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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ESTUDO DOS GRUPOS GERADORES SÍNCRONOS
Área de Ciências Exatas e Tecnológicas
por
Fernando Costa Benedito Piveta
Geraldo Peres Caixeta
Orientador
Campinas (SP), Dezembro de 2010
i
UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ESTUDO DOS GRUPOS GERADORES SÍNCRONOS
Área de Ciências Exatas e Tecnológicas
por
Fernando Costa Benedito Piveta
Relatório apresentado à Banca Examinadora do
Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia
Elétrica para análise e aprovação.
Orientador: Geraldo Peres Caixeta.
Campinas (SP), Dezembro de 2010
ii
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a minha esposa Cristiane, incansável
colaboradora, e a toda minha família, por todo amor e
apoio nas horas mais difíceis da minha vida.
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus e ao professor, Geraldo P. Caixeta
pelo apoio no desenvolvimento deste trabalho.
Agradeço aos colegas de graduação, por todos os
momentos vividos durante os cinco anos de curso.
Agradeço aos colegas de trabalho da INFRAERO
pelo constante suporte e compreensão.
iv
SUMÁRIO
Lista de Siglas.............................................................................................. ...............................v
Lista de Figuras......................................................................................... .................................vi
Lista de Tabelas.......................................................................................................................viii
Resumo......................................................................................................................................ix
Abstract............................................................................................................................. ..........x
1.Introdução................................................................................................................................1
1.2 Objetivo Geral.................................................................................................................2
1.3 Objetivos específicos............................................................................................................2
1.4 Metodologia..........................................................................................................................2
1.5 Estrutura do Trabalho...........................................................................................................3
2. Definição de Máquina Síncrona.............................................................................................4
2.1 Princípio de Funcionamento...........................................................................................4
3. Características Construtivas dos Geradores Síncronos...........................................................7
4. Princípio de Operação...........................................................................................................17
4.3 Circuito Elétrico Equivalente........................................................................................19
4.4 Diagramas Fasoriais......................................................................................................20
4.7 Operação em Paralelo...................................................................................................25
4.7.3 Sincronoscópio...........................................................................................................28
5. Grupos Geradores.................................................................................................................31
5.1 Controle de Freqüência de Grupos Geradores..............................................................32
5.2 Painéis de Transferência...............................................................................................39
5.3 Chaves de Transferência...............................................................................................41
5.4 Proteção........................................................................................................................42
6. Aplicação de Grupos Geradores...........................................................................................44
6.1 Co-Geração e Sistema de Tarifação Brasileiro de Energia...........................................45
7. Estudo de Caso Para Co-Geração.........................................................................................50
8. Conclusão............................................................................................................................. .53
8.1 Referências Bibliográficas..................................................................................................54
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Lista de Siglas
Weg Fabricante de Geradores e Motores
Nr Número de ranhuras
TP Distância entre os pólos
Q Número de bobinas por pólo
RPM Rotações por minuto
Gerador Brushless Sem escovas
Ef Tensão de excitação interna do rotor
Xs Reatância síncrona
Ra Resistência de armadura
Ia Corrente na armadura
VT Tensão no terminal do gerador
USCA Unidade de Supervisão de Corrente Alternada
CLP Controlador Lógico Programável
Led’s Light Emission Diode
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
vi
Lista de Figuras
Figura 1 –Principio de funcionamento de um gerador
Figura 2 –Principio de funcionamento de um gerador
Figura 3 –Distribuição Magnética sob um pólo
Figura 4 –Chapa ranhurada (60cm)
Figura 5 –Enrolamento
Figura 6 –Rotor
Figura 7 –Rotor pólo saliente
Figura 8 –Rotor pólo liso
Figura 9 –Modelo de funcionamento do sistema de excitação
Figura 10 –Imãs permanentes no estator
Figura 11 –Sistema auto-excitação
Figura 12 –Regulador de Tensão
Figura 13 –Gerador Síncrono completo
Figura 14 –Comparação entre o sistema brushless e com escovas
Figura 15 –Operação a vazio
Figura 16 –Operação com carga
Figura 17 –Circuito elétrico equivalente
Figura 18 –Diagrama fasorial
Figura 19 –Diagrama fasorial
Figura 20 –Diagrama fasorial
Figura 21 –Diagrama fasorial
Figura 22 –Diagrama fasorial
Figura 23 –Diagrama fasorial
Figura 24 –Diagrama de capability
Figura 25 –Gráfico representativo de ensaio a curto-circuito
Figura 26 Esquema de Geradores em paralelo
Figura 27 Defasagem
Figura 28 Barramento Infinito
Figura 29 Modelo de um sincronoscópio
Figura 30 Modelo didático de um sincronoscópio
Figura 31 Grupo Gerador modelo MT Mercedes Benz
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Figura 32 Bomba injetora de um motor diesel
Figura 33 Diagrama de blocos
Figura 34 Governador mecânico
Figura 35 Governador hidráulico
Figura 36 Governador eletrônico
Figura 37 Governador eletrônico- digital
Figura 38 Gráfico de comparação de resposta em função do tempo
Figura 39 CLP- Stemac Modelo ST 2000
Figura 40 Diagrama de força, de uma chave de transferência
viii
Lista de Tabelas
Tabela 01 Funções do CLP ST 2000
Tabela 02 Tarifa horo-sazonal Azul
Tabela 03 Tarifa horo-sazonal Verde
Tabela 04 Tarifa convencional
Tabela 05 Geradores utilizados na co-geração
Tabela 06 Dados da conta de energia de Janeiro de 2010
Tabela 07 Comparação entre as tarifas verde e azul
Tabela 08 Comparação entre a tarifas azul e utilização dos grupos geradores
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Resumo
PIVETA, Fernando Costa Benedito. Estudo dos Grupos Geradores Síncronos. Campinas,
2010. no f.54- Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas,
2010.
Com o crescimento econômico, empresas e governos buscam cada vez mais soluções
em energia elétrica, seja qual for a fonte primária, o uso do gerador de corrente alternada será
o elemento central de todas as discussões e estudos, a fim de encontrar uma solução para uma
economia moderna e cada vez mais dependente da eletricidade.
Este documento foi desenvolvido com o propósito de explanar os aspectos construtivos
e operacionais de geradores síncronos onde o assunto é abordado de forma simples, levando
em consideração conceitos gerais e práticos, não tratando cálculos específicos profundos para
dimensionamento de máquinas síncronas.
Também é estudada a aplicação de grupos geradores em paralelo em indústrias e
comércios com a finalidade de minimizar os custos na conta de energia e eventuais
interrupções ocorridas na concessionária de energia elétrica.
Para entender este estudo, utiliza-se à como exemplo a empresa INFRAERO, Aeroporto
Internacional de Viracopos que tem em suas instalações 18 grupos geradores com potências
que variam de 30 a 750 kVA que são utilizados apenas como fonte de energia de emergência.
Palavra chave – Grupos Geradores, máquinas síncronas, paralelismo.
x
ABSTRACT
PIVETA, Fernando Costa Benedito. Group synchronous generators: Constructive and
operational aspects.. Campinas, 2010. no f.54 - Completion of course work, Saint Francis
University, Campinas, 2010.
With economic growth, private companies and governments increasingly seek
energy sources electric, whatever the primary source, using the power generator AC Will be
the Center of all discussion and studies to find a solution to a modern economy and
increasingly dependent on electricity.
This document was developed in order to explain aspects of construction and
operation of synchronous generators.
The subject is approached in a simple, taking into consideration general concepts
and practical, specific calculations untreated deep for design of synchronous machines.
It is also studying the application of group Power generator in parallel in industries
and trades in order to minimize the energy stops occurring in any problems with the electric
utilities.
To understand this study, is used as an example to the company Infraero, Viracopos
International Airport which has at its facilities 18 group generator with power ranging from
30 a 750 kVA which are used only to supply emergency power.
Keywords – Power Group Generators, synchronous machines.
