DCEEng – DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
O USO EFICIENTE DE ENERGIA COM O APOIO DE GRUPOS GERADORES
RAFAEL HORST
Ijuí - RS 2016
UNIJUÍ - UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DCEEng – DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
O USO EFICIENTE DE ENERGIA COM O APOIO DE GRUPOS GERADORES
RAFAEL HORST
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica do Departamento de Ciências Exatas e Engenharias (DCEEng), da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ), como requisito para obtenção do título Bacharel em Engenheiro Eletricista.
Coordenador da Disciplina: Ms. Mauricio de Campos
Orientador: Ms. Eliseu Kotlinski
Ijuí - RS 2016
O USO EFICIENTE DE ENERGIA COM O APOIO DE GRUPOS GERADORES
RAFAEL HORST
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica do Departamento de Ciências Exatas e Engenharias (DCEEng), da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ), como requisito para obtenção do título Bacharel em Engenheiro Eletricista.
_______________________________________________ Orientador: Ms. Eliseu Kotlinski
BANCA EXAMINADORA
_______________________________________________ Ms. Mario Noronha Agert
Ijuí - RS 2016
AGRADECIMENTOS
Primeira mente agradecer a Deus por estar me oportunizando este momento. Aos meus pais, irmãos e demais familiares pela confiança e apoio ao longo de minha vida ajudando a alcançar meus objetivos. A minha esposa, por me apoiar e incentivar nesta caminhada. Ao meu orientador pelos ensinamentos, paciência, ideias e orientações para meu trabalho de conclusão de curso e pelos conhecimentos a mim instruídos. Aos meus colegas e amigos que participaram de forma direta ou indireta para mais esta conquista em minha vida.
RESUMO
Os avanços tecnológicos mostraram-se de suma importância para nossa sociedade, atualizada e moderna. Aparelhos eletrônicos e eletrodomésticos só existem graças à energia elétrica, a qual é definida como a capacidade de uma corrente elétrica realizar trabalho e a energia mecânica pode ser transformada em energia elétrica através de turbinas e geradores.
Os grupos geradores são usados como fonte alternativa ou principal para atender a necessidade de energia de modo confiável em organizações de todo porte, seja para qualquer aplicação, como por exemplo em hospitais, indústrias, hotéis, dentre outros. Uma das funções que se destaca na elaboração de projetos, em geral, é garantir um suprimento de energia confiável, dessa forma, o grupo gerador é elemento chave em qualquer projeto.
Dessa forma, o presente estudo tem como objetivo demonstrar a importância dos geradores a combustão através da viabilidade do uso perante as tarifas de concessionárias, custos de utilização e sua demanda de energia consumida.
A utilização de geradores na empresa Saur, diariamente, nos horários de ponta, reduz o uso da energia da concessionária, consequentemente reduzindo os custos com a energia elétrica e auxiliando a não sobrecarregar o sistema elétrico de distribuição nacional. A utilização de máquinas geradoras, neste estudo de caso, é possível demonstrar uma análise comparativa das duas fontes de energia, custos e a demanda de consumo de energia que a organização necessita, buscando encontrar a viabilidade dos grupos geradores no caso avaliado.
ABSTRACT
Technological advances proved to be of paramount importance to our society, updated and modern. electronics and appliances exist only thanks to the electricity, which is defined as the ability of an electric current do work and mechanical energy can be transformed into electricity through turbines and generators.
The generators are used as an alternative or main source to meet the energy needs reliably in all sized organizations, or for any application, such as in hospitals, factories, hotels, among others. One of the features that stand out in the development of projects in general, is to ensure a reliable power supply, therefore, the set is a key element in any project.
Thus, this study aims to demonstrate the importance of generating combustion through the feasibility of using before utilities tariffs, usage costs and its consumed energy demand.
The use of generators in Saur company, daily, at peak times, reduces the use of utility power, thereby reducing the cost of electricity and helping to not overload the electrical system of national distribution. The use of rotating machines, in this case study, it is possible to show a comparative analysis of the two sources of energy, cost and power consumption demand that the organization needs, seeking to find the feasibility of generating sets in assessed case.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Oferta e consumo de energia ... 20
Figura 2 – O uso da energia em 2014 ... 20
Figura 3 – Energia ativa x Energia reativa ... 24
Figura 4 – Fator de potência ... 24
Figura 5 - Painel Frontal ST2180 ... 32
Figura 6- Painel Frontal ST2190 ... 32
Figura 7 - Alternador ... 35
Figura 8 – Características e especificações ... 39
Figura 9 – Regulador de tensão ... 41
Figura 10 – Curva de frequência ... 42
Figura 11 – Placa de identificação do motor ... 43
Figura 12 - Especificação do motor ... 43
Figura 13 – Controlador do motor ... 44
Figura 14 - Plano de manutenção SCANIA ... 46
Figura 15 - Plano de manutenção STEMAC ... 47
Figura 16 – Tabela de consumo de combustível ... 48
Figura 17 – Instalação do reservatório de combustível ... 51
Figura 18 – Amortecedor de vibração ... 52
Figura 20 – Vista aérea da fábrica da SAUR Equipamentos S.A... 54
Figura 21 – Diagrama Unifilar ... 58
Figura 22 - Gerador Stemac ... 60
Figura 23 – Sala externa ... 60
Figura 24 – Local dos geradores e subestação ... 61
Figura 25 – Painel de transferência ... 63
Figura 26 – Condutores elétricos ... 64
Figura 27 – Tanque de combustível ... 66
Figura 28 – Dois geradores em paralelo ... 69
Figura 29– Medidor de energia ... 70
Figura 30 – Gráfico de consumo ... 71
Figura 31 – Analisador de Energia Embrasul RE 6000... 72
Figura 32 – Curva de carga - permissionária ... 73
Figura 33 – Curva de carga - gerador ... 74
Figura 34 – Fatura mensal ... 75
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Comportamento do LED CRD ... 33
Tabela 2 - Comportamento do LED CGR ... 33
Tabela 3 - Comportamento do LED GMG ... 33
Tabela 4 - Indicação do Modelo de Op. pelos LEDs AUTO, MANUAL,SEMI e TESTE... 34
Tabela 5 - Comportamento do LED ALARME ... 34
Tabela 6 - Abreviatura da linha ... 36
Tabela 7 - Abreviatura das características de excitação ... 36
Tabela 8 - Abreviatura tipo de refrigeração... 36
Tabela 9 - Abreviatura carcaça IEC ... 36
Tabela 10 - Abreviatura comprimento da carcaça ... 37
Tabela 11 - Abreviatura tensão ... 37
Tabela 12 - Abreviatura aplicação ... 38
Tabela 13 - Abreviatura código adicional ... 38
Tabela 14 - Máquinas no horário de ponta ... 57
Tabela 15 - Horas manutenção preventiva ... 65
Tabela 16 - Plano de manutenção do alternador... 67
Tabela 17 - Gerador GE001... 77
Tabela 18 - Gerador GE004... 79
Tabela 20 - Manutenção preventiva de 250h... 82
Tabela 21 - Manutenção preventiva de 750h... 83
Tabela 22 – Custos de deslocamento ... 83
Tabela 23 -Custo de manutenção interno ... 83
Tabela 24 - Cálculo consumo de combustível 1 ... 85
Tabela 25 - Cálculo de energia gerada1 ... 85
Tabela 26 - Cálculo consumo de combustível 2 ... 86
Tabela 27 - Cálculo de energia gerada 2 ... 86
Tabela 28 - Cálculo consumo de combustível 3 ... 87
Tabela 29 – Cálculo de energia gerada 3 ... 87
Tabela 30 – Cálculo de consumo de combustível 4 ... 88
LISTA DE ABREVIATURAS
kW – Quilowatt W – Watt
kVA – Quilovolt ampere
kVAr – Quilovolt ampere reativo FP – Fator de potencia
kVArh – Quilovolt ampere reativo hora kV – QuiloVolt
ANEEL – Agencia Nacional de energia elétrica RPM – Rotação por minuto
AMF – Automatic Mains Failure CRD – Chave de transferência de rede CGR – Chave de transferência do grupo LED – Diodo emissor de luz
