2 Tra
2 Transformadores mnsformadores m onofásicosonofásicos
2.
2.1 Introd1 Introd uçãoução
A bordo de navios mercantes encontramos várias aplicações de A bordo de navios mercantes encontramos várias aplicações de transformadores, tais como: transformadores de serviço que atendem aos sistemas transformadores, tais como: transformadores de serviço que atendem aos sistemas elétricos cuja tensão de alimentação seja diferente da tensão de saída do gerador; elétricos cuja tensão de alimentação seja diferente da tensão de saída do gerador; transformadores monofásicos, componentes das fontes de alimentação de transformadores monofásicos, componentes das fontes de alimentação de componentes eletrônicos; transformadores de ignição das caldeiras; componentes eletrônicos; transformadores de ignição das caldeiras; autotransformadores das chaves de partida compensadas; transformadores de autotransformadores das chaves de partida compensadas; transformadores de corrente e transformadores de potencial que alimentam os medidores de parâmetros corrente e transformadores de potencial que alimentam os medidores de parâmetros elétricos e dispositivos de proteção dos grupos geradores e outros.
elétricos e dispositivos de proteção dos grupos geradores e outros.
2.2 Transformador monofásico 2.2 Transformador monofásico
Vamos inicialmente estudar o transformador monofásico, com ênfase no de Vamos inicialmente estudar o transformador monofásico, com ênfase no de dois
dois enrolamenrolamententos. os. PPosteriormosteriormentente e abordaremabordaremos os o o trtransformansformador trifásico.ador trifásico.
2.
2.3 Transform3 Transform ador elementar ador elementar
O transformador é um equipamento utilizado para elevar ou reduzir tensões, O transformador é um equipamento utilizado para elevar ou reduzir tensões, tendo como princípio de funcionamento a indução mútua entre dois ou mais tendo como princípio de funcionamento a indução mútua entre dois ou mais enrolamentos.
enrolamentos.
Um transformador bàsicamente é constituído por um enrolamento primário, Um transformador bàsicamente é constituído por um enrolamento primário, definido como aquele em que aplicamos a tensão de entrada; um enrolamento definido como aquele em que aplicamos a tensão de entrada; um enrolamento secundário, definido como aquele em que obtemos a tensão de saída; e um caminho secundário, definido como aquele em que obtemos a tensão de saída; e um caminho para o fluxo magnético denominado núcleo, formado por material laminado,de alta para o fluxo magnético denominado núcleo, formado por material laminado,de alta permeabilidade magnética, que é o grande responsável pela transformação, permeabilidade magnética, que é o grande responsável pela transformação, conforme ilustrado na figura 7.
Figura 7- Tansformador elementar Figura 7- Tansformador elementar
2.4 Funcionamento do transformador 2.4 Funcionamento do transformador
Conforme mencionado anteriormente, o funcionamento do transformador Conforme mencionado anteriormente, o funcionamento do transformador baseia-se nos fundamentos do eletromagnetismo, especificamente na Lei de baseia-se nos fundamentos do eletromagnetismo, especificamente na Lei de indução de Faraday. Verifica-se que, ao movimentar um campo magnético diante de indução de Faraday. Verifica-se que, ao movimentar um campo magnético diante de um condutor, surge uma corrente induzida. Em outras palavras, poderíamos dizer um condutor, surge uma corrente induzida. Em outras palavras, poderíamos dizer que um campo magnético variável produz um fluxo magnético variável, responsável que um campo magnético variável produz um fluxo magnético variável, responsável pela
pela tensão tensão induzida.induzida.
Observamos na figura 3 que o primário e o secundário são duas bobinas Observamos na figura 3 que o primário e o secundário são duas bobinas isoladas uma da outra, porém, envolvendo um núcleo comum. Ao alimentar-se o isoladas uma da outra, porém, envolvendo um núcleo comum. Ao alimentar-se o primário ou o secundário com sua respectiva tensão nominal, obteremos um fluxo primário ou o secundário com sua respectiva tensão nominal, obteremos um fluxo
magnético no núcleo de ferro.
magnético no núcleo de ferro.
Se a fonte utilizada para a alimentação do primário, por exemplo, for de Se a fonte utilizada para a alimentação do primário, por exemplo, for de corrente contínua, não teremos uma transformação de tensão constante no corrente contínua, não teremos uma transformação de tensão constante no secundário, pois o fluxo magnético gerado pela corrente contínua não é variável ao secundário, pois o fluxo magnético gerado pela corrente contínua não é variável ao longo do tempo.
longo do tempo.
Sendo o primário alimentado com tensão alternada, ele produzirá um fluxo Sendo o primário alimentado com tensão alternada, ele produzirá um fluxo magnético variável, já que a corrente alternada oscila em 60 Hz. Esse fluxo magnético variável, já que a corrente alternada oscila em 60 Hz. Esse fluxo magnético variável percorrerá o núcleo de ferro, atingindo o secundário, provocando magnético variável percorrerá o núcleo de ferro, atingindo o secundário, provocando o surgimento de uma tensão alternada nesse enrolamento, consequência da o surgimento de uma tensão alternada nesse enrolamento, consequência da indução magnética. A tensão que aparece no secundário, consequência da ação do indução magnética. A tensão que aparece no secundário, consequência da ação do fluxo magnético variável gerado pelo primário recebe o nome de tensão induzida. A fluxo magnético variável gerado pelo primário recebe o nome de tensão induzida. A tensão induzida é sempre proporcional ao número de espiras da bobina e de acordo tensão induzida é sempre proporcional ao número de espiras da bobina e de acordo com a indução magnética que a provocou, podendo ser calculada pela relação de com a indução magnética que a provocou, podendo ser calculada pela relação de tr
Figura 8 - Princípio de funcionamento do transformador Figura 8 - Princípio de funcionamento do transformador
E1/E2= N1/N2 (1), sendo: E1/E2= N1/N2 (1), sendo:
E1= Tensão no primário; E1= Tensão no primário; E2= Tensão no secundário; E2= Tensão no secundário;
N1= Número de espiras do primário; N1= Número de espiras do primário; N2= Número de espiras no secundário. N2= Número de espiras no secundário.
Sabe-se que o transformador é a máquina elétrica de maior rendimento, pelo Sabe-se que o transformador é a máquina elétrica de maior rendimento, pelo fato de ser uma máquina estática, sendo suas perdas no cobre e no ferro bastante fato de ser uma máquina estática, sendo suas perdas no cobre e no ferro bastante reduzidas. Assim sendo, podemos considerar que no transformador ideal a potência reduzidas. Assim sendo, podemos considerar que no transformador ideal a potência aparente do lado primário(S1) é igual à potência aparente do lado secundário(S2), aparente do lado primário(S1) é igual à potência aparente do lado secundário(S2), ou seja: ou seja: S1=S2 S1=S2 ou ou E1.I1=E2.I2 E1.I1=E2.I2 E1/E2=I2/I1 (2), sendo: E1/E2=I2/I1 (2), sendo: I1= C
I1= Corrente orrente primprimária;ária; I2= Corrente secundária. I2= Corrente secundária.
Reunindo as equações (1) e (2), obteremos a equação fundamental dos transformadores:
V1/V2=I2/I1=N1/N2
Analisando a equação fundamental, concluímos que quanto maior o número de espiras, maior será a tensão e menor a corrente e, quanto menor o número de espiras, menor será a tensão e maior a corrente. É bom ressaltar que o transformador não funciona em corrente contínua, pois seu princípio de funcionamento é baseado na variação de um fluxo magnético, portanto é preciso alimentá-lo com C.A.
2.5 Perdas no tr ansform ador
Como mencionamos anteriormente, as perdas são mínimas em um transformador, entretanto, elas são as responsáveis pelo rendimento um pouco abaixo dos 100%. Estas perdas são denominadas perdas no cobre e perdas no ferro.
