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Curso: Manutenção de ferrovia – Eletrotécnica II - 2011.2

Disciplina: Sistemas de força e energia – 16h

Prof. Eng. Msc. Jean Carlos da Silva Galdino 1

Sumário

1. Definição de sistemas de força e energia. .................................................................................. 3

1.1. Energia ..................................................................................................................................... 5

1.2. Potência .................................................................................................................................... 6

1.3. Sistema de energia ................................................................................................................... 6

1.4. Sistemas de força e energia .................................................................................................... 6

2. Conceitos básicos de energia (Geração) .................................................................................... 6

2.1. Geração hidráulica .................................................................................................................. 8

2.1.1. Barragens ............................................................................................................................. 8

2.1.2. Condutos fechados ............................................................................................................... 8

2.1.3. Casa de força ........................................................................................................................ 9

2.2. Termelétricas ......................................................................................................................... 10

2.3. Termonucleares ..................................................................................................................... 11

2.4. Turbinas a gás ....................................................................................................................... 12

2.5. Turbinas eólicas..................................................................................................................... 14

2.6. Transmissão e distribuição da energia ................................................................................ 15

2.6.1. Rede de Transmissão......................................................................................................... 15

2.6.2. Rede de Sub-Transmissão................................................................................................. 15

2.6.3. Linhas de transmissão ....................................................................................................... 15

2.6.4. Subestação elevadora ........................................................................................................ 17

2.6.5. Subestação abaixadora...................................................................................................... 18

2.6.6. Classificação das tensões segundo as normas brasileiras: ............................................. 18

2.7. Sistemas de energia. .............................................................................................................. 19

2.7.1. Estrutura do sistema de energia elétrica. ........................................................................ 19

2.7.2. Sistemas monofásicos. ....................................................................................................... 21

2.7.3. Sistemas trifásicos.............................................................................................................. 21

2.7.4. Tipos de ligações em circuitos trifásicos .......................................................................... 21

2.7.5. Diagramas multifilares e unifilares.................................................................................. 22

2.7.6. Noções sobre proteção dos sistemas de energia .............................................................. 23

3. Normas brasileiras relativas aos sistemas de força e energia. .............................................. 29

4. Componentes do sistema de força e energia. .......................................................................... 29




4.1. Bateria. ................................................................................................................................... 29

4.2. Retificadores. ......................................................................................................................... 31

4.3. Inversores. .............................................................................................................................. 35

4.4. Chave estática de transferência ........................................................................................... 36

5. Nobreak ..................................................................................................................................... 36

5.1. Definição e princípio de funcionamento do Nobreak. ....................................................... 37

5.2. Tipos de Nobreak. ................................................................................................................. 37

5.3. Instalação e operação dos Nobreaks.................................................................................... 40

5.4. Manutenção e procedimentos de segurança. ...................................................................... 41

6. Bibliografia ................................................................................................................................ 42




1. Definição de sistemas de força e energia.

A eletricidade é a maneira mais fácil de transportar energia para a sua utilização nos

processo de produção, o seu surgimento se deu como alternativa para substituir a energia da

máquina a vapor. Na história da sociedade, a energia elétrica, desde a sua descoberta, sempre

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

econômico da qualidade do produto e dos serviços relacionados a ela. Com o tempo, o crescimento

dos setores produtivos no Brasil aumentou a demanda por esse tipo de energia superando, em

alguns momentos, a capacidade de crescimento do sistema de geração de energia. Isso levou

governo e sociedade a considerar outras formas de geração e cogeração de energia, além é claro, de

incentivar o consumo racional da mesma. O gráfico da Figura 1 apresenta uma estimativa de

crescimento da geração mundial de eletricidade por combustível, sendo estimado para os próximos

20 anos um crescimento superior a 50% na produção mundial de eletricidade. A eletricidade é a

forma de energia de uso final que mais cresce no período analisado (2006-2030) (Leão, 2009).

Figura 1- Geração mundial de energia elétrica (Leão, 2009)

De acordo com o Balanço Energético Nacional de 2009, ano base 2008, o consumo final

energético por fonte apresentado na Figura 2, mostra que a eletricidade representa 17,6% do

consumo final ficando a frente do óleo diesel – 17,3%, sendo, portanto, a primeira forma de energia

mais consumida no país. Ao longo dos anos, a eletricidade e o Diesel vem se revezando na ponta

dessa estatística.




