Estudo de um Gerador de Indução Assíncrono autoexcitado por capacitores
Alan Sampaio Santos Junior
DRE:109062961
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO
DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL
DO
NECESSÁRIOS
RIO
DE
PARA
A
JANEIRO
COMO
OBTENÇÃO
DO
PARTE
DOS
GRAU
DE
REQUISITOS
ENGENHEIRO
ELETRICISTA.
Examinado por:
___________________________________________________
Prof. Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing.
___________________________________________________
Rafael de Oliveira Rodrigues, M.Sc.
___________________________________________________
Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
AGOSTO DE 2015
Sampaio, Alan Santos Junior
Estudo de um Gerador de Indução Assíncrono autoexcitado
por capacitores/ Alan Sampaio Santos Junior. - Rio de Janeiro:
UFRJ/ Escola Politécnica, 2015.
X,52 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing.
Co-Orientador: Rafael de Oliveira Rodrigues, M.Sc.
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de
Engenharia Elétrica, 2015.
Referências Bibliográficas: p.46.
1. Introdução. 2. Fundamentos Teóricos. 3. Estudo do local e
tomadas das medidas. 4. Protótipo. 5. Resultado e discussão. 6.
Conclusão. 7. Referências Bibliográficas. I. Rolim, Guilherme II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso
de Engenharia Elétrica. III. Estudo de um Gerador de Indução
Assíncrono autoexcitado por capacitores.
ii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
Estudo de um Gerador de Indução Assíncrono autoexcitado por capacitores
Alan Sampaio Santos Junior
Agosto de 2015
Orientador: Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing.
Co-Orientador: Rafael de Oliveira Rodrigues, M,Sc,
Curso: Engenharia Elétrica.
Este trabalho tem por objetivo analisar um sistema de microgeração de energia
elétrica (MCH) acionado por uma fonte primária de energia hidráulica. Um protótipo
para avaliação experimental desse sistema foi criado em laboratório, a partir de
parâmetros adaptados de uma instalação real encontrada numa pequena comunidade
participante de um projeto de extensão mantido pela UFRJ. A comunidade se chama
Pouso da Cajaíba e fica localizada na Reserva Ecológica da Joatinga, na região costeira
do município de Paraty (RJ).
O protótipo do laboratório é composto por uma bomba d’água centrífuga de
múltiplos estágios, acionada através de um inversor de frequência. A rotação dessa
bomba é controlada de forma a simular a vazão e a pressão da água na instalação real.
Para geração da energia elétrica na instalação real é empregada uma turbina do tipo
Pelton, acoplada diretamente ao eixo de um gerador trifásico de indução autoexcitado
por um banco de capacitores.
Palavras-chave:
Microcentral
Hidrelétrica
Autoexcitado.
iii
(MCH),
Banco
de
capacitores,
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Electrical Engineer.
Study of an asynchronous induction generator self- excited by capacitors
Alan Sampaio Santos Junior
August/2015
Advisors: Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing.
Rafael de Oliveira Rodrigues, M.Sc.
Course: Electrical Engineering
This work aims to analyze an electricity microgeneration system driven by a primary
source of hydropower. A prototype for experimental evaluation of the system was
created in the laboratory, from suitable parameters of an actual installation found in a
small community participant of an extension project maintained by UFRJ . The
community is called Pouso the Cajaíba and is located in the Ecological Reserve Joatinga
in the coastal region of the municipality of Paraty ( RJ).
The laboratory prototype is composed of a pump multistage centrifugal water driven via
a frequency inverter. The rotation of this pump is controlled to simulate the flow and the
water pressure in the actual installation. In order to generate the electricity we use a
turbine Pelton, directly coupled to the shaft of a three-phase induction generator selfexcited by a capacitor bank.
Keywords: Eletricity Microgeneration System, Capacitor Bank, Self-excited.
iv
DEDICATÓRIA
À minha família, pelo apoio incondicional, pelo suporte, educação, amor e carinho.
v
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, Alan Sampaio Santos e Cintia Renata Sant’ana Meloni
e ao meu irmão, Raphael Meloni Santos por todo apoio e carinho incondicional
durante esses anos.
Ao meu orientador, Guilherme Rolim e ao meu Co-Orientador, Rafael
Rodrigues, pela oportunidade e comprometimento, ensinamentos e dedicação
excepcional durante o desenvolvimento desse trabalho.
Agradeço aos amigos que também acompanharam ao longo desta longa
caminhada e de alguma forma contribuíram pra minha formação pessoal e
profissional.
A minha namorada, Vanessa, que me foi minha fortaleza durante esta fase da
vida, com sua calma, paciência e organização.
A Deus, por ter me iluminado ao longo de minha trajetória acadêmica.
vi
ÍNDICE
ÍNDICE........................................................................................................................... vii
SUMÁRIO de figuras ...................................................................................................... ix
SUMÁRIO DE Tabelas ................................................................................................... ix
1.
INTRODUÇÃO ..................................................................................................1
1.1. Objetivo ............................................................................................................. 4
1.2. Metodologia ........................................................................................................... 5
1.3. Estrutura do Trabalho ........................................................................................... 6
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ....................................................................................7
2.1.
2.2.
3.
Turbina Pelton.................................................................................................... 7
Máquina Assíncrona ........................................................................................ 12
ESTUDO LOCAL E TOMADA DE MEDIDAS .............................................17
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
4.
Cálculo estimado da vazão da queda d’água ................................................... 18
Altura estimada da queda d’água ..................................................................... 20
Cálculo da Potência hidráulica ........................................................................ 20
Conclusão......................................................................................................... 21
PROTÓTIPO ....................................................................................................22
4.1. Componentes do Protótipo............................................................................... 22
4.1.1. Bomba d’água e seu acionamento; ........................................................... 23
4.1.2.
Gerador; .................................................................................................... 27
4.1.3.
Compensação de reativos; ........................................................................ 28
4.1.4.
Carga; ....................................................................................................... 28
4.1.5.
Medidores de pressão e vazão .................................................................. 29
4.1.6.
Bocal Ejetor .............................................................................................. 30
4.1.7.
Turbina Pelton .......................................................................................... 31
4.2.
4.3.
4.4.
5.
Informações adicionais .................................................................................... 32
Esquema do projeto ......................................................................................... 34
Conclusão......................................................................................................... 35
RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................36
5.1. Bateria de testes ............................................................................................... 38
5.1.1. Descrição do Teste.................................................................................... 38
5.1.2.
Resultados esperados e Pontos de Operação ............................................ 38
5.1.3.
Material de Medição ................................................................................. 40
vii
5.1.4.
5.2.
Resultados obtidos .................................................................................... 41
Discussão ......................................................................................................... 43
6.
