Embed Size (px)
Citation preview
Tucuruí-PA
2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
VICTOR RENAN BARBOSA DA SILVA
ANÁLISE DO NOVO PROJETO DE ESCOVAS E ANÉIS COLETORES
IMPLANTADOS NA UHE-TUCURUÍ NOS GERADORES JEUMONT SCHNEIDER
Tucuruí-PA
2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
VICTOR RENAN BARBOSA DA SILVA
ANÁLISE DO NOVO PROJETO DE ESCOVAS E ANÉIS COLETORES
IMPLANTADOS NA UHE-TUCURUÍ NOS GERADORES JEUMONT SCHNEIDER
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Colegiado do Curso de
Engenharia Elétrica para Obtenção do
grau de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Ivaldo Ohana.
Tucuruí-PA
2015
Tucuruí-PA
2015
Tucuruí-PA
2015
Aos Meus Pais Rodolfo Soeiro da Silva
E Francipaula Barbosa da Silva
Dedico Esse Trabalho ao Cuidado e o Amor a mim Demonstrado.
Tucuruí-PA
2015
AGRADECIMENTOS
A Deus por ter me guiado e protegido nesse momento inesquecível da minha vida.
A minha esposa pelo apoio e compreensão durante meu processo de graduação.
A meus familiares, Pai, Mãe e Irmãs por todo apoio e carinho a mim concedido.
Aos meus amigos da Camarilha que sempre estarão em minhas lembranças por tudo que
passamos juntos.
Aos meus amigos Paulo Cezar Monteiro e Celso Monteiro pelo apoio e atenção.
A meus Orientadores Ivaldo Ohana e Geovane Andrade Melo Luz que foram imprescindíveis
para conclusão desse trabalho.
A empresa Eletrobrás Eletronorte pela oportunidade de colocar em pratica minhas pesquisas.
Tucuruí-PA
2015
RESUMO
Os geradores síncronos são os mais utilizados nas usinas hidrelétricas (UHE). Nestes
geradores o campo no rotor é alimentado em corrente contínua através das escovas e anéis
coletores e a tensão alternada de saída, para alimentação das cargas, é retirada do estator
(armadura). Nesse sistema normalmente o campo é alimentado por uma excitatriz chamada de
excitatriz estática. A vantagem do modelo é o menor tempo de resposta na recuperação de
tensão (aplicação direta de corrente contínua no rotor) e a desvantagens é que exige
manutenção periódica no conjunto escovas, porta escovas e anel coletor, ocasionando parada
periódica na máquina.
Neste contexto, foi realizada uma analise de reformulação de projeto do conjunto escovas,
porta escovas e anel coletor para maquinas do fabricante JEUMONT SCHNEIDER,
utilizando uma metodologia de Manutenção Produtiva Total (TPM).
Palavras – Chaves: Reformulação de Projeto, Escovas, porta escovas, anel coletor,
JEUMONT SCHNEIDER.
Tucuruí-PA
2015
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1: Diagrama de Aproveitamento Hidrelétrico. ........................................................... 20
Figura 2.2: Turbina tipo Francis utilizada na UHE – Tucuruí. ................................................ 21
Figura 2.3: Turbina tipo Kaplan. .............................................................................................. 22
Figura 2.4: Turbina tipo Pelton. ............................................................................................... 22
Figura 2.5: Esquemática de uma máquina síncrona elementar de polos salientes. .................. 24
Figura 2.6: Rotor de polos lisos. ............................................................................................... 25
Figura 2.7: Foto de Rotor Polo Saliente. .................................................................................. 26
Figura 2.8: Polo Saliente de uma Máquina com barras do enrolamento amortecedor. ............ 27
Figura 2.9: Configuração Física dos Componentes do Sistema de Excitação.......................... 28
Figura 2.10: Sistema de excitação CC. ..................................................................................... 29
Figura 2.11: Sistema de excitação AC com retificação estacionária. ....................................... 29
Figura 2.12: Sistema de Excitação Estático.............................................................................. 30
Figura 3.1: Pátinas Normais. .................................................................................................... 45
Figura 3.2: Pátina Estriada........................................................................................................ 45
Figura 3.3: Pátinas Sulcadas. .................................................................................................... 46
Figura 3.4: Pátina Manchada. ................................................................................................... 46
Figura 3.5: Tipos de Pátinas. .................................................................................................... 47
Figura 3.6: Tipos de Pátinas. .................................................................................................... 47
Figura 3.7: Lâminas manchadas no Centro e nas Bordas. ........................................................ 48