1
Capítulo 1 - Introdução
1.1 Contextualização
Se confirmadas as previsões do Fundo Monetário Internacional, em 2020 o Brasil será a
5º maior potência econômica do mundo, estará a frente de Itália, Reino Unido e França,
conseqüentemente o consumo de energia elétrica crescerá e exigirá investimentos em toda
cadeia produtiva de eletricidade.
Qualquer aspiração de progresso, crescimento econômico e modernização, passa pela
necessidade de investimento em um importante componente: O gerador de energia elétrica.
A evolução tecnológica que a cada dia disponibiliza serviços e produtos voltados para a
qualidade de vida, sendo todos dependentes do uso de energia elétrica, também acrescenta
problemas que resultam na busca de soluções cada vez mais elaboradas.
Os desafios que se apresentam, estimulam o desenvolvimento de novas alternativas,
causando mais dependência de fontes de energia de alta confiabilidade.
Com o intuito de demonstrar os aspectos construtivos e novas tecnologias
implementadas em grupos geradores, este trabalho fornece as utilidades e ferramentas para o
conhecimento deste importante componente da economia moderna.
A metodologia implementada visa buscar a compreensão da necessidade de utilização
dessas tecnologias no dia a dia de uma indústria ou comércio em geral, buscando atender de
forma eficiente todas as necessidades possíveis.
No entanto, este trabalho tem a pretensão de analisar o assunto e interpretar
de forma simples, apresentando características, funções, aplicações, além do rendimento e
custo benefício do equipamento, tendo como base a instalação elétrica do Aeroporto
Internacional de Viracopos localizado em Campinas-SP, no qual possui vários grupos
geradores que são utilizados apenas para suprimento de energia emergencial, porém se fossem
utilizados para co-geração proporcionaria uma grande economia na conta de energia.
.
2
1.2 Objetivo Geral
O objetivo deste trabalho é apresentar os principais conceitos e aspectos construtivos de
geradores síncronos utilizados para geração de energia elétrica emergencial e co-geração.
1.3 Objetivos Específicos
São objetivos específicos deste projeto:
- Estudar as principais características de sistemas de excitação de geradores.
- Estudar as principais vantagens e desvantagens entre geradores com escova e sistema
brushless.
- Estudar as características de operação de geradores.
- Estudar os principais mecanismos de controle de freqüência em grupos geradores.
- Efetuar estudo de viabilidade econômica para utilização de grupos geradores para co-
geração no horário de ponta no Aeroporto Internacional de Viracopos- Campinas-SP.
1.4 Metodologia
O trabalho seguiu as seguintes etapas;
- Etapa 1: Levantamento Bibliográfico sobre os aspectos construtivos de geradores
síncronos.
- Etapa 2 :Levantamento Bibliográfico sobre os modos de operação de geradores.
- Etapa 3: Estudo dos 18 Grupos Geradores instalados no Aeroporto Internacional de
Viracopos para fins de definição dos principais mecanismos de controle de freqüência.
-Etapa 4 Estudo de viabilidade economia para implantação de co-geração no Aeroporto
Internacional de Viracopos- campinas.
3
1.5 Estrutura do Trabalho
No primeiro capítulo é apresentado a introdução e objetivos gerais, específicos e
metodologia utilizada para conclusão.
No segundo capítulo é apresentado a definição de máquina síncrona e o principio de
funcionamento.
No terceiro capítulo é apresentado as características construtivas de pólos lisos, pólos
salientes, estatores, enrolamentos e comparação entre geradores com escovas e geradores
brushless.
No quarto capítulo é apresentado as características de operações, vazio, com cargas
capacitivas, indutivas e resistivas, bem como a operação em paralelo entre vários geradores.
No quinto capítulo é apresentado as características de grupos geradores, no quesito
motores, controladores de velocidade, painéis de transferência e proteção.
No Sexto Capítulo é apresentado as formas de aplicação de Geradores, dando ênfase ao
sistema mais complexo que é a co-geração, estudando assim as 3 principais tabelas do sistema
de tarifação brasileiro.
No Sétimo capítulo é efetuado um simples estudo de caso, visando a demonstração de
viabilidade econômica na implantação de co-geração com grupos geradores no Aeroporto
Internacional de Viracopos- Campinas-SP.
No oitavo capítulo, o trabalho é concluído apresentando a utilidade de grupos geradores
em diversos setores da economia, e os benefícios da co-geração.
4
Capítulo 2 -Definição de máquina síncrona
Define-se máquina síncrona, como sendo a existência de dependência direta entre o
número de rotações e a freqüência da força eletromotriz gerada (no caso de alternadores) ou
entre freqüência da linha de alimentação e o número de rotações do motor (motores
síncronos).
2.1 Princípio de funcionamento.
A máquina síncrona pode funcionar como motor ou gerador (aqui denominado
alternador), sendo que o principio de funcionamento do alternador, baseia-se nos fenômenos
de indução eletromagnética a que está sujeito um condutor ou espira, quando sofre uma
variação de fluxo magnético, que pode ser produzida rodando-se a espira no campo indutor
fixo, ou rodando o campo indutor da espira fixa. Para facilitar a compreensão, o enrolamento
de campo que produz o campo magnético de excitação está no rotor, e o enrolamento de
armadura, que recebe a tensão induzida está no estator, conforme descrição abaixo:
Enrolamento de Campo = Rotor Enrolamento de armadura = Estator
As duas maneiras de produzir a variação de fluxo, obtêm o mesmo resultado, para
facilitar o estudo do principio de funcionamento, será considerado inicialmente uma espira
imersa em um campo magnético produzido por um imã permanente conforme figura 1 abaixo.
Figura 1 –Principio de funcionamento de um gerador
Fonte: Adaptado do Manual Weg- 2010
5
O funcionamento básico está baseado no movimento 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. Admite-se que a bobina gira com velocidade uniforme dentro do
campo magnético “B” que também é uniforme, se “v” é a velocidade linear do condutor em
relação ao campo magnético, o valor instantâneo da f.e.m induzida no condutor em
movimento de rotação é determinada pela seguinte formula:
f.e.m = B.l.v.
onde:
B= Indução do campo magnético
L = comprimento de cada condutor
v = velocidade linear
A variação da tensão é em função do tempo e a distribuição da indução magnética
depende da forma da sapata polar, ou seja a forma senoidal da indução depende diretamente
da forma geométrica do material ferro magnético que faz a excitação.
A figura 2 mostra a bobina de campo em 12 posições diferentes, separadas 30º entre si.
Figura 2 – Principio de funcionamento de um gerador
Fonte: Adaptado do Manual Weg- 2010
Nas posições 1 e 7 as induções magnéticas serão anuladas, ou seja atingirá o valor zero,
enquanto nas posições 4 e 10 ocorrerá indução máxima, conforme figura 3.
6
Figura 3 –Distribuição Magnética sob um pólo
Fonte: Adaptado do Manual Weg- 2010
7
Capitulo 3 - Características construtivas dos geradores síncronos
Os geradores são construídos basicamente em 4 partes que são: estator, enrolamento,
rotor e sistema de excitação que são descritos a seguir.
3.1 Estator
O estator é a parte fixa da máquina, é formado por um núcleo de ferro ranhurado, onde
são colocadas as bobinas do enrolamento, o núcleo é a parte magneticamente ativa, que é
envolvida pela carcaça metálica, que possui guias para a fixação do núcleo.
As chapas utilizadas para a confecção do núcleo são preferencialmente de aço silício,
essa característica garante baixas perdas no circuito magnético e melhoram o rendimento da
máquina.
O núcleo é formado por um pacote de chapas, com espessura da ordem de 0,35 a 0,5mm
que são isoladas por um verniz em ambos os lados. Muitas vezes, o pacote é fracionado em
intervalos de 3 a 10 cm para facilitar a refrigeração.( Conforme Manual de Instruções sobre
Máquinas Síncronas Unesp-2010 ).
O número de ranhuras (Nr) necessárias para acomodar os enrolamentos está ligado ao
número de pólos (p), ao número de fases (m) e ao número de bobinas que formam o pólo (q).
