27.9.15

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26.9.15

Dispositivos de Aquecimento Standby para Grupos Geradores - Instalação do Aquecedor na Jaqueta de Água - Note a Válvula de Isolamento do Aquecedor - Tipo e o Percurso da Mangueira - Aquecedores do Líquido de Arrefecimento - Nota sobre o Código Americano - Nota sobre o Código Canadense - Se a área em torno do grupo gerador não for mantido nesta temperatura, deverão ser considerados - Aquecedores de Óleo e de Combustível - Aquecedores Anti-condensação - Nota sobre o Código Americano - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins


Dispositivos de Aquecimento Standby para Grupos Geradores

Partida a Frio e Aceitação de Carga: Uma consideração crítica do projetista do sistema é o tempo que o sistema de energia de emergência ou standby leva para detectar uma falha de energia, dar a partida no grupo gerador e transferir a carga. Algumas normas e padrões para sistemas de energia de emergência estabelecem que o grupo gerador deve ser capaz de alimentar todas as cargas de emergência  em até 10 segundos após a falha de energia. Alguns fabricantes de grupos geradores limitam a classificação do desempenho de partida a frio a uma porcentagem da classificação standby do grupo gerador. Esta prática reconhece que em muitas aplicações, apenas uma parte da carga total conectável é a carga de emergência (as cargas não críticas podem ser conectadas posteriormente), e que é difícil dar a partida e atingir a aceitação de carga total com grupos geradores a diesel.

Os critérios de projeto para partida a frio e aceitação de carga da Cummins Power Generation são que o grupo gerador seja capaz de dar partida e alimentar todas as cargas de emergência até a classificação de standby em até 10 segundos após a falha de energia. Este nível de desempenho presume que o grupo gerador esteja em um local com temperatura ambiente mínima de 4º C (40º F) e que esteja equipado com aquecedores do líquido de arrefecimento. Isto deve ser conseguido instalando-se o grupo gerador em uma sala ou carenagem aquecida.

Carenagens externas, protegidas contra intempéries (inclusive os chamados de “roupa justa”) geralmente não são isoladas, dificultando a manutenção de um grupo gerador aquecido em temperaturas ambiente mais frias.

Abaixo de 4º C (40º F), e até –32º C (–25º F), para a maioria dos grupos geradores Cummins Power Generation é dada a partida mas estes não aceitarão carga em um único passo em até dez segundos. Se um grupo gerador precisar ser instalado em um gabinete não aquecido num local com baixas temperaturas, o projetista deverá consultar o fabricante. O operador é responsável pela monitoração do funcionamento dos aquecedores do líquido de arrefecimento do grupo gerador (a norma NFPA 110 exige um alarme de baixa temperatura do líquido de arrefecimento para esta finalidade) e pela obtenção de um grau ideal do combustível para as condições ambiente.

Os grupos geradores em aplicações de energia de emergência devem partir e alimentar todas as cargas de emergência em até 10 segundos após uma falha de energia.


Para atender tais normas, geralmente são necessários aquecedores do líquido de arrefecimento do motor mesmo em ambientes aquecidos, especialmente para grupos geradores a diesel. A NFPA 110 tem requisitos específicos para os sistemas de Nível 1 (onde uma falha do sistema pode resultar em sérios acidentes ou perdas de vidas):

• Aquecedores do líquido de arrefecimento são necessários a menos que a temperatura ambiente da sala do gerador não seja menor que 21º C (70º F).

• Aquecedores do líquido de arrefecimento são necessários para manter a temperatura do bloco do motor acima de 32º C (90º F) se houver a possibilidade de que a temperatura ambiente da sala do gerador caia até 4º C (40º F), porém nunca abaixo deste valor. O desempenho em temperaturas mais baixa não é definido. (Em temperaturas ambientes mais baixas, o grupo gerador p ode não dar a partida, ou pode não alimentar as cargas tão rapidamente. Além disso, os alarmes de baixa temperatura podem indicar problemas se o aquecedor do líquido de arrefecimento não mantiver a temperatura do bloco num nível alto o suficiente para a partida em 10 segundos.)

• Aquecedores de bateria são necessários se houver a possibilidade de que a temperatura ambiente da sala do gerador caia abaixo de 0º C (32º F).

• É necessário um alarme de baixa temperatura do motor.

• Os aquecedores de líquido de arrefecimento e da bateria devem ser alimentados pela fonte normal de energia.



Aquecedores do Líquido de Arrefecimento: Aquecedores do líquido de arrefecimento controlados termostaticamente são necessários para partidas rápidas e boa aceitação de carga em grupos geradores utilizados em aplicações de emergência ou standby.


Nota sobre o Código Americano: Para os sistemas de energia de emergência Nível 1, a NFPA 110-1999(?) exige que o líquido de arrefecimento do motor seja mantido a uma temperatura mínima de 32ºC (90ºF). A NFPA110 exige também a monitoração de falha do aquecedor na forma de um alarme de baixa temperatura do motor.

É importante entender que os aquecedores de líquido de arrefecimento normalmente são projetados para manter o motor aquecido o suficiente para uma partida rápida e confiável e alimentação da carga, e não para aquecer o ambiente onde se encontra o grupo gerador. Assim, além da operação do aquecedor do líquido de arrefecimento sobre o motor, a temperatura do ar ambiente ao redor do grupo gerador deverá ser mantida a um mínimo de 10º C (40º F).


Nota sobre o Código Canadense: A CSA282-2000 exige que os grupos geradores utilizados em aplicações de emergência sejam sempre instalados de modo que o grupo gerador seja mantido a uma temperatura ambiente mínima de 10º C (40º F).


Se a área em torno do grupo gerador não for mantido nesta temperatura, deverão ser considerados: o uso de combustível de tipo especial ou aquecimento do combustível (para grupos geradores a diesel), aquecedores de alternador, aquecedores de controle e aquecedores de bateria.

Uma falha no aquecedor da jaqueta de água ou uma redução  da temperatura ambiente ao redor do motor não evitará necessariamente a partida do motor, mas afetará o tempo para que o motor parta e quão rapidamente a carga poderá ser conectada ao sistema de geração de energia local.

Funções de alarme de baixa temperatura do motor são geralmente adicionadas aos grupos geradores para alertar os operadores sobre a possibilidade de ocorrência deste problema nos sistemas em funcionamento.

Os aquecedores de jaquetas de água são um item de manutenção e, portanto, é de se esperar que o elemento de aquecimento deva ser substituído algumas vezes durante a vida da instalação. Para substituir o elemento do aquecedor sem a drenagem completa do sistema de arrefecimento do motor, devem ser fornecidas válvulas de isolamento (ou outros meios) do aquecedor.

Os aquecedores de jaqueta de água podem funcionar em temperaturas consideravelmente mais altas do que a temperatura das linhas do líquido de arrefecimento do motor, razão pela qual devem ser usadas mangueiras de silicone de alta qualidade, ou mangueiras trançadas para evitar falha prematura das mangueiras do líquido de arrefecimento associadas com o aquecedor de jaqueta de água. Deve-se tomar cuidado no projeto de instalação do aquecedor do líquido de arrefecimento para se evitar voltas sobre o cabeçote no roteamento da mangueira que possam resultar em bolsões de ar, causando falha de superaquecimento do sistema.

Os aquecedores do líquido de arrefecimento do motor funcionam normalmente quando o grupo gerador não está em operação, razão pela qual os mesmos são conectados à fonte normal de energia. O aquecedor deverá ser desativado sempre que o grupo gerador estiver funcionando.