CONCLUSÃO ..................................................................................................45
7.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................46
ANEXO - .........................................................................................................................48
viii
SUMÁRIO DE FIGURAS
Figura 1. Imagem de satélite de Pouso da Cajaíba [7] ................................................... 1
Figura 2. Relação entre altura (H) e vazão nas Turbinas (Q) [12] ............................... 8
Figura 3 Esquema de funcionamento da turbina Pelton [9] ......................................... 11
Figura 4 Potência Líquida versus velocidade na turbina Pelton ................................... 11
Figura 5. Perfil da máquina de indução tipo gaiola [10] .............................................. 14
Figura 6. Relação entre curva de magnetização e reatância capacitiva ....................... 16
Figura 7. Pouso da Cajaíba – Paraty RJ ....................................................................... 17
Figura 8. Vista da Roda d’água ligada ao eixo ............................................................. 18
Figura 9. Roda d’água artesanal de Pouso da Cajaíba ................................................ 19
Figura 10. Posicionamento da Roda d’água.................................................................. 20
Figura 11. Curvas características em função da potência do motor da Bomba d’água
[8] ................................................................................................................................... 23
Figura 12. Curvas características em função da rotação do motor da Bomba d’água
[8]. .................................................................................................................................. 24
Figura 13. Curva característica de Pressão e Vazão da Bomba d’água ....................... 25
Figura 14. Inversor Weg CFW09 [14]. .......................................................................... 26
Figura 15. Curvas características em função da potência do Gerador [8] .................. 27
Figura 16. Curvas características em função da rotação do Gerador [8] .................... 28
Figura 17. Esquema de ligação. ..................................................................................... 29
Figura 18. Medidor de Vazão. ....................................................................................... 29
Figura 19. Medidor de Pressão...................................................................................... 30
Figura 20. Bocal Ejetor [19].......................................................................................... 30
Figura 21. Desenho técnico da Turbina Pelton. ............................................................ 31
Figura 22. Turbina Pelton. ............................................................................................. 31
Figura 23. Protótipo. ...................................................................................................... 32
Figura 24. Vista superior do protótipo. ......................................................................... 33
Figura 25. Bomba d’água – máquina de Indução.......................................................... 33
Figura 26. Cargas e o banco de capacitores ................................................................. 34
Figura 27 Diagrama de blocos do protótipo.................................................................. 34
Figura 28. Circuito equivalente por fase do gerador de indução [4] ............................ 39
Figura 29. Tensão do sistema CASO 1 a vazio .............................................................. 48
Figura 30. Tensão do sistema CASO 1 com carga nominal de 200 W .......................... 49
Figura 31. Tensão do sistema CASO 1 com carga nominal de 300 W. ........................ 50
Figura 32. Tensão do sistema CASO 1com carga nominal de 400 W ........................... 50
Figura 33. Tensão do sistema CASO 2 a vazio .............................................................. 51
Figura 34. Corrente do sistema CASO 2 a vazio ........................................................... 52
SUMÁRIO DE TABELAS
Tabela 1. Principais características do motor da Bomba d’água [8] ........................... 23
Tabela 2. Principais características do gerador [8] ...................................................... 27
Tabela 3. Resultados dos testes aplicados no CASO 1 .................................................. 41
Tabela 4. Velocidade tangencial na Turbina CASO 1 ................................................... 41
Tabela 5. Resultados dos testes aplicados no CASO 2 .................................................. 42
Tabela 6. Resultados dos testes a vazio aplicados no CASO 2 ...................................... 42
Tabela 7. Velocidade tangencial na Turbina CASO 2 ................................................... 43
ix
Tabela 8. Resultados de Potência dos testes com carga nominal de 200 W no CASO 1 49
Tabela 9. Resultados de Potência dos testes com carga nominal de 300 W no CASO 1 50
Tabela 10. Resultados dos testes a vazio aplicados no CASO 2 .................................... 52
x
1. INTRODUÇÃO
Uma das principais motivações deste projeto é a busca por fontes alternativas de
energia para suprimento de localidades remotas, visto que ainda pode ser observada
atualmente em tais localidades uma grande demanda reprimida de energia. Nesse
contexto destacam-se economicamente como fontes de geração de energia as micro
centrais hidrelétricas (geração de até 100 KW), a energia solar, energia eólica e
biomassa. Estas são exemplos de fontes complementares em nosso sistema atual de
geração. Além disso, no Brasil existem várias áreas com grande dispersão populacional,
pouca atividade econômica, consequentemente baixo consumo energético. Tais locais
podem ser vilas, povoados tradicionais, propriedades agrícolas entre outros. Para estas
áreas é imprescindível o fornecimento de energia elétrica para que haja um melhor
desenvolvimento socioeconômico e melhoria de condições de vida [1]. Na Figura 1 é
mostrada numa imagem de satélite da localização geográfica da comunidade.
Figura 1. Imagem de satélite de Pouso da Cajaíba [7]
1
Com esse pensamento de melhoria e perspectiva de desenvolvimento sustentável
de pequenas comunidades, foi iniciado em 2009 um projeto de extensão1, na
comunidade Pouso da Cajaíba em Paraty/RJ. Tal iniciativa tomou lugar nessa
comunidade devido à distância do pequeno povoado, situado em uma praia de difícil
acesso, do abastecimento de energia elétrica proveniente das redes públicas. O grupo
responsável pelo projeto era vinculado ao LAFAE e ao Núcleo de Solidariedade
Técnica (SOLTEC/UFRJ), que é um Núcleo Interdisciplinar de Extensão, Pesquisa e
Ensino, que desenvolve projetos em rede com abordagem territorial e participativa.
O Pouso da Cajaíba é uma pequena comunidade caiçara localizada na enseada
do Pouso, em Paraty, no Rio de Janeiro. A comunidade tem aproximadamente 200
moradores que vivem basicamente da pesca, mas atualmente o turismo também vem se
tornando uma importante fonte de renda. Devido à distância da comunidade de Paraty e
da ação precária do poder público, a comunidade não dispõe de energia elétrica
proveniente da rede interligada de energia. Logo, lhes restavam pouquíssimas formas de
obtenção de energia elétrica. No projeto aqui descrito, a geração de energia seria
proveniente de fontes renováveis como a solar, eólica ou a hidráulica. Como solução
para aumentar a geração de energia elétrica, foi desenvolvido pelos moradores um
sistema de geração a partir de uma roda d'água.
Em concordância com a abordagem participativa adotada no projeto de extensão
que deu origem a este trabalho, foram estudados inicialmente aspectos sociais e
históricos da cultura caiçara, apresentados resumidamente a seguir. Da bibliografia
existente [11] a respeito da cultura caiçara pode-se verificar que desde os seus
primórdios o principal transporte no mar é a canoa de origem indígena feita em um
único tronco, salvo hoje em dia que embarcações maiores com motores são usadas para
1
Projeto cadastrado na PR-5 com o título “Mapeamento energético para aproveitamento de fontes
renováveis em Paraty/RJ”.
2
turismo e pesca. A alimentação deles provém basicamente da pesca e da agricultura de
subsistência, sendo o prato mais comum o arroz, feijão, farinha de mandioca e peixe
frito. A religião predominante é a católica, herdada dos portugueses, mas atualmente há
forte presença de igrejas evangélicas em comunidades caiçaras. Destaca-se também pelo
vasto conhecimento no uso de plantas para fins medicinais.
Fazendo parte das culturas litorâneas brasileiras, os caiçaras representam um
forte elo entre o homem e seus recursos naturais, gerando um raro exemplo de
comunidade harmônica com o seu ambiente. Cotidianamente, turistas e aventureiros que
buscam o litoral Sudeste como abrigo para as suas férias, se deparam, sem saber, com
uma das mais belas e antigas culturas brasileiras [6].
Citam-se dois grandes projetos na comunidade caiçara em Paraty, um
patrocinado pelo PRODEEM (Programa de desenvolvimento energético para estados e
municípios) no qual a escola, posto de saúde e as igrejas foram beneficiados com a
instalação de placas solares fotovoltaicas, baterias e controladores de carga. O outro
grande projeto teve a parceria do governo do estado e a companhia El Paso, no qual
inicialmente foi instalado um sistema de geração fotovoltaica para central frigorífica
que foi mais tarde transformada em uma central de cultura. Tais projetos são associados
a outras iniciativas de inclusão de comunidades isoladas a energia elétrica. Proveu-se
então um sistema básico de geração fotovoltaica de energia elétrica à comunidade Pouso
da Cajaíba entre outras comunidades localizadas em praias ou regiões de reserva
distantes de distribuição de energia elétrica principal. Foram instaladas placas
fotovoltaicas, baterias e controladores de carga nas casas a fim de converter energia
solar em energia elétrica. Além disso, houve iniciativas com geração eólica em Pouso
da Cajaíba, mas a posição da praia em relação às montanhas a sua volta não favorece a
produção de energia com essa fonte.
