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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ESTUDO DOS GRUPOS GERADORES SÍNCRONOS

Área de Ciências Exatas e Tecnológicas

por

Fernando Costa Benedito Piveta

Geraldo Peres Caixeta

Orientador

Campinas (SP), Dezembro de 2010

i

UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ESTUDO DOS GRUPOS GERADORES SÍNCRONOS

Área de Ciências Exatas e Tecnológicas

por

Fernando Costa Benedito Piveta

Relatório apresentado à Banca Examinadora do

Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia

Elétrica para análise e aprovação.

Orientador: Geraldo Peres Caixeta.

Campinas (SP), Dezembro de 2010

ii

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho a minha esposa Cristiane, incansável

colaboradora, e a toda minha família, por todo amor e

apoio nas horas mais difíceis da minha vida.

iii

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus e ao professor, Geraldo P. Caixeta

pelo apoio no desenvolvimento deste trabalho.

Agradeço aos colegas de graduação, por todos os

momentos vividos durante os cinco anos de curso.

Agradeço aos colegas de trabalho da INFRAERO

pelo constante suporte e compreensão.

iv

SUMÁRIO

Lista de Siglas.............................................................................................. ...............................v

Lista de Figuras......................................................................................... .................................vi

Lista de Tabelas.......................................................................................................................viii

Resumo......................................................................................................................................ix

Abstract............................................................................................................................. ..........x

1.Introdução................................................................................................................................1

1.2 Objetivo Geral.................................................................................................................2

1.3 Objetivos específicos............................................................................................................2

1.4 Metodologia..........................................................................................................................2

1.5 Estrutura do Trabalho...........................................................................................................3

2. Definição de Máquina Síncrona.............................................................................................4

2.1 Princípio de Funcionamento...........................................................................................4

3. Características Construtivas dos Geradores Síncronos...........................................................7

4. Princípio de Operação...........................................................................................................17

4.3 Circuito Elétrico Equivalente........................................................................................19

4.4 Diagramas Fasoriais......................................................................................................20

4.7 Operação em Paralelo...................................................................................................25

4.7.3 Sincronoscópio...........................................................................................................28

5. Grupos Geradores.................................................................................................................31

5.1 Controle de Freqüência de Grupos Geradores..............................................................32

5.2 Painéis de Transferência...............................................................................................39

5.3 Chaves de Transferência...............................................................................................41

5.4 Proteção........................................................................................................................42

6. Aplicação de Grupos Geradores...........................................................................................44

6.1 Co-Geração e Sistema de Tarifação Brasileiro de Energia...........................................45

7. Estudo de Caso Para Co-Geração.........................................................................................50

8. Conclusão............................................................................................................................. .53

8.1 Referências Bibliográficas..................................................................................................54

V

Lista de Siglas

Weg Fabricante de Geradores e Motores

Nr Número de ranhuras

TP Distância entre os pólos

Q Número de bobinas por pólo

RPM Rotações por minuto

Gerador Brushless Sem escovas

Ef Tensão de excitação interna do rotor

Xs Reatância síncrona

Ra Resistência de armadura

Ia Corrente na armadura

VT Tensão no terminal do gerador

USCA Unidade de Supervisão de Corrente Alternada

CLP Controlador Lógico Programável

Led’s Light Emission Diode

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

vi

Lista de Figuras

Figura 1 –Principio de funcionamento de um gerador


Figura 3 –Distribuição Magnética sob um pólo

Figura 4 –Chapa ranhurada (60cm)

Figura 5 –Enrolamento

Figura 6 –Rotor

Figura 7 –Rotor pólo saliente

Figura 8 –Rotor pólo liso

Figura 9 –Modelo de funcionamento do sistema de excitação

Figura 10 –Imãs permanentes no estator

Figura 11 –Sistema auto-excitação

Figura 12 –Regulador de Tensão

Figura 13 –Gerador Síncrono completo

Figura 14 –Comparação entre o sistema brushless e com escovas

Figura 15 –Operação a vazio

Figura 16 –Operação com carga

Figura 17 –Circuito elétrico equivalente

Figura 18 –Diagrama fasorial






Figura 24 –Diagrama de capability

Figura 25 –Gráfico representativo de ensaio a curto-circuito

Figura 26 Esquema de Geradores em paralelo

Figura 27 Defasagem

Figura 28 Barramento Infinito

Figura 29 Modelo de um sincronoscópio

Figura 30 Modelo didático de um sincronoscópio

Figura 31 Grupo Gerador modelo MT Mercedes Benz

vii

Figura 32 Bomba injetora de um motor diesel

Figura 33 Diagrama de blocos

Figura 34 Governador mecânico

Figura 35 Governador hidráulico

Figura 36 Governador eletrônico

Figura 37 Governador eletrônico- digital

Figura 38 Gráfico de comparação de resposta em função do tempo

Figura 39 CLP- Stemac Modelo ST 2000

Figura 40 Diagrama de força, de uma chave de transferência

viii

Lista de Tabelas

Tabela 01 Funções do CLP ST 2000

Tabela 02 Tarifa horo-sazonal Azul

Tabela 03 Tarifa horo-sazonal Verde

Tabela 04 Tarifa convencional

Tabela 05 Geradores utilizados na co-geração

Tabela 06 Dados da conta de energia de Janeiro de 2010

Tabela 07 Comparação entre as tarifas verde e azul

Tabela 08 Comparação entre a tarifas azul e utilização dos grupos geradores

ix

Resumo

PIVETA, Fernando Costa Benedito. Estudo dos Grupos Geradores Síncronos. Campinas,

2010. no f.54- Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas,

2010.

Com o crescimento econômico, empresas e governos buscam cada vez mais soluções

em energia elétrica, seja qual for a fonte primária, o uso do gerador de corrente alternada será

o elemento central de todas as discussões e estudos, a fim de encontrar uma solução para uma

economia moderna e cada vez mais dependente da eletricidade.

Este documento foi desenvolvido com o propósito de explanar os aspectos construtivos

e operacionais de geradores síncronos onde o assunto é abordado de forma simples, levando

em consideração conceitos gerais e práticos, não tratando cálculos específicos profundos para

dimensionamento de máquinas síncronas.

Também é estudada a aplicação de grupos geradores em paralelo em indústrias e

comércios com a finalidade de minimizar os custos na conta de energia e eventuais

interrupções ocorridas na concessionária de energia elétrica.

Para entender este estudo, utiliza-se à como exemplo a empresa INFRAERO, Aeroporto

Internacional de Viracopos que tem em suas instalações 18 grupos geradores com potências

que variam de 30 a 750 kVA que são utilizados apenas como fonte de energia de emergência.

Palavra chave – Grupos Geradores, máquinas síncronas, paralelismo.

x

ABSTRACT

PIVETA, Fernando Costa Benedito. Group synchronous generators: Constructive and

operational aspects.. Campinas, 2010. no f.54 - Completion of course work, Saint Francis

University, Campinas, 2010.

With economic growth, private companies and governments increasingly seek

energy sources electric, whatever the primary source, using the power generator AC Will be

the Center of all discussion and studies to find a solution to a modern economy and

increasingly dependent on electricity.

This document was developed in order to explain aspects of construction and

operation of synchronous generators.

The subject is approached in a simple, taking into consideration general concepts

and practical, specific calculations untreated deep for design of synchronous machines.

It is also studying the application of group Power generator in parallel in industries

and trades in order to minimize the energy stops occurring in any problems with the electric

utilities.

To understand this study, is used as an example to the company Infraero, Viracopos

International Airport which has at its facilities 18 group generator with power ranging from

30 a 750 kVA which are used only to supply emergency power.

Keywords – Power Group Generators, synchronous machines.