Isto pode ser feito de várias maneiras, como um interruptor de pressão de óleo, ou pela lógica de controle do grupo gerador.


Aquecedores de Óleo e de Combustível: Para as aplicações onde o grupo gerador será exposto a baixas temperaturas ambientes (menos de –18º C [0º F]), também podem ser necessários aquecedores do óleo lubrificante e das linhas e filtro de combustível para evitar que o combustível se torne pastoso.


Aquecedores Anti-condensação: Para aplicações onde o grupo gerador será exposto a alta umidade ou temperaturas que oscilam em torno do ponto de orvalho, devem ser usados aquecedores para o gerador e uma caixa de controle para evitar a condensação. A condensação na caixa de controle, nos circuitos de controle ou no isolamento dos enrolamentos do gerador pode causar corrosão, deterioração dos circuitos e até mesmo curtos-circuitos e falhas prematuras de isolamento.


Nota sobre o Código Americano: Para os sistemas de energia de emergência Nível 1, a NFPA 110-1999(?) exige que o líquido de arrefecimento do motor seja mantido a uma temperatura mínima de 32ºC (90ºF). A NFPA110 exige também a monitoração de falha do aquecedor na forma de um alarme de baixa temperatura do motor.


Carenagens (Coberturas) - Proteção Contra Intempéries - Acústica - Carenagem com Passarela - Configurações Alternativas de Arrefecimento e Ventilação - Classificações do Sistema de Arrefecimento - Alternativas de Arrefecimento Remoto - Radiador remoto - Trocador de calor - Sistemas de Manutenção do Nível do Óleo Lubrificante - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins



Carenagens (Coberturas)

As carenagens podem ser classificadas em três tipos gerais: carenagens de proteção contra intempéries, acústicas e com passarelas. Os nomes são auto explicativos.


Proteção Contra Intempéries: As carenagens protegem o grupo gerador, tanto contra intempéries quanto contra violação, pois são fornecidas com fechaduras. Defletores ou painéis perfurados incorporados permitem a passagem do fluxo de ar para ventilação e arrefecimento. Pouca ou nenhuma atenuação de ruídos é obtida e às vezes pode haver aumento do nível de ruídos induzidos pela vibração.

Tais tipos de carenagens não retêm calor nem mantêm a temperatura acima da ambiente.

As aplicações NFPA 110 requerem dois ciclos de partida contínua de 45 segundos com um período de descanso entre eles, ou dois ciclos de partida de 15 segundos com 15 segundos de descanso.


Acústica: As carenagens com atenuação sonora são especificadas em função de uma determinada quantidade de atenuação de ruídos ou de uma classificação do nível externo de ruídos. Os níveis de ruído devem ser especificados com base em uma dada distância e para se comparar os níveis de ruído todas as especificações devem ser convertidas na mesma distância básica. A atenuação sonora requer material e espaço, portanto, esteja certo de que as unidades indicadas nos desenhos incluam as informações corretas da carenagem acústica.

Embora alguns destes projetos de carenagens tenham alguma capacidade de isolamento para reter calor, esta não é a intenção do projeto. Se for necessária a manutenção acima da temperatura ambiente, será preciso uma carenagem com passarela.


Carenagem com Passarela: Este termo engloba uma ampla variedade de carenagens que são fabricadas de acordo com as especificações de cada cliente. Geralmente, essas carenagens incluem atenuação sonora, comutação de energia e equipamento de monitoração, pára-raios, sistemas de proteção contra incêndios, tanques de combustível e outros equipamentos. Estes tipos de carenagens são construídas como unidades simples, sem cobertura, e como unidades integradas com grandes portas ou painéis removíveis para acesso de serviços. Estas carenagens podem ser construídas com recursos de isolamento e aquecimento.

Nota: A instalação de carenagens externas (especialmente carenagens acústicas) dentro de edifícios não é uma prática recomendada por duas razões principais. Primeira, as carenagens acústicas usam a capacidade de restrição do excesso de ventilação para reduzir ruídos através de deflexão da ventilação. Conseqüentemente, resta uma pequena ou nenhuma capacidade de restrição para quaisquer dutos de ar, defletores ou outros equipamentos que invariavelmente acrescentarão restrição. Segunda, os sistemas de escape de carenagens externas não são necessariamente sistemas selados, ou seja, possuem abraçadeiras, juntas de encaixe deslizante no lugar de conexões rosqueadas ou flangeadas. Essas conexões com abraçadeiras podem permitir que o gás de escape vaze para a sala. 


Configurações Alternativas de Arrefecimento e Ventilação

Os motores refrigerados a água são arrefecidos pelo bombeamento do líquido de arrefecimento (uma mistura de água e anticongelante) através de passagens no bloco de cilindros e cabeçotes do motor por uma bomba acionada pelo motor. O motor, a bomba e o radiador ou trocador de calor líquido-líquido formam um sistema de arrefecimento fechado e pressurizado. Recomenda-se, sempre que possível, que o grupo gerador inclua este tipo de radiador montado na fábrica para o arrefecimento e ventilação do motor. Esta configuração resulta no sistema de menor custo, melhor confiabilidade e melhor desempenho do conjunto. Além disso, os fabricantes de tais grupos geradores podem testar o protótipo para verificar o desempenho do sistema.


Classificações do Sistema de Arrefecimento: A maioria dos grupos geradores da Cummins Power Generation tem classificações opcionais do sistema de arrefecimento para os modelos com radiador. Geralmente, existem disponíveis sistemas de arrefecimento projetados para operar em temperaturas ambientes de 40ºC e 50ºC. Verifique o desempenho ou disponibilidade de cada unidade nas Folhas de Especificações. As classificações têm uma capacidade máxima de restrição estática associada a elas. Consulte Ventilação na seção Projeto Mecânico para mais detalhes.

Nota: Seja cauteloso ao comparar classificações de sistemas de arrefecimento cuja classificação seja baseada na temperatura ambiente e não na temperatura do ar no radiador.


Uma classificação de temperatura do ar no radiador restringe a temperatura do ar que flui para o radiador e não permite que ela aumente devido à energia térmica irradiada do motor e do alternador. Os sistemas classificados com base na temperatura ambiente levam em conta este aumento de temperatura em sua capacidade de arrefecimento.


Alternativas de Arrefecimento Remoto: Em algumas aplicações, a restrição ao fluxo do ar pode ser muito grande devido ao longo comprimento dos dutos, por exemplo, para que o ventilador de um radiador acionado pelo motor forneça o fluxo de ar necessário para arrefecimento e ventilação.

Em tais aplicações, e onde os ruídos do ventilador são um problema, deve-se considerar uma configuração envolvendo um radiador remoto ou trocador de calor líquido-líquido.

Nestas aplicações, um grande volume do fluxo de ar da ventilação ainda é necessário para remover o calor irradiado pelo motor, gerador, silencioso, tubo de escape e outros equipamentos, para manter a temperatura da sala do gerador em níveis apropriados para o funcionamento correto do sistema.


Radiador Remoto: Uma configuração de radiador remoto requer um cuidadoso projeto do sistema para proporcionar o arrefecimento adequado do motor. Deve-se prestar atenção a detalhes como limitações da coluna de fricção e estática da bomba d’água do motor e para a desaeração, abastecimento e drenagem apropriados do sistema de arrefecimento, bem como a contenção de quaisquer vazamentos de anticongelante.