Então a fórmula para calcular o número de ranhuras no núcleo de um gerador conforme
figura 4 é a seguinte:
NR = p.m.q
Figura 4 –Chapa ranhurada (60cm)
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
8
3.2 Enrolamentos
Os enrolamentos utilizados por máquinas de grande potência são do tipo trifásico, cada
fase deve ser construída de forma idêntica às demais (mesmo número de espiras, seção do
condutor, material,...) e apresentar uma mesma distância com relação as outras fases, ou seja o
enrolamento deve ser equilibrado e simétrico.
A figura 5 mostra, esquematicamente um estator com enrolamento trifásico:
Figura 5 –Enrolamento
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
Enrolamento trifásico
Para os enrolamentos trifásicos, algumas características são importantes:
Número de ranhuras (Nr)
Número de pólos (p) - ( número par maior ou igual a 2)
Número de bobinas por pólo (q) - (número inteiro entre 1-8)
Número fases (m) - 3
Distância entre as fases (tf) - 120º
Distância entre pólos (tp) - 180º
Distância entre ranhuras (D) - tp/(m.q)
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3.3 Rotor
O rotor possui um enrolamento chamado enrolamento de campo que carrega
corrente contínua, que pode ser gerada por uma bateria externa, ou por imã permanente, existe
dois tipos de rotores, os cilíndricos que são chamados de rotor de pólos lisos e os rotores de
pólos salientes.
Figura 6 –Rotor
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
3.3.1 Rotor de Pólos salientes
Se os pólos magnéticos do enrolamento do estator ficar exposto é chamado de rotor de
pólos salientes. Quando o núcleo tem pólos salientes as bobinas são enroladas em volta do
rotor, sendo que a sua função é providenciar uma correta distribuição da densidade de fluxo
no entreferro.( Conforme Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010 ).
Os pólos salientes são utilizados em máquinas síncronas que geralmente trabalham em
baixas rotações, normalmente em usinas hidrelétricas que trabalham com uma velocidade
baixa, entre 50 e 300 RPM, como a freqüência é fixa em 60 Hz, o número de pólos será
relativamente grande.
O funcionamento em baixa rotação geralmente requer um grande diâmetro do rotor de
forma a fornecer espaço suficiente para colocação de todos estes pólos.
10
A figura 7 mostra a o principio de construção de uma máquina de pólo saliente.
Figura 7 –Rotor Pólo saliente
Fonte: Adaptado do Manual Weg -2010
3.3.2 Pólos Lisos
As máquinas de pólos lisos possuem o bobinado do rotor embutido nas ranhuras, são
utilizados em máquinas que trabalham em altas rotações (de 1500 a 3600 RPM), como a
freqüência é fixa, o número de pólos é baixo (de 2 a 4 pólos) A figura 8 mostra a o principio
de construção de uma máquina de pólo liso.
Figura 8 –Rotor pólo liso
Fonte: Adaptado do Manual Weg -2010
11
3.4 Excitação de Geradores Síncronos
O objetivo do sistema de excitação é estabelecer a tensão interna do gerador, sendo
responsável também pelo fator de potência e pela grandeza da corrente gerada. A excitação
inicial é gerada através de imãs permanentes ou baterias, depois o gerador síncrono se auto-
excita. Na figura 9 abaixo, é possível visualizar o principio de funcionamento da auto-
excitação.
Figura 9 – Modelo de funcionamento do sistema de excitação
Fonte: Adaptado do Manual Weg -2010
Conforme figura acima, antigamente a fonte de energia primária para excitatriz era na
maioria um gerador de corrente contínua montado no eixo do gerador, ou utilizava-se a
própria tensão contínua da bateria de partida do motor diesel para gerar a excitação, porém
hoje somente a excitação inicial é efetuada por um estator de imã permanente conforme
figura 10.
12
Figura 10 –Imãs permanentes no estator
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
O regulador de tensão tem a função de controlar a saída da excitatriz, de modo que a
tensão gerada e a potência reativa variem, da maneira desejada. Em sistemas muito
primitivos, o operador desempenhava o papel do regulador de tensão, onde se observava a
saída e ajustava o reostato de campo da excitatriz. Atualmente, o regulador funciona como um
observador da tensão, corrente e potência ativa da saída do gerador, então inicia a ação
corretiva através da variação do controle da excitariz. A velocidade da ação do regulador é
fundamental para a estabilidade do sistema e os controles auxiliares têm a função de adição de
amortecimento ao sistema de regulação. A figura 11 mostra um sistema clássico de auto-
excitação.
13
.
Figura 11 – Sistema auto-excitação
Fonte: Adaptado do Manual de Weg -2010
A figura12 mostra um modelo de regulador de tensão:
Figura 12 –Regulador de Tensão
Fonte: Retirado de um Gerador de 180 KVA da empresa Infraero-Campinas
14
3.4.1 Funções do regulador de excitação:
1 ) Controlar a tensão terminal da máquina dentro dos parâmetros selecionados
2) Regular a divisão de potência reativa entre máquinas que operam em paralelo, quando
estão ligadas em pontos comuns, gerando a mesma tensão terminal.
3) Controlar de perto a corrente de campo, para manter a máquina em sincronismo com
o sistema.
4) Amortecer oscilações de baixa freqüência que podem trazer problemas de
estabilidade dinâmica.
3.4.2 Gerador com excitação por escovas
Nestes geradores o campo no rotor é alimentado em corrente contínua através das
escovas e anéis coletores e a tensão alternada de saída para alimentação das cargas é retirada
do estator.
Nesse sistema, normalmente o campo é alimentado por uma excitatriz estática, onde a
tensão de saída do gerador e mantida constante dentro de suas características nominais através
do regulador de tensão, que constantemente monitora a tensão de saída e atua na excitatriz
estática. (Conforme Manual de construção de Geradores Weg- 2010 ).
Vantagens: Menor tempo de resposta na recuperação de tensão.
Desvantagem: Exige manutenção periódica no conjunto de escovas e não é aconselhado
para alimentar cargas sensíveis, pois há possibilidade de gerar ruído em função do contato das
escovas e anéis, por isso também não podem ser utilizados em atmosferas explosivas.
3.4.3 Geradores com excitação sem escovas (Brushless).
Nesse sistema Brushless, a potência de excitação é obtida através de um gerador
trifásico e ponte retificadora rotativa. A tensão de saída é constante, através do controle do
regulador de tensão que realimenta o retificador rotativo.
No sistema brushless não há escovas, ou qualquer outro mecanismo de contato, a
interação entre o campo e armadura do gerador e excitador é efetuada por indução.
15
Foto gerador brushless aberto, conforme figura 13
Figura 13 –Gerador Síncrono Completo
Fonte: Adaptado do site Weg- 2010
3.4.3.1 Vantagens do sistema Brushless
1) Não utiliza escovas e porta-escovas;
2) Não introduz interferências geradas pelo mau contato;
3) Manutenção reduzida, solicitando cuidados apenas na lubrificação dos rolamentos;
4) O sistema "brushless" admite com facilidade o controle manual;
16
3.4.3.2 Desvantagem:
1) O sistema "brushless" possui resposta mais lenta que o sistema estático, devido ao
campo do excitador;
2) A pesquisa de defeitos no sistema "brushless" é mais trabalhosa;
3) O sistema "brushless" é cerca de 10% mais caro que o sistema estático.
O gráfico abaixo, mostra que os geradores a escova possuem tempo de resposta
melhores que os geradores brushless, porém, em grupos geradores há controladores de
velocidade digitais para motores diesel que compensam essa desvantagem, fazendo com que
os geradores brushless sejam mais populares. (Conforme Manual de construção de Geradores
Weg- 2010 ).
