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Turbinas Flutuantes: Geradores PMG ou Assíncronos, Acoplamentos e Considerações

Postado em: 17 de Maio de 2018

Turbina Flutuante de três estágios

Palavras-chave: Turbina flutuante, gerador de imãs permanentes, turbina hidrocinética, geração distribuída, inversor de frequência, geração própria de energia elétrica.

 

Resumo

 

Este artigo apresenta algumas considerações para uma turbina flutuante, aplicabilidade dos geradores e modos possíveis de acoplamento do gerador com a turbina. As investigações são importantes, baseado na inevitável necessidade de o acoplamento permitir a multiplicação da velocidade do conjunto turbina-gerador, onde o custo benefício pode viabilizar ou não o projeto, frente a capacidade em KW do recurso a ser explorado.

 

1- Introdução

 

Os aproveitamentos dos recursos naturais hídricos de pequeno porte estão cada vez mais em debate na atualidade. Seja devido à escassez ou diminuição de grandes potenciais ou pela dificuldade ambiental imposta [1], ou ainda, pelo simples fato econômico, uma vez que é atrativo comercial a existência do próprio recurso natural, e, em se disponibilizar máquinas geradoras a baixos custos a um leque maior de possíveis clientes donos de tais recursos. Este fato já é realidade quando se analisa o comportamento da disseminação da energia solar. Hoje, principalmente em países mais desenvolvidos, mas aqui também, cada vez mais painéis solares são vistos nos telhados das casas e prédios, demonstrando que este tipo de sistema não atrai consumidores específicos da área, ou seja, as pessoas estão interessadas em investir e obter algum proveito financeiro ao instalar o sistema, estimuladas pelo preço cada vez mais acessível e pela simplicidade e praticidade desse tipo de instalação. Este fato, embora em menor escala, também se verifica com as turbinas eólicas de pequeno porte abaixo de 2 KW. Assim sendo, não poderia ser diferente com as turbinas hídricas com potência semelhante. Considerando aqui somente os modelos de turbinas hidrocinéticas, flutuantes, submersas ou parcialmente submersas de cerca de 5 KW, capazes de produzir esta energia em um fluxo de água de cerca de 3m/s. Então para este caso específico, onde descrevemos um conjunto gerador flutuante, vamos considerar os itens envolvidos em uma instalação, apontando algumas soluções práticas possíveis, visando sempre a economia e simplicidade do conjunto de geração.

 

2- Gerador PMG x Assíncrono

 

                Este item precisa ser levado em conta no momento do projeto de uma pequena central geradora. A escolha ideal do modelo de máquina que vai se encaixar em uma dada alternativa, é fator determinante da capacidade da central. Assim, obedecendo o desejo do máximo aproveitamento do recurso, devemos analisar este último em conjunto com as máquinas que melhor venham a cumprir o critério de rendimento esperado num caso específico [3]. Citamos o exemplo de uma pequena central geradora instalado em determinado rio cujo fluxo de água se mantém constante. Neste caso, a escolha recai sobre um gerador assíncrono, cujo arranjo permite que a energia gerada possa ser explorada em uma situação isolada ou em paralelo com a rede pública de distribuição. Neste caso a rotação estará sempre acima da síncrona (rotação síncrona + escorregamento, para injetar potência ativa), garantida pelo fluxo constante de água. Por outro lado, se o fluxo de água apresenta um índice de variação considerável, se reduzindo fortemente, ou em torres eólicas, onde o vento varia de zero ao máximo, a escolha recai sobre os geradores PMG, cujo arranjo permite que se explore um percentual de energia mesmo em rotações abaixo da síncrona, permitindo assim seu uso dentro de uma faixa de rotação. Nesta configuração, a energia poderá ser explorada através do uso de inversores de frequência e/ou carregadores de bateria, podendo também ser injetada na rede pública de distribuição. Assim, a energia gerada por uma máquina assíncrona pode ser aproveitada sem a necessidade de dispositivos retificadores ou inversores (a menos que seja um caso isolado, necessitando de capacitores), ao passo que o PMG, necessita de dispositivos auxiliares de retificação, bateria ou inversores de frequência, mas pode gerar energia dentro de uma faixa maior de rotação.

