentam os seguintes

problemas:

Excessiva condensação, exigindo drenagem adicional ou instalação de resistência de

aquecimento, caso o gerador fique longos períodos parado.

Formação de gelo nos mancais provocando endurecimento das graxas ou lubrificantes dos

mancais, exigindo o emprego de lubrificantes especiais ou graxa anti-congelante.

Em geradores que trabalham a temperatura ambientem constantemente superiores a 40°C,

o enrolamento pode atingir temperaturas prejudiciais a isolação. Este fato tem que ser compensado

por um projeto especial do gerador, usando materiais isolantes especiais ou pela redução da

potência nominal do mesmo.


4.7. POTENCIA NOMINAL É a potência que o gerador pode fornecer, dentro de suas características nominais, em

regime contínuo. O conceito de potência nominal, ou seja, a potência que o gerador pode fornecer

está intimamente ligado à elevação de temperatura do enrolamento.

Sabemos que o gerador pode acionar cargas de potência bem acima de sua potência

nominal, até quase atingir o limite de estabilidade.

O que acontece, porém, é que se esta sobrecarga for excessiva, isto é, for exigida do

gerador uma potência muito acima daquela para a qual foi projetado, o aquecimento normal será

ultrapassado e a vida do gerador será diminuída, podendo ele, até mesmo, queimar-se

rapidamente.

A potência do gerador é fixada em relação à potência das fontes consumidoras, ou de

acordo com a potência do motor do acionamento:

a) Fixação de potência de acordo com a potência das fontes consumidoras.

Para a determinação do tamanho da máquina devemos conhecer a potência aparente S:

Nos catálogos a potência aparente é dada em kVA, sendo válida para os fatores de

potência entre 0,8 e 1,0 (Indutivos). Para fatores de potência menores que 0,8, a potência deve ser

reduzida, isto implica, portanto que o Cos(Ɵ) também deve ser conhecido. Portanto, se um gerador

for conectado a carga com fatores de potência distintos, é preciso averiguar antes, quais os

componentes de potência ativa e reativa, e daí determinar a potência aparente total, bem como o

fator de potência geral.


S = (P1+ P2+...+ Pn )2+(Q1+Q2+...+Qn )2

Onde:

Pn = componente da potência ativa da fonte consumidora (VA);

Qn = componente da potência reativa da fonte consumidora (VAr).

Figura 4.13 – Potência em função do cos(φ)

Muitas vezes, não é possível conhecer a potência exata das fontes consumidoras. Neste

caso a potência do gerador é determinada a partir da potência de acionamentos e, como fator de

potência pode adotar 0,8.

Da potência útil do motor de acionamento, diminuímos as perdas do gerador, para obter a

potência ativa que fica a disposição nos terminais do gerador.

Onde: PG - potência do gerador [kW] PM - potência do motor acionante [kW] ή(G) - rendimento do gerador (%)

Exemplos: Numa indústria deve ser instalado um Grupo Diesel para fornecer eletricidade às suas

instalações, onde existem as seguintes fontes consumidoras.


a) Iluminação 80 [kVA] Cos(φ) = 0,7

b) Aquecimento 152 [kVA] Cos(φ) = 1,0

c) 1 motor trifásico WEG - IP54 - 40 [cv] - IV

d) 1 motor trifásico WEG - IP54 - 60 [cv] – IV Carcaça 200L

e) 1 motor trifásico WEG - IP54 - 75 [cv] – IV

Para determinação da potência foi considerado serviço contínuo. Será analisado

posteriormente a influência da partida dos motores. Para o cálculo da potência ativa e aparente nos

motores geralmente indica-se a potência útil no eixo; a potência ativa consumida abtém-se

dividindo pelo rendimento. Do valor da potência ativa e da reativa, obtém-se a potência aparente

total do gerador, bem como o fator de potência para o motor de 40 cv teremos:

Desta maneira, e para os demais, obteremos os seguintes resultados da Tabela 4.2

Tabela 3.9 - Quadro Geral de Potência

A potência aparente do gerador será:

O fator de potência geral será:


Do catálogo do fabricante (WEG), tipo industrial obtemos o gerador GTA315SI25, para

tensão de 220V com potência de 405 kVA. O rendimento do gerador com carga total, está indicado

no catálogo como 94%.

A potência do acionamento do gerador será:

4.8. CLASSES DE ISOLAMENTO

Como foi visto acima, o limite de temperatura depende do tipo de material empregado. Para

fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela

combinação de vários materiais) são agrupados em Classes de isolamento, cada qual definida pelo

respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar

continuamente sem que seja afetada sua vida útil.

As classes de isolamento utilizados em máquinas elétricas e os respectivos limites de

temperatura conforme a Norma NBR 7094 são as seguintes:

Classe A(105°C);

Classe E(120°C);

Classe B(130°C);

Classe F(155°C);

Classe H (180°C).

As classes B e F são as comumente utilizadas em motores normais, já para geradores os mais

comuns são a F e H.

4.9. REGIME DE SERVIÇO

É o grau de regularidade da carga a que o gerador é submetido. O gerador é projetado para

regime contínuo, isto é, a carga é constante, por tempo indefinido, e igual à potência nominal da

máquina.


A indicação do regime da máquina deve ser feita pelo comprador, da forma mais exata

possível. Nos casos em que as cargas não variam ou nos quais variam de forma previsível, o

regime poderá ser indicado numericamente ou por meio de gráficos que representem a variação

em função do tempo das grandezas variáveis. Quando a seqüência real dos valores no tempo for

indeterminada, deverá ser indicada uma seqüência fictícia não menos severa que a real.