LCD – Visor de cristal liquido f.e.m – força eletro motriz
VPI – Vacuum Presure Impregnation PMG – Permanent Magnets Generator PID – Proporcional Intergral Derivativo mm/s – milímetro por segundo
Hz – Hertz
FN – Frequência nominal mm – milímetro
m – metros
CAC – Central de Atendimento ao Cliente CCD – Central e Centro de Distribuição CNC – Controle Numérico Computadorizado TAG – Identificação de máquina
V – Volts
A – Ampere
QGBT – Quadro Geral de Baixa Tensão IHM – Interface Homem Maquina MVA – Mega Volt Ampere h – hora
kWh – quilo watt hora L - Litros
BEN – Balanço Energético Nacional EPE – Empresa de Pesquisa Energética MME – Ministério de Minas e Energia USCA – Painel de Transferência
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 Objetivos ... 16 1.1.1 Objetivos Gerais ... 16 1.1.2 Objetivos Específicos ... 16 1.2 Justificativa ... 17 2 ENERGIA ELÉTRICA ... 18 3 TARIFAÇÕES ... 23 3.1 Conceitos ... 23 3.2 Classificação Tarifária ... 264 INSTALAÇÃO E PONTOS TÉCNICOS DO GRUPO GERADOR ... 29
4.1 Grupo Gerador a Combustão ... 29
4.2 Sistema de Controle do Gerador ... 31
4.3 Alternador ... 35
4.4 Regulador eletrônico de tensão ... 40
4.5 Motor do Grupo Gerador ... 42
4.6 Instalação do Gerador ... 48 5 ESTUDO DE CASO ... 53 5.1 Empresa Saur ... 53 5.2 Grupos Geradores ... 59 5.3 Medição de Energia ... 70 5.4 Controles adotados ... 76 5.5 Custos e despesas ... 81
5.6 Cálculos ... 83
5.7 Retorno de Investimento ... 89
6 CONCLUSÃO ... 91
REFERÊNCIA ... 93
ANEXOS ... 95
ANEXO I – Máquinas da empresa ... 96
1 INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas o setor energético brasileiro tem apresentado um aumento significativo na questão do consumo de energia elétrica, devido à ampla variedade de tecnologias, tanto industrial quanto residencial. Todos buscam melhorar seu padrão de vida, e para sobrevivência diária torna-se indispensável o uso da energia, pois proporciona serviços essenciais.
Neste contexto, o desenvolvimento tecnológico levou a utilização de máquinas mais sofisticadas para atender a demanda de produção e qualidade do produto nas empresas avançando o setor energético a uma necessidade cada vez maior de gerar e distribuir energia. Estes fatos fizeram os setores responsáveis a tomar medidas e planejamento para equacionar esta situação.
Devido o consumo elevado de energia elétrica, há uma preocupação num possível racionamento de energia conforme já aconteceu no Brasil em anos anteriores. Ainda que existam diversas alternativas de fontes geradoras, faltam incentivos do governo brasileiro implementação de fontes geradoras nas empresas, a fim de que as organizações e residências possam não apenas consumir mas gerar energia também.
A partir da privatização no setor elétrico a legislação autorizou a aplicação de diferentes tipos de faturas. As concessionárias de energias dispõem uma estrutura horo-sazonal, na qual são diferenciadas as atribuições das tarifas de acordo com o consumo de energia e demanda de potência de cada consumidor, e de acordo com os horários do dia e períodos do ano. Os consumidores tiveram que se adaptar a esta estrutura para melhorar a viabilidade econômica nas empresas, pois nesta nova estrutura há a inserção do horário de ponta. Sendo assim, diversas empresas optaram por desligar equipamentos em determinados horários evitando pagar tarifas mais elevadas, outras adotaram o uso de outra fonte de energia para este período.
Levando em consideração a estrutura tarifária é possível verificar a importância da utilização dos grupos geradores de energia a combustão nos horários de ponta. Portanto, neste trabalho será abordada a análise de tarifações, dados e características de gerador a combustão e seus componentes, finalizando com o estudo de caso de uma empresa, no qual será avaliado a viabilidade e comparativo da fonte alternativa gerador a diesel no horário de ponta.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivos Gerais
Demonstrar a importância dos geradores a combustão através da viabilidade do uso perante as tarifas de concessionárias, custos de utilização e sua demanda de energia consumida.
1.1.2 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos deste trabalho são os seguintes:
a) Explanar as tarifas das concessionárias;
b) Apresentar as características e componentes de grupo gerador à combustão;
c) Instalação do grupo gerador e seu plano de manutenção;
d) Demonstrar o estudo de viabilidade da utilização do gerador;
e) Retorno do investimento.
Para alcançar estes objetivos mencionados, inicialmente será explanado sobre as estruturas de tarifas da concessionária de energia. Após descrever sobre as características técnicas e especificações do grupo gerador, será abordada a viabilidade da utilização do mesmo em horário de ponta baseado no acompanhamento de consumo energético. Por fim, são apresentados os resultados à empresa a qual foi aplicado o estudo.
1.2 Justificativa
Atualmente fatores como racionamento de energia e redução de custos fixos são pontos fundamentais para a situação atual do mercado industrial no país. Estudos que apresentam às organizações a real viabilidade da utilização de grupo de gerador de energia na indústria, a partir do conhecimento tarifário das empresas de energia são de grande relevância pois oferecem a possibilidade de reduzir custos à empresa. Sendo assim, esta fonte alternativa de energia possibilita maior lucratividade com a redução de custos na energia, independente do ramo ou atividade em que a organização atua.
2 ENERGIA ELÉTRICA
Quando a questão se refere à energia, ela interfere em todas as atividades sociais e econômicas do país. Nas mais amplas e diversas áreas de produção/distribuição de consumo de bens e serviços é necessário à utilização de energia como resultado de um crescente desenvolvimento material.
Para nossa sobrevivência diária é indispensável o uso de energia, pois proporciona serviços essenciais. Segundo a reportagem, os sustentadores do desenvolvimento de uma nação é quem deveria avaliar a disponibilidade de energia, o seu acesso à população e principalmente o nível de sustentabilidade da geração de energia. As fontes energéticas que são representadas por combustíveis e pelo fornecimento de insumos energéticos são diversas e mal distribuídas pelo nosso país.
O governo deveria promover mais parcerias para estimular o uso de fontes de energias limpas e renováveis com racionalização de seu uso. Nestas parcerias deveriam estimular pesquisas referentes ao desenvolvimento e a difusão de tecnologia saudável. Tal tecnologia e os níveis de preços dos combustíveis fósseis tendem a aumentar à medida que esta fonte de energia esteja esgotando rápido e haja uma carência cada vez maior por outra forma de energia de fluxo continuo. [2]
A energia que provêm de combustíveis como carvão, turfa, energia nuclear, petróleo e gás natural são de fontes de energia não renováveis. Também existem, outras fontes de energia primária e que são renováveis como: vegetais, solar, eólica, hidráulica, esterco, fontes geotermais, além da força humana e animal.
A energia solar e eólica são as mais conhecidas entre a população e as mais utilizadas. O sistema de energia alternativo ainda está em desenvolvimento, mas oferece uma gama de fontes de energia com potencial enorme e sustentável sempre a disposição. Hoje, devido à ineficiência do funcionamento dos equipamentos usados para transformar a energia ocorre uma perda significativa devido a esta problemática.
A partir de 2010 foram realizadas chamadas por parte da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) para estimular o setor privado a investir em projetos inovadores. As fontes escolhidas são eólica, resíduos sólidos e solar. Para garantir a demanda de energia futura do país as apostas são nas fontes alternativas à hidráulica.