 

3- Gerador PMG Monofásico e Trifásico

 

A fabricação de geradores PMG para aplicações em baixa potência, com rotação da máquina primária variável de zero ao máximo (por exemplo em uma turbina com fluxo de água variado ou em uma torre eólica), precisa ser previamente investigada. Podemos lançar mão do uso de um gerador síncrono monofásico de imãs permanentes de fluxo axial. Esta configuração possibilita maior simplicidade prática na fabricação da máquina, feita com imãs redondos ou retangulares, montados sobre discos giratórios. Numa montagem monofásica, resulta em um mesmo número de bobinas e imãs, caso da Figura 01 e Figura 02.

 

Figura 01 - Gerador Monofásico Axial

Figura 01 – Gerador Monofásico Axial

 

Já em uma montagem trifásica, deverá existir uma relação que resulte em uma defasagem de 120º elétricos entre as fases. A relação é obtida pela diferença entre o número de bobinas e o número de pólos. Esta relação para este tipo de gerador, não é igual em máquinas com número par ou limpar de pares de pólos. A montagem tem o inconveniente de resultar com espaços interpolares no estator não aproveitados.

 

Figura 02 - Geradores Monofásicos Radiais

Figura 02 – Geradores Monofásicos Radiais

 

Mesmo em uma montagem trifásica tais espaços aparecem, mesmo se a configuração for modificada para termos um fluxo radial, caso da Figura 03, onde o espaço necessário para as bobinas concêntricas é inevitável, gerando perda de espaço útil na máquina e como consequência, baixo aproveitamento das partes ativas do gerador, principalmente dos imãs.

 

Figura 03 - Gerador Trifásico Radial

Figura 03 – Gerador Trifásico Radial

 

Com esta análise e desejando o máximo em rendimento, geradores PMG resultam mais eficientes quando construídos da forma tradicional usada em geradores, ou seja, fluxo radial e bobinagem concêntrica ou imbricada feita em ranhuras no estator. Nestes arranjos, os espaços interpolares são preenchidos por bobinas de mais fases [4]. A preferência recai sobre três fases, até pelo fato de ser este o número de fases de nosso sistema de distribuição. No entanto, desde que o projeto permita, podemos fazer o gerador com quatro ou mais fases.

 

Figura 04 - Gerador Trifásico com Rahuras para as Bobinas do Estator

Figura 04 – Gerador Trifásico com Ranhuras para as Bobinas do Estator

 

Nesse caso, é importante observar que a utilização de um pequeno número de ranhuras por pólo e fase, pode carregar a senóide com indesejável nível harmônico. Isto caso se utiliza passo pleno e estator sem torção axial (inclinação). Ao utilizar pequeno número de ranhuras por pólo e fase e adotando um encurtamento de passo afim de minimizar o nível harmônico, o fator de encurtamento de apenas uma ranhura, no caso o mínimo possível, já será demasiadamente grande e resultará em um fator de enrolamento muito baixo.

Formula 1

Naturalmente, um fator de enrolamento baixo, solicita maior necessidade de fluxo magnético, ou maior rotação, para produzir a mesma amplitude de tensão [1].

Formula 2

Este fato também é imposto ao se usar o fator de obliquidade, ou torsão do estator, que apresentando um ângulo muito alto, vai implicar num fator de enrolamento inadequado para a máquina em projeto.  Em máquina maiores, estes fatores são mais fáceis de se satisfazer. Um fator de enrolamento de 0,96, satisfatório, atingido através do encurtamento de passo e obliquidade, resultando em uma senóide com baixos índices harmônicos [4]. Também, números fracionários de ranhuras por pólo e fase são válidos, podendo se dispensar a obliquidade [4], [5]. Valores desejáveis para o fator de encurtamento perto de 0,965 apresentam os menores índices de harmônicos [6].