1

Capítulo 1 - Introdução

1.1 Contextualização

Se confirmadas as previsões do Fundo Monetário Internacional, em 2020 o Brasil será a

5º maior potência econômica do mundo, estará a frente de Itália, Reino Unido e França,

conseqüentemente o consumo de energia elétrica crescerá e exigirá investimentos em toda

cadeia produtiva de eletricidade.

Qualquer aspiração de progresso, crescimento econômico e modernização, passa pela

necessidade de investimento em um importante componente: O gerador de energia elétrica.

A evolução tecnológica que a cada dia disponibiliza serviços e produtos voltados para a

qualidade de vida, sendo todos dependentes do uso de energia elétrica, também acrescenta

problemas que resultam na busca de soluções cada vez mais elaboradas.

Os desafios que se apresentam, estimulam o desenvolvimento de novas alternativas,

causando mais dependência de fontes de energia de alta confiabilidade.

Com o intuito de demonstrar os aspectos construtivos e novas tecnologias

implementadas em grupos geradores, este trabalho fornece as utilidades e ferramentas para o

conhecimento deste importante componente da economia moderna.

A metodologia implementada visa buscar a compreensão da necessidade de utilização

dessas tecnologias no dia a dia de uma indústria ou comércio em geral, buscando atender de

forma eficiente todas as necessidades possíveis.

No entanto, este trabalho tem a pretensão de analisar o assunto e interpretar

de forma simples, apresentando características, funções, aplicações, além do rendimento e

custo benefício do equipamento, tendo como base a instalação elétrica do Aeroporto

Internacional de Viracopos localizado em Campinas-SP, no qual possui vários grupos

geradores que são utilizados apenas para suprimento de energia emergencial, porém se fossem

utilizados para co-geração proporcionaria uma grande economia na conta de energia.

.

2

1.2 Objetivo Geral

O objetivo deste trabalho é apresentar os principais conceitos e aspectos construtivos de

geradores síncronos utilizados para geração de energia elétrica emergencial e co-geração.

1.3 Objetivos Específicos

São objetivos específicos deste projeto:

- Estudar as principais características de sistemas de excitação de geradores.

- Estudar as principais vantagens e desvantagens entre geradores com escova e sistema

brushless.

- Estudar as características de operação de geradores.

- Estudar os principais mecanismos de controle de freqüência em grupos geradores.

- Efetuar estudo de viabilidade econômica para utilização de grupos geradores para co-

geração no horário de ponta no Aeroporto Internacional de Viracopos- Campinas-SP.

1.4 Metodologia

O trabalho seguiu as seguintes etapas;

- Etapa 1: Levantamento Bibliográfico sobre os aspectos construtivos de geradores

síncronos.

- Etapa 2 :Levantamento Bibliográfico sobre os modos de operação de geradores.

- Etapa 3: Estudo dos 18 Grupos Geradores instalados no Aeroporto Internacional de

Viracopos para fins de definição dos principais mecanismos de controle de freqüência.

-Etapa 4 Estudo de viabilidade economia para implantação de co-geração no Aeroporto

Internacional de Viracopos- campinas.

3

1.5 Estrutura do Trabalho

No primeiro capítulo é apresentado a introdução e objetivos gerais, específicos e

metodologia utilizada para conclusão.

No segundo capítulo é apresentado a definição de máquina síncrona e o principio de

funcionamento.

No terceiro capítulo é apresentado as características construtivas de pólos lisos, pólos

salientes, estatores, enrolamentos e comparação entre geradores com escovas e geradores

brushless.

No quarto capítulo é apresentado as características de operações, vazio, com cargas

capacitivas, indutivas e resistivas, bem como a operação em paralelo entre vários geradores.

No quinto capítulo é apresentado as características de grupos geradores, no quesito

motores, controladores de velocidade, painéis de transferência e proteção.

No Sexto Capítulo é apresentado as formas de aplicação de Geradores, dando ênfase ao

sistema mais complexo que é a co-geração, estudando assim as 3 principais tabelas do sistema

de tarifação brasileiro.

No Sétimo capítulo é efetuado um simples estudo de caso, visando a demonstração de

viabilidade econômica na implantação de co-geração com grupos geradores no Aeroporto

Internacional de Viracopos- Campinas-SP.

No oitavo capítulo, o trabalho é concluído apresentando a utilidade de grupos geradores

em diversos setores da economia, e os benefícios da co-geração.

4

Capítulo 2 -Definição de máquina síncrona

Define-se máquina síncrona, como sendo a existência de dependência direta entre o

número de rotações e a freqüência da força eletromotriz gerada (no caso de alternadores) ou

entre freqüência da linha de alimentação e o número de rotações do motor (motores

síncronos).

2.1 Princípio de funcionamento.

A máquina síncrona pode funcionar como motor ou gerador (aqui denominado

alternador), sendo que o principio de funcionamento do alternador, baseia-se nos fenômenos

de indução eletromagnética a que está sujeito um condutor ou espira, quando sofre uma

variação de fluxo magnético, que pode ser produzida rodando-se a espira no campo indutor

fixo, ou rodando o campo indutor da espira fixa. Para facilitar a compreensão, o enrolamento

de campo que produz o campo magnético de excitação está no rotor, e o enrolamento de

armadura, que recebe a tensão induzida está no estator, conforme descrição abaixo:

Enrolamento de Campo = Rotor Enrolamento de armadura = Estator

As duas maneiras de produzir a variação de fluxo, obtêm o mesmo resultado, para

facilitar o estudo do principio de funcionamento, será considerado inicialmente uma espira

imersa em um campo magnético produzido por um imã permanente conforme figura 1 abaixo.


Fonte: Adaptado do Manual Weg- 2010

5

O funcionamento básico está baseado no movimento 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. Admite-se que a bobina gira com velocidade uniforme dentro do

campo magnético “B” que também é uniforme, se “v” é a velocidade linear do condutor em

relação ao campo magnético, o valor instantâneo da f.e.m induzida no condutor em

movimento de rotação é determinada pela seguinte formula:

f.e.m = B.l.v.

onde:

B= Indução do campo magnético

L = comprimento de cada condutor

v = velocidade linear

A variação da tensão é em função do tempo e a distribuição da indução magnética

depende da forma da sapata polar, ou seja a forma senoidal da indução depende diretamente

da forma geométrica do material ferro magnético que faz a excitação.

A figura 2 mostra a bobina de campo em 12 posições diferentes, separadas 30º entre si.

Figura 2 – Principio de funcionamento de um gerador


Nas posições 1 e 7 as induções magnéticas serão anuladas, ou seja atingirá o valor zero,

enquanto nas posições 4 e 10 ocorrerá indução máxima, conforme figura 3.

6

Figura 3 –Distribuição Magnética sob um pólo


7

Capitulo 3 - Características construtivas dos geradores síncronos

Os geradores são construídos basicamente em 4 partes que são: estator, enrolamento,

rotor e sistema de excitação que são descritos a seguir.

3.1 Estator

O estator é a parte fixa da máquina, é formado por um núcleo de ferro ranhurado, onde

são colocadas as bobinas do enrolamento, o núcleo é a parte magneticamente ativa, que é

envolvida pela carcaça metálica, que possui guias para a fixação do núcleo.

As chapas utilizadas para a confecção do núcleo são preferencialmente de aço silício,

essa característica garante baixas perdas no circuito magnético e melhoram o rendimento da

máquina.

O núcleo é formado por um pacote de chapas, com espessura da ordem de 0,35 a 0,5mm

que são isoladas por um verniz em ambos os lados. Muitas vezes, o pacote é fracionado em

intervalos de 3 a 10 cm para facilitar a refrigeração.( Conforme Manual de Instruções sobre

Máquinas Síncronas Unesp-2010 ).

O número de ranhuras (Nr) necessárias para acomodar os enrolamentos está ligado ao

número de pólos (p), ao número de fases (m) e ao número de bobinas que formam o pólo (q).