As perdas no cobre são devidas às resistências ôhmicas dos enrolamentos primário e secundário que são constituídos por fios condutores de cobre esmaltado. A resistência total das bobinas, sob a influência de uma corrente elétrica é aquecida, e este aquecimento significa potência desperdiçada. Para reduzir estas perdas. os enrolamentos poderão estar imersos em óleo mineral isolante, no caso de transformadores de distribuição e potência, ou, em ambientes refrigerados, em contado com o meio ambiente, no caso de transformadores a seco. Os transformadores de serviço utilizados em navios mercantes são do tipo a seco.
As perdas no ferro ou por correntes parasitas são devido à ação do fluxo magnético variável no núcleo do transformador ao ser induzido no mesmo uma tensão e, como o núcleo forma um circuito fechado, surgirá no mesmo uma corrente elétrica que produzirá um campo magnético em oposição ao campo que deu origem a esta corrente, ocasionando perda de rendimento e aquecimento.
Para minimizar os efeitos das correntes parasitas, não se deve utilizar um núcleo de material ferromagnético maciço em um transformador. Na construção do núcleo são utilizadas chapas de material ferromagnético, de espessura reduzida, isoladas eletricamente uma das outras e justapostas, formando um bloco compacto.
Por estarem isoladas eletricamente, não facilitam a circulação das correntes parasitas, reduzindo o aquecimento e a influência negativa do campo magnético. Você já observou que o núcleo dos transformadores e a parte interna dos motores elétricos são fabricados com material laminado e não maciço?
Abaixo apresentamos diversos tipos de transformadores monofásicos utilizados em diversos equipamentos de um navio mercante.
Figura 9 - Transformadores monofásicos Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Figura 11 – Transformadores monofásicos Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Figura 12 - Transformadores monofásicos Fonte: www.wisetransformadores.com.br
2.6 Polarização dos tr ansfor madores
Sabemos que dois ou mais indutores podem ser ligados, em série, de duas formas distintas: série aditiva e série subtrativa. Na ligação em série aditiva, há um reforço nos campos magnéticos criados em cada indutor, ao ser percorrido por corrente elétrica; na ligação em série subtrativa, há um enfraquecimento entre os
campos magnéticos de cada indutor. A polaridade de um indutor é definida pelos sentidos de enrolamento e do fluxo de corrente elétrica, conforme mostram as figuras 13 e 14.
Figura 13 - Polaridade de um indutor
Fonte:Física História & Cotidiano, Bonjorno & Clinton
Figura 14 - Regra da mão direita
Fonte:Física História & Cotidiano, Bonjorno & Clinton
Observe que na figura 13, o sentido de enrolamento é da frente para trás; e na figura 14 é o inverso, sendo que em ambos os casos, o sentido de corrente é o mesmo. A regra prática para a determinação da polaridade de um indutor é bastante simples; estendendo a mão direita, a parte interna (palma) estará orientada no sentido de como o condutor foi enrolado e as pontas dos quatro dedos (do indicador ao mínimo) estarão orientadas no sentido da corrente elétrica. O quinto dedo, ou seja, o polegar definirá a posição do polo norte. Observe atentamente a figura 15 e aplique a regra da mão direita e confirme as respectivas polaridades.
Figura 15 - Regra da mão direita Fonte:cwx.prenhall.com
Em um transformador, as bobinas ou enrolamentos nada mais são que indutores que devem ser ligados em série aditiva, para que haja um reforço dos campos magnéticos. Portanto, os enrolamentos que compõem o lado de alta-tensão devem obedecer à regra da polarização aditiva; o mesmo critério deve ser obedecido para os enrolamentos que compõem o lado de baixa-tensão.
Na prática, a polarização de um transformador é definida através de dois métodos: Golpe Indutivo e Polarização em A.C. Tais métodos são complexos, requerem instrumentos especiais e possibilitam riscos de descargas perigosas durante os ensaios.
O Golpe Indutivo é mais simples e rápido de polarizar um transformador e é aplicado separadamente em cada um dos três enrolamentos que formam o transformador trifásico: consiste em aplicar uma tensão C.C. no primário e observar a resposta em um galvanômetro conectado no secundário. A polaridade estará correta quando o mesmo padrão de resposta for obtido para os três enrolamentos que serão identificados de acordo com esta resposta.
O método de polarização em A.C. é mais complexo e trabalhoso, porém, exige menos instrumentos e recursos de bancada, bastando uma fonte A.C. ajustável: consiste em alimentar um dos enrolamentos com tensão reduzida e ligar os outros enrolamentos em série até que tenhamos a soma das tensões de cada enrolamento. A cada etapa, marcamos os terminais dos enrolamentos já polarizados.
Os transformadores são entregues pelos fabricantes com todos os enrolamentos identificados e polaridades definidas. A placa de identificação do transformador contém todas as orientações do fabricante para efetuar as ligações desejadas. É importante manter visível a placa de identificação de um transformador.
2.7 Autotransformadores
Os autotransformadores são transformadores especiais, que possuem um único enrolamento com várias derivações denominadas de TAP’s, como pode ser visto na figura16.
Figura 16 - Autotransformador
Fonte: www.wisetransformadores.com.br
A aplicação de autotransformadores é indicada quando não se tem necessidade de isolação elétrica entre primário e secundário, e a redução de tensão não ultrapassa 50% da tensão primária, como, por exemplo, o autotransformador trifásico utilizado em sistemas de compensação de partida de motores elétricos, denominadas chaves compensadoras, que possuem tap’s de 50%, 65% e 85% da tensão de entrada, muito utilizado em navios, como
Figura 17- Chave compensadora Fonte: www.wisetransformadores.com.br
2.8 Transfor mador de pot encial
Os transformadores de potencial, conhecidos como TP’s, são utilizados para alimentar as bobinas de potencial de instrumentos de medição e instrumentos de proteção em sistemas de potência, conforme figura 18.
Figura 18 - Transformadores de potencial Fonte:Siemens
Os TP’s possuem como característica principal a tensão secundária de 115V, sendo a tensão primária de valores elevadíssimos. Tomando como exemplo o sistema de distribuição de energia de uma Concessionária, em que a tensão primária seja de 13800 volts, e que se deseja medir o nível de tensão em um painel de comando. É evidente que não podemos instalar um voltímetro que meça diretamente os 13800 volts. O TP, neste caso, participa do sistema de medição reduzindo o nível de tensão para ser aplicado ao voltímetro, de 13800V para 115V.
O transformador de potencial também pode ser utilizado para acionar as bobinas de acionamento de disjuntores de alta tensão, pois é inviável comandá-los em tensões elevadas.
Em navios mercantes, onde a tensão gerada é de 440 volts, os sistemas de medição e de proteção são alimentados com TP’s de relação 440/115 volts.
2.9 Transfor mador de corr ente
Os transformadores de corrente, conhecidos como TC’s, igualmente como os TP’s, também são utilizados para alimentar instrumentos de medição e instrumentos de proteção, sendo entretanto, conectados nas bobinas de corrente de tais equipamentos. A figura 19 mostra transformadores de corrente.
Figura 19 - Transformadores de corrente Fonte:Siemens
Como característica principal, a corrente secundária de um TC é de 5A, sendo a corrente primária determinada pelo barramento ou condutor elétrico envolvido pelo mesmo.
Em navios mercantes, os TC’s são bastante empregados. Suponhamos que um navio graneleiro seja alimentado por um gerador de 950KVA-440Volts, e no quadro elétrico esteja instalado um medidor de potência ativa,denominado wattímetro. A corrente nominal do gerador é de 1248A, corrente esta que danificaria as bobinas de
corrente do medidor.
Para eliminar este inconveniente, o medidor será alimentado por um TC de relação 1250/5A, pois não são fabricados TC’s de relação 1248/5A. O secundário de um TC, quando energizado, nunca deve ficar em aberto, pois uma elevadíssima tensão será induzida em seus terminais, podendo ser fatal. Portanto, em um TC instalado, quando não estiver alimentando um medidor ou um relé, seus terminais deverão ser curto-circuitados.
