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Eficiência da Turbina de Arquimedes Usando Multiplicador de Velocidade, Inversores de Frequência e Gerador PMSG

Postado em: 23 de abril de 2018

Eficiência da Turbina de Arquimedes Usando Multiplicador de Velocidade, Inversor de Frequência e Gerador PMSG

Palavras-chave: Central elétrica, Turbina de Arquimedes, gerador PMSG, gerador de imãs permanentes, geração distribuída, pequenos aproveitamentos elétricos.

 

Resumo:

 

Este artigo apresenta três modos possíveis de acoplamento de uma turbina de Arquimedes com geradores de energia elétrica. O estudo refere-se ao comportamento do conjunto quando conectado à rede de distribuição, permitindo uma comparação prática entre estes modos, levantando a melhor e mais eficiente maneira de se fazer o aproveitamento da turbina e do recurso natural disponível através das medições de diversas grandezas elétricas como a eficiência eletromecânica, potência ativa e a vazão da água que flui pela turbina.

1 – Introdução

 

A constante necessidade da disponibilização de energia elétrica na atualidade, frente ao consumo cada vez maior, nos remetem ao estudo e fabricação de máquinas, equipamentos ou dispositivos capazes de produzirem energia elétrica com mínimas perdas a partir de recursos naturais ainda disponíveis. No Mundo moderno em que vivemos hoje, grandes recursos naturais já estão sendo explorados e outros ainda com potencial, numa visão hídrica, tendem a serem recursos de reserva, ou permanecem como Habitat de animais ou plantas, cujo valor nesse sentido, impede ou dificulta seu uso para fins de produção de energia elétrica. Esta análise permite ver que os pequenos aproveitamentos, seja eólico, hídrico, gás (metano de dejetos de animais), marés, solar, etc, se tornam cada vez mais importantes, pela própria energia disponível e pelo seu mínimo ou nenhum impacto no ambiente onde estão instalados [8]. No entanto, para ser atraente, o aproveitamento do recurso primário precisa ser otimizado ao máximo, razão pela qual se justifica este estudo, através da investigação prática do funcionamento de uma pequena central usando uma turbina de Arquimedes como máquina primária, conectada à rede de distribuição, com três arranjos diferentes; uma utilizando um motor de indução (MIT) como gerador assíncrono, outra investigação usando um gerador de imãs PMSG e outro estudo onde o gerador de imãs recebe um inversor de frequência para então ser conectado à rede. O estudo desses arranjos permite abrir campo para a implantação desse tipo de turbina e sua conexão com a rede pública de distribuição, se tornando mais uma fonte de energia capaz de auxiliar para suprir a demanda crescente por energia elétrica limpa.

 

2 – Turbina de Arquimedes

 

O uso da Turbina de Arquimedes se deu pela descoberta do Parafuso de Arquimedes, feita pelo Físico Grego Arquimedes na Antiguidade Clássica [12]. Originalmente, o parafuso era usado para bombear água. Hoje se usa o parafuso em diversas aplicação que vão desde bombear água até elevação de partículas sólidas ou sementes em máquina agrícolas. A adaptação desse parafuso para uso em turbinas para acionamento como máquina primária em usinas hídricas, apresenta uma construção simples, com poucos componentes móveis, basicamente uma helicoide conectada a um eixo e apoiada por dois mancais. A helicoide gira livremente dentro de um tubo de aço, sendo pequena a folga existente desta para a parede do tubo. A inclinação correta do conjunto parafuso-tubo, faz com que a água acelerada pela gravidade, força a helicoide a girar, acionando consigo o eixo, que por sua vez está acoplado a uma polia, multiplicador de velocidade ou gerador. A turbina de Arquimedes é uma máquina de fluxo [2], sendo capaz de transformar a energia da corrente de água em energia mecânica.

 

Representacao elementar de uma turbina de arquimedes

Figura 01 – Representação elementar de uma Turbina de Arquimedes 

 

Apresenta como destaque a necessidade de pequena queda de água para seu funcionamento, sendo comum entre 3 a 8 metros. Em contra partida, apresenta pequena rotação de funcionamento, como 24 a 60 RPM, o que resulta elevado torque na transmissão, exigindo cuidados especiais na determinação do material do eixo devido a tensões de cisalhamento [1] que atuam sobre ele e algum meio de se multiplicar a rotação final antes da conexão com o gerador ou gerador com muitos pólos, caso tenha acoplamento direto, aumentando consideravelmente o volume deste e os custos da implantação.