Então a fórmula para calcular o número de ranhuras no núcleo de um gerador conforme

figura 4 é a seguinte:

NR = p.m.q

Figura 4 –Chapa ranhurada (60cm)

Fonte: Adaptado do Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010

8

3.2 Enrolamentos

Os enrolamentos utilizados por máquinas de grande potência são do tipo trifásico, cada

fase deve ser construída de forma idêntica às demais (mesmo número de espiras, seção do

condutor, material,...) e apresentar uma mesma distância com relação as outras fases, ou seja o

enrolamento deve ser equilibrado e simétrico.

A figura 5 mostra, esquematicamente um estator com enrolamento trifásico:

Figura 5 –Enrolamento


Enrolamento trifásico

Para os enrolamentos trifásicos, algumas características são importantes:

Número de ranhuras (Nr)

Número de pólos (p) - ( número par maior ou igual a 2)

Número de bobinas por pólo (q) - (número inteiro entre 1-8)

Número fases (m) - 3

Distância entre as fases (tf) - 120º

Distância entre pólos (tp) - 180º

Distância entre ranhuras (D) - tp/(m.q)

9

3.3 Rotor

O rotor possui um enrolamento chamado enrolamento de campo que carrega

corrente contínua, que pode ser gerada por uma bateria externa, ou por imã permanente, existe

dois tipos de rotores, os cilíndricos que são chamados de rotor de pólos lisos e os rotores de

pólos salientes.

Figura 6 –Rotor


3.3.1 Rotor de Pólos salientes

Se os pólos magnéticos do enrolamento do estator ficar exposto é chamado de rotor de

pólos salientes. Quando o núcleo tem pólos salientes as bobinas são enroladas em volta do

rotor, sendo que a sua função é providenciar uma correta distribuição da densidade de fluxo

no entreferro.( Conforme Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010 ).

Os pólos salientes são utilizados em máquinas síncronas que geralmente trabalham em

baixas rotações, normalmente em usinas hidrelétricas que trabalham com uma velocidade

baixa, entre 50 e 300 RPM, como a freqüência é fixa em 60 Hz, o número de pólos será

relativamente grande.

O funcionamento em baixa rotação geralmente requer um grande diâmetro do rotor de

forma a fornecer espaço suficiente para colocação de todos estes pólos.

10

A figura 7 mostra a o principio de construção de uma máquina de pólo saliente.

Figura 7 –Rotor Pólo saliente

Fonte: Adaptado do Manual Weg -2010

3.3.2 Pólos Lisos

As máquinas de pólos lisos possuem o bobinado do rotor embutido nas ranhuras, são

utilizados em máquinas que trabalham em altas rotações (de 1500 a 3600 RPM), como a

freqüência é fixa, o número de pólos é baixo (de 2 a 4 pólos) A figura 8 mostra a o principio

de construção de uma máquina de pólo liso.

Figura 8 –Rotor pólo liso


11

3.4 Excitação de Geradores Síncronos

O objetivo do sistema de excitação é estabelecer a tensão interna do gerador, sendo

responsável também pelo fator de potência e pela grandeza da corrente gerada. A excitação

inicial é gerada através de imãs permanentes ou baterias, depois o gerador síncrono se auto-

excita. Na figura 9 abaixo, é possível visualizar o principio de funcionamento da auto-

excitação.

Figura 9 – Modelo de funcionamento do sistema de excitação


Conforme figura acima, antigamente a fonte de energia primária para excitatriz era na

maioria um gerador de corrente contínua montado no eixo do gerador, ou utilizava-se a

própria tensão contínua da bateria de partida do motor diesel para gerar a excitação, porém

hoje somente a excitação inicial é efetuada por um estator de imã permanente conforme

figura 10.

12

Figura 10 –Imãs permanentes no estator


O regulador de tensão tem a função de controlar a saída da excitatriz, de modo que a

tensão gerada e a potência reativa variem, da maneira desejada. Em sistemas muito

primitivos, o operador desempenhava o papel do regulador de tensão, onde se observava a

saída e ajustava o reostato de campo da excitatriz. Atualmente, o regulador funciona como um

observador da tensão, corrente e potência ativa da saída do gerador, então inicia a ação

corretiva através da variação do controle da excitariz. A velocidade da ação do regulador é

fundamental para a estabilidade do sistema e os controles auxiliares têm a função de adição de

amortecimento ao sistema de regulação. A figura 11 mostra um sistema clássico de auto-

excitação.

13

.

Figura 11 – Sistema auto-excitação

Fonte: Adaptado do Manual de Weg -2010

A figura12 mostra um modelo de regulador de tensão:

Figura 12 –Regulador de Tensão

Fonte: Retirado de um Gerador de 180 KVA da empresa Infraero-Campinas

14

3.4.1 Funções do regulador de excitação:

1 ) Controlar a tensão terminal da máquina dentro dos parâmetros selecionados

2) Regular a divisão de potência reativa entre máquinas que operam em paralelo, quando

estão ligadas em pontos comuns, gerando a mesma tensão terminal.

3) Controlar de perto a corrente de campo, para manter a máquina em sincronismo com

o sistema.

4) Amortecer oscilações de baixa freqüência que podem trazer problemas de

estabilidade dinâmica.

3.4.2 Gerador com excitação por escovas

Nestes geradores o campo no rotor é alimentado em corrente contínua através das

escovas e anéis coletores e a tensão alternada de saída para alimentação das cargas é retirada

do estator.

Nesse sistema, normalmente o campo é alimentado por uma excitatriz estática, onde a

tensão de saída do gerador e mantida constante dentro de suas características nominais através

do regulador de tensão, que constantemente monitora a tensão de saída e atua na excitatriz

estática. (Conforme Manual de construção de Geradores Weg- 2010 ).

Vantagens: Menor tempo de resposta na recuperação de tensão.

Desvantagem: Exige manutenção periódica no conjunto de escovas e não é aconselhado

para alimentar cargas sensíveis, pois há possibilidade de gerar ruído em função do contato das

escovas e anéis, por isso também não podem ser utilizados em atmosferas explosivas.

3.4.3 Geradores com excitação sem escovas (Brushless).

Nesse sistema Brushless, a potência de excitação é obtida através de um gerador

trifásico e ponte retificadora rotativa. A tensão de saída é constante, através do controle do

regulador de tensão que realimenta o retificador rotativo.

No sistema brushless não há escovas, ou qualquer outro mecanismo de contato, a

interação entre o campo e armadura do gerador e excitador é efetuada por indução.

15

Foto gerador brushless aberto, conforme figura 13

Figura 13 –Gerador Síncrono Completo

Fonte: Adaptado do site Weg- 2010

3.4.3.1 Vantagens do sistema Brushless

1) Não utiliza escovas e porta-escovas;

2) Não introduz interferências geradas pelo mau contato;

3) Manutenção reduzida, solicitando cuidados apenas na lubrificação dos rolamentos;

4) O sistema "brushless" admite com facilidade o controle manual;

16

3.4.3.2 Desvantagem:

1) O sistema "brushless" possui resposta mais lenta que o sistema estático, devido ao

campo do excitador;

2) A pesquisa de defeitos no sistema "brushless" é mais trabalhosa;

3) O sistema "brushless" é cerca de 10% mais caro que o sistema estático.

O gráfico abaixo, mostra que os geradores a escova possuem tempo de resposta

melhores que os geradores brushless, porém, em grupos geradores há controladores de

velocidade digitais para motores diesel que compensam essa desvantagem, fazendo com que

os geradores brushless sejam mais populares. (Conforme Manual de construção de Geradores

Weg- 2010 ).