3
Diante das dificuldades decorrentes da falta de infraestrutura na comunidade, um
dos moradores, chamado tradicionalmente como Zorro, motivou-se a buscar soluções,
aproveitando as condições geográficas do local. Zorro cuida do sistema de distribuição
de água para a comunidade, e teve a ideia de construir uma micro central hidrelétrica,
também conhecida como roda d’água. Com o próprio encanamento que é utilizado para
a distribuição de água, foi feita a ramificação com uma tubulação de 1”, com a redução
para uma tubulação de ½” chegando na caixa onde foi colocada a turbina tipo Pelton
artesanal, como pode ser visto nas figuras 8 e 9. A turbina foi construída pelo próprio
Zorro, com seu eixo ligado a uma roda de bicicleta e essa ligada através de uma correia
a um pequeno gerador (alternador de caminhão antigo). Esse sistema não funcionou a
princípio devido a alguns problemas na construção do sistema, além também do gerador
usado na época ser um alternador muito antigo de caminhão. No entanto, posteriormente
foi construído um sistema parecido com este, no qual ocorreu somente a troca do
gerador, possibilitando que o conjunto funcionasse. Hoje, ele produz energia elétrica
suficiente para abastecer quatro casas existentes ao redor da roda d’água. Contudo, foi
observado que o sistema operava de forma pouco estável, com aparentes problemas de
regulação de tensão e frequência, quando eram ligadas ou desligadas cargas nas casas
abastecidas por ele. A observação desse fato serviu de motivação para a realização deste
trabalho.
1.1. Objetivo
O objetivo principal deste trabalho é analisar esse sistema de microgeração de
energia elétrica e avaliar possíveis melhorias no seu projeto, num protótipo de
laboratório dimensionado e construído para funcionar com condições iguais ou
próximas às de Pouso da Cajaíba.
4
Além disso, têm-se como meta mais específica avaliar a capacidade de
estabilização de um gerador assíncrono com um banco de capacitores em paralelo para
suprimento de reativos, acionado por uma turbina Pelton sem controle de jato d'água, e
submetido a variações da potência ativa demandada pela carga.
1.2. Metodologia
A metodologia utilizada neste estudo originou-se de uma pesquisa bibliográfica
por formas de implantação prática de um sistema de geração isolada da rede elétrica,
onde a fonte energética seria a hídrica, com máquinas assíncronas como geradores.
Além disso, foi tomado como parâmetro o uso da turbina Pelton acoplada ao eixo do
gerador assíncrono, e a utilização de um banco capacitivo para o equilíbrio reativo do
sistema.
Com base em casos similares relatados na literatura, foram formulados possíveis
arranjos para solução do problema da microgeração hidrelétrica no Pouso da Cajaíba,
adaptando os parâmetros e a estrutura do sistema de acordo com as condições locais.
Assim, como possível solução para o problema de geração de energia para
algumas casas da comunidade, foram tomados os parâmetros geográficos reais para
elaboração de um protótipo em laboratório, para que fossem estudados os resultados
obtidos e assim verificar o desempenho da geração em relação à alimentação da carga.
Para que haja adequação do projeto em laboratório com os parâmetros reais,
foram tomadas medidas de altura de queda de água e a vazão da canalização. Com esses
dados foi possível determinar o equipamento necessário e específico, como a turbina
que será usada pelo sistema.
Para avaliar o desempenho da geração em seus aspectos elétricos, será utilizado
um equipamento de medição chamado de qualímetro, que é capaz de medir potência
ativa e reativa do sistema, além de harmônicos, tensão e corrente.
5
1.3. Estrutura do Trabalho
Além do presente capítulo, que mostrou um breve contexto do trabalho,
principais objetivos e suas justificativas, estruturou-se o mesmo com mais cinco
capítulos.
O segundo capítulo tem por função levantar os fundamentos teóricos do projeto,
para que haja embasamento nas conclusões e resultados obtidos.
No terceiro, foi analisado o local onde foi inspirado o projeto. Foram tomadas as
medidas de vazão e altura da queda para que fosse dimensionado o equipamento que
deveria ser usado para o protótipo.
O quarto capítulo está centrado na definição do Protótipo e seus componentes.
Há uma discriminação e qualificação dos elementos do projeto.
Já no quinto capítulo do trabalho são apresentados e discutidos os resultados
obtidos a partir de alguns valores escolhidos para o banco de capacitores.
Finalizando, o sexto capítulo apresenta as conclusões do trabalho.
6
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Este capítulo tem por função descrever melhor os fundamentos e funcionamento
da turbina pelton associada à máquina assíncrona. Serão apresentadas as principais
características da turbina escolhida para o projeto, além da explicação referente ao uso
da máquina assíncrona para o projeto.
2.1. Turbina Pelton
As turbinas têm por função transformar a potência hidráulica do jato d'água
incidente em potência mecânica no eixo da máquina. Elas são acopladas ao eixo do
gerador de energia elétrica que é conectado à rede.
Há quatro tipos de turbinas principais: Pelton, Francis, Kaplan e Bulbo. O tipo
de turbina é escolhido pelo tipo do sistema utilizado, dependendo assim de suas
condições de queda e vazão da água.
Para o projeto em questão foi escolhida a turbina Pelton. Ela é comumente
utlizada em tipos de queda da água que se encaixam no patamar de 40 a 1100m como é
possível observar na figura 2. A partir deste gráfico de estudo de vazão de água e altura
da queda d’água é possível obter a melhor turbina para a área e atividade requisitada.
7
Figura 2. Relação entre altura (H) e vazão nas Turbinas (Q) [12]
Este tipo de turbina possui um bocal como distribuidor, proporcionando sobre a
pá do receptor um jato na forma de cilindro. Tal jato é ajustado através de uma agulha
na saída do distribuidor. O receptor da turbina possui pás com formato de conchas, que
são dispostas ao longo de um disco, preso a um eixo. Além disso, tais turbinas podem
ter cerca de até seis jatos injetores, assim como um defletor de jato, que o intercepta e o
desvia das pás quando a demanda de potência requisitada pela rede de energia sofre
grande diminuição. Percebe-se que seu acionamento possibilita independência entre as
pás, logo sua curva de eficiência é plana, o que lhe dá um melhor desempenho em
diversos cenários de utilização.
8
A potência de uma turbina pode ser calculada pela seguinte expressão:
(1)
Onde,
ρ: vazão volumétrica
μ: massa específica da água
g: aceleração da gravidade
h: altura da queda d’água
η: eficiência do processo
O índice η é a eficiência total da turbina. A eficiência é a fração da energia total
da fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no caso
potência de eixo). As principais causas da "perda" de energia nas turbinas são:

Perdas hidráulicas: Há um desprezo de água por parte das pás da turbina devido
a pressão da água, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada
pela turbina.

Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor
perdido pelo aquecimento dos mancais.
Como dito anteriormente existem vários tipos de turbinas que são adequadas
para determinados tipos de queda. No caso desse projeto foi empregada uma turbina
Pelton e serão expostas algumas características referentes à sua eficiência energética.