A chamada pública realizada pela ANEEL elevou os valores aplicados na área. “A geração recebia apenas 5% do valor total investido em pesquisa e desenvolvimento”, diz Máximo Pompermayer, superintendente de pesquisa e desenvolvimento e eficiência energética da agência. As hidroelétricas também possuem um incentivo para poder investir em inovação, segundo a reportagem. [1] Desde 2010, eles são obrigados a reservar 0,2% da receita operacional líquida a desenvolvimento e pesquisa, já os geradores e transmissores precisam destinar 0,4% da receita.
Quando um projeto é aprovado pela Agência Nacional de Energia Elétrica as empresas podem descontar os custos de execução dessa conta, segundo Eduardo Monteiro, diretor executivo do Instituto Acende Brasil, “As grandes companhias recebem orientação estratégica para trabalhar com esses projetos”. Além disso, a partir deste ano, o percentual mínimo das distribuidoras aumentou para 0,3%. [2]
Atualmente, na administração pública do país, o Ministério de Minas e Energia (MME) é a instituição responsável por criar os princípios básicos e traçar as diretrizes da política energética brasileira. Como subsidio, o MME levanta por meio de seus órgãos e empresas, diversos estudos e análises orientadas para o planejamento do setor energético. Também foi criada em 2004, a Empresa de Pesquisa Energética – EPE vinculada ao MME para fomentar ainda mais o desenvolvimento desta área.
Instituída nos termos da Lei nº 10.847 de 15 de setembro de março de 2004, e do Decreto nº 5.184 de 16 de agosto de 2004, a EPE é uma empresa pública que tem por finalidade prestar serviços na área de estudos e pesquisas destinados a subsidiar o planejamento do setor energético como: energia elétrica, gás natural e seus derivados, petróleo, fontes de energia renováveis, eficiência energética, carvão mineral, dentre outros. Nesta Lei nº 10.847, em um dos seus artigos estabelece a EPE a função de elaborar e publicar o BEN (Balanço Energético Nacional).
O BEN é realizado anualmente e divulga a pesquisa e contabilidade relativas à oferta e consumo de energia no país, contemplando as atividades de extração de recursos energéticos primários, sua conversão em formas secundárias, exportação e importação, a distribuição e o uso final. [3]
Abaixo conforme figura 1, é demonstrada a repartição interna de energia, sendo aproximadamente 40% de energia renovável e pouco mais de 60% não renovável. Destacando o petróleo e a biomassa de cana em relação aos outros tipos de consumo.
Figura 1 – Oferta e consumo de energia
Fonte: Empresa de Pesquisa Energética (2015)
Na figura 2 é possível observar que a produção industrial, transporte de carga e a mobilidade das pessoas correspondem por 65% do consumo de energia. Já a agropecuária utiliza apenas 4,2% e é um dos setores com grande importância para o desenvolvimento do país.
Figura 2 – O uso da energia em 2014
Por ser vasta a utilização de energia nos mais variados setores do país, o desperdício dos brasileiros chega a 15%. Devido ao consumo muito elevado e a pouca oferta de energia há uma elevação significativa no preço. Economizar energia é utilizá-la de forma a obter o máximo beneficio com um menor consumo, evitando o uso inadequado sem diminuir a qualidade, conforto e segurança.
Muitas indústrias e organizações buscam soluções de eficiência energética, para minimizar os desperdícios, adotando ações como: substituições de motores de indução antigos, redimensionamento de motores, instalações de inversores de frequência com controle de carga do motor, substituição de lâmpadas, entre outras.
A empresa Saur demonstra uma preocupação com o sistema elétrico nacional, e investe em alternativas. Adquiriu um sistema de geração de energia fotovoltaica com potência máxima de 30 kW, o projeto total é para 300 kW que será executado em 10 etapas. A primeira já foi executada em novembro de 2015.
Aumentar a produtividade industrial sem aumentar o consumo de energia é um desafio para as empresas. Ainda mais quando se refere às tarifações das concessionárias de energia, que tem alto custo no horário de ponta. Sendo assim, algumas procuram alternativas viáveis para cada situação e desenvolvendo até mesmo mudanças na cultura organizacional.
O Ministro de Minas e Energia, sugeriu as indústrias e ao comércio que diminuam os gastos de energia no horário em que o consumo é maior. Nesse contexto, empresários e indústrias tentam evitar o alto custo da fatura de energia mensal, e adotam alternativas para o funcionamento da empresa no horário de ponta. Na cidade de Mococa (SP), o turno dos funcionários de uma metalúrgica foi alterado, eles trabalhavam das 13h às 22h e agora atuam da 22h às 6h, tudo para evitar o aumento dos gastos com eletricidade. O diretor da empresa Raid Evangelista citou: “Alocamos os funcionários para outro horário de trabalho no qual a energia é mais barata”. [4]
Outra empresa que adotou alternativa no horário de ponta no RS foi a LATIVALE na cidade de Estrela (RS), a empresa empregou dois grupos geradores de 500 kVA, pois o objetivo era reduzir em até 30% os custos com energia elétrica. A empresa Fogões Atlas no PR, localizada na cidade de Pato Branco, buscando diminuir os gastos com energia elétrica durante o horário de ponta e garantir uma fonte alternativa de energia em casos de quedas no sistema, adquiriu 6 Grupos Geradores Cummins à diesel.
Após instalação, e com os Grupos Geradores em pleno funcionamento, a Parnaplast localizada em Araucária-PR, conseguiu junto à concessionária local uma grande redução na tarifa de energia no horário de ponta, o que significou uma economia de 70% por kWh para o uso nesse horário. Com isso, o retorno do investimento feito nos Grupos Geradores Power Generation ficou reduzido para apenas 1 ano. A instalação conta com 2 grupos geradores de 450kVA. [5]
3 TARIFAÇÕES
3.1 Conceitos
Energia Elétrica é a quantidade de potência elétrica (quilowatts - kW) consumida em determinado intervalo de tempo. Para equipamentos elétricos o valor obtido de consumo é devido à potência do equipamento pelo tempo de utilização do mesmo. Já para uma instalação elétrica, residencial, comercial ou industrial, o consumo é a soma da demanda pelo período de utilização.
Em um determinado período de tempo são adquiridas do sistema elétrico potências instaladas na unidade consumidora, a chamada demanda, a qual é a média das potências de consumo em determinado período de tempo especificado. Já a demanda contratada, é a potência ativa que a unidade consumidora contratou da fornecedora de energia, qual deve ser paga durante o período estipulado entre ambas, utilizando ou não durante o período, e a empresa fornecedora de energia tem obrigação de entregar a demanda contratada. A grandeza é expressa em quilowatts (kW).
A fatura de energia elétrica é a nota fiscal que apresenta a relação do que foi consumido de energia durante o período da fatura, especificando consumos, leituras, prestação de serviços públicos e o valor a ser pago pelo consumidor.
Horário de ponta é especificado pelo fornecedor de energia, sendo o período de 3 (três) horas consecutivas exceto sábados, domingos e feriados nacionais. Tem como finalidade não sobrecarregar os sistemas elétricos durante os períodos de consumo mais elevados. Em determinadas modalidades tarifárias, durante estes períodos o preço do quilowatt são mais elevados, para evitar usar nestes períodos ou buscar recursos próprios de fonte geração, evitando sobrecargas no sistema elétrico. Geralmente são horários das 18h ás 21h, ou 17h30min ás 20h30min. E horário fora de ponta são os demais horários, nos quais não corresponde ao horário de ponta durante o dia. [6]
O período com poucas chuvas, período seco, são os meses de maio a novembro, em determinadas modalidades tarifarias nestes períodos apresentam valores mais elevados. No período úmido são os meses de dezembro a abril, que apresentam mais chuvas o valor tarifário nestes períodos é menor.
Potência é a quantidade de energia elétrica adquirida em determinado tempo. É expressa em watts (W), quilowatts (kW) ou megawatt(MW).