3 Transform adores t rifásicos
3.1 Introd ução
A bordo de navios são bastante utilizados transformadores de serviço, a seco, para eliminar riscos de explosão; de emprego ecològicamente corretos, possuindo três enrolamentos no primário e três enrolamentos no secundário. Tais transformadores são os chamados trifásicos, com amplo emprego na indústria e
sistemas de distribuição. Nos navios, os transformadores trifásicos são utilizados para alimentar cargas cujas tensões nominais são menores que 440volts, que é a tensão padrão.Iremos abordar os seus aspectos construtivos mais importantes, tipos de ligações e aplicações. A figura 20 mostra-nos o transformador de serviço de um navio.
Figura 20 - Transformador trifásico de serviço Fonte navio Itaperuna
3.2 Aspectos construt ivos
Basicamente os transformadores trifásicos são constituídos por um conjunto de três transformadores monofásicos, conforme a figura 21.
Figura 21- Transformador trifásico constituído por três monofásicos
Os transformadores trifásicos, por serem constituídos por três transformadores monofásicos que compartilham um núcleo comum de material ferromagnético, que possuem as mesmas características construtivas, número de espiras, seção dos condutores e potência, sendo correto afirmar que a potência de uma unidade trifásica é três vezes a de uma unidade monofásica, ou seja:
S3ø=3.S1Ø,onde:
S3ø=Potência aparente do transformador trifásico S1Ø=Potência aparente do transformador monofásico
Existem diversos tipos de transformadores trifásicos, conforme mostram as figuras abaixo. Em todos os tipos construtivos de transformadores trifásicos há a necessidade de dissipação do calor produzido pelo equipamento em operação.Em transformadores trifásicos de médio e grande portes, geralmente os enrolamentos permanecem imersos em óleo mineral isolante que está em contato com as aletas externas, melhorando a dissipação de calor. Transformadores menores, tais como os utilizados em navios mercantes, possuem seus enrolamentos em contato com o ar, que é suficiente para dissipar o calor gerado.
Como observação, informamos que a restrição ao uso de transformadores a óleo em navios, é devido à possibilidade de explosão por centelhamento nas espiras, em virtude de acúmulo de gases inflamáveis no óleo isolante.
Figura 22 - Transformador trifásico de potência Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Figura 23 - Transformador trifásico de distribuição. Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Figura 24 - Transformador trifásico a seco Fonte: www.wisetransformadores.com.br
Normalmente os transformadores trifásicos possuem uma caixa de ligação ou bornes em que podemos efetuar as ligações e conexões. Para identificar os terminais primários, é utilizada a letra H seguida do número do terminal, e, para identificar os terminais secundários, é utilizada a letra X, também seguida do número do terminal. Em transformadores de alta e média tensão, os bornes de ligação são sustentados por isoladores que os mantêm a uma distância adequada da carcaça do transformador, conforme a figura 13.
. Figura 25 - Bornes de ligações de um transformador
3.3 Tipos de ligações de um transformador trifásico
Os transformadores trifásicos possuem enrolamentos primário e secundário preparados para serem ligados, de acordo com o esquema de ligações fornecido pelo fabricante. Os esquemas de ligações do fabricante trazem a identificação dos terminais de alta e de baixa-tensão com as letras H e X respectivamente, e, as bobinas das fases são identificadas com a numeração normalizada:
Fase R (1,4)/ (7,10) Fase S (2,5)/(8,11) Fase T (3,6)/(9,12)
Em em circuitos trifásicos temos dois tipos básicos de ligações: estrela e
triângulo. Os transformadores trifásicos de distribuição geralmente possuem ligação triângulo no lado de alta-tensão e estrela no lado de baixa-tensão. A figura 26 ilustra o fechamento de um transformador trifásico de distribuição de seis terminais.
Figura 26 - Tipos de ligações trifásicas para 6 terminais
A figura 27 ilustra os possíveis fechamentos de um transformador trifásico de distribuição de 12 terminais.
Figura 27 - Tipos de ligações trifásicas para 12 terminais
Observe que o ponto comum das ligações estrela dos secundários é representado por X0e corresponde ao neutro do transformador.
3.4 Placa de Identifi cação de um tr ansfor mador tr ifásic o
Nos transformadores trifásicos, o fabricante deverá fornecer os dados nominais em uma placa de identificação que deverá estar fixada em um ponto de fácil
visualização, contendo as seguintes informações:
1- Potência nominal em KVA;
2- Tensão nominal primária em KV; 3- Tensão nominal secundária em KV;
4- Corrente nominal primária em ampère. (A); 5- Corrente nominal secundária em ampère (A); 6- Freqüência nominal em Hertz (Hz);
7- Impedância percentual (Z%).
Figura 28 - Locação de transformadores de serviço Fonte: navio Itaperuna.
3.5 Perdas em um tr ansfor mador
Um transformador, além das perdas devido às correntes parasitas, possui outras perdas. A primeira que veremos é em função do enrolamento das bobinas. Como as bobinas são feitas de fio de cobre esmaltado e esse fio possui certa resistência ôhmica, é correto afirmar que a resistência total de uma bobina, sob influência de uma corrente elétrica, provoque aquecimento e isto significa potência desperdiçada. Essas perdas são denominadas de perdas no cobre.
Outra perda no transformador está relacionada à histerese magnética. Ela provoca o atraso entre o campo magnético e a indução magnética. Como esta perda está relacionada com a qualidade do material utilizado na montagem do núcleo, ela é chamada de perda no ferro. As perdas no cobre e no ferro serão determinadas através de experiências que estudaremos na unidade de ensino 5.
3.6 Rendimento d e um transfo rmador
Através das perdas no cobre e no ferro, determinadas através dos ensaios de curto circuito e de circuito aberto, que veremos na unidade de ensino 5, é determinado o rendimento de um transformador.
6 Geradores de cor rente alternada
6.1 Introd ução
Os geradores de corrente alternada, também denominados de geradores síncronos ou alternadores, são os responsáveis pela geração de energia elétrica nos navios mercantes, portanto, de grande importância o estudo dessas máquinas elétricas girantes.
Em um navio encontram-se instalados pelo menos três geradores síncronos, sendo dois localizados na praça de máquinas, denominados de geradores principais, e um no convés superior, denominado gerador de emergência. A figura 59 mostra um gerador síncrono instalado em um navio mercante e a figura 60 mostra seu respectivo painel elétrico, localizado no QEP (Quadro Elétrico Principal).
Figura 59 - Gerador síncrono Fonte: navio Itaperuna.
Figura 60 - Painel do gerador síncrono Fonte: navio Itaperuna.
Estas máquinas, juntamente com uma máquina primária acoplada ao seu eixo, convertem energia mecânica em elétrica, através do movimento relativo entre campo magnético e condutores elétricos.
O gerador elementar foi inventado na Inglaterra, em 1831 pelo físico Michael Faraday. Este gerador elementar consistia basicamente por um ímã que se movimentava no interior de uma espira, ou vice-versa, provocando o aparecimento de uma força eletromotriz induzida(fem) na espira, registrado em um galvanômetro, conforme mostra a figura 61.
Figura 61 - Lei de Faraday Fonte: Acervo Saber
Observe que é necessário o movimento relativo entre campo magnético e espira. Nos geradores utilizados em instalações marítimas, o condutor é fixo e o campo é móvel, por razões que abordaremos posteriormente.
6.2 Princípio de funcionamento
Como citado anteriormente, a função de um gerador síncrono é a conversão de energia mecânica em elétrica. Com finalidades didáticas, no estudo do princípio de funcionamento iremos considerar inicialmente uma espira imersa em um campo magnético produzido por um ímã permanente, conforme mostrado na figura 62.
Figura 62 - Gerador elementar Fonte: Acervo Saber.
Os terminais da espira são conectados a dois anéis ligados ao circuito externo (carga) através de escovas de grafite. Este tipo de gerador é de armadura móvel e de campo fixo.
Admitindo-se que a espira (bobina) se movimenta com velocidade uniforme v, no sentido horário, no interior do campo magnético B, também uniforme.
