IMPACTO DA CARGA ELÉTRICA NO DIMENSIONAMENTO DO GERADOR
Visão Geral
Esta seção discute o impacto das
cargas elétricas no dimensionamento do grupo gerador. É importante preparar um
esquema de cargas razoavelmente preciso na fase inicial do projeto de geração
de energia uma vez que a carga é o fator mais importante no dimensionamento do gerador.
Se todas as informações sobre o equipamento de carga, necessárias ao
dimensionamento, não estiverem disponíveis no início do projeto, os cálculos
preliminares de dimensionamento deverão basear-se em estimativas e projeções.
Novos cálculos deverão ser feitos quando houver informações atualizadas e mais
precisas.
Diferentes tipos de carga – motores, fornecimentos ininterruptos de
energia (UPS), equipamentos de freqüência variável (VFD), equipamentos de
diagnóstico por imagem e bombas de combate a incêndios têm influências
consideráveis e diferentes no dimensionamento do grupo gerador.
Aplicações e Classificações de Trabalho
Classificações de Trabalho do
Grupo Gerador
Determinar as cargas a serem
suportadas por um grupo gerador é uma função do tipo da aplicação e do trabalho
requerido. Geralmente, existem três classificações de trabalho para as
aplicações de grupos geradores: Standby, Prime ou Contínua. Estas
classificações estão definidas na Seção 2, Projeto Preliminar. Os tipos
disponíveis de grupo gerador variam de acordo com estas classificações.
Um grupo gerador usado em
aplicações Standby é uma reserva da fonte de energia principal (concessionária
de energia) e espera-se que o mesmo não seja utilizado com freqüência, de modo
que a classificação Standby é a mais alta disponível para o grupo gerador.
Espera-se que os grupos geradores classificados como Prime funcionem durante um
número ilimitado de horas e o grupo gerador é considerado a fonte principal de
energia para cargas variáveis, de modo que a classificação Prime geralmente representa
90% da classificação Standby.
Em aplicações de trabalho Contínuo, espera-se que
o grupo gerador produza a saída nominal durante um número ilimitado de horas
sob carga constante (aplicações onde o grupo gerador pode ser operado em
paralelo com a fonte principal de energia e sob carga básica). Assim, a
classificação Contínua normalmente é 70% da classificação Standby. A capacidade
de suporte de carga do grupo gerador é uma função da vida esperada ou do
intervalo entre revisões gerais.
Aplicações Obrigatórias e
Opcionais
Genericamente, as aplicações de
grupos geradores podem ser divididas em duas categorias básicas: aquelas que
são obrigatórias por força de normas (exigência legal), e aquelas que são
utilizadas por razões econômicas (geralmente associadas à disponibilidade ou
confiabilidade de energia).
Estas categorias definirão um
conjunto completamente diferente de opções quando forem tomadas decisões sobre quais
cargas serão alimentadas com o grupo gerador.
Obrigatórias por Força de Normas:
Em geral, estas aplicações são aquelas consideradas pelas autoridades como de
emergência ou standby legalmente exigidas, onde a segurança e o suporte à vida
são essenciais. Estes tipos de aplicações podem ser definidos em normas de
edifícios ou normas específicas de segurança da vida e normalmente envolvem
instalações como centros de saúde (hospitais, enfermarias, clinicas),
construção de edifícios altos e locais de grande tráfego de pessoas (teatros,
locais de convenções, praças esportivas, hotéis).
Normalmente, o grupo gerador
fornecerá energia de reserva para cargas como iluminação de saídas, ventilação,
detecção de incêndio e sistemas de alarme, sistemas de comunicação de segurança
pública e até processos industriais onde a falta de energia cria riscos de vida
ou de acidentes pessoais.
Outros sistemas legalmente
exigidos são obrigatórios quando for determinado que a falta de energia da
empresa fornecedora de eletricidade constitui um risco ou um obstáculo para as
operações de resgate ou de combate a incêndios. Para determinar as cargas
mínimas que podem ser alimentadas pelo gerador, consulte as autoridades locais para
obter normas e padrões associados. Opcionalmente,
podem ser aplicadas cargas adicionais ao gerador desde que aprovadas pelas
autoridades locais.
Essas distorções podem ser
consideravelmente maiores quando as cargas são alimentadas pelo gerador do que quando
são alimentadas pela rede da concessionária, e provocarão um aquecimento
adicional tanto no gerador quanto no equipamento de carga se não forem mantidas
sob controle. Conseqüentemente, são necessários geradores maiores do que o
exigido para alimentar cargas e limitar as alterações de voltagem e freqüência
durante as cargas transientes e as distorções harmônicas quando forem
suportadas cargas não lineares como computadores, UPSs e VFDs.