A turbina foi inventada na década de 1870, e tem por principal característica ser
uma turbina de impulso. Seu funcionamento é simples. Um rotor em forma de anel é
dotado de conchas, que são arrastadas através da ação de um fluxo tangencial de água,
proporcionado por um bocal ejetor. O bocal ejetor é normalmente dotado de uma agulha
para regulagem da vazão de água. Contudo, neste trabalho o bocal ejetor empregado
tem abertura fixa, portanto não permite controle da vazão. Turbinas práticas podem ter
9
mais de um injetor, tendo assim dois bocais ejetores no mínimo para melhor
desempenho.
O formato das conchas desvia o fluxo para uma direção quase oposta à direção
original, resultando em uma variação de momento linear e, por consequência, em uma
força tangencial que aciona o rotor. As conchas têm cavidades duplas para distribuir
igualmente o fluxo para cada lado, de modo que os esforços axiais se anulam. É
considerada uma das mais eficientes, pois sua forma construtiva permite deduzir que é
uma turbina adequada para altas pressões de água e vazões relativamente baixas. É
considerada uma das mais eficientes.
A Figura 3 exprime basicamente a operação da turbina Pelton: água sai de um
bocal injetor com velocidade
velocidade
e atinge uma concha, que, por sua vez, tem uma
. Desde que a concha tem dimensões pequenas em relação ao rotor, essa
velocidade pode ser considerada constante em toda a concha. Usando a relação básica
de movimento circular uniforme,
, onde ω é a velocidade angular do rotor.
É possível concluir ao observar a figura que teoricamente, toda a queda de
pressão ocorre no injetor e a operação ocorre apenas pelo desvio da direção do fluxo, o
que caracteriza um tipo de puro impulso.
10
Figura 3 Esquema de funcionamento da turbina Pelton [9]
A turbina Pelton representada na Figura 3 tem sua curva de potência líquida em
função da velocidade tangencial encontrada na Figura 4. Assim, é possível notar a
coerência com a prática: se o rotor não gira (
), a potência é nula. Se a velocidade
da concha é maior ou igual à velocidade do jato ( ), não há impacto e a potência é
também nula. A simetria permite deduzir que a potência máxima ocorre com
Figura 4 Potência Líquida versus velocidade na turbina Pelton
11
.
Sabe-se, através de testes executados em Pouso da Cajaíba, que tem-se uma
vazão pequena de
m³/s e altura de 70 m. A turbina Pelton, entre as turbinas,
possui melhor rendimento em sistemas de vazão baixa e maiores quedas, pois devido a
sua estrutura consegue obter melhor aproveitamento final da energia de entrada. Além
disso, a turbina possui fácil manejo devido as suas características de construção e uso,
valendo salientar que sua aquisição é mais acessível do que as demais.
2.2. Máquina Assíncrona
As máquinas síncronas são as mais comumente utilizadas para geração de
energia elétrica Isto se deve à facilidade de controle das potências ativa e reativa,
frequência e tensão. Apesar dessas facilidades, para quantidades menores de produção
de energia se torna mais lógico o uso de outro tipo de solução, visto que, se torna
inviável sua instalação devido ao seu alto custo e manutenção delicada. Para produções
menores de energia então, se faz uso de máquinas assíncronas pois são mais simples,
porém, lhes confere robustez, confiabilidade e economia. Outra grande vantagem é a
relação de potência/peso (W/Kg) que é maior [2].
Os geradores síncrono e assíncrono são conhecidos também como alternador e
gerador de indução respectivamente. Os alternadores têm maior aplicabilidade como
geradores de centrais elétricas de grande porte, tanto como hidrelétricas ou térmicas,
sendo o gerador de corrente alternada mais usual. Também podem ser usados como
geradores em aplicações de pequenas potências.
Os geradores assíncronos são usualmente empregados em centrais elétricas,
como hidrelétricas ou em aerogeradores para produzir energia elétrica a partir da
energia eólica.
12
Gerador assíncrono tem como grande desvantagem comparados com gerador
síncrono a característica de absorverem energia reativa da rede. Força-se então que os
geradores assíncronos utilizem fontes de compensação do fator de potência como banco
de condensadores.
Os geradores síncronos trabalham com uma velocidade de rotação igual à
velocidade do campo girante, também conhecida como velocidade síncrona. Já os
assíncronos rodam com uma velocidade superior à velocidade sícrona, existindo
escorregamento (s) do rotor em relação ao campo girante [5].
A montagem da máquina assíncrona é simples, sua estrutura é dividida em
duas partes: estator e rotor, sendo a primeira fixa e a segunda móvel separado por um
entreferro. A máquina de indução pode ser construída de duas formas, com o rotor
bobinado ou como está exposta na figura 5 abaixo, que é denominada do tipo gaiola.
Para o projeto, será usada a do tipo gaiola, pois possui construção mais simples.
A máquina do tipo gaiola tem seu rotor em curto circuito, o indutor se localiza
no estator e o induzido no rotor. Sendo uma máquina trifásica, suas três fases estarão no
enrolamento do estator. Já a máquina de rotor bobinado é constituída por um
enrolamento trifásico ligados ou a um ligador centrífugo ou a 3 anéis em cobre isolados
e solidários com o rotor. A ligação ao exterior é obtida através de 3 escovas que fazem
contato com cada um destes anéis. A máquina de rotor bobinado apresenta então uma
vantagem em relação as máquinas de rotor em gaiola, que é normalmente aproveitado
para a melhoria da característica de arranque destas máquinas. Entretanto, devido a
existência de escovas, esse tipo de construção demanda uma manutenção e atenção
maior do que a do tipo gaiola [5].
13
Figura 5. Perfil da máquina de indução tipo gaiola [10]
Para a ligação do sistema na rede de alimentação de energia, o sistema deve ser
equalizado para termos o mesmo nível de tensão e distorção harmônica mínima. Hoje,
pode-se listar 3 formas de integração: Autoexcitação, conversor eletrônico e regulação
na fonte.
O uso de banco de capacitores em um sistema de geração com máquina de
indução se faz útil em sistemas isolados geograficamente. Além de ser uma solução de
baixo custo e fácil instalação, trazem segurança e proteção ao equipamento. A excitação
em sistema de geração conectada diretamente a carga trazem problemas bastante
relevantes como uma falta na rede por algum momento, pois mesmo com a rede em
falta os motores continuam girando mantendo assim altas tensões. Uma consequência
dessa inércia na rotação seria a danificação de motores ou sistemas ligados em paralelo,
tornando-se um risco enorme as pessoas em volta [3].
14
O transitório da autoexcitação é chamado de escorvamento. Pode-se definir
velocidade do eixo do rotor, valor do capacitor e a carga como características. Tais
características tornam a saturação magnética complexa, pois qualquer mudança em uma
delas causa diferença na saturação magnética.
O circuito magnético para alcançar o equilíbrio, ou seja, a saturação magnética
necessita que haja uma interceptação entre a curva de magnetização e a reta de reatância
capacitiva. A interceptação em um sistema de autoexcitação ocorre apenas se a máquina
possui um magnetismo residual, pois a adição deste magnetismo com a rotação do eixo da
máquina a uma velocidade permite que uma corrente reativa circule pelos enrolamentos do
estator através da indução de uma tensão alternada. Um fluxo de reação de armadura é
então produzido através desta corrente reativa, que é acrescido ao magnetismo residual
inicial. A tensão induzida é proporcional a este fluxo, logo é iniciado um processo cíclico
que tem como ápice a interceptação entre a curva de magnetização e a reta de reatância
capacitiva. Com isso, o equilíbrio do circuito magnético é alcançado.