Segundo a Lei de Indução de Faraday, o valor instantâneo da f.e.m. induzida no condutor em movimento de rotação é determinado por:
E= B.l.v.senΦ ( Volts), onde:
E é a força eletromotriz induzida na armadura; B é a indução do campo magnético;
l é o comprimento do condutor; v é a velocidade linear; e
Φ é o ângulo formado entre B e v.
No gerador prático, a armadura é composta de n espiras, logo: E=n.B.l.v.senΦ ( Volts).
Observe na figura 51, que o campo magnético é formado por um eletroímã constituído por sapatas polares de material de alta permeabilidade magnética e
uma bobina que é alimentada por uma fonte de corrente contínua, necessária para manter as polaridades magnéticas fixas. No gerador prático, a alimentação do campo magnético com corrente contínua vem do próprio gerador, através de um sistema de excitação denominado Regulador Automático de Voltagem(AVR), conforme veremos posteriormente.
A variação da f.e.m. induzida no condutor, em função do tempo, é determinada pela lei da distribuição da indução magnética sob um par de polos. Esta distribuição tem um caráter complexo e depende da forma
geométrica da sapata polar. Com um “designer” conveniente das peças polares, poderemos obter uma distribuição senoidal de induções. Nesta condição, a f.e.m. induzida no condutor também varia com o tempo sob uma forma senoidal.
A figura 63 mostra somente um lado da bobina imersa no campo magnético, em 12 posições diferentes, estando cada posição separada uma da outra de 30º. A figura 64 mostra as tensões correspondentes a cada uma das posições.
Figura 63 - Bobina imersa em campo magnético Fonte: Acervo Saber.
Fonte: Acervo Saber.
Nos geradores de capacidades elevadas, como é o caso de navios, é utilizado o tipo construtivo em que o campo magnético é móvel. Neste caso, a tensão de armadura é retirada diretamente, sem necessitar escovas. A potência de excitação destes geradores normalmente é inferior a 5% da potência nominal de saída; por este motivo, o tipo de armadura fixa , ou campo girante, é o mais utilizado.Você já imaginou as dimensões das escovas necessárias para retirar uma corrente de intensidade de 1000A de uma armadura girante?
A figura 65 mostra um corte transversal de um alternador elementar de armadura fixa.
Figura 65 - Corte transversal do gerador elementar Fonte: Acervo Saber.
6.3 Frequência da tensão i nduzida em um alternador
Em um gerador elementar, a cada giro da espira teremos um ciclo completo da tensão gerada. Na prática, as peças polares são construídas com um número maior de pares de polos magnéticos que se distribuirão alternadamente. Neste caso, o ciclo se completa a cada par de polos.
Considerando “N” a velocidade da máquina primária em RPM e “F” a frequência da tensão induzida em ciclos por segundo(Hertz), teremos:
As frequencias mundialmente padronizadas na geração de tensões elétricas são nos valores de 50 Hz e 60 Hz. No Brasil, adota-se a frequência de 60 Hz. A tabela 2 mostra as velocidades síncronas das máquinas primárias para as freqüências e número de polos utilizados na prática.
Tabela 2
6.4 Compo nentes de um gerador síncr ono
Os alternadores bàsicamente possuem uma parte fixa denominada estator e uma móvel denominada rotor. Na parte estática estão localizados os enrolamentos ou bobinas do induzido(armadura), alojados nas ranhuras de um núcleo de ferro. Na parte móvel, encontram-se localizadas as peças polares ou sapatas,constituídas por material ferromagnético de alta permeabilidade magnética,envolvidas pelo enrolamento ou bobina de campo,cujas extremidades são ligadas a dois anéis coletores que recebem, através de escovas, corrente contínua de uma fonte externa ou do próprio induzido, conforme veremos posteriormente.
Dependendo do tipo de excitação utilizado, temos os TC’s, retificador trifásico, regulador automático de voltagem(AVR), excitatriz principal, excitatriz auxiliar e alternador auxiliar. A figura 66 mostra os componentes de um gerador síncrono.
Figura 66 - Componentes de um gerador síncrono Fonte: WEG
6.5 Tipos construt ivos d o campo magnético
Os geradores síncronos podem ser construídos com rotores de polos lisos (cilíndricos) ou polos salientes, dependendo da velocidade da máquina primária.
O rotor de polos cilíndricos possui o entreferro uniforme ao longo de toda a periferia do núcleo de ferro, podendo ser acionado em velocidades superiores a 1800 r.p.m., sem que os condutores possam romper por ação da força centrífuga, pois os mesmos estão firmemente alojados nas ranhuras do núcleo de ferro. A figura 67 mostra um rotor de polos lisos.
Figura 67 - Rotor de polos cilíndricos Fonte: WEG.
Os rotores de polos salientes apresentam uma descontinuidade no entreferro ao longo da periferia do núcleo de ferro, formando as denominadas regiões interpolares, onde o entreferro é extenso, tornando visível a saliência dos polos. Neste tipo de rotor, os condutores situados nas saliências estão submetidos à ação considerável da força centrífuga, podendo romper. Por este motivo, este tipo construtivo de rotor não é utilizado em alternadores acionados em velocidades acima de1800 r.p.m. A figura 68 mostra um rotor de polos salientes.
Figura 68 - Rotor de polos salientes Fonte: WEG.
6.6 Tipo s de geradores quanto à natureza da máquin a motri z
Quanto ao tipo de acionamentos, os geradores são classificados em:
a) grupo diesel: são geradores acionados por motores diesel com potências nominais de até 1500KVA, rotação até 1800 r.p.m,IV polos, tensões nominais de 220V, 380V ou 440V, frequências nominais de 50Hz ou 60Hz
b) turbogeradores: são geradores acionados por turbinas a vapor, com
potências nominais de até 20MVA, rotação até 1800 r.p.m., IV polos, tensões nominais de 220V a 13800V, frequências nominais de 50Hz ou 60Hz
c) hidrogeradores: são geradores acionados por turbinas hidráulicas, com potências nominais de até 20MVA, rotação entre360 a 1800 r.p.m., IV a XX polos, tensões nominais de 220V a 13800V, frequências nominais de 50Hz ou 60Hz.
Em navios mercantes são utilizados grupos diesel e/ou turbogeradores. Os hidrogeradores são utilizados em usinas hidrelétricas.
6.7 Geração de corr ente trif ásica
O sistema trifásico é obtido através da combinação de três sistemas monofásicos de tensões U1, U2 e U3, tais que a defasagem entre elas seja 120º.
A armadura deste tipo de gerador é composta por três conjuntos de bobinas dispostas simetricamente no espaço, formando entre sí também ângulos de 120°. Para que o sistema seja equilibrado, isto é, U1=U2=U3, o número de espiras de cada bobina deverá ser igual. A figura 69ilustra as formas de ondas de tensão em cada bobina do sistema.
Figura 69 - Formas de ondas trifásicas Fonte: WEG.
A ligação dos três sistemas monofásicos para se obter o sistema trifásico é feita usualmente através de duas formas distintas: estrela (Y) ou triângulo (∆).
6.8 Ligação estrela ou Y
Ligando uma das extremidades de cada enrolamento monofásico a um ponto comum aos três, as extremidades opostas formarão um sistema trifásico em estrela ou Y, conforme mostra a figura 70. O ponto comum ou quarto condutor é denominado neutro.
Figura 70 - Ligação estrela ou Y. Fonte: WEG.
Definem-se ‘’tensões e correntes de fase’’ as tensões e correntes de cada um dos três sistemas monofásicos, indicados por VF e IF, ou seja, entre as extremidades da estrela e o ponto comum. Como “tensões de linha” são definidas as tensões entre as extremidades da estrela, e como correntes de linha as que saem em cada extremidade do Y. A figura 71 mostra um sistema trifásico a três condutores.
Figura 71 - Sistema trifásico a três condutores Fonte: WEG.
As relações entre os valores de linha e de fase em uma ligação Y são: VL= √3xVF
IL= IF
Em um sistema trifásico em Y com quatro condutores, teremos: IN= IA+IB+IC
Se o sistema for equilibrado, IA=IB=IC e IN=0; se o sistema não for equilibrado, IN≠0.