De acordo com a ANEEL, as instalações elétricas de consumidores devem apresentar um fator de potência não inferior a 0,92 (capacitivo ou indutivo). Se apresentar um fator de potência inferior, é cobrada a utilização de energia e de demanda de potência reativa na fatura da energia. O fator de potência é uma relação entre a energia ativa e a energia aparente.
Motores, transformadores e outros equipamentos têm como força a energia elétrica, que é utilizada de duas formas distintas, a energia ativa e energia reativa conforme figura 3 abaixo. [7]
Figura 3 – Energia ativa x Energia reativa
Fonte: Copel (2013)
A energia reativa que tem a forma de grandeza kVAr, não realiza trabalho algum, mas é necessária na geração de campo eletromagnético responsável pelo funcionamento de motores e transformadores. Na figura 4 é possível verificar o triângulo do fator de potência.
Figura 4 – Fator de potência
1.1
1.2
S =
1.3 FP= Fator de potência
P= Potência Aparente (kVA) S= Potência Ativa (kW)
Q= Potência Reativa (kVAr) [8]
Então quanto maior for o consumo de energia reativa, para o mesmo consumo de energia ativa, menor será o fator potência, podendo apresentar FP inferior a 0.92 consequentemente pagando multa.
Algumas causas que podem ocasionar valor inferior de FP:
- Transformadores trabalhando com subcarregados, ou com carga de trabalho baixa; - Motores elétricos funcionando com regime de carga baixo;
- Muitos motores elétricos de baixa potência; - Muitas lâmpadas fluorescentes ligadas;
- Capacitores interligados no sistema elétrico, ligados durante o período de baixo consumo da unidade consumidora.
Instalações elétricas com fator de potência baixo, apresentam mau aproveitamento de energia elétrica, pois podem ocasionar aquecimentos em cabos elétricos, queda de tensão, redução do aproveitamento do transformador, entre outros.
Para a correção e melhor aproveitamento do fator de potência em instalações elétricas, devem ser avaliados os motores elétricos instalados, se estão dimensionados de forma correta. Outra alternativa, é instalar banco de capacitores na rede elétrica, para o controle do FP. Instalação elétrica com o fator de controle dentro da faixa estipulada pela ANEEL traz benefícios não somente a empresa fornecedora de energia, mas para o próprio consumidor, pois situações comprometedoras de aquecimentos em cabos elétricos são evitadas, vida útil de seus equipamentos pode aumentar, diminuições de oscilações na tensão da rede, entre outros. [7]
A tarifa é o preço da unidade de energia elétrica ou da demanda de potência ativa (R$/kW). A tarifa binômia é aplicada aos consumidores do grupo A, por constituir de mais de uma tarifa de consumo, sendo consumo de energia elétrica ativa (kWh) e à demanda faturável (kW). Por outro lado, a tarifa monômia é a modalidade aplicada para os consumidores do grupo B, e é constituída por aplicar apenas uma tarifa de consumo, a energia elétrica ativa (kWh). [6]
3.2 Classificação Tarifária
Conforme a ANEEL, diz-se que modalidade tarifária é o conjunto de tarifas aplicáveis de consumo de energia elétrica e demanda de potência ativas. Unidades consumidoras de energia são classificadas em dois grupos. Para as unidades do grupo A são os consumidores cuja tensão é igual ou superior a 2,3 quilo-volt (kV), ou ainda atendidas por sistemas subterrâneos de distribuição em tensão secundária, caracterizada pela tarifa binômia e subdividido em subgrupos:
a) Subgrupo A1 – tensão de fornecimento igual ou superior a 230kV; b) Subgrupo A2 – tensão de fornecimento de 88 kV a 138 kV; c) Subgrupo A3 – tensão de fornecimento de 69 kV;
d) Subgrupo A3a – tensão de fornecimento de 30 kV a 44 kV; e) Subgrupo A4 – tensão de fornecimento 2,3 kV a 25 kV;
f) Subgrupo AS – tensão de fornecimento inferior a 2,3 kV, a partir do sistema subterrâneo de distribuição.
Já para o grupo B são os consumidores com a tensão de fornecimento menor que 2,3 kV, caracterizada pela tarifa monômia e subdividida em subgrupos:
a) Subgrupo B1 – residencial; b) Subgrupo B2 – rural;
c) Subgrupo B3 – demais classes; d) Subgrupo – Iluminação pública.
As unidades consumidoras do grupo B são classificadas na modalidade de tarifa monômia, isto quer dizer, que apenas são cobrados a estas unidades o que consomem de energia, sem qualquer contrato. [9]
Tarifa horária branca
De acordo com ANEEL é aplicada a consumidores do grupo B, exceto para o sub-grupo B4 e para sub-classes de baixa renda do sub-grupo B1, pois são caracterizadas por tarifas diferenciadas, conforme as horas de utilização de energia durante o dia.[10]
Para o grupo A, a classificação tarifária se enquadra em binômia, esta tarifa significa que a unidade consumidora é cobrada pela energia consumida e pelo contrato de demanda contratada. Nesta classificação tarifária o consumidor ainda optar por enquadrar-se em três alternativas, podendo ser elas:
- Tarifação Convencional; - Tarifação Horo-sazonal Verde;
- Tarifação Horo-sazonal azul (compulsória para que consumidores que são atendidos com tensão igual ou superior a 69kV).
Tarifa Convencional
Esta modalidade tarifária é classificada em duas tarifas:
Tarifa Convencional monômia
Consumidores do grupo B podem ser aplicada esta, pois é caracterizada por tarifas de consumo de energia, independentemente a hora de utilização durante o dia.
Tarifa Convencional binômia
Esta estrutura tarifária pode ser aplicada a consumidores do grupo A, sub-grupos A3a, A4 ou AS, somente quando a demanda contratada for menor que 300 kW. Estes consumidores devem ter um contrato com a fornecedora de energia, a qual registra apenas a demanda contratada inferior a 300 kW, tendo consumo independentemente da hora do dia, se é de ponta ou fora de ponta, em período seco ou úmido. [9]
Tarifa Horo-sazonal Verde
De acordo com a Aneel esta modalidade tarifaria é aplicada para unidades consumidoras do grupo A, quais caracteriza por tarifas diferenciadas de consumo de energia, de acordo com a utilização do dia, e assim como uma única tarifa de demanda de potência. São aplicadas obrigatoriamente em consumidores cujo sistema de energia esta interligado com tensão de fornecimento inferior a 69 kV e a demanda contratada seja igual ou superior a 300 kW, tendo o consumidor como opção em optar pela modalidade azul ou verde. Para a tarifa verde considera-se a seguinte estrutura tarifária: [11]
a)Para a demanda de potência ( kW ) um único preço; b)Para o consumo de energia ( kWh ):
- uma tarifa para horário de ponta em período úmido (PU); - uma tarifa para horário fora de ponta em período úmido (FU); - uma tarifa para horário de ponta em período seco (PS);
Tarifa Horo-sazonal Azul
Esta modalidade tarifária tem como característica a aplicação às unidades consumidoras do grupo A, de tarifas diferenciadas de consumo de energia e de demanda, conforme as horas de utilização do dia e os períodos do ano. Para consumidores cuja interligação do sistema elétrico esta sob fornecimento de tensão igual ou superior a 69kV, é obrigatório a classificação na modalidade tarifária azul. A modalidade azul aplicada considera a seguinte estrutura: [11]
a) Para a demanda de potência (kW): - uma tarifa para horário de ponta (P); -uma tarifa para horário fora de ponta (F).
b) Para o consumo de energia (kWh):
- uma tarifa para horário de ponta em período úmido (PU); - uma tarifa para horário fora de ponta em período úmido (FU); - uma tarifa para horário de ponta em período seco (PS);
4 INSTALAÇÃO E PONTOS TÉCNICOS DO GRUPO GERADOR
4.1 Grupo Gerador a Combustão
Grupo gerador é uma máquina que converte energia mecânica em energia elétrica, e podem ser utilizados para diversos fins, dependendo de cada situação. São chamados de grupo gerador por depender de um conjunto de equipamentos para o funcionamento, sendo eles, motor, alternador (gerador), regulador de tensão, painel de comando, formando então o grupo.