Os atuais programas de software
de dimensionamento de geradores permitem maior precisão na escolha do grupo gerador
e fornecem um nível mais alto de confiança para a aquisição de um sistema
grande o suficiente para as necessidades do cliente – e não maior. Embora a
maioria dos exercícios de dimensionamento de geradores forneça melhores
resultados com programas como o GenSize da Cummins Power Generation (veja o
Apêndice A) – ou com a ajuda de um representante do fabricante – ainda é útil saber
o que envolve a escolha correta do grupo gerador para sua aplicação.
Além da carga conectada, vários
outros fatores afetam o dimensionamento do grupo gerador: requisitos de partida
de cargas como motores e suas cargas mecânicas, desbalanceamento de cargas
monofásicas, cargas não lineares como equipamentos UPS, restrições de queda de voltagem,
cargas cíclicas, etc.
Conhecimento das Cargas
Requisitos de Carga Operacional e
de Partida
A energia exigida por muitos
tipos de carga pode ser consideravelmente maior durante a partida da carga do
que a exigida para o funcionamento estável e contínuo (a maioria das cargas
acionadas por motores não emprega nenhum tipo de equipamento de partida suave).
Algumas cargas também requerem energia de pico mais alta durante sua operação
do que durante o funcionamento (equipamentos de solda e de diagnóstico por
imagem, por exemplo).
Outras cargas (cargas não-lineares como computadores,
UPS, VFDs e outras cargas eletrônicas) provocam distorção excessiva do gerador
a menos que este seja dimensionado além do exigido para alimentá-las. A fonte
de energia deve ser capaz de atender todos os requisitos de energia da carga.
Durante a partida ou em condições
de funcionamento com carga de pico, cargas transientes súbitas podem provocar alterações
de voltagem e de freqüência prejudiciais à carga conectada ou grandes o
suficiente para impedir uma partida bem-sucedida ou o funcionamento apropriado
da carga se o gerador estiver subdimensionado.
Embora algumas cargas sejam
bastante tolerantes a oscilações transientes de voltagem e de freqüência em
curtos períodos, outras cargas são bastante sensíveis. Em alguns casos, o
equipamento de carga deve ter controles de proteção que provoquem o desligamento
da carga sob tais condições. Embora não tão críticos, outros efeitos como
redução da intensidade da iluminação ou aceleração brusca de elevadores podem
ser no mínimo incômodos.
Um grupo gerador é uma fonte
limitada de energia tanto em termos de potência do motor (kW) quanto em
volts-ampères do gerador (kVA), independentemente do tipo do sistema de excitação.
Como resultado, as mudanças nas cargas causarão o surgimento de transientes de
voltagem e de freqüência.
A magnitude e a duração desses
transientes são afetadas pelas características da carga e pelo tamanho do
gerador com relação à carga. Um grupo gerador é uma fonte de impedância
relativamente alta quando comparada com um transformador típico da rede pública
de energia. Consulte a Seção 4, Seleção do Equipamento, para mais detalhes.
Sequenciamento da Carga em Passos
Em muitas aplicações, pode ser aconselhável
limitar a quantidade de cargas a serem conectadas ou iniciadas simultaneamente
pelo grupo gerador. Normalmente, as cargas são conectadas ao grupo gerador em
seqüência para reduzir os requisitos de partida e, conseqüentemente, o tamanho
do gerador requerido. Isto requer controle da carga e equipamento para comutar
a carga para o gerador.
Para isso, são comumente
utilizados vários comutadores de transferência. Comutadores de transferência
individuais podem ser ajustados para conectar cargas em diferentes momentos
utilizando conjuntos de transferência com retardo de tempo padrão para
escalonar as cargas.
Recomenda-se um atraso de tempo de alguns poucos segundos
para permitir que o gerador estabilize a voltagem e a freqüência entre os
passos de carga. Isto, é claro, significa que qualquer emergência ou cargas
legalmente exigidas deverão ser conectadas em primeiro lugar para atender os
requisitos das normas.
As cargas que requerem mais energia para a partida, como
grandes motores, deverão ser conectadas quando houver uma quantidade mínima de
cargas. As cargas UPS podem ser deixadas por último uma vez que são alimentadas
por bateria.
Com estas informações básicas,
veja a seguir a discussão de características operacionais de cargas
individuais.