6.9 Ligação triângulo o u delta
Se ligarmos os três sistemas monofásicos entre sí, como indica a figura 72, formaremos um triângulo, em cujos vértices originam-se as fases do sistema trifásico em ligação delta.
Figura 72 - Ligação delta ou triângulo Fonte: WEG.
A tensão entre dois vértices do triângulo chama-se “tensão de linha”, que é a tensão nominal do sistema trifásico. A corrente que sai de cada vértice é chamada de corrente de linha.
Figura 73 - Sistema trifásico em delta Fonte: WEG.
Examinando a figura 73, observamos que:
1) a cada carga é aplicada a tensão de linha VL, que é a própria tensão do sistema monofásico correspondente, ou seja: VL= VF.
2) a corrente de linha (IL) é igual à soma das correntes das fases ligadas ao vértice respectivo, ou seja: IL=IF1+IF3.
Como as correntes estão defasadas entre si, a soma deverá ser feita graficamente como mostra a figura 74.
Figura 74 - Soma fasorial de correntes Fonte: WEG.
Pode-se mostrar que:
6.10 Tipo de li gação dos alternador es de navios
Os alternadores ou geradores síncronos utilizados em navios possuem os enrolamentos da armadura ligados em estrela, com o ponto comum solidamente interligado à estrutura metálica do navio, originando o “terra”. No quadro elétrico principal, não há barramento de neutro, sendo a tensão de linha de 440v o único valor fornecido pelo gerador. Qualquer carga que necessitar de tensão diferente de 440v será alimentada por transformadores de serviço.
Qualquer corrente de desequilíbrio no sistema ou de contatos acidentais para a “massa” será dispersada no mar através do casco do navio.
6.11 Compor tamento do gerador em vazio
Em vazio, ou seja, sem carga, a tensão de armadura depende do fluxo magnético gerado pelos polos de excitação, ou da corrente contínua que circula pelo enrolamento de campo. Isto somente é verdadeiro pelo fato de que o estator (induzido) não é percorrido por corrente, portanto, é nula a reação da armadura, cujo efeito é de alterar o fluxo total.
Ao gráfico que relaciona a tensão gerada e a corrente de excitação denominamos de característica a vazio (fig. 75), no qual podemos observar o estado de saturação da máquina.
Figura 75 - Característica a vazio Fonte: WEG.
Em carga, a corrente que atravessa os condutores da armadura origina um campo magnético, causando alterações na intensidade e distribuição do campo magnético principal. Esta alteração depende da corrente, do fator de potência e da característica da carga, como veremos a seguir.
6.12 Gerador ali mentando carg a puramente resisti va
Quando o gerador alimenta um circuito puramente resistivo, tal como uma sauna, é criado pela corrente de carga, na armadura, um campo magnético defasado de 90°, em atraso, em relação ao campo principal, conforme mostrado na figura 76.
Figura 76 - Campos em quadratura Fonte: WEG.
Os polos principais exercem sobre os polos de reação de armadura (no induzido) uma força contrária ao movimento, necessitando-se de acréscimo de potência mecânica para se manter o rotor girando. O diagrama da fig. 66 mostra a alteração do fluxo magnético principal em vazio (Фo) em relação ao
fluxo magnético de reação de armadura (ØR). A modificação de Фo é pequena,
não produzindo uma variação muito grande em relação ao fluxo resultante. Devido à queda de tensão nos enrolamentos da armadura,será necessário aumentar a corrente de excitação para manter a tensão nominal(ver fig.77).
Lembre-se que, em uma carga puramente resistiva, o fator de potência é unitário, ou seja, tensão e corrente estão em fase.
Figura 77 - Tensão e corrente em fase Fonte: WEG.
6.13 Gerador ali mentando um a carga puramente indut iva
O fator de potência de uma carga puramente indutiva é zero, pois a tensão está adiantando de 90° em relação à corrente, assim sendo, a carga puramente indutiva apenas troca energia com o alternador, consequentemente, a injeção de combustível é desmagnetizante, conforme mostra a figura 78.
Figura 78 - Carga puramente indutiva Fonte: WEG.
As cargas puramente indutivas armazenam energia no seu campo magnético e a devolvem ao gerador, não exercendo nenhum conjugado frenante sobre o induzido. Neste caso, somente será necessária energia mecânica para compensar as perdas. Devido ao efeito desmagnetizante, será necessário um grande aumento da corrente de excitação para manter a tensão nominal.
6.14 Gerador alim entando um a carga puramente capacitiv a
A carga puramente capacitiva possui comportamento oposto ao da carga puramente indutiva, a corrente está adiantada de 90º em relação à tensão, consequentemente, seu fator de potência é zero. O campo de reação da armadura estará na mesma direção e mesmo sentido do campo principal; logo, o campo induzido tem um efeito magnetizante, reforçando o campo principal.
Devido ao efeito magnetizante, será necessário reduzir a corrente de excitação para manter a tensão nominal, conforme mostra a figura 79.
Figura 79 - Carga puramente capacitiva Fonte: WEG.
Como o gerador, efetivamente, não entrega energia à carga, o motor acionante não é solicitado e a injeção de combustível é a mesma requerida para o funcionamento a vazio.
A figura 80 mostra a variação da corrente de excitação para manter a tensão de armadura constante para os três tipos básicos de cargas.
Figura 80 - Corrente de excitação para os tipos básicos de carga Fonte: WEG.
Como sabemos que, na prática, a carga a ser alimentada por um alternador possui características predominantemente indutiva, devido à presença de bobinas de motores elétricos, reatores, lâmpadas de descarga, etc., na variação da carga alimentada, deverá haver compensação na velocidade da máquina primária e na corrente de excitação.
6.15 Contro le de frequenci a em um alternador
No item 6.3 foi visto que a frequencia da tensão gerada em um alternador é diretamente proporcional ao número de polos e à velocidade da máquina primária, ou seja: ƒ= .
Em um alternador, o número de polos é definido na construção da máquina, ou seja, é um valor constante.Desta forma,a freqüência dependerá diretamente da velocidade da máquina motriz.
Em um navio, a máquina primária pode ser um motor diesel, cuja velocidade é controlada através da injeção de combustível, ou uma turbina cuja velocidade é controlada pela quantidade de vapor, sendo o primeiro caso o mais utilizado.
Admitindo a utilização de um motor diesel como máquina primária, podemos ter as seguintes situações:
a) aumento de carga: nesta condição a máquina primária será submetida a uma elevação de torque, tendo como consequência uma diminuição de velocidade e consequentemente uma redução na frequência. Para restabelecer o equilíbrio, o regulador de velocidade deverá atuar, e, através de um servomotor, aumentar a injeção de combustível, aumentando a velocidade até que a frequência atinja 60Hz.
b) redução de carga: ao ser reduzida a carga alimentada pelo alternador, haverá uma redução no torque da máquina primária, ocasionando uma elevação na velocidade com consequente aumento na frequência. Para restabelecer o equilíbrio, o regulador de velocidade deverá atuar através do servo-motor, diminuindo a injeção de combustível, reduzindo a velocidade até que a frequência atinja 60Hz.
Os fabricantes de grupos geradores desenvolveram reguladores de velocidade eficientes, de resposta rápida, de maneira que a frequência da tensão gerada por um alternador permanece praticamente constante para qualquer variação de carga. Existem reguladores hidráulicos, mecânicos, eletrônicos e digitais.
6.16 Sistemas de exci tação
Como sabemos em um alternador dois parâmetros devem ser controlados: a frequência e tensão de saída. O controle de frequência, conforme visto no ítem anterior,é efetuado através de um sistema eletrônico que iremos estudar.
O sistema de excitação age diretamente ou indiretamente no campo magnético do alternador, mantendo constante, aumentando ou diminuindo a intensidade de corrente contínua para o mesmo. Os sistemas de excitação têm a sua atuação dependente do tipo de carga que o alternador alimenta.