O motor gira a uma rotação por minuto (RPM) programada pelo seu controle de comando, qual o eixo está conectado através de acoplamento ao alternador, que rotaciona o eixo do alternador transformando em energia o campo girante, esta energia deve ser controlada e ajustada pelo componente regulador de tensão, qual monitora integralmente esta. A energia gerada é conectada através de cabos até o painel do grupo.
Devido o regime de trabalho dos grupos geradores de energia deve ser verificada a classificação em que se vá utilizar o grupo, pois a especificação é o que apresentara melhor desempenho e vida útil da máquina de acordo com aplicabilidade de uso. A importância da classificação esta em saber se utilizara a máquina para apenas em situações de emergências, rotinas diárias, como horário de ponta, geração 24 horas entre outras aplicações. Grupos geradores devem ter uma carga mínima para operação para atender a demanda, para que não haja desperdício de combustível e não eleve a temperatura do motor causando danos.
A classificação em energia Stand by é para aplicações de emergência, na qual se utiliza para situações e momentos de interrupções de energia. É uma fonte de energia reserva utilizada com segurança e confiabilidade, que pode ser acionada em tempo programado nos primeiros 10segundos detectados após a falta.
Para esta aplicação é o tempo de uso qual esteja classificado com um fator médio de consumo de 80% de utilização com a fonte usual e no máximo de 200 horas por ano, ou por um período máximo de 25 horas com consumo de demanda correspondente a 100% da energia Stand by. Se houver grande possibilidade de exceder o tempo de operação, deve-se aplicar a classificação “Prime”. [12]
Para esta aplicação o fabricante Stemac apresenta da seguinte maneira “os grupos geradores são programados para operar durante a falta de energia da rede comercial, admitindo cargas variáveis por um período de até 300 horas por ano, desde que respeitados os intervalos de manutenção dos equipamentos”. [13]
São utilizados na maioria das vezes em locais onde se rege uma obrigatoriedade para atender requisitos de normas de edifícios ou locais que possa a comprometer alguma situação na falta de energia, como por exemplo, algum risco de saúde, de vida, perda de informações em centrais de processamentos de dados, elevadores, ou que cause inconveniências e desconfortos, entre outros. [8] O tipo de classificação Stand by não é permite alguma operação que sustenta a interligação em paralelo com alguma outra fonte usual de energia. [14]
A classificação de Energia Prime é para aplicações, na qual o fornecimento de energia usual da distribuidora é substituído pelo grupo gerador.
Visando que esta aplicação à utilização quanto ao número de horas de operação permitido por ano é ilimitado para cargas de consumo variável, e limitado para consumo de cargas constante. Esta classificação deve ser utilizada em instalações em que o tempo de uso ultrapasse às 200 horas por ano de consumo com carga variável, ou 25 horas por ano a 100% da classificação.
Para esta situação de aplicação fica disponível a quantidade de horas em operação anual em cargas variáveis. Já para fontes que utilizam a operação de interligação paralela, esta sujeita à limitação de tempo de funcionamento. Então os geradores que operam juntos com a fonte de energia usual, ficam limitados por até 750 horas por ano, sendo que não exceda valores da classificação. O percentual de 10% de capacidade de sobrecarga disponibiliza no caso um período de 1 hora dentro de um período de 12 horas de operação, mas não é permitido exceder 25 horas por ano. Se houver a necessidade de aplicação para exceder às 750 horas de operação por ano deve-se buscar outra classificação no caso a de Energia de carga Básica. [12]
O fabricante Stemac apresenta esta classificação da seguinte forma “A utilização de grupos geradores no horário de ponta, intervalo entre 17h e 22h, comprovadamente, gera uma economia de até 35% nos custos de energia. Nesta modalidade de operação são admitidas cargas variáveis por um período de até 1000horas ano, desde que respeitados os intervalos de manutenção do equipamento. [13]
Aplica-se a classificação de energia carga básica ou energia contínua para fontes geradoras que o fornecimento contínuo para a uma carga é de até 100% da classificação básica, não havendo limite de hora por ano. Também não apresenta nenhum percentual de capacidade de sobrecarga sustentada disponível para esta classificação. Para esta aplicação se utiliza a interligação em paralelo com a fonte usual de energia, colocando sob carga constante durante grandes períodos de tempo. [14]
4.2 Sistema de Controle do Gerador
O controle dos geradores é executado por um equipamento chamado controlador, qual monitora e define a execução de tarefas de controle e proteção dos equipamentos que comportam o grupo gerador. É o controlador que define e sincroniza, por exemplo, o paralelismo do painel de transferência da carga, colocando a rede de energia de uma concessionária em paralelo com a geração de energia de um gerador síncrono.
Cada fabricante de gerador define o controlador a se usar no projeto de um grupo de geração. O fabricante Stemac utiliza controladores ST 2140, ST 2160, ST 2180, ST 2190, para os integrantes da Série OEM-S, os quais constituem uma solução dedicada e completa para o controle e proteção dos grupos projetados, atendendo em aplicações do tipo singelos e paralelos, que utilizam uma tecnologia avançada em processamento e instrumentação, oportunizando grande margem de integração de funções, simplificadas e com menos componentes externos para auxilio de informações, como por exemplo, para o sistema de medição que dispensa medidores externos dedicados para a coleta de informação, pois o controlador comporta este sistema.
Já para o modelo de grupo gerador Bloger este utiliza outro modelo, o controlador AMF (Automatic Mains Failure), que proporciona também o controle para sistema de paralelismo e sincronismo entre grupos geradores e é responsável pelo monitoramento e execução das tarefas necessárias. [15]
Na figura 5 a seguir, é mostrado o painel frontal do controlador ST2180.
Figura 5 - Painel Frontal ST2180
Fonte: Manual Stemac (2013)
Nesta outra figura 6, é mostrado o painel frontal do controlador ST2190 que fica junto ao painel de transferência.
Figura 6- Painel Frontal ST2190
Identificação e Descrição dos LEDs são apresentadas abaixo nas tabelas 1,2,3,4 e 5:
LED “CRD” (1) – Chave de Transferência de Rede.
Tabela 1. Comportamento do LED CRD
LED CRD Estado Descrição
Ligado Desligado
Fechada A chave de transferência de rede está fechada Aberta A chave de transferência de rede está aberta
Fonte: (Elaborado pelo autor, 2016)
LED “CGR” (2) – Chave de Transferência de Grupo.
Tabela 2. Comportamento do LED CGR
LED CGR Estado Descrição
Ligado Desligado
Fechada A chave de transferência de grupo está fechada Aberta A chave de transferência de grupo está aberta
Fonte: (Elaborado pelo autor, 2016)
LED “GMG” (3) – Estado do Grupo Motor-Gerador.
Tabela 3. Comportamento do LED GMG
LED GMG Estado Descrição
Desligado Parado O GMG está parado Piscando
Ligado
Partindo O GMG está partindo e a supervisão está inativa Funcionando O GMG está em funcionamento e a supervisão está
ativa
Fonte: (Elaborado pelo autor, 2016).
LED “MANUAL” (4) – Modo de Operação Manual LED “AUTO” (5) – Modo de Operação Automático LED “SEMI” (17) – Modo de Operação Semi-Automático LED “TESTE” (19) – Modo de Operação Teste
Os LEDs “MANUAL”, “AUTO”, “SEMI” e “TESTE”, indicação do modo de operação do controlador.
Tabela 4. Indicação do Modo de Operação pelos LEDs AUTO, MANUAL, SEMI e TESTE
LED AUTO LED MANUAL LED TESTE LED SEMI Modo
Ligado Desligado Desligado Desligado Automático
Desligado Ligado Desligado Desligado Manual
Desligado Desligado Ligado Desligado Teste
Desligado Piscando Desligado Desligado Remoto
Piscando Desligado Desligado Desligado Partida remota carga
Desligado Desligado Desligado Ligado Semi-automático
Fonte: (Elaborado pelo autor, 2016).