Figura 2 - Consumo nacional energético por fonte. fonte: BEM-2008

No Brasil, dentre as fontes primárias e secundárias de energia a fonte hidráulica é a que mais

contribui para produção de energia elétrica (74,0%) estando os locais produtores em regiões quase

sempre distantes dos centros consumidores. Com isso são necessárias grandes extensões de linhas

de transmissão e instalações para repartir e distribuir a energia nos centros de consumo (Leão,

2009).

Figura 3 - estrutura de oferta da energia elétrica nacional. Fonte: BEM-2011

.

A eletricidade apresenta algumas características que a torna distinta de outros produtos,

como:

− dificuldade de armazenamento em termos econômicos;

− variações em tempo real na demanda, e na produção em caso de fontes renováveis;

− falhas randômicas em tempo real na geração, transmissão e distribuição;

− necessidade de atender as restrições físicas para operação confiável e segura da rede

elétrica.




As condições de não armazenamento e de não violação das restrições operativas impõem à

eletricidade sua produção no momento exato em que é requerida ou consumida fazendo com que o

dimensionamento do sistema elétrico seja determinado pelo nível máximo de energia demandada,

resultando em ociosidade dessas instalações durante o período de menor demanda.

O atendimento dos aspectos de simultaneidade de produção e consumo, exigindo instalações

dimensionadas para a ponta de carga, e a longa distância entre os locais de geração e os centros

consumidores pode ser traduzido pela necessária existência de um sistema de transmissão e de

distribuição longos e complexos, apoiados por uma estrutura de instalações e equipamentos que,

além de representar importantes investimentos, exigem ações permanentes de planejamento,

operação e manutenção, e estão como qualquer produto tecnológico sujeito à falhas.

Os sistemas elétricos são tipicamente divididos em segmentos como: geração, transmissão,

distribuição, utilização e comercialização. A oferta da energia elétrica aos seus usuários é realizada

através da prestação de serviço público concedido para exploração à entidade privada ou

governamental. As empresas que prestam serviço público de energia elétrica o fazem por meio da

concessão ou permissão concedidos pelo poder público (Leão, 2009). Em sequência ao estudo de

sistemas de foça e energia, faremos algumas considerações.

1.1. Energia

É a quantidade de trabalho que um sistema é capaz de fornecer, ela não pode se criada,

consumida ou destruída, mas pode ser transformada e transmitida de diferentes formas. Todas as

movimentações que ocorrem no universo podem gerar forças capazes de transformar a energia em

um encadeamento sucessivo, ou seja, em modalidades diferentes de energia (Cavalin, 2011). Para a

energia elétrica não é diferente, sua produção se dá de diversas formas e transformações e sua

quantificação é feita em quilowatt hora ou megawatt hora. Abaixo são listadas algumas formas de

energia.

- Energia mecânica (cinética e potencial);

- Energia elétrica;

- Energia térmica

- Energia luminosa;

- Energia sonora;

- Energia química;

- Energia atômica;

- Energia eólica;




1.2. Potência

É a quantidade de energia transferida por unidade de tempo, ela é medida em watt, quilowatt,

megawatt, etc. A potência pode ser medida a qualquer instante de tempo, enquanto a energia

precisa ser medida em um intervalo de tempo. Vale lembrar, que existem outras unidades de

medida de potência, por exemplo, o cavalo vapor, que é muito usado em menção a potência de

motores de automóveis.

1.3. Sistema de energia

É um termo técnico genérico que especifica um grupo de equipamentos eletromecânicos e

eletroeletrônicos que tem como objetivo, a geração, a conservação e a transformação de energia

elétrica. No grupo dos eletromecânicos estão os diversos tipos de geradores. No grupo dos

sistemas eletroeletrônicos encontram-se os nobreaks estáticos, shortbreaks, estabilizadores de

tensão, retificadores industriais, conversores cc-cc ou choppers, conversores de frequência,

reguladores chaveados, iluminação de emergência. No grupo dos sistemas eletromecânicos

estão os nobreaks dinâmicos, grupos geradores eletromecânicos, hidráulicos, térmicos e

nucleares e os reguladores eletromecânicos (Figueira, 2005).