Se a carga alimentada pelo alternador possuir características resistivas ou indutivas, a tensão no barramento será menor que a nominal do gerador; logo, o sistema de excitação, através do regulador automático de voltagem (AVR), deverá aumentar a intensidade de corrente para o campo magnético, a fim de que a tensão na armadura do gerador aumente e compense a queda de tensão provocada pela carga.
Quando a carga alimentada pelo alternador possuir características capacitivas (o que é pouco provável), a tensão no barramento será maior que a tensão nominal do gerador, logo, o sistema de excitação, através do AVR, deverá diminuir a intensidade de corrente para o campo magnético, a fim de que a tensão diminua e compense o aumento de tensão provocado pela carga.
Quando a tensão no barramento for igual à corrente nominal, o sistema de excitação deverá manter constante a intensidade de corrente para o campo magnético do alternador. Lembre-se que em operação normal a tensão no barramento deverá ser igual à nominal do gerador.
Na prática, a carga possui característica indutiva, porém, a resistência elétrica dos condutores se faz presente na composição da mesma; logo, quando aumentar a carga, a máquina motriz estará submetida a um torque maior, tendo como conseqüência uma súbita redução em sua velocidade, diminuindo a frequência , exigindo a ação imediata do regulador de velocidade.
Devido ao efeito desmagnetizante do campo da reação da armadura, haverá uma queda de tensão no barramento, e o AVR aumentará a intensidade da corrente para o campo magnético, ou seja:
Aumento de carga → acréscimo na corrente de campo.
Quando retira-se cargas do barramento, o regulador de velocidade imediatamente diminuirá a injeção de combustível, mantendo a frequência do sistema constante. Agora, o efeito desmagnetizante do campo da reação da armadura será menor, e, consequentemente, haverá um aumento nas tensões do barramento, e o AVR diminuirá a intensidade da corrente para o campo magnético, ou seja:
6.17 Tipos de excit atrizes
A corrente contínua necessária para o controle de tensão poderá ser obtida de uma fonte externa ao alternador ou do próprio gerador (autoexcitação). Os alternadores utilizados na geração de energia elétrica em navios são auto-excitados. A condição necessária para a autoexcitação é a existência do magnetismo residual, retido nas peças polares após a última utilização do gerador. Em caso de perda do magnetismo residual, torna-se necessário restabelecer o campo magnético, através da aplicação de uma tensão contínua, de polaridades corretas, nas escovas. A este procedimento chamamos de “escorvamento”.
Existem dois tipos de sistemas de autoexcitação, sendo um estático e um dinâmico.
6.18 Sist ema de excitação estátic o
A excitatriz estática é formada basicamente pelos seguintes componentes e respectivas funções:
a) transformadores de corrente (TC’s. A função dos TC’s é conduzir uma
parcela da corrente gerada pelo alternador para alimentar a excitatriz. É conveniente lembrar que a potência de excitação varia de 1 a 5% da potência nominal do alternador.
b) retificador estático trifásico. Retifica as correntes enviadas através
dos TC’s, pois a corrente de campo deverá ser do tipo contínua.
c) regulador automático de voltagem (A.V.R). É um componente
eletrônico, formado por circuitos lógicos que irão analisar as variações de tensão no barramento devido às oscilações de carga, tendo como set-point o valor da tensão nominal do gerador,formando um sistema de controle de malha fechada. O AVR é a parte mais importante da excitatriz.
A excitatriz estática é um sistema de resposta rápida, pois o AVR atua diretamente no campo do alternador, entretanto, é um sistema de baixa confiabilidade, devido à resistência de contato entre escova e anéis coletores.
A manutenção de um sistema estático é bem simples, sendo que, se houver uma boa manutenção preventiva, este sistema não irá causar problemas. A figura 81 mostra o diagrama do sistema estático.
Figura 81 - Sistema de excitação estático
6.19 Sistema dinâmico ou br ushl ess
Este sistema foi desenvolvido com a finalidade de aumentar a confiabilidade na regulação de tensão de um alternador, visto que as escovas e anéis coletores são eliminados.
No sistema brushless utiliza-se um alternador auxiliar com potência entre 1 a 3% da potência do alternador principal. Este alternador auxiliar está acoplado ao eixo, estando localizado entre a máquina motriz e o alternador principal, possuindo seu campo magnético no estator e armadura no rotor, ou seja, em configuração oposta à do alternador principal.
O AVR atuará diretamente no campo estático do alternador auxiliar, através de contatos fixos. Na armadura do alternador auxiliar é induzida uma tensão, que será transformada em corrente contínua na ponte retificadora rotativa e alimentará diretamente o campo rotativo do alternador principal, estabelecendo
RETIFICADOR ALTERNADOR
o equilíbrio entre tensão na carga e tensão nominal do gerador síncrono principal.
O sistema brushless possui uma resposta mais lenta que o sistema estático, pois o AVR não atua diretamente no campo do alternador principal, entretanto, a confiabilidade do sistema é quase 100%.
A manutenção de um sistema sem escovas é mais trabalhosa, pois, havendo algum dano na parte rotativa do sistema, será necessário parar a máquina para solucioná-lo. A fig.82 mostra o diagrama do sistema dinâmico.
Figura 82 – Sistema dinâmico
6.20 Operação em paralelo de geradores síncron os
A operação em paralelo entre alternadores consiste em colocar dois ou mais alternadores em operação, de forma a constituírem uma única máquina com características iguais às de um dos alternadores que compõem o sistema.
Nos navios mercantes, os geradores principais operam em paralelo nas operações de carga e descarga, manobras de atracação e desatracação quando o propulsor lateral for elétrico, e em situações em que estando um gerador operando a carga ultrapasse 80% da sua capacidade.
Esta última condição é para que seja preservada a vida útil da unidade Esta última condição é para que seja preservada a vida útil da unidade geradora.
geradora.
6.
6.21 C21 Condiondi ções nções n eceecessárias ssárias para a operação em paralelopara a operação em paralelo
A
A fim fim de de ser ser garantida garantida a a operação operação paralela, paralela, ou ou sincronizada, sincronizada, entre entre dois dois ouou mais geradores síncronos, as seguintes condições deverão ser mais geradores síncronos, as seguintes condições deverão ser simultaneamente verificadas:
simultaneamente verificadas:
1)
1) os alternadores que irão operar em os alternadores que irão operar em paralelo deverão estar com oparalelo deverão estar com o
mesmo valor eficaz de tensão de li
mesmo valor eficaz de tensão de linha;.nha;.
2)
2) os alternadores deverão estar na mesma frequência de operação;os alternadores deverão estar na mesma frequência de operação; 3)
3) as formas de onda das tensões dos as formas de onda das tensões dos geradores deverão ser idênticas;geradores deverão ser idênticas; 4)
4) todos os alternadores deverão possuir a mesma seqüência de fases;todos os alternadores deverão possuir a mesma seqüência de fases; 5)
5) as formas de ondas das tensões dos geradores, para as as formas de ondas das tensões dos geradores, para as fases de mesmofases de mesmo
nome, deverão estar em
nome, deverão estar em concordância.concordância.
As condições nec
As condições necessárias são justificadas dessárias são justificadas da seguinte forma:a seguinte forma:
1)
1) se um dos alternadores em operação sincronizada, por algum se um dos alternadores em operação sincronizada, por algum dano no AVRdano no AVR
ou no regulador de velocidade, ficar
ou no regulador de velocidade, ficar com tensão de linha menor que oscom tensão de linha menor que os demais, irá caracterizar a operação motorizada do gerador
demais, irá caracterizar a operação motorizada do gerador avariado e, antesavariado e, antes que isto aconteça, atuará o relé
que isto aconteça, atuará o relé de potência inversa, desconectando ode potência inversa, desconectando o alternador do barramento;
alternador do barramento;
2)
2) esta condição assegura uma frequência única para o sistema. Deve-seesta condição assegura uma frequência única para o sistema. Deve-se
atuar nos reguladores de velocidade das máquinas motrizes; atuar nos reguladores de velocidade das máquinas motrizes;
3)
3) esta condição assegura o eqüilíbrio do sistema;esta condição assegura o eqüilíbrio do sistema; 5)
5) esta condição é considerada como a mais importante de esta condição é considerada como a mais importante de todas, pois, emtodas, pois, em
caso de não cumprimento, ocorrerá um curto-circuito entre f
caso de não cumprimento, ocorrerá um curto-circuito entre f ases de mesmoases de mesmo nome, de alternadores diferentes.
nome, de alternadores diferentes.