A velocidade angular possui grande papel no ponto de equilíbrio entre as curvas,
pois com variações na rotação do eixo, a tensão gerada será alterada assim como a
frequência. Caso haja uma redução da velocidade, a curva de magnetização tem seu
deslocamento para baixo. Já com o aumento da velocidade, a curva de magnetização se
desloca para cima. A Figura 6 apresenta três exemplos no qual foi variada a velocidade
angular do sistema assim como a capacitância conectada ao sistema. Vê-se que as curvas
vermelhas mostram uma capacitância baixa e velocidade angular
verdes mostram capacitância mais alta e velocidade angular
e a curvas
.
Além disso, percebe-se grande impacto do dimensionamento do banco de
capacitores no equilíbrio do circuito magnético da máquina, pois com valores maiores para
o capacitor há uma menor inclinação da reta de reatância capacitiva. Assim, a interceptação
com a curva de magnetização seja em valores altos de tensão. No caso extremo, a reta de
15
reatância capacitiva irá sobrepor-se a região da curva de magnetização, tornando possível
vários valores de tensão, causando assim total instabilidade.
Entretanto, quando se tiver valores mais baixos para os capacitores, a interceptação
com a curva de magnetização é obtida com valores menores de tensão. Mantendo a analogia
é possível perceber que usando um valor muito pequeno de capacitor tem-se a interceptação
ocorrendo em regiões onde há praticamente apenas o fluxo residual. Com isso, há
impossibilidade de escorvamento.
Figura 6. Relação entre curva de magnetização e reatância capacitiva
Diante disso, percebe-se uma grande complexidade na escolha do valor do banco
de capacitores e a velocidade de rotação do eixo, pois ambos podem acarretar
instabilidade à rede [4].
16
3. ESTUDO LOCAL E TOMADA DE MEDIDAS
Este projeto tem por finalidade analisar o sistema de microgeração de energia e
avaliar possíveis melhorias com o uso de um gerador assíncrono com rotor em gaiola,
na ligação do protótipo que ensaia uma micro geradora hidrelétrica em produção. O
dimensionamento foi todo baseado nas condições reais da geografia de Pouso da
Cajaíba. Inicialmente a ideia de estimação de cargas elétricas foi baseado nas casas
alimentadas pela Roda d’água instalada. Entretanto, isso foi deixado de lado já que o
intuito do projeto é avaliar possíveis melhorias com o uso de um gerador assíncrono
com rotor em gaiola, tendo como estabilizador de potência reativa para ligação do
sistema de carga um banco de capacitores.
Figura 7. Pouso da Cajaíba – Paraty RJ
17
3.1. Cálculo estimado da vazão da queda d’água
Numa visita inicial ao local onde foi instalada a roda d'água, foi estimada a
vazão da queda água a partir do procedimento descrito a seguir. A vazão foi calculada
com um balde de 8,5 litros posicionado na saída do tubo que escoa a água do interior da
“caixa” que protege a roda d’água.
Com o próprio encanamento que é utilizado para a distribuição de água, foi feita
uma ramificação com uma tubulação de 1” com uma redução para uma tubulação de ½”
chegando na caixa onde foi colocada uma turbina tipo Pelton artesanal, como mostrado
nas figuras 8 e 9, construída pelo próprio Zorro, com seu eixo ligado a uma roda de
bicicleta e essa ligada através de uma correia a um pequeno gerador.
Figura 8. Vista da Roda d’água ligada ao eixo
18
Figura 9. Roda d’água artesanal de Pouso da Cajaíba
Essa medição pode ter um erro considerável pelos seguintes motivos:
- Se houver acúmulo de água dentro da “caixa”, este não está sendo considerado nessa
estimativa.
- Devido à profundidade do balde, a perturbação da água era grande a ponto de haver
imprecisão a respeito do instante em que o balde encheu.
- O tempo de reação visual do ser humano operar o cronômetro é alto para a vazão a ser
calculada usando um balde como instrumento.
Com isso, chegou-se ao cálculo estimado da vazão. O resultado foi 4,25 l/s, no
qual se dá uma incerteza de aproximadamente 2 l/s, levando em consideração que houve
um atraso de cerca de 0,5 s para travar o cronômetro.
19
3.2. Altura estimada da queda d’água
O cálculo estimado da altura da queda d’água foi realizado a partir de um GPS.
Seu resultado foi 70m. Também com uso do GPS foram medidas as coordenadas da
roda d’água e de sua captação de água. Essas medidas estão marcadas no esquema da
Figura 10.
Figura 10. Posicionamento da Roda d’água
3.3. Cálculo da Potência hidráulica
A partir dessas duas medidas e considerando uma eficiência (η) de 50%, é
possível determinar a potência hidráulica através da seguinte equação (1):
Onde,
ρ : vazão volumétrica
μ : massa específica da água, considerada igual a 10³Kg/m³
g : aceleração da gravidade, considerada igual a 9,8m/s²
h : altura da queda d’água
η : eficiência do processo, considerada igual a 50%
20
Aproximadamente,
3.4. Conclusão
Neste capítulo foi estimada a altura da captação para que pudesse ser calculada a
potência hidráulica a ser obtida no bocal da turbina.
Além disso, se calculou a vazão e a partir desses dados foi possível escolher que
tipo de equipamento seria usado, como por exemplo, a turbina e a potência do gerador
escolhido.
Foi possível observar que devido a dificuldades de acesso à praia onde se
encontra a comunidade e aos locais de instalação da turbina e da captação de água, não
foi possível obter grande precisão ou exatidão na medição dos parâmetros apresentados
neste capítulo. Entretanto, tais valores foram suficientes para prosseguir na construção
do protótipo.
21
4. PROTÓTIPO
Neste capítulo serão apresentadas as principais características de cada
componente e sua importância no protótipo.
O protótipo criado tem por propósito representar um sistema real na comunidade
do Pouso da Cajaíba que é uma comunidade isolada e sem rede de energia elétrica. Para
essa finalidade foi projetada uma micro central hidrelétrica, cujo suprimento de água
reproduz em laboratório a pressão e a vazão da queda d'água existente no local, por
meio de uma bomba hidráulica predial controlada por um inversor de frequência,
operando num circuito hidráulico fechado.
O jato d'água produzido pela bomba aciona um sistema de geração elétrica
formado por uma turbina do tipo Pelton, acoplada diretamente ao eixo de um gerador
assíncrono de 2,2 kW.
Para simular o circuito elétrico de geração isolado da rede, um banco de
capacitores é conectado em paralelo com a máquina assíncrona, a fim de suprir sua
demanda de potência reativa.
4.1. Componentes do Protótipo
O Protótipo montado nesse projeto foi discriminado nos subitens abaixo a fim de
que se tenha um melhor entendimento de cada componente e suas principais
características. Dentre os componentes podemos citar a bomba d’água, gerador, turbina,
inversor de frequência e medidores.
22
4.1.1.
Bomba d’água e seu acionamento;
A bomba utilizada para os testes é acionada por uma máquina de indução do tipo
gaiola de esquilo da WEG, modelo W22 PLUS com as características apresentadas na
tabela 1:
Tabela 1. Principais características do motor da Bomba d’água [8]
Frequência
60 Hz
Tensão
220/380/440V
Pólos
2
Potência
de saída
kW
5.5
Rotação
nominal
3495
rpm
Eficiência (%)
Fator de Potência
50%
75%
100%
50%
75%
100%
86.5
88.2
88.7
0.71
0.82
0.87
Correntes
nominais
18,8/10,9/9,38
A
As curvas características do motor da bomba são mostradas na Figura 11 e
Figura 12, elas foram obtidas diretamente da página do fabricante na internet.
