Bomba Centrífuga e Motor Trifasico Como Gerador
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I Jornada Científica e VI FIPA do CEFET Bambuí Bambuí/MG - 2008 * [email protected]. BOMBA CENTRÍFUGA OPERANDO COMO TURBINA E MOTOR DE INDUÇÃO COMO GERADOR PARA PEQUENOS APROVEITAMENTOS DE POTENCIAL HÍDRICO Reginaldo BARBOSA FERNANDES (1); Roberto ALVES BRAGA JÚNIOR (2); Aberto COLOMBO (3); Giovanni FRANCISCO RABELO (4) *. (1) Cefet-Bambuí; (2) Ufla; (3) Ufla; (4) Ufla RESUMO Este trabalho buscou avaliar uma unidade geradora alternativa para micro centrais hidrelétricas, utilizando bomba centrífuga funcionando como turbina e motor de indução operando como gerador. Foram utilizados dois conjuntos motobomba, um funcionando como turbina-gerador e o outro funcionando como bomba ligada a um inversor de freqüência, a fim de simular diferentes condições de altura e vazão. Utilizaram-se como cargas elétricas, cargas resistivas. Os resultados obtidos apresentaram rendimentos superiores a 60%, em diversas simulações de carregamento do gerador. Palavras-chave: Bomba funcionando como turbina, gerador de indução, micro central hidrelétrica. 1. INTRODUÇÃO O crescimento da geração de energia elétrica no Brasil na última década não tem acompanhado o crescimento da demanda, o que tem criado uma situação crítica, levando ao risco de interrupções no fornecimento. A falta de uma política de investimento do Estado em novas fontes geradoras de energia tem obrigado o governo federal a adotar uma política que visa incentivar a transferência dos novos investimentos para a iniciativa privada. Além desta política, o governo tem trabalhado no incentivo à expansão da matriz energética por meio de fontes alternativas, dentre elas os pequenos aproveitamentos. Uma dessas linhas adotadas pelo Estado tem o objetivo principal de ampliar a geração de energia elétrica de forma descentralizada. Neste caso, as principais fontes geradoras são: a energia obtida por meio da biomassa, a energia eólica e a implantação de pequenas centrais hidrelétricas. Em 2002, por meio do Ministério das Minas e Energia, foi criado o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica, o PROINFA, destinado a oferecer incentivos à implantação de centrais geradoras de energia em pequena escala e de forma regional. Apesar do esforço desenvolvido, ainda existe um forte obstáculo econômico, representado pelo elevado custo de implantação dessas alternativas de geração. No caso da implantação de uma microcentral hidrelétrica, o grande custo está relacionado com as unidades geradoras, representadas pelo conjunto turbina gerador. Visando reduzir estes custos, foram desenvolvidos estudos e pesquisas propondo a utilização de conjuntos turbinas geradores alternativos, os quais podem ser equipados com microturbinas do tipo Michel Banki, Pelton ou até mesmo com bombas funcionando como turbina. A utilização de bomba centrífuga funcionando como turbina (BFT) e motor de indução operando como gerador (GI), vem sendo proposta como uma unidade geradora alternativa para instalação em microaproveitamentos hidrelétricos em pequenas propriedades rurais. Isso se deve, principalmente, ao baixo custo de investimento, à simplicidade, à robustez e à baixa manutenção. Uma grande vantagem do gerador de indução, comparado com o gerador síncrono, é a simplicidade na manutenção, podendo ser reparado em pequenas oficinas, até mesmo em comunidades rurais isoladas. Portanto o objetivo deste trabalho é avaliar os parâmetros elétricos de um conjunto motobomba operando como turbina gerador.