Figura 14 – Comparação entre o sistema brushless e com escovas
Fonte: Adaptado do Manual de Weg -2010
17
Capitulo 4 Princípios de operação
4.1 Operação em vazio
Quando um gerador está operando sem carga, as tensões induzidas serão devidas
somente ao fluxo produzido pelo rotor, não havendo influência da corrente do estator, que
será nula a tensão que será induzida no estator será proporcional ao valor do fluxo, do número
de espiras, e da freqüência. Ocorre que o fluxo depende da corrente no enrolamento de campo
(IF), de forma que, aumentando-se a corrente, aumenta-se o fluxo de forma direta, até o
gerador saturar. Quando ocorrer a saturação, grande aumento de corrente de campo resultará
em pequenos aumentos de fluxo conforme figura 15.
Figura 15 – Operação a vazio
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
A tensão terminal, então apresenta um comportamento influenciado pela saturação. A
tensão terminal também será em função da velocidade do rotor, ou seja em função da
freqüência.
4.2 Operação em carga
Na operação em carga, a corrente que circula pelo estator produzirá um novo campo
magnético no gerador, chamado de reação de armadura, que se somará ao campo produzido
pelo rotor. O campo resultante com o gerador operando com carga poderá ser igual, maior ou
menor que o campo inicial produzido pelo rotor. Quando o campo resultante é maior diz-se
18
que a reação de armadura magnetizou o gerador, porém se o campo resultante é menor, diz-se
que a reação de armadura desmagnetizou o gerador.
Esse tipo de comportamento está ligado a natureza da carga, assim cargas indutivas e
resistivas são desmagnetizantes e estão ligadas a queda de tensão nos terminais do gerador.
Cargas capacitivas são de características magnetizantes e podem levar a um aumento da
tensão nos terminais. Sendo assim, conclui-se que o fluxo produzido por correntes de estator
ligadas a cargas resistivas e indutivas apresentam componentes em oposição de fase com o
fluxo do rotor, reduzindo o fluxo resultante. Cargas capacitivas apresentam fluxo com
componentes em fase com o fluxo do rotor, aumentando assim o fluxo resultante. ( Conforme
Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp -2010 ).
A figura 16 mostra o comportamento da tensão terminal de um gerador alimentando três
tipos de cargas, considerando a corrente de campo inalterada, Vn é a tensão nominal no
terminal da máquina.
Figura 16 – Operação com carga
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
19
4.3 Circuito elétrico equivalente
Para facilitar a compreensão do estudo de geradores, pode ser utilizado um circuito
equivalente, conforme figua 17,. Esse circuito é uma representação matemática por fase,
porém como os geradores síncronos são em sua maioria simétricos e equilibrados a
representação vale para as 3 fases.
Figura 17 –Circuito elétrico equivalente
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
Onde:
Ef = Tensão de excitação interna do rotor
Xs = reatância síncrona
Ra = Resistência de armadura
Ia = corrente na armadura
Vt = Tensão no terminal do gerador
Para o circuito equivalente acima, têm-se a seguinte equação:
Ef= VT + Ra.Ia + Xs.Ia
20
O valor da reatância síncrona é muito maior que a resistência, tornado assim esse valor
desprezível. Então normalmente se utiliza a seguinte equação:
Ef= VT + Xs. Ia
4.4 Diagramas fasoriais
Nessas condições é possível o diagrama fatorial para qualquer carga conectada ao
gerador. Vale ressaltar que a tensão terminal (Vt) é tomada como referência (0º) para
construção dos diagramas. Figura 18 carga com fator de potência indutivo (atrasado).
Figura 18 –Diagrama fasorial
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
Os diagramas fasoriais são uma ferramenta muito importante para o estudo das
máquinas síncronas, através desses diagramas é possível criar o diagrama de capability,
conforme figura 19 a 23, que permite visualizar os limites de operação de um gerador
síncrono no quesito de fornecimento de potência ativa e reativa. O procedimento para
construção do diagrama é o seguinte:
21
Figura 19 –Diagrama fasorial
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
Multiplicando as tensões por Vt
Figura 20 –Diagrama fasorial
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
22
Dividindo as tensões pela impedância Xs
Figura 21 –Diagrama fasorial
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
Sendo P= Vt . Ia e Q = (Vt. Ef)/Xs . As projeções no ponto A. fornecem as potências
P e Q
Figura 22 –Diagrama fasorial
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
23
Traçando uma circunferência com o raio Vt. Ia, representa a potência aparente S
Figura 23 –Diagrama fasorial
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
A partir dos valores de Tensão de excitação máxima, tensão de excitação mínima e
potencia ativa máxima fornecidas pelo fabricante é possível determinar os valores das
potências máximas ativas e reativas das cargas que o gerador pode suprir conforme figura 24.
Figura 24 –Diagrama de capability
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
24
4.5 Cálculo da reatância síncrona
Para determinar o valor da reatância síncrona é necessário levantar as características do
gerador funcionando em vazio e em curto-circuito. No ensaio de curto-circuito, a corrente de
campo é aumentada para a leitura das correntes de armadura, como o campo produzido por
essas correntes é desmagnetizante a máquina opera fora da saturação. ( Conforme Manual de
Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010 )
O comportamento sob o ensaio de curto-circuito é demonstrado conforme figura 25.
Figura 25 - Gráfico representativo de ensaio a curto-circuito
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
Após levantada as características em vazio e em curto-circuito, é possível determinar o
valor da reatância síncrona, através das seguintes fórmulas:
Como Ra é muito pequeno então praticamente Zs=Xs
O valor de Xs pode ser considerado constante na máquina não saturada, mas havendo
saturação, seus valores modificam-se com o aumento da corrente de campo, assumindo
valores menores que a região linear, pois a corrente Icc aumenta muito mais que a tensão Ef,
na região de saturação, para uma mesma variação de excitação.
25
4.6 Curva de potência x carga
Os diagramas fasoriais permitem a definição de uma nova expressão para a potência
ativa, a expressão é a seguinte:
Quando o gerador está a vazio, seu ângulo de carga é nulo, a potência ativa máxima será
alcançada quando o ângulo de carga for igual a 90º
4.7 Operação em paralelo
O comportamento de geradores síncronos depende em muito de dois fatores:
1) Tipo da carga (capacitiva, indutiva, resistiva e quantidade) ligada a seus terminais
2) Operação isolada ou em paralelo com outros geradores.
Antigamente era raro encontrar grupos geradores operando em paralelo, as operações
normalmente ficava restrito a fornecimento de energia de emergência, porém como o custo da
energia aumentou consideravelmente, muitas indústrias começaram a utilizar grupos
geradores para co-geração, principalmente no horário de ponta. Dentre as vantagens de
utilizar geradores em paralelo destacam-se as seguintes:
1) Vários geradores em paralelo podem alimentar uma carga muito maior que a potência
individual de cada um deles
2) A confiabilidade do sistema aumenta, uma vez que a carga não fica sem alimentação
quando um gerador ficar indisponível para manutenção.
3) É possível ajustar o ponto de operação das máquinas em operação para melhorar o
desempenho do sistema
Para que o gerador possa operar em paralelo com outro gerador ou em paralelo com a
rede elétrica convencional, deve-se proceder a sincronização do gerador que vai entrar em
26
operação. Esta operação pode ser feita de forma manual pelo operador ou automaticamente
por relés de sincronização.
4.7.1 Condições para sincronização
Na figura 26, o gerador G1 está alimentando uma carga com um valor de tensão (V) e
uma freqüência (f), enquanto o gerador G2 está desligado. Se o gerador G2 for ligado em
paralelo com G1, os dois podem alimentar a mesma carga.
Figura 26 Esquema de Geradores em paralelo
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
Para que a chave S possa ser fechada, colocando os geradores em paralelo, as seguintes
condições devem ser satisfeitas.
1) Os geradores devem possuir a mesma tensão de linha
2) Devem operar com a mesma seqüência de fase
3) As tensões devem estar em fase
4) A freqüência do gerador G2 deve ser ligeiramente maior que G1, normalmente f2 é
0,5 Hz maior que f1.
Caso as freqüências sejam idênticas os sistemas que serão colocados em paralelo,
podem apresentar mesma tensão, freqüências e seqüência de fase, mas estar girando defasado
como mostra a figura 27.