LED “ALARME” (16) – Indicação de Alarme.
Tabela 5. Comportamento do LED ALARME
LED ALARME Descrição
Desligado Não há alarmes ativos
Piscando Há alarmes ativos, e estes não foram reconhecidos Ligado Há alarmes ativos, e estes já foram reconhecidos
Fonte: (Elaborado pelo autor, 2016).
BARRA DE LEDs (21) – Indica a medição de frequência elétrica do Grupo Moto-Gerador.
Identificação das Teclas
As teclas no painel frontal podem ser divididas em dois grupos: Teclas de Operação e Teclas de Navegação.
Teclas de Operação
São usadas para comandar ações manualmente e para alternar entre os modos de operação. • TECLA “ABRIR / FECHAR” – CRD (6)
• TECLA “ABRIR / FECHAR” – CGR (7) • TECLA “PARTIR / PARAR” – GMG (8)
• TECLA “AUTO” - Modo de Operação Automático (9) • TECLA “MANUAL” - Modo de Operação Manual (10) • TECLA “SEMI” – Modo de Operação Semi-Automático (18) • TECLA “TESTE” – Modo de Operação Teste (20)
Teclas de Navegação
São usadas para navegar nos menus visualizáveis no visor. • TECLA “UP” (11)
• TECLA “DOWN” (12) • TECLA “MENU” (13) • TECLA “ESC” (14)
O Visor de Cristal Líquido (LCD)(15) possui 20 colunas e 2 linhas de formato alfanumérico. No visor são mostradas as telas de medição e configuração. É a principal forma de o controlador passar informações sobre o seu funcionamento para o operador. [16]
4.3 Alternador
Os alternadores síncronos para grupos geradores foram desenvolvidos para utilização em geração de energia elétrica nas mais variadas aplicações. Podendo ser utilizados em aplicações mais simples, como em interligações no acionamento de força de tratores nas propriedades rurais, ou até mesmo mais complexas em situações de acionamentos em paralelo, com sistemas de transferência em rampa, aplicações remotas em navios. Para os alternadores síncronos WEG, figura 7, apresenta desempenho que superam as expectativas citadas nas configurações acima.
Figura 7 - Alternador
Fonte: WEG (2010)
O gerador foi inventado em 1831 por Michael Faraday na Inglaterra, e nos Estados Unidos por Joseph Henry, mais ou menos na mesma época. O gerador desenvolvido consistia basicamente de um ímã que se movimentava dentro de uma espira, provocando o surgimento de uma força eletromotriz (fem) registrado num galvanômetro.
Máquinas geradoras síncronas são projetadas para transformar energia mecânica em energia elétrica. Ou seja, toda energia consumida nas indústrias, residências, cidades, entre outras, são proveniente de geradores. [17]
Nomenclatura
Nas tabelas a seguir é apresentada a especificação de cada nomenclatura de modelo de gerador. A tabela 6 apresenta abreviatura da linha representada pela letra G.
Tabela 6. Abreviatura da linha
G T A 16 1 A I SR Linha
G Gerador Síncrono – Linha G Plus
Fonte: WEG (2010)
A segunda letra da nomenclatura identifica a característica de excitação do gerador, demonstrado na tabela7.
Tabela 7. Abreviatura das características de excitação G T A 16 1 A I SR
Caracteristicas de excitação
T Gerador brushless com bobina auxiliar
P Gerador brushless com excitatriz auxiliar
S Gerador brushless sem bobina auxiliar e sem excitatriz auxiliar
M Gerador brushless com rotor principal de ímãs permanentes Fonte: WEG (2010)
O tipo de refrigeração também é classificado na nomenclatura de identificação do gerador, que é representado pela terceira letra, a tabela 8 explica os tipos.
Tabela 8. Abreviatura tipo de refrigeração G T A 16 1 A I SR
Tipo de refrigeração A Aberto auto ventilado
F Fechado com trocador de calor ar-ar
W Fechado com trocador de calor ar-água
K Totalmente fechado e com aletas na carcaça Fonte: WEG (2010)
Em forma numeral é representado o modelo de carcaça do mesmo, tabela 9.
Tabela 9. Abreviatura carcaça IEC G T A 16 1 A I SR
Carcaça IEC
16 Carcaça 160 a 560
O comprimento da carcaça do gerador é classificado na nomenclatura, na tabela 10 verifica-se a classificação.
Tabela 10. Abreviatura comprimento da carcaça G T A 16 1 A I SR Comprimento da carcaça 1 Carcaça curta 2 Carcaça média 3 Carcaça longa Fonte: WEG (2010)
A tabela 11 apresenta a nomenclatura da tensão de geração do gerador, frequências e números de cabos de ligação.
Tabela 11. Abreviatura tensão G T A 16 1 A I SR Tensão A Trifásico – 12 cabos 480/240V – 440/220V – 380/190V – 208V (60Hz) 400/200V – 380V/220/190V (50Hz) B Trifásico – 6 cabos 220V/60Hz – 190V/59Hz C Trifásico – 6 cabos 380V/60Hz D Trifásico – 6 cabos 440V/60Hz – 380V/50Hz E Trifásico – 6 cabos 480V/60Hz– 400V/50Hz F Trifásico – 6 cabos 600V/60Hz – 575V/60Hz G Trifásico – 6 cabos 208V/60Hz H Trifásico – 6 cabos 414V/50Hz I Trifásico – 6 cabos 2300V/60Hz J Trifásico – 6 cabos 4160V/60Hz K Trifásico – 6 cabos 6600V/60Hz L Trifásico – 6 cabos 13800V/60Hz M Trifásico – 6 cabos 3300V/50Hz N Trifásico – 6 cabos 6000V/50Hz O Trifásico – 6 cabos 11000V/50Hz Z Tensão especial Fonte: WEG (2010)
O tipo de aplicação do gerador deve ser classificado, na tabela 12 representa a abreviatura de cada aplicação.
Tabela 12. Abreviatura aplicação G T A 16 1 A I SR Aplicação I Industrial M Marinizado T Telecomunicações N Especial Fonte: WEG (2010)
A última nomenclatura da especificação do gerador representa o código adicional, o qual é relativo à potência, conforme tabela 13.
Tabela 13. Abreviatura código adicional G T A 16 1 A I SR
Código Adicional
Código relativo a potência do gerador
Fonte: WEG (2010)
Para o funcionamento de um gerador de energia é necessário uma série de unidades funcionais. Na figura 8 é apresentada a vista detalhada do gerador com as peças específicas, e identificadas na legenda ao lado direito da figura.
Figura 8 – Características e especificações
Fonte: WEG (2010)
As carcaças das máquinas do gerador WEG são fabricadas de duas formas, para a linha G são em chapas de aço calandradas, em formato tubular, e para a linha S são fabricadas em chapas de aços soldadas. Para os dois modelos que recebem solda, são encaminhadas para um tratamento de normalização para alívio de tensões. O pacote de chapas do estator junto com o enrolamento é colocado sobre as nervuras da carcaça para a linha S, e para a linha G são prensados. Para geradores fabricados em baixa tensão são utilizados fios circulares, já para geradores em média tensão é utilizado fios retangulares. São fixadas as bobinas ás ranhuras por cunhas de fechamento, usando material isolante. Por gotejamento são impregnadas as máquinas de baixa tensão da linha G e para a linha S por imersão, já para as de alta tensão são impregnadas pelo sistema VPI (Vacuum Pressure Impregnation).
Conforme o fabricante WEG, o rotor acomoda o enrolamento de campo, cujos polos são formados por pacotes de chapas. Uma gaiola de amortecimento também é montada no rotor para a compensação nos serviços e variações de carga. [17]
Excitatriz principal é o gerador trifásico de polos salientes. Para os geradores da linha G o seu estator é fixado na tampa traseira do gerador e dentro dele, já para os modelos da linha S o estator é fixado na tampa traseira ou na base, porém ele é posicionado fora da máquina.