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I Jornada Cientfica e VI FIPA do CEFET BambuBambu/MG - 2008 * [email protected]. BOMBA CENTRFUGA OPERANDO COMO TURBINA E MOTOR DE INDUO COMO GERADOR PARA PEQUENOS APROVEITAMENTOS DE POTENCIAL HDRICO Reginaldo BARBOSA FERNANDES (1); Roberto ALVES BRAGA JNIOR (2); Aberto COLOMBO (3); Giovanni FRANCISCO RABELO (4) *. (1) Cefet-Bambu; (2) Ufla; (3) Ufla; (4) Ufla RESUMOEstetrabalhobuscouavaliarumaunidadegeradoraalternativaparamicrocentraishidreltricas,utilizando bomba centrfuga funcionando como turbina emotor de induo operando como gerador. Foram utilizados doisconjuntosmotobomba,umfuncionandocomoturbina-geradoreooutrofuncionandocomobomba ligadaauminversordefreqncia,afimdesimulardiferentescondiesdealturaevazo.Utilizaram-se como cargas eltricas, cargas resistivas. Os resultados obtidos apresentaram rendimentos superiores a 60%, em diversas simulaes de carregamento do gerador. Palavras-chave: Bomba funcionando como turbina, gerador de induo, micro central hidreltrica. 1. INTRODUO Ocrescimentodageraodeenergiaeltricano Brasilnaltimadcadanotemacompanhadoo crescimentodademanda,oquetemcriadouma situaocrtica,levandoaoriscodeinterrupes no fornecimento. A falta de uma poltica de investimento do Estado emnovasfontesgeradorasdeenergiatem obrigadoogovernofederalaadotarumapoltica quevisaincentivaratransfernciadosnovos investimentosparaainiciativaprivada.Alm destapoltica,ogovernotemtrabalhadono incentivoexpansodamatrizenergticapor meiodefontesalternativas,dentreelasos pequenosaproveitamentos.Umadessaslinhas adotadaspeloEstadotemoobjetivoprincipalde ampliarageraodeenergiaeltricadeforma descentralizada.Nestecaso,asprincipaisfontes geradorasso:aenergiaobtidapormeioda biomassa,aenergiaelicaeaimplantaode pequenas centrais hidreltricas. Em2002,pormeiodoMinistriodasMinase Energia,foicriadooProgramadeIncentivos FontesAlternativasdeEnergiaEltrica,o PROINFA,destinadoaoferecerincentivos implantaodecentraisgeradorasdeenergiaem pequena escala e de forma regional. Apesardoesforodesenvolvido,aindaexisteum forteobstculoeconmico,representadopelo elevadocustodeimplantaodessasalternativas degerao.Nocasodaimplantaodeuma microcentralhidreltrica,ograndecustoest relacionadocomasunidadesgeradoras, representadas pelo conjunto turbina gerador.Visandoreduzirestescustos,foram desenvolvidosestudosepesquisaspropondoa utilizaodeconjuntosturbinasgeradores alternativos,osquaispodemserequipadoscom microturbinas do tipo Michel Banki, Pelton ou at mesmo com bombas funcionando como turbina.Autilizaodebombacentrfugafuncionando como turbina (BFT) e motor de induo operando comogerador(GI),vemsendopropostacomo umaunidadegeradoraalternativaparainstalao emmicroaproveitamentoshidreltricosem pequenaspropriedadesrurais.Issosedeve, principalmente, ao baixo custo de investimento, simplicidade,robustezebaixamanuteno. Umagrandevantagemdogeradordeinduo, comparadocomogeradorsncrono,a simplicidadenamanuteno,podendoser reparadoempequenasoficinas,atmesmoem comunidades rurais isoladas. Portantooobjetivodestetrabalhoavaliaros parmetroseltricosdeumconjuntomotobomba operando como turbina gerador. I Jornada Cientfica e VI FIPA do CEFET BambuBambu/MG 2008 2. DESENVOLVIMENTO Pereira (2003) afirma que possvel a mquina de induofuncionarcomogeradorisoladode qualquerredeeltrica,desdequeexistaalgum