Projeto elétrico para substituição de transformadores convencionais por transformadores de alta frequência aplicados em precipitadores eletrostáticos

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GRÉGORI FELISBERTO DARÓS

PROJETO ELÉTRICO PARA SUBSTITUIÇÃO DE TRANSFORMADORES CONVENCIONAIS POR TRANSFORMADORES DE ALTA FREQUÊNCIA

APLICADOS EM PRECIPITADORES ELETROSTÁTICOS

Tubarão 2018

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Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Luís Fernando Ferreira Campos, Msc. Eng.

Tubarão 2018

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Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pelo Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina.

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Dedico este momento tão importante da minha vida aos meus familiares, pois sempre foram minha fonte de inspiração e dedicação, por eles fico sempre com o sentimento de que não posso falhar e tenho que lhes dar orgulho.

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AGRADECIMENTOS

Quero deixar aqui os mais cordeais agradecimentos a todos que me apoiaram nesta etapa tão importante da minha graduação que foi a elaboração do meu Trabalho de Conclusão de Curso (TCC). Em especial a todos meus familiares e amigos, porém, gostaria de citar aqui o nome de três pessoas que fizeram ainda mais, meu pai Dilton Darós, minha mãe Maria das Graças Felisberto Darós e a minha namorada Thayná Kurtz, que me apoiaram sempre que precisei e entenderam minha ausência para a elaboração deste, inclusive em feriados e finais de semanas.

Ao Engº André Pasqual e ao Edson Bitencourt, meus sinceros agradecimentos por todo o apoio e atenção para o desenvolvimento deste projeto. Foram meus supervisores na elaboração deste e se mostraram sempre disponíveis e atentos nesta caminhada.

Nada mais justo do que reconhecer o apoio da minha equipe de trabalho em especial Rafael Pures, Antônio Mauricio Alves e ao Engº Thiago Lício, que por vezes me liberaram para participar de atividades relacionadas a este TCC que eram vinculadas a outro setor e com isso tive que me ausentar de minhas atividades.

E por último, mas não menos importante, um agradecimento aos professores Roger Zamparette e Adriana Zanini por me acompanhar no desenvolvimento deste e ao professor Luís Fernando Ferreira de Campos que executando a função de orientador, sempre buscou informações e me deu apoio total para o melhor resultado deste trabalho.

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“Há uma força motriz mais poderosa que o vapor, a eletricidade e a energia atômica: a vontade” (ALBERT EINSTEIN, 1879-1955).

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RESUMO

Este trabalho apresenta um projeto elétrico para substituição de transformadores visando a melhoria no processo de filtragem dos gases de exaustão de uma usina termelétrica, tornando assim o Precipitador Eletrostático (PE) da Unidade 5 da UTLB mais eficiente. O referido projeto consiste em retirar os quatro transformadores retificadores convencionais, que operam em 60Hz, e em substituição a estes, instalar novos transformadores com a frequência de operação de 5kHz – 20kHz. Ao longo deste trabalho serão abordadas as vantagens e as características dos transformadores de alta frequência em questão, desenvolvimento do projeto de substituição dos painéis auxiliares, dimensionamento dos componentes que sofreram alteração além de uma ampla explicação sobre o funcionamento do referido PE. O trabalho expõe também o processo e o objetivo da queima do combustível em uma termelétrica, desde a chegada do carvão mineral na planta de geração, as partes da queima no gerador de vapor e a captação da cinza pelo PE.

Palavras-chave: Projeto Elétrico. Precipitador Eletrostático. Transformador de Alta

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ABSTRACT

This work presents an electrical project to replace transformers aiming at improving the process of filtering the exhaust gases of a thermoelectric plant, thus making the Electrostatic Precipitator (PE) of Unit 5 of the UTLB more efficient. This project consists of removing the four conventional rectifier transformers, which operate at 60Hz, and replacing them, installing new transformers with the operating frequency of 5kHz - 20kHz. Throughout this work the advantages and characteristics of the high-frequency transformers in question will be discussed, development of the design of replacement of the auxiliary panels, design of the components that will undergo alteration and a broad explanation of the operation of the said PE. The paper also discusses the process and purpose of burning the fuel in a thermoelectric plant, since the arrival of the coal in the generation plant, the parts of the burning in the steam generator and the capture of the ash by the PE.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Principio de geração termelétrica. ... 19

Figura 2 - Unidade geradora de vapor. ... 21

Figura 3 - Precipitador Eletrostático Unidade 5. ... 23

Figura 4 - Instalação de um Precipitador Eletrostático... 24

Figura 5 - Ionização das partículas. ... 25

Figura 6 - Tiristor ideal ... 27

Figura 7 - Aplicação de um gradador. ... 28

Figura 8 - Disparo do tiristor a 60º. ... 28

Figura 9 - Disparo do tiristor a 90º. ... 29

Figura 10 – Representação do núcleo magnético de um transformador... 30

Figura 11 - Representação da Lei de Lenz. ... 32

Figura 12 - Transformador Retificador PE unidade 5. ... 34

Figura 13 - Comparação entre fontes. ... 36

Figura 14 - Esquema elétrico de uma fonte de alimentação HVHF ... 37

Figura 15 - Ponte de Graetz. ... 37

Figura 16 - Ponte completa de IGBT's. ... 38

Figura 17 - Estrutura física e circuito equivalente de um IGBT. ... 39

Figura 18 - Curvas de tensão do IGBT. ... 40

Figura 19 – Vista superior da divisão dos campos de captação. ... 41

Figura 20 - Transformador Retificador PE Unidade 5. ... 42

Figura 21 – Painel de alimentação dos transformadores. ... 43

Figura 22 – Disjuntores de saída do quadro de distribuição 480VCA. ... 44

Figura 23 – Seccionadora de aterramento. ... 45

Figura 24 – Transformador de alimentação conectado à seccionadora de aterramento. ... 46

Figura 25 – Seccionadora de interligação... 47

Figura 26 – Seccionadora de interligação conectada aos barramentos de força. ... 47

Figura 27 – Diagrama unifilar de alimentação dos transformadores retificadores... 48

Figura 28 – Martelos de batimento do quadro de eletrodos. ... 49

Figura 29 - Layout construtivo do conjunto do transformador de alta frequência. ... 52

Figura 30 - Representação do novo esquema unifilar de alimentação. ... 56

Figura 31 - Topologia da rede de comunicação. ... 59

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LISTA DE QUADROS

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Medição de emissão de MP da UTLB - 5. ... 14

Tabela 2 - Sinais de comutação. ... 39

Tabela 3 - Dados de placa dos Transformadores Retificadores. ... 42

Tabela 4 – Cabos de alimentação dos transformadores. ... 48

Tabela 5 – Dados de placa dos Transformadores de Alta Frequência... 51

Tabela 6 - Comparação entres Transformadores Retificadores ... 53

Tabela 7 - Parâmetros para dimensionamento dos condutores. ... 54

Tabela 8 - Comandos e indicações dos transformadores. ... 57

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 12 1.1 JUSTIFICATIVA ... 13 1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA ... 13 1.3 OBJETIVOS ... 16 1.3.1 Objetivo Geral ... 16 1.3.2 Objetivos Específicos... 16 1.4 DELIMITAÇÕES ... 17 1.5 METODOLOGIA ... 17 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19 2.1 USINA TERMELÉTRICA ... 19