Figura 14 – Comparação entre o sistema brushless e com escovas

Fonte: Adaptado do Manual de Weg -2010

17

Capitulo 4 Princípios de operação

4.1 Operação em vazio

Quando um gerador está operando sem carga, as tensões induzidas serão devidas

somente ao fluxo produzido pelo rotor, não havendo influência da corrente do estator, que

será nula a tensão que será induzida no estator será proporcional ao valor do fluxo, do número

de espiras, e da freqüência. Ocorre que o fluxo depende da corrente no enrolamento de campo

(IF), de forma que, aumentando-se a corrente, aumenta-se o fluxo de forma direta, até o

gerador saturar. Quando ocorrer a saturação, grande aumento de corrente de campo resultará

em pequenos aumentos de fluxo conforme figura 15.

Figura 15 – Operação a vazio


A tensão terminal, então apresenta um comportamento influenciado pela saturação. A

tensão terminal também será em função da velocidade do rotor, ou seja em função da

freqüência.

4.2 Operação em carga

Na operação em carga, a corrente que circula pelo estator produzirá um novo campo

magnético no gerador, chamado de reação de armadura, que se somará ao campo produzido

pelo rotor. O campo resultante com o gerador operando com carga poderá ser igual, maior ou

menor que o campo inicial produzido pelo rotor. Quando o campo resultante é maior diz-se

18

que a reação de armadura magnetizou o gerador, porém se o campo resultante é menor, diz-se

que a reação de armadura desmagnetizou o gerador.

Esse tipo de comportamento está ligado a natureza da carga, assim cargas indutivas e

resistivas são desmagnetizantes e estão ligadas a queda de tensão nos terminais do gerador.

Cargas capacitivas são de características magnetizantes e podem levar a um aumento da

tensão nos terminais. Sendo assim, conclui-se que o fluxo produzido por correntes de estator

ligadas a cargas resistivas e indutivas apresentam componentes em oposição de fase com o

fluxo do rotor, reduzindo o fluxo resultante. Cargas capacitivas apresentam fluxo com

componentes em fase com o fluxo do rotor, aumentando assim o fluxo resultante. ( Conforme

Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp -2010 ).

A figura 16 mostra o comportamento da tensão terminal de um gerador alimentando três

tipos de cargas, considerando a corrente de campo inalterada, Vn é a tensão nominal no

terminal da máquina.

Figura 16 – Operação com carga


19

4.3 Circuito elétrico equivalente

Para facilitar a compreensão do estudo de geradores, pode ser utilizado um circuito

equivalente, conforme figua 17,. Esse circuito é uma representação matemática por fase,

porém como os geradores síncronos são em sua maioria simétricos e equilibrados a

representação vale para as 3 fases.

Figura 17 –Circuito elétrico equivalente


Onde:

Ef = Tensão de excitação interna do rotor

Xs = reatância síncrona

Ra = Resistência de armadura

Ia = corrente na armadura

Vt = Tensão no terminal do gerador

Para o circuito equivalente acima, têm-se a seguinte equação:

Ef= VT + Ra.Ia + Xs.Ia

20

O valor da reatância síncrona é muito maior que a resistência, tornado assim esse valor

desprezível. Então normalmente se utiliza a seguinte equação:

Ef= VT + Xs. Ia

4.4 Diagramas fasoriais

Nessas condições é possível o diagrama fatorial para qualquer carga conectada ao

gerador. Vale ressaltar que a tensão terminal (Vt) é tomada como referência (0º) para

construção dos diagramas. Figura 18 carga com fator de potência indutivo (atrasado).



Os diagramas fasoriais são uma ferramenta muito importante para o estudo das

máquinas síncronas, através desses diagramas é possível criar o diagrama de capability,

conforme figura 19 a 23, que permite visualizar os limites de operação de um gerador

síncrono no quesito de fornecimento de potência ativa e reativa. O procedimento para

construção do diagrama é o seguinte:

21



Multiplicando as tensões por Vt



22

Dividindo as tensões pela impedância Xs



Sendo P= Vt . Ia e Q = (Vt. Ef)/Xs . As projeções no ponto A. fornecem as potências

P e Q



23

Traçando uma circunferência com o raio Vt. Ia, representa a potência aparente S



A partir dos valores de Tensão de excitação máxima, tensão de excitação mínima e

potencia ativa máxima fornecidas pelo fabricante é possível determinar os valores das

potências máximas ativas e reativas das cargas que o gerador pode suprir conforme figura 24.

Figura 24 –Diagrama de capability


24

4.5 Cálculo da reatância síncrona

Para determinar o valor da reatância síncrona é necessário levantar as características do

gerador funcionando em vazio e em curto-circuito. No ensaio de curto-circuito, a corrente de

campo é aumentada para a leitura das correntes de armadura, como o campo produzido por

essas correntes é desmagnetizante a máquina opera fora da saturação. ( Conforme Manual de

Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010 )

O comportamento sob o ensaio de curto-circuito é demonstrado conforme figura 25.

Figura 25 - Gráfico representativo de ensaio a curto-circuito


Após levantada as características em vazio e em curto-circuito, é possível determinar o

valor da reatância síncrona, através das seguintes fórmulas:

Como Ra é muito pequeno então praticamente Zs=Xs

O valor de Xs pode ser considerado constante na máquina não saturada, mas havendo

saturação, seus valores modificam-se com o aumento da corrente de campo, assumindo

valores menores que a região linear, pois a corrente Icc aumenta muito mais que a tensão Ef,

na região de saturação, para uma mesma variação de excitação.

25

4.6 Curva de potência x carga

Os diagramas fasoriais permitem a definição de uma nova expressão para a potência

ativa, a expressão é a seguinte:

Quando o gerador está a vazio, seu ângulo de carga é nulo, a potência ativa máxima será

alcançada quando o ângulo de carga for igual a 90º

4.7 Operação em paralelo

O comportamento de geradores síncronos depende em muito de dois fatores:

1) Tipo da carga (capacitiva, indutiva, resistiva e quantidade) ligada a seus terminais

2) Operação isolada ou em paralelo com outros geradores.

Antigamente era raro encontrar grupos geradores operando em paralelo, as operações

normalmente ficava restrito a fornecimento de energia de emergência, porém como o custo da

energia aumentou consideravelmente, muitas indústrias começaram a utilizar grupos

geradores para co-geração, principalmente no horário de ponta. Dentre as vantagens de

utilizar geradores em paralelo destacam-se as seguintes:

1) Vários geradores em paralelo podem alimentar uma carga muito maior que a potência

individual de cada um deles

2) A confiabilidade do sistema aumenta, uma vez que a carga não fica sem alimentação

quando um gerador ficar indisponível para manutenção.

3) É possível ajustar o ponto de operação das máquinas em operação para melhorar o

desempenho do sistema

Para que o gerador possa operar em paralelo com outro gerador ou em paralelo com a

rede elétrica convencional, deve-se proceder a sincronização do gerador que vai entrar em

26

operação. Esta operação pode ser feita de forma manual pelo operador ou automaticamente

por relés de sincronização.

4.7.1 Condições para sincronização

Na figura 26, o gerador G1 está alimentando uma carga com um valor de tensão (V) e

uma freqüência (f), enquanto o gerador G2 está desligado. Se o gerador G2 for ligado em

paralelo com G1, os dois podem alimentar a mesma carga.

Figura 26 Esquema de Geradores em paralelo


Para que a chave S possa ser fechada, colocando os geradores em paralelo, as seguintes

condições devem ser satisfeitas.

1) Os geradores devem possuir a mesma tensão de linha

2) Devem operar com a mesma seqüência de fase

3) As tensões devem estar em fase

4) A freqüência do gerador G2 deve ser ligeiramente maior que G1, normalmente f2 é

0,5 Hz maior que f1.

Caso as freqüências sejam idênticas os sistemas que serão colocados em paralelo,

podem apresentar mesma tensão, freqüências e seqüência de fase, mas estar girando defasado

como mostra a figura 27.

27

Figura 27 Defasagem


Na situação acima, a chave S não pode ser fechada, pois existirá uma diferença de

potencial que pode ser suficiente para produzir uma diferença de potencial, que pode ser

suficiente para produzir danos aos geradores ou perturbações na operação.