Os regimes que serão citados foram definidos em vista especialmente na aplicação de

geradores, (por exemplo S1, S2 e S3):

a) Regime S1 Funciona à carga constante de duração suficiente para que se alcance o equilíbrio

Térmico.

b) Regime de Tempo Limitado (S2) Funciona à carga constante, durante um certo tempo, inferior ao necessário para atingir o

equilíbrio térmico, seguido de um período de repouso de duração suficiente para restabelecer a

igualdade de temperatura com o meio refrigerante

c) Regime Intermitente Periódico (S3) Seqüência de ciclos idênticos , cada qual incluindo um período de funcionamento a carga

constante e um período de repouso durante um ciclo de regime e no qual a corrente de partida não

afeta de modo significante a elevação de temperatura.

4.10. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS COMPONENTES PRINCIPAIS

O gerador completo, pode ser desmontado numa série de unidades funcionais, que são

mostradas a seguir. A composição dos geradores depende do tipo de máquina.

ESTATOR DA MÁQUINA PRINCIPAL A carcaça é de aço calandrado (GTA -WEG) ou chapa soldada (S- WEG). O pacote de

chapas do estator, com seu respectivo enrolamento, está assentado sobre as nervuras da carcaça.

Os enrolamentos são normalmente produzidos para classe de isolamento F ou H e são fixadas por

uma cunha de fechamento, composta de material isolante. As cabeças dos enrolamentos são

fortalecidas para que possam resistir a choques e vibrações .


ROTOR DA MÁQUINA PRINCIPAL

O rotor acomoda o enrolamento de campo, cujos pólos são formados por pacotes de

chapas. Um enrolamento em gaiola, para amortecimento compensa serviços em paralelo, e com

carga irregular.

ESTATOR DA EXCITATRIZ PRINCIPAL

A excitatriz principal é um gerador de corrente trifásica de pólos salientes, e está presa à

placa do mancal não acionado por vários parafusos. Os pólos salientes acomodam as bobinas de

campo, que são ligadas em série, sendo que sua extremidade é levada ao bloco de conexão na

caixa de bornes.

ROTOR DA EXCITATRIZ PRINCIPAL E DIODOS RETIFICADORES GIRANTES

O rotor da excitatriz principal está montado sobre o eixo da máquina principal. O rotor é

laminado e suas ranhuras abrigam um enrolamento trifásico ligado em estrela. O ponto comum

desta ligação estrela é inacessível. De cada ponto da ligação estrela saem dois fios para os

retificadores girantes, assentados os suportes dissipadores. Dos dois fios, um é ligado ao

retificador sobre o suporte positivo e o segundo, ao mesmo retificador sobre os suporte negativo.

ENROLAMENTO AUXILIAR (OU BOBINA AUXILIAR)

É um bobinado auxiliar monofásico, que fica alojado em algumas ranhuras do estator

principal. Sua função é fornecer potência para alimentar o campo da excitatriz principal, regulado e

retificado pelo regulador de tensão.

PLACA DE IDENTIFICAÇÃO

Quando o fabricante projeta um gerador e o oferece à venda, ele tem que partir de certos

valores adotados para:

Características de carga alimentada;

Condições em que o gerador irá funcionar.

O conjunto desses valores constitui as "características nominais" do gerador. A maneira

pela qual o fabricante comunica estas informações ao cliente, é através da placa de identificação

do gerador (figura 4.14)


Figura 4.14 - Placa de identificação

Figura 4.15 - Partes integrantes do gerador

Figura 4.16 - Forma construtiva


4.11. CARACTERÍSTICAS NECESSÁRIAS PARA A CORRETA SELEÇÃO Para a correta especificação do gerador, são necessárias as seguintes informações na fase

da consulta:

1) Potência nominal (kVA)

2) Tipo de refrigeração (Aberto, Troc. ar-ar ou Troc. ar-água)

3) Rotação (no de pólos)

4) Fator de Potência

5) Tensão nominal

6) Número de fases (Trifásico ou Monofásico)

7) Freqüência de operação (Hz)

8) Tipo de excitação: - sem escovas - sistema com escovas com excitatriz estática

9) Grau de proteção

10) Forma construtiva

11) Temperatura ambiente

12) Altitude

13) Tipo de aplicação: Industrial, Telecomunicações, Naval, Marinizado

14) Característica da carga. Ex: partida de motores de indução

15) Faixa de ajuste da tensão

16) Precisão da regulação

17) Acessórios

18) Sobrecargas ocasionais

19) Tensão de alimentação dos aquecedores internos

20) Tipo de regulação (U/f constante ou U constante)

21) Tipo de acoplamento

22) Máquina acionante


5. TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE FOÇA

Podemos dizer que os transformadores trifásicos são três transformadores monofásicos

trabalhando em conjunto, e cada fase contém duas bobinas, uma primária e uma secundária. As

bobinas das três fases devem ser exatamente iguais.

Os transformadores tem um papel importante na geração, transmissão e distribuição dessa

energia elétrica.