Trocador de Calor: Um trocador de calor líquido-líquido requer muita atenção no projeto do sistema para que forneça o meio para arrefecer o trocador de calor. Deve-se observar que as normas sobre a conservação de água no local e sobre o meio ambiente talvez não permitam que a água da cidade seja utilizada como meio de arrefecimento e que, em regiões de riscos sísmicos, a água da cidade possa ser interrompida durante um terremoto.

Consulte a seção Projeto Mecânico para informações mais detalhadas sobre as alternativas de arrefecimento.


Sistemas de Manutenção do Nível do Óleo

Lubrificante

Um sistema de manutenção do nível do óleo lubrificante pode ser desejável para aplicações onde o grupo gerador funcione sob condições de energia Prime, ou em aplicações Standby não assistidas com um número de horas de funcionamento maior que o normal. Os sistemas de manutenção do nível do óleo não estendem os intervalos de troca de óleo para o grupo gerador, a menos que uma filtragem especial também seja incorporada ao sistema.


22.9.15

Sistemas de Escape e de Silencioso - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins


Sistemas de Escape e de Silencioso

Dois elementos determinam a escolha dos sistemas de escape e do silencioso: o nível de ruído, evidentemente, e a acomodação do movimento relativo entre o sistema de escape e o grupo gerador.

As regulamentações de controle de ruídos ou as preferências pessoais determinam as escolhas do tipo de silencioso.

As seleção do sistema de escape e do silencioso dependem obviamente do local onde o grupo gerador será instalado:  interno ou externo. Uma carenagem para proteção externa contra intempéries fornecida por um fabricante de grupo gerador geralmente oferece várias opções de silenciosos e normalmente com sua instalação no teto. 

As opções de silenciosos são classificadas como industrial, residencial ou crítica dependendo de sua atenuação. As carenagens acústicas geralmente incluem um sistema de silencioso integrado como parte do pacote acústico completo. Para mais informações sobre ruídos e conhecer níveis de ruído, consulte a seção VI – Projeto Mecânico.

Um elemento-chave do sistema completo de escape é o fato de o grupo gerador vibrar, isto é, movimentar-se com relação à estrutura que o contém. Assim, é necessário instalar uma tubulação flexível de escape na saída de escape do grupo gerador. Os sistemas internos com longos percursos de tubo de escape também requerem tolerância à expansão para evitar danos no sistema de escape e nos coletores de escape ou nos turbocompressores do motor.


Baterias e Carregadores de Bateria - Racks de baterias - Baterias de chumbo-ácido - Baterias de célula inundada - Bateria NiCad - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins


Baterias e Carregadores de Bateria

Talvez o subsistema mais crítico de um grupo gerador seja o sistema da baterias para a partida do motor e controle do grupo gerador. A escolha e a manutenção corretas das baterias e do carregador de bateria são essenciais para a confiabilidade do sistema.

O sistema consiste de baterias, racks de baterias, um carregador de bateria que é acionado pela fonte normal de energia elétrica durante o tempo em que o grupo gerador estiver em espera (standby), e um alternador de carga das baterias acionado por motor que carrega as baterias e fornece a energia CC para o sistema de controle quando o grupo gerador estiver funcionando.

Quando os grupos geradores estão em paralelo, os bancos de baterias de cada grupo gerador geralmente são colocados em paralelo para fornecer a energia de controle para o sistema de paralelismo. O fabricante do sistema de paralelismo deve sempre ser consultado para determinar se o sistema de controle do motor é adequado para a aplicação, uma vez que uma queda de voltagem no banco de baterias poderia interromper alguns sistemas de controle de paralelismo e exigir o uso das baterias em estações separadas para alimentar o equipamento de paralelismo.

As baterias devem estar tão próximas quanto possível do grupo gerador para minimizar a resistência no circuito de partida. A localização deve permitir fácil acesso de serviço às baterias e minimizar sua exposição à água, sujeira e óleo. O gabinete das bateria deve permitir ampla ventilação para que os gases explosivos gerados pela bateria possam ser dissipados. As normas em regiões sísmicas exigem que os racks de bateria tenham recursos especiais para evitar o derramamento e quebra do eletrólito durante um terremoto.

O projetista do sistema deve especificar o tipo do sistema de baterias (geralmente limitado ao tipo chumbo-ácido ou níquel-cádmio, como explicado a seguir), bem como sua capacidade.

A capacidade necessária do sistema da baterias depende do tamanho do motor (cilindrada), das temperaturas  mínimas esperadas do líquido de arrefecimento do motor, do óleo lubrificante e das baterias (veja abaixo Dispositivos de Aquecimento em Standby para Grupos Geradores), a viscosidade do óleo lubrificante e o número necessário e a duração dos ciclos de partida. O fornecedor do grupo gerador deve fazer as recomendações com base nestas informações.

As baterias de chumbo-ácido são o tipo mais comumente escolhido para grupos geradores. Elas são relativamente econômicas e oferecem bom serviço em temperaturas ambientes entre –18º C (0º F) e 38º C (100º F). As baterias de chumbo-ácido podem ser recarregadas por carregadores convencionais, que podem ser montados em paredes próximas ao grupo gerador ou em um comutador de transferência automática (se o grupo gerador NÃO for parte de um sistema de paralelismo). O carregador deve ser dimensionado para recarregar o banco de baterias em aproximadamente 8 horas e ao mesmo tempo atender todas as necessidades de energia de controle do sistema.

Uma bateria de chumbo-ácido pode ser do tipo selada “livre de manutenção” ou do tipo de célula inundada. As baterias livres manutenção suportam melhor as negligências de manutenção porém não são monitoradas e mantidas tão facilmente quanto as baterias de célula inundada.

Todas as baterias de chumbo-ácido devem ser carregadas no local antes de sua utilização inicial. Mesmo as baterias livres de manutenção não retêm a carga indefinidamente.

As baterias de célula inundada requerem a adição de eletrólito no local de uso e atingem cerca de 50% da condição de carga total pouco tempo depois da adição do eletrólito.

Os sistemas de bateria NiCad (níquel-cádmio) são geralmente especificados para locais onde as temperaturas ambientes podem ser extremamente altas ou baixas, visto que seu desempenho é menos afetado por temperaturas extremas do que no caso das baterias de chumbo-ácido.

Os sistemas de bateria NiCad são consideravelmente mais caros do que as baterias de chumbo-ácido, mas eles têm uma vida útil mais longa.

Uma das maiores desvantagens dos sistemas de baterias NiCad é que seu descarte pode ser difícil e caro, uma vez que os materiais que compõem essas baterias são tóxicos.

Além disso, as baterias NiCad requerem carregadores especiais para que atinjam o nível de carga plena. Esses carregadores devem ser fornecidos com filtros para reduzir o “ruído do carregador” o qual pode interromper os sistemas de controle do motor e do gerador.


Disjuntores da Linha Principal - Comutadores de Carcaça Moldada - Caixa de Entrada - Disjuntores Múltiplos - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins


Disjuntores da Linha Principal

Disjuntores do tipo de carcaça moldada e do tipo de circuito de força podem ser utilizados em grupos geradores. Os disjuntores de carcaça moldada geralmente são fornecidos montados diretamente no grupo gerador. Entretanto, muitos disjuntores podem ser montados em um painel separado sobre uma parede ou pedestal. Os tamanhos podem variar de 10 a 2500 ampères e são adequados para a montagem em uma caixa de saída diretamente sobre o grupo gerador.

