Rendimento de Geradores ,Microcentrais Hidrelétricas

27 DE FEVEREIRO DE 2019



Rendimento de Geradores para Microcentrais Hidrelétricas



Este trabalho tem por objetivo expor a necessidade de que, pelo menos em termos atuais, o rendimento de geradores para microcentrais hidrelétricas seja determinado, e efetivamente fornecido, para todas as unidades fabricadas pela indústria nacional.

 

1   INTRODUÇÃO

 

O objetivo básico do Programa Nacional para Pequenas Centrais Hidrelétricas (PNPCH) é viabilizar a utilização de pequenos aproveitamentos hidroenergéticos para o atendimento de sistemas isolados ou interligados.
Para suprir algumas das necessidades do PNPCH foram construídos os Laboratórios Eletromecânico e Hidromecânico para pequenas Centrais Hidrelétricas (LEPCH e LHPCH, respectivamente) com recursos da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) em convênio com a Escola Federal de Engenharia de Itajubá (EFEI).
O LEPCH, em particular, visa desenvolver pesquisas e realizar testes específicos e de rotina, destrutivos ou não, em equipamentos eletromecânicos que compõem uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH). Desta forma, é possível colaborar com pequenas e médias empresas brasileiras, que fabricam e/ou prestam serviços ao setor de PCH, de modo a se obter equipamentos e componentes de alta qualidade e baixo custo.
As PCHs são classificadas pela  ELETROBRÁS [1] como mostrado na TABELA 1.

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Em relação as Microcentrais, tem-se que estas apresentam aspectos especiais, tais como:
a - As cargas a alimentar concentram-se no meio rural;
b - O usuário não é especializado e uma assistência técnica pode ser de difícil obtenção;
c - São centrais de baixa potência e, facilmente susceptíveis a variações bruscas de tensão.
Desta forma, torna-se claro que, para este tipo de PCH, a obtenção de diversos dados são imprescindíveis na análise do funcionamento de seu (s) gerador (es), tais como: rendimento, reatâncias, temperatura dos enrolamentos, tensão nos terminais do gerador quando este alimenta uma carga monofásica e atuação do regulador de tensão na entrada e saída de carga.
Este trabalho se fixa apenas na análise da necessidade de obter-se o rendimento dos citados geradores.

2   DOCUMENTO DE REFERÊNCIA

 

2.1   Pesquisa e desenvolvimento tecnológico - Vol. XII, Nº3, ano 1986 pág. 21 a 36. Editora EFEI.

 

3 - GERADORES SÍNCRONOS PARA MICROCENTRAIS

 

Os geradores para microcentrais, normalmente, são os síncronos sem escovas (Brushless) os síncronos auto-regulados e os assíncronos. Entretanto, este trabalho se fixa nos dois primeiros citados.
O esquema de ligações simplificado de um gerador sem escovas é dado na FIGURA 1.
A máquina principal, geralmente, possui pólos salientes excitatriz com estator de pólos salientes, retificadores girantes e um regulador de tensão. Naturalmente, este último tem por finalidade manter a tensão constante e, portanto, independente da carga que o gerador esteja alimentando.

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Os geradores síncronos auto-regulados estão representados na FIGURA 2.

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A função do conjunto R1-D7 é a de efetuar a auto-excitação e manter a tensão de saída no valor nominal para funcionamento em vazio. O conjunto TC’s e ponte trifásica (D1 a D6) permite compensar os efeitos provocados pela carga, como a queda de tensão. Os pontos  e   representam as escovas para alimentação do campo.

 

4 - RENDIMENTO DO APROVEITAMENTO HIDRÁULICO

 

Como em toda transformação de energia, surgem perdas inevitáveis quando da operação dos geradores.
A FIGURA 3 fornece um esquema simplificado para a geração hidráulica.