Figura 11. Curvas características em função da potência do motor da Bomba d’água [8]
23
Figura 12. Curvas características em função da rotação do motor da Bomba d’água [8].
Para a escolha da bomba, foi recomendado pelo fornecedor que fosse usado a
bomba Schneider ME-2375V 7,5 cv. Tal recomendação teve como parâmetro a vazão
medida em Pouso da Cajaíba, 4,25 ⁄ , que usando as unidades do gráfico da Figura 13,
tem-se o valor de
⁄ . Apesar da recomendação do fabricante, analisando o
gráfico da bomba de pressão e de vazão da Figura 13 vê-se que a curva da bomba
escolhida não respeita o valor de vazão pedido. Pode-se se verificar na Figura 13 o
ponto de operação da turbina como prova de não conformidade com a bomba escolhida.
Esse tipo de bomba é usado em prédios ou edificações que necessitam de alta
pressão. A bomba é uma Schneider ME-2375V 7,5 cv, e abaixo temos o gráfico da
Figura 13 referente a pressão e vazão da bomba[16].
24
Figura 13. Curva característica de Pressão e Vazão da Bomba d’água
Sabe-se que o diâmetro do bocal do protótipo é igual a 13 mm e a pressão
especificada são 70 m.c.a. Usando a relação de vazão abaixo da equação (2) pode-se
chegar à vazão ideal para o sistema [15].
√
(2)
Onde:

Q – Vazão de saída do bocal ( ⁄

D – diâmetro do bocal (mm)

H – Pressão dinâmica no bocal (m.c.a)
)
Logo a vazão que foi projetada para projeto é igual a:
⁄
⁄
Usando-se o resultado da equação (2) pode-se estimar qual será a velocidade
ideal de saída do bocal. Basta dividirmos a vazão pela área do bocal.
⁄
⁄
25
⁄
(3)
No caso ideal essa velocidade da equação (3) deve ser o dobro da assumida pela
concha da turbina. Logo a velocidade tangencial ideal na concha turbina deve ser:
⁄
⁄
(4)
A bomba é acionada e controlada através de um inversor de frequência também
da marca WEG, modelo CFW09 [14]. O inversor é alimentado com a tensão da rede de
220V e configurado para diversos cenários de testes onde foi variada a vazão de saída
da bomba mediante a variação da frequência de saída do inversor, mantendo constante a
relação V/f (tensão sobre frequência). Segue abaixo foto do Inversor na Figura 14:
Figura 14. Inversor Weg CFW09 [14].
26
4.1.2.
Gerador;
O gerador do sistema também é uma máquina de indução do tipo gaiola da
marca WEG, modelo W22 PLUS. Suas principais características estão mostradas na
Tabela 2.
Tabela 2. Principais características do gerador [8]
Frequência
60 Hz
Tensão
220/380V
Pólos
4
Potência
de saída
kW
2.2
Rotação
nominal
1735
rpm
Eficiência (%)
Fator de Potência
50%
75%
100%
50%
75%
100%
83.8
84.8
85.1
0.64
0.76
0.83
Suas curvas estão discriminadas na Figura 15 e 16 abaixo:
Figura 15. Curvas características em função da potência do Gerador [8]
27
Corrente
nominal
8,18/4,74
A
Figura 16. Curvas características em função da rotação do Gerador [8]
4.1.3.
Compensação de reativos;
A carga, seja ela qual for, para que seja ligada e funcione corretamente necessita
que a potência reativa esteja equilibrada, visto que o gerador assíncrono consome
reativos para que seja gerada tensão. Para isso escolheu-se como método de
compensação a autoexcitação pelo uso de banco de capacitores.
4.1.4.
Carga;
Com a finalidade de facilitar a variação da carga durante os experimentos, foi
escolhido como carga um banco de lâmpadas dispostas em delta. São dispostas
3lâmpadas por fase totalizando um potência nominal de 400W (1 lâmpada de 200W e 2
lâmpadas de 100W).
As lâmpadas são incandescentes puramente resistivas. A Figura 17 com a
disposição da carga mostrando a distribuição das lâmpadas.
28
Figura 17. Esquema de ligação.
4.1.5.
Medidores de pressão e vazão
Para melhor medição dos parâmetros básicos do projeto como pressão de saída
da água e vazão foram colocados medidores para que durante os testes pudessem ser
acompanhados os valores dando mais precisão aos resultados.
O medidor de vazão usado é um Blit da Blaster Controles Nº Série 349E-12
[17]. Já o medidor de pressão utilizado no protótipo é um WIKA PGT11-40, de 0 a 10
bar [18]. Pode-se observar imagens de exemplo abaixo, nas Figuras 18 e 19.
Figura 18. Medidor de Vazão.
29
Figura 19. Medidor de Pressão.
4.1.6.
Bocal Ejetor
O bocal usado no protótipo para ejetar a água é um esguicho de jato sólido
da Metalchama [19]. Na Figura 20 abaixo é visto um exemplo:
⁄
Figura 20. Bocal Ejetor [19].
30
4.1.7.
Turbina Pelton
A turbina Pelton utilizada no projeto está especificada nas Figuras 21 e 22, onde
pode se observar seu desenho técnico e uma foto real da turbina.
Figura 21. Desenho técnico da Turbina Pelton.
Figura 22. Turbina Pelton.
31
4.2. Informações adicionais
Abaixo temos algumas fotos que ilustram o protótipo e seus componentes.
Figura 23. Protótipo.
32
Figura 24. Vista superior do protótipo.
Figura 25. Bomba d’água – máquina de Indução
33
Figura 26. Cargas e o banco de capacitores
4.3. Esquema do projeto
Na Figura 27 é mostrado um diagrama de blocos do protótipo com seus
principais componentes.
Figura 27 Diagrama de blocos do protótipo
34
4.4. Conclusão
Em vista dos pontos apresentados no atual capítulo, foi possível obter uma visão
geral de como o sistema criado em laboratório foi desenvolvido, para que sejam feitos
os testes no próximo capítulo.
35
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O capítulo tem por função fazer o levantamento dos resultados dos testes
executados para que seja possível comentar e avaliar seus resultados. Através das
medições provenientes dos testes pode-se verificar também se o dimensionamento do
banco de capacitores foi suficiente para a carga usada.
O banco de capacitores tem como função fornecer a potência reativa necessária
para magnetização do gerador de indução, de acordo com a carga elétrica ligada ao
sistema. Sem essa compensação a carga não consegue ser alimentada propriamente e a
geração se torna ineficiente. Há outras maneiras de prover a magnetização da máquina
de indução, como por exemplo o uso de inversores para manter constante a relação V/f
(tensão por frequência), mantendo dessa forma constante o fluxo no entreferro,
independente da frequência.
Seu dimensionamento foi feito a partir dos valores nominais da máquina de
indução. A seguir são apresentados os cálculos realizados para dimensionar o banco de
capacitores empregado na autoexcitação do gerador de indução, de modo a fornecer a
potência reativa referente a seus valores nominais de fator de potência, tensão e
frequência.
Foram retirados dos dados de placa do gerador de indução WEG o valor do fator
de potência nominal, a eficiência da máquina com 100% de potência entregue e o
respectivo ângulo de fase entre a tensão e corrente:
36

Potência aparente:
o Potência ativa nominal = 3 hp
(5)
No qual:
P = Potência ativa;
= dado de eficiência equivalente a potência de saída de 100% do gerador;
= fator de potência equivalente a potência de saída de 100% do gerador;

Potência reativa:
√

(6)
Capacitância:
√
(7)
(8)
Para este projeto, como trabalha-se com geração AC, o tipo de capacitor mais
recomendado para o teste seria tipo FILME, pois além de não possuir polaridade
suporta altas tensões. Devido a disponibilidade de valores de capacitância do banco de
capacitores foram arbitrado como valores de capacitância em paralelo que será ligado ao
sistema,
e
. A escolha destes valores foi arbitrária visto que o intuito é
verificar o comportamento do sistema com a carga ativa variando e a reativa fixa.