2.1.1 Caldeira (Gerador de Vapor) ... 20

2.2 PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO ... 23

2.2.1 Princípio de funcionamento... 24

2.2.1.1 Efeito Corona... 25

2.3 TRANSFORMADOR RETIFICADOR CONVENCIONAL ... 26

2.3.1 Tiristor - Sillicon Controlled Retifier (SCR) ... 26

2.3.2 Tiristores em antiparalelo - Gradadores ... 27

2.3.3 Transformador de Potência... 29

2.3.3.1 Lei de Faraday ... 31

2.3.3.2 Lei de Lenz ... 32

2.3.3.3 Relação de transformação ... 33

2.3.4 Retificador de saída do transformador ... 34

2.4 TRANSFORMADOR RETIFICADOR EM ALTA FREQUÊNCIA (HFHV) ... 35

2.4.1 Ponte de Graetz ... 37

2.4.2 Conversor CC-CA Alta Frequência ... 38

2.4.3 Insulted Gate Bipolar Transistor (IGBT) ... 39

3 PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO UNIDADE 5 ... 41

3.1 CAMPOS DE CAPTAÇÃO ... 41

3.2 TRANFORMADORES RETIFICADORES DE ALIMENTAÇÃO ... 42

3.3 PAINEIS DE CONTROLE ... 42

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3.5 SECCIONADORAS DE ATERRAMENTO ... 44

3.6 SECCIONADORAS DE INTERLIGAÇÃO ... 46

3.7 BARRAMENTOS DE ALTA TENSÃO ... 47

3.8 CABOS DE ALIMENTAÇÃO ... 48

3.9 BATEDORES DE ELETRODO E DE PLACA ... 49

3.10 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP) ... 50

4 PROJETO DE MODERNIZAÇÃO DO PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO ... 51

4.1 TRANSFORMADORES RETIFICADORES EM ALTA FREQUÊNCIA ... 51

4.2 DIMENSIONAMENTO DE CABOS ... 53

4.2.1 Cálculo de dimensionamento dos condutores ... 54

4.3 PAINEL DE INTERLIGAÇÃO ... 55

4.4 PAINEL FORÇA E CONTROLE DOS TRANSFORMADORES ... 56

4.5 CABOS DE CONTROLE ... 58

4.6 REDE DE COMUNICAÇÃO ... 59

4.7 MODO DE OPERAÇÃO ... 60

4.7.1 Comandos ... 60

4.7.2 Leitura de grandezas e Parametrização ... 61

5 CONCLUSÃO ... 62

REFERÊNCIAS ... 63

ANEXOS ... 65

ANEXO A – PROJETO DO PAINEL DE INTERLIGAÇÃO ... 66

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1 INTRODUÇÃO

Com o passar dos tempos e o desenvolvimento das cidades cresceu junto a emissão de poluentes na atmosfera. Visando a redução da emissão de Material Particulado (MP) e a busca pela sustentabilidade, indústrias optam por instalar filtros na exaustão de seus gases com o objetivo de captar as partículas que outrora eram lançadas a atmosfera.

Mesmo com todo o investimento que as empresas têm feito na instalação de filtros em seus equipamentos para reduzirem as emissões atmosféricas, a emissão dos gases de efeito estufa no Brasil aumentou 9% entre 2015 e 2016, O crescimento registrado foi o maior desde 2004 deixando assim, o Brasil na sétima colocação no ranking dos maiores poluidores do planeta (SOUTO, 2017).

Levando em consideração o que o setor energético influencia para a emissão de gases poluentes, pode-se destacar a queima do carvão mineral em termelétricas que estão em operação no país. Entre 1995 e 2012 as emissões correspondentes às queimadas nas florestas caíram de 77% para 32% enquanto isso, no mesmo período, as emissões correspondentes ao setor energia chegaram e 30%, dentro do setor se encontram as termelétricas com participação de 3% (HERRERO, 2015).

Em usinas termelétricas que usam carvão como combustível é comum o uso de Precipitadores Eletrostáticos (PE) para fazer a filtragem dos gases de saída da caldeira. Estes equipamentos usam o princípio da eletrostática para captar as partículas de cinza e assim filtrar o gás que por ele passa.

A Usina Termelétrica Lacerda B (UTLB), localizada no sul de Santa Catarina no Complexo Termelétrico Jorge Lacerda (CTJL) é composta por duas unidades geradoras de energia (unidade 5 e unidade 6) que entraram em operação no ano de 1979 e atualmente têm potência nominal instalada de 131MW cada (ENGIE, 2018). Estas, contam com caldeiras que usam a queima do carvão mineral como combustível e para fazer a filtragem dos gases de exaustão usam PE. Este, tem instalado em seu teto, quatro transformadores de alta tensão, denominados como transformadores retificadores convencionais, pois usam a frequência da rede (60Hz) para fazer o chaveamento dos tiristores.

Neste trabalho de conclusão de curso, será abordado o estudo e projeto elétrico para a substituição dos transformadores de alta tensão que estão instalados no PE da unidade 5 da UTLB por transformadores que funcionam também em alta tensão, porém em alta frequência. Os resultados da eficiência de captação de MP do novo sistema instalado serão demonstrados em um trabalho futuro, devido às datas de instalação deste projeto.

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1.1 JUSTIFICATIVA

O MP resultante da queima do carvão é definido como o conjunto de sólidos ou líquidos de diâmetro muito pequeno que permanecem em suspensão nos gases exauridos pelas usinas termelétricas e pode ser descartado para a atmosfera. O mesmo é resultado de processos de combustão incompleta ou cinzas que não são combustíveis. Visando a diminuição da emissão de MP na atmosfera e atender as normas regulamentadoras pelos órgãos vigentes, usinas termelétricas buscam a melhoria do sistema de captação de cinzas presente nos gases.

Com a melhora no processo de captação de MP, o PE apresenta uma melhoria na eficácia do processo de filtragem dos gases e auxilia na conservação e proteção do meio ambiente. A instalação dos transformadores de alta frequência em substituição aos transformadores convencionais visa aumentar a captação do MP, sendo assim, se faz necessário o projeto elétrico apresentado neste TCC para o correto funcionamento de todo o sistema.

1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA

Atualmente, o PE da unidade 5 da UTLB está trabalhando dentro dos limites aceitáveis pela regulamentação externa e interna. Conforme consta no Plano de Atendimento a Emergências o (PAE), o setor de operação deve tomar medidas para diminuir a emissão de particulado somente quando o medidor de MP, instalado na chaminé da usina, registrar valores de particulado acima de 300mg/m³ no tempo de uma hora. O PAE é definido como um conjunto de documentos que define responsabilidades e tem o intuito informativo munido de procedimentos técnicos e administrativos, para que os funcionários da empresa possam adotar respostas rápidas a situações emergenciais.

Conforme apresentado na Tabela 1, com leituras de emissão de MP do dia 08/02/2018 das 00h30min às 06h30min, os valores lidos estão abaixo do que o PAE define como valor limite.

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Tabela 1 - Medição de emissão de MP da UTLB - 5. DATA E HORA DA MEDIÇÃO EMISSÕES ATMOSFÉRICAS (UTLB – 5) mg/m³ 08/02/2018 00:30 179,11 08/02/2018 01:30 178,45 08/02/2018 02:30 178,31 08/02/2018 03:30 181,31 08/02/2018 04:30 183,18 08/02/2018 05:30 183,09 08/02/2018 06:30 185,41

Fonte: Produção do próprio autor.

Analisando a Tabela 1, pode ser constatado que as emissões de MP se caracterizam como controladas, porém em busca da melhoria contínua no controle das emissões atmosféricas, em respeito ao meio ambiente e à população que mora no entorno da usina, optou-se pelo estudo e projeto de substituição dos transformadores de alta tensão para que a captação do material particulado seja mais eficiente, baixando assim a emissão de MP. Levando em consideração as afirmações acima, fica definido como meta principal para este projeto, reduzir a emissão de MP.

O PE é um equipamento de grandes dimensões e que tem em sua maioria a predominância de peças e componentes mecânicos, sendo assim, estão vinculados ao seu rendimento os ajustes mecânicos no seu interior e o controle elétrico dos transformadores de alta tensão.