Figura 3.8: Pátina queimada nas bordas. .................................................................................. 48
Figura 3.9: Pátina Queimada no Centro. .................................................................................. 49
Figura 3.10: Pátina Perfurada. .................................................................................................. 49
Figura 3.11: Mancha da imagem da escova. ............................................................................ 50
Figura 3.12: Mancha de Lâmina Saliente. ................................................................................ 50
Figura 3.13: Manchas de lâminas retraídas. ............................................................................. 51
Figura 3.14: Mancha de rebarba. .............................................................................................. 51
Figura 3.15: Desgaste normal do comutador. ........................................................................... 52
Figura 3.16: Desgaste anormal do comutador. ......................................................................... 52
Tucuruí-PA
2015
Figura 3.17: Aspectos da face da escova tipo S1. .................................................................... 53
Figura 3.18: Aspecto da face da escova tipo S3. ...................................................................... 53
Figura 3.19: Aspecto da face da escova tipo S5. ...................................................................... 54
Figura 3.20: Aspecto da face da escova tipo S7. ...................................................................... 54
Figura 3.21: Aspectos da face da escova tipo S9. .................................................................... 54
Figura 3.22: Aspectos da face da escova tipo S13. .................................................................. 55
Figura 3.23: Aspecto da face da escova tipo S15. .................................................................... 55
Figura 3.24: Aspecto da face da escova tipo S17. .................................................................... 56
Figura 3.25: Aspectos da face da escova tipo S1. .................................................................... 56
Figura 3.26: Aspecto da face da escova tipo S23. .................................................................... 56
Figura 4.1: Sistema de excitação .............................................................................................. 57
Figura 4.2: Esquema de Excitação............................................................................................58
Figura 4.3: Anel coletor queimando e anel coletor em condições normais..............................58
Figura 4.4: Porta escovas queimados........................................................................................59
Figura 4.5: Porta escova derretido após queima do anel...........................................................59
Figura 4.6: Dados de placa do gerador.....................................................................................60
Figura 4.7: Escova MERSEN tipo CG 651...............................................................................61
Figura 4.8: Conjunto Escovas e Anel coletor Máquina 03, Jeumont Schneider. ..................... 64
Figura 4.9: Novo conjunto escova e anel coletor máquina 03. ................................................ 65
Figura 4.10: As dimensões da escova original e nova. ............................................................. 66
Figura 4.11: Nova distribuição das escovas em torno do anel coletor. .................................... 66
Figura 4.12: Chapa de aço adaptada para sustentar as escovas. ............................................... 67
Figura 4.13: Desenho do novo porta escova.............................................................................68
Figura 5.1: Conjunto de comutação..........................................................................................69
Figura 5.2: Anel Coletor e escovas antes da alteração de projeto............................................71
Figura 5.3: Novas escovas e anel coletor regime transitório....................................................72
Figura 5.4: Escovas e anel coletor regime permanente............................................................72
Tucuruí-PA
2015
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Coeficiente de atrito. Fonte: [5].
Tabela 2.2: Queda de tensão no contato. Fonte: [9].
Tabela 2.3 – Pressão (g/cm2) recomendada. Fonte: adaptada [5].
Tabela 2.4: Temperaturas Típicas. Fonte: adaptada [5].
Tabela 3.1 – Classificação de centelhamento. Fonte: Adaptado [5].
Tabela 5.1 – Características operacionais para aprovação do protótipo.
Tabela 5.2: Grandezas.