A energia elétrica, até chegar ao ponto de consumo, passa pelas seguintes etapas:

a) Geração Onde a força hidráulica dos rios ou a força do vapor superaquecido é convertida em energia

nos chamados geradores.

b) Transmissão Os pontos de geração normalmente encontram-se longe dos centros de consumo. Torna-se

necessário elevar a tensão no ponto de geração, para que os condutores possam ser de seção

reduzida, por fatores econômicos e mecânicos, e diminuir a tensão próxima do centro de consumo,

por motivos de segurança. O transporte de energia é feito em linhas de transmissão, que atingem

até centenas de milhares de Volts e que percorrem milhares de quilômetros.

c) Distribuição Como dissemos acima, a tensão é diminuída próximo ao ponto de consumo, por motivos de

segurança. Porém, o nível de tensão desta primeira transformação, não é ainda o de utilização,

uma vez que é mais econômico distribuí-la em média tensão. Então, junto ao ponto de consumo, é

realizada uma segunda transformação, a um nível compatível com o sistema final de consumo

(baixa tensão). Como podemos notar, é imprescindível a manipulação do nível de tensão num

sistema e potência, quer por motivos econômicos, quer por motivos de segurança, ou ambos. Isto é

possível graças a um equipamento estático, de construção simples e rendimento elevado,

chamado transformador.

A seguir, apresentamos esquematicamente um sistema de potência, onde temos geração,

transmissão, distribuição e transformação de energia elétrica.


Figura 5.1

5.1. TIPOS DE TRANSFORMADORES

Sendo um equipamento que transfere energia de um circuito elétrico a outro, o

transformador toma parte nos sistemas de potência, para ajustar a tensão de saída de um estágio

do sistema à tensão da entrada do seguinte. O transformador nos sistemas elétricos e

eletromecânicos poderá assumir outras funções, como isolar eletricamente os circuitos entre si,

ajustar a impedância do estágio seguinte à do anterior, ou todas estas finalidades citadas, ao

mesmo tempo.

A transformação da tensão (e da corrente) é obtida graças a um fenômeno chamado

Indução Eletromagnética, ao qual nos ateremos mais adiante.


5.2. TRANSFORMADORES QUANTO À FINALIDADE a) Transformadores de corrente;

b) Transformadores de potencial;

c) Transformadores de distribuição;

d) Transformadores de força.

5.3. TRANSFORMADORES QUANTO AOS ENROLAMENTOS a) Transformadores de dois ou mais enrolamentos;

b) Autotransformadores.

5.4. TRANSFORMADORES QUANTO AOS TIPOS CONSTRUTIVOS Quanto ao material do núcleo: 1) Com núcleo ferromagnético;

2) Com núcleo de ar.

Quanto a forma do núcleo: 1) Nuclear ou envolvido;

2) Encouraçado ou envolvente.

Quanto ao número de fases: 1) Monofásico;

2) Polifásico (principalmente o trifásico).

Quanto à maneira de dissipação de calor: 1) Parte ativa imersa em líquido isolante (transformador imerso);

2) Parte ativa envolta pelo ar ambiente (transformador a seco).

5.5. COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR

O fenômeno da transformação é baseado no efeito da indução mútua, onde temos um

núcleo constituído de lâminas de aço prensadas e onde foram construídos dois enrolamentos.


Figura 5.2

Se aplicarmos uma tensão U1 alternada ao primário circulará por este enrolamento uma

corrente IL alternada que por sua vez dará condições ao surgimento de um fluxo magnético também

alternado.

A maior parte deste fluxo ficará confinada ao núcleo, uma vez que é este o caminho de

menor relutância. Este fluxo originará uma força eletro motriz (f.e.m.) E1 no primário e E2 no

secundário proporcionais ao número de espiras dos respectivos enrolamentos, segundo a relação:

Podemos também provar que as correntes obedecem à seguinte relação:

Onde: I1 é a corrente no primário e I2 no secundário.

Quando a tensão do primário U1 é superior à do secundário U2, temos um transformador

abaixador. Caso contrário, teremos um transformador elevador de tensão.


5.6. TIPOS DE LIGAÇÃO

Os transformadores podem ser ligados em estrela, em triângulo e em ziguezague e essas

ligações são executadas tanto no primário quanto no secundário.

As ligações do primário e do secundário podem ser combinadas de várias formas:

Em estrela no primário e em estrela no secundário;

Em triângulo no primário e em triângulo no secundário;

Em estrela no primário e em triângulo no secundário e vice-versa.

Os transformadores dividem-se em dois grupos.

Grupo A Quando a tensão do secundário está em fase com a tensão do primário;

Grupo B Quando a tensão do secundário está defasada em 30º da tensão do primário.

Dois transformadores de grupos diferentes não podem ser ligados em paralelo.


Tipos de ligação de transformadores trifásicos do grupo A

Tabela 5.1.


Tipos de ligação de transformadores trifásicos do grupo B

Tabela 5.2


5.7. POTÊNCIAS

Em um sistema elétrico, temos três tipos de potências: potência aparente, a ativa e reativa.

Estas potências estão intimamente ligadas de tal forma que constituem um triângulo, o

chamado triângulo das potências.

Figura 5.3 - Triângulo das potências

S = potência aparente, expressa em VA (volts-ampère)

P = potência ativa ou útil, expressa em W (watt)

Q = potência reativa, expressa em VAr (volt ampère reativa)

= ângulo que determina o fator de potência.

Um transformador é dimensionado pela potência aparente (S) e por aí se nota a importância

da manutenção de um fator de potência elevado numa instalação. O baixo fator de potência causa

sérios problemas às instalações elétricas, entre as quais podem ser destacados; sobrecargas nos

cabos e transformadores, crescimento da queda de tensão, redução do nível de iluminamento,

aumento das perdas no sistema de alimentação.

Além disto, as concessionárias de energia cobram pesadas multas sobre a tarifa deenergia

para aqueles que apresentarem fator de potência inferior a 0,92.