Analisando a fórmula de Deustch Andersson, Equação (1), nota-se que depois que um PE é instalado e suas dimensões e parâmetro físicos preservados, o aumento da eficiência é obtido apenas com a atuação no controle dos transformadores, assim a captação do MP torna-se maior, diminuindo a emissão de MP.

1 1 W A W L Q R v e e    _       (1)

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Onde:

 = Eficiência de remoção de pó (%); W = Velocidade de migração do pó (m/s);

L = Comprimento efetivo do precipitador (m); v = Velocidade do gás no precipitador (m/s); R = Espaçamento entre placa e eletrodo (m); A = Área total de coleta (m²);

Q = Vazão total de gás (m³/s).

A estrutura física e as dimensões do PE não serão alteradas, com isso todos os parâmetros e dimensões estruturais de fabricação serão mantidos. Segue abaixo tópicos explicando cada parâmetro da fórmula de Deustch Andersson:

 L = Comprimento efetivo do precipitador (m): Esta medida se trata do

comprimento da estrutura, sabendo que as estruturas físicas do mesmo serão preservadas, este parâmetro não será alterado;

 v = Velocidade do gás no precipitador (m/s): Esta variável depende de aspectos físicos e construtivos, bem como: dimensão de dutos, potência de ventiladores e exaustores, dimensões, entre outros;

 R = Espaçamento entre placas e eletrodos (m): As distâncias entre placas

e eletrodos serão mantidas as dimensões adotadas no projeto de instalação;

 A = Área total de coleta (m²): Considerando que o comprimento e a

largura do precipitador não sofrerão mudanças, este parâmetro não será alterado.

 Q = Vazão total do gás (m³/s): Assim como a velocidade do gás (v) este parâmetro depende de dimensões e equipamentos que não sofrerão modificações.

Os valores que alimentam a Equação da eficiência (1) continuarão sendo os mesmos, exceto a velocidade de migração do pó (W ). Conforme observado na Equação (2) da velocidade de migração, o aumento desta depende do aumento da tensão média e da tensão de pico dos transformadores, visto que a dimensão da partícula e a viscosidade da mesma não mudam porque é uma propriedade da queima do carvão usado como combustível na caldeira da unidade 5 da UTLB.

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0 ( ) 2 p a W E E     (2) Onde:

a = dimensão do raio da partícula;

θ = viscosidade do gás ou também chamado de coeficiente de resistência ao atrito;

0

E = força do campo em que as partículas são carregadas (tensão de pico); P

E = força do campo em que as partículas são coletadas (tensão média).

Com a substituição dos transformadores convencionais por transformadores de alta frequência, é esperado aumentar a tensão média do campo onde as partículas são coletadas, sendo assim, fazendo uma alusão às fórmulas apresentadas, a eficiência do precipitador tende a aumentar (NWL, 2017).

1.3 OBJETIVOS

Para tal projeto de modificação e melhoria no sistema de captação de MP, serão descritos abaixo o objetivo geral e os objetivos específicos.

1.3.1 Objetivo Geral

Elaborar projeto elétrico para a substituição dos transformadores de alta tensão convencionais por transformadores de alta tensão que trabalham em alta frequência do PE da unidade 5 da UTLB.

1.3.2 Objetivos Específicos

 Realizar medições de emissão de particulado na saída dos gases do PE antes da substituição dos transformadores, para que depois de concluída tenha-se valores para ser comprovada a eficácia da substituição;

 Realizar estudos de esquemas elétricos e unifilares da usina, para que toda a filosofia de funcionamento e operação dos equipamentos periféricos aos transformadores continue a mesma depois da modificação;

 Desenvolver projeto elétrico de integração dos painéis que serão instalados com os painéis que já estão instalados e continuarão em operação;

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 Realizar projeto de dimensionamento dos novos cabos que serão acrescentados ao projeto;

 Realizar projeto estrutural dos novos painéis que serão acrescentados à instalação;

 Desenvolver projeto mecânico para instalação dos novos transformadores. 1.4 DELIMITAÇÕES

Projeto elétrico para a modernização do sistema elétrico existente no precipitador eletrostático visando a substituição dos transformadores de alta tensão convencionais que estão instalados no PE da unidade 5 da UTLB, por transformadores de alta tensão que trabalham em alta frequência.

1.5 METODOLOGIA

Todo o estudo e levantamento de dados será feito junto aos documentos presentes no acervo técnico da usina e por materiais enviados pelo fabricante dos transformadores.

Dos principais documentos da usina podemos destacar:

 Manuais de operação e manutenção dos controladores do atual transformador;

 Manuais de operação do PE;

 Esquemas elétricos e unifilares dos periféricos dos transformadores de alta tensão;

O estudo destes documentos consiste em se aprofundar no conhecimento do princípio de operação de um PE e com isso explorar a função dos transformadores no sistema. Concomitante a substituição dos transformadores, será remodelado os painéis que fazem a parte de intertravamento e comando de todos os equipamentos, por isso a necessidade de estudar também os periféricos dos transformadores.

Toda a aquisição de dados de emissão de particulado será feita com o auxílio da equipe do meio ambiente do Central de Utilidades da Usina (CEUT).

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1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO

Esta seção tem o objetivo de apresentar a estrutura do TCC em partes e assim deixar claro ao leitor os passos que serão seguidos em seu desenvolvimento.

 Capítulo 2: Neste capítulo será abordada a explicação dos equipamentos e componentes utilizados no projeto de substituição dos transformadores, bem como a comparação entre os transformadores utilizados e suas referidas referências;

 Capítulo 3: Será abordado o funcionamento do PE da unidade 5, demonstrando os principais equipamentos e suas respectivas funções. É válido conhecer o funcionamento e as características de cada equipamento visto que os mesmos sofrerão alterações com a modernização;

 Capítulo 4: Este capítulo aborda o desenvolvimento do projeto e o dimensionamento dos equipamentos e componentes que serão instalados no sistema do PE da unidade 5. Serão demonstrados também os desenhos de painéis e esquemas elétricos para facilitar o entendimento do projeto de substituição dos transformadores;

 Capítulo 5: A conclusão, apresentada no capítulo 5, apresenta os resultados deste projeto e já indica os próximos passos levando em consideração trabalhos futuros;

 Anexos: Com a finalidade de esclarecer os pontos principais aos leitores, os anexos exibem as partes do projeto elétrico e de painéis que foram citadas ao longo deste TCC.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo serão apresentadas todas as informações necessárias sobre equipamentos e componentes que fazem parte deste projeto para que as atividades desenvolvidas possam ser compreendidas com clareza pelo leitor.

2.1 USINA TERMELÉTRICA

Usinas termelétricas são plantas de geração de energia que usam da queima de um determinado tipo de combustível para ter o produto final que é a energia elétrica. Estes combustíveis podem ser renováveis ou não renováveis. A UTLB, usina onde está sendo desenvolvido este estudo, é uma termelétrica que usa combustível não renovável, o carvão mineral, como combustível para aquecimento das tubulações da caldeira.

Em resumo, o processo para a geração de energia em uma termelétrica, consiste no aquecimento da água presente dentro das tubulações da parede da caldeira através da queima do carvão, transformando assim, água em vapor. Tal vapor, em condições de alta temperatura e alta pressão, é conduzido através de tubulações até a turbina que está acoplada a um gerador elétrico (LIMA, 2017).

A Figura 1 mostra as etapas de uma termelétrica, desde a estrada do carvão pulverizado nos queimadores até o produto final que é a energia nos terminais do gerador.

Figura 1 – Principio de geração termelétrica.

Fonte: (LIMA, 2017).

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2.1.1 Caldeira (Gerador de Vapor)

Caldeiras utilizadas para geração de vapor em termelétricas, geralmente são equipamentos de grande porte e têm a finalidade de aquecer a água para que a mesma ganhe temperatura e pressão para posteriormente rodar a turbina que é acoplada a um gerador. As caldeiras são construídas de acordo com as normas vigentes do país e de forma a melhor aproveitar a energia liberada pela queima do combustível.