37
5.1. Bateria de testes
Os testes têm por finalidade avaliar a MCH usando um banco de capacitores
como estabilizador reativo.
5.1.1.
Descrição do Teste
Para que o gerador seja excitado e haja tensão gerada o banco de capacitores está
ligado diretamente aos seus terminais.
Com o aumento da vazão, através do controle da bomba d'água com o inversor
de frequência, a tensão nominal a vazio é gerada conforme esperado. Com isso é ligado
ao sistema de geração o conjunto de cargas em paralelo ao banco de capacitores. O
sistema de geração foi configurado para gerar 220V fase-fase, por isso as cargas foram
organizadas em delta [5].
Logo para tomar as medidas dos testes e avaliar diferentes momentos, ligam-se
de forma gradual as lâmpadas. Para tomada de medidas a vazão é mantida constante,
mesmo sabendo que com a ligação das cargas a tensão não fique ideal, ou seja, fora da
tensão da nominal (220V).
5.1.2.
Resultados esperados e Pontos de Operação
A partir das relações trifásicas foram calculados valores esperados de corrente e
resistência a fim de validar o bom funcionamento do protótipo.
Foram estipulados dois casos de medição onde foi variada a capacitância ligada
ao sistema. A partir daí, calculam-se as correntes de magnetização dos capacitores,
corrente que é obtida através da frequência nominal da máquina de indução. Esta
medida é realizada para-se estimar a proteção do banco de capacitores [5].
38
Na Figura 28 é mostrado o circuito equivalente por fase da máquina de indução.
Verifica-se que se o gerador estiver a vazio toda a corrente gerada passará pelo banco de
capacitores, ou seja, a impedância equivalente na saída será a reatância de magnetização
.
Figura 28. Circuito equivalente por fase do gerador de indução [4]
Caso 1:
Logo para o caso 1 têm-se os seguintes parâmetros:
(8)
⁄
Onde
.
(9)
Lembrando:
Z = Impedância;
R= Resistência na carga puramente resistiva;
= Reatância do capacitor;
C = Capacitância;
Tomando neste primeiro caso a capacitância por fase de
reatância será
Logo,
.
e usando a relação básica:
⁄
⁄
39
(10)
, temos que a
Onde:
;
⁄
;
Caso 2:
Para o caso 2 têm-se os seguintes parâmetros:
⁄
onde
.
Lembrando:
Z = Impedância;
R= Resistência na carga puramente resistiva;
= Reatância do capacitor;
C = Capacitância;
Tomando neste primeiro caso a capacitância por fase de
reatância será
Logo,
, temos que a
.
e usando a relação básica:
⁄
⁄
Onde:
;
⁄
;
5.1.3.
Material de Medição
Para a tomada de medidas foi usado um instrumento chamado qualímetro,
responsável por obter valores trifásicos de corrente e tensão, que nos permite obter os
valores de potência do sistema, assim como os seus harmônicos.
40
5.1.4.
Resultados obtidos
No Anexo é possível acompanhar os gráficos salvos durante a bateria de testes
realizadas no protótipo, assim como os valores de potência medidos.
Após realizar a mudança de carga três vezes obtivemos os valores da Tabela 3
no qual seguindo a ordem da esquerda para direita temos as correntes de linha que
passam no capacitor, na carga e a corrente total gerada.
Tabela 3. Resultados dos testes aplicados no CASO 1
IC (A)
5,87
5,04
4,28
IL (A)
1,39
1,95
2,2
IT (A)
6,28
5,47
4,82
V
169,4
148
130,4
n rpm
1311
1246
840,7
Sabe-se que a rotação nominal para operação como motor é 1735 rpm. Apesar
disso, o experimento começou em vazio com tensão nominal do gerador a 220 V com
rotação no rotor de 1495 rpm.
Além disso, calculou-se também a velocidade de rotação da turbina a partir dos
valores de n (velocidade do eixo do rotor) da Tabela 4. Usando a relação básica exposta
no item 2.1, no qual
(velocidade da turbina) =
e
4 os valores calculados da velocidade da turbina para o Caso 1.
Tabela 4. Velocidade tangencial na Turbina CASO 1
n (rpm)
1311
1246
840,7
w (rad/s)
Cc
137,218 19,21052
130,4147 18,25805
87,99327 12,31906
41
tem-se na Tabela
No Caso 2, os testes foram mais detalhados para que se pudesse avaliar se a
mudança de capacitância surte algum efeito em manter-se a tensão gerada o mais
constante possível apesar da variação da carga.
Antes de adicionar carga ao sistema, o gerador estava a vazio com tensão igual a
219,1V com rotação igual 1568 rpm. A frequência do sistema era de 52 Hz e a corrente
de magnetização igual a 7,3 A, apesar da corrente de magnetização estar maior que o
calculado não há problema, pois a frequência elétrica não é nominal, conforme podemos
confirmar no item 5.1.2. Nos cálculos realizados usou-se 60 Hz como frequência
elétrica.
Além das medidas descritas na tabela 5, o sistema foi colocado em vazio
novamente e tentou-se colocar a frequência elétrica padrão 60Hz, aumentando a vazão
da bomba d’água injetora. Resultado especificado na tabela 6.
Tabela 5. Resultados dos testes aplicados no CASO 2
IC (A)
IL (A)
IT (A)
V
n (rpm)
f (Hz)
4,48
1,35
4,7
158,3
1364
45,05
3,66
1,85
4,09
138,5
1320
43,39
3,07
2,24
3,8
112,1
1330
46,53
Tabela 6. Resultados dos testes a vazio aplicados no CASO 2
V
229
239,5
n (rpm)
1610
1653
42
f (Hz)
53,49
54,89
Como no Caso 1, foram calculados os valores de velocidade da turbina a partir
dos valores de rotação do rotor obtidos no Caso 2 têm-se na tabela 7:
Tabela 7. Velocidade tangencial na Turbina CASO 2
n (rpm)
1364
1320
1330
w (rad/s)
Cc
142,7653 19,98715
138,16
19,3424
139,2067 19,48893
5.2. Discussão
Com os dois casos expostos acima, é possível ter uma noção do comportamento
de um sistema de geração com máquina de indução trifásica autoexcitada por um banco
de capacitores.
É possível observar que em ambos os casos a velocidade da turbina estava maior
do que a velocidade ideal calculada no item 4.1.1 que é igual a
⁄.
Tomando novamente o gráfico da Figura 4, observa-se que o valor da velocidade
tangencial a turbina está fora da região de operação ideal, logo pode-se entender a razão
do sistema não conseguir trabalhar adequadamente.
Vale salientar que foi usado o mesmo arranjo de carga para os dois casos. No
Caso1, vê-se que como a capacitância é maior a tensão final no gerador acaba sendo
maior, devido a corrente de magnetização que é maior e também a frequência elétrica.
Já no caso 2, como o banco de capacitores possui uma reatância menor a tensão
e frequência elétrica é pouco conservada. Na Tabela 4 vemos que a frequência elétrica
fica baixa e por isso a tensão gerada fica menor.