6.
6.22 22 InstruInstrumentos dmentos de sincroe sincronizaçãnizaçãoo
Instalados em um painel do QEP, existem instrumentos que permitem a Instalados em um painel do QEP, existem instrumentos que permitem a visualização das condições necessárias à operação paralela de grupos visualização das condições necessárias à operação paralela de grupos geradores; são eles:
Voltíme
Voltímetro tro duplo,duplo, queque iindica, em um único instrumento, os valores eficazesndica, em um único instrumento, os valores eficazes
das
das tensões de linha de dois tensões de linha de dois geradores;geradores;
Frequencímetro duplo,
Frequencímetro duplo,queque iindica, no mesmo medidor, os valores dasndica, no mesmo medidor, os valores das
frequências de dois geradores; frequências de dois geradores;
Voltíme
Voltímetro tro nulo,nulo, queque mede o valor eficaz da mede o valor eficaz da diferença de potencial entrediferença de potencial entre
fases
fases de mesmo nome de dois geradores. No de mesmo nome de dois geradores. No momento demomento de concordância este valor é zero;
concordância este valor é zero;
4
4 Sincronoscópio Sincronoscópio de lâmpade lâmpadas,das, que é um indicador do momento exato deque é um indicador do momento exato de
concordância de fases, mostrando, através concordância de fases, mostrando, através da sequência do brilho das lâmpadas, esta da sequência do brilho das lâmpadas, esta condição. Em particular, se as
condição. Em particular, se as lâmpadaslâmpadas forem ligadas entre fases iguais, a
forem ligadas entre fases iguais, a indicação será quando as mesmas indicação será quando as mesmas estiverem apagadas;
estiverem apagadas;
5 S
5 Sincronosincronos cópio eletrônico,cópio eletrônico, queque Indica, através de um ponteiro que gira,oIndica, através de um ponteiro que gira,o
momento de concordância de fases. Esta momento de concordância de fases. Esta indicação corresponde à indicação de indicação corresponde à indicação de aproximadamente 12 horas em um relógio aproximadamente 12 horas em um relógio analógico.
analógico.
Você observou que para confirmação do momento exato de concordância de Você observou que para confirmação do momento exato de concordância de fases, temos no painel de sincronismo três indicadores: voltímetro nulo, fases, temos no painel de sincronismo três indicadores: voltímetro nulo, sincronoscópio de lâmpadas e sincronoscópio eletrônico, portanto, esta é a sincronoscópio de lâmpadas e sincronoscópio eletrônico, portanto, esta é a condição principal para o sincronismo. A figura 83 mostra o painel de condição principal para o sincronismo. A figura 83 mostra o painel de sincronismo, localizado no QEP de um
Figura 83 - Painel de sincronismo Figura 83 - Painel de sincronismo
Fonte: navio Itaperuna. Fonte: navio Itaperuna.
6.
6.2323- Colocação de um g- Colocação de um g erador no erador no barramento pbarramento p ara operaçãara operação sio si ngelangela
Vamos admitir que um navio esteja
Vamos admitir que um navio esteja sem nenhum gerador no QEP, ou sem nenhum gerador no QEP, ou seja,seja, o navio está completamente apagado. Nesta situação, o sistema de
o navio está completamente apagado. Nesta situação, o sistema de energiaenergia temporário (banco de baterias) deve está em
temporário (banco de baterias) deve está em condições de alimentar o sistemacondições de alimentar o sistema de partida dos MCA’s, e
de partida dos MCA’s, e o sistema de comando dos disjuntores principais doso sistema de comando dos disjuntores principais dos geradores.
geradores.
Para colocarmos manualmente um gerador no barramento do QEP, Para colocarmos manualmente um gerador no barramento do QEP, devemos primeiramente acionar o botão de partida do respectivo MCA. Após o devemos primeiramente acionar o botão de partida do respectivo MCA. Após o MCA atingir a rotação nominal, o gerador irá gerar a tensão e frequência MCA atingir a rotação nominal, o gerador irá gerar a tensão e frequência nominais (440v-60hz), visualizados através do voltímetro e frequencímetro nominais (440v-60hz), visualizados através do voltímetro e frequencímetro instalados no painel do gerador, localizado no QEP. Em seguida, aciona-se a instalados no painel do gerador, localizado no QEP. Em seguida, aciona-se a chave que energiza a bobina de fechamento do disjuntor e, neste instante, o chave que energiza a bobina de fechamento do disjuntor e, neste instante, o gerador é colocado no barramento.
gerador é colocado no barramento. Após
Após a a colocação colocação do do gerador gerador no no barramento, barramento, deve-se deve-se ligar ligar as as cargas cargas queque devem ser alimentadas e, simultaneamente, aumenta-se através do devem ser alimentadas e, simultaneamente, aumenta-se através do servomotor, a velocidade da máquina primária para manter constante a servomotor, a velocidade da máquina primária para manter constante a frequência. O aumento de carga provocará um
exigirá o aumento da corrente de campo, através da ação manual no reostato de campo instalado no painel do gerador no QEP.
Se estiver selecionada a operação automática, todos os procedimentos anteriores são realizados através de um controlador lógico programável.
6.24 Colocação um g erador para operar em paralelo com o barramento
O termo “em paralelo com o barramento” significa operação em paralelo com outro gerador. O gerador que está no barramento alimenta uma determinada carga que deverá, após o sincronismo, ser distribuída proporcionalmente com o gerador que entrará em operação síncrona. Como os grupos geradores principais de bordo são construtivamente idênticos, o operador irá atentar para as condições de mesma tensão de linha, mesma freqüência e momento exato de concordância de fases. Os procedimentos nesta operação são os seguintes:
1) acionar o sistema de partida do MCA do gerador que vai entrar; 2) ligar os instrumentos de sincronismo;
3) verificar no voltímetro duplo as tensões de linha dos geradores. Se não
tiver igualdade nos valores, atuar no reostato de campo que entrará, até que a condição seja satisfeita;
4) verificar no frequencímetro duplo, a frequência das tensões de linha dos
geradores. Se não há igualdade nos valores, atuar no servomotor do gerador que entrará, até que a condição seja satisfeita.
5) verificar no sincronoscópio o momento exato de concordância de fases; 6) acionar o disjuntor do gerador que entrará;
7) atuar simultaneamente, nos reguladores de velocidade, aumentando a
velocidade do gerador que entrou e reduzindo a do que já estava no barramento, em sucessivos pequenos intervalos, verificando nos
kilowattímetros a distribuição proporcional da carga. Por exemplo, se antes do paralelismo o gerador que estava em operação singela alimentasse uma carga de 400kw, após a distribuição síncrona, passaria a alimentar 200kw, e o gerador que entrou assumirá os outros 200kw, pois os dois alternadores possuem idênticas capacidades.
6.25 Retir ando um g erador da operação síncrona
Para retirar um gerador da operação paralela, deve-se proceder da seguinte forma:
a) passar a carga do gerador que sairá para o que ficará em operação singela,
atuando, simultaneamente, nos reguladores de velocidade, r eduzindo a velocidade do gerador que sairá ; aumentando a do que ficará no
barramento, verificando quando zerar a indicação do kilowattímetro do gerador que sairá;
b) desligar o disjunto do gerador que sai;
c) acionar o botão de parada do MCA do gerador que sai; e
d) regular manualmente a tensão e a frequência do gerador que permanece
no barramento.
6.26 Proteções de gr upos geradores
Os grupos geradores possuem níveis de proteções que dependem da potência e tensão nominais dos mesmos. O grau de proteção de um grupo gerador de uma hidrelétrica, por exemplo, é bastante diversificado e complexo em relação a um grupo gerador que é utilizado em navios mercantes.