dispositivoconectadoaosseusterminaispara fornecerapotnciareativaQ,solicitadapelo geradoreporqualquercargaconectada.Sea velocidadedamquinamantidaconstante,a magnitude da tenso terminal depende do valor da capacitnciaedacargaconectadaemseus terminais. Entretanto, se a capacitncia mantida fixa,atensodecrescecomoaumentodacarga. Poroutrolado,afreqnciasncrona(desada) varianosomentecomavelocidadedamquina, mas tambm com a carga e a prpria capacitncia de excitao. Uma montagem em que tal energia fornecidaporumbancodecapacitoresest ilustrada na Figura 1. Figura 1 - Gerador de induo operando isoladamente com um bancode capacitores para suprir a potncia reativa Q Fonte: Pereira (2003) SegundoBraga(2002),ofluxodepotncia reativanoinvertidoquandoamquinade induooperacomogerador.Apotnciareativa necessriaparaproduzirocampomagnticono podeserfornecidapelamquinaprimria,nem pelo rotor em gaiola de esquilo. Assim, a mquina deinduosomenteoperafornecendopotncia ativaseconectadaaumafonteexternade potncia reativa. Lopes(2003)afirmaque,paradimensionaro bancodecapacitoresparaofuncionamentoda mquinadeinduocomogeradorauto-excitado, oidealconheceracurvademagnetizaodo motore,ento,determinarareatnciacapacitiva necessriaauto-excitaodogerador. Isso pode serfornecidopelofabricanteoulevantadoem laboratrio.Porm,nafaltadacurvade magnetizao,obancodecapacitoresparao funcionamentodomotordeinduocomo geradorpodeserdeterminadopelapotncia aparente,semcarga,damquinaoperandocomo motor. O banco calculado por meio dessa segunda maneiratemvalormuitoprximoaocalculado pelacurvademagnetizaoeviabilizaousode mquinasondeacurvademagnetizaono conhecida. Logo: = linha linha a c semI V S * * 3arg [Eq.01] =a c semS Qarg [Eq.02] 3QQfase= [Eq.03] 3linhafaseVV =[Eq.04] fasefasefaseVQI = [Eq.05] C f IVXcfasefasefase* * * 21= = [Eq.06] Assim, o valor da capacitncia por fase ser de: fasefaseV fIC* * * 2 =[Eq.07] Em que: Ssem-carga=apotnciaaparentetrifsicacomo motor sem carga; Qfase = a potncia reativa por fase. ConformeSmith(2001),deve-seconsiderar tambm o tipo de conexo com que a mquina ir trabalhar. Assim tm-se: estrela ou delta, trifsico ou monofsico.Obtm-se,dessaforma,oclculodacapacitncia para excitao a vazio. Noentanto,avaliou-seaoperaodoconjunto geradorquantoaosparmetrosdeeficinciae qualidadedaenergiaprovenientedaconexo BFT-GI, operando isoladamente da rede eltrica. 2.1. Material e Mtodos Pararealizaodostestesdosparmetros eltricostenso,freqnciaerendimentofoi I Jornada Cientfica e VI FIPA do CEFET BambuBambu/MG 2008 utilizadooconjuntosBFT-GIespecificado abaixo: BFTmarcaKSBETA80-20;1750rpm; Q=60m3/heH=15mca;GImarcaEberle; 3;3CV;220/380V;9,0/5,2A;Cos=0,78; =81,7%. Estessoosdadosdeplacadosequipamentos fornecidos pelo fabricante.Foimontada,noLaboratriodeHidrulicado DepartamentodeEngenhariadaUniversidade FederaldeLavras(UFLA),aseguinte configuraoexperimental:umconjunto motobombafuncionandocomobomba,sendo que,asadadeguadesseconjuntofoiacoplada nasadadeguadeoutroconjuntomotobomba funcionandoassimemreverso,ouseja,como turbinaegerador.Ascargaseltricasforam inseridasnessegeradorechaveadasdeacordo comoandamentodoexperimento.Oconjunto motobombafuncionandocomobombafoiligado uminversordefreqnciaparasimular diferentescondiesdealturamanomtricae vazo Oacompanhamentodosparmetrostenso, freqncia e rendimento foram realizados a partir da excurso da carga. Aexcursodacargafoirepresentadapor correntes de 0,5 a 8,0 A.Todos os ensaios foram realizados com o gerador operando isolado de