Os disjuntores de circuito de força podem ser encontrados em tamanhos que variam de 800 a 4.000 ampères ou mais, e são mais rápidos mas consideravelmente mais caros que os disjuntores de carcaça moldada. Os disjuntores de circuito de força geralmente são montados em um painel isolado próximo ao grupo gerador, e não no próprio grupo gerador, devido ao seus tamanhos e susceptibilidade a danos por vibração. Quando são necessários disjuntores da linha principal para um projeto, as especificações do projeto devem incluir o tipo de disjuntor, o tipo de unidade de desarme e a classificação básica (contínua ou não contínua).

Consulte a seção Projeto Elétrico para mais detalhes sobre a escolha de disjuntores.

Comutadores de Carcaça Moldada: Nos casos onde um meio de desconexão é desejado, mas a proteção do gerador ou dos condutores não é necessária (i. é., a proteção é oferecida pelo AmpSentry™, ou é utilizado um gerador autoexcitado), geralmente é usado um comutador com carcaça moldada em vez de um disjuntor. Esses comutadores têm os mesmos contatos e mecanismos de comutação que os disjuntores, porém não detectam o corte de corrente. O comutador também fornece um ponto de conexão e os terminais para a conexão dos condutores da carga.

Caixas de Entrada: Uma caixa de entrada é essencialmente uma caixa de disjuntor sem o disjuntor. Se o disjuntor não for necessário ou desejado, a caixa de entrada terá espaço adicional para a entrada, roteamento e conexão dos condutores.

Disjuntores Múltiplos: Geralmente, são necessários vários disjuntores e os mesmos são fornecidos pela fabrica para a maioria dos grupos geradores. As opções padrão disponíveis são dois disjuntores montados (exceto no maior alternador). Em certos alternadores e grupos geradores isto simplesmente não é prático ou não existe um local para a montagem das caixas dos disjuntores. Consulte o representante do fabricante sobre a disponibilidade de equipamentos específicos. Podem ser considerados pedidos especiais para a montagem de três ou mais disjuntores em alguns grupos geradores, mas isto normalmente requer o uso de um painel de distribuição montado em uma parede ou isolado.


Acessórios e Opções - Recursos de Segurança e Alertas de Controle - Controle PowerCommand - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins


Acessórios e Opções

Recursos de Segurança e Alertas de Controle

Os sistemas de controle e monitoração baseados em relés existentes em muitos grupos geradores podem incluir vários avisos e alarmes de desligamento para a proteção do motor/gerador. Equipamentos opcionais são geralmente necessários para a monitoração plena ou alertas remotos, bem como medição de CA do grupo gerador. Se a função de comunicação em rede for desejada, serão necessários equipamentos adicionais, embora estes tenham capacidade limitada. Com o advento dos complexos requisitos eletrônicos de controle do motor e do alternador, além dos elevados níveis de dados de diagnóstico e serviços, os sistemas podem funcionar mesmo com as limitações de capacidade desses tipos de sistemas de controle.

Os sistemas eletrônicos de controle e monitoração, que geralmente são equipamentos padrão em muitos grupos geradores, incluem um menu completo de avisos e alarmes de desligamento integrados para proteger o equipamento motor/gerador e acionar esses alarmes. Alguns destes alarmes podem ser selecionados ou programados pelo cliente. Todos os alarmes podem ser exibidos no painel de controle ou em um local remoto. O envio de avisos remotos é feito de várias maneiras:

1. Saídas de contatos de relés para alarmes comuns ou individuais.

2. Painéis de avisos especialmente projetados para o sistema de controle, acionados por vários tipos de interfaces de rede.

3. Comunicações através de Redes Locais ou conexões via modem para locais de monitoração remota utilizando softwares baseados em PCs.


As normas podem exigir diferentes níveis de alarmes para diferentes tipos de aplicações. As normas de segurança à vida (Nível 1 da NFPA 110 nos EUA) ou todas as outras normas de emergência/standby (Nível 2 da NFPA 110 nos EUA), ou equivalentes, especificam os recursos mínimos de alarme necessários para essas aplicações. Outras normas também podem ter requisitos específicos. Consulte as normas individuais em vigor para obter os requisitos de alarme.

O Controle PowerCommand™ da Cummins Power Generation é projetado para atender ou exceder estes tipos de requisitos e vários outros padrões. (Consulte a Folha de Especificações do Controle PowerCommand™ para obter detalhes.)


Controles Baseados em Relés - Painel de Interface do Controle a Dois Fios - Painel de Interface do Controle Detector 12 Baseados em Circuitos Eletrônicos (Microprocessador) - Sistema PowerCommand com Microprocessador - Power Command Eletrônico com Plena Autoridade - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins


Controles Baseados em Relés

Até há alguns anos, os sistemas de controle baseados em relés eram comuns em quase todos os grupos geradores.

Eles podem ser projetados para fornecer partida manual ou totalmente automática, além das funções básicas de proteção do gerador e incluir os equipamentos necessários para atender às normas locais para grupos geradores.

Os sistemas baseados em relés (veja a Figura 4-17) controlam a partida e as funções operacionais do motor, as funções de monitoração de falhas ou desempenho fora das especificações do motor e do alternador e fornecem indicadores, medições e alertas para a interface do usuário.

Funções como o controle de voltagem do alternador são executadas por uma placa de circuito AVR separada.

Analogamente, um circuito controlador separado opera o governador eletrônico e outros equipamentos opcionais.

Existem vários recursos opcionais disponíveis para melhorar o desempenho/controle e aumentar a funcionalidade de tarefas especiais como a interface do equipamento de paralelismo e funções adicionais de monitoração de equipamentos, como tanques de combustível, líquido de arrefecimento ou baterias.



Alguns grupos geradores são equipados com sistemas híbridos de controle (veja a Figura 4-18) que empregam relés e circuitos integrados. Tais controles oferecem maior funcionalidade do que os sistemas puros baseados em relés, mas ainda são limitados em sua capacidade de oferecer controles complexos ou interfaces avançadas de operação.



As demandas atuais de alto nível de desempenho, melhor funcionalidade, controle de sistemas sofisticados e interfaces de rede requerem as capacidades dos sistemas de controle baseados em microprocessadores. A era dos microprocessadores e computadores tem permitido o desenvolvimento de controles eletrônicos totalmente integrados e baseados em microprocessadores, como a série de controles PowerCommand™ (veja a Figura 4-19) da Cummins Power Generation. O sistema PowerCommandintegra o funcionamento do motor, o controle do alternador e as funções de monitoração de um controle totalmente equipado com base em relés, além do governo eletrônico e regulagem de voltagem e muitos outros recursos e funções adicionais. A monitoração plena das características elétricas da saída, kW, kVA, kVAR, voltagem alta e baixa, realimentação, etc., permite o controle total do sistema de geração de energia.



Circuitos Eletrônicos com “Autoridade Plena”

Os projetos de motores avançados incorporam sistemas sofisticados de fornecimento de combustível, de ignição ou de controle do ponto de injeção, e a monitoração ativa do desempenho e ajustes. Estes sistemas e funções são necessários para se obter eficiência de combustível e baixas emissões de escape. Os motores com “autoridade plena”, como são geralmente chamados, requerem sistemas com microprocessadores igualmente sofisticados para operar e controlar estas funções. Uma versão mais avançada do Controle PowerCommand™ incorpora capacidade dinâmica de controle do motor com os recursos e a funcionalidade a versão mencionada anteriormente, além de muitos outros recursos (veja a Figura 4-20). Em grupos geradores com motores eletrônicos com “autoridade plena”, este tipo de sistema avançado de controle é parte integral da unidade motor-gerador e não há opção para sistemas baseados em relés ou outros sistemas de controle.