27
Figura 27 Defasagem
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
Na situação acima, a chave S não pode ser fechada, pois existirá uma diferença de
potencial que pode ser suficiente para produzir uma diferença de potencial, que pode ser
suficiente para produzir danos aos geradores ou perturbações na operação.
4.7.2 Operação em paralelo de Geradores com o sistema de potência
Um sistema de potência consiste em um número muito grande de geradores em paralelo,
de tal forma que a sua tensão e freqüência são praticamente constantes e não podem ser
facilmente modificadas por ações isoladas.
Assim quando um gerador é colocado em paralelo com um conjunto de máquinas com
potência muito superior, nenhuma unidade pode alterar ou afetar sensivelmente o sistema
maior, normalmente o ponto de ligação do gerador com o sistema de potência é chamado
barramento infinito, ou seja, barramento onde a tensão e freqüências são constantes. Segue
abaixo, um exemplo de barramento infinito.
28
Figura 28 Barramento Infinito
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
Conforme figura 28, o barramento infinito possui um fluxo de potência muito grande,
então um gerador, ao ser conectado em paralelo, será arrastado para operar na mesma
freqüência, independente da regulação de velocidade, pois conforme já tratado as máquinas
síncronas funcionam tanto como gerador como motor, por isso a freqüência do gerador a ser
conectado deve ser ligeiramente superior a freqüência do barramento infinito. .( Conforme
Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010 )
4.7.3 Sincronoscópio
Antigamente, para se colocar dois geradores em paralelo, era necessário um operador,
para que esse fizesse os ajustes da tensão de excitação e velocidade do motor, porém hoje é
possível colocar o gerador automaticamente em paralelo através de relés de sincronização,
normalmente chamados de sincronoscópio. Conforme figura 29 abaixo.
29
Figura 29 Modelo de um sincronoscópio
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
Princípio de funcionamento
A figura 30 apresenta o funcionamento do sincronoscópio
Figura 30 Modelo didático de um sincronoscópio
Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010
30
Os brilhos das lâmpadas indicarão a situação da sincronização, o relé analisará as
seguintes condições antes de ordenar o fechamento da chave
1) Tensão do gerador e barramento infinito são diferentes, mas freqüência e seqüência
de fase são iguais.
As tensões das fases das A,B,C possuem o mesmo módulo e portanto as três lâmpadas
brilharão com a mesma intensidade, será necessário ajustar as correntes de campo IF.
2) Freqüências são diferentes, mas tensão e seqüência de fase são iguais
Nesse instante a tensão nas lâmpadas será nula, e, portanto as três estarão apagadas, mas
se a freqüência é diferente, as lâmpadas apagarão e acenderão periodicamente, será necessário
ajustar a velocidade da máquina afim que as freqüências fiquem iguais e as lâmpadas
acendem e apaguem lentamente. Deve-se notar que alterando a velocidade da máquina suas
tensões também mudarão.
3) Seqüência de fase diferentes, mas tensões e freqüências iguais
Nesse caso, é obrigatória na instalação do gerador a verificação através do fasímetro a
seqüência de fase correta, caso contrário as lâmpadas irão acender e apagar fora da seqüência,
deve-se então apenas inverter as fases nos terminais do gerador.
4) Fase diferente, mas tensão, freqüência e seqüência de fase iguais
As lâmpadas brilharão com a mesma intensidade. Para fazer a fase igual ou diferente de
zero, as lâmpadas irão apagar e se o disjuntor é fechado, a máquina de entrada será conectada
ao barramento infinito. Uma vez conectada ao barramento infinito, a velocidade da máquina
não pode ser mudada, no entanto, a transferência da potência ativa da máquina para o
barramento infinito pode ser controlado por ajuste da potência do motor primário.
31
Capítulo 5 Grupos Geradores
Os geradores síncronos podem ser acoplados a turbinas de água, gás, motores
marítimos, turbinas de avião, etc, no entanto aqui serão abordados somente os motores a
diesel convencionais e popularmente comercializados para potências de geradores de 30 kVA
a 1MVA.
Geralmente o motor diesel tem o seu funcionamento semelhante ao motor de explosão,
onde no primeiro tempo o ar é aspirado e passado pela válvula de aspiração que está aberta,
entrando no cilindro. No segundo tempo, após fechado a válvula de aspiração o ar é
comprimido dentro do cilindro até uma pressão de cerca de 500 PSI, atingindo uma
temperatura de aproximadamente 650°, no terceiro tempo é injetado óleo combustível no
cilindro e se mistura com o ar altamente aquecido que entra em ignição e expandindo os gases
resultando em força para os pistões. O quarto tempo é movimento dos pistões que empurra os
gases para a atmosfera.
Segue abaixo a foto 31 de um motor diesel acoplado a um gerador, formando assim um
grupo gerador.
Figura 31 Grupo Gerador modelo MT Mercedes Benz
Fonte: Adaptado do site Stemac-2010
32
Os motores diesel mais populares para geradores são os mesmos utilizados em
caminhões, carretas, ônibus e navios e são encontrados nas seguintes marcas: Mercedes-Benz,
Volvo, Scania, MWM, Cummins, Mitsubish, Caterpillar, MTU, etc, a escolha do modelo
depende exclusivamente da potência da carga que o gerador irá alimentar.
Os motores estacionários utilizados como grupos geradores devem conter os seguintes
itens para fins de operação e proteção:
a) Pressostado de óleo lubrificantes: Tem a função de comandar a parada do motor
quando a pressão do óleo lubrificante cai abaixo de um valor pré determinado pelo
fabricante
b) Termostato para a água de refrigeração: Tem a finalidade de desligar o motor
quando esse atingir valores de temperatura pré determinados pelo fabricante
c) Sensor de velocidade: Tem a função de comandar a parada do motor quando a
velocidade ultrapassar a valores prejudiciais ao sistema elétrico
d) Sensor de nível do líquido de refrigeração: Tem a função de acionar um alarme,
indicando a necessidade de completar o nível do sistema de refrigeração
e) Relé taquímetro: tem a finalidade de desligar o motor de partida quando a rotação
atingir normalmente 500 RPM, impedindo assim de acionar a partida com o motor em
funcionamento
f) Sensor de ruptura da correia: Em alguns modelos é exigido que a parada do motor
diesel seja comandada antes da temperatura da água se elevar, no caso de ruptura da
correia da bomba d’água.
g) Outros sensores: Que forem recomendados pelo fabricante
5.1 Controle de freqüência de grupos geradores.
Conforme a definição, máquina síncrona é toda máquina que houver a existência da
dependência da velocidade de rotação da máquina com a freqüência elétrica gerada ou
absolvida. A equação para determinação da rotação de um motor ou gerador é a seguinte:
33
N RPM = 120.f/p
onde: N = velocidade em RPM ,f = freqüência da rede elétrica e P = número de pólos
Então qualquer pequena variação na velocidade do motor resultará em grandes variações
na freqüência da energia gerada, nos grupos geradores o controle de freqüência é dado pelo
controle da quantidade de combustível injetada nos motores, através dos governadores que
abrem ou fecham a entrada de combustível na bomba injetora, que tem a função de injetar o
combustível em alta pressão dentro das camisas do motor.
A figura 32 apresenta um modelo de bomba injetora típica, utilizada nos motores a
diesel
Figura 32 Bomba injetora de um motor diesel
Fonte: Gerador 180 KVA- Infraero- Aeroporto Internacional de Viracopos
Característica de regulação.
As características de regulação de velocidade de grupos geradores é semelhante a
qualquer outro sistema submetido a realimentação para correção, conforme a figura 33
34
Figura 33 Diagrama de blocos
Acoplada a bomba injetora vai o controlador de velocidade, que normalmente é
chamado de governador, sua função é verificar a rotação do motor e corrigi-la se necessária a
fim de manter constante a freqüência, também é necessário limitar a velocidade, para isso
normalmente usa-se um batente que não permite o motor acelerar além daquele ponto.
Praticamente existem 4 tipos de governadores, estes são dimensionados de acordo com a
necessidade da carga, cargas que variam constantemente necessitam de governadores
eletrônicos ou digitais, cargas que não variam muito possuem governadores mecânicos que
são mais baratos e robustos.