1.4. Sistemas de força e energia

São sistemas que garantem força através de energia elétrica a um certo processo de

produção.

2. Conceitos básicos de energia (Geração)

A geração de energia elétrica acontece da transformação de outro tipo de energia, como já

visto anteriormente. Um bom exemplo de geração é uma máquina primária que transforma energia

de outra natureza em energia cinética de rotação e, através de um gerador elétrico acoplado a ela,

transforma a energia cinética de rotação em energia elétrica.

Para movimentar essas máquinas primárias, por exemplo, uma turbina, podemos utilizar

vários tipos de fonte, como queda-d’água (hidráulica), a propulsão a vapor (térmica), a queima de

combustível (gasolina, diesel, carvão) e pela fissão de materiais como o urânio (nuclear). Dessas

várias formas de geração de energia a mais econômica é a geração hidráulica.




A cogeração de energia elétrica é definida como processo de produção combinada de calor e

energia elétrica (ou mecânica), a partir de um mesmo combustível (ANEEL). A atividade de

cogeração contribui efetivamente para a racionalização energética, uma vez que possibilita maior

aproveitamento do combustível. Um bom exemplo de cogeração é o reaproveitamento dos resíduos

de energia de fornos ou caldeiras para a geração de energia elétrica, o que diminui as perdas e,

consequentemente, aumenta a eficiência dessa fonte de energia.

O sistema de geração é formado pelos seguintes equipamentos:

- Máquina primária;

- Geradores;

- Transformador e sistema de controle;

- Comando e proteção.

A máquina primária faz a transformação de qualquer tipo de energia em energia cinética de

rotação para ser aproveitado pelo gerador. As principais máquinas primárias utilizadas hoje são os

motores Diesel, motores a gasolina e a gás, turbinas hidráulicas (já referenciada anteriormente),

turbinas a vapor, turbinas a gás e turbinas eólicas.

Os geradores são equipamentos que transformam a energia cinética de rotação das máquinas

primárias em energia elétrica.

Os transformadores são máquinas elétricas estáticas utilizadas para compatibilizar os níveis

de tensão de saída do gerador ao nível de tensão do sistema.

Para interligar um grupo gerador a uma rede de transmissão é preciso evitar que a tensão de

saída do gerador varie mais que dez por cento, é preciso também, manter o sincronismo da rede

antes de comandar o fechamento da linha. Para tomar medidas como essas, é necessária a utilização

de equipamentos de comando e proteção, tais como TCs, TPs, relés e disjuntores. Esses

equipamentos e alguns outros, não listados, alocados em um quadro de comando e proteção

permitem supervisionar o funcionamento do sistema e atuar no caso de falha. Em um sistema

elétrico é preciso controlar também a frequência da tensão se saída do gerador, ela deve ser

constante. Falaremos mais a respeito dos componentes do sistema de energia em outras seções.

A potência elétrica de saída de um gerador é diretamente proporcional a potência mecânica

transmitida pela máquina primária através do seu eixo. Como a potência mecânica na ponta do eixo

de uma máquina girante é diretamente proporcional ao produto da velocidade de rotação e o torque

na ponta do eixo, ver Equação 1. Observe que se o sistema necessitar de mais potência o gerador

deverá entregar mais potência, requisitando da máquina primária mais torque .




Equação 1

Em que:

é uma constante de proporcionalidade;

é o torque na ponta do eixo;

é a velocidade de rotação.

2.1. Geração hidráulica

Na geração de energia elétrica hidráulica uma tensão alternada é produzida, a qual é

expressa por uma onda senoidal, com frequência fixa e amplitude que varia conforme a modalidade

do atendimento em baixa, média ou alta tensão. Essa onda senoidal propaga-se pelo sistema elétrico

mantendo a frequência constante e modificando a amplitude à medida que trafega pelos

transformadores. Os consumidores conectam-se ao sistema elétrico e recebem o produto e o serviço

de energia elétrica. São itens de uma geração hidráulica:

Figura 4 - Geração hidráulica

2.1.1. Barragens

A barragem tem como finalidade represar a água, possibilitando a concentração de uma

grande quantidade de energia potencial.

