características geradores-equipamentos uhe

8/18/2019 Características Geradores-equipamentos UHE

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INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

Curso de Engenharia Elétrica

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MÁQUINAS ELÉTRICAS – 2015-2

Alunos:

Gabriel Batista

Gabryel Silva

Jean Carlos Sodré

Lucas Barcelos Mendes

Renato Pereira

Vinícius Almeida

Wandercleyson Scheidegger

Vitória - ES

07 de dezembro de 2015


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CARACTERÍSTICAS DOS GERADORES E EQUIPAMENTOS PARA A

GERAÇÃO HIDRELÉTRICA


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SUMÁRIO

1. Introdução ....................................................................................................................... 4

2. Desenvolvimento.............................................................................................................5

2.1 Turbinas ........................................................................................................................... 5

2.1.1 Turbinas Kaplan ............................................................................................................ 7

2.1.2 Turbinas Francis ........................................................................................................... 8

2.1.3 Turbinas Pelton ............................................................................................................ 9

2.1.4 Turbinas Bulbo/Poço .................................................................................................. 10

2.2 Geradores ...................................................................................................................... 12

2.3 Outros Equipamentos ................................................................................................... 15

2.3.1 Transformadores ........................................................................................................ 15

2.3.2 Motores elétricos ....................................................................................................... 16

2.3.3 Reguladores................................................................................................................ 16

3. Conclusão.......................................................................................................................17

4. Bibliografia.....................................................................................................................18


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1 – INTRODUÇÃO A energia hídrica é a fonte de energia renovável mais importante no

planeta atualmente. A geração hidrelétrica está presente em 150 países,

contribuindo para geração de 20% da eletricidade produzida no mundo. As

usinas mais modernas podem converter, hoje, mais de 95% da energia

disponível em rios em eletricidade. E este sistema de geração é um dos mais

limpos na atualidade, tendo grande potencial para operar um papel importante

na busca da contenção das mudanças climáticas e impactos ambientais, pois

possui desprezíveis taxas de emissão dos gases do efeito estufa e produção de

resíduos sólidos. Além disso, a flexibilidade e a capacidade de armazenamento

das usinas fazem delas um meio eficiente e econômico para dar suporte ao

emprego de outras fontes de energia renovável, como a eólica e a solar.

Uma usina hidrelétrica é composta de reservatório, da casa de força e da

subestação elevadora. O reservatório é formado pelo represamento das águas

do rio, por meio da construção de uma barragem. A figura a seguir ilustra o

esquema de uma usina hidrelétrica.

Figura 1. Diagrama geral de uma usina hidrelétrica

Na barragem é construído o vertedor da usina, por onde sai o excesso de

água do reservatório na época das chuvas. A casa de força é o local onde são

instalados os equipamentos que vão produzir a energia. Na subestação

elevadora são instalados os transformadores elevadores, onde a energia elétrica

tem suas características transformadas para melhor transportá-la através das

linhas de transmissão.


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A produção de energia elétrica ocorre em várias etapas.

Usualmente, o que ocorre é: primeiramente, capta-se água em um reservatório.

Então, esta é conduzida sob pressão por tubulações forçadas até a casa de

máquinas, onde estão instaladas as turbinas e os geradores. A turbina,sucessora das antigas rodas d’água, é formada por um rotor ligado a um eixo. A

pressão da água sobre as pás do rotor da turbina produz um movimento giratório

do eixo da turbina, transformando a energia hidráulica em um trabalho mecânico,

que por sua vez aciona o gerador. O gerador, em modo geral, é um equipamento

composto por um eletroímã e por um fio bobinado. O movimento do eixo da

turbina produz um campo eletromagnético dentro do gerador, provocando o

aparecimento de uma corrente elétrica.O presente trabalho tem por objetivo geral discorrer sobre os diferentes

equipamentos utilizados no processo de geração de energia por fonte hídrica,

suas características, apresentar exemplificações e curiosidades afins.

2 – DESENVOLVIMENTO2.1 – TURBINAS

Existem vários tipos de turbinas hidráulicas, com várias aplicações,rendimento e histórico. Através da evolução e estudo de rodas de água dos

antigos engenhos, que ainda encontramos em pequenos sítios, que originou as

atuais turbinas hidráulicas, sendo que a principal diferença está no sistema

fechado das turbinas, onde a água é levada por um tubo de grande pressão que

permite a roda girar em grande velocidade.