 

Figura 05 - Curva do Fator de Encurtamento

Figura 05 – Curva do Fator de Encurtamento

 

Em máquina pequenas, a disponibilidade de fluxo é fator custo, onde dos imãs deve-se obter a capacidade magnética [1]. Limitar as induções em cada trecho, sem saturar demasiadamente o aço do circuito magnético, conferem reserva magnética necessária quando do funcionamento em carga [1]. Além, disso, devemos ter especial atenção no formato da periferia das expansões polares dos pólos. Convencionalmente, se utilizam os raios das expansões polares que resulte um entreferro nas bordas com cerca de 1,5 a 2 vezes o entreferro no centro do pólo [5] e uma expansão com comprimento de cerca de 65 a 72% do passo polar [4], fazendo com que as linhas de força cortam gradativamente as bobinas do estator.

 

Figura 06 - Modelos de Periferia dos Pólos e suas Senóides

Figura 06 – Modelos de Periferia dos Pólos e suas Senóides

 

4- Acoplamentos – Multiplicadores de Velocidade

 

Tratando-se de máquinas primárias de baixa rotação, acopla-las a um gerador diretamente em seu eixo, resultaria em máquinas muito grades e caras. Considerando um exemplo de uma turbina flutuante de três estágios de 6,5KW operando em um rio cujo fluxo resulte em uma rotação em plena carga de 16 RPM. Para essa rotação síncrona, o gerador terá de ser construído com 450 pólos.

 

Figura 07 - Turbina Flutuante de três estágios

Figura 07 – Turbina Flutuante de três estágios

 

Sem dúvidas, resulta em um número muito alto de peças e uma máquina de grande diâmetro. Para esta situação, a escolha seria construir um rotor multipólos a partir de um ou mais imãs permanentes centrais, como sugerido na Figura 08, cujo rotor tem 8 pólos e um imã [1]. No entanto, o peso do gerador seria alto e exigiria um conjunto de barcos flutuante muito grandes.

 

Figura 08 - Rotor multipolos com único imã

Figura 08 – Rotor multipolos com único imã

 

No entanto, a forma mais conveniente de se acoplar uma turbina de baixa rotação a um gerador, é através de dispositivos multiplicadores de velocidade. Existem várias maneiras de se fazer este acoplamento, seja usando correias ou engrenagens. É importante levar em consideração que grandes relações de multiplicação podem ser problemáticas em função do elevado torque a ser transmitido [1], principalmente durante a partida do gerador. Fato mais relevante em geradores de imãs permanentes, onde o rotor em repouso está “agarrado” magneticamente ao estator. Transmissões usando correias não são interessantes em turbinas flutuantes devido à presença constante da água, fazendo com que elas deslizem sobre as polias ou se deterioram. Mesmo correias dentadas terão baixa vida útil.

 

Figura 09 - Turbina Flutuante com multiplicação 25X com 3 carreias em dois eixos

Figura 09 – Turbina Flutuante com multiplicação 25X com 3 carreias em dois eixos

 

Adotando-se uma solução com multiplicadores planetários, consegue-se grande relação de transmissão e torque necessário em um dispositivo relativamente pequeno. Lembrando novamente que o fator peso em uma turbina flutuante deve ser considerado, buscando sempre que ela seja leve o que diminui o tamanho do sistema flutuante. Este sistema flutuante precisa ser resistente não somente para suportar o peso das máquinas nele instalado, mas também resistir aos constantes golpes produzidos pela água, que pode levar a fadiga em pouco tempo, naufragando a usina. Estes barcos flutuantes normalmente constituem-se de blocos de isopor revestidos com fibra de vidro tramados e impregnado com resinas epóxis.

 

Figura 10 - Multiplicador planetário 25X com 2 estágios

Figura 10 – Multiplicador planetário 25X com 2 estágios

 

Multiplicadores planetários podem ser empregados com transmissão em linha ou em 90º [2]. Dependendo do tamanho do conjunto, principalmente em sistemas pequenos com até 1KW, pode-se usar multiplicadores planetários em 90º e fixando o gerador sobre o multiplicador, deixando a montagem bem perto da roda da turbina, o que melhora o centro de gravidade do conjunto.

 

Figura 11 - Multiplicadoresem linha e 90º SCANTECH

Figura 11 – Multiplicadoresem linha e 90º SCANTECH

 

Este tipo de dispositivo apresento boa vedação, impedindo a entrada de água. Mesmo assim, deve-se providenciar de alguma forma, tampas e proteções no multiplicador e no gerador, sejam com transmissão via correias ou com engrenagens, impedindo que a água entre em contato com as peças móveis ou a contaminação da água do rio pelos produtos lubrificantes usados nessas peças.