4.7.2 Operação em paralelo de Geradores com o sistema de potência

Um sistema de potência consiste em um número muito grande de geradores em paralelo,

de tal forma que a sua tensão e freqüência são praticamente constantes e não podem ser

facilmente modificadas por ações isoladas.

Assim quando um gerador é colocado em paralelo com um conjunto de máquinas com

potência muito superior, nenhuma unidade pode alterar ou afetar sensivelmente o sistema

maior, normalmente o ponto de ligação do gerador com o sistema de potência é chamado

barramento infinito, ou seja, barramento onde a tensão e freqüências são constantes. Segue

abaixo, um exemplo de barramento infinito.

28

Figura 28 Barramento Infinito


Conforme figura 28, o barramento infinito possui um fluxo de potência muito grande,

então um gerador, ao ser conectado em paralelo, será arrastado para operar na mesma

freqüência, independente da regulação de velocidade, pois conforme já tratado as máquinas

síncronas funcionam tanto como gerador como motor, por isso a freqüência do gerador a ser

conectado deve ser ligeiramente superior a freqüência do barramento infinito. .( Conforme

Manual de Instruções sobre Máquinas Síncronas Unesp-2010 )

4.7.3 Sincronoscópio

Antigamente, para se colocar dois geradores em paralelo, era necessário um operador,

para que esse fizesse os ajustes da tensão de excitação e velocidade do motor, porém hoje é

possível colocar o gerador automaticamente em paralelo através de relés de sincronização,

normalmente chamados de sincronoscópio. Conforme figura 29 abaixo.

29

Figura 29 Modelo de um sincronoscópio


Princípio de funcionamento

A figura 30 apresenta o funcionamento do sincronoscópio

Figura 30 Modelo didático de um sincronoscópio


30

Os brilhos das lâmpadas indicarão a situação da sincronização, o relé analisará as

seguintes condições antes de ordenar o fechamento da chave

1) Tensão do gerador e barramento infinito são diferentes, mas freqüência e seqüência

de fase são iguais.

As tensões das fases das A,B,C possuem o mesmo módulo e portanto as três lâmpadas

brilharão com a mesma intensidade, será necessário ajustar as correntes de campo IF.

2) Freqüências são diferentes, mas tensão e seqüência de fase são iguais

Nesse instante a tensão nas lâmpadas será nula, e, portanto as três estarão apagadas, mas

se a freqüência é diferente, as lâmpadas apagarão e acenderão periodicamente, será necessário

ajustar a velocidade da máquina afim que as freqüências fiquem iguais e as lâmpadas

acendem e apaguem lentamente. Deve-se notar que alterando a velocidade da máquina suas

tensões também mudarão.

3) Seqüência de fase diferentes, mas tensões e freqüências iguais

Nesse caso, é obrigatória na instalação do gerador a verificação através do fasímetro a

seqüência de fase correta, caso contrário as lâmpadas irão acender e apagar fora da seqüência,

deve-se então apenas inverter as fases nos terminais do gerador.

4) Fase diferente, mas tensão, freqüência e seqüência de fase iguais

As lâmpadas brilharão com a mesma intensidade. Para fazer a fase igual ou diferente de

zero, as lâmpadas irão apagar e se o disjuntor é fechado, a máquina de entrada será conectada

ao barramento infinito. Uma vez conectada ao barramento infinito, a velocidade da máquina

não pode ser mudada, no entanto, a transferência da potência ativa da máquina para o

barramento infinito pode ser controlado por ajuste da potência do motor primário.

31

Capítulo 5 Grupos Geradores

Os geradores síncronos podem ser acoplados a turbinas de água, gás, motores

marítimos, turbinas de avião, etc, no entanto aqui serão abordados somente os motores a

diesel convencionais e popularmente comercializados para potências de geradores de 30 kVA

a 1MVA.

Geralmente o motor diesel tem o seu funcionamento semelhante ao motor de explosão,

onde no primeiro tempo o ar é aspirado e passado pela válvula de aspiração que está aberta,

entrando no cilindro. No segundo tempo, após fechado a válvula de aspiração o ar é

comprimido dentro do cilindro até uma pressão de cerca de 500 PSI, atingindo uma

temperatura de aproximadamente 650°, no terceiro tempo é injetado óleo combustível no

cilindro e se mistura com o ar altamente aquecido que entra em ignição e expandindo os gases

resultando em força para os pistões. O quarto tempo é movimento dos pistões que empurra os

gases para a atmosfera.

Segue abaixo a foto 31 de um motor diesel acoplado a um gerador, formando assim um

grupo gerador.

Figura 31 Grupo Gerador modelo MT Mercedes Benz

Fonte: Adaptado do site Stemac-2010

32

Os motores diesel mais populares para geradores são os mesmos utilizados em

caminhões, carretas, ônibus e navios e são encontrados nas seguintes marcas: Mercedes-Benz,

Volvo, Scania, MWM, Cummins, Mitsubish, Caterpillar, MTU, etc, a escolha do modelo

depende exclusivamente da potência da carga que o gerador irá alimentar.

Os motores estacionários utilizados como grupos geradores devem conter os seguintes

itens para fins de operação e proteção:

a) Pressostado de óleo lubrificantes: Tem a função de comandar a parada do motor

quando a pressão do óleo lubrificante cai abaixo de um valor pré determinado pelo

fabricante

b) Termostato para a água de refrigeração: Tem a finalidade de desligar o motor

quando esse atingir valores de temperatura pré determinados pelo fabricante

c) Sensor de velocidade: Tem a função de comandar a parada do motor quando a

velocidade ultrapassar a valores prejudiciais ao sistema elétrico

d) Sensor de nível do líquido de refrigeração: Tem a função de acionar um alarme,

indicando a necessidade de completar o nível do sistema de refrigeração

e) Relé taquímetro: tem a finalidade de desligar o motor de partida quando a rotação

atingir normalmente 500 RPM, impedindo assim de acionar a partida com o motor em

funcionamento

f) Sensor de ruptura da correia: Em alguns modelos é exigido que a parada do motor

diesel seja comandada antes da temperatura da água se elevar, no caso de ruptura da

correia da bomba d’água.

g) Outros sensores: Que forem recomendados pelo fabricante

5.1 Controle de freqüência de grupos geradores.

Conforme a definição, máquina síncrona é toda máquina que houver a existência da

dependência da velocidade de rotação da máquina com a freqüência elétrica gerada ou

absolvida. A equação para determinação da rotação de um motor ou gerador é a seguinte:

33

N RPM = 120.f/p

onde: N = velocidade em RPM ,f = freqüência da rede elétrica e P = número de pólos

Então qualquer pequena variação na velocidade do motor resultará em grandes variações

na freqüência da energia gerada, nos grupos geradores o controle de freqüência é dado pelo

controle da quantidade de combustível injetada nos motores, através dos governadores que

abrem ou fecham a entrada de combustível na bomba injetora, que tem a função de injetar o

combustível em alta pressão dentro das camisas do motor.

A figura 32 apresenta um modelo de bomba injetora típica, utilizada nos motores a

diesel

Figura 32 Bomba injetora de um motor diesel

Fonte: Gerador 180 KVA- Infraero- Aeroporto Internacional de Viracopos

Característica de regulação.

As características de regulação de velocidade de grupos geradores é semelhante a

qualquer outro sistema submetido a realimentação para correção, conforme a figura 33

34

Figura 33 Diagrama de blocos

Acoplada a bomba injetora vai o controlador de velocidade, que normalmente é

chamado de governador, sua função é verificar a rotação do motor e corrigi-la se necessária a

fim de manter constante a freqüência, também é necessário limitar a velocidade, para isso

normalmente usa-se um batente que não permite o motor acelerar além daquele ponto.