 

3 – Gerador Assíncrono

 

Construtivamente, é semelhante a um motor assíncrono, motor de indução, motor de gaiola de esquilo ou ainda, motor de rotor em curto-circuito. Este artigo apresenta o MIT como gerador. Para operar como gerador, ele precisa ter seu rotor acelerado, de modo que a velocidade angular fique acima da velocidade do campo girante do estator [4], sendo então, o escorregamento positivo. Este estranho fato faz com que o gerador assíncrono alimente uma rede com frequência fixa, onde seu rotor não corresponda a esta frequência. Estando então o rotor acelerado em relação ao campo girante, as barras de curto-circuito do rotor cortam o fluxo magnético gerador pelo estator, provocando circulação de corrente nessas barras e a formação do campo magnético de excitação no rotor. No entanto, somente existe campo girante na estator quando este estiver em paralelo com um gerador síncrono, banco de capacitores cuidadosamente projetado ou simplesmente, conectado ao barramento do sistema elétrico. Isto se deve ao fato que o gerador assíncrono necessita absorver energia reativa para manutenção de sua excitação. Esta última, conexão com a rede pública, é o mais frequente, onde as principais simplicidades do gerador de indução são mais evidentes, como, além da robustez e simplicidade de fabricação, a não necessidade de sincronismo, não necessidade de excitação nem de controle de velocidade ou frequência enquanto conectado à rede. Apenas, um dispositivo ou sistema que possa impedir que a máquina atinja velocidades perigosas em caso de rejeição de carga ou outro motivo que faça a abertura do disjuntor que o conecta à rede, isto o deixa livre para girar sob ação da máquina primária.

 

Corte - gerador de inducao

Figura 02 – Corte – Gerador de Indução

 

Na construção prática de uma máquina assíncrona, devem ser tomados alguns cuidados afim de obter o máximo de rendimento do gerador. Um dos fatores importantes, é o correto dimensionamento do entreferro que se teve deixar entre o rotor e o estator. O dimensional desse item é um dos principais determinantes do valor da corrente de magnetização. Quanto menor for este valor, menor será a referida corrente e melhor será fator de potência. No entanto, maiores serão as perdas superficiais no aço do rotor, em função dos campos hormônicos produzidos pela passagem do rotor frente ao estator [6]. Também, devem se evitar enrolamentos fracionários no estator e um número de ranhuras no rotor, onde vão as barras de curto-circuito, par e um número menor que o número de ranhuras do estator [7].

 

4 – Gerador Síncrono de Imãs Permanentes

 

Este tipo de gerador tem sua construção parecida com a de um gerador síncrono convencional que tem cada pólo do rotor uma bobina de indução, ou excitação. Agora, o pólo é substituído por um imã, devidamente projetados para este fim, com a alternância norte e sul. O comportamento desse novo rotor é exatamente igual ao gerador com rotor bobinado, onde o campo girante, agora com fluxo magnético fixo, formado pelos imãs, ao girar dentro do estator, corta as bobinas situadas no estator, produzindo a tensão de saída. Por ser o fluxo magnético fixo, não podemos controlar a tensão de saída do gerador, pois não temos como atuar na excitação, nem controlar o fator de potência quando conectado à rede pública de distribuição. Então, a tensão de saída varia com a frequência, pois [9]:

Fórmula 01 - Turbina de Arquimedes

Curva pratica de tensao x rotacao - Hidroenergia - PMSG, 40KW, 600RPM, 380VAC

Figura 3 – Curva prática de Tensão x Rotação (Hidroenergia PMSG 40KW, 600RPM, 380VAC).

 

Fórmula 02 - Turbina de Arquimedes

 

Este motivo obriga que o projeto de um gerador de imãs prementes tenha uma tensão acima da nominal quando em vazio e em rotação nominal. O carregamento fará a tensão se reduzir e em plena carga deverá ser a nominal em seus bornes.

 

Corte - Gerador de imas permanentes

Figura 4 – Corte – Gerador de Imãs Permanentes

 

Esta característica implica que na fabricação de um gerador de imãs permanentes, se observem alguns cuidados como o menor entreferro possível, uma vez que a relutância do ar absorverá muito da energia magnética do imã, além de deixar o imã com menores dimensionais, desde que este entreferro não excede os limites térmicos do imã, provocados pelas perdas superficiais e a perfeita capacidade do dimensional desse entreferro permitir a montagem e desmontagem do rotor em manutenções [10]. Também, não se deve adotar um fator de enrolamento  muito baixo, tomando cuidado nas escolhas dos fatores de distribuição e encurtamento [5] [11].