uma rede eltrica, acionando carga constante com fator de potncia unitrio. Foramutilizadososseguintesequipamentos:o geradordeinduotrifsicoeaBFTcitadosno inciodessetpico;inversordefreqnciaWeg; conjuntomotobombade100cvfuncionando comobomba(motor100cv,220/380/440/760 V,243/141/122A,3540rpm,3,60 Hz. Bomba KSB 100-20, Q=160 m3/h, H=80 mca, 3530 rpm -dadosdeplacafornecidospelofabricante) ligadaaoinversordefreqncia;medidorde vazodigital,manmetroanalgico,multmetro digital,tacmetrodigital,voltmetroanalgico, medidor de freqncia analgico, painel de cargas resistivas,paineldelmpadas,bancode capacitores,caboseconexeseltricaseo sistemahidrulicoinstaladoparaalimentaoda BFTutilizandotubosPVCeao.Estes equipamentospertencemaoLaboratriode Hidrulica e de Eletricidade da UFLA. OgeradordeinduofoiacopladoaBFTpor meio de duas polias, uma afixada no eixo da BFT eoutranoeixodogerador,interligadasporuma borracha.Osterminaiseltricosdogeradorforam conectadosemdelta,220V.Utilizou-se,neste experimento,umpaineldecargasresistivase capacitivas.Estascargasforamchaveadasde acordo com a necessidade durante o experimento. Ascargascapacitivasforamutilizadasparaa magnetizaodogeradordeinduo.Ascargas resistivasforamconectadasaosterminaisdo geradorechaveadasdeacordocomoandamento doexperimento.Foramutilizadostambm,como cargas resistivas, dois painis de lmpadas.Oconjuntomoto-bombade100cv,ligadoao inversordefreqncia,foiutilizadoparasimular vazo e altura de queda disponvel, de acordo com a necessidade das cargas.Inicialmente,ajustaram-seavazoeapressoe calculou-seacapacitnciaparaqueseobtivesse, nosterminaisdogerador,umatensodelinha de 220V freqncia de 60Hz a vazio, ou seja, todas ascargasdesligadas.Nessaetapa,foram coletadososseguintesdados:capacitncia necessriaparaamagnetizaodogeradora vazio,tensodelinha,vazo,presso,rotao, freqnciaeltricaecorrentedelinhasolicitada pelascargas(nestacondioigualazero). Posteriormente,pormeiodopaineldecargas, inseriram-senosterminaisdogeradorcargas resistivas. Como era esperado, o nvel de tenso e a freqncia caram devido frenagem provocada pelainrciadascargas,conseqentemente resultando na reduo da velocidade do gerador.Pormeiodoinversordefreqncialigadoao conjuntomoto-bombautilizadoparao acionamentodaBFT,ajustou-seumnovopar vazoxpressoparaseelevaravelocidadeda BFT at que o gerador de induo fornecesse 220 V,a60Hz,scargas.Nessacondio,foram coletados os novos valores de capacitncia, tenso delinha,vazo,presso,rotao,freqnciae correntesdelinhadrenadaspelacarga.Em seguida,foraminseridasnovascargas,repetindo-seoprocesso,atatingiraproximadamente13A de corrente fornecida pelo gerador de induo. 3. RESULTADOS E DISCUSSO Paraclculodacapacitncianecessriaparaa excitaodogeradoravazio,foiutilizadoo mtodo proposto por Lopes (2003). I Jornada Cientfica e VI FIPA do CEFET BambuBambu/MG 2008 Dados de placa do motor: 3 cv; 2200 W; 220/380 V; 9,0/5,2 A; h=81,7%; Cos f=0,78. 3425 9 * 220 * 3 * * 3 = = =L LI V S[VA] 2671 78 , 0 * 3425 cos * = = = S P[W] 2144 2671 * 34252 2 2 2= = = P S Q[Var] Por fase, tem-se que a potncia reativa ser: 71532144= =fQ[Var] Para ligao em delta, tem-se: L fV V =25 , 3220715= = =fffVQI[A] Pode-se definir, ento, a capacitncia por fase: 39220 * 60 * 14 , 3 * 225 , 3* * * 2= = =ffV fIC [F] Osparmetroseltricosobtidosnoensaiodo geradordeinduoalimentandocargaresistiva constante, operando isoladamente da rede eltrica, encontram-senotabela1.Asgrandezaseltricas tenso e corrente so valores de