A seguir, introduzimos uma tabela prática para determinação dos valores de tensão,

corrente, potência e fator de potência de transformadores em Tabela 4.1. função do tipo de ligação:

EXEMPLO: Cálculo da potência aparente requerida por dois Equipamentos com fator de potência

(cos ᵠ) diferentes.


CONCLUSÃO: Verificamos que o equipamento 2 que possui o maior fator de potência requer apenas 1.087

VA, enquanto que o equipamento 1 requer 2000 VA de potência aparente. Um transformador é

dimensionado pela potência aparente (S), e por aí nota-se a importância da manutenção de um

fator de potência elevado em uma instalação. Deveremos lembrar também que as concessionárias

de energia cobram pesadas multas sobre tarifa de energia para aqueles que apresentarem fator de

potência inferior a 0,92.

5.8. DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃO

POTÊNCIA NOMINAL Entende-se por potência nominal de um transformador, o valor convencional de potência

aparente, que serve de base ao projeto, aos ensaios e às garantias do fabricante e que determina

o valor da corrente nominal que circula, sob tensão nominal, nas condições especificadas na

respectiva norma.

TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS A potência nominal de um transformador trifásico é a potência aparente definida pela

expressão:

Potência nominal = Un . In . 3/1000 (kVA)

POTÊNCIAS NOMINAIS NORMALIZADAS As potências nominais em kVA, normalizadas pela ABNT (NBR-5440), dos transformadores

de distribuição para instalação em postes e plataformas, são as seguintes:

a) Transformadores monofásicos para instalação em postes: 5, 10, 15, 25, 37.5, 50, 75 e

100 kVA;

b) Transformadores trifásicos para instalação em postes 15, 30, 45, 75, 112.5 e 150kVA;

c) Transformadores trifásicos para instalação em plataformas: 225 e 300kVA. Há potências

normalizadas pela ABNT para transformadores de potência, que são as seguintes: 500,750,1000,

1500, 2000, 2500, 3000, 3750, 5000, 7500, 10000.


Recomenda-se a escolha de um destes valores, pois os fabricantes já possuem projetos

prontos para os mesmos, o que reduz os custos e o tempo de entrega dos referidos

transformadores.

IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS Junto aos terminais (buchas) encontramos uma identificação, pintada, ou marcada em baixo

relevo na chapa do tanque, constituída de uma letra e um algarismo. As letras poderão ser duas, H

ou X. Os terminais marcados em H são os de alta tensão e os marcados com X são de baixa

tensão. Os algarismos poderão ser 0, 1, 2 e 3 correspondendo, respectivamente, ao terminal de

neutro e ao das fases, 1, 2 e 3. Portanto, as combinações possíveis são H0, H1, H2, H3 e X0, X1,

X2 X3.

Figura 5.4 Transformador Trifásico FF

DADOS NECESSÁRIOS PARA IDENTIFICAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR

a) Potência;

b) Tensões Primárias e derivações;

c) Tensão Secundária;

d) Frequência;

e) Normas aplicáveis;

f) Acessórios;

g) Valores de Impedância, corrente de excitação e perdas;

h) Qualquer outra característica importante: dimensões especiais por exemplo.


5.9. MANUTENÇÃO

Refere-se a transformadores imersos ou em líquido isolante, funcionando em condições

normais, que recomendam providências e manutenções periódicas, tanto nas oficinas como no

campo.

INSPEÇÃO PERIÓDICA

A cada doze meses, ou a critério do usuário, deve ser realizado no campo uma inspeção

externa com o transformador energizado, observando-se a distância e estado do equipamento.

Verificação de fissuras, lascas ou sujeiras nas buchas e danos externos no tanque ou

acessórios;

O estado dos terminais de ligações do transformador;

Vazamento pelas buchas, tampas, bujões, soldas, etc;

Pontos de corrosão em qualquer parte;

Existência de ruídos anormais de origem mecânica ou elétrica;

Fixação do transformador;

Aterramento e equipamentos de proteção do transformador;

Nível do líquido isolante, quando o indicador for externo.

A cada cinco anos, ou a critério do usuário, devem ser realizados os seguintes ensaios e

procedimentos com o transformador desenergizado.

Resistência de isolamento;

Retirada da amostra do líquido isolante.

NOTA: Se os valores indicarem a necessidade de revisão completa no transformador,

recomenda-se enviar a unidade para oficinas especializadas ou fabricante.

REVISÃO COMPLETA Retirada do conjunto núcleo-bobinas (parteativa) para inspeção e limpeza;

Manutenção do tanque (interno e externo) e dos radiadores;

Efetuar tratamento do líquido isolante ou substituí-lo caso haja necessidade;

Substituição das gaxetas das tampas e das buchas do transformador;

Verificar os terminais;

Verificar os flanges e parafusos;

Secagem do conjunto núcleo-bobinas e reaperto geral;

Montagem do transformador;

Execução dos ensaios.


NOTA: Os ensaios devem adotar, a seu critério, qualquer método a fim de evitar que

ocorram sobrecargas no transformador.