Praticamente existem 4 tipos de governadores, estes são dimensionados de acordo com a

necessidade da carga, cargas que variam constantemente necessitam de governadores

eletrônicos ou digitais, cargas que não variam muito possuem governadores mecânicos que

são mais baratos e robustos.

- Governadores mecânicos

Constituído mecanicamente de contrapesos, molas e articulações, atua no mecanismo de

aceleração, regulando a dosagem de combustível, sempre que a rotação se afasta do valor

definido, possui um tempo de resposta longo e permitem pequenas oscilações em torno do

valor regulado, variações bruscas na carga provocam quedas acentuadas na rotação, e na

recuperação permite ultrapassar o valor regulado para em seguida efetuar uma nova regulação

em menor grau.

BOMBA INJETORA

MOTOR DIESEL

GERADOR

GOVERNADOR

35

Esse tipo de governador é o mais barato e mais utilizados em grupos geradores que

alimentam cargas pouco sensíveis a variações de freqüência

Abaixo, uma figura 34 de um governador mecânico, modelo Bosch RSV, com os principais

componentes.

Figura 34 Governador mecânico

Fonte: Adaptado do site Eng. José Claudio-2010

- Governadores Hidráulicos

São mais precisos que os governadores mecânicos, podem ser acionados diretamente

pelo motor, independente da bomba injetora, e atuam sobre o batente de aceleração, também

são constituídos de contrapesos que ao sentirem a variação da rotação, acionam uma pequena

bomba hidráulica que produz uma pressão de óleo necessária para movimentar um pequeno

cilindro ligado a haste de aceleração da bomba injetora. São caros, pois necessitam uma

montagem especial diretamente no motor, e por isso são pouco utilizados, o modelo mais

conhecido é o Woodward PSG, conforme figura 35

36

Figura 35 Governador hidráulico


- Governadores eletrônicos

Possui a melhor regulação que se pode conseguir, são constituídos basicamente por 3

elementos, o pick-up magnético, que tem a função de sensor de RPM, regulador eletrônico e

atuador

O pick-up magnético é constituído de um sensor ferromagnético, é instalado na carcaça

externa do motor, onde é possível ter proximidade com os dentes da cremalheira do eixo que

liga o motor ao gerador, os dentes ao passar próximo ao sensor induzem um pulso de corrente

elétrica que é captada pelo regulador.

A quantidade de pulsos por segundo (freqüência) é comparada por um circuito

comparador instalado no regulador. Se houver diferença entre a freqüência dos pulos e o valor

ajustado no circuito, o regulador altera o fluxo de corrente enviada para o atuador, que efetua

correções na dosagem de combustível.

Existem atuadores que são acoplados ao batente de aceleração e outros que são

instalados no interior da bomba injetora. Segue figura 36 de um regulador eletrônico modelo

Woodward

37

Figura 36 Governador eletrônico


-Governadores digitais

Esses governadores são muito utilizados atualmente, o resultado obtido é o mesmo que

os controladores eletrônicos, a única diferença é o recurso de comunicação via porta serial e

funções de controle PID. Conforme figura 37.

Figura 37 Governador eletrônico- digital


38

O que difere os tipos de governadores é o tempo de respostas destes a variação de carga

no gerador, por mais instantâneo que seja o governador, sempre haverá um atraso na atuação,

pois primeiro é necessário constatar que houve uma variação na rotação para em seguida

efetuar a correção.

O tempo de resposta é ajustado até o limite mínimo, a partir do qual o funcionamento do

motor se torna instável por excesso de sensibilidade. Também é necessário ajustar o valor

máximo que se pode permitir de queda e de aumento da rotação entre o funcionamento a

vazio e com plena carga, que nem sempre pode ser zero RPM. Esta variação é conhecida

como droop e é necessária principalmente em grupos geradores que funcionarão em paralelo,

pois qualquer pequena variação na dosagem de combustível resultará em grandes variações na

freqüência elétrica gerada, tirando assim o gerador do sincronismo paralelo.

O gráfico de resposta em função do tempo, é mostrado na figura 38, para os 3 principais

tipos de governadores fica assim:

- Governador mecânico - Governador eletrônico - Governador Digital

% segundos

Figura 38 Gráfico de comparação de resposta em função do tempo


39

5.2 Painéis de transferência

Todo grupo gerador possui painel de transferência, antigamente a supervisão do

funcionamento era feita por contatores e relés, porém atualmente utiliza-se um controlador

lógico programável denominado Unidade de Supervisão de Corrente Alternada (USCA)

A energia elétrica controlada pela USCA é fornecida por duas fontes distintas, uma

fonte principal fornecida pela concessionária local, denominada energia de rede e outra fonte

chamada de emergência fornecida por um grupo gerador. Estando a energia de rede em

condições normais e tendo prioridade em alimentar a carga, ocorrendo alguma anormalidade

na referida fonte, após um tempo pré-determinado, será comandada a partida do grupo

gerador que passará a alimentar a carga.

Retornando a energia da rede nas condições normais, após o tempo determinado para

confirmação da normalidade, a carga será transferida de forma, interrupta, automaticamente

para a rede e o grupo funcionará a vazio por tempo prefixado, para resfriamento sendo

comandada sua parada.

5.2.1 Características Gerais

O sistema é montado em gabinete metálico, auto-sustentado, com porta

frontal, aberto na base para entrada e saída de cabos, pintado com fundo anti-corrosivo. Na

porta são montados: o sistema microprocessado de controle e supervisão a botoeira soco de

emergência, internamente são montados os conectores, fusíveis, contatores auxiliares,

disjuntores, chave seletora de emergência, alarme sonoro, retificador para carga da bateria,

transformadores de corrente e chave de transferência.

A lógica de comando é efetuada pelo sistema micro-processado de controle e

supervisão, montado em bastidor metálico de alta resistência mecânica. Na parte interna é

fixada uma placa para identificação, contendo as características principais do equipamento.

Os componentes são identificados com etiquetas através de seu código funcional coerente

com o diagrama elétrico o que facilita a interpretação.

.

.

40

5.2.2 Anormalidade na rede comercial

Neste caso o Grupo Gerador entra em funcionamento automaticamente, após

a estabilização da tensão e freqüência é acionado automaticamente o fechamento

das chaves de força, ficando a carga alimentada pelo mesmo.

5.2.3 Retorno da normalidade na comercial

Após a transferência de carga do grupo para a rede como descrito, o Grupo

Gerador permanece funcionando em vazio, para resfriamento, durante um período de cento e

oitenta segundos. Após o tempo referido é acionada a parada, ficando em condições de nova

partida. Se durante o período de resfriamento a Rede ficar “anormal”, o Grupo Gerador

reassume a alimentação da carga. Abaixo, figura 39 um modelo de CLP, utilizado em grupos

geradores, com a suas funções, conforme tabela 01.

Figura 39 CLP- Stemac Modelo ST 2000


41

Identificação dos leds e teclas

Tabela 01 Funções do CLP ST 2000


1 Tensão fase 1 15 Elevar valor nominal

2 Tensão fase 2 16 Diminuir valor nominal

3 Tensão fase 3 17 Ligar manual chave CGR

4 Modo emergência acionado 18 Desligar manual chave CGR

5 Faixa de freqüência 19 Ligar manual chave CRD

6 Modo de operação automático 20 Desligar manual chave CRD

7 Modo de operação manual 21 Ativar modo operacional automático

8 Supervisão ativa 22 Ativar modo operacional manual

9 Alarme, aviso de falha existente 23 Partida manual do GMG

10 CGR fechado 24 Parada manual do GMG

11 CRD fechado 25 Ativar modo operacional Teste

12 Comutar mensagem no visor 26 Ativar modo emergência

13 Seleciona confirmar seleção 27 Reset – Retirar mensagem de falha

14 Ativar valor nominal 28 Visor LCD

5.3 Chaves de Transferências

Toda instalação onde se utiliza o grupo gerador como fonte alternativa de

energia elétrica necessita, obrigatoriamente, de uma chave reversora ou comutadora de fonte,

somente nos casos onde o grupo gerador é utilizado como fonte única de energia, pode-se

prescindir da utilização deste dispositivo. Tem a finalidade de comutar as fontes de

alimentação dos circuitos consumidores, separando-as sem a possibilidade de ligação

simultânea. Para isso, as chaves comutadoras de fonte são construídas de diversas formas e

dotadas de recursos que vão desde o tipo faca, contatores, até as mais sofisticadas construções

com controles eletrônicos digitais, comandos e sinalizações locais e remotas.