Opções de Controle

Os equipamentos opcionais para os sistemas eletrônicos de controle incluem todas as funções necessárias para o controle e monitoração do paralelismo de vários grupos geradores, entre si e com a rede da concessionária.

Existem também controles intermediários de paralelismo que podem ser atualizados.

A função de interface de rede disponível para tais controles pode ser um recurso importante a ser considerado como equipamento opcional. A função de rede permite a monitoração e controle remotos do grupo gerador, bem como a integração com o edifício e sistema automatizados de geração de energia.

Existem também disponíveis pacotes opcionais de relés para o controle de equipamentos periféricos.


Arranjo típico de tubulação para um Motor de partida a Ar - Partida com Ar Comprimido - Nota - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins



Partida com Ar Comprimido: Os sistemas de partida do motor com ar comprimido estão disponíveis para alguns grupos geradores maiores. A partida a ar pode ser indicada para algumas aplicações de energia Prime desde que o ar comprimido esteja prontamente disponível. A Figura 4-16 mostra um arranjo típico de tubulação para um sistema de motor de partida a ar. Considere os itens abaixo para determinar os equipamentos necessários para a instalação de um sistema de partida a ar:

• O fabricante do motor deverá ser consultado quanto à recomendações relativas à bitola da mangueira de ar e o volume mínimo exigido do tanque para cada segundo de partida. O tamanho do tanque dependerá do tempo mínimo de partida necessário. Todos os motores de partida fornecidos pela Cummins Power Generation têm uma classificação máxima de pressão de 1035 kPa (150 psig).

• Os tanques de ar (receptores) devem ser equipados com uma válvula de dreno do tipo roscada (outros tipos não são recomendados por serem uma fonte comum de vazamentos de ar). A umidade pode danificar os componentes do motor de partida.

• Todas as válvulas e acessórios do sistema devem ser projetados para a partida a ar de motores diesel.

• As conexões de tubos devem ser do tipo de vedação seca e devem ser feitas com selador de rosca. Não é recomendo uso de fita Teflon pois ela não fixa as roscas adequadamente e é uma fonte de resíduos que podem obstruir as válvulas.

Nota: As baterias, embora de capacidade muito menor, ainda serão necessárias para o controle do motor e para a monitoração dos sistemas quando for utilizada a partida a ar.


Motores - Governadores - Governadores Mecânicos - Governadores Eletrônicos - Solenóides - Sistemas de partida de motores - Corrente necessária para a carga da bateria - Distribuição das Baterias de Partida - Exemplo de Cálculo - Tabela resistências dos Cabos AWG (bitola americana de cabos) - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins


Motores

Governadores


Governadores Mecânicos: Os governadores mecânicos, como o nome sugere, controlam o fornecimento de combustível ao motor com base na detecção mecânica da rotação do motor através de contrapesos ou mecanismos similares. Estes sistemas apresentam aproximadamente 3 a 5% de corte de rotação entre uma condição sem carga e com carga plena inerente no projeto. Este tipo de sistema geralmente é o mais barato e adequado para aplicações onde o corte de freqüência não é um problema para as cargas sendo alimentadas. Alguns grupos geradores são fornecidos com o governador mecânico opcional.


Governadores Eletrônicos: Os governadores eletrônicos são usados em aplicações onde é exigido o governo isócrono (queda zero) ou onde são especificados equipamentos de sincronização ativa e paralelismo. A RPM do motor normalmente é detectada por um sensor eletromagnético e o fornecimento de combustível para o motor é controlado por solenóides acionados por circuitos eletrônicos. Estes circuitos, sejam controladores auto-contidos ou parte do microprocessador controlador do grupo gerador, utilizam algoritmos sofisticados para manter o controle preciso da rotação (e conseqüentemente da freqüência). Com os governadores eletrônicos, a retomada de passos de carga transiente dos grupos geradores é mais rápida do que com os governadores mecânicos. Os governadores eletrônicos devem sempre ser utilizados quando as cargas incluírem equipamento UPS.

Motores modernos, especialmente motores diesel com sistemas eletrônicos de injeção de combustível, são os únicos disponíveis com sistemas eletrônicos de governo.

Os requisitos de demanda ou regulagem para atingir o aumento da eficiência do combustível, baixas emissões de escape e outras vantagens requerem o controle preciso oferecido por estes sistemas.


Sistemas de Partida de Motores

Partida com Bateria: Os sistemas de partida com bateria de grupos geradores geralmente usam 12 ou 24 volts. Em geral, os grupos menores utilizam sistemas de 12 volts e as máquinas maiores usam sistemas de 24 volts. A Figura 4-14 ilustra as conexões típicas da bateria com o motor de partida. Considere o seguinte ao escolher ou dimensionar as baterias e os equipamentos relacionados:

• As baterias devem ter capacidade suficiente (APF, Ampères de Partida a Frio) para fornecer a corrente para o giro do motor, indicada na Folha de Especificações do grupo gerador recomendado. As baterias podem ser tanto de chumbo-ácido quanto de níquel-cádmio. As mesmas devem ter sido projetadas para este uso e ter sido aprovadas pelas autoridades locais.

• Um alternador acionado por motor com regulador de voltagem automático integrado é fornecido normalmente para recarregar as baterias durante o funcionamento.

• Para a maioria dos sistemas de energia através de grupos geradores, um carregador de bateria, tipo líquida, alimentado pela fonte normal de energia, é desejável ou exigido para manter as baterias plenamente carregadas quando o grupo gerador não estiver funcionando. Os carregadores de bateria líquida são exigidos para sistemas standby de emergência.

• As normas geralmente especificam um tempo máximo de carga da bateria. A seguinte regra prática pode ser utilizada para dimensionar os carregadores de baterias auxiliares:



• As normas locais podem exigir aquecedores para manter uma temperatura mínima da bateria de 10º C (50º F) se o grupo gerador estiver sujeito a temperaturas ambiente de congelamento. Consulte informações complementares em Acessórios e Opções (nesta seção), Dispositivos de Aquecimento Standby para Grupos geradores.

• Os grupos geradores normalmente incluem cabos de bateria e bandejas para bateria são disponíveis.


Distribuição das Baterias de Partida: Se as baterias forem montadas a uma distância do motor de partida maior que o comprimento normal dos cabos, estes deverão ser projetados de acordo com essa distância. A resistência total dos cabos mais as conexões não deverá resultar em uma queda excessiva de voltagem entre a bateria e o motor de partida. As recomendações para o motor são que a resistência total do circuito de partida mais a dos cabos e conexões não exceda 0,00075 ohms para sistemas de 12 volts e 0,002 ohms para sistemas de 24 volts. Veja o seguinte exemplo de cálculo.



Exemplo de Cálculo: Um grupo gerador possui um sistema de partida de 24 VCC, alimentado por duas baterias de 12 volts em série (Figura 4-14). O comprimento total dos cabos é de 375 polegadas (9,52 m), incluindo o cabo entre as baterias. Existem seis conexões de cabos. Calcule a bitola dos cabos necessários como segue:

1. Assuma uma resistência de 0,0002 ohms para o contato do solenóide do motor de partida (RCONTATO).

2. Assuma uma resistência de 0,00001 ohms para cada conexão de cabo (RCONEXÃO), num total de seis.

3. Com base na fórmula que:

• Resistência Máxima Permitida do Cabo = 0,002 - RCONEXÃO – RCONTATO = 0,002 – 0,0002 - (6 x 0,00001)
= 0,00174 ohms

4. Veja a Figura 4-15 para as resistências dos cabos AWG (Bitola Americana de Cabos). Neste exemplo, como mostram as linhas pontilhadas, a menor bitola de cabo que pode ser utilizada é 2 cabos No. 1/0 AWG em paralelo.