Polos salientes acomodam as bobinas de campo, quais são ligadas em série e sua extremidade é conectada ao regulador de tensão para modelos da linha G, ou através de bornes na caixa de ligação da excitatriz, para modelos da linha S.
Sobre o eixo da máquina é montado o rotor da excitatriz. O rotor é laminado e possui ranhuras as quais recebem um enrolamento trifásico ligado em estrela. De cada ponto da ligação estrela saem dois fios que vão para os retificadores girantes. Um dos fios é ligado ao retificador sobre o suporte positivo, e o outro fio sobre o suporte negativo.
A excitatriz auxiliar pode ser chamada também de PMG (Permanent Magnets Generator) que é um gerador trifásico com rotor constituído por imãs. Para a linha G a excitatriz auxiliar somente é fornecida opcionalmente (sob pedido). Na linha S somente é utilizada ou não dependendo do cliente e especificação, na maioria fixada na tampa ou na base, de acordo com o projeto.
Para o padrão na linha G o enrolamento auxiliar é um conjunto auxiliar de bobinas, monofásico, que fica impregnada em algumas ranhuras do estator principal. Tem como função fornecer a potência para o regulador de tensão alimentar o campo da excitatriz. [17]
4.4 Regulador eletrônico de tensão
Faz parte do grupo gerador síncrono o regulador de tensão do alternador de geração, qual tem a função de regular a tensão de saída gerada. Em alguns modelos de geradores Stemac são utilizados os reguladores eletrônicos analógicos da série GRT7, pois estes apresentam alta confiabilidade, além de ser compacto e ter um baixo custo. A figura 9 apresenta um modelo de regulador de tensão.
O modelo GRT7 fabricado pela WEG não compõem de componentes mecânicos, utiliza semicondutores e circuitos integrados, e o sistema é totalmente encapsulado em resina epóxi, apto para suportar vibrações de até 50 mm/s, o que atende tranquilamente as vibrações do grupo gerador. Os ajustes de tensão podem ser realizados tanto internamente através de trimpot ou externamente por potenciômetro, sendo possível uma faixa de ajuste de tensão para o gerador em +/- 15% da tensão nominal.
Para este modelo de regulador é ajustado o ganho proporcional e o ganho integral através de trimpots interligados no sistema de controle PID (Proporcional Integral Derivativo) permitindo ajuste e operação com demais tipos de geradores. O regulador também conta com a proteção contra subfrequência, e possui ajuste para esta proteção, sendo que a frequência nominal configurada é de 50 ou 60 Hz.
Figura 9 – Regulador de tensão
Fonte: WEG (2010)
Na operação o regulador de tensão faz o comparativo do valor real da tensão gerada com o valor teórico ajustado no controle, encontrando o erro, o sistema é processado pela malha de realimentação, determinando o ângulo de disparo para ajuste, podendo variar de 0 a 180°, fazendo então o controle da tensão de saída do gerador. [18]
Na operação potência conexão do circuito a tensão proveniente do gerador ou com o auxilio de bobina, é conectada ao regulador. Após a mesma ser retificada é aplicada ao campo da excitatriz do gerador de forma controlada.
Escorvamento é quando a energia gerada atingir os primeiros 10% da nominal, o regulador controla a tensão permitindo que suba em rampa até atingir a tensão nominal em aproximadamente 3s. Após isto o sistema de controle PID monitora a tensão de saída do gerador fazendo o controle dentro da faixa ajustada.
Na operação U/F o que determina é a frequência configurada, tendo um trimpot para ajuste ao modo necessário. Então para a frequência de 60Hz utiliza-se um jumper (contato fechado) em
determinado borne do controlador, e para frequência de 50 Hz não utiliza-se o jumper (contato aberto).
O elemento trimpot permite o ajuste do ponto de atuação do modo U/F, que permite variar desde a frequência nominal (Fn) até 1/3 da Fn. O fabricante entrega ajustado este modo em 10% abaixo da Fn. No caso, de operação em 60Hz, esta ajustado para 54Hz e para 50Hz, esta ajustado em 45Hz. Mas pode ser ajustado conforme a cada situação, a figura 10 apresenta as curvas de frequência. [18]
Figura 10 – Curva de frequência
Fonte: WEG (2010)
4.5 Motor do Grupo Gerador
Motores Scania foram desenvolvidos também para atender a linha industrial, não apenas na área ferroviária de transportes como caminhões, ônibus, entre outros. Sendo assim, o fabricante buscou desenvolver projetos na área industrial, e atualmente se faz presente em diversos modelos e máquinas, sendo uma delas os grupos geradores de energia.
Os motores industriais para geradores podem ser dos seguintes modelos: Scania DC 12, DI 12, DC 13. São estes modelos de motores com injeção direta, 6 cilindros em linha, refrigerado a água, quatro tempos. Geralmente são equipados com turbocompressor e intercambiador de calor. Para cada modelo de gerador os ajustes de potência e do regime de rotação são ajustados de acordo.
Para todo e qualquer modelo de motor os fabricantes sempre devem estar progredindo para a redução do nível de emissões de impurezas no meio ambiente, a fim de evitar danos ambientais. Pois, os motores compõem diversos componentes que podem gerar riscos, tais como: o óleo motor, combustível, líquido de arrefecimento, filtros, baterias entre outros.
A especificação do motor com o número de série, esta fixada no lado direito do motor em uma plaqueta, na figura 11 podemos visualizar a plaqueta. Já na figura 12 podemos verificar a classificação do modelo de motor de acordo com o respectivo modelo.
Figura 11 – Placa de identificação do motor
Fonte: SCANIA (2001)
Figura 12 - Especificação do motor
Para o motor ter um perfeito funcionamento de torque, rotação, controle de combustível, ele precisa de um sistema de controle, o qual monitore e comande determinados componentes do motor. Sendo o fabricante Scania conta com alguns modelos de controle, que pode deve ser compatível para cada modelo de motor, no caso de motores DI 12 e DC 12 o modelo utilizado é o controlador DEC 2 (Controle Digital do Motor, geração 2) e para motores DC 13 é utilizado o controlador EMS (Sistema de Controle do Motor), basicamente os dois tem a mesma função, mas cada um para seu modelo de motor. A figura 13 apresenta o controlador DEC 2 da Scania.
Figura 13 – Controlador do motor
Fonte: SCANIA (2001)
Os controladores DEC 2 e EMS contam com alguns componentes para auxiliar nas informações de controle, sendo eles:
- sensor de rotação do motor;
- sensor de temperatura do ar de admissão; - sensor de pressão de ar de admissão;
- sensor de temperatura do líquido de arrefecimento; - sensor de pressão do óleo;
Com as informações destes componentes citados acima os controladores conseguem processar e calcular a quantidade correta de combustível que é necessário para o perfeito funcionamento em cada situação de operação do motor. Componente principal e responsável pelo ajuste de combustível do motor é a bomba injetora, logo o ajuste e controle da mesma se faz de responsabilidade do controlador.
O sistema de controle do motor também é um dos componentes de supervisão do motor, pois anomalias que possam comprometer o funcionamento do motor, podem ser detectadas gerando alarmes no painel de controle do grupo ou até mesmo desligando o motor. Um exemplo pode ser o excesso de temperatura do motor, que se passar da margem de segurança o controlador DEC 2 ou EMS detecta e envia a informação ao controle do grupo gerador, que se continuar a subir, o controlador desliga o motor, cortando o sistema de combustível da máquina. [19] Como qualquer motor necessita de manutenção preventiva, estes tem necessidade de acompanhamento em determinados períodos, para evitar problemas ou solucionar o mais precocemente.