A caldeira da unidade 5 da UTLB é do tipo Aquotubular, este tipo de caldeira trabalha com o princípio de funcionamento onde a água passa por dentro das tubulações da parede d’água e o seu interior é aquecido pelos gases de combustão resultante da queima do carvão pulverizado. Em caldeiras do tipo flamotubulares os gases de combustão passam por dentro das tubulações e o interior da caldeira é completado com água (BAZZO, 1995).

O carvão utilizado como combustível nas caldeiras da UTLB (unidades 5 e 6) é proveniente das mineradoras da região de Criciúma e tem o poder calorífero de 4500kcal classificado assim como carvão CE-4500.

O processo para o uso do carvão passa por vários processos desde sua extração das minas. Depois de ser extraído da natureza, o mesmo é transportado via estrada de ferro e depositado no pátio de carvão que fica situado aos arredores da usina. Em um segundo momento o carvão é transportado através de esteiras até os silos que ficam localizados dentro da usina, como etapa final no processo o carvão passa por um moinho e assim é arrastado por ar forçado até os queimadores das caldeiras.

Unidades modernas e de porte maior de caldeiras normalmente são equipadas com os seguintes componentes, como pode ser visto na Figura 2:

 Fornalha: é o local onde ocorre a queima do carvão, neste local é soprado uma mistura de ar e carvão pulverizado para o interior de uma câmara de combustão, nesta etapa a cinza pesada cai para o fundo da caldeira e a cinza leve é arrastada pelos gases. As temperaturas na fornalha variam na faixa de 900 a 1400ºC.

 Caldeira: é nesta parte onde ocorre a mudança de fase da água, transformado assim do estado líquido em vapor. Fazem parte da caldeira as paredes d’agua e o tambor. A água circula pelos tubos pertencentes à parede d’água livremente pela diferença de densidade e o vapor resultante é acumulado no tambor. Depois desta fase, o vapor saturado é encaminhado ao superaquecedor.

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 Superaquecedor: nesta parte o vapor gerado pela caldeira ganha temperatura por radiação e convecção. A forma física do superaquecedor consiste de um ou mais feixes tubulares.

 Economizador: é usado com o intuito de pré-aquecer a água de alimentação da caldeira e é normalmente instalado depois dos superaquecedores. Esta parte é responsável por aumentar o rendimento da caldeira e minimizar o choque térmico entre a água de alimentação e a água presente no tambor.

 Aquecedor de ar: local onde é aproveitado o calor residual dos gases gerados na câmara de combustão para pré-aquecer o ar utilizado na queima do combustível.

Figura 2 - Unidade geradora de vapor.

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No Quadro 1 estão discriminadas todas as informações sobre o carvão que é utilizado nas caldeiras da UTLB, assim como outras amostras que também foram submetidas a analises. O estudo sobre o carvão utilizado na UTLB elaborado pela empresa TRK ENGINEERING SERVICES INC. no ano de 2013 visa rever o desempenho dos precipitadores das referidas usinas e sendo assim, através de resultados obtidos, recomendar modificações no sistema de filtragem para que a emissão de MP ficasse em torno de 50 mg/m³.

Quadro 1 - Análise do carvão utilizado nas usinas do CTJL.

Fonte: (KELLER, 2013).

Das informações presentes no Quadro 1, pode ser destacada a grande porcentagem de cinzas presente no carvão mineral usado com combustível nas unidades 5 e 6, aproximadamente 42%.

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2.2 PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO (PE)

O PE utilizado na unidade 5 da UTLB para captar o MP resultante da queima do carvão na câmara de combustão, está inserido entre a caldeira e a chaminé de exaustão, Figura 3, com a finalidade de limpar os resíduos da combustão de carvão e outros sólidos, que não podem ser lançados ao meio ambiente.

Figura 3 - Precipitador Eletrostático Unidade 5.

O PE é o dispositivo responsável pela captação de partículas sólidas ou líquidas suspensas em um meio gasoso usando forças eletrostáticas. Utilizado para diminuir a concentração de partículas sólidas lançadas à atmosfera.

Dentre as qualidades do PE, pode se destacar a baixa potência elétrica que o mesmo requer para o seu funcionamento, a baixa perda de carga no escoamento, a alta eficiência do mesmo que é em torno de 99% e a simplicidade de operação e manutenção.

Em termos ambientais, são considerados um dos filtros mais eficientes na retirada de partículas finas de fluxo de gases, uma vez que a retenção de impurezas com diâmetro de 5μm não são facilmente captadas por telas ou tecidos de outras modalidades de despoeiradores (OZAWA, 2003).

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2.2.1 Princípio de funcionamento

As partículas resultantes da queima do carvão pulverizado são arrastadas através das etapas da caldeira até o precipitador juntamente com os gases gerados na câmara de combustão. O funcionamento do PE baseia-se no uso das forças desenvolvidas em um campo elétrico sobre partículas de matéria sólida.

O processo de captação através do uso de PE visa separar as partículas dos gases através de meios elétricos. Os gases resultantes da câmara de combustão passam através do PE, que pode ser denominado como uma unidade de ionização, pois em seu interior é composto de eletrodos de alta tensão (polo negativo), que são instalados entres placas coletoras (polo positivo) sendo que estas estão devidamente aterradas na carcaça do precipitador, conforme apresentado na Figura 4.

As partículas são carregadas eletricamente pelos eletrodos e são direcionadas para as placas coletoras. Sendo assim, as partículas poluidoras começam a ser depositadas nas placas coletoras e param de viajar pelos gases, conforme pode ser visto na Figura 5 (COSTA, 2005).

Figura 4 - Instalação de um Precipitador Eletrostático

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Figura 5 - Ionização das partículas.

Fonte: (OZAWA, 2003).

Entre os eletrodos e as placas coletoras é aplicado um alto diferencial de potencial, ionizando as partículas suspensas “negativamente” fazendo com que as mesmas sejam atraídas pelas placas coletoras. O campo do precipitador é alimentado por uma alta tensão de corrente contínua (CC), conforme visto na Figura 5, onde o polo negativo é conectado aos eletrodos que são isolados da malha de terra e o polo positivo é conectado à malha de terra que está conectada as placas coletoras.

2.2.1.1 Efeito Corona

Uma das premissas para o correto funcionamento de um PE é que as partículas poluentes presentes no gás sejam ionizadas antes de passar pelas placas coletoras. Essa ionização depende da formação do Efeito Corona em torno dos eletrodos (polo negativo) do ionizador.

O Efeito Corona é um mecanismo de descarga eletrostática que acontece devido à ionização em um material isolante, geralmente um gás, sujeito a um campo elétrico de intensidade acima de um nível crítico.

Aplicando uma diferença de potencial apropriada entre um fio e uma placa (ou entre um fio e um tubo) devidamente espaçados, por sua vez, a distribuição do campo no espaço entre eletrodos não é uniforme. O campo elétrico varia de um alto valor nas proximidades do fio para um valor bem menor na superfície da placa (ou do tubo, dependendo da geometria de filtro utilizada) (COSTA, 2005).

(28)

Se um valor adequado de tensão for aplicado entre os tipos de eletrodos e placas mencionadas e a distância entre os mesmos for adequada de forma a obter um campo elétrico muito intenso apenas nas proximidades do fio, é provocada a ruptura elétrica do gás nestas regiões. Muitas das vezes esta ruptura elétrica é caracterizada pela emissão de luz, e ocorrendo este efeito no gás nas vizinhanças do fio, constitui o efeito corona, fenômeno necessário ao funcionamento do filtro eletrostático (COSTA, 2005).

2.3 TRANSFORMADOR RETIFICADOR CONVENCIONAL

Conforme visto nas seções anteriores, os campos dos PE são alimentados em alta tensão e em corrente contínua (CC). Para que isto ocorra é necessário que a alimentação elétrica proveniente dos painéis de distribuição da usina seja elevada de 480V para 70kV através de um transformador e depois essa tensão alternada seja convertida em tensão contínua através de um retificador.

