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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
- Quedas Maiores de Voltagem
- Campo Colapsante
- Detecção Média Monofásica
- Menor Tolerância a Cargas
Não-lineares
- Menor Capacidade de Partida de
Motor
- Quedas Menores de Voltagem
- Corrente de Falha Sustentada
- Detecção RMS Trifásica
- Melhor Imunidade a Cargas
Não-lineares
- Melhor Partida de Motores
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