8 - Geradores Elétricos, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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SENAI

PETROBRAS

CTGÁS-ER

Natal / RN 2012

Geradores Elétricos

SUMÁRIO

• 1. INTRODUÇÃO
• 2. ENERGIA EÓLICA
• 3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO GERADOR ELÉTRICO
• 4. CONSTRUÇÃO DO GERADOR ELÉTRICO
• 5. OPERAÇÃO DO SISTEMA

AGRADECIMENTOS

 Sou grato a Deus, família e igreja pelo incentivo e preparação ao longo da minha vida. Perdoem-me as ausências e ocupações.

 Agradeço a gerência do E&P/UO-BC/ATP-AB/MI na pessoa do Leandro Poubel, Marcelo Cardoso de Barros e Roger Hudson pelo incentivo e apoio para esse treinamento.

 Ao Técnico de operação, Reginaldo Gomes Souza - GE-OPE/OAE/UTE-MLG pelo encorajamento em desenvolver esse treinamento e a oportunidade inicial de realizar esse treinamento da UTE Mario Lago.

 Ao coordenador Wagner Roberto Cruz - GE-OPE/OAE/PPO pelo convite e oportunidade de minstrar esse treinamento de formação.

 A Irani Ferreira de Medeiros CTGAS-ER pela presteza e auxílo sempre que preciso.

 Outros que contribuíram direta ou indiretamente para a elaboração deste trabalho.

Dedico esse trabalho aos alunos do curso de formação para técnicos de operação termoelétrica. Espero que esse conteúdo seja útil para o sucesso de vocês.

2. Energia eólica

Essa forma de acionamento dos geradores provém do vento. Este é utilizado desde a antiguidade para movimentar embarcações através das velas e também o funcionamento de equipamentos dinâmicos para moagem de grãos e bombeamento de água.

Atualmente as turbinas eólicas são utilizadas para suprir energia mecânica para geradores elétricos e utilizam grandes e modernas turbinas. Esses parques eólicos normalmente estão localizados em locais com ventos fortes e regulares ao longo das estações.

As pás das turbinas eólicas são dimensionadas para otimizarem e transformar a corrente de ar em rotação, que por conseqüência giram e produzem energia elétrica nos geradores.

Esse conceito de energia tem sido reconhecido como bastante promissor devido o avanço da tecnologia onde se retira frações cada vez maiores dos aerogeradores. Dados têm demonstrado que a demanda de energia eólica no mundo tem crescido de forma acentuada. Para ter uma idéia, em 2007 a geração de energia eólica no mundo era em torno de 59 Gigawatts, passando para 120 GW em 2008 e chegando a ultrapassar 150 gigawatts em 2009.

Atualmente o parque eólico mundial disponibiliza aproximadamente 250 Gigawatts instalados em todo mundo tendo a China e EUA como destaque nesse cenário promissor.

As principais vantagens e desvantagem desse modelo de geração são: Vantagens: Ser uma fonte de energia renovável é sem dúvida uma das grandes bandeiras da energia eólica. Esta forma de acionamento dos geradores é inesgotável e não gera poluentes atmosféricos. Precisamos levar em conta também que o baixo custo de produção é fator relevante, uma vez que os aerogeradores podem ser utilizados em fazendas, campos e até dentro do mar.

Para melhor aproveitamento e eficiência, são construídas represas que aumentam o desnível de água, elevando a potência extraída nesses geradores.

Outro fator para construção das represas está no controle da sazonalidade. Como o volume de água que correm nos rios é alterado por questões climáticas, a construção de grandes reservatórios permite disponibilizar energia hidráulica armazenada para cobrir os baixos volumes dos rios e das chuvas.

Assim como no sistema eólico, o sistema de geração hidráulica possui vantagens e limitações que serão descritos abaixo:

Vantagens: Uma das grandes vantagens desse sistema de geração está relacionada ao custo de produção. As hidroelétricas permitem extrair grandes frações de energia a baixo custo, uma vez que a fonte é renovável. Conforme mencionado anteriormente, um rio de grande extensão pode suprir fonte de acionamento de inúmeras turbinas em diversas centrais hidroelétricas em diversos pontos do seu curso. Também relevante mencionar a ausência de emissões atmosféricas nesse formato de geração.

Desvantagem: Como ponto frágil desse sistema tem os altos custos de instalação devida não apenas aos equipamentos e infra-estrutura (distância dos centros comerciais e distribuidores de energia), mas as extensas desapropriações de terra para formação do reservatório. Para esse aspecto o custo não é apenas financeiro, ma social devido demandar realocação de cidades inteiras a serem inundadas. Outro ponto que tem relevância crescente refere ao fato de reduzir área agrária e cultivável além de interferir na geografia, povos nativos, fauna e flora da região.

b. Energia térmica A última fonte de energia geradora citada nesse trabalho refere-se a movimentação da turbina por um fluido transformado energeticamente (térmico). Nós vimos nos modelos anteriores que tanto o ar quanto a água cedia energia conforme ela se encontrava na natureza. Nesse cenário, precisamos colocar os coletores dessa energia no exato local que dispomos de tais fontes e muitas delas estão muito distantes dos centros consumidores, necessitando grande infra-estrutura para transportar essa energia até o usuário final.

Com o domínio da engenharia, principalmente após a revolução industrial, o homem consegue disponibilizar energia mecânica para um gerador elétrico dentro dos centros consumidores a partir de máquinas térmicas.