 

5 – Multiplicador de velocidade

 

Este é um dispositivo mecânico largamente usado em máquinas que precisem de acoplamento de rotação. Este artigo, trata de uma máquina primária de baixa rotação como, por exemplo, em torno de 30 RPM e acoplar esta turbina a um gerador assíncrono de 1200RPM. Este acoplamento de rotação terá uma relação de 40 vezes. Para esta relação, existem comercialmente multiplicadores planetários, cuja montagem é relativamente compacta se comparada ao gerador e a turbina. No entanto, devido ao elevado torque de transmissão, especial cuidado se deve ter na escolha do tipo de multiplicador, sua carcaça e base deve atender as solicitações dos esforços mecânicos. Também, um projeto onde se faz a multiplicação de rotação, é importante observar a capacidade da máquina primária em suprir a demanda de torque de partida do conjunto, bem como a energia extra necessária para manter o sistema funcionado. Modernos multiplicadores de rotação podem ser adquiridos para uso com uma turbina de Arquimedes, principalmente, os destinados a geradores eólicos, onde a rotação das hélices também é extremante baixa, especialmente, nos aerogeradores de maior porte.

 

Turbina eolica com acoplamento via multiplicador

Figura 5 – Turbina Eólica com acoplamento via multiplicador

 

6 – Turbina de Arquimedes com Multiplicador de Rotação e MIT como Gerador

 

A configuração Turbina de Arquimedes com multiplicador de rotação MIT como gerador é a mais usual em instalações onde se precisa acoplar uma máquina primária de baixa rotação a outra máquina, cuja rotação é muito superior, sendo impossível a utilização de outro tipo e acoplamento, como correias, por exemplo, onde se pode trabalhar com polias de diâmetros diferentes. Este artigo trabalha com uma turbina de Arquimedes de 30 RPM e um motor de indução de 1200 RPM como gerador assíncrono. O conjunto será conectado à rede de distribuição pública de energia elétrica, passando antes por dispositivos adequados para conexão como transformadores de corrente e transformadores de potencial, além de um disjuntor trifásico. Estes dispositivos são indispensáveis para acompanhamento das grandezas elétricas como corrente, tensão, fator de potência, frequência ou rotação, potência ativa, reativa e aparente. Estes valores fornecerão dados para o estudo do comportamento do conjunto quando em funcionamento através desse arranjo.

 

Turbina de Arquimedes com multiplicador de rotação

Figura 6 – Turbina de Arquimedes com multiplicador de rotação

 

Como interessa o levantamento da eficácia desse arranjo, é preciso contabilizar o rendimento de cada um dos itens envolvidos. Assim, é necessário a curva de rendimento da turbina, o rendimento do multiplicar de velocidade e a curva de rendimento do gerador. No entanto, este estudo permite observar não só o rendimento do conjunto quando em potência e rotação nominal, mas também, com vazões de água de um mínimo para atingir a rotação de sincronismo até um máximo de potência disponível. Isto fornecerá além do rendimento nominal, curvas como Vazão x Potência e Potência x Rendimento. Teoricamente, se pode executar um pré cálculo do conjunto, como no caso de se saber o rendimento nominal.

 

Curva teórica de potência x vazão de uma Turbina de Arquimedes 15KW - Hidroenergia

Figura 7 – Curva teórica de Potência x Vazão de uma Turbina de Arquimedes 15 KW (Hidroenergia).

 

Curva teórica de rendimento x vazão de uma turbina de Arquimedes 15KW - Hidroenergia

Figura 8 – Curva teórica de Rendimento x Vazão de uma Turbina de Arquimedes 15 KW (Hidroenergia).

 

Fórmula 02 - Turbina de Arquimedes

 

Curva teórica de rendimento gerador MIT 15 KW (Hidroenergia)

Figura 9 – Curva teórica de rendimento gerador MIT 15 KW (Hidroenergia).

 

A influência dos itens elétricos associados na instalação, como cabeamento, conectores, disjuntor, TCs, transformadores, etc., são os mesmos para as três linhas de estudo proposto, logo, sua interferência nos resultados será a mesma para todos. Sabe-se também que o comportamento do rendimento do gerador de indução é diferente do comportamento como motor, logo, somente com o ensaio prático se consegue levantar sua curva de eficiência. Isto se deve ao fato de que como motor, as perdas fixas [3], de ventilação e atrito, agora devem ser supridas pela turbina e antes eram pela potência ativa gerada no eixo.