O controle de tensão dos transformadores retificadores convencionais é feito através de tiristores em anti-paralelo. O funcionamento dos tiristores e de seu controle será explicado na seção seguinte.

2.3.1 Tiristor - Sillicon Controlled Retifier (SCR)

O tiristor é um nome genérico para a família de componentes que possuem quatro camadas de material semicondutor (PNPN), conforme demonstrado na Figura 6 (A). O tiristor possui três terminais, Figura 6 (B), onde os terminais A (Ânodo) e K (Cátodo) são os terminais de potência e a porta G, conhecida como gate, é a porta de controle.

Os SCR’s são os mais comuns controladores elétricos de potência, onde apresentam várias características atraentes para o mercado:

 Chaveamento rápido;

 Pequeno porte;

(29)

Figura 6 - Tiristor ideal

Fonte: (BARBI, 2006)

Para haver condução através de um tiristor são necessárias algumas condições, bem como: os terminais “A” e “K” têm de estarem diretamente polarizados, ou seja, a tensão no terminal “A” necessariamente tem que ser maior que a tensão no terminal “K” e outro fator fundamental para a condução é a corrente de gatilho. O Tiristor sem a corrente de gatilho não conduz corrente elétrica do terminal “A” para o terminal “K”.

Após entrar em condução, o mesmo se comporta da mesma forma que um diodo e não há mais controle algum sobre o dispositivo, assim, ele continuará conduzindo até que a corrente direta de anodo fique abaixo de um nível conhecido como corrente de manutenção. Neste momento se desenvolverá uma região de depleção em torno da junção J2 e o tiristor entrará no estado de bloqueio. A corrente de manutenção pode ser definida como a mínima corrente de anodo que mantém o tiristor em condução e está na ordem de miliampéres (BARBI, 2006).

2.3.2 Tiristores em antiparalelo - Gradadores

A operação de tiristores em antiparalelo também conhecido como gradadores define a operação de conversores estáticos que variam o valor eficaz de uma tensão alternada aplicada a uma carga. Os gradadores são caracterizados por colocar a fonte de tensão em contato direto com a carga sem um tratamento intermediário de energia.

Uma das características deste componente é não alterar a frequência da fonte de tensão alternada, porém, sua operação introduz harmônicas na tensão de saída e na corrente de entrada. Os gradadores são muito utilizados na indústria e no dia a dia, dentre os principais

(30)

empregos destes, podem ser citados: controle de luminosidade (dimmer), controle de temperatura (chuveiro e fornos), controle de velocidade e limitação de corrente de partida de motores (soft-starters) entre outras aplicações (ASSEF, 2017). A Figura 7 demonstra a aplicação de um gradador em um circuito elétrico.

Figura 7 - Aplicação de um gradador.

Fonte: (ASSEF, 2017)

Os gradadores controlam a tensão de saída através do ângulo de disparo dos tiristores, sendo assim, quanto menor for o ângulo de disparo, maior será a tensão eficaz na carga, consecutivamente à medida que o ângulo de disparo for aumentado a tensão eficaz na carga tende a diminuir. A Figura 8 e a Figura 9 foram simuladas com ângulo de disparo em 60º e 90º consecutivamente, note que a energia (área abaixo da senóide após o tiristor entrar em condução) entregue pela tensão de carga onde o disparo foi de 60º é maior.

Figura 8 - Disparo do tiristor a 60º.

(31)

Figura 9 - Disparo do tiristor a 90º.

2.3.3 Transformador de Potência

Transformadores são equipamentos que transferem energia de um circuito para outro, onde os mesmos estão isolados fisicamente, porém acoplados em um campo magnético, exceto em autotransformadores, não há conexão elétrica de um circuito para o outro.

Quando uma corrente alternada (CA) flui por um indutor, há a presença de um campo magnético em torno do condutor, se outro condutor é colocado próximo ao campo criado pelo primeiro condutor, próximo ao ponto que as linhas de fluxo se conectam, a tensão do primeiro é induzida no segundo condutor. Usar o campo magnético de uma bobina para induzir uma tensão em outra bobina é o princípio que a teoria e aplicação do transformador são baseadas (HARLOW, 2004).

Transformadores de alta potência usam núcleo de ferro, ferrite ou aço, devido a sua alta permeabilidade magnética (μ). Esta é definida como a capacidade de transportar o fluxo da bobina do primário para a bobina do secundário. Em um efeito comparativo, a permeabilidade magnética dos aços modernos utilizados em transformadores é de 1500 vezes maior que a do ar.

Quando duas espiras são instaladas em um núcleo de aço, conforme ilustrado na Figura 10, quase 100% do fluxo gerado pela bobina do primário é induzida na bobina do secundário através do núcleo magnético.

(32)

Figura 10 – Representação do núcleo magnético de um transformador.

Fonte: (HARLOW, 2004).

Conforme (HARLOW, 2004), a relação fundamental entre a densidade de fluxo magnético (B) e a intensidade de campo magnético (H), é dada por:

0

B H (3)

Onde: 𝜇ₒ é a permeabilidade do espaço livre que é dada por: 7 1 1

4



 WbA m  . Substituindo ‘ B ’ por A  e ‘H ’ por N I d  , onde:



= Fluxo do núcleo em linhas; N= Número de espiras das bobinas;

I = Máxima corrente (A);

A = Área transversal do núcleo (m²).

A relação descrita na Equação (3) pode ser reescrita como:

0 N A I d       (4) Onde: d = comprimento da bobina (m); A = área do núcleo (m²).

(33)

A equação para o fluxo no núcleo de aço é dada por:

0 r N A I d

 

     (5)

Onde: _r é a permeabilidade relativa do aço, aproximadamente 1500.

Sabendo que a permeabilidade magnética do aço é muito mais alta que a do ar, pode ser considerado que todo o fluxo gerado pela bobina do primário fluirá pelo núcleo e essencialmente de mesma magnitude em toda sua parte. Com isso a equação de fluxo no núcleo pode ser reescrita como (HARLOW, 2004):

0.255 E

f N

  

 (6)

Onde:

E = Tensão alternada aplicada (V);

f = Frequência (Hz);

N = Número de espiras.

Visando a melhor compreensão do assunto é necessário conhecer sobre duas leis fundamentais para o funcionamento de transformadores, Lei de Faraday e Lei de Lenz.

2.3.3.1 Lei de Faraday

Em 1831, após uma série de experimentos, o cientista britânico Michael Faraday observou que ao mover uma bobina formada por um fio condutor através de um campo magnético produzido por um imã, fluía uma corrente pelo condutor. Essa corrente não era oriunda por nenhuma fonte externa, mas sim induzida no condutor pela variação do campo magnético.

Faraday também descobriu que a corrente induzida no condutor era proporcional a taxa de variação no tempo do fluxo magnético. A corrente observada por Faraday é devida a

(34)

uma tensão induzida no condutor, chamada de força eletromotriz induzida f e m. . . (EPUSP,

2014). A fórmula da f e m. . . está descrita a seguir:

. . d

f e m dt



  (7)

Sabendo que o condutor em geral é uma bobina de mais de uma espira, então é dada uma fórmula mais geral para f e m. . ., chamada de e t( ):

( ) d [ ] e t N V dt    (8) 2.3.3.2 Lei de Lenz

Fazendo análise da equação (8) o sinal negativo indica que:

 Se o fluxo magnético que atravessa a bobina aumenta, a f e m. . . produz uma corrente cujo fluxo se opõe ao aumento do fluxo que atravessa a bobina;

 Se o fluxo diminui, a f e m. . . produz corrente que aumenta o fluxo que atravessa a bobina.