ENSAIOS É recomendável a execução dos seguintes ensaios no transformador antes de sua

energização:

a) Análise do líquido isolante;

b) Análise cromatográfica;

c) Medição do fator de potência do transformador e fator de potência e capacitância das

buchas, se providas de derivações capacitivas;

d) Medição da resistência de isolamento do transformador e da fiação de painéis e o

acionamento(s) motorizado(s);

e) Medição da relação de transformação em todas as fases e posições do comutador de

derivações sem tensão;

f) Simulação da atuação de todos os dispositivos de supervisão, proteção e sinalização,

verificação do ajuste e/ou;

g) Medição da relação de transformação, saturação e polaridade dos TC. Curto-circuito e

aterrar todos os secundários do TC que não tiverem previsão de uso, em só transformador provido;

h) Verificar as tensões e isolação dos circuitos auxiliares antes de sua energização;

i) Após energização dos painéis e acionamentos motorizados, verificar sentido de rotação

dos motores dos ventiladores;

j) Medição da resistência elétrica em todos os enrolamentos, em todas as fases e posições

do comutador de derivações;

k) Instalação do secador de ar / sílica-gel.



6. CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO.

Para interligar um grupo gerador a uma rede de transmissão ou distribuição sempre é

necessários vários requisitos.

Em primeiro lugar, o controle onde teremos todo controle na 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.

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 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 atua imediatamente caso se faça necessário.

6.1. COMANDO X MANOBRA

Os termos “comando” e “manobra” são frequentemente confundidos. No entanto, “comando”

é a ação (causa) que provoca a manobra (efeito). De acordo com a norma NBR5456 entende-se

por “manobra” a mudança na configuração elétrica de um circuito, feita manual ou

automaticamente por um dispositivo adequado e destinado a essa finalidade. Já o “comando

funcional” é a ação destinada a garantir o desligamento, a ligação ou a variação da alimentação da

energia elétrica de toda ou parte de uma instalação, em condições de funcionamento normal.

Os dispositivos de manobra são dispositivos destinados a estabelecer ou interromper

correntes, em um ou mais circuitos, providenciando afastamentos adequados que assegurem as

condições de segurança especificada para quaisquer circuitos vivos.

6.2. PROTEÇÃO

A “proteção” é a ação automática provocada por dispositivos sensíveis a determinadas

condições anormais que ocorrem em um circuito, no sentido de evitar danos às pessoas e/ou evitar

danos ao sistema ou equipamento elétrico. O “dispositivo de proteção” é um dispositivo que exerce

uma ou mais funções de proteção em um sistema elétrico. É ele que envia, por exemplo, um

comando para que um dispositivo de manobra atue. Na instalação de um sistema elétrico qualquer,

seja um grupo de motores, geradores, uma subestação de entrada ou saída ou mesmo um sistema

de iluminação, os equipamentos controle.


Para atenuar os efeitos das perturbações, o sistema de proteção deve:

Assegurar, da melhor forma possível, a continuidade de alimentação dos sistemas

adjacentes, isolando o sistema defeituoso;

Salvaguardar o equipamento e as instalações da rede;

Alertar os operadores em caso de perigo não imediato.

Desta forma verifica-se a necessidade de dispositivos de proteção distintos para as

situações anormais de funcionamento do conjunto ou de elementos isolados; para os curtos-

circuitos e os defeitos de isolamento.

Na proteção de um sistema elétrico devem ser levados em consideração três aspectos

importantes:

A operação normal;

A prevenção contra falhas elétricas;

E a limitação dos defeitos devidos as falhas.

A operação normal presume a inexistência de falhas do equipamento, a inexistência de

erros do pessoal de operação e a inexistência dos ditos “atos de Deus”. No entanto as falhas

consequentes dessas causas possuem um índice de ocorrência muito baixo, sendo então a melhor

opção tomar providências no sentido da prevenção e/ou limitação dos efeitos das falhas. Algumas

dessas providências são: a previsão de isolamento adequado; coordenação do isolamento;

utilização de cabos de para-raios e baixa resistência de pé-de-torre, instruções apropriadas de

operação e manutenção, etc. A limitação dos efeitos das falhas inclui: limitação da magnitude de

corrente de curto circuito (reatores); projeto capaz de suportar os efeitos mecânicos e térmicos das

correntes de defeito; a existência de circuitos múltiplos (redundância) e geradores reserva;

existência de raleamento e outros dispositivos, bem como disjuntores com suficiente capacidade de

interrupção; oscilógrafos e observação constante para observar a efetividade das medidas citadas;

frequentes análises sobre mudanças no sistema com os consequentes reajustes dos relês,

reorganização do esquema operativo, entre outros. Verifica-se, de acordo com as razões citadas

acima, que o raleamento é apenas uma das várias providencias no sentido de atingir a finalidade

de minimizar danos aos equipamentos e interrupções no fornecimento de energia quando ocorrem

falhas elétricas no sistema. Contudo, devido a sua situação como guardiã silenciosa do sistema,

justifica-se a ênfase neste seguimento.


6.3. RELEAMENTO

Existem dois princípios gerais que devem ser obedecidos, em sequência:

1) Em nenhum caso a proteção deve dar ordens, se não existe defeito na sua zona de

controle (desligamentos intempestivos podem ser piores que a falha).

2) Se existe defeito nessa zona, as ordens devem corresponder exatamente àquilo que se

espera, considerada que seja a forma, intensidade e localização do defeito.

Portanto o raleamento possui duas funções principais:

a) Função principal – que é a de promover uma rápida retirada de serviço de um elemento

do sistema, quando esse sofre um curto-circuito, quando começa a operar de modo anormal que

possa causar danos, ou interferir com a correta operação do restante do sistema.

Nessa função um relê (elemento detector-comparador e analisador) é auxiliado pelo

disjuntor (interruptor), ou então um fusível engloba as duas funções (figura 6.1).

Figura 6.1

b) Função secundária – promovendo a indicação da localização e do tipo de defeito, visando

mais rápida reparação e possibilidade de análise da eficiência e caráter de mitigação da

proteção adotada.