 

7 – Turbina de Arquimedes com Gerador PMSG e Inversor de Frequência

 

A Turbina de Arquimedes com gerador PMSG e inversor de frequência é uma configuração onde se pode fazer um aproveitamento do gerador em uma faixa muito larga de rotação, já que a rotação do gerador independe da frequência da rede local. Sendo a turbina acoplada diretamente ao gerador, estando ele a girar, mesmo em baixa rotação, pode ter circulação de corrente para carga, desde que se tenha uma maneira eficiente de controle dessa corrente, podendo ser injetado diretamente na rede pública de distribuição de energia elétrica ou desviada para carga de um banco de baterias. A configuração deve ter os mesmos recursos de medição de grandezas elétricas antes descrito obtendo-se as mesmas curvas de funcionamento, inclusive a curva Carga x Rotação, somete assim é possível a comparação precisa dos resultados.

 

Turbina de arquimedes com gerador PMSG e inversor

Figura 10 – Turbina de Arquimedes com gerador PMSG e inversor.

 

O banco de baterias nesse arranjo tem como objetivo, coletar e armazenar a energia gerada pelo gerador, pincipalmente, se a vazão de água está muito reduzida, impedindo que se consiga rotação nominal em carga. O gerador permite ser aproveitado em uma ampla faixa de rotação. No entanto, a interligação do sistema a um banco de baterias seria um opcional para esta filosofia de arranjo, uma vez que não se pode fazer uma comparação com os demais sistemas já que eles não apresentam este recurso. Mas, sendo possível esta adaptação, principalmente em sistemas isolados, podemos implementá-la como um sistema de armazenamento de energia, carregando as baterias com uma parcela de corrente do gerador durante seu funcionamento normal, ou em baixa carga, com pouca água, desde que controlado pelo carregador de baterias e usufruir dessa corrente para plena carga, durante demanda em horas de maior consumo, onde não se disponha de água suficiente para atender tal carga. Este pensamento pode ser implementado em instalações agrícolas, onde exista a operação isolada. Nessas situações, existe um tipo de carga que durante o dia é muito reduzido, sendo maior durante a noite e ao amanhecer principalmente em granjas com sala de ordenha para acionamento de bombas de vácuo.

8 – Turbina de Arquimedes com Gerador PMSG

 

A utilização de um gerador de imãs permanentes diretamente acoplado a turbina, representa a mais simples das configurações. Diferente da configuração falada antes, aqui o gerador precisa ser fabricado com exatamente o número de pólos que permita o sincronismo com a frequência da rede pública local de distribuição de energia elétrica.

 

Turbina de Arquimedes com gerador PMSG e inversor

Figura 11 – Turbina de Arquimedes com gerador PMSG e inversor

 

O gerador pode ser aproveitado na totalidade de sua curva de carga. Este controle pode ser feito pelo controle de vazão de água que vai para a turbina. No entanto, assim como acontece com o sistema utilizando um multiplicar de rotação e um motor MIT como gerador, esta vazão nunca pode ser menor que a mínima necessária para o sincronismo a vazio, do contrário, acontecerá a motorização do grupo gerador e ao invés de fornecer energia ao sistema, existirá consumo, o que é indesejável. Mas a operação em baixa carga pode trazer outros inconvenientes como o baixo fator de potência da instalação. Tratando-se de um gerador de imãs permanentes onde o fluxo magnético é constantes, não se pode   atuar no controle da excitação, logo em baixa carga, e como falado antes, o gerador foi projetado para apresentar uma tensão a vazio superior a nominal para devidas compensações em plena carga, teremos então, uma máquina com característica de sobrexcitação conectada à rede e por conseguinte, um fator de potência indutivo. Os recursos de aquisição de grandezas são as mesmas descritas antes e obtendo as mesmas curvas comparativas.