Ambos os pontos citados acima estão exemplificados na Figura 11.

Figura 11 - Representação da Lei de Lenz.

Fonte: (EPUSP, 2014).

Analisando a Figura 11, pode se tirar as seguintes informações:

(35)

 (b) - f e m. . . induzido numa bobina 2 devido à variação de fluxo produzido pela bobina 1;

 (c) – Fluxo na bobina 2, devido à corrente na mesma que se opõe ao fluxo da bobina 1.

Usando a regra da mão direita a fim de determinar o sentido do fluxo gerado pela corrente I1, o aumento na corrente ocasiona um aumento do fluxo através das bobinas 1 e 2. Assim pode se determinar que a bobina 1 é a fonte de fluxo e na bobina 2 é gerada a f e m. . ., porém devido ao circuito da bobina 2 estar aberto não circula corrente pela mesma (EPUSP, 2014).

Como consequência direta da Lei de Lenz, o fluxo acoplado a um circuito tende a manter seu valor (magnitude e direção) anterior, resistindo a toda mudança. Embora a Lei de Faraday trate da f e m. . . num circuito, independente do fato desse circuito estar aberto ou fechado, a aplicação da Lei de Lenz pressupõe a existência de uma corrente e, portanto, um circuito fechado (EPUSP, 2014).

2.3.3.3 Relação de transformação

Quando se quer aumentar a tensão na bobina do secundário, que é o caso dos transformadores utilizados nos PE, tem-se de aumentar o número de espiras do secundário em relação ao primário, visando às relações de transformação descritas a seguir:

1 1 2 2 2 1 V N I V  N  I (9) Onde: 1

V = Tensão aplicada no enrolamento primário;

2

V = Tensão aplicada no enrolamento secundário;

1

N = Numero de espiras do enrolamento primário;

2

N = Numero de espiras do enrolamento secundário; 1

I = Corrente no enrolamento primário;

2

(36)

2.3.4 Retificador de saída do transformador

Visto que os campos dos precipitadores são alimentados em CC, é necessário que a tensão alternada de saída do transformador seja transformada em CC. Para isto na saída do transformador é instalado uma placa retificadora, conforme demonstrado na Figura 12.

Figura 12 - Transformador Retificador PE unidade 5.

Fonte: Manual técnico do precipitador eletrostático (2018).

Onde:

R = Resistor;

MAIN TX = Transformador Alta Tensão; CLR = Reator CA;

HFC = Bobina de alta frequência; RB = Ponte retificadora;

GND = Terra; ZD = Diodo Zener;

(37)

OVP = Protetor sobretensão.

Ao analisar o circuito de saída do transformador e fazendo alusão à (BARBI, 2006), pode ser constatado que a ponte retificadora (RB) trabalha como um retificador monofásico de onda completa em ponte, sendo assim pode se considerar a seguinte fórmula:

0.9 0

Vlmed V (10)

Onde:

Vlmed = Tensão média na saída da ponte retificadora; V0 = Tensão eficaz de entrada da ponte retificadora.

Analisando a Figura 12, pode ser identificado que a “Bucha AT” se trata do polo negativo de saída da ponte retificadora que alimenta os eletrodos do PE, sendo que a outra saída da ponte retificadora, identificada como do sinal de “+”, está conectada à malha de terra, onde estão conectadas as placas coletoras do campo do PE.

2.4 TRANSFORMADOR RETIFICADOR EM ALTA FREQUÊNCIA (HFHV)

O Termo HFHV vem do inglês High Voltage High Frequency (alta tensão e alta frequência). Transformadores retificadores de alta frequência utilizados em PE consistem em um equipamento que opera em alta tensão e alta frequência em uma escala de 5kHz – 20kHz. A diferença para o transformador retificador convencional que foi apresentado na seção 2.3, é que os transformadores de alta frequência são alimentados por um conversor Insulated Gate

Bipolar Transistor (IGBT).

Por trabalhar em frequências elevadas, o material de construção do núcleo não pode ser o ferro-silício, como é normalmente usado em transformadores de potência, pois este material é usado tipicamente em transformadores de 60Hz. As propriedades magnéticas do material têm que apresentar um comportamento estável para funcionar em frequências acima da casa dos kHz com o mínimo de perdas possíveis. O material utilizado tem de apresentar uma reduzida dureza magnética para que apresente o mínimo valor de coercividade na curva de histerese (SANTOS, 2013).

(38)

Um dos materiais mais utilizados na construção de núcleos magnéticos é o ferrite e suas vantagens são listadas abaixo:

 Bom comportamento numa ampla gama de frequências;

 Alta resistividade elétrica;

 Baixas perdas;

 Grande valor de permeabilidade relativa.

Além da alta eficiência do núcleo usado em seu transformador, as fontes HFHV apresentam outras características que comprovam sua eficiência aplicada a precipitadores eletrostáticos:

 O ripple da tensão é significantemente reduzido, aumentando assim a tensão média entregue para o PE (VUKOSAVIC, 2011);

 Tempo de Arc shutdown reduzido: Tempo estimado em que o controle do transformador extingue o arco elétrico entre eletrodo e placa dentro do precipitador. (BANGZHONG, 2015). Exemplificado na Figura 13.

Figura 13 - Comparação entre fontes.

Fonte: (DESPOTOVI e VUKOSAVIC, 2015).

A Figura 13 demonstra a comparação entre as fontes convencionais que trabalham em 60Hz (CH1) com as fontes que trabalham em alta frequência (CH2), pode ser observado que o tempo de extinção de arco e retomada de tensão da fonte de alta frequência é muito mais rápido comparado ao tempo das fontes convencionais.

O esquema elétrico de uma fonte de alimentação que trabalha em alta tensão e alta frequência é apresentado na Figura 14.

(39)

Figura 14 - Esquema elétrico de uma fonte de alimentação HVHF

Fonte: (VUKOSAVIC, 2011).

No esquema elétrico apresentado na Figura 14, pode ser analisado que o transformador elevador de tensão alimenta um retificador de saída assim como nos transformadores retificadores convencionais. A diferença existente nas fontes de alimentação HVHF é que sua fonte de alimentação é trifásica e alimentam uma ponte de Graetz antes de alimentar o sistema conversor IGBT.

2.4.1 Ponte de Graetz

Ponte de Graetz, apresentada na Figura 15, é considera um retificador trifásico de onda completa, que é usada para retificar tensão CA em tensão CC. Usada largamente no âmbito industrial à ponte de Graetz é empregada nos processos em que se exige CC. De todos os retificadores, é o mais empregado. Considerada como a mais recomendada para equipamentos com potências iguais ou superiores a 10 kW, apresenta um fator utilização do transformador praticamente unitário (BARBI, 2006).

Figura 15 - Ponte de Graetz.

(40)

Analisando a topologia da ponte de Graetz, podem ser definidas as seguintes conclusões: cada diodo conduz num intervalo de 120º, sempre há dois diodos em condução, sendo um do grupo positivo e outro do grupo negativo, cada comutação de diodo ocorre a cada 60º e que a frequência fundamental da tensão é igual a seis vezes a frequência da tensão de alimentação (BARBI, 2006).

Para o cálculo do valor médio da tensão, será considerado que a condução de cada diodo ocorre de 30º à 150º, sendo assim:

6 6 3 2 0 3 cos( ) ( ) Vlmed V wt d wt     

_

   (11)

2.4.2 Conversor CC-CA Alta Frequência

Neste estágio, o conversor CC-CA, demonstrada na Figura 16, opera como parte de um conversor ressonante, assim os IGBT’s são disparados a fim de construir uma onda quadrada em alta frequência na entrada do transformador (DESPOTOVI e VUKOSAVIC, 2015).

Figura 16 - Ponte completa de IGBT's.

Fonte: (SERIES, 2017).