20.9.15

Seleção do Equipamento - Visão geral - Alternadores CA - Voltagem - Voltagem baixa - Voltagem média - Isolamentos e classificações - Enrolamentos e conexões - Reconectável - Faixa ampla - Faixa estendida - Faixa limitada - Maior capacidade de partida do motor - Fundamentos e excitação - Seção Transversal de um Gerador de 4 Pólos - Geradores auto-excitados - Desvantagens de um sistema auto-excitado - Gerador Auto-excitado - Gerador Excitado Separadamente (PMG) - Carga transiente - Perfil Típico de Voltagem em Aplicação e Remoção de Carga - Curvas de saturação do gterador - Resposta do sistema de excitação - Curvas Típicas de Saturação do Gerador - Características de Resposta do Sistema de Excitação - Resposta à partida do motor - kVA com rotor travado - Queda de Voltagem Transiente - Características Típicas de Partida do Motor Através da Linha (Assume 100% da Voltagem Nominal nos Terminais do Motor) - Queda de Voltagem Sustentada - Gráfico Típico NEMA de Gerador da Queda de Voltagem Transiente em função do kVA de Partida do Motor - Resposta à falha - Resposta de Curto-circuito Simétrico entre as Três Fases - Capacidade de Curto-circuito - Temperaturas dos enrolamentos em curto-circuito - Temperaturas Aproximadas dos Enrolamentos em Curto-circuito - Auto-excitado - Excitado separadamente - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins

SELEÇÃO DO EQUIPAMENTO

Visão Geral

Depois de tomada a decisão sobre o tamanho do grupo gerador e a seqüência da carga, pode ser iniciada a tarefa de escolha do equipamento.

Esta seção trata dos vários equipamentos de grupos geradores para uma instalação completa e funcional. Serão discutidas as características funcionais, os critérios de escolha e os equipamentos opcionais necessários.


Alternadores CA

Voltagem

Voltagem baixa: A aplicação determina em grande parte a voltagem do grupo gerador selecionado. Em aplicações de emergência e standby, a voltagem de saída do gerador normalmente corresponde à voltagem utilizada pelas cargas.

Em geral, as voltagens e configurações de conexões utilizadas comercialmente são fornecidas como opções padrão pelos fabricantes de alternadores. Algumas voltagens raramente utilizadas podem exigir enrolamentos especiais, os quais podem levar tempos consideráveis para serem produzidos. A maioria dos alternadores tem um ajuste de voltagem de pelo menos ±5% a partir da voltagem nominal especificada para permitir o ajuste aos requisitos especiais do local. Consulte a Tabela de Voltagens e Fontes Utilizadas Mundialmente no Apêndice B.

Voltagem média: Em aplicações de energia prime ou de carga básica, ou quando as condições gerais da aplicação forem favoráveis, os grupos geradores para voltagens médias (maior que 600 volts) são utilizados com maior freqüência. Geralmente, as voltagens médias devem ser consideradas quando a saída exceder 2.000 ampères em um gerador de voltagem baixa. Um outro critério que conduz ao uso de voltagem média é o tamanho/capacidade do equipamento de comutação de energia e a quantidade de condutores necessários em função da voltagem baixa.

Embora os equipamentos para voltagem média sejam mais caros, os condutores necessários (da ordem de 10 a 20 vezes menos amperagem) combinados com a redução de conduítes, estruturas de suporte e tempo de instalação, podem compensar o custo mais alto do alternador.


Isolamento e Classificações

Geralmente, os alternadores na faixa entre 20 kW a 2.000 kW possuem isolamento de enrolamentos nas Classes NEMA F ou H. O isolamento Classe H é projetado para suportar temperaturas mais altas do que a Classe F.

As classificações dos alternadores estão relacionadas com os limites de temperaturas elevadas. Os alternadores com isolamento Classe H têm classificações de saída em kW e kVA que se situam dentro das classes de temperaturas elevadas de 80º C, 105º C, 125º C e 150º C acima de uma temperatura ambiente de 40º C. Um alternador operado em sua classificação de 80º C terá uma vida mais longa do que em suas classificações de temperaturas mais elevadas.

Os alternadores classificados com uma temperatura máxima mais baixa para uma dada classificação de grupo gerador resultarão em melhoria da partida do motor, menor ocorrência de quedas de voltagem, maior capacidade de carga não-linear ou desbalanceada, bem como uma maior capacidade contra falhas de corrente. A maioria dos grupos geradores da Cummins Power Generation possui mais do que um tamanho de alternador disponível, possibilitando sua utilização em uma ampla faixa de aplicações.

Muitos alternadores para um grupo gerador específico terão várias classificações como 125/105/80 (S,P,C). Isto quer dizer que o alternador escolhido irá operar dentro de um limite diferente de temperatura dependendo da classificação do grupo gerador, ou seja, o mesmo permanecerá dentro da temperatura limite de 125º C na classificação Standby, dentro do limite de 105º C na classificação Prime e dentro do limite de 80º C na classificação Contínua.


Enrolamentos e Conexões

Os alternadores são fornecidos em várias configurações de enrolamentos e de conexões. Entender a terminologia utilizada ajudará na escolha para uma determinada aplicação.

Reconectável: Muitos alternadores são projetados com cabos individuais de saída dos enrolamentos das fases separadas e que podem ser reconectados em configurações de Estrela ou Triângulo. Estes são chamados comumente de alternadores com 6 cabos. Em geral, alternadores reconectáveis possuem seis enrolamentos separados, dois em cada fase, que podem ser reconectados em série ou em paralelo e em configurações de estrela ou triângulo.

Estes são chamados de reconectáveis com 12 cabos.

Estes alternadores são produzidos principalmente com fins de flexibilidade e eficiência de fabricação e são conectados e testados pela fábrica na configuração desejada.


Faixa Ampla: Alguns alternadores são projetados para produzir uma ampla faixa de voltagens nominais de saída tais como uma faixa de 208 a 240 ou de 190 a 220 volts com apenas um ajuste do nível de excitação. Quando combinados com o recurso de reconexão, estes são chamados de Reconectáveis de Faixa Ampla.


Faixa Estendida: Este termo refere-se a alternadores projetados para produzir uma faixa de voltagens mais abrangente do que a faixa ampla. Onde uma faixa ampla pode produzir nominalmente 416-480 volts, uma faixa estendida pode produzir 380-480 volts.


Faixa Limitada: Como o próprio nome sugere, os alternadores de faixa limitada possuem um ajuste muito limitado de faixa de voltagem nominal (por exemplo 440-480 volts) ou podem ser projetados para produzir apenas uma voltagem nominal e conexão específicas, como 480 volts em Estrela.


Maior Capacidade de Partida do Motor: Este termo é usado para descrever um alternador maior ou com características de enrolamentos especiais para uma capacidade maior de corrente de partida do motor. Entretanto, como dito anteriormente, uma capacidade maior de partida do motor também pode ser obtida com um alternador de limite mais baixo de elevação de temperatura.


Fundamentos e Excitação

É desejável algum conhecimento sobre os fundamentos de geradores de CA e dos sistemas de excitação dos geradores em relação à resposta a cargas transientes, interação do regulador de voltagem com a carga e a resposta do sistema de excitação às falhas de saída do gerador.

Um gerador converte a energia mecânica de rotação em energia elétrica. O gerador consiste essencialmente de um rotor e de um induzido, como mostrado na seção em corte da Figura 4-1. O rotor transporta o campo do gerador (mostrado como quatro pólos), o qual é girado pelo motor.