Dentro dessa ideia geral, os chamados princípios fundamentais do releamento

compreendem (figura 6.2):

a) O releamento primário é aquele em que uma zona de proteção separa da é estabelecida

ao redor de cada elemento do sistema, com vistas a seletividade, pelo que disjuntores

são colocados na conexão de cada dois elementos; há uma superposição das zonas em

torno dos disjuntores, visando ao socorro em caso de falha da proteção principal; se

isso de fato ocorre, obviamente, prejudica-se a seletividade, mas esse é o mal menor.

b) O releamento de retaguarda, cuja finalidade é a de atuar na manutenção do releamento

primário ou falha deste, só é usado, por motivos econômicos, para determinados

elementos do sistema e somente contra curto-circuito. No entanto, sua previsão deve-se

à probabilidade de ocorrer falhas, seja na corrente ou tensão fornecida ao rele, ou na

fonte de corrente de acionamento do disjuntor; ou no circuito de disparo ou no

mecanismo do disjuntor; ou no próprio rele, etc.

Nestas condições é desejável que o releamento de retaguarda seja arranjado

independentemente das possíveis razões de falha do releamento primário. Uma observação

importante é que o releamento de retaguarda não substitui uma boa manutenção e vice-versa.

Figura 6.2


CARACTERÍSTICAS FUNCIONAIS DO RELEAMENTO Sensibilidade, seletividade, velocidade e confiabilidade são termos comumente usados para

descrever as características funcionais do releamento.

a) A velocidade ou rapidez de ação, na ocorrência de um curto-circuito, tem o

objetivo de:

diminuir a extensão do dano ocorrido (proporcional a RI2.t);

auxiliar a manutenção das máquinas operando em paralelo;

melhorar as condições de ressincronização dos motores;

assegurar a manutenção de condições normais de operação nas partes do sistema;

diminuir o tempo total de paralização dos consumidores de energia;

diminuir o tempo total de não liberação de potência, durante a verificação de dano, etc.

Evidentemente, relês rápido devem ser associados a disjuntores rápidos, de modo a dar um

tempo de operação total pequeno. De fato, com o aumento da velocidade do releamento, mais

carga pode ser transportada sobre um sistema, do que resulta economia global aumentada (evita-

se as vezes, a necessidade de duplicar certas linhas ).

b) Por sensibilidade entende-se a capacidade da proteção responder as anormalidades

nas condições de operação, e aos curtos circuitos para os quais foi projetada.

c) Define-se confiabilidade como a probabilidade de um componente, um equipamento ou

um sistema satisfazer a função prevista, sob dadas circunstâncias.

d) Por seletividade entende-se a propriedade da proteção em reconhecer e selecionar

entre aquelas condições para as quais uma imediata operação é requerida, e aquelas

para as quais nenhuma operação ou um retardo de atuação é exigido.


6.4. EQUIPAMENTOS DE MANOBRA

Os equipamentos de manobra são componentes do sistema elétrico que não tem somente a

função de estabelecer a união entre geradores, transformadores, consumidores e linhas de

transmissão e separa-los e secciona-los de acordo com as exigências desse serviço, como

também são utilizados para a proteção de todos os componentes elétricos contra a atuação

perigosa de sobrecargas, correntes de curto-circuito e contatos à terra.

Levando-se em consideração algumas exceções e casos especiais, os equipamentos de

manobra devem, portanto, serem capazes de abrir desde os menores correntes de carga de linhas,

ou correntes de magnetização de transformadores a vazio, até as maiores correntes de curto-

circuito que possam ocorrer na instalação, sem serem avariados através das consequências

térmicas e dinâmicas dessas solicitações.

Alguns equipamentos de manobra, os chamados disjuntores, devem ser capazes de

interromper ou fechar, no menor tempo possível, todas as correntes normais e anormais.

Finalmente, todos os equipamentos de manobra devem, quando abertos, suportar quaisquer

solicitações de tensão entre seus contatos (espaço de interrupção) sem quaisquer descargas.

Podemos dividir os equipamentos de manobra em:

a) Chaves seccionadoras: Servem única e exclusivamente, para estabelecer a conexão

ou separação de dois componentes ou circuitos de um sistema elétrico, ou a escolha e

conexão entre um componente e um sistema de barramentos. Não se exige das

seccionadoras a capacidade de abertura e ruptura de quaisquer correntes. Em

funcionamento, isto é, com os seus contatos fechados, elas devem ser capazes de

manter a condução de sua corrente nominal, sem sobreaquecimento. Além disso devem

suportar todos os efeitos térmicos e dinâmicos das correntes de curto-circuito sem se

avariar. A vazio, isto é, com seus contatos abertos, devem estabelecer um nível

suficiente de isolamento, sem quaisquer descargas. Finalmente, as chaves

seccionadoras são equipamentos de manobra que servem única e exclusivamente para

separação de circuitos e componentes, sem quaisquer exigências de abertura de

correntes.

b) Interruptores: São equipamentos de manobra que podem interromper correntes de

qualquer natureza, até algumas poucas vezes a corrente nominal. Normalmente, os

interruptores são pequenos disjuntores, ou disjuntores de pequena capacidade, não

sendo exigidas muitas características para interrupção das correntes do circuito.


c) Chaves seccionadoras sob carga: São chaves seccionadoras que são construídas

com dispositivos especiais de extinção de arco, em seus contatos fixos e móveis,

capazes de interromper até a corrente nominal.