Segue figura 40 mostra um exemplo de configuração de uma chave de transferência.

42

Figura 40 Diagrama de força, de uma chave de transferência


5.4 Proteção

Um painél de transferência deve ter seu funcionamento auxiliado por dispositivos de

proteção para impedir o prolongamento de situações anormais, dentre os principais

dispositivos de proteção destaca-se os seguintes:

Proteção para sobrecorrente: Baseada nas informações de transformadores de

corrente, colocados nos terminais do enrolamento do estator e no neutro, os relés são

ajustados para atuação em um tempo inferior ao tempo especificado pelo fabricante como

suportável para a corrente de defeito.

Proteção para sobretensão: É recomendável sempre que a máquina esteja sujeita a

sobrevelocidade, provocada por uma perda de carga, levando o gerador a sobretensões

temporizados.

Proteção para sobrevelocidade: É recomendável para controlar a freqüência na rede,

ou controlar a velocidade (RPM) no eixo da máquina, normalmente é configurado na faixa de

5% da freqüência nominal

43

Proteção pra sobreaquecimento: Protege o estator contra sobreaquecimento causado

por sobrecarga nos terminais do gerador ou por falha no sistema de refrigeração.

Proteção contra perda de campo: Quando o gerador perde sua corrente de campo, não

há mais reação de armadura, então ocorrerá uma ligeira aceleração da máquina..

Curto entre as fases: São utilizadas proteções diferenciais de alta sensibilidade,

atuando sobre os disjuntores principais

Curto entre espiras: São providas pelo relé de sobrecorrente

Falta a Terra: São normalmente limitadas por impedâncias colocadas no neutro, um

relé de seqüência zero faz essa proteção

44

Capítulo 6 Aplicação de Grupos Geradores

Os sistemas de geração de energia podem ser classificados por tipo e classe, podendo ser

classificado como standby, prime e contínuo. É muito importante entender as definições das

classificações para a aplicação do grupo gerador, o tipo do sistema de geração e a

classificação apropriada a ser utilizada dependem da aplicação. A seguir são descritos os

parâmetros da utilização dos Grupos Geradores.

Sistemas de Emergência: Os sistemas de emergência geralmente são instalados

conforme as necessidades de segurança pública e por imposição legal, normalmente eles

destinam-se ao fornecimento de energia e iluminação em curtos períodos com três propósitos,

permitir a evacuação segura de edifícios, suporte à vida como hospitais e a equipamentos

críticos para pessoas que requerem cuidados especiais, ou para sistemas de comunicações

críticas e locais usados para segurança pública.

Standby Opcional: Os sistemas standby opcionais geralmente são

instalados onde a segurança não é um fator crítico, mas a falta de energia pode

causar perdas de negócios ou receitas, interrupção de processos críticos, ou causar

inconveniências ou desconfortos. Estes sistemas normalmente são instalados em centros de

processamento de dados, fazendas, edifícios comerciais/industriais e residências. O

proprietário do sistema pode selecionar as cargas a serem conectadas ao sistema. Além de

proporcionar uma fonte standby de energia em caso de falta de energia da rede normal de

eletricidade.

Energia Prime: As instalações de energia prime utilizam a geração local

em vez da energia normal fornecida pela rede pública em áreas onde os serviços da empresa

fornecedora de energia não estejam disponíveis. Um sistema simples de energia prime utiliza

pelo menos dois grupos geradores e uma chave comutadora para transferir a energia para as

cargas entre eles. Um dos dois grupos geradores funciona continuamente com uma carga

variável e o outro serve como reserva no caso de queda de energia e também para permitir o

desligamento do primeiro para a manutenção necessária. Um relógio de alternância na chave

comutadora alterna para o grupo gerador principal em um intervalo pré-determinado.

45

Co-Geração: utiliza-se a geração local para reduzir ou nivelar o uso da eletricidade nos

picos com o propósito de economizar dinheiro nos custos de demanda de energia (horário de

ponta). Os sistemas de corte de picos requerem um controlador que dá a partida e opera o

gerador local em tempos apropriados para nivelar as demandas de pico do usuário. A geração

instalada para fins de energia standby também pode ser usada para corte de picos.

6.1 Co-Geração e Sistema de tarifação brasileiro de energia

Antes de dimensionar o grupo gerador diesel, é necessário conhecer o rendimento do

motor diesel no quesito kWh por quantidade de diesel consumido, o consumo de diesel varia

de fabricante para fabricante, em função da potência, porém para facilitar a demonstração da

viabilidade econômica de se utilizar o gerador diesel no horário de ponta, adota-se o valor

médio de todos os fabricantes pesquisados, que é um valor médio de 5 kWh para 1 litro de

diesel, a partir desse valor compara-se com o preço da tarifa definida pela Agencia Nacional

de Energia Elétrica.

Não é o objetivo deste trabalho é demonstrar qual tarifa é mais vantajosa para o

consumidor, pois isso depende da curva de carga de cada instalação, mas é importante saber

se a tarifa utilizada é a mais adequada, pois caso contrário o consumidor estará desperdiçando

muito dinheiro,e instalar um grupo gerador par funcionar no horário de ponta pode não ser

uma solução viável.

O sistema tarifário brasileiro define quatro diferentes tipos de horário durante o intervalo

de um ano, ou seja:

a) Horário de ponta de carga

Corresponde ao intervalo de três horas consecutivas, situado no período compreendido entre

17 e 22: 00 de cada dia, exceto sábados, domingos e feriados nacionais, definido seguindo as

características da carga do sistema elétrico da concessionária.

46

b) Horário de fora de ponta de carga

É formado pelas 21 horas restantes de cada dia definido anteriormente, bem como pelas

24 horas dos sábados, domingos e feriados nacionais.

Cada horário anteriormente mencionado está contido em cada período adiante definido,

em função do nível pluviométrico das regiões do Brasil.

c)Período úmido

É o período que abrange as leituras de consumo e demanda extraída entre o primeiro dia

do mês de dezembro até o dia 30 de abril, totalizando cinco meses do ano.

d) Período seco

É o período que abrange as leituras de consumo e demanda extraída entre o primeiro dia

do mês de maio até o dia 30 de novembro, totalizando sete meses do ano.

A partir da definição desses horários foi montada a estrutura tarifária vigente do grupo A

(tensão igual ou superior a 2,3 kV) que corresponde os seguintes segmentos

47

Tarifa Azul

A tarifa azul é a modalidade estruturada para aplicação de preços diferenciados de

demanda e consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização do dia e os

períodos do ano, obedecendo aos segmentos horo-sazonais sendo o valor da demanda faturada

nos horários de ponta e fora de ponta o maior entre os valores.A tabela 02 a tarifa azul

praticada pela CPFL em 08/04/2010 definida pela resolução 961/ANEEL

Tabela 02 Tarifa horo-sazonal Azul

Fonte: Adaptado do site CPFL-2010

Estrutura Horo-

Sazonal Azul

Demanda

R$/KW

Consumo R$ / MWh Ultrapassagem

R$/ KW Período Seco Período úmido

Ponta

Fora

de

Ponta

Ponta

Fora

de

Ponta

Ponta

Fora

de

Ponta

Ponta Fora de

Ponta

A2 (88 a 138 KV) 16,84 1,88 248,66 159,16 225,93 145,97 50,52 5,64

A3 ( 69KV) 20,76 3,3 248,66 159,16 225,93 145,97 62,28 9,9

A3a (30 a 44 KV) 20,79 4,02 248,66 159,16 225,93 145,97 62,37 12,06

A3a (30 a 44 KV)-

Cemirim 16,27 5,42 106,74 50,78 98,81 44,87 48,81 16,26

A4 (2,3 a 25 KV) 27,79 6,36 248,66 159,16 225,93 145,97 83,37 19,08

48

Tarifa verde

É a modalidade estruturada para aplicação de preços diferenciados para demanda e para

o consumo, de acordo com a tensão de fornecimento e demais características do consumo,

como residencial, rural, etc. A tabela 03 a tarifa verde praticada pela CPFL em 08/04/2010

definida pela resolução 961/ANEEL.