Como alternativa, se destacam os principais acionadores que citaremos: i. Motores a combustão interna Esses acionadores são muito reconhecidos devido a sua grande versatilidade. Os motores ciclo diesel ou Otto são versáteis e disponibilizam uma grande fração de potência em seu eixo de saída que pode ser acoplado direta ou indiretamente no eixo do gerador elétrico.

Nesse aspecto, os motores de combustão interna variam numa grande faixa de disponibilidade de potência, chegando a valores de 80 Megawatts por motor.

Nesse projeto existe um sistema de queimadores que se utilizam dos insumos primários e fazem a sua complementação térmica, podendo ser com queimadores de gás, líquido ou mesmo carvão.

 termonuclear – O processo de geração de vapor a partir de um reator nuclear é baseado no processo físico da fissão nuclear. Este desenvolve uma reação em cadeia (controlada) com os combustíveis enriquecidos gerando grande quantidade de calor. Este processo ocorre no reator principal com intensas pressões e temperatura, por onde circula uma serpentina de troca térmica que irá vaporizar o fluido a ser utilizado nas turbinas a vapor. Nesse processo não ocorre contato entre os fluidos do circuito primário (reator) e o vapor do circuito secundário que circula nas turbinas. Do ponto de vista ecológico, o sistema nuclear é uma grande evolução no que tange a emissões, pois não há descarte de poluentes atmosférico. Por outro lado, as quantidades de rejeitos radioativos geram acúmulo de lixo que se traduz em um grande problema ambiental.

Portanto, o sistema de geração elétrica a partir do vapor possui um grande parque de em todo mundo. Sua grande aplicação está diretamente relacionada ao domínio da tecnologia de geração de vapor, a grande eficiência dos equipamentos e também a flexibilidade de gerar grandes frações de energia próxima ao consumidor final. A instalação da central termoelétrica em centros consumidores é apenas limitada pelo transporte de combustível, porem oferece grande vantagem sobre os demais modos de geração anteriores. Como aspectos negativos terão as emissões atmosféricas devido a queima de combustíveis fósseis ou rejeitos radioativos. Atualmente tem se discutido com profundidade a matriz energética e soluções para utilização de queimas mais eficientes a partir da biomassa.

iii. Turbina a Gás O acionamento a partir das turbinas a gás é um dos segmentos crescentes na área de geração. A utilização de turbinas a gás simplificam as instalações mantendo a flexibilização da utilização de combustíveis líquidos e gasosos.

3. Principio de funcionamento do gerador elétrico

Conforme vimos na introdução desse material, o gerador elétrico é uma máquina dinâmica que converte energia mecânica do acionador em energia elétrica nos pólos de saída. O princípio dessa transformação é fundamentado no princípio descrito por Lenz (Lei de Lenz) que postula que “quando existe indução magnética, a direção da força eletromotriz induzida é tal, que o campo magnético dela resultante tende a parar o movimento que produz a força eletromotriz.

Para desempenho de suas atribuições o gerador possui diversos componentes capazes de converter a potência disponibilizada no seu eixo em potência elétrica nos seus terminais. Abaixo segue uma configuração típica de um gerador de 2 polos, sem escova de 60 Hz com potência de 50MW.

a. Eletro-magnetismo É conhecido que a corrente que circula através de um condutor gera um campo magnético. Esse fenômeno é facilmente identificado por meios práticos bem como sua ampla utilização como eletro imã.

O campo magnético gerado por um só condutor é bastante limitado, porém esse fluxo magnético pode ser aumentado através do enrolamento de uma bobina que desenvolve uma polaridade conhecida.

A quantidade de linhas que se originam no pólo norte e dirigem para o pólo sul são conhecidas pela designação de fluxo magnético e quantificadas pela densidade magnética que são expressas pela seguinte formulação matemática: H = N x I/L

Conforme visto, a densidade magnética tende a ser aumentada pelo número de espiras e também pela intensidade da corrente, porém existe um ponto de saturação da densidade imposta pela resistência dos materiais que a compõe.

Uma forma de aumentar a densidade é através da interposição de um núcleo metálico com permeabilidade magnética que concentram as linhas do campo eletromagnético criado pela bobina.

Para geração de uma corrente elétrica precisamos que um circuito seja completamente fechado. A geração da corrente será real apenas quando o fluxo cortar perpendicularmente o condutor, fazendo deslocar o elétron no interior do condutor conforme figuras A e C no desenho abaixo.

Quando o campo magnético esta paralelo ao condutor, conforme as figuras B e D, não haverá deslocamento de elétron no condutor e a lâmpada permanecerá apagada.

Na figura acima vimos apenas situações estáticas com fluxo de corrente ou não pelo condutor. Num sistema dinâmico podemos verificar que se o rotor do campo magnético gira continuamente terá a formação de uma senóide que representa deslocamento giratório do campo magnético em relação ao condutor.

A exemplificação acima representa um circuito monofásico, porém um gerador elétrico convencional possui três fases (trifásico) formando assim três senóides eqüidistantes defasadas 120º uma das outras.

c. Geração elétrica trifásica Um sistema de três fases pode ser representado na figura abaixo com um rotor de 2 de pólos (Norte e Sul) girando a uma determinada velocidade. Atentar para o fato que muitas pessoas confundem quando se trata de pares de pólo. Nesse caso temos 1 par de pólos.

No desenho abaixo podemos extrair a informação que quanto maior a rotação do eixo do gerador, menor o tempo que levará para se completar um ciclo da senóide.