- Governadores mecânicos
Constituído mecanicamente de contrapesos, molas e articulações, atua no mecanismo de
aceleração, regulando a dosagem de combustível, sempre que a rotação se afasta do valor
definido, possui um tempo de resposta longo e permitem pequenas oscilações em torno do
valor regulado, variações bruscas na carga provocam quedas acentuadas na rotação, e na
recuperação permite ultrapassar o valor regulado para em seguida efetuar uma nova regulação
em menor grau.
BOMBA INJETORA
MOTOR DIESEL
GERADOR
GOVERNADOR
35
Esse tipo de governador é o mais barato e mais utilizados em grupos geradores que
alimentam cargas pouco sensíveis a variações de freqüência
Abaixo, uma figura 34 de um governador mecânico, modelo Bosch RSV, com os principais
componentes.
Figura 34 Governador mecânico
Fonte: Adaptado do site Eng. José Claudio-2010
- Governadores Hidráulicos
São mais precisos que os governadores mecânicos, podem ser acionados diretamente
pelo motor, independente da bomba injetora, e atuam sobre o batente de aceleração, também
são constituídos de contrapesos que ao sentirem a variação da rotação, acionam uma pequena
bomba hidráulica que produz uma pressão de óleo necessária para movimentar um pequeno
cilindro ligado a haste de aceleração da bomba injetora. São caros, pois necessitam uma
montagem especial diretamente no motor, e por isso são pouco utilizados, o modelo mais
conhecido é o Woodward PSG, conforme figura 35
36
Figura 35 Governador hidráulico
Fonte: Adaptado do site Eng. José Claudio-2010
- Governadores eletrônicos
Possui a melhor regulação que se pode conseguir, são constituídos basicamente por 3
elementos, o pick-up magnético, que tem a função de sensor de RPM, regulador eletrônico e
atuador
O pick-up magnético é constituído de um sensor ferromagnético, é instalado na carcaça
externa do motor, onde é possível ter proximidade com os dentes da cremalheira do eixo que
liga o motor ao gerador, os dentes ao passar próximo ao sensor induzem um pulso de corrente
elétrica que é captada pelo regulador.
A quantidade de pulsos por segundo (freqüência) é comparada por um circuito
comparador instalado no regulador. Se houver diferença entre a freqüência dos pulos e o valor
ajustado no circuito, o regulador altera o fluxo de corrente enviada para o atuador, que efetua
correções na dosagem de combustível.
Existem atuadores que são acoplados ao batente de aceleração e outros que são
instalados no interior da bomba injetora. Segue figura 36 de um regulador eletrônico modelo
Woodward
37
Figura 36 Governador eletrônico
Fonte: Adaptado do site Eng. José Claudio-2010
-Governadores digitais
Esses governadores são muito utilizados atualmente, o resultado obtido é o mesmo que
os controladores eletrônicos, a única diferença é o recurso de comunicação via porta serial e
funções de controle PID. Conforme figura 37.
Figura 37 Governador eletrônico- digital
Fonte: Adaptado do site Eng. José Claudio-2010
38
O que difere os tipos de governadores é o tempo de respostas destes a variação de carga
no gerador, por mais instantâneo que seja o governador, sempre haverá um atraso na atuação,
pois primeiro é necessário constatar que houve uma variação na rotação para em seguida
efetuar a correção.
O tempo de resposta é ajustado até o limite mínimo, a partir do qual o funcionamento do
motor se torna instável por excesso de sensibilidade. Também é necessário ajustar o valor
máximo que se pode permitir de queda e de aumento da rotação entre o funcionamento a
vazio e com plena carga, que nem sempre pode ser zero RPM. Esta variação é conhecida
como droop e é necessária principalmente em grupos geradores que funcionarão em paralelo,
pois qualquer pequena variação na dosagem de combustível resultará em grandes variações na
freqüência elétrica gerada, tirando assim o gerador do sincronismo paralelo.
O gráfico de resposta em função do tempo, é mostrado na figura 38, para os 3 principais
tipos de governadores fica assim:
- Governador mecânico - Governador eletrônico - Governador Digital
% segundos
Figura 38 Gráfico de comparação de resposta em função do tempo
Fonte: Adaptado do site Eng. José Claudio-2010
39
5.2 Painéis de transferência
Todo grupo gerador possui painel de transferência, antigamente a supervisão do
funcionamento era feita por contatores e relés, porém atualmente utiliza-se um controlador
lógico programável denominado Unidade de Supervisão de Corrente Alternada (USCA)
A energia elétrica controlada pela USCA é fornecida por duas fontes distintas, uma
fonte principal fornecida pela concessionária local, denominada energia de rede e outra fonte
chamada de emergência fornecida por um grupo gerador. Estando a energia de rede em
condições normais e tendo prioridade em alimentar a carga, ocorrendo alguma anormalidade
na referida fonte, após um tempo pré-determinado, será comandada a partida do grupo
gerador que passará a alimentar a carga.
Retornando a energia da rede nas condições normais, após o tempo determinado para
confirmação da normalidade, a carga será transferida de forma, interrupta, automaticamente
para a rede e o grupo funcionará a vazio por tempo prefixado, para resfriamento sendo
comandada sua parada.
5.2.1 Características Gerais
O sistema é montado em gabinete metálico, auto-sustentado, com porta
frontal, aberto na base para entrada e saída de cabos, pintado com fundo anti-corrosivo. Na
porta são montados: o sistema microprocessado de controle e supervisão a botoeira soco de
emergência, internamente são montados os conectores, fusíveis, contatores auxiliares,
disjuntores, chave seletora de emergência, alarme sonoro, retificador para carga da bateria,
transformadores de corrente e chave de transferência.
A lógica de comando é efetuada pelo sistema micro-processado de controle e
supervisão, montado em bastidor metálico de alta resistência mecânica. Na parte interna é
fixada uma placa para identificação, contendo as características principais do equipamento.
Os componentes são identificados com etiquetas através de seu código funcional coerente
com o diagrama elétrico o que facilita a interpretação.
.
.
40
5.2.2 Anormalidade na rede comercial
Neste caso o Grupo Gerador entra em funcionamento automaticamente, após
a estabilização da tensão e freqüência é acionado automaticamente o fechamento
das chaves de força, ficando a carga alimentada pelo mesmo.
5.2.3 Retorno da normalidade na comercial
Após a transferência de carga do grupo para a rede como descrito, o Grupo
Gerador permanece funcionando em vazio, para resfriamento, durante um período de cento e
oitenta segundos. Após o tempo referido é acionada a parada, ficando em condições de nova
partida. Se durante o período de resfriamento a Rede ficar “anormal”, o Grupo Gerador
reassume a alimentação da carga. Abaixo, figura 39 um modelo de CLP, utilizado em grupos
geradores, com a suas funções, conforme tabela 01.
Figura 39 CLP- Stemac Modelo ST 2000
Fonte: Adaptado do site Eng. José Claudio-2010
41
Identificação dos leds e teclas
Tabela 01 Funções do CLP ST 2000
Fonte: Adaptado do site Eng. José Claudio-2010
1 Tensão fase 1 15 Elevar valor nominal
2 Tensão fase 2 16 Diminuir valor nominal
3 Tensão fase 3 17 Ligar manual chave CGR
4 Modo emergência acionado 18 Desligar manual chave CGR
5 Faixa de freqüência 19 Ligar manual chave CRD
6 Modo de operação automático 20 Desligar manual chave CRD
7 Modo de operação manual 21 Ativar modo operacional automático
8 Supervisão ativa 22 Ativar modo operacional manual
9 Alarme, aviso de falha existente 23 Partida manual do GMG
10 CGR fechado 24 Parada manual do GMG
11 CRD fechado 25 Ativar modo operacional Teste
12 Comutar mensagem no visor 26 Ativar modo emergência
13 Seleciona confirmar seleção 27 Reset – Retirar mensagem de falha
14 Ativar valor nominal 28 Visor LCD
5.3 Chaves de Transferências
Toda instalação onde se utiliza o grupo gerador como fonte alternativa de
energia elétrica necessita, obrigatoriamente, de uma chave reversora ou comutadora de fonte,
somente nos casos onde o grupo gerador é utilizado como fonte única de energia, pode-se
prescindir da utilização deste dispositivo. Tem a finalidade de comutar as fontes de
alimentação dos circuitos consumidores, separando-as sem a possibilidade de ligação
simultânea. Para isso, as chaves comutadoras de fonte são construídas de diversas formas e
dotadas de recursos que vão desde o tipo faca, contatores, até as mais sofisticadas construções
com controles eletrônicos digitais, comandos e sinalizações locais e remotas.
