19.9.15

Impacto da Carga Elétrica no Dimensionamento do Gerador - Visão Geral - Aplicações e Classificações de Trabalho - Classificações de Trabalho do Grupo Gerador - Aplicações Obrigatórias e Opcionais - Standby Opcional - Prime e Contínua - Conhecimento das Cargas - Requisitos de Carga Operacional e de Partida - Sequenciamento da Carga em Passos - Tipo de Carga - Cargas de Iluminação - Tabela Fatores de Potência de Iluminação (Partida e Funcionamento) - Tabela Potência de Reatores - Cargas de Ar-condicionado - Cargas de Motor - Baixa e Alta Inércia - Tabela Resumo da Inércia Rotativa - Acima de 50 HP - Manual de Aplicação - Grupos Geradores Arrefecidos a Água T-030d-07 08/03 - Cummins

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.


Standby Opcional: Este tipo de sistema tem sido usado com mais freqüência uma vez que a disponibilidade de energia tem se tornado mais crítica. Estes sistemas de energia são empregados em instalações como edifícios industriais e comerciais e alimentam cargas como sistemas de aquecimento, refrigeração, comunicações e centros de processamento de dados, e processos industriais críticos. O emprego de geradores justifica-se onde a perda da energia da fonte normal possa causar desconforto ou onde a interrupção de processos críticos seja uma ameaça a produtos ou equipamentos.


Prime e Contínua: O uso de grupos geradores de energia prime ou contínua cresce especialmente em países em desenvolvimento e em muitas aplicações de geração de energia distribuída. Existem muitas oportunidades para as empresas fornecedoras em termos de geração e venda de energia. Novas regulamentações e normas ambientais mais rígidas forçam as empresas fornecedoras de energia a procurar outras formas de produção e distribuição para a construção de novas plantas de geração, como estruturas de corte de picos e taxas de interrupção para atender a demanda crescente. Os clientes das concessionárias de energia utilizam a geração local para reduzir a demanda de pico da fonte normal e continuam a buscar oportunidades de co-geração onde haja demanda para energia elétrica e energia térmica.


De qualquer modo, deve-se ter em mente que os grupos geradores são pequenas fontes de energia comparados com a fonte normal da rede pública, e as características operacionais das cargas podem ter um efeito profundo na qualidade da energia se o gerador não for dimensionado corretamente. Considerando que um gerador é uma fonte de energia limitada, sempre que forem conectadas ou desconectadas cargas de um gerador, deve-se esperar por alterações na voltagem e na freqüência. Essas alterações devem ser mantidas dentro de limites aceitáveis para todas as cargas conectadas. Além disso, surgirão distorções de voltagem na saída do gerador quando forem conectadas cargas não lineares que produzem correntes harmônicas.

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.



Assim, as cargas de baixa inércia são aquelas que podem ser aceleradas quando pode-se assumir um fator de serviço de 1,5 ou menos, enquanto que as cargas de alta inércia são aquelas para as quais deve-se assumir um fator de serviço maior que 1,5. Um fator de serviço maior também deve ser assumido para cargas desbalanceadas mecanicamente ou pulsantes. A Tabela 3-3 mostra a divisão em categorias das cargas comuns.


Acima de 50 HP: A partida de um grande motor em-linha com um grupo gerador representa uma carga de baixa impedância num condição de o rotor travado ou de parada inicial. O resultado é um alto pico de corrente, normalmente seis vezes a corrente nominal (de funcionamento). O alto pico de corrente provoca uma queda na voltagem do gerador, que é a soma da queda de voltagem transiente instantânea mais a queda de voltagem de recuperação.

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.


Um comentário:

  1. MEUS PARABENS, MUITO OBJETIVO, ISTO E MUITO IMPORTANTE PARA O NOSSO TRABALHO

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