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Q - Vazio
TH - Turbina hidráulica
G - Gerador
NM - Nível de montante
NJ - Nível de jusante
Hb - Queda bruta
Z1, Z2 - Cotas

Conforme [2], tem-se que o trabalho específico disponível utado pela turbina é dado por:

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A potência disponível do aproveitamento hidráulico, ou a potência hidráulica, é dada por:

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Por outro lado, a potência bruta do sistema é dada por

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A relação entre as potências disponíveis e a bruta fornece o rendimento do sistema de adução ou da tubulação forçada, ou seja:

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O rendimento total da turbina é:

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Para microcentrais, ainda é possível a utilização de bombas centrífugas funcionando como turbinas [3]. Nestes casos a vazão e altura do projeto devem ser modificadas para que se obtenha o máximo rendimento.
O gerador também apresenta perdas, conforme será analisado no item 4; desta forma, tem-se:

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Pelo exposto, o rendimento total do aproveitamento hidráulico, até os terminais do gerador, é dado por:

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O rendimento dos geradores será analisado nos próximos tópicos.

 

5 - PERDAS E RENDIMENTO EM GERADORES

 

As perdas nos geradores são, basicamente, divididas em três grupos, ou seja:

Perdas em Vazio
a - Perdas no ferro devido ao fluxo principal;
b - Perdas por atrito e ventilação

Perdas em carga
a - Perdas por efeito Joule nos enrolamentos de campo e do induzido.

Perdas adicionais
a - Perdas na superfície dos pólos e enrolamentos amortecedores devido à abertura das ranhuras;
b - Perdas nos enrolamentos do induzido devido ao efeito pelicular;
c - Perdas na superfície dos pólos devido a fluxos harmônicos;
d - Perdas em partes da estrutura devido ao fluxo de dispersão;
e - Outras específicas de cada tipo de projeto do gerador.

O rendimento de geradores é dado pela expressão (6).
Observe-se que para geradores modernos de grande porte, o rendimento varia entre 0,92 a 0,98 com fator de potência nominal.

Os geradores síncronos, utilizados em Pequenas Centrais Hidrelétricas, particularmente aqueles para as microcentrais, não possuem, divulgado em literatura técnica, uma faixa de rendimento definida. O LEPCH está obtendo recursos junto a STI do MIC visando, entre outras finalidades, efetuar o levantamento do rendimento das citadas máquinas.

6 - DETERMINAÇÃO DO RENDIMENTO

 

O LEPCH tem testado geradores síncronos sem escovas e auto-regulados, motores de indução, de corrente contínua e transformadores fornecidos por fabricantes nacionais. Em relação aos geradores para microcentrais, os ensaios e testes utados com mais freqüência, entre outros possíveis, são os seguintes: resistência do isolamento e dos enrolamentos, seqüência de fases, sobre velocidade, fator de interferência telefônico, obtenção de forma de onda, tensão no eixo, características em vazio e em curto permanente, baixo escorregamento, curto-circuito trifásico súbito, seqüência negativa, tensão monofásico nas três fases, rendimento, perdas no ferro, atrito e ventilação, temperatura máxima dos enrolamentos, tensões nos terminais com a máquina alimentando cargas monofásicas, atuação do regulador de tensão e entrada de cargas e regulação da tensão nominal em função da corrente e potência de carga em geradores auto-regulados.
O rendimento pode ser levantado por separação das perdas da máquina ou pelo método direto, sendo este o mais interessante de se realizar para geradores de pequeno porte.
O procedimento para a ução da última metodologia citada é fazer a máquina síncrona operar como gerador; a seguir, efetua-se as medidas da potência elétrica fornecida a uma carga e da potência mecânica absorvida junto à máquina primária.
Desta forma, o rendimento é dado pela expressão (6), repetida a seguir por conveniência:

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Em relação às cargas elétricas, pode-se acoplar o gerador em paralelo com a rede, no caso de máquinas com freqüência nominal diferente à da rede e/ou de pequeno porte, simular a carga efetiva com a utilização de um reostato líquido e reatores; com estes procedimentos, facilmente é efetuada a medição da potência elétrica.

A máquina primária (freio eletrodinâmico) do LEPCH possui carcaça livre equipada com um braço e seu eixo pode ser acoplado diretamente ao do gerador sob ensaio; com a utilização conjunta deste último com um dinamômetro composto por uma célula de carga (Strain Gauge) e respectivo indicador digital, determina-se o conjugado, ou torque, desenvolvido no eixo, através de:

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A FIGURA 4 mostra o esquema simplificado para a ução do ensaio de rendimento medido diretamente.
Em relação à FIGURA 4, os aparelhos utilizados na ução do ensaio pelo LEPCH são:
a - Amperímetros, voltímetros e wattímetros com precisão menor ou igual a 0,5%;
b - Transformador de corrente com precisão 0,15%;
c - Grupo acionador constituído por uma máquina de corrente continua com controle eletrônico;
d - Sistema para medição de força constituída por célula de carga e indicador digital.