Tucuruí-PA
2015
Sumário
CAPITULO 1 – INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 15
1.1A IMPORTÂNCIA DA ENERGIA ELÉTRICA ............................................................................. 15
1.2COMO A ENERGIA É GERADA .................................................................................................. 15
1.2.1ENERGIA HIDRELÉTRICA ....................................................................................................... 15
1.2.2 ENERGIA TERMELÉTRICA ..................................................................................................... 16
1.2.2ENERGIA NUCLEAR ................................................................................................................. 16
1.3COMO A ENERGIA ELÉTRICA É TRANSMITIDA NO BRASIL ............................................. 17
1.4O SETOR ELÉTRICO NO BRASIL ............................................................................................... 18
CAPITULO 2 – PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DE HIDROGERADORES ........................... 20
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ....................................................................................................... 20
2.1.1 BARRAGENS .............................................................................................................................. 20
2.1.2 COMPORTAS ............................................................................................................................. 20
2.1.3 CONDUTO FORÇADO .............................................................................................................. 21
2.1.4 TURBINA .................................................................................................................................... 21
2.1.5 GERADOR ELÉTRICO .............................................................................................................. 23
2.2 MÁQUINAS SÍNCRONAS ............................................................................................................ 23
2.2.1 PARTES CONSTRUTIVAS PRINCIPAIS ................................................................................. 24
2.2.2 ESTATOR .................................................................................................................................... 24
2.2.3 ROTOR ........................................................................................................................................ 25
2.2.3.1 ROTOR DE POLO LISO .......................................................................................................... 25
2.2.3.2 ROTOR DE POLO SALIENTE ............................................................................................... 25
2.2.3.3 ENROLAMENTO AMORTECEDOR ..................................................................................... 26
2.2.3.4 SISTEMA DE EXCITAÇÃO ................................................................................................... 27
2.2.3.4.1 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE EXCITAÇÃO ..................................................... 28
2.2.3.4.2 SISTEMA DE EXCITAÇÃO CC .......................................................................................... 28
2.2.3.4.3 SISTEMA DE EXCITAÇÃO AC .......................................................................................... 29
2.2.3.4.4 SISTEMA DE EXCITAÇÃO ESTÁTICO ............................................................................ 30
2.3 ESCOVAS ELÉTRICAS ................................................................................................................ 30
2.3.1 GRUPOS DE QUALIDADE ....................................................................................................... 31
2.3.1.1 ESCOVAS CARBOGRAFÍTICAS (GRUPO A): .................................................................... 31
2.3.1.2 ESCOVAS ELETROGRAFÍTICAS (GRUPO EG): ................................................................ 32
Tucuruí-PA
2015
2.3.1.3 ESCOVAS GRAFÍTICAS (GRUPO LFC):.............................................................................. 32
2.3.1.4 ESCOVAS METÁLICAS (GRUPOS CG / MC / MH): ........................................................... 32
2.3.1.5 ESCOVAS BAQUELITE – GRAFITE (GRUPO BG): ............................................................ 33
2.3.2 PROPRIEDADES FÍSICAS ........................................................................................................ 33
2.3.2.1 RESISTÊNCIA ESPECÍFICA .................................................................................................. 34
2.3.2.2 DUREZA “SHORE” ................................................................................................................. 34
2.3.2.3 VELOCIDADE PERIFÉRICA ................................................................................................. 35
2.3.2.4 COEFICIENTE DE ATRITO ................................................................................................... 35
2.3.2.5 QUEDA DE TENSÃO NO CONTATO ................................................................................... 36
2.3.2.6 PRESSÃO NA ESCOVA.......................................................................................................... 37
2.3.2.7 FILME OU PÁTINA ................................................................................................................ 38
2.3.3 DENSIDADE DE CORRENTE ................................................................................................... 39
2.3.4 TEMPERATURA ........................................................................................................................ 40
CAPITULO 3 – MANUTENÇÃO DE HIDROGERADORES ............................................................ 40
3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ....................................................................................................... 41
3.2 PROBLEMA NO NÚCLEO ........................................................................................................... 41
3.2.1 PROBLEMAS NO PROCESSO DE FABRICAÇÃO E MONTAGEM ..................................... 41
3.2.2 PROBLEMAS EM OPERAÇÃO ................................................................................................ 41
3.3 PROBLEMAS NO ENROLAMENTO ESTATÓRICO ................................................................. 42
3.3.1 PROBLEMAS NA FABRICAÇÃO E MONTAGEM ................................................................ 42
3.3.2 PROBLEMAS EM OPERAÇÃO ................................................................................................ 42