Segue figura 40 mostra um exemplo de configuração de uma chave de transferência.
42
Figura 40 Diagrama de força, de uma chave de transferência
Fonte: Adaptado do site Eng. José Claudio-2010
5.4 Proteção
Um painél de transferência deve ter seu funcionamento auxiliado por dispositivos de
proteção para impedir o prolongamento de situações anormais, dentre os principais
dispositivos de proteção destaca-se os seguintes:
Proteção para sobrecorrente: Baseada nas informações de transformadores de
corrente, colocados nos terminais do enrolamento do estator e no neutro, os relés são
ajustados para atuação em um tempo inferior ao tempo especificado pelo fabricante como
suportável para a corrente de defeito.
Proteção para sobretensão: É recomendável sempre que a máquina esteja sujeita a
sobrevelocidade, provocada por uma perda de carga, levando o gerador a sobretensões
temporizados.
Proteção para sobrevelocidade: É recomendável para controlar a freqüência na rede,
ou controlar a velocidade (RPM) no eixo da máquina, normalmente é configurado na faixa de
5% da freqüência nominal
43
Proteção pra sobreaquecimento: Protege o estator contra sobreaquecimento causado
por sobrecarga nos terminais do gerador ou por falha no sistema de refrigeração.
Proteção contra perda de campo: Quando o gerador perde sua corrente de campo, não
há mais reação de armadura, então ocorrerá uma ligeira aceleração da máquina..
Curto entre as fases: São utilizadas proteções diferenciais de alta sensibilidade,
atuando sobre os disjuntores principais
Curto entre espiras: São providas pelo relé de sobrecorrente
Falta a Terra: São normalmente limitadas por impedâncias colocadas no neutro, um
relé de seqüência zero faz essa proteção
44
Capítulo 6 Aplicação de Grupos Geradores
Os sistemas de geração de energia podem ser classificados por tipo e classe, podendo ser
classificado como standby, prime e contínuo. É muito importante entender as definições das
classificações para a aplicação do grupo gerador, o tipo do sistema de geração e a
classificação apropriada a ser utilizada dependem da aplicação. A seguir são descritos os
parâmetros da utilização dos Grupos Geradores.
Sistemas de Emergência: Os sistemas de emergência geralmente são instalados
conforme as necessidades de segurança pública e por imposição legal, normalmente eles
destinam-se ao fornecimento de energia e iluminação em curtos períodos com três propósitos,
permitir a evacuação segura de edifícios, suporte à vida como hospitais e a equipamentos
críticos para pessoas que requerem cuidados especiais, ou para sistemas de comunicações
críticas e locais usados para segurança pública.
Standby Opcional: Os sistemas standby opcionais geralmente são
instalados onde a segurança não é um fator crítico, mas a falta de energia pode
causar perdas de negócios ou receitas, interrupção de processos críticos, ou causar
inconveniências ou desconfortos. Estes sistemas normalmente são instalados em centros de
processamento de dados, fazendas, edifícios comerciais/industriais e residências. O
proprietário do sistema pode selecionar as cargas a serem conectadas ao sistema. Além de
proporcionar uma fonte standby de energia em caso de falta de energia da rede normal de
eletricidade.
Energia Prime: As instalações de energia prime utilizam a geração local
em vez da energia normal fornecida pela rede pública em áreas onde os serviços da empresa
fornecedora de energia não estejam disponíveis. Um sistema simples de energia prime utiliza
pelo menos dois grupos geradores e uma chave comutadora para transferir a energia para as
cargas entre eles. Um dos dois grupos geradores funciona continuamente com uma carga
variável e o outro serve como reserva no caso de queda de energia e também para permitir o
desligamento do primeiro para a manutenção necessária. Um relógio de alternância na chave
comutadora alterna para o grupo gerador principal em um intervalo pré-determinado.
45
Co-Geração: utiliza-se a geração local para reduzir ou nivelar o uso da eletricidade nos
picos com o propósito de economizar dinheiro nos custos de demanda de energia (horário de
ponta). Os sistemas de corte de picos requerem um controlador que dá a partida e opera o
gerador local em tempos apropriados para nivelar as demandas de pico do usuário. A geração
instalada para fins de energia standby também pode ser usada para corte de picos.
6.1 Co-Geração e Sistema de tarifação brasileiro de energia
Antes de dimensionar o grupo gerador diesel, é necessário conhecer o rendimento do
motor diesel no quesito kWh por quantidade de diesel consumido, o consumo de diesel varia
de fabricante para fabricante, em função da potência, porém para facilitar a demonstração da
viabilidade econômica de se utilizar o gerador diesel no horário de ponta, adota-se o valor
médio de todos os fabricantes pesquisados, que é um valor médio de 5 kWh para 1 litro de
diesel, a partir desse valor compara-se com o preço da tarifa definida pela Agencia Nacional
de Energia Elétrica.
Não é o objetivo deste trabalho é demonstrar qual tarifa é mais vantajosa para o
consumidor, pois isso depende da curva de carga de cada instalação, mas é importante saber
se a tarifa utilizada é a mais adequada, pois caso contrário o consumidor estará desperdiçando
muito dinheiro,e instalar um grupo gerador par funcionar no horário de ponta pode não ser
uma solução viável.
O sistema tarifário brasileiro define quatro diferentes tipos de horário durante o intervalo
de um ano, ou seja:
a) Horário de ponta de carga
Corresponde ao intervalo de três horas consecutivas, situado no período compreendido entre
17 e 22: 00 de cada dia, exceto sábados, domingos e feriados nacionais, definido seguindo as
características da carga do sistema elétrico da concessionária.
46
b) Horário de fora de ponta de carga
É formado pelas 21 horas restantes de cada dia definido anteriormente, bem como pelas
24 horas dos sábados, domingos e feriados nacionais.
Cada horário anteriormente mencionado está contido em cada período adiante definido,
em função do nível pluviométrico das regiões do Brasil.
c)Período úmido
É o período que abrange as leituras de consumo e demanda extraída entre o primeiro dia
do mês de dezembro até o dia 30 de abril, totalizando cinco meses do ano.
d) Período seco
É o período que abrange as leituras de consumo e demanda extraída entre o primeiro dia
do mês de maio até o dia 30 de novembro, totalizando sete meses do ano.
A partir da definição desses horários foi montada a estrutura tarifária vigente do grupo A
(tensão igual ou superior a 2,3 kV) que corresponde os seguintes segmentos
47
Tarifa Azul
A tarifa azul é a modalidade estruturada para aplicação de preços diferenciados de
demanda e consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização do dia e os
períodos do ano, obedecendo aos segmentos horo-sazonais sendo o valor da demanda faturada
nos horários de ponta e fora de ponta o maior entre os valores.A tabela 02 a tarifa azul
praticada pela CPFL em 08/04/2010 definida pela resolução 961/ANEEL
Tabela 02 Tarifa horo-sazonal Azul
Fonte: Adaptado do site CPFL-2010
Estrutura Horo-
Sazonal Azul
Demanda
R$/KW
Consumo R$ / MWh Ultrapassagem
R$/ KW Período Seco Período úmido
Ponta
Fora
de
Ponta
Ponta
Fora
de
Ponta
Ponta
Fora
de
Ponta
Ponta Fora de
Ponta
A2 (88 a 138 KV) 16,84 1,88 248,66 159,16 225,93 145,97 50,52 5,64
A3 ( 69KV) 20,76 3,3 248,66 159,16 225,93 145,97 62,28 9,9
A3a (30 a 44 KV) 20,79 4,02 248,66 159,16 225,93 145,97 62,37 12,06
A3a (30 a 44 KV)-
Cemirim 16,27 5,42 106,74 50,78 98,81 44,87 48,81 16,26
A4 (2,3 a 25 KV) 27,79 6,36 248,66 159,16 225,93 145,97 83,37 19,08
48
Tarifa verde
É a modalidade estruturada para aplicação de preços diferenciados para demanda e para
o consumo, de acordo com a tensão de fornecimento e demais características do consumo,
como residencial, rural, etc. A tabela 03 a tarifa verde praticada pela CPFL em 08/04/2010
definida pela resolução 961/ANEEL.