Para que o conversor opere de maneira correta, os sinais Q1, Q2, Q3 e Q4 que acionam os IGBT’s devem ser comutados de forma específica. Cada IGBT recebe em seu gate um sinal que pode ser representado pelos níveis lógicos 1 ou 0 e, visto que os dois IGBT’s do mesmo braço não entrem em condução simultaneamente, o interruptores debaixo recebem os sinais complementares dos transistores de cima, correspondentes (JUNIOR, 2015).

(41)

A Tabela 2 apresenta os estados de comutação correspondentes ao modelo do conversor apresentado na Figura 16.

Tabela 2 - Sinais de comutação.

Sinal do Gate Q1 Sinal do Gate Q3 Saída de Tensão (AC)

1 0 Vcc

1 1 0

0 1 -Vcc

0 0 0

Fonte: (JUNIOR, 2015).

2.4.3 Insulted Gate Bipolar Transistor (IGBT)

O IGBT é um semicondutor conhecido por aliar a facilidade de acionamento do MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) com as baixar perdas de tensão de condução do TBP (Transistor Bipolar). Nas Figuras 17 (A) e 17 (B) está representada a estrutura física de um IGBT e o seu circuito equivalente respectivamente.

Figura 17 - Estrutura física e circuito equivalente de um IGBT.

Fonte: (ZAHYKA, 2015).

A condução do IGBT é dada pela aplicação de tensão entre “Gate” e “Emissor” (VGE), esta tensão deve ser superior ao valor da tensão limiar (VGEth), a partir deste ponto um canal de condução entre coletor e emissor começa a ser formado no IGBT. Quando VGE chegar a um valor inferior a VGEth, o IGBT entra em estado de corte, cessando a condução

(42)

entre coletor e emissor (ZAHYKA, 2015). Na Figura 18 estão representadas as curvas VGE, tensão entre coletor e emissor (VCE) e VGEth.

Figura 18 - Curvas de tensão do IGBT.

(43)

3 PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO UNIDADE 5

Neste capítulo será abordado o funcionamento do PE em questão a suas particularidades, bem como número de transformadores, batedores, seccionadoras, entre outros equipamentos e componentes que abrangem o sistema elétrico do PE da unidade 5.

3.1 CAMPOS DE CAPTAÇÃO

O PE da unidade 5 é divido eletricamente em quatro partes iguais, sendo assim, cada campo é alimentado por seu respectivo transformador e seus equipamentos auxiliares. A Figura 19 representa a distribuição dos campos no interior do precipitador e seus respectivos nomes, tomando como o exemplo o campo ‘1E’, o mesmo é denominado assim por ser o primeiro campo a receber o fluxo de gases do lado esquerdo, assim, respectivamente o primeiro campo a receber o fluxo do lado direito é denominado como campo ‘1D’.

Figura 19 – Vista superior da divisão dos campos de captação.

Fonte: Produção do próprio autor

1D

2D

1E

(44)

3.2 TRANFORMADORES RETIFICADORES DE ALIMENTAÇÃO

Conforme explicado na seção 2.3, os transformadores retificadores são os equipamentos responsáveis por transformar a baixa tensão CA (480V) em alta tensão CC (70kV). Os transformadores instalados atualmente no PE da unidade 5, conforme demonstrado na Figura 20 têm sua configuração detalhada na Tabela 3.

Figura 20 - Transformador Retificador PE Unidade 5.

Tabela 3 - Dados de placa dos Transformadores Retificadores.

ENTRADA SAÍDA

TENSÃO (V): 480 TENSÃO (kVp): 90

CORRENTE (A): 318,25 TENSÃO MÉDIA kV: 57,3

FREQUÊNCIA (Hz): 60 CORRENTE (mAar): 2000

- CORRENTE (mAeff): 2400

3.3 PAINÉIS DE CONTROLE

Os transformadores do projeto atual são alimentados por painéis que ficam localizados na sala de comando de cinzas, estes painéis têm por finalidade fazer o controle da tensão de alimentação dos transformadores através de dois tiristores instalados em

(45)

antiparalelo. Na Figura 21 (A) pode ser observada uma foto do painel de controle fechado e na Figura 21 (B) uma foto do painel aberto, o painel de controle de cada transformador conta com botoeiras e chaves de comando, led’s de sinalização (status e falhas), e indicadores de grandezas elétricas.

Figura 21 – Painel de alimentação dos transformadores.

(A) (B) Fonte: Produção do próprio autor.

Através destes painéis são dados todos os comandos para seus respectivos transformadores, bem como: liga, desliga, seleção local-remoto, reset de falhas, teste de lâmpadas e botoeira de emergência. Os led’s de sinalização indicam o status do transformador (ligado, desligado ou falha), a posição de sua respectiva chave seccionadora de aterramento (ligada, aterrada ou isolada), as atuações das proteções intrínsecas do transformador (alta pressão, baixo nível de óleo, alta temperatura ‘alarme’ e alta temperatura ‘trip’), falha de batedores e falha de alta temperatura do tiristor.

(46)

3.4 QUADRO DE DISTRIBUIÇÃO 480VCA

Este painel tem a função de fazer a distribuição de tensão 480VCA para os painéis de controle dos transformadores. Na Figura 22 pode se observar que o quadro de distribuição tem ao seu todo, seis disjuntores de saída, sendo quatro para os painéis de controle, um reserva e um disjuntor para alimentação do centro de comando de motores (CCM) do PE.

O Disjuntor de entrada do painel tem capacidade para alimentação de 2000A e é projetado para suportar corrente de curto circuito de até 40kA. Os disjuntores termomagnéticos de saída têm faixa de ajuste de proteção para até 500A e capacidade para corrente de curto circuito de 5kA.

Figura 22 – Disjuntores de saída do quadro de distribuição 480VCA.

3.5 SECCIONADORAS DE ATERRAMENTO

Cada transformador de alimentação conta com uma seccionadora de saída que tem a função de conectar ou não seu respectivo campo ao transformador. As seccionadoras de aterramento, conforme demonstrado na Figura 23, têm seu contato fixo conectado ao seu respectivo campo e contam com três posições de trabalho, que serão descritas a seguir:

(47)

 Posição ligada: nesta posição a seccionadora conecta o campo à saída do transformador, transferindo assim toda a energia de saída do transformador para os eletrodos e às placas;

 Posição aterrada: quando a chave se encontra na posição aterrada, significa que os eletrodos do precipitador estão conectados à terra, nesta posição o transformador fica impedido de ser ligado através de lógicas de intertravamento;

 Posição aberta: na posição de aberta o campo não fica nem conectado à saída do transformador nem à malha de terra, mas sim isolado.

Figura 23 – Seccionadora de aterramento.

Na Figura 24, pode se observar que a saída do transformador é ligada a estrutura da chave seccionadora.

(48)

Figura 24 – Transformador de alimentação conectado à seccionadora de aterramento.

3.6 SECCIONADORAS DE INTERLIGAÇÃO

Para questões emergenciais, onde alguma das alimentações venha a falhar, há a possibilidade de interligar o campo que entrou em falha com o campo que está ao seu lado, por exemplo: se atuar qualquer proteção intrínseca do transformador de alimentação do campo 1D, este campo pode ser alimentado via seccionadora de interligação, sendo que, nesta ocasião a alimentação será proveniente do transformador do campo 1E, que neste momento alimenta os dois campos (1D e 1E) paralelamente.

Para executar tal alimentação é necessário seguir alguns passos, que serão descritos a seguir:

 Antes de executar a manobra de interligação os dois transformadores terão que estar desligados;

 A chave seccionadora de aterramento do transformador que estiver com defeito, tem que ser colocada na posição isolada;

 A chave seccionadora de aterramento do transformador que estiver apto a alimentar os dois campos deverá ser colocada na posição ligada;

 Fechar a seccionadora de interligação 1D-1E;

 Ligar o transformador 1E, com isso os dois campos da frente serão alimentados por um transformador apenas.