3.4 MANUTENÇÃO EM ANÉIS COLETORES ................................................................................. 43
3.4.1 CENTELHAMENTO................................................................................................................... 43
3.4.2 ASPECTOS DAS PÁTINAS ....................................................................................................... 44
3.4.2.1 INTENSIDADE DE COLORAÇÃO ........................................................................................ 45
3.4.2.1.1 PÁTINAS NORMAIS (P2 – P4 – P6) ................................................................................... 45
3.4.2.2.1 PÁTINA ESTRIADA (P12) ................................................................................................... 45
3.4.2.2.2 PÁTINA SULCADA (P14) ................................................................................................... 46
3.4.2.2.2 PÁTINA MANCHADA (P16) ............................................................................................... 46
3.4.2.3.1 MANCHAS ISOLADAS OU REPARTIDAS UNIFORMEMENTE (P22) ......................... 47
3.4.2.3.2 MANCHAS ESCURAS DE CONTORNO BEM DEFINIDO (P24) .................................... 47
Tucuruí-PA
2015
3.4.3 QUEIMADURAS ........................................................................................................................ 48
3.4.3.1 PÁTINA QUEIMADA NAS BORDAS (B2 – B6) .................................................................. 48
3.4.3.2 PÁTINA QUEIMADA NO CENTRO (B8) ............................................................................. 49
3.4.3.3 PÁTINA PERFURADA (B10) ................................................................................................. 49
3.4.4 MANCHAS SOBRE OS COMUTADORES............................................................................... 49
3.4.4.1 IMAGEM DA ESCOVA (T10) ................................................................................................ 50
3.4.4.2 LÂMINA SALIENTE (T12) ..................................................................................................... 50
3.4.4.3 LÂMINAS RETRAÍDAS (T14) ............................................................................................... 50
3.4.4.4 REBARBAS (T18) .................................................................................................................... 51
3.4.5.1 DESGASTE NORMAL (R2) .................................................................................................... 51
3.4.5.2 DESGASTE ANORMAL (R4) ................................................................................................. 52
3.5 ASPECTOS DAS FACES DE CONTATO DAS ESCOVAS ........................................................ 52
3.5.1 SUPERFÍCIE IMPECÁVEL, UNIFORME, BRILHANTE (S1) ................................................ 53
3.5.2 SUPERFÍCIE IMPECÁVEL, LEVEMENTE POROSA, BRILHANTE (S3)............................. 53
3.5.3 ESTRIAS EXTREMAMENTE FINA (S5) ................................................................................. 53
3.5.4 RANHURAS (S7) ........................................................................................................................ 54
3.5.5 PISTA COM ESTRIAS E RANHURAS (S9) ............................................................................. 54
3.5.6 QUEIMADURA NAS BORDAS DE ENTRDA OU SAÍDA (S13) ........................................... 55
3.5.7 – FORMAÇÃO DE CRATERAS (S15) ...................................................................................... 55
3.5.8 ESTAMPA DAS LÂMINAS NAS SUPERFICIE (S17) ............................................................. 55
3.5.9 DEPÓSITO DE COBRE (S21) .................................................................................................... 56
3.5.10 LANÇAMENTOS (S23) ............................................................................................................ 56
CAPÍTULO 4 ........................................................................................................................................ 57
4.1 OBJETIVO ...................................................................................................................................... 57
4.1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS .................................................................................................... 57
4.1.2 PROBLEMAS NO CONJUTO DE COMUTAÇÃO ................................................................... 58
4.2 MUDANÇA DE PROJETO DO GERADOR JEUMONT SCHNEIDER ...................................... 60
4.2.1 DADOS GERAIS DO GERADOR .............................................................................................. 60
4.2.2 DADOS DO CONJUNTO DE ANÉIS COLETORES EXISTENTE. ......................................... 60
4.2.3 DADOS DO CONJUNTO DE ANÉIS COLETORES NOVOS. ................................................ 63
4.3 MUDANÇA ESTRUTURAL NO PROJETO. ............................................................................... 65
Tucuruí-PA
2015
CAPITULO 5 ........................................................................................................................................ 69
5.1 RESULTADOS ............................................................................................................................... 69
6 CONCLUSÃO ................................................................................................................................... 73
6.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................................................................... 73
6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .......................................................................... 74
CAPITULO 7 – BIBLIOGAFIA ........................................................................................................... 75
15
Tucuruí-PA
2015
CAPITULO 1 – INTRODUÇÃO
1.1 A IMPORTÂNCIA DA ENERGIA ELÉTRICA
A eletricidade se tornou a principal fonte de luz, calor e força utilizada no mundo
moderno. Atividades simples como assistir à televisão ou navegar na internet são possíveis
porque a energia elétrica chega até a sua casa. Fábricas, supermercados, shoppings e uma
infinidade de outros lugares precisam dela para funcionar. Grande parte dos avanços
tecnológicos que alcançamos se deve à energia elétrica. Obtida a partir de todos os outros
tipos de energia, a eletricidade é transportada e chega aos consumidores no mundo inteiro por
meio de sistemas elétricos complexos, compostos de quatro etapas: geração, transmissão,
distribuição e consumo. Fonte: [1].