Segundo a ABNT, as turbinas hidráulicas são classificadas em turbinas

de ação e de reação. Nas de ação, a energia hidráulica disponível é

transformada em cinética e posteriormente se transforma em energia mecânica,

quando incide nas pás do rotor. Já nas de reação, o rotor é totalmente submerso

na água e com o escoamento da água ocorre a diminuição da velocidade e

pressão entre a saída e a entrada do rotor. A figura 1 apresenta um histórico das

turbinas no mundo.


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Figura 2 - Histórico das Turbinas

As turbinas hidráulicas possuem um princípio comum de funcionamento.

A água entra na turbina vinda de um reservatório ou de um nível mais alto e

escapa para um canal de nível mais baixo. A água que entra é conduzida por um

duto fechado até um conjunto de palhetas ou injetores que transferem a energia

mecânica (energia de pressão e energia cinética) do fluxo de água em potência

de eixo. A pressão e a velocidade da água na saída são menores que na entrada.

A água que sai da turbina é conduzida por um duto até um canal inferior.

O eixo do rotor da turbina é suportado por mancais de escora e contra-

escora axialmente e radialmente por mancais de guia. As palhetas podem ser

fixas no rotor ou estáticas e podem ser ajustadas para controlar a velocidade de

rotação ou o fluxo e a potência gerada.

As principais causas de uma diminuição na eficiência das turbinas são as

perdas hidráulicas e mecânicas. Hoje em dia, a eficiência de uma turbina

hidráulica está em torno de 85 a 95%. As turbinas hidráulicas são encontradas

em hidrelétricas e são acopladas em geradores que transformam a potência de

eixo em potência elétrica.

As turbinas acionam diretamente os geradores de energia elétrica, de

modo que, naturalmente, ambos têm o mesmo número de rotações. Mas nos

alternadores, pela forma como são construídos, existe uma dependência entre o

número de pares de pólos (p), o número de rpm(n) e a frequência em Hz (f) na

forma:


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=60 ∗

As turbinas de grandes potências tem baixa rotação real de modo a

reduzir a complexidade dos problemas de estabilidade mecânica, momentos nosmancais e a melhorar as condições para a regularização do movimento.

Também, por razões construtivas, empregam-se, como visto, baixa velocidade

real para turbinas de elevado ns e altas rotações reais para pequenos valores de

ns.

2.1.1 – TURBINAS KAPLAN

São máquinas de eixo vertical ou horizontal projetadas com rotor Kaplan

que possui pás móveis, permitindo sua regulação conjugada com a vazão dodistribuidor.

Este tipo de turbina opera em uma ampla faixa de vazões, alcançando

melhor desempenho na curva de rendimento com cargas parciais. Indicadas

para operar em baixas quedas, até 60m, porém com grande volume de água.

Podem ser do tipo tubular "S" montante ou jusante de eixo horizontal ou

vertical.

Figura 3 - Turbina Kaplan de 8m de diâmetro e 300 toneladas - Wanapum, USA


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Figura 4 - Modelo 3D

2.1.2 – TURBINAS FRANCIS

São máquinas projetadas com rotor simples para eixo vertical ou

horizontal, ou com rotor duplo para eixo horizontal.

Este modelo de turbina é o que permite sua instalação em maior faixa de

aplicação relacionado à queda/vazão. São adequadas para operar entre quedas

de 10m até 200m.


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Figura 6 - Usina de Três Gargantas na China

A usina de Três Gargantas na China (Figura 5), considerada a maior usina

do mundo, possui em sua maioria, turbinas do tipo Francis.

2.1.3 – TURBINAS PELTON

Caracteriza-se por um rotor com pás em formato de conchas e por uma

tubulação de adução que alimenta um ou mais injetores. A posição do eixo pode

ser vertical ou horizontal.

Este tipo de turbina é projetado para operar em altas quedas e baixas

vazões, entre 200m até 1.100m.