Tabela 03 Tarifa horo-sazonal Verde


Estrutura Horo-

Sazonal verde

Demanda

R$/KW

Consumo R$ / MWh Ultrapassagem

R$/ KW Período Seco Período úmido

única Ponta

Fora

de

Ponta

Ponta

Fora

de

Ponta

única

A3a (30 a 44 KV) 4,02 731,92 159,16 709,19 145,97 12,06

A4 (2,3 a 25 KV) 6,36 894,18 159,16 871,45 145,97 19,08

A4 (2,3 a 25 KV)

rural 5,87 522,84 54,95 514,26 48,55 17,61

49

Tarifa Convencional (para instalações de até 300 kW)

É a modalidade estruturada para a aplicação de preços diferenciados para demanda e

para o consumo, de acordo com a tensão de fornecimento e demais características do

consumidor, como residencial, rural. Conforme tabela 04.

Tabela 04 Tarifa convencional


Grupo A Convencional Demanda R$/

kW

Consumo R$/

MW/h Ultrapassagem R$/ kW

A3a (30 a 44 KV) 19,2 161,35 87,06

A4 (2,3 a 25 KV) 26,35 161,35 79,05

A4 (2,3 a 2,5 KV) rural 6,67 97,62 20,01

Com base na curva de carga de cada instalação, é possível verificar qual das tarifas é

mais vantajosa, empresas que não operam no horário de ponta é indiferente escolher a tarifa

verde ou azul, pois os valores são exatamente os mesmos, mas devem evitar a tarifa

convencional, pois o preço médio é ligeiramente superior ao das demais tarifas.

50

Capitulo 07 Estudo de Caso para Co-Geração

Para facilitar o entendimento de dimensionamento de um grupo gerador, assim como

também a escolha da melhor tarifa, será utilizado como base de estudo, a instalação elétrica

do Aeroporto Internacional de Viracopos,- Campinas-SP, que é alimentado na classe de

tensão 11,9 kV e possui 18 grupos com potência de 60 a 750 kVA, que somados fornecem

uma potência de 4,7 MVA, porém para efeito de demonstração será utilizado apenas os

seguintes grupos geradores:Conforme tabela 05.

Tabela 05 Geradores utilizados na co-geração

Marca Quant. Potência

(KVA)

Potência Total

(kVA)

Stemac- Motor Daewoo P222LE 2 750 1500

Stemac- Mercedes-Benz OM447LA-E 3 450 1350

Stemac- Motor Volvo Penta TAD 1232 GE 1 450 450

Stemac- Motor Cummins 6CTA8.3-G2 1 230 230

Dados da conta de energia:

Tabela 06 Dados da conta de energia de Janeiro de 2010

Dados No horário de ponta Fora do horário de ponta

Demanda 3120 kW 2500 kW

Consumo 145970 kWh 149.8000 kWh

51

Simulação para uma demanda contratada de 3200 KVA.

Tabela 07 Comparação entre as tarifas verde e azul

Dados

Tarifa

Verde Tarifa Azul

Custo da demanda na ponta (R$) 20.352,00

69.475,00

Custo da demanda fora da ponta (R$) 20.352,00

Custo do consumo na ponta (R$) 130.523,45 36.296,90

Custo do consumo fora da ponta (R$) 238.421,68 238.421,68

Custo total da tarifa 389.297,13 364.544

Custo do diesel = R$ 1,80 portanto R$ 0,36/ kWh

Tabela 08 Comparação entre a tarifas azul e utilização dos grupos geradores

Dados

Tarifa

Azul

Grupos

geradores

funcionando

24 horas por

dia

Grupos

geradores

funcionando

no horário de

ponta

Custo da demanda na ponta (R$) 69.475,00 -------------- ----------------

Custo da demanda fora da ponta (R$) 20.352,00 --------------- 20.352,00

Custo do consumo na ponta (R$) 36.296,90 52.549,20 52.549,20

Custo do consumo fora da ponta (R$) 238.421,6 539.280 238.421,68

Custo total da tarifa (R$) 364.544 591.829,20 311.322,88

O objetivo dessa comparação, é apenas evidenciar que os grupos geradores, mesmo

movido com um combustível caro, como é o diesel, possui certa competitividade na co-

geração de energia elétrica, quando corretamente dimensionados e utilizados no horário de

ponta. Sem levar em consideração o custo de manutenção e operação dos grupos geradores, a

economia é de cerca de R$ 53.000,00 ao mês durante o período seco.

53

Capitulo 8 Conclusão:

Pode-se concluir que, a utilização de grupos geradores, em qualquer instalação significa

uma evolução bem sucedida a uma empresa, comércio ou outro estabelecimento, trazendo

assim confiança energética a qualquer momento, sem depender de qualquer concessionária.

Os grupos geradores são máquinas relativamente antigas, pois os mesmos utilizam a

combustão interna para transformar a energia mecânica em energia elétrica, sem esquecer que

o sistema eletrônico, utiliza-se do Controlador Lógico Programável (PLC) ou mesmo as

chaves com contatores descritos neste trabalho, no qual, é um dos mais modernos do mercado

nacional e mundial.

Entretanto, vale salientar os benefícios trazidos pelo equipamento reduzindo em até

trinta por cento o valor gasto com a energia elétrica, além do retorno do capital investido em

poucos meses de utilização, sem esquecer o comprometimento da qualidade da energia

entregue ao usuário lembrando que, com o sistema de transferência em rampa no horário de

pico, a energia não oscila tendo uma confiabilidade e segurança elétrica.

Exemplificando hospitais, emissoras de rádio e televisão, torres de telefonia celular,

portos, aeroportos, necessitam de geração própria para não ter interrupções num caso de

emergência

Deste modo, a utilização de grupos geradores além da confiabilidade, traz uma

economia para empresa, comércio entre outros, procedendo assim uma maior competitividade

no setor o qual atua, sem comprometer a qualidade.

Portanto foi possível explanar de forma simples e realista, vários conceitos e teorias

obtidos com vários anos de estudo e esforço com os professores, mestres e doutores nas aulas

práticas e teóricas da Universidade.

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Referências Bibliográficas

CLAUDIO,J.Grupos geradores disponível em: <http://www.joseclaudio.eng.br> Acesso em

19/08/2009.

CUMMINS POWER GENERATION, informações técnicas sobre grupos geradores

Disponível em: <http:// www.cummins.com.br> Acesso em 05/10/2010.

Manual para Normalização de Trabalhos Acadêmicos, USF 2010.

STEMAC S/A GRUPOS GERADORES, Manual de Instruções para GMG 320 kVA,

USCA ST2000B 220/127Vca. 27f.

STEMAC S/A GRUPOS GERADORES, informações técnicas sobre grupos geradores

disponível em: <http://www.stemac.com.br> Acesso em 10/06/2010.

UNESP- Bauru, CREPPE, R.C, Curso de especialização Geradores de energia elétrica.

Weg Brasil, Manual Técnico sobre Geradores disponível em <http://www.weg.net.br> Acesso

em 03/02/2010.

http://www.weg.net.br/

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