d) Disjuntores: É o equipamento de manobra cuja a função principal é a interrupção de

correntes de curto-circuito. Paralelamente o disjuntor deve ser capaz de interromper

pequenas correntes indutivas e capacitivas sem sobre-tensões. Portanto são

equipamentos que não oferecem qualquer limitação para quaisquer operações de

fechamento e abertura de circuitos. Na realidade, os chamados “disjuntores” são

também “conjuntores”, pois igualmente devem ser capazes de fechar quaisquer circuitos

sob quaisquer condições de condução de corrente.

e) Chaves seccionadoras disjuntores: São disjuntores que igualmente atendem as

condições de chaves seccionadoras. São construídas excepcionalmente e, por motivos

de serviço, somente para pequenas capacidades principalmente de interrupção.

f) Contatores: são dispositivos de manobra para circuitos de baixa tensão, com a função

de uma chave, não manual, eletromagnética, que tem uma única posição de repouso e

é capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições normais de

operação, inclusive sobrecargas no funcionamento.

6.5. PROTEÇÃO DE GERADORES

Os dispositivos de proteção usuais podem ser classificados em duas categorias principais e

que compreendem:

a) Medidas preventivas e dispositivos de proteção contra os defeitos exteriores ao gerador;

b) Proteção contra os defeitos internos dos mesmos.

c) Ao lado de alguns outros dispositivos não constituídos por meio de relês, tais como

para-raios, indicadores de circulação de óleo, termostatos, etc., os seguintes elementos

fazem parte do primeiro grupo.

1) relês térmicos contra sobrecarga;

2) relês temporizados, a máximo de corrente, contra curtos-circuitos;


3) relês a máximo de tensão, contra as elevações de tensão devidas às manobras normais

do sistema;

4) relês sensíveis a corrente de seqüência negativa, para proteção contra funcionamento

sob carga assimétrica, ou desequilibrada;

5) relês de potência inversa, para impedir o funcionamento do gerador como motor,

etc.;

Já a proteção contra defeitos internos compreende basicamente os seguintes dispositivos:

1) proteção diferencial contra curtos-circuitos entre elementos de fases diferentes;

2) proteção contra defeitos à massa do estator;

3) proteção contra defeitos à massa do rotor

4) proteção contra curtos-circuitos entre espiras de mesma fase;

5) proteção contra a abertura acidental ou não dos circuitos de excitação, etc.

Além disso, há ainda que se considerar outros dispositivos que, não sendo relês, estão

intimamente ligados à proteção do gerador: os dispositivos de rápidas desoxidações, que evitam

uma destruição maior dos enrolamentos devido a tensão própria, e a proteção contra incêndio, que

atua na extinção do fogo iniciado devido aos arcos voltaicos dos defeitos.

6.6. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES

Devem-se considerar basicamente as proteções contra as sobrecargas e as de curtos-

circuitos. Para os grandes transformadores, na proteção contra os curtos-circuitos,

desempenhando um papel importante na continuidade do serviço, a proteção diferencial e a

proteção bucholz. Para pequenas unidades (menores que 1000 kVA), e para os transformadores

de média potência em sistemas radiais, os relês de sobrecorrente temporizados e os fusíveis. Na

proteção contra as sobrecargas usam-se imagens térmicas e relês térmicos. Embora a construção

dos transformadores tenha atingido um nível técnico bastante elevado, devem-se considerar duas

causas principais de defeito nos sues isolamentos, e resultantes de sobretensões de origem

atmosférica e de aquecimentos inadmissível dos enrolamentos devido a sobrecargas permanentes,

ou temporárias repetitivas, mas que, mesmo sendo toleráveis na exploração do sistema, conduzem

ao envelhecimento prematuro do isolamento dos enrolamentos e, finalmente, aos curtos-circuitos

entre espiras ou mesmo entre fases.


6.7. COORDENAÇÃO

Um sistema elétrico deve ser equipado com diversos dispositivos protetores,

estrategicamente situados, destinados a protegê-lo efetiva e seguramente contra todos os defeitos

de isolamento ou outros funcionamentos anormais.

Para a proteção de um sistema são utilizados equipamentos como os relês fusíveis

disparadores de ação direta, entre outros. Cada um desses dispositivos têm uma função

específica. Tais dispositivos não atuam independentemente; pelo contrário, suas características de

operação devem guardar entre si uma determinada relação, de modo que uma anormalidade no

sistema possa ser isolada e removida sem que as outras partes do mesmo sejam afetadas. Isto é,

os dispositivos protetores devem ser coordenados para operação seletiva.

Nessas condições, podemos dizer que as finalidades da coordenação seriam:

a) Isolar a parte defeituosa do sistema, tão próximo quanto possível de sua origem,

evitando a propagação das consequências;

b) Fazer esse isolamento, no mais curto tempo possível, visando a redução dos

danos.

Costumamos dizer que dois dispositivos em série, ou cascata, estão coordenados se seus

ajustes são tais que ao segundo dispositivo, mais próximo da fonte, é permitido eliminar a falta

caso o primeiro, mais próximo do defeito, falhe na atuação. Denomina-se tempo ou degrau de

coordenação o intervalo de tempo que separa as duas hipóteses anteriores, e que deve cobrir pelo

menos o tempo próprio do disjuntor, mais o tempo próprio do relê e uma certa margem de

tolerância; por exemplo, em sistemas industriais (disjuntores até 8Hz) tal degrau é da ordem de 0,4-

0,5[s].

6.8. DIAGRAMAS ELÉTRICOS

Para o projeto elétrico de um cubículo ou quadro, deve-se representar todos os seus

componentes de tal forma que se obtenha uma visão global de toda a instalação, tanto sob aspecto

de disposição e localização no sistema elétrico, como de sua função e desempenho.