1.2 COMO A ENERGIA É GERADA
O primeiro passo para produzir energia elétrica é obter a força necessária para girar as
turbinas das usinas de eletricidade. No caso das hidrelétricas utilizam-se a água para girar as
turbinas, em seguida os geradores transformam a energia mecânica (movimento) em energia
elétrica. Essa força pode ser obtida de diversas fontes de energia primária. No Brasil, a
energia elétrica vem, em primeiro lugar, de usinas hidrelétricas; depois, de termelétricas; e,
por último, de usinas nucleares. Fonte [2].
1.2.1 ENERGIA HIDRELÉTRICA
Em países como o Brasil, que possui muitos rios com grandes desníveis, uma das
soluções mais econômicas para fazer girar turbinas é aproveitar a força das águas, construindo
usinas hidrelétricas. Em uma usina desse tipo, uma barragem, também conhecida como
represa, controla as águas do rio. No interior da barragem, são instalados grandes tubos
inclinados, geralmente chamados de aquedutos, que abrigam as turbinas. A água desce pelos
tubos e faz girar o sistema de hélices, movimentando o eixo dos geradores que produzem a
energia elétrica. Perto dos geradores são instalados os transformadores, equipamentos que
enviam a energia elétrica para os cabos das linhas de transmissão. Fonte [2].
Depois de movimentar as turbinas, as águas voltam para o leito do rio sem sofrer
nenhum tipo de degeneração. É por isso que a energia hidrelétrica é considerada uma fonte
16
Tucuruí-PA
2015
limpa, além de ser renovável. No Brasil, a maior quantidade de energia elétrica produzida
provém de usinas hidrelétricas. Fonte [2].
Construída e administrada por Brasil e Paraguai, Itaipu, no rio Paraná, é a quarta maior
hidrelétrica do mundo em potência instalada, com 14 mil megawatts de capacidade de
geração. A Eletrobrás detém metade de Itaipu em nome do governo brasileiro, além de ser
dona, por meio de suas empresas, de algumas das principais hidrelétricas em operação no
país, como Tucuruí, no rio Tocantins e Xingu e as usinas do Complexo Paulo Afonso, no rio
São Francisco. Fonte [2].
1.2.2 ENERGIA TERMELÉTRICA
Em regiões com poucos recursos hidrográficos, mas com boas reservas de óleo, carvão
ou gás, é possível girar as hélices das turbinas com a força do vapor resultante da queima
desses combustíveis. Para isso, são construídas usinas termelétricas.
A maioria das usinas termelétricas usa fontes primárias consideradas não-renováveis,
mas em alguns lugares do Brasil já é possível gerar energia queimando combustíveis
alternativos, como a biomassa.
1.2.2 ENERGIA NUCLEAR
Na natureza, algumas substâncias, como o urânio, têm núcleos atômicos extremamente
pesados e instáveis, que podem ser divididos em partículas menores se forem bombardeados
por nêutrons. Os nêutrons, ao atingir um núcleo de urânio, provocam sua quebra em dois
núcleos menores e a liberação de mais nêutrons, que, por sua vez, irão atingir outros núcleos
de urânio e provocar novas quebras. Essa é uma reação em cadeia. No momento em que se
dividem, os núcleos emitem calor na forma de radiação.
A velocidade de uma reação em cadeia pode ser de dois tipos: não controlada e
controlada. No primeiro caso, a reação ocorre muito rapidamente (em menos de 1 segundo),
liberando enorme quantidade de energia. É o que acontece, por exemplo, na explosão da
bomba atômica. No segundo caso, a reação é controlada pelos chamados reatores de fissão
nuclear, permitindo que a energia liberada seja aproveitada e evitando explosões.
17
Tucuruí-PA
2015
As usinas nucleares brasileiras em operação – Angra 1 e Angra 2 – estão localizadas
na Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto, que fica em Angra dos Reis, no Rio de Janeiro,
e pertence à Eletrobrás Eletronuclear. Fonte: [2].