2.1.2. Condutos fechados




Também chamado de tomadas de água, sai da barragem e vai até a turbina na casa de força.

Ele varia de diâmetro em função da potência da turbina, a qual está acoplada ao gerador. No caso da

usina hidroelétrica de Itaipu, o conduto fechado tem 10,5m de diâmetro interno.

Figura 5 - Vista em corte da usina de Itaipu (Cavalin, 2011)

2.1.3. Casa de força

Cada conduto vai a uma turbina, que está acoplada a um gerador. A quantidade de energia

gerada na saída do gerador depende da capacidade do gerador. Ou seja, o “tamanho” do gerador é

calculado em função da quantidade de energia que vai ser gerada para atender a uma determinada

comunidade, região ou cidade (Cavalin, 2011).

Figura 6-Geração-Casa de força




2.2. Termelétricas

As máquinas a vapor foram as primeiras máquinas a produzirem energia mecânica

aproveitável para processos industriais. Com o aparecimento da eletricidade, as máquinas a vapor se

tornaram peças fundamentais para a geração de energia elétrica, uma vez que já existia o domínio

dessa tecnologia. As instalações de potência com turbinas a vapor podem visar apenas à obtenção

de energia elétrica ou mecânica e vapor para o processo.

O funcionamento de uma planta de potência a vapor é baseado no aquecimento de água

através da queima de algum combustível, sólido ou gasoso, entre os sólidos temos: os minerais,

geralmente, o carvão, e, os não-minerais, a lenha, a serragem e o bagaço de cana de açúcar. Os

combustíveis líquidos são os refinados do petróleo ou do xisto betuminoso. Os combustíveis

líquidos não-minerais são os álcoois e os óleos vegetais. Por fim, como combustíveis gasosos,

temos como exemplo, os gases do pântano e os gases de petróleo.

A instalação básica de uma plana geradora de energia a vapor é composta por:

- Bomba;

- Caldeira;

- Turbina;

- Condensador.

A combustão ocorre na caldeira, dentro da câmara de combustão, onde são injetados o combustível

e o comburente (ar), gerando gases e cinzas. A liberação de energia térmica devido a queima do

combustível aquece a água na caldeira até evaporar. Uma vez na tubulação um superaquecedor

eleva a temperatura do vapor aumentando assim a pressão para entrar na turbina. Ao passar pela

turbina o vapor perde pressão e vai para o condensador onde volta ao estado líquido, sendo

bombeado de volta a caldeira. A turbina é a máquina que transforma a energia da pressão do vapor

em energia cinética de rotação e, através de um eixo de acoplamento, transmite essa energia para o

gerador.




Figura 7 – Esquema de uma termoelétrica

2.3. Termonucleares

As usinas termonucleares funcionam utilizando o mesmo princípio de funcionamento das

usinas térmicas, ou seja, as máquinas que entregam energia para o gerador são as turbinas a vapor, a

diferença, é que ao invés de uma reação química de combustão, temos uma liberação de energia a

nível atômico.

A energia de coesão é a energia acumulada pelas forças no núcleo do átomo e essa energia é

liberada durante a reação nuclear. Alguns átomos de urânio (de natureza pesados) são instáveis e

tendem a emitir alguns de seus componentes para torna-se estáveis, nesse caso o núcleo é radioativo

e a energia liberada é a radiação.

A maioria dos reatores nucleares usa como combustível o urânio enriquecido. O urânio,

normalmente em forma de óxido, encontra-se acondicionado em longas hastes, alojadas

paralelamente, formado elementos cilíndricos. Ao se fissionarem seus núcleos liberam nêutrons

com alta energia para que possam ser usado em novas fissões de núcleos. Hastes de controle

regulam a reação em cadeia e assim a energia produzida. O calor gerado nessa reação é absorvido

no circuito de refrigeração.




Figura 8 - hastes de Urânio

Dois são os tipos de reatores nucleares modernos.

- O Primeiro, utiliza grafite como moderador e um gás como refrigerador;

- O segundo, utiliza água pesada como moderador e a água comum pressurizada como

refrigerante. Em ambos, o fluído refrigerante passa através dos trocadores de calor que contém água

comum com o intuito de se transformar em vapor, vapor esse, que moverá a turbina e, que por sua

vez produzirá a eletricidade.