O campo é energizado por uma fonte de CC chamada de excitador, a qual é conectada aos terminais “+” e “-” dos enrolamentos do campo. O gerador é construído de tal forma que as linhas de força do campo magnético cortam perpendicularmente os enrolamentos do induzido quando o motor gira o rotor, induzindo voltagem nos elementos do enrolamento do induzido. A voltagem em um elemento do enrolamento é invertida toda vez que a polaridade é mudada (duas vezes a cada rotação em um gerador de quatro pólos).



Normalmente, um gerador tem quatro vezes mais “bornes de enrolamento” do que o mostrado e é “enrolado” para obter uma saída senoidal, alternante, monofásica ou trifásica.

A voltagem induzida em cada elemento do enrolamento depende da intensidade do campo (que pode ser representada por uma densidade maior das linhas de força), da velocidade com que as linhas de força cortam os elementos do enrolamento (rpm), e do “comprimento do enrolamento”. Assim, para variar a voltagem de saída de um gerador de um determinado tamanho e sua rotação de funcionamento, é necessário variar a intensidade do campo.

Isto é feito pelo regulador de voltagem, que controla a saída de corrente do excitador.

Os geradores são equipados com sistemas de excitação auto-excitados ou excitados separadamente (PMG).


Geradores Auto-excitados: O sistema de excitação de um gerador auto-excitado é alimentado através do regulador automático de voltagem (AVR), recebendo a alimentação (ponte) a partir da saída do gerador. O regulador de voltagem analisa a voltagem e a freqüência de saída do gerador, compara as mesmas com valores de referência e então fornece uma saída de CC regulada ao excitador dos enrolamentos do campo. O campo do excitador induz uma saída de CA no rotor do excitador, o qual gira no eixo do gerador acionado pelo motor. A saída do excitador é retificada pelos diodos giratórios, também no eixo do gerador, para fornecer a CC para o rotor principal (campo do gerador). O regulador de voltagem aumenta ou diminui a corrente do excitador à medida que detecta mudanças na voltagem e na freqüência de saída resultantes da mudança de carga, aumentando ou diminuindo a intensidade do campo do gerador. A saída do gerador é diretamente proporcional à intensidade do campo. Veja a Figura 4-2.

Normalmente, um sistema de excitação de um gerador auto-excitado é o sistema menos dispendioso disponível a partir de um fabricante. O mesmo proporciona bom serviço sob todas as condições de funcionamento quando o grupo gerador for dimensionado apropriadamente para a aplicação.

A vantagem de um sistema auto-excitado sobre um sistema excitado separadamente é que o sistema auto-excitado é inerentemente auto-protetor sob condições de curto-circuito simétrico porque o campo “colapsa”. Devido a isto, um disjuntor da linha principal para a proteção do gerador e dos condutores no primeiro nível de distribuição pode não ser considerado necessário, além de reduzir o custo instalado do sistema.


As desvantagens de um sistema auto-excitado são:

• Pode ser necessário selecionar um gerador maior para um desempenho mais aceitável de partida do motor.

• As maquinas auto-excitadas contam com o magnetismo residual para energizar o campo. Se o magnetismo residual não for suficiente, será necessário “alimentar instantaneamente” o campo com uma fonte de CC.

• O mesmo poderá não sustentar as correntes de falha o tempo suficiente para desarmar os disjuntores.






Geradores Excitados Separadamente: O sistema de excitação de um gerador excitado separadamente é similar ao de um gerador auto-excitado exceto pelo fato de que um gerador com imã permanente (PMG) localizado na extremidade do eixo do gerador principal alimenta o regulador de voltagem. Veja a Figura 4-3. Por ser uma fonte separada de energia, o circuito de excitação não é afetado pelas cargas no gerador. O gerador é capaz de sustentar duas ou três vezes a corrente nominal cerca de dez segundos. Por isso, recomendamos os sistemas de excitação de geradores excitados separadamente para aplicações que requerem melhor capacidade de partida do motor, bom desempenho com cargas não-lineares ou desempenho em curtos-circuitos prolongados.

Com este sistema de excitação é necessário proteger o gerador contra condições de falha uma vez que ele pode operar continuamente até ser irremediavelmente danificado.

O Sistema de Controle PowerCommand com AmpSentry™ oferece esta proteção regulando a corrente de curto-circuito sustentado e desligando o grupo gerador se a corrente de falha persistir antes que o alternador seja danificado.

Consulte a seção Projeto Elétrico para mais detalhes.


Carga Transiente: Independentemente do tipo de sistema de excitação, um grupo gerador é uma fonte limitada de energia tanto em termos de potência do motor (kW) quanto de volts-ampères do gerador (kVA). Por isso, as mudanças de carga causarão oscilações transientes de voltagem e de freqüência. A magnitude e a duração destas oscilações são afetadas principalmente pelas características da carga e pelo tamanho do alternador em relação à carga. Um grupo gerador é uma fonte de impedância relativamente alta quando comparado com um transformador típico da empresa fornecedora de energia.

A Figura 4-4 mostra um perfil típico de voltagem em aplicação e remoção de cargas. No lado esquerdo do gráfico, o estado de voltagem estável sem carga está sendo regulado em 100% da voltagem nominal. Quando é aplicada uma carga, ocorre imediatamente uma queda de voltagem. O regulador de voltagem detecta a queda de voltagem e responde aumentando a corrente de campo para retornar à voltagem nominal. O tempo de recuperação da voltagem é a duração entre a aplicação da carga e o retorno da voltagem à faixa de voltagem regulada (mostrada como ±2%).

Normalmente, as faixas iniciais de queda de voltagem variam entre 15 a 45% da voltagem nominal quando 100% da carga classificada do grupo gerador (com FP 0,8) é conectada em um único passo. A retomada ao nível de voltagem nominal ocorre entre 1 a 10 segundos dependendo da natureza da carga e do projeto do grupo gerador.

A diferença mais significativa entre um grupo gerador e a energia da concessionária (principal) é que quando uma carga é aplicada subitamente na rede da concessionária, em geral não há variação de freqüência. Quando são aplicadas cargas em um grupo gerador, a rpm (freqüência) da máquina é reduzida. A máquina deve detectar a mudança na rotação e reajustar sua taxa de combustível para regular em seu novo nível de carga.



Até que sejam obtidas uma nova carga e taxa de combustível adequadas, a freqüência será diferente da nominal.

Normalmente, a queda de freqüência varia entre 5 a 15% da freqüência nominal quando 100% da carga nominal é adicionada em um único passo. A recuperação pode levar vários segundos.

Nota: Nem todos os grupos geradores são capazes de aceitar um bloco de carga de 100% em um único passo.


O desempenho de grupos geradores varia devido às diferenças nas características do regulador de voltagem, resposta do governador, projeto do sistema de combustível quanto à aspiração do motor (natural ou turbocomprimido) e como os motores são combinados. Um fator importante no projeto de um grupo gerador é a limitação das oscilações de voltagem e freqüência em níveis aceitáveis.


Curvas de Saturação do Gerador: As curvas de saturação do gerador mostram a voltagem de saída do gerador para as várias cargas à medida que é modificada a corrente no enrolamento do campo. Para o gerador típico mostrado, a curva A de saturação sem carga intersecciona a linha da voltagem nominal do grupo gerador quando a corrente do campo for aproximadamente 18 ampères. Em outras palavras, cerca de 18 ampères de corrente de campo são necessários para manter a voltagem nominal de saída do gerador sem carga.