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Gilgel Gibe II (Figura 7) é atualmente a usina hidrelétrica mais potente da

Etiópia, com uma capacidade instalada de 420 MW. O projeto aumentou a

capacidade hidrelétrica instalada da Etiópia em mais de 50%. Antes de a usina

Gilgel Gibe II entrar em funcionamento, apenas 15% das vilas da Etiópia estavam

conectadas à rede elétrica. Atualmente, metade das zonas rurais tem acesso à

energia elétrica.

Figura 8 - Usina de Gilgel Gibe II - Etiópia

2.1.4 – TURBINAS BULBO / POÇO


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A maior eficiência em cargas máximas, além da maior

capacidade de vazão das turbinas bulbo e poço proporcionam maiores

vantagens em comparação com as turbinas Kaplan verticais. Na avaliação geral

de um projeto de baixa queda (até 30 m), a aplicação de uma turbina bulbo/poçopermite alcançar uma maior produção anual de energia, além de custos relativos

de fabricação mais baixos. A Voith já comissionou, com sucesso, turbinas com

diâmetros de rotor de até 8,5 m e potências de até 80 MW.

As turbinas bulbo podem funcionar como turbinas ou como bombas e são

empregadas em usinas maré-motrizes.


Com quatro turbinas tipo bulbo, A Usina de Baguari (Figura 9) fornece um

total de 140 MW de energia para a rede brasileira. As máquinas dessa usina

foram completamente fabricadas no Brasil.


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Figura 10 - Usina Baguari - Minas Gerais

2.2 – GERADORES

Pode-se utilizar vários tipos de geradores para geração de energia elétrica

em hidrelétricas. Alguns deles são, gerador assíncrono, gerador bulbo (utilizado

em turbinas de tipo bulbo, como citada no tópico 2.1.4) e o gerador - motor.

Os hidros geradores são usualmente divididos em dois tipos, horizontal e

vertical. Sendo que para unidades de grande e médio porte é utilizado vertical epara unidades de pequeno porte é utilizado horizontal. E eles podem ser

resfriados por água ou por ar.

Já os modos de excitação dos geradores podem ser classificados como

excitação sem escovas e excitação com escovas. A escolha de um gerador

horizontal ou vertical é dependente do tipo de turbina que será utilizada.


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Figura 12 – Hidrogerador típico vertical.

Em algumas hidrelétricas de pequeno porte podem serencontrados geradores de 6 a 36 polos com nível de tensão de até 13,8kV. Jápara usinas de grande porte são utilizados geradores que podem ter mais de 70polos e possuir níveis de tensão mais elevados. Um exemplo são as unidadesgeradoras das usinas de Itaipu e de Três Gargantas que possuem os maiores


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geradores resfriados à água do mundo, chegando a mais de 800MVA de potência. A seguir, uma tabela referente às unidades geradoras deItaipu:

Tabela 1: Características das unidades geradoras da usina hidrelétrica de ItaipuQuantidade 20 unidades

Freqüência 60 Hz 10 unidades

Freqüência 50 Hz 10 unidades

Potência nominal 50/60 Hz 823,6/737,0 MVA

Tensão nominal 18 kV

Número de pólos 50/60 Hz 66/78

Momento de inércia - GD2 320.000 t.m²

Fator de potência 50/60 Hz 0,85/0,95

Peça mais pesada – rotor 1.760 t

Peso de cada unidade 50/60 Hz 3.343/3.242 t

Fonte: Itaipu binacional

Abaixo temos algumas especificações das unidades geradoras da usina de belo

monte.

Número de turbinas na Casa de Força Principal: 18 geradoras do tipo Francis

Potência unitária das turbinas da Casa de Força Principal: 611,1 MW

Número de turbinas na Casa de Força Complementar: 6 turbinas do tipo

bulbo

Potência unitária das turbinas da Casa de Força Complementar: 38,85 MW

Na figura 12 é possível observar um histórico dos hidro geradores no

mundo, mostrando sua forma de construção (horizontal ou vertical) assim como

sua forma de resfriamento (água ou ar), o local construído e a data e sua

capacidade em MVA.