Também no caso 2, tentou-se a vazio levar o sistema à frequência nominal para
que fosse avaliado tanto o comportamento do banco quanto o da bomba d’água. Ocorreu
que devido a algum dos possíveis fatores expostos acima, os testes no protótipo se
43
tornaram limitados. Logo na Tabela 5, percebe-se que mesmo ultrapassando a tensão
nominal do gerador não é possível colocá-lo em frequência nominal.
44
6. CONCLUSÃO
O projeto realizado sobre o sistema de microgeração hidrelétrica com o uso do
banco de capacitores em geradores assíncronos tem grande importância no cenário atual
de energia. A demanda por novos meios de geração só tem aumentado, fato esse devido
a vários razões como escassez de alguma fonte de energia ou também pela busca da
sustentabilidade.
No contexto do projeto aqui descrito observa-se uma dificuldade em manter a
variação da rotação e da frequência elétrica frente a variação qualquer da carga. Pode-se
destacar a falta de controle no valor da capacitância do sistema, visto que quando o
projeto está em desenvolvimento, qualquer mudança na carga atrelada ao gerador a
capacitância requisitada é alterada.
Como proposta de melhoria do projeto proposto, pode-se citar uma carga
controlada eletronicamente para regular tensão e frequência [13]. Tudo isso a partir do
método para regular tensão e frequência do sistema de geração com máquina assíncrona
acionada por turbina sem controle de rotação.
45
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] PNUD: Achieving the MDGs - The role of
http://unmillenniumproject.org/documents/MDPpaperdec31.pdf
energy
services
[2] JUNIOR, S. C.; CALDAS, F. P,; Utilização do Gerador de Indução em Usinas
Hidroelétricas de Pequeno Porte, Balneário Camboriú - UFSC, V? Seminário Nacional
de Produção e Transmissão de Energia Elétrica p. 1-18, 1981.
[3] CALDAS, Fernando Pinto. Um Estudo do Gerador de Indução Auto Excitado e
Aplicações, Rio de Janeiro, 1980. 206f.. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica)
– Universidade Federal do Rio de Janeiro. [Você tem esse trabalho e leu ele?Se não,
não pode citar diretamente como referência.
[4] PEDRO HENRIQUE FALQUETO DIAS; Simulação do gerador de Indução
Trifásico Autoexcitado por meio de capacitores, UNIVERSIDADE FEDERAL DE
VIÇOSA 2012
[5] Fitzgerald, A.E; Kingsley Jr, C.; Kusko, A. Máquinas Elétricas: Conversão
Eletromecânica de Energias, Processos, Dispositivos e Sistemas. McGraw- Hil do Brasil
- 1975
[6] http://www.paraty.tur.br/caicaras.php
[7] https://www.google.com.br/maps
[8] http://www.weg.net/br
[9] http://www.mspc.eng.br/fldetc/fld_turb_10.shtml
[10] "Cut-away version of an electric motor (2)" by S.J. de Waard - Own work.
Licensed
under
CC
BY
2.5
via
Wikimedia
Commons
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cutaway_version_of_an_electric_motor_(2).J
PG
[11] Enciclopédia Caiçara - Antonio Carlos Diegues (Organizador) Editora Hucitec
[12] http://www.nepjol.info/index.php/HN/article/view/7166/5794
[13]http://www.technicaljournalsonline.com/ijaers/VOL%20IV/IJAERS%20VOL%20I
V%20ISSUE%20II%20JANUARY%20MARCH%202015/621.pdf
[14]http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-cfw-09-inversor-de-frequencia10413064-catalogo-portugues-br.pdf
[15] http://revistatema.facisa.edu.br/index.php/revistatema/article/download/42/65
[16] http://www.franklin-electric.com.br/produtos.php?id=54&ctg=3
46
[17]http://www.blastercontroles.com.br/catalogos/eletronica-display-cristal-liquidoindicadora-e-totalizadora-blit.pdf
[18] http://www.wika.com.br/upload/DS_PV1106_GB_27237.pdf
[19] http://www.metalchama.com.br/catalogo_metalchama/pdf/metalchama2014.pdf
47
ANEXO Este item tem por finalidade apresentar as medidas salvas ao longo dos testes
realizados com o protótipo. Ao longo dos gráficos e tabelas, serão explicadas as
situações medidas e seus respectivos resultados.
Todos os valores e gráficos abaixo foram obtidos através do uso do qualímetro
ou Power Pad da Texas instrument. O instrumento apresenta grande funcionalidade,
pois a partir dele tomam-se valores de potência ativa, reativa e fator de potência, assim
como, harmônicos e defasagem entre os ângulos da fase.
Na Figura 29, tem-se o sistema a vazio conectado ao banco de capacitores com
valor de
(CASO 1) e aumenta-se a vazão que é injetada na turbina Pelton
acoplada ao motor para que se obtenha uma tensão próxima da nominal.
Figura 29. Tensão do sistema CASO 1 a vazio
Na Figura 30, observa-se a queda da tensão após ligar uma lâmpada 200 W em
cada fase. Além disso, foi possível colher os dados da Tabela 8, onde percebe-se que
devido a baixa frequência e tensão do sistema a potência total do sistema é menor do
que o esperado.
48
Figura 30. Tensão do sistema CASO 1 com carga nominal de 200 W
Tabela 8. Resultados de Potência dos testes com carga nominal de 200 W no CASO 1
Date:17/06/2015 Time: 11:22:35
P (W)
0,1398 kW
Q (var)
-0,5989 kvar
S (VA)
0,6161 kVA
PF
0,227
Na figura 31, ilustra o gráfico do sistema onde no de teste com o mesmo valor de
capacitância no banco de capacitores liga-se uma carga de lâmpada de 300 W nominal
em cada fase e nota-se também que há uma queda na tensão e na frequência do sistema.
Os valores de potência do sistema nesse cenário também foram salvos e estão
representados na tabela 9.
49
Figura 31. Tensão do sistema CASO 1 com carga nominal de 300 W.
Tabela 9. Resultados de Potência dos testes com carga nominal de 300 W no CASO 1
Date:17/06/2015 Time: 11:25:26
P (W)
0,1687 kW
Q (var)
-0,4359 kvar
S (VA)
0,4695 kVA
PF
0,359
A figura 31 representa o sistema no caso com carga nominal de 400 W. A tensão
do sistema está muito baixa o que descaracteriza o sistema projetado a operar com
tensão de 220 V.
Figura 32. Tensão do sistema CASO 1com carga nominal de 400 W
50
Na figura 33, o sistema está a vazio com o banco de capacitores com
capacitância
(Caso 2) e tensão do sistema próxima da nominal, 220V.
Percebe-se, que mesmo com a troca do banco de capacitores não foi possível trazer o
sistema para a frequência nominal esperada de 60 Hz.
Figura 33. Tensão do sistema CASO 2 a vazio
Na figura 34, tem-se o valor da corrente de magnetização do sistema visto que o
mesmo está a vazio. No gráfico está claro o início de saturação e perda de forma da
onda da corrente, pois vê-se uma corrente de magnetização superior a calculada no
capítulo 5, revelando que o valor de banco de compensação de reativo ainda não está
ideal para o protótipo montado. A Tabela 9 mostra os valores salvos pelo qualímetro
nesse cenário a vazio do Caso 2. Nesta tabela, observa-se o alto valor de reativo gerado
pelo banco devido a alta corrente gerada pelo gerador assíncrono.
51
Figura 34. Corrente do sistema CASO 2 a vazio
Tabela 10. Resultados dos testes a vazio aplicados no CASO 2
Date:09/07/2015 Time: 19:03:32
P (W)
0,009162 kW
Q (var)
-2,727 kvar
S (VA)
2,725 kVA
PF
0,003
52