A curva B de saturação com carga plena mostra que aproximadamente 38 ampères da corrente de campo são necessários para manter a voltagem nominal de saída do gerador quando o fator de potência com carga plena é 0,8. Veja a Figura 4-5.


Resposta do Sistema de Excitação: A corrente de campo não pode ser modificada instantaneamente em resposta à mudança de carga. O regulador, o campo do excitador e o campo principal todos têm constantes de tempo que devem ser adicionadas. O regulador de voltagem tem uma resposta relativamente rápida, enquanto o campo principal tem uma resposta significativamente mais lenta do que o campo do excitador porque ele é muitas vezes maior. Deve-se notar que a resposta de um sistema auto-excitado será aproximadamente igual a de um sistema excitado separadamente porque as constantes de tempo para os campos principal e do excitador são fatores significativos a este respeito e são comuns a ambos os sistemas.

A intensidade do campo é projetada considerando-se todos os componentes do sistema de excitação para otimizar o tempo de retomada. Ela deve ser suficiente para minimizar o tempo de retomada, mas não tanto a ponto de provocar instabilidade (ultrapassar) ou superar o motor (o qual é uma fonte limitada de energia). Veja a Figura 4-6.




Resposta à Partida do Motor: Quando se dá partida em motores, ocorre uma queda de voltagem que consiste principalmente de uma queda de voltagem instantânea mais a queda de voltagem resultante da resposta do sistema de excitação. A Figura 4-7 ilustra estes dois componentes que juntos representam a queda de voltagem transiente. A queda de voltagem instantânea é simplesmente o produto da corrente com o rotor do motor travado pela reatância subtransiente do grupo gerador. Esta ocorre antes que o sistema de excitação possa responder com o aumento da corrente de campo e, conseqüentemente, não é afetada pelo tipo de sistema de excitação. Esta queda de voltagem inicial pode ser seguida por queda posterior causada pela função de “casamento de torque” do regulador de voltagem que reduz a voltagem para descarregar o motor se este detectar uma redução significativa da rotação. Um grupo gerador deve ser projetado para otimizar o tempo de retomada e ao mesmo tempo evitar instabilidade ou tração do motor.


kVA com Rotor Travado: A corrente de partida do motor (rotor travado) é aproximadamente seis vezes a corrente nominal e não é reduzida significativamente até o motor aproximar da rotação nominal como mostra a Figura 4-8.

Esta grande corrente “momentânea” do motor causa a queda de voltagem do gerador. Além disso, a potência do motor necessária para a partida atinge aproximadamente três vezes a potência nominal do motor quando este atinge cerca de 80% da rotação nominal. Se o motor não tiver três vezes a potência nominal do motor na partida, o regulador de voltagem reduzirá a voltagem do gerador para descarregar o motor a um nível que ele possa suportar. Enquanto o torque do motor for maior que o torque da carga durante o período de aceleração, o motor será capaz de acelerar a carga até a rotação máxima. A retomada para 90% da voltagem nominal (81% do torque do motor) geralmente é aceitável pois resulta em apenas um leve aumento no tempo de aceleração do motor.




Queda de Voltagem Sustentada: Após um tempo relativamente curto (normalmente menos de 10 ciclos mas de até vários segundos), o passo de queda de voltagem transiente é um período sustentado de retomada de voltagem como mostra a Figura 4-9. O máximo de kVA para a partida do motor na Folha de Especificações do grupo gerador é o máximo em kVA que o gerador pode sustentar e ainda retomar até 90% da voltagem nominal, como mostra a Figura 4-10. Deve-se notar que este é o desempenho combinado do alternador, excitador e AVR somente. O desempenho de partida de motor de um determinado grupo gerador depende do motor, do governador e do regulador de voltagem, bem como do gerador.




Resposta à Falha: A resposta à falha de curto-circuito de geradores auto-excitados e excitados separadamente é diferente. Um gerador auto-excitado é chamado de gerador de “campo colapsante” porque o campo colapsa quando os terminais de saída do gerador estão em curto (3 fases em curto ou L-L em curto através da separação de fases).

Um gerador excitado separadamente pode sustentar o campo do gerador durante um curto-circuito porque a excitação é fornecida por um gerador de imã permanente separado. A Figura 4-11 mostra a resposta de corrente típica de curto-circuito simétrica entre as três fases de geradores auto-excitados e excitados separadamente. A corrente inicial do curto-circuito é nominalmente 8 a10 vezes a corrente nominal do gerador e é uma função recíproca da reatância subtransiente do gerador, 1/X”d. Para os primeiros poucos ciclos (A), praticamente não há diferença entre as respostas de geradores auto-excitados e excitados separadamente uma vez que eles seguem a mesma curva de redução da corrente de curto-circuito à medida que a energia do campo é dissipada.

Após os primeiros poucos ciclos (B), um gerador autoexcitado continuará a seguir a curva de redução de curtocircuito até a corrente ser praticamente zero. Para um gerador excitado separadamente, como a energia do campo é derivada independentemente, ele pode sustentar 2,5 a 3 vezes a corrente nominal com uma falha aplicada nas 3 fases. Este nível de corrente pode ser mantido durante aproximadamente 10 segundos sem danos ao alternador.

A Figura 4-12 é uma outra forma de visualizar a diferença na resposta para uma falha trifásica. Se o gerador for autoexcitado, a voltagem e a corrente “colapsarão” em zero quando a corrente for aumentada além do joelho da curva.

Um gerador excitado separadamente pode sustentar um curto-circuito direto porque ele não depende da voltagem de saída do gerador para a energia de excitação.




Temperaturas dos Enrolamentos em Curto-circuito: O problema a ser considerado na manutenção da corrente de curto-circuito é que o gerador pode ser danificado antes que um disjuntor desarme para eliminar a falha. As correntes de curto-circuito podem superaquecer rapidamente os enrolamentos do induzido do gerador. Por exemplo, um L-N desbalanceado em curto num gerador excitado separadamente, projetado para sustentar três vezes a corrente nominal, resulta em uma corrente cerca de 7,5 vezes a corrente nominal. Nesse nível de corrente,assumindo-se uma temperatura inicial do enrolamento de aproximadamente 155º C, os enrolamentos podem chegar a 300º C em menos de cinco segundos – a temperatura aproximada na qual ocorrerão imediatamente danos permanentes nos enrolamentos. Um L-L desbalanceado em curto leva poucos segundos a mais para que a temperatura dos enrolamentos atinja 300º C, e uma trifásica balanceada em curto leva um pouco mais. Veja a Figura 4-13. Consulte também Proteção do Alternador na seção Projeto Elétrico.



Como o leitor pode ver a partir desta extensa subseção sobre fundamentos e excitação, apenas duas formas básicas de sistemas de excitação influenciam uma ampla variedade de características de desempenho.

Funcionamento em modo estável, condições transientes, partida de motor, resposta a falhas, etc., são afetados por este sistema. Estes efeitos nas características são importantes nos estudos de desempenho do sistema. Veja abaixo um breve resumo das diferentes características dos sistemas auto-excitado e excitado separadamente.


• Auto-excitado

- Quedas Maiores de Voltagem
- Campo Colapsante
- Detecção Média Monofásica
- Menor Tolerância a Cargas Não-lineares
- Menor Capacidade de Partida de Motor


• Excitado separadamente

- Quedas Menores de Voltagem
- Corrente de Falha Sustentada
- Detecção RMS Trifásica
- Melhor Imunidade a Cargas Não-lineares
- Melhor Partida de Motores