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Alternativamente, ainda é possível medi-se a potência mecânica (ou torque e a rotação) diretamente através de um transdutor sem escovas de alta precisão inserido entre o freio e o gerador sob ensaio.

 

7   RAZÕES PARA DETERMINAR O RENDIMENTO DE GERADORES PARA MICROCENTRAIS

 

Para máquinas de médio o grande porte, o rendimento é fixado em contrato; entretanto, pelas características especiais de uma microcentral tem-se que a determinação do rendimento torna-se importante, pois:
a   Como já citado, o usuário em geral, não é especializado e portanto, deverá ter em mãos o melhor equipamento disponível;
b   A potência disponível para uma carga como um acionamento, por exemplo, é definida por:

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ou seja, o aumento do rendimento do gerador em 11,1% resulta em redução do mesmo valor percentual da potência bruta necessária para que o gerador forneça a mesma potência elétrica à carga.
Nota-se que, em termos de projeto,poderá haver a redução da vazão, já que a altura bruta está comprometida com as condições topográficas e geológicas, isto implica em um decréscimo proporcional do diâmetro da tubulação, resultando em uma brutal diminuição de custos, para uma mesma potência disponível.
d   Outro aspecto, bastante freqüente, é o caso de uma microcentral operando em paralelo com um grupo gerador a diesel.
Naturalmente, o aumento de rendimento implica em um menor consumo de óleo, para uma mesma carga.
 

8 - CONCLUSÕES

 

Este trabalho mostra diversos aspectos em relação ao rendimento de geradores para microcentrais. Pelo exposto, conclui-se que há a necessidade de que, pelo menos em termos atuais, a determinação do rendimento seja considerado como um ensaio de rotina.
Observe-se que, para outras máquinas elétricas (transformadores, por exemplo), as respectivas normas exigem a determinação das perdas como ensaio de rotina [8].
A realização do citado ensaio permitirá um acompanhamento do desenvolvimento tecnológico de fabricantes nacionais e uma redução de custo de instalação, sendo ambos objetivos prioritários do PNPCH.
Acrescenta-se, ainda, que a melhoria dos rendimentos das turbinas é igualmente importante pelos mesmos motivos.
Cabe lembrar que o gerador síncrono representa cerca de 15% do custo total de uma microcentral. Desta forma, o retorno do capital investido se dará mais rapidamente quando se utilizam máquinas com rendimentos mais elevados.

 

9 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 

[1]   Centrais Elétricas Brasileiras (ELETROBRÁS) - “Manual das Pequenas Centrais Hidroelétricas” - Rio de Janeiro - ELETROBRÁS 1985;
[2]   Souza, Z., Fuch, R.D.; Santos, A.H.M.: “Centrais Hidro e Termolétricas” - São Paulo - Ed. Edgard Blücher/EFEI - 1983;
[3]   Viana, A.N.C.; Tiago Filho, G.L.; Leite, F.: “Viabilidade das Bombas Centrífugas Funcionando como Turbinas, para Microcentrais Hidrelétricas”. Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico - Vol XI - nº 3 - 1985 - pp.53;
[4]   Kostenko, M.; Piotrovsky, L. “Electrical Machines”. Moskow, Mir - 1977;
[5]   Liwschitz-Garik, M.; Whipple, C.C.: “Alternating-Current Machines”.New York -D. Van Nostrand Co.-1964;
[6]   Associação Brasileira de Normas Técnicas - “NBR 5052 - Máquinas Síncronas - Método de Ensaio” - Rio de Janeiro - ABNT - 1984;
[7]   Associação Brasileira de Normas Técnicas - “NBR5117 - Máquinas Síncronas - Especificação”. Rio de Janeiro - ABNT-1984;
[8]   Associação Brasileira de Normas Técnicas - “NRB 5380 - Transformadores - Especificação” - Rio de Janeiro - ABNT - 1984.

 

Autores:


 - João Roberto Cogo - GSI – Engenharia e Comércio Ltda.
 - Délvio Franco Bernardes (Profº . Auxiliar), Antônio Tadeu Lyrio de Almeida (Profº Assistente) - Escola Federal de Engenharia de Itajubá

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