linha. Ascargaseacapacitnciaparamagnetizao foraminseridasdeacordocomadisponibilidade dopainel.Avelocidadefoimedidautilizando-se umtacmetrodigital.Media-seavelocidade quando o voltmetro indicava uma tenso de linha de220V,aumafreqnciamaisprxima possvel de 60 Hz. Ascapacitnciasforaminseridaspormeiodo chaveamentodoscapacitoresdiretamenteno painel. As correntes para as cargas foram medidas utilizando-se um alicate ampermetro. Tabela 1 Parmetros eltricos obtidos no gerador de induo operando isolado da rede eltrica Tenso de linha [Volts] Corrente de linha [Ampres] Capacitncia [Micro Faraday] Freqncia [Herz] Rotao [rpm] 2200,0035581735 2200,953558,51756 2201,9535591792 2192,8740571732 2193,8940581773 2205,804557,51779 2207,6150581801 2208,8155571792 2209,5755581828 22010,8160591870 21912,356558,51890 22013,687059,51945 Acapacitnciacalculadaanteriormente, necessriaparaamagnetizaodogeradorsem carga,foide39F.Nota-se,notabela1,que, experimentalmente,foinecessrioutilizarum bancode35Fporfase.Obancodecapacitores que foi utilizado no experimento possua opo de variaracapacitnciasomentede5em5F.No entanto, quando inseriu-se um valor de 40 F por fase,mantendo-seavelocidadeconstante,a tensoterminalelevou-seacimade220V,oque noeradesejadoparaaalimentaodascargas. Porisso,foiinseridaumacapacitnciade35F I Jornada Cientfica e VI FIPA do CEFET BambuBambu/MG 2008 porfaseeajustadaavelocidadedoconjuntoat obter-seatensoterminalde220Vporfase,a umafreqnciaprximade60Hz.Outroponto relevantequeosvaloresdoscapacitores informados pelo fabricante apresentaram variao de+ou10%emtornodovalornominal.E, conforme a literatura, o ideal para determinar-se a capacitnciaparaexcitaopormeiodacurva de magnetizao da mquina de induo.Observou-setambmque,comoaumentoda carga,paramanteratensoterminalde220Ve freqnciaprximade60Hz,foinecessrio aumentaracapacitnciaetambmoparvazox presso.Aindapormeiodosdadosdotabela1 podeserobservadoocomportamentodarotao doconjuntoemfunodoaumentodacarga. Observa-se que a freqncia depende diretamente da rotao. Tomando-se como base as 3 primeiras linhasdatabela,nota-sequeoaumentodacarga nojustificouumaumentodacapacitnciapara manteratensonosterminaisdogerador;em contrapartidafoinecessrioaumentara velocidade para manter a reatncia capacitiva. 4. CONCLUSES Osparmetroseltricos,tenso,correntee freqncia,mostraram-seequivalentesquandoo gerador alimentou diferentes nveis de cargas.AeficinciadoconjuntoBFT-GItestado representouumaalternativatecnicamentevivel parainstalaoempequenosaproveitamentosde potencialhdrico,quandocomparadocom turbinas e geradores convencionais.REFERNCIAS BRAGA,A.V.Modelagem,Ajustee ImplementaodeumSistemade ControledeTensoparaoGeradorde Induo. 2002. 97 p. Dissertao (Mestrado) - Universidade Federal de Itajub, Itajub. LOPES,R.E.Gruposgeradoresdebaixa potnciaacionadosporbombas funcionandocomoturbina.2003.131p. Dissertao(Mestrado)-Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte. MARTINEZ,C.B.MicroCentrais Hidreltricas para o Meio Rural. 1987 PEREIRA,V.M.Estudoemodelagem dinmica de gerador de induo acionado pormquinadecombustointernacom controledetensoedefreqnciapor meio de inversor PWM. 2003.158 p. Tese (Doutorado)-UniversidadeEstadualde Campinas, Campinas. RESENDE,J.T.Operaoisoladae interligadadogeradordeinduo.1994.96p.Dissertao(MestradoemEngenharia Mecnica)-EscolaFederaldeEngenharia de Itajub, Itajub. SMITH, N.Motors as generator for micro-power. London, 2001. WILLIANS, A.Pumps as turbines: a user's guide, London, 1995.