(49)

A alimentação descrita acima serve para interligar os campos da frente do precipitador (1D e 1E), sendo que esta manobra pode ser executada também nos campos de trás (2D e 2E). Conforme demonstrado na Figura 25, a seccionadora de interligação é instalada no meio do precipitador a fim de interligar os campos.

Figura 25 – Seccionadora de interligação.

3.7 BARRAMENTOS DE ALTA TENSÃO

A distribuição em CC após a saída do transformador é feita através de barramentos de inox de meia polegada. Pode ser observado na Figura 26 o referido barramento conectado a seccionadora de interligação.

Figura 26 – Seccionadora de interligação conectada aos barramentos de força.

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3.8 CABOS DE ALIMENTAÇÃO

Nesta seção serão demonstrados os cabos que são utilizados para a alimentação dos painéis de controle e consecutivamente os cabos que são utilizados para a alimentação dos transformadores retificadores.

Para o melhor entendimento do leitor, a Figura 27 esboça o esquema unifilar de alimentação em 480VCA dos transformadores do PE da unidade 5.

Figura 27 – Diagrama unifilar de alimentação dos transformadores retificadores.

Os cabos que são utilizados na alimentação dos transformadores retificadores estão discriminados na Tabela 4.

Tabela 4 – Cabos de alimentação dos transformadores.

Material de isolação PVC

Temperatura máxima em serviço contínuo 70 °C

Tensão de isolamento 0,6/1 kV

Seção nominal do condutor 120 mm2

Comprimento 110 m

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3.9 BATEDORES DE ELETRODO E DE PLACA

Os eletrodos e as placas são os componentes que têm a função de ionizar as partículas e fazer a captação da mesma, cada um com sua função respectivamente, conforme explicado na seção 2.2.1. Como resultado do processo de ionização, as partículas carregadas negativamente aderem à placa coletora aterrada, com isso a mesma tende a ficar muito carregada e assim dificultando o processo de coleta.

Os batedores têm a função de remover o aglomerado de partículas que tendem a cair para a área de remoção de cinzas. Além de fazer o processo de batimento das placas, há também batedores que fazem o processo nos eletrodos de emissão.

O sistema de batimento consiste em motoredutores que giram um eixo com vários martelos acoplados, estes martelos batem nos quadros de sustentação dos eletrodos e placas (que são separados) e por efeito de vibração a cinza desgruda das placas e eletrodos e caem para a área de remoção.

Na Figura 28 podem ser observados os martelos que fazem o batimento do quadro de eletrodos.

Figura 28 – Martelos de batimento do quadro de eletrodos.

Os batedores do PE da unidade 5 são acionados por um controlador lógico programável (CLP), que recebe acionamento dos controladores dos transformadores. Eles têm

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seu tempo de batimento e repouso programáveis via IHM instalado no painel de controle do campo 1D.

3.10 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP)

O CLP é o equipamento responsável por executar comandos, intertravamentos, liberações e outras funções a mais, além de ser o meio de conexão entre a lógica dos painéis de controle dos transformadores e o CCM que alimenta eletricamente os equipamentos auxiliares do precipitador, bem como: batedores de placas, batedores de eletrodos, batedores de cortina, aquecedores e ventiladores.

Este equipamento recebe todas as informações das seccionadoras, tanto das de aterramento quanto das seccionadoras de interligação, assim, a liberação para ligar os transformadores depende da liberação do intertravamento do CLP. Pode se tomar como exemplo o caso de a chave de aterramento do transformador 1D estiver acionada para a posição “Aterrando”, neste caso o CLP inibe o comando de “Liga” do referido transformador retificador.

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4 PROJETO DE MODERNIZAÇÃO DO PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO

Neste capítulo será descrito o projeto elétrico para a substituição dos transformadores do PE da unidade 5 da UTLB. Visto que se trata de um projeto de modernização, alguns cabos e painéis que atendem ao novo projeto serão reaproveitados, já outros que não atendem serão retirados da instalação.

O intuito deste projeto é manter a operacionalidade dos equipamentos e quando possível melhorá-la. Serão demonstradas as conexões entre os painéis elétricos, bem como seus desenhos elétricos. Os layouts mecânico e elétrico dos novos painéis que serão instalados estarão dispostos nos anexos.

4.1 TRANSFORMADORES RETIFICADORES EM ALTA FREQUÊNCIA

Os novos transformadores que serão instalados no PE da unidade 5 operam em alta frequência e conforme explicado na seção 2.4, os mesmos apresentam alta eficiência devido a suas características construtivas e sua alta frequência de operação.

Na Tabela 5, está discriminada a especificação técnica dos referidos transformadores.

Tabela 5 – Dados de placa dos Transformadores de Alta Frequência.

ENTRADA SAÍDA

TENSÃO (V): 480 TENSÃO (kV): 70 / 83

CORRENTE (A): 216 CORRENTE (mA): 2285 / 1930

NÚMERO DE FASES: 3 POTÊNCIA (kW): 160

FREQUÊNCIA (Hz): 60 -

O conjunto do transformador de alta frequência que será instalado neste projeto está demonstrado através de seu layout construtivo apresentado na Figura 29.

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Figura 29 - Layout construtivo do conjunto do transformador de alta frequência.

Fonte: Fornecimento do fabricante.

Analisando os pontos destacados na Figura 29, tem se que: 1 – Tanque de alta tensão;

2 – Painel da unidade de controle;

3 – Porta de acesso para os terminais do disjuntor, fusíveis e retificador trifásico; 4 - Chave manual de operação do disjuntor de entrada;

5 - Conector RJ-45 para conexão com IHM; 6 - Ganchos para elevação;

7 – Dados de placa do equipamento; 8 – Barra de sustentação conectada a terra.

Como forma de comparação, o fabricante do conjunto do transformador disponibiliza uma tabela comparando valores entre os transformadores de alta frequência e os transformadores convencionais, estes valores podem ser analisados na Tabela 6.

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Tabela 6 - Comparação entres Transformadores Retificadores

PARÂMETRO TRANSF. ALTA FREQUÊNCIA TRANSF. CONVENCIONAL SIGNIFICADO Porcentagem de Ripple (kVp-p)

3 - 5 35 - 45 Este parâmetro demonstra a diferença entre o kVdc e o kV de pico. Minimizando esta porcentagem, significa uma alta tensão média e consecutivamente melhor eficiência de coleta. Nº de fases ₃ ₂ _- Fator de Potência _0.9 _0.75 _- Frequência de Operação 25kHz 60Hz - Arc shutdown time (ms)

0.03 8.33 Este é o tempo requerido para que o controle do transformador extingue a potência quando um arco ocorra no interior do precipitador. Um tempo de shutdown mais curto minimiza o tempo de falta e também o tempo de entrega de energia para o precipitador.

Os transformadores citados acima têm o seu controle incorporado dentro de seu painel que é acoplado fisicamente ao transformador, ou seja, todas as placas de controle, medição, relés de acionamento, disjuntores entre outros componentes ficam instalados junto ao transformador no teto do precipitador, diferente do que ocorre no projeto original, onde há um painel de controle em uma sala de controle, conforme explanado na seção 3.3 e o transformador instalado no teto do precipitador.

4.2 DIMENSIONAMENTO DE CABOS

Devido às modificações impostas por este projeto, a configuração de painéis e cabos existente do projeto original será alterada. Assim será previsto a instalação de novos painéis e passagem de novos cabos de alimentação 480V. Nesta seção serão apresentados os cálculos para o dimensionamento dos cabos de alimentação dos novos transformadores.

O dimensionamento dos cabos foi feito embasado na NBR-5410, que é a norma brasileira que estipula condições adequadas para o funcionamento usual e seguro das instalações elétricas de baixa tensão, ou seja, até 1000V em tensão alternada e 1500V em tensão contínua (ABNT, 2004).