Noções de Geração, Trans e Dist. de Energia - Aula 2

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1 Curso: Eletrônica Componente: Instalações Elétricas Residenciais Docente: Cleber Cosme Bueno 03/2010 APOSTILA Geração, Transmissão e Distribuição de Energia INTRODUÇÃO 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 podemos 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.

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Curso: Eletrônica

Componente: Instalações Elétricas Residenciais

Docente: Cleber Cosme Bueno

03/2010APOSTILA

Geração, Transmissão e Distribuição de Energia

INTRODUÇÃOA 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 podemos 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.

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Figura 1 – Hidrelétrica

1. O SISTEMA DE GERAÇÃOO sistema de geração é formado pelos seguintes componentes: Máquina primária,geradores, transformador e sistema de controle, comando e proteção.

1.1. MÁQUINA PRIMÁRIA É a 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 motores Diesel, turbinas hidráulicas, turbinas 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.

a) HIDRÁULICASToda 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 juzante.

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.

Figura 2 – Exemplo de turbinas em barragens

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.

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Figura 3 – Tipos de Turbinas

I. 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.II. 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.

b) DIESELO motor Diesel é uma maquina térmica, ou seja, transforma energia térmica em

energia mecânica através do mesmo principio de funcionamento dos motores a explosão.

c) TERMELÉTRICASAs máquinas a vapor. Elas foram fundamentais para o acontecimento da revolução

industrial.

d) TERMONUCLEARESAs usinas termonucleares funcionam utilizando o mesmo princípio de

funcionamento das usinas térmicas. 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.

País Eletricidade de origem nuclearFrança 70%Bélgica 67%Suécia 50%Suíça 39%

Alemanha 30%Espanha 29%

Japão 25%Tabela 1 – Percentual de eletricidade de origem nuclear

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e) TURBINA A GÁSAs primeiras turbinas a gás foram idealizadas a mais de 150 anos. Os grandes

avanços tecnológicos que viabilizaram o desenvolvimento das turbinas a gás são mérito da indústria aeronáutica

f) TURBINAS EÓLICAS Uma turbina eólica obtém potência convertendo a força dos ventos em um torque

atuando nas pás do rotor.

2. GERADORES2.1. INTRODUÇÃO

Geradores são máquinas destinadas a transformar energia mecânica em energia elétrica, ou seja, eles transformam a energia cinética de rotação das máquinas primárias em energia elétrica. Contudo, os geradores são dimensionados de acordo com a potência que a máquina primária pode fornecer.

Praticamente toda a energia consumida nas indústrias, residências, cidades, etc...,são proveniente destes geradores.

2.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTOA 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 4). 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. Este tipo de gerador é denominado de armadura giratória.

Figura 4 – Princípio de Funcionamento do Gerador

Note que o número de pólos da máquina terá que ser sempre par, para formar os pares de pólos. Na tabela 2 são mostradas, para as freqüências e polaridades usuais, as velocidades síncronas correspondentes.

Número de pólos 60 Hz 50 Hz2 3600 30004 1800 15006 1200 10008 900 750

10 720 600Tabela 2 – Velocidades Síncronas (rpm)

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2.3.TIPOS DE ACIONAMENTOSA - Grupo DieselSão geradores acionados por Motores Diesel;Potência: 50 a 1500 kVARotação: 1800 rpm (IV pólos)Tensão: 220, 380 ou 440 V - 50 ou 60 Hz.B - HidrogeradoresSão geradores acionados por Turbinas Hidráulicas;Potência: até 20.000 kVARotação: 360 a 1800 rpm (XX a IV pólos)Tensão: 220 a 13.800 VC - TurbogeradoresSão geradores acionados por Turbinas a Vapor;Potência: até 20.000 kVARotação: 1800 rpm ( IV pólos )Tensão: 220 a 13.800 V

3. TRANSFORMADORESUma 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.

4. TRANSMISSÃOOs 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 (O cabo para conduzir a energia com de tensão 13,8 kV deverá ter diâmetro de 13 cm, sendo que para conduzir sob a tensão de 138 kV deverá ter diâmetro de 1,3 cm) 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.

Figura 5 – Linha de Transmissão

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5. SUBESTAÇÃO DISTRIBUIDORAA 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).

Figura 6 – Distribuição primária e

secundáriaFigura 7 – Transformador de Baixa

Tensão

RECAPITULANDO

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) Rede de Transmissão: A rede de transmissão liga as grandes usinas de

geração às áreas de grande consumo (Transformador elevador de tensão);c) Rede de Sub-Transmissão: A rede de sub-transmissão recebe energia da

rede de transmissão com objetivo de transportar energia elétrica a pequenas cidades ou importantes consumidores industriais. O nível de tensão está entre 35 kV e 160 kV (transformador abaixador de tensão);

d) Distribuição As redes de distribuição alimentam consumidores industriais de médio e pequeno

porte, consumidores comerciais e de serviços e consumidores residenciais (transformador de distribuição - da rua).