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Figura 13 – Histórico de geradores

2.3 – OUTROS EQUIPAMENTOS

Além das turbinas e dos geradores que atuam diretamente na geração de

energia, as usinas hidrelétricas são dotadas de diversos equipamentos que são

essenciais na conversão e distribuição de energia e na automatização e controle

da geração. Alguns dos equipamentos utilizados com essas finalidades, são:

Transformadores

Reguladores


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Motores elétricos

2.3.1 Transformadores

A energia gerada pela usina é conduzida para uma subestação onde os

transformadores realizam a elevação da tensão. Busca-se manter o

transformador o mais próximo possível da unidade geradora, o que contribui na

redução de custos. Após a elevação da tensão, a energia elétrica é transmitida

às linhas de distribuição com destino ao consumidor final, isto após ser

reconduzida a um nível de tensão adequado. Os transformadores utilizados

nesse tipo de operação chegam a possuir centenas de MVA de potência. A figura

a seguir mostra um transformador de força da fabricante WEG.

Fonte: Site WEG

Figura 114. Transformador de força

2.3.2 Motores elétricos

São utilizados para serviços auxiliares, tais como: acionar bombas do

sistema de refrigeração, acionar bombas de circulação de óleo nos mancais e

nos reguladores da turbina etc. A alimentação dos motores usados para essas

funções pode ser obtida a partir do próprio gerador, sendo que, o chamado

transformador de serviço, abaixa a tensão a um nível que possa ser usada nos

serviços auxiliares. Neste caso, o transformador de serviço deve possuir


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regulação automática de tensão, evitando que as variações

causadas pela demanda da rede interfiram na execução dos serviços acima

mencionados.

2.3.3 Reguladores

Os reguladores são utilizados para controlar a potência elétrica do

conjunto, esses dispositivos podem ser de tensão e de velocidade. Nos

reguladores de tensão é feito o controle da tensão nos terminais do gerador

atuando diretamente na tensão (e, portanto, na corrente) aplicada nos

enrolamentos rotor (enrolamento de excitação). Nos reguladores de velocidade

controla-se a frequência, através da variação de potência, atuando na válvula de

entrada de água da turbina.

3 – CONCLUSÕES

Visto os diversos tipos de equipamentos apresentados, conclui-se que,

para a geração de energia, as características desses equipamentos podem se

mostrar bastante diversificadas e diferentes das que são vistas rotineiramente

em laboratórios, sendo que, a maioria, apresenta valores nominais elevados,

sejam eles de tensão, potência ou mesmo na quantidade de polos da máquinageradora. Portanto, a escolha dos elementos que vão compor uma usina

hidrelétrica deve ser criteriosamente estudada, levando em consideração as

características do modelo de usina escolhida e limitações do projeto, como por

exemplo, o espaço disponível para alocação dos aparelhos.


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4 – BIBLIOGRAFIA

DOS REIS, L. B. Geração de Energia Elétrica: tecnologia, inserção ambiental,planejamento, operação e análise de viabilidade. 3 ed. Barueri, São Paulo,Editora Manole, 2003.

Schreiber, G. P. Usinas Hidrelétricas. Editora Edgard Blucherd, São Paulo,Brasil, 1987.

Catálogo WEG. Disponível em: http://ecatalog.weg.net. Acesso em 08/12/2015.

Itaipu Binacional. Disponível em: https://www.itaipu.gov.br/energia/casa-de-forca>. Acesso em 08/12/2015.

Norte Energia S.A. Disponível em: < http://blogbelomonte.com.br>. Acesso em09/12/2015.

ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica. Disponível em:. Acesso em: 08/12/2015.

Voith Hydro Power. Disponível em:.Acesso em: 8 DEZ. 2015.

COSTA, A. S., Turbinas Hidráulicas e Condutos Forçados. Universidade Federalde Santa Catarina, Florianópolis, Brasil, 2003.

Soares Júnior, Ricardo Luiz, Projeto conceitual de uma turbina hidráulica a serutilizada na usina hidrelétrica externa de Henry Borden, 1ª edição, Rio deJaneiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2013.

Addnew smarter & clean power. Disponívelem:

WEG Soluções em geração de Energia. Disponivel em:http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-solucoes-em-geracao-de-energia-

usinas-hidreletricas-uhe-50039896-catalogo-portugues-br.pdfVoith generators. Disponivel em:http://voith.com/en/2013-05-27_voith_generators.pdf

Voith Small Hydropower plants. Disponível em:< http://voith.com/en/products-services/hydro-power/small-hydro-power-plants-552.html>

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