Para grupos geradores de emergência e similares, os quais não são utilizados regularmente, o fabricante recomenda que sejam colocados em funcionamento para efeitos de testes e verificação, ligando o motor até que o mesmo atinja a temperatura normal de funcionamento, após desligue e verifique os seguintes itens:
- Nível de óleo;
- Nível do líquido de arrefecimento; - Do indicador de restrição;
- Nível de combustível;
- Nível do eletrólito nas baterias; - Estado da carga nas baterias;
- Visual quanto a vazamentos e reparando-os se necessários;
Segue na figura 14 o plano de manutenção preventiva qual o fabricante Scania recomenda para os motores DC 12, DI 12 e DC 13. [19]
Figura 14 - Plano de manutenção SCANIA
Fonte: SCANIA (2001)
Já o fabricante de grupos geradores Stemac recomenda o seguinte plano de manutenção preventiva para o motor do grupo conforme figura 15.
Figura 15 - Plano de manutenção STEMAC
Fonte: STEMAC (2013)
É possível verificar que alguns itens como troca de óleo, filtro de óleo, limpeza do filtro centrífugo o fabricante do motor recomenda em um período maior para a troca, mas deixa claro que se houver necessidade deve ser realizada o mais rápido possível, e por procedimento o fabricante do grupo de geradores recomenda os mesmos itens, a ser realizada a manutenção em um tempo menor, no caso de 250 horas conforme figura 15.
Procedimento e cuidados de como deve ser executada a troca, verificação e limpeza dos itens acima, estão no manual do equipamento, podendo ser avaliado pelo manual do fabricante do
motor ou pelo manual do fabricante do gerador. Especificação do óleo a ser utilizado, modelo de filtros, proporção da mistura do líquido de arrefecimento também são apresentados nos manuais. [18]
O consumo de combustível para motores de geradores industriais é de extrema importância, pois é necessário saber qual o consumo para determinado trabalho que a máquina produz, verificando assim a real viabilidade de funcionamento.
Motores Scania do modelo DC 13072A 02-12 consomem 13 litros de óleo diesel por hora, para seu funcionamento a vazio podendo gerar 10% da sua capacidade com este consumo. O motor forçando mais, ou seja, produzindo mais geração de energia começa alterar o seu consumo de combustível proporcionalmente a geração produzida. Na figura 16 abaixo, é possível verificar a tabela do fabricante Stemac, informando o consumo a 100% da carga nominal de trabalho do motor. [21]
Figura 16 – Tabela de consumo de combustível
Fonte: STEMAC (2013)
4.6 Instalação do Gerador
A instalação de grupo gerador industrial deve ser seguida um padrão mínimo de condições do local a ser instalada, sendo assim como todo fabricante deve orientar e esclarecer os pontos a serem seguidos ao cliente consumidor, para a instalação dos equipamentos. Para cada modelo de máquina, ou porte de máquina preconizam-se cuidados a serem avaliados para a execução de instalação. A instalação de geradores é de responsabilidade do cliente, dessa forma, devem ser seguidas rigorosamente as orientações do fabricante, pois ao finalizar a instalação é solicitada ao
fabricante a entrega técnica do equipamento, colocando a máquina a funcionar, mas se o técnico avaliar que alguma condição não atende os requisitos solicitados e que possa vir a comprometer o funcionamento, o mesmo pode não liberar a entrega técnica do equipamento, até a correção necessária. A entrega técnica está interligada aos termos de garantia do equipamento. [18]
É de responsabilidade do cliente que adquiriu o grupo gerador, em fazer uma analise do solo, no local em que será instalada a máquina, podendo ser realizado por uma empresa de engenharia civil. Deve avaliar se o solo é compacto ou necessite de alguma manutenção. As fundações podem ser feitas por estacas, vigas normais, “radier”, o projeto fica de responsabilidade do cliente.
O piso deve ser seguido o layout apresentado pelo fabricante no manual, em concreto sendo definidas as amarrações, do tipo concreto armado ou não, por uma empresa de engenharia civil. O piso deve suportar esforços estáticos, esforços dinâmicos causados pelo grupo gerador. A área estruturada do piso deverá ser maior que a base estrutural do gerador em todas as extremidades, no minimo150 mm. Situação de tubulações, canaletas, devem ser avaliada antes da execução do piso. Em instalações de grupos geradores sobre lajes, fica sobre responsabilidade da empresa civil a avaliação de sustentação e se esta atende o projeto de instalação. O piso no qual a máquina será instalada deve estar nivelado, para que não comprometa a instalação ou o equipamento.
Para a contenção de líquidos contaminantes ao meio ambiente, é obrigatório a utilização de bacias de contenções de acordo com o tamanho de reservatório do gerador, então deve ser executada por empresa de engenharia civil o dimensionamento e execução de bacias, nas quais possa ser realizada a separação de água e óleo. Nas salas com sistemas de atenuações é obrigatório uso de lajes de cobertura, que devem estar dimensionadas para receber o esforço para sustentar o escapamento e silencioso do motor gerador.
No projeto civil deve ser previsto a abertura para instalação de atenuadores do sistema de aspiração e exaustão, conforme previsto no manual da máquina, respeitando uma folga para instalação de 50 mm maiores que as dimensões previstas. Depois de colocados os atenuadores deve ser realizado o acabamento de alvenaria, preenchendo os vãos abertos. [18]
Os cabos elétricos devem ser acondicionados sobre leitos, ou eletrocalhas, ou canaletas no piso com tampas, ou ainda em eletrodutos de PVC ou metálicos. A interligação de força deve ser respeitada a norma NBR 5410 (Norma Brasileira) de 2004, não sendo permitida a utilização de
terminais tipo sapata, o cabo neutro de cada gerador deve ser interligado até a barra de neutro do painel de transferência, o dimensionamento de cabos deve seguir o projeto especificado.
Interligações de cabos de comando devem seguir o projeto, e serem acondicionados em eletrodutos metálicos flexíveis. Nos chicotes de cabos deve conter cabo reserva, e os cabos de comunicação manter o projeto de específico (CAN, fibra óptica, RS 232, RS485, Ethernet).
Para a malha de aterramento, deve ser atendida uma impedância máxima de 10 ohms para instalação do equipamento. As interligações de aterramentos devem ser todas em cobre nu, eletrocalhas, cabos blindados, leitos e eletrodutos metálicos devem ter suas blindagens aterradas nas ambas às extremidades garantindo o aterramento.
Nos sistemas de baixa tensão deve ser instalada uma barra de cobre junto ao grupo gerador sendo conectado ao aterramento disponibilizado. As carcaças dos ventiladores, carcaças de painéis elétricos, tanques metálicos devem ser aterrados na barra de terra. As barras de terra do painel da USCA, com a barra de terra da sala do gerador devem ser interligadas. O neutro de cada grupo gerador deve estar conectado a barra de neutro do QTA ou da USCA.
A interligação de força em média tensão deve ser conforme a NBR 14039, e o cabo de neutro de cada grupo gerador deve ser conectado a barra terra, através de cabos de força para o neutro.
Nas redes elétricas industriais é comum a utilização de bancos de capacitores nos circuitos de cargas para correção do fator de potência, visto que concessionárias de energia aplicam multas tarifarias para fatores de potência inferiores a 0,92. Tendo este uso de capacitores, deve se ter cuidado ao colocar o grupo gerador para assumir a carga da rede, para que em primeiro instante não venha atender somente os capacitores, pois pode ocasionar sobre-excitação no gerador interferindo a regulagem de tensão do grupo.
O fabricante solicita que seja adequado um sistema de para-raios de baixa tensão e supressores de surto (varistores) na entrada de rede da chave de transferência, caso a região no qual é instalado o equipamento gerador é muito propicia de distúrbios atmosféricos, pois pode ocasionar danos a componentes eletrônicos. [18]
Em sala para geradores, na qual o espaço é muito pequeno ou o pé direito muito baixo, há muita dissipação de calor e pouca ventilação, indica-se o uso de isolamento térmico sobre o escapamento, revestindo com manta de lã de rocha com arame, e acabamento em alumínio liso.