Os grupos geradores de navios possuem potência nominais compreendidas entre 150kva e 2000kva, com tensão nominal de 440v, considerada baixa.
Para estes geradores, as proteções utilizadas são:
Disjuntor. É a proteção principal de um gerador, possuindo proteções
contra curto-circuito, através de sua unidade magnética; contra sobrecarga, através de sua unidade térmica (par bimetálico); contra subtensão, através da bobina de mínima e contra sobretensão,través da bobina de máxima.Estas proteções são consideradas de ação direta, pois estão internas ao equipamento, atuando diretamente em sua bobina de abertura.
Relé de potência in versa. É a proteção contra motorização do gerador, ou
seja, quando dois ou mais geradores operam em paralelo, e, se por alguma avaria no AVR ou no regulador de velocidade, a sua tensão de saída diminuir, este gerador passará a consumir ao invés de gerar, passando a ser carga. Esta situação é caracterizada pela inversão do fluxo de corrente, que passará a ser no sentido barramento para gerador na máquina avariada. Sendo o relé de potência inversa do tipo direcional, o mesmo detectará a inversão do fluxo
de corrente, e, através de um contato auxiliar energizará a bobina de abertura do disjuntor, retirando-o do barramento. Neste caso, a atuação do disjuntor é de ação indireta.
Proteção contra curto-circuito no barramento. Trata-se de sensores
eletrônicos que supervisionam a resistência de isolamento das fases em relação ao barramento. Se for detectado algum curto-circuito entre fases e barramento, ou de uma fase para a estrutura metálica(terra), a proteção interrompe o circuito que comanda o fechamento do disjuntor, ou seja, o disjuntor atua através de uma ação indireta. Esta proteção atua antes do fechamento do disjuntor.
Relé de sincronismo. Esta proteção consiste em um relé cujos contatos
auxiliares estarão fechados somente quando os dois
geradores estiverem em concordância de fases;
desta maneira, sòmente nesta condição habilitará o circuito de comando do disjuntor do gerador que entrará no barramento.É uma outra forma indireta de proteção através do disjuntor.
Relé de falta de fase. São portas eletrônicas ou “gates” que habilitam o
acionam a bobina de abertura do disjuntor quando da perda ou falta de uma das fases. Esta proteção atua tanto na condição de disjuntor fechado como na de disjuntor aberto.
Proteção contra alta temperatura no campo. Esta proteção consiste em
sensores de temperatura instalados no interior da bobina de campo e produzem um alarme antes de comandar a abertura do disjuntor. Essa proteção utiliza vários sensores distribuídos pelo enrolamento de campo que atuam portas eletrônicas (gates) para energizar a bobina de abertura do disjuntor ou impedir a ação do circuito de comando quando a temperatura no campo magnético atingir o máximo valor permitido.Observe que o circuito de comando do disjuntor é a parte vital da proteção dos geradores; logo, deve utilizar voltagem contínua do sistema temporário de energia elétrica de bordo, para que, mesmo na condição de navio apagado, o mesmo possa atuar.
6.27 Sist ema de auto mação de gru pos geradores
Os grupos geradores são dotados de sistemas microprocessados de controle e alarme, dependendo do grau de importância do sistema elétrico a ser atendido. No sistema elétrico de navios, o nível de automação dos grupos geradores é de médio a alto. Neste item, iremos descrever a automação dos três grupos geradores existentes na praça de máquinas e o grupo gerador de emergência, abordando as seguintes situações:
* QEP desenergizado, partida do primeiro gerador e colocação do mesmo no barramento.
* Partida do segundo gerador, sincronismo com o barramento e colocação do mesmo em operação paralela.
* Ídem, utilizando o sincronismo manual de emergência.
As condições de “standby” e partidas possíveis são as seguintes: * Definição da condição de “standby” para os geradores.
* Partida automática de um gerador auxiliar em “standby”, em situação de “black-out”.
* Partida automática de um gerador auxiliar em “standby” devido à alta carga elétrica no gerador de serviço( acima de 80% de sua capacidade nominal). * Partida automática de um gerador auxiliar em “standby” devido à alta/baixa voltagem ou alta/baixa frequência no barramento.
* Partida automática de um gerador auxiliar em “standby” devido à
necessidade de entrada em operação de uma carga, como por exemplo, propulsor lateral ou bomba de lastro de água salgada.
* Retransmissão do sinal de partida para o próximo gerador auxiliar em “stand-by” no caso de falha na partida do primeiro gerador auxiliar em “stand“stand-by”.
* Condições para que seja possível energizar os grupos demarradores da planta de gás.
* Condições para que seja possível energizar os grupos demarradores do sistema de gás inerte.
* Ídem, para o circuito de comando do compartimento dos motores elétricos. * Corte preferencial dos consumidores não essenciais devido à sobrecarga no gerador em serviço.
* Excitação de emergência para os alternadores.
* Parada automática de um dos geradores no caso de redução da carga individual abaixo de 35%, quando em operação paralela.
* Desconexão automática entre o QEP e QEE em caso de black-out no barramento principal.
* Partida automática do gerador de emergência e alimentação do QEE. * Conexão automática entre QEP e QEE se houver retorno de tensão ao barramento principal.
* Parada automática do gerador de emergência.
* Dispositivos de proteção do gerador de emergência.
* Proteção do barramento principal no caso de curto-circuito no QEE. * Sequencia de partida automática dos consumidores após um”black-out”.
Existem dois níveis de automação nos grupos geradores dos navios mercantes, que são:
* Automação da unidade em si e de seus equipamentos auxiliares, denominado nível inferior, no qual o motor diesel e o gerador estão totalmente protegidos e autocontrolados.
* Automação da operação do sistema de geração de energia, denominado nível superior, no qual o motor diesel e o gerador também estão totalmente
protegidos e autocontrolados; além disso, a unidade é partida e parada dependendo da demanda de potência do sistema.
Na automação em nível de unidade , o motor somente partirá no momento em que a válvula solenóide de partida for energizada, o que permitirá que o ar de partida penetre nos cilindros. As condições de partida e parada do motor diesel são as seguintes:
a) O motor partirá e continuará funcionando quando: * a rotação for superior a 300 r.p.m.
* o sensor de sobrevelocidade não houver detectado rotação superior a 1035 r.p.m.
* a pressão de óleo lubrificante não estiver abaixo de 2 bar. * a temperatura de água doce não for superior a 90ºC. * o botão de parada não for acionado.
b) O motor será parado automaticamente quando:
* a rotação for superior a 1035 r.p.m., o que caracteriza sobre-velocidade. * a pressão de óleo lubrificante for inferior a 2 bar.
* a temperatura de água doce for superior a 90ºC.
O gerador, em nível de unidade, é controlado por um dispositivo de proteção que deverá possuir, no mínimo, as seguintes funções:
* monitoração da alimentação nas três fases. * proteção contra subvoltagem.
* proteção contra curtocircuito. * proteção contra sobrecorrente. * proteção contra potência inversa.
* desligamento dos consumidores não essenciais. * monitoração de sobrevoltagem.
* monitoração de subfrequência.
Além disso, as seguintes variáveis devem ser controladas: * temperatura do ar de resfriamento.
* temperatura dos mancais. * detector de vazamentos.
Estas últimas três funções apenas geram alarmes, não provocando a parada automática do gerador. O oficial de serviço deve, portanto, estar atento a este detalhe e tomar imediatamente as providencias necessárias.
Na automação em nível de sistema, o motor será partido e controlado como descrito anteriormente. Além disso, ele pode agora ser partido e parado automaticamente de acordo com as condições de demanda de potência do sistema.
Em nível de sistema, o gerador é controlado como descrito em nível de unidade. Além disso, torna-se agora necessário sincronizar a unidade com o barramento e dividir carga. Em muitos navios mercantes, são utilizados na automação de geradores os dispositivos GSK8, ASE3 e FLR4500, todos de fabricação AEG.
