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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
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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
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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.
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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.
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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;
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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.
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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 .
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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
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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
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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.
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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.
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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:
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- 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
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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