 

9 – Conclusão

 

A grande quantidade de informações que podem ser adquiridas com este assunto, principalmente o levantamento das características de funcionamento nas mais variadas situações de vazão de água da turbina e de carga do gerador, sugerem a implantação prática dessa usina, onde então pode-se suprir com dados reais de funcionamento e a validação dos itens descritos nesse artigo. Tratando-se da turbina, observa-se que este tipo de máquina como propulsora, embora existente a muitos anos, é assunto relativamente novo e seu estudo, fora de empresas privadas, ainda carece de muito trabalho. Neste projeto, além da aplicação dela como máquina primária, ainda disponibiliza-se a oportunidade de ensaiá-la especificamente para esta potência, sendo possível a implantação de dispositivos de ajuste, como inclinação do ângulo ∟e medições de torque. Semelhantemente acontece com os geradores. Usando um motor de indução convencional como gerador, não se pode usar sua curva de rendimento para esta aplicação. Se assim for feito, introduz-se erros no estudo teórico do arranjo. E, ainda sendo um gerador assíncrono, sua característica de absorver reativos como gerador, se assemelha a um gerador síncrono subexcitado, injetando reativos capacitivos na rede, ou seja, trabalhará com um fator de potência capacitivo, cujo valor, tem variação direta com a quantidade de carga entregue pela turbina. Para o sistema com motor PMSG e inversor de frequência, podemos ter um melhor controle de reativos, no entanto, ter-se-á uma certa distorção harmônica, inevitável pela necessidade de chaveamento do inversor. Atrai a atenção também para esta configuração, a possibilidade do uso de um banco de baterias. Este coadjuvante pode representar um aumento na média do rendimento da instalação, se o estudo da eficácia for determinado durante um tempo mais longo. Assim, se for possível carregar as baterias na totalidade durante certo tempo, podemos retirar o máximo de energia em um momento de grande necessidade. Claro que este processo de carga se deve dar sempre antes dos picos de demanda e sempre dentro de um ciclo repetitivo.

Finalmente, trabalhando com o gerador PMSG em acoplamento direto com a rede. Esta instalação chama a atenção novamente ao fator de potência, uma vez que para ser ideal, o gerador deverá estar plenamente carregado e sua tensão deverá chegar em um nível tal que seja mínima a injeção de reativos. Num primeiro momento, estando acoplado a uma rede de distribuição pública, a pequena quantidade de reativos gerada não terá efeito algum, no entanto, devemos nos ater a este assunto com cuidado, uma vez que como mencionado no início, pequenas fontes de energia no Brasil começam a ter um enfoque importante, então devemos iniciar a exploração de maneira correta, de modo que a o uso em massa dessas fontes não represente problemas maiores no futuro. De uma maneira geral, este artigo apresente forte apelo didático, estando implantado, possibilita o estudo das grandezas expostas na pratica, com valores reais e consistentes, por alunos da área de engenharia.

 

Referências:

 

[1] Niemann G. “Elementos de Máquinas”. Editora Universidade de São Paulo, 1971.

[2] Souza, Zulcy de; Bran, Richard. “Máquinas de Fluxo”. Ao Livro Técnico S.A. SP. 1969.

[3] Jordão, Rubens Guedes. “Máquinas Síncronas”. LTC/EDU. SP. 1980.

[4] Say, M.G. “The Performance and Desing of Alternating Current Machines”. Pitman Paperbacks. Londres. 1958.

[5] Kostenko, M; Piotrovski, L. “Máquinas Eléctricas”. Moscou. 1979.

[6] Königslöw, A. von; “Máquinas de Corrente Alternada Sincrónicas”. Escola Técnica de Mittweida. 1945.

[7] Königslöw, A. von; “Máquinas de Corrente Alternada Asincrónicas”. Escola Técnica de Mittweida. 1945.

[8] Farret, F. A; “Pequenas Fontes de Energia Elétrica”. Editora USFM. 2014.

[9] Abramov, A. H; “Projeto e Construção de Hidrogeradores”. Moscou. 1964.

[10] Miodleton, N. H; “Westinghouse Electrical Maintenance”. Westinghouse Printing Division. Trafford UK, 1975.

[11] Falcone, Áureo Gilberto; “Eletromecânica”. Editora Edgar Blücher. SP. 2002.

[12]Wikipédia:http://pt.wikipedia.org/wiki/Parafuso_de_Arquimedes

 

 

Sobre o autor:

Gilnei Dresch Niederle

Gilnei Dresch Niederle é engenheiro eletricista, formado pela Unijui. Desde 2008 faz parte do quadro de engenheiros da Hidroenergia, desenvolvendo projetos eletromagnéticos de geradores de energia elétrica síncrona, assíncrona e de imãs permanentes. Exerce também função no acompanhamento da fabricação dos itens dessas máquinas bem como da execução e descrição de relatórios de ensaios elétricos em fábrica e em obra. Contribui ainda, no desenvolvimento de dispositivos, ferramentas e pesquisa de materiais e processos de fabricação de geradores de energia elétrica.

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