Em muitos países o uso da energia nuclear chega a superar sessenta por cento da matriz

energética local.

2.4. Turbinas a gás

As primeiras turbinas a gás foram idealizados a mais de 150 anos. No entanto o

desenvolvimento e a implementação dessas tecnologias foi dificultada por uma série de motivos.

- A máquina a vapor era o grande avanço da engenharia da época;

- O excesso do número de estágios do turbo compressor, a potência para instalações

estacionárias eram limitada.

- baixo rendimento dos compressores resultava em baixo rendimento da instalação.

A indústria aeronáutica tem grande mérito no desenvolvimento das turbinas a gás, na busca

do aumento da velocidade dos aviões, o que permitiu chegar ao desenvolvimento das turboélices e

turbojatos.

As instalações de turbinas a gás, de forma geral, podem ser classificadas em dois grupos:




- Turbinas a gás em circuito aberto. Elas podem ser com ou sem recuperação. Seu

funcionamento é baseado no princípio de funcionamento dos motores a reação. Um gás de escape

sai devido a diferença de pressão entre o interior e o exterior, transformando energia cinética de

escape em energia cinética de rotação que será transmitida a um gerador através do eixo acoplado as

hélices. Em um ciclo simples da turbina, o ar a baixa pressão entra em um compressor onde tem sua

pressão elevada. O combustível é acionado ao ar comprimido e enviado à câmara de combustão

onde ocorre o processo de combustão. O produto dessa combustão entra na turbina e se expande

para o último estagio. Uma parte do trabalho produzido é utilizada para fazer o compressor

funcionar e o restante é utilizado para fazer funcionar o equipamento auxiliar e produzir energia

elétrica. O ciclo de Bryton descreve um ciclo simplificado de uma turbina a gás. são elas:

- Compressão adiabática;

- Aquecimento isobárico;

- Expansão adiabática;

- Resfriamento isobárico.

- Turbinas a gás com circuito fechado. A combustão ocorre fora do circuito e o

funcionamento é semelhante ao das turbinas a vapor, com a diferença que o fluido utilizado é um

gás, ar ou gás com hélio, por exemplo. No circuito fechado não se usa o gás como combustível. A

combustão é feita com qualquer produto combustível com a intenção de fornecer energia térmica ao

sistema. O gás é utilizado apenas como fluído que transforma a energia térmica em energia cinética

para tocar as turbinas. Esse tipo de turbina utiliza o ciclo básico teórico de Carnot com duas

isotérmicas e duas adiabáticas, que é aproximado na prática pelo circulo de Ackeret e Keller onde a

compressão isotérmica é substituída por compressões adiabáticas e refrigeração isobárica enquanto

a expansão isotérmica é substituída por expansões adiabáticas e aquecimentos isobáricos.

Figura 9 - Turbina a vapor




2.5. Turbinas eólicas

Uma turbina eólica obtém potência convertendo a força dos ventos em um torque que atua

nas pás do rotor. A quantidade de energia que o vento transfere para o rotor depende da densidade

do ar, da área do rotor, e da velocidade do vento. Esta última é extremamente importante para a

qualidade da energia que uma turbina pode converter para energia elétrica, pois a energia do vento

varia com o cubo da velocidade média do mesmo.

Para captar a energia cinética do vento e transferir para a flange do rotor transformando e

energia cinética de rotação, as pás do rotor são desenhadas conforme asas de um avião. A flange do

rotor é ligada a um eixo de baixa rotação, onde estão localizadas as bombas para os sistema

hidráulico que opera o frio aerodinâmico, é acoplada a um ampliador. O ampliador é um dispositivo

mecânico que transmite potência através de dois eixos girando em velocidades diferentes. Um eixo

de alta rotação interliga o ampliador e o gerador. O gerador usado nas turbinas eólicas é um gerador

de indução ou assíncrono o, que o torna o gerador eólico mais barato. Um controlador eletrônico é

utilizado para manter a turbina sempre na posição perpendicular a incidência de vento, isso através

de um motor elétrico. Por fim, vale lembrar que o papel da torre da turbina eólica (geralmente de 40

a 60m) é sustentar o corpo e o rotor da turbina.

Figura 10 - Turbina eólica

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