 

Figura 12 - Gerador fixo sobre um multiplicador em 90º

Figura 12 – Gerador fixo sobre um multiplicador em 90º

 

Figura 13 - Turbina Flutuante com multiplicador planetário de 25X e gerador de fluxo axial

Figura 13 – Gerador fixo sobre um multiplicador em 90º

 

Também, é seguro providenciar uma proteção na entrada da turbina, afim de evitar que objetos em suspensão, como troncos de árvores, venham a colidir com a roda da turbina, podendo trancá-la ou até mesmo quebrar algumas pás. Instalar grades frontais ou redes de contenção um pouco acima do rio resolve este problema. E as peças possíveis de manutenção como o gerador, multiplicar e mancais da roda, devem ter seus parafusos de fixação na estrutura de fácil acesso e de material resistente a oxidação, facilitando a retirada.

 

5- Conclusão

 

O objetivo desse artigo é acrescentar informações e sugestões para o estudo de dispositivos e teorias para o aproveitamento de pequenos potencias de energia elétrica, dando ênfase nas turbinas flutuantes. Este tipo de turbina tem como grande vantagem a facilidade de instalação. Não apresenta nenhum impacto no rio, tão menos influi no fluxo normal da água. Ela deve ser firmemente ancorada com cabos de aço em dois pontos, de preferência um em cada lado da margem. Instalada em lugar de maior correnteza possível e não necessita de grande nível de água para operar. Ainda, não necessita de nenhuma construção civil, apenas as ancoragens de concreto e a passagem para os cabos de força que saem do gerador até o gabinete ou caixa de comando, sendo que se for usada com inversores de frequência e baterias, estes itens podem ficar alojados dentro desse gabinete ou caixa de comando que pode ser fixado em um poste ou ficar ao abrigo de alguma instalação existente (se for rural por exemplo, num galpão próximo), de onde partem os condutores para alimentar as cargas ou rede. Falou-se sobre aplicabilidade de geradores síncronos ou assíncronos em pequenos recursos bem como da construção de geradores de imãs permanentes monofásicos e trifásicos, apresentando alguns possíveis arranjos mecânicos de montagem. Estes dispositivos, assim como os inversores de frequência, estão cada vez mais presentes conectados na rede pública de distribuição, injetando potência ativa, sendo sua contribuição para a qualidade da energia elétrica merecedor de cuidados para se garantir a perfeita forma de onda do sistema e a máxima capacidade possível de converter força mecânica em energia elétrica. E como essa transferência nesse tipo de conjunto gerador normalmente passa por um multiplicador de velocidade, este dispositivo tem papel fundamental no arranjo turbina-gerador. Como falado, o inconveniente de usar grandes relações de transmissão produz elevado torque no lado de baixa rotação, sendo que as peças podem sofrer ruptura ou desgaste prematuro, necessitando de estudo prévio nos catálogos de fornecedores de multiplicadores. Como visto também, facilitar ao máximo a acesso das peças na estrutura/chassis, permitindo que sejam de fácil manutenção, já que a usina ficará sobre a água, onde as condições de trabalho podem ser perigosas ao operador. Por fim, ressaltamos a necessidade da pesquisa, testes e experiências no desenvolvimento de projetos inovadores. Principalmente a partir de pequenos experimentos ou em escala reduzida. A tecnologia desenvolvida pode ficar detento na Empresa patrocinadora ou ser pública, como os projetos financiado pelos órgãos competentes do Governo. As pesquisas/testes/experimentos sempre são de grande importância para chegarmos a receitas perfeitas na concretização de uma dada ideia nova e cujos frutos podem ter aplicação em larga escala.

 

Referências

 

[1] www.hidroenergia.com.br;

[2] Catálogo Scantech – Automação Industrial.

[3] Souza, Zulcy de; Bran, Richard. “Máquinas de Fluxo”. Brasil;

[4] Königslöw, A. von; “Máquinas de Corrente Alternada Síncronas”. Alemanha.

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

[6] Kopilov; “Engenharia Elétrica”. Moscou.

 

 

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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