Tabela 03 Tarifa horo-sazonal Verde
Fonte: Adaptado do site CPFL-2010
Estrutura Horo-
Sazonal verde
Demanda
R$/KW
Consumo R$ / MWh Ultrapassagem
R$/ KW Período Seco Período úmido
única Ponta
Fora
de
Ponta
Ponta
Fora
de
Ponta
única
A3a (30 a 44 KV) 4,02 731,92 159,16 709,19 145,97 12,06
A4 (2,3 a 25 KV) 6,36 894,18 159,16 871,45 145,97 19,08
A4 (2,3 a 25 KV)
rural 5,87 522,84 54,95 514,26 48,55 17,61
49
Tarifa Convencional (para instalações de até 300 kW)
É a modalidade estruturada para a aplicação de preços diferenciados para demanda e
para o consumo, de acordo com a tensão de fornecimento e demais características do
consumidor, como residencial, rural. Conforme tabela 04.
Tabela 04 Tarifa convencional
Fonte: Adaptado do site CPFL-2010
Grupo A Convencional Demanda R$/
kW
Consumo R$/
MW/h Ultrapassagem R$/ kW
A3a (30 a 44 KV) 19,2 161,35 87,06
A4 (2,3 a 25 KV) 26,35 161,35 79,05
A4 (2,3 a 2,5 KV) rural 6,67 97,62 20,01
Com base na curva de carga de cada instalação, é possível verificar qual das tarifas é
mais vantajosa, empresas que não operam no horário de ponta é indiferente escolher a tarifa
verde ou azul, pois os valores são exatamente os mesmos, mas devem evitar a tarifa
convencional, pois o preço médio é ligeiramente superior ao das demais tarifas.
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Capitulo 07 Estudo de Caso para Co-Geração
Para facilitar o entendimento de dimensionamento de um grupo gerador, assim como
também a escolha da melhor tarifa, será utilizado como base de estudo, a instalação elétrica
do Aeroporto Internacional de Viracopos,- Campinas-SP, que é alimentado na classe de
tensão 11,9 kV e possui 18 grupos com potência de 60 a 750 kVA, que somados fornecem
uma potência de 4,7 MVA, porém para efeito de demonstração será utilizado apenas os
seguintes grupos geradores:Conforme tabela 05.
Tabela 05 Geradores utilizados na co-geração
Marca Quant. Potência
(KVA)
Potência Total
(kVA)
Stemac- Motor Daewoo P222LE 2 750 1500
Stemac- Mercedes-Benz OM447LA-E 3 450 1350
Stemac- Motor Volvo Penta TAD 1232 GE 1 450 450
Stemac- Motor Cummins 6CTA8.3-G2 1 230 230
Dados da conta de energia:
Tabela 06 Dados da conta de energia de Janeiro de 2010
Dados No horário de ponta Fora do horário de ponta
Demanda 3120 kW 2500 kW
Consumo 145970 kWh 149.8000 kWh
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Simulação para uma demanda contratada de 3200 KVA.
Tabela 07 Comparação entre as tarifas verde e azul
Dados
Tarifa
Verde Tarifa Azul
Custo da demanda na ponta (R$) 20.352,00
69.475,00
Custo da demanda fora da ponta (R$) 20.352,00
Custo do consumo na ponta (R$) 130.523,45 36.296,90
Custo do consumo fora da ponta (R$) 238.421,68 238.421,68
Custo total da tarifa 389.297,13 364.544
Custo do diesel = R$ 1,80 portanto R$ 0,36/ kWh
Tabela 08 Comparação entre a tarifas azul e utilização dos grupos geradores
Dados
Tarifa
Azul
Grupos
geradores
funcionando
24 horas por
dia
Grupos
geradores
funcionando
no horário de
ponta
Custo da demanda na ponta (R$) 69.475,00 -------------- ----------------
Custo da demanda fora da ponta (R$) 20.352,00 --------------- 20.352,00
Custo do consumo na ponta (R$) 36.296,90 52.549,20 52.549,20
Custo do consumo fora da ponta (R$) 238.421,6 539.280 238.421,68
Custo total da tarifa (R$) 364.544 591.829,20 311.322,88
O objetivo dessa comparação, é apenas evidenciar que os grupos geradores, mesmo
movido com um combustível caro, como é o diesel, possui certa competitividade na co-
geração de energia elétrica, quando corretamente dimensionados e utilizados no horário de
ponta. Sem levar em consideração o custo de manutenção e operação dos grupos geradores, a
economia é de cerca de R$ 53.000,00 ao mês durante o período seco.
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Capitulo 8 Conclusão:
Pode-se concluir que, a utilização de grupos geradores, em qualquer instalação significa
uma evolução bem sucedida a uma empresa, comércio ou outro estabelecimento, trazendo
assim confiança energética a qualquer momento, sem depender de qualquer concessionária.
Os grupos geradores são máquinas relativamente antigas, pois os mesmos utilizam a
combustão interna para transformar a energia mecânica em energia elétrica, sem esquecer que
o sistema eletrônico, utiliza-se do Controlador Lógico Programável (PLC) ou mesmo as
chaves com contatores descritos neste trabalho, no qual, é um dos mais modernos do mercado
nacional e mundial.
Entretanto, vale salientar os benefícios trazidos pelo equipamento reduzindo em até
trinta por cento o valor gasto com a energia elétrica, além do retorno do capital investido em
poucos meses de utilização, sem esquecer o comprometimento da qualidade da energia
entregue ao usuário lembrando que, com o sistema de transferência em rampa no horário de
pico, a energia não oscila tendo uma confiabilidade e segurança elétrica.
Exemplificando hospitais, emissoras de rádio e televisão, torres de telefonia celular,
portos, aeroportos, necessitam de geração própria para não ter interrupções num caso de
emergência
Deste modo, a utilização de grupos geradores além da confiabilidade, traz uma
economia para empresa, comércio entre outros, procedendo assim uma maior competitividade
no setor o qual atua, sem comprometer a qualidade.
Portanto foi possível explanar de forma simples e realista, vários conceitos e teorias
obtidos com vários anos de estudo e esforço com os professores, mestres e doutores nas aulas
práticas e teóricas da Universidade.
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Referências Bibliográficas
CLAUDIO,J.Grupos geradores disponível em: <http://www.joseclaudio.eng.br> Acesso em
19/08/2009.
CUMMINS POWER GENERATION, informações técnicas sobre grupos geradores
Disponível em: <http:// www.cummins.com.br> Acesso em 05/10/2010.
Manual para Normalização de Trabalhos Acadêmicos, USF 2010.
STEMAC S/A GRUPOS GERADORES, Manual de Instruções para GMG 320 kVA,
USCA ST2000B 220/127Vca. 27f.
STEMAC S/A GRUPOS GERADORES, informações técnicas sobre grupos geradores
disponível em: <http://www.stemac.com.br> Acesso em 10/06/2010.
UNESP- Bauru, CREPPE, R.C, Curso de especialização Geradores de energia elétrica.
Weg Brasil, Manual Técnico sobre Geradores disponível em <http://www.weg.net.br> Acesso
em 03/02/2010.