Assim, a escolha adequada de um equipamento, determina o conhecimento detalhado de

sua função e comportamento, cuja definição é feita através de diagramas elétricos.

A representação gráfica de um sistema elétrico de potência, ou os diagramas elétricos, deve

conter a maior quantidade possível de informações, com o objetivo de representar realmente todos

os componentes e funções especificadas. Consequentemente, vários são os diagramas elétricos,

que se tornaram os mais usuais. São eles:

Diagramas Unifilares;

Diagramas Trifilares;

Diagramas funcionais;

Diagramas Construtivos (sinópticos, disposição de aparelho, etc.).

DIAGRAMA UNIFILAR É um diagrama onde se representa o circuito elétrico por uma de suas fases, daí o nome

unifilar. Neste diagrama devem aparecer destacadamente as partes as partes de força do sistema

(aquelas que se destinam à condução de energia, como finalidade principal).

Figura 6.3.


DIAGRAMA TRIFILAR São a representação de um circuito elétrico, tomando em consideração suas três fases,

sendo importante como subsídio para elaboração dos demais esquemas de detalhamento de um

determinado projeto. O diagrama trifilar, além de conter as informações básicas do diagrama trifilar,

contém muitos outros detalhes, que serão inclusive transportados para outros esquemas, dando

uma excelente ideia de conjunto. Como inconveniente apresenta aquele de ser um desenho com

todo. o conjunto, não devendo por esta razão ser usado para trabalhos específicos (como

montagem), mas sim como ponto de referência.

Figura 6.4. Diagrama trifilar.

DIAGRAMA FUNCIONAL A utilidade do diagrama funcional é mostrar de maneira esquemática como funcionam os

equipamentos de proteção, controle e sinalização de umas instalações elétrica. Por este diagrama,

pode-se identificar todas as restrições ao funcionamento de um disjuntor ou contator, por exemplo.

Portanto, as condições de operação são diferentes neste diagrama. Para um perfeito

entendimento destes diagramas, deve-se fixar os seguintes conceitos: Contato normalmente aberto

é o contato que está sempre aberto quando o equipamento está desenergizado; contato

normalmente fechado é o contato que está sempre fechado quando o equipamento está

desenergizado.

A tensão mais usual no Brasil para comando é de 125V CC.


Figura 6.5. Diagrama funcional.

DIAGRAMAS CONSTRUTIVOS Os diagramas construtivos são diagramas auxiliares e muito importantes na montagem da

instalação, em manutenção e em busca de defeitos. Os mais utilizados são:

Diagrama de FiaçãoEste diagrama mostra a ligação dos cabos de comando interligando os equipamentos entre

casa de comando e o cubículo ou pátio onde os equipamentos e encontram. Como os cabos de

comando sempre terminam em réguas de bornes, uma listagem indicando onde começa e termina

cada ligação é bastante útil.

Figura 6.6 . Diagrama Construtivo


DIAGRAMA SINÓPTICO O diagrama sinóptico é a representação unifilar, do circuito elétrico, mostrando

principalmente os aparelhos de manobra (disjuntor e seccionador). É utilizado sobre painéis de

comando, de maneira a facilitar a operação do sistema.

Figura 6.7 Diagrama sinóptico


6.9. REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE SISTEMAS DE POTÊNCIA

Os símbolos para representação dos componentes elétricos são apresentados nas Figuras

a seguir:



6.10. DIAGRAMA DE PROTEÇÃO ELÉTRICA

Vamos abordar agora os relés exigidos na ligação de autoprodutores em paralelo com o

sistema de distribuição.

No diagrama acima, verifica-se a localização de cada relé e sua função, conforme descrito

na tabela abaixo:


Os relés exigidos pelas concessionárias (no exemplo, a CPFL) dependem de cada tipo de

autoprodutor. Por exemplo, cita-se os relés exigidos para o autoprodutor com venda de excedente

e produtor independente de energia:

Relé de subtensão (função 27);

Relé de sobretensão de neutro (função 59 N);

Relé direcional de sobrecorrente (função 67) que deverá atuar para defeitos na rede

da CPFL;

Relé de sobrecorrente de fase e neutro, instantâneos e temporizados (função 50/51 e

50/51 N) que deverão atuar para defeitos internos ao autoprodutor;

Relé de sobretensão (função 59);

Relé de subfrequência (função 81), que poderá ser o mesmo dos geradores;

Relé direcional de potência (função 32).

Cada concessionária tem sua norma característica, com suas exigências e atribuições, na

qual são citadas as condições e os equipamentos mínimos exigidos que visam a qualidade de

suprimento de energia elétrica, a proteção e a operação do sistema da concessionária. É

importante ressaltar aqui que, para o sistema elétrico de um autoprodutor, faz-se necessária toda a

proteção de sua instalação (gerador(es), linha, etc.), de forma a garantir a segurança da

operação em paralelo com a concessionária. (maiores detalhes, consultar a norma da respectiva

concessionária).


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

WEG Indústrias Ltda Centro De Treinamento De Clientes - módulo 4 Geração de Energia;

SENAI-SP - Geração E Distribuição De Energia Elétrica – Ensaios

Profa Ruth P.S. Leão - GTD – Geração, Transmissão E Distribuição De Energia Elétrica -

universidade Federal Do Ceará Centro De Tecnologia Departamento De Engenharia

Elétrica;

Wikipédia A enciclopédia livre - pt.wikipedia.org/

ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica - www.aneel.gov.br/