20.9.15

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

SELEÇÃO DO EQUIPAMENTO

Visão Geral

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

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


Alternadores CA

Voltagem

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

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

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

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


Isolamento e Classificações

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

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

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

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


Enrolamentos e Conexões

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

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

Estes são chamados de reconectáveis com 12 cabos.

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


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


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


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


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


Fundamentos e Excitação

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

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

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



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

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

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

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


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

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

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


As desvantagens de um sistema auto-excitado são:

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

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

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






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

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

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

Consulte a seção Projeto Elétrico para mais detalhes.


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

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

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

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



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

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

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


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


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

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


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

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




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


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

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




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




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

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

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

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

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




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



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

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


• Auto-excitado

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


• Excitado separadamente

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


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