Tipos de Carga
Cargas de Iluminação: Os cálculos
de iluminação são bastante diretos, uma soma da potência de lâmpadas ou acessórios,
ou da potência requerida para os circuitos de iluminação mais a potência
requerida para reatores. Os tipos comuns de iluminação são: incandescente – conjuntos
de padrão de lâmpadas de bulbo que geralmente usam um filamento de tungstênio;
fluorescente – uma lâmpada de gás ionizado ativado por reator – aplica-se também
para iluminação de descarga de gás; e descarga – sódio de baixa pressão, sódio
de alta pressão, etc. As Tabelas 3-1 e 3-2 contêm alguns dados úteis representativos.
Cargas de Ar-condicionado: As
cargas de ar-condicionado geralmente são especificadas em toneladas. Para
estimar os requisitos de potência em quilowats, uma conversão de 2 HP/ton é
usada como uma estimativa muito conservadora da carga total para uma unidade de
menor eficiência. Se desejar uma medida mais precisa e conhece as cargas individuais
do motor e dos componentes do equipamento de A/C, some as cargas
individualmente e acrescente um fator de demanda para as cargas que podem ser
iniciadas simultaneamente.
Cargas de Motor: Existe uma
grande variedade de tipos de motores e tipos de cargas conectadas a esses
motores, cada uma das quais afeta a partida do motor e as características de
funcionamento. Veja a seguir, uma discussão sobre essas diferenças e
características e seus efeitos nas opções de dimensionamento do grupo gerador.
Baixa e Alta Inércia: A
quantidade de inércia de uma massa rotativa, como um motor e sua carga, é uma
medida de sua resistência à aceleração pelo torque de partida do motor.
O torque de partida requer mais
potência do grupo gerador (SkW) do que a carga em funcionamento. Entretanto,
antes de fazer cálculos, geralmente é suficiente caracterizar as cargas como de
alta inércia ou de baixa inércia com o objetivo de determinar a potência
necessária do motor para a partida e para acelerar as cargas dos motores.
A queda de voltagem transiente
instantânea ocorre no instante em que o motor é conectado na saída do gerador e
é estritamente uma função das impedâncias relativas do gerador e do motor. A
queda de voltagem instantânea é a queda de voltagem prevista pelas curvas de
queda de voltagem, publicadas nas folhas de dados do alternador.
Estas curvas de queda fornecem
uma ideia do que se pode esperar como queda instantânea, assumindo-se que a freqüência
seja constante. Se o motor diminuir lentamente sua rotação devido a um grande
requisito de kW para a partida, a queda de voltagem transiente pode ser
acentuada à medida que a característica de acoplamento de torque do regulador
de voltagem deixa de alimentar a excitação do alternador para auxiliar na
retomada de rotação do motor.
Após a detecção da queda de
voltagem transiente instantânea, o sistema de excitação do gerador responde aumentando
a excitação para retomar a voltagem nominal – ao mesmo tempo que o motor é
acelerado, aumentando assim sua rotação de funcionamento (assumindo-se que o motor
desenvolva torque suficiente). O torque dos motores de indução é diretamente
proporcional ao quadrado da voltagem aplicada. A aceleração do motor é uma
função da diferença entre torque do motor e os requisitos de torque da carga.
Para evitar tempos excessivos de aceleração, ou parada do motor, o gerador deve
retomar a voltagem nominal assim que possível.
O modo no qual o gerador retoma a
voltagem é uma função dos tamanhos relativos do gerador e do motor, da potência
do motor (capacidade em kW) e da capacidade de forçar a excitação do gerador.
Vários milissegundos após a queda de voltagem transiente inicial, o regulador
de voltagem aplica voltagem com força plena ao excitador do gerador resultando no
aumento da corrente de campo principal do gerador de acordo com as constantes
de tempo do excitador e do campo principal. Os componentes do grupo gerador são
projetados e dimensionados para se obter o menor tempo de resposta possível,
mantendo ao mesmo tempo a estabilidade da voltagem e evitando a sobrecarga do
motor.
Os sistemas de excitação que
respondem tão rapidamente ou que sejam tão
“bruscos” podem de fato sobrecarregar o motor durante a partida de grandes
motores. Dependendo da intensidade da carga, o gerador deverá retornar à voltagem
nominal dentro de vários ciclos, ou pelo menos dentro de alguns segundos.
MEUS PARABENS, MUITO OBJETIVO, ISTO E MUITO IMPORTANTE PARA O NOSSO TRABALHO
ResponderExcluir