1.3 COMO A ENERGIA ELÉTRICA É TRANSMITIDA NO BRASIL
As usinas de energia elétrica são, geralmente, construídas longe dos centros
consumidores (cidades e indústrias) e é por isso que a eletricidade produzida pelos geradores
tem de viajar por longas distâncias, em um complexo sistema de transmissão. Ao sair dos
geradores, a eletricidade começa a ser transportada através de cabos aéreos, revestidos por
camadas isolantes e fixados em grandes torres de metal. Chamamos esse conjunto de cabos e
torres de rede de transmissão. Fonte [3].
Outros elementos importantes das redes de transmissão são os isolantes de vidro ou
porcelana, que sustentam os cabos e impedem descargas elétricas durante o trajeto. No
caminho, a eletricidade passa por diversas subestações, onde aparelhos transformadores
aumentam ou diminuem sua voltagem, alterando o que chamamos de tensão elétrica. No
início do percurso, os transformadores elevam a tensão, evitando a perda excessiva de
energia. Quando a eletricidade chega perto dos centros de consumo, as subestações diminuem
a tensão elétrica, para que ela possa chegar às residências, empresas e indústrias. A partir daí,
os cabos prosseguem por via aérea ou subterrânea, formando as redes de distribuição. Depois
de percorrer o longo caminho entre as usinas e os centros consumidores nas redes de
transmissão, a energia elétrica chega nas subestações que reduzem o nível de tensão, para que
possa ser iniciado o processo de distribuição. Entretanto, apesar de mais baixa, a tensão ainda
não é adequada para o consumo imediato e, por isso, transformadores menores são instalados
nos postes de rua. Eles reduzem ainda mais a voltagem da energia que vai diretamente para as
residências, o comércio, as empresas e indústrias. Fonte [3].
As empresas responsáveis pela distribuição também instalam em cada local de
consumo um pequeno aparelho que consegue medir a quantidade de energia por eles utilizada.
A medição é feita por hora e chamamos de horário de pico o momento em que uma localidade
utiliza maior quantidade de energia elétrica. Nos centros urbanos, o horário de pico se dá por
volta das 18 horas, quando escurece e, normalmente, as pessoas chegam do trabalho
acendendo as luzes, ligando os condicionadores de ar e a televisão e tomando banho com a
água aquecida por chuveiros elétricos. Fonte [3].
Podemos observar que o consumo de eletricidade varia de acordo com a estação do
ano e com a região do país, dependendo do nível de luminosidade e do clima, entre outros
fatores. Sistema Interligado Nacional (SIN). O sistema de transmissão brasileiro, considerado
o maior do mundo, é controlado pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), que
18
Tucuruí-PA
2015
conta com a participação de empresas de todo o país, trabalhando de forma interligada. Fonte
[3].
A Eletrobrás possui mais da metade das linhas de transmissão do Brasil e tem
participado ativamente da expansão do Sistema Interligado Nacional (SIN). O SIN, formado
basicamente por empresas de geração, transmissão e distribuição do país, permite o
intercâmbio de energia elétrica entre as diversas regiões brasileiras. Fonte: [3].
1.4 O SETOR ELÉTRICO NO BRASIL
A produção de energia elétrica no país é vital para o seu desenvolvimento. No Brasil
existem 4.335 empreendimentos em operação gerando aproximadamente 139,501 GW, e esta
prevista para os próximos anos uma adição de aproximadamente 39,585 GW na capacidade
de geração do país, proveniente dos 222 empreendimentos em construção e mais 672
outorgados. Fonte [8].
De toda a energia elétrica produzida no país, 61,5% provem de usinas hidrelétricas de
energia (UHE), além do mais, existem outros 10 empreendimentos em construção com uma
potencia outorgada de aproximadamente 13.449 GW que foram outorgados entre 2011 e
2015, mais não iniciaram sua construção. Todos esses dados ressaltam o potencial
hidroelétrico do país e sua importância na matriz energética. Fonte [8].
A UHE é composta por vários elementos, sendo o hidrogerador um dos elementos
mais importantes neste processo de transformação de energia elétrica. A completa
disponibilidade desses equipamentos é vital para confiabilidade do Sistema Interligado
Nacional (SIN) suprir a carga necessária em todo país.
As empresas do setor elétrico investem cada vez mais em buscas de metodologias de
manutenção para garantir o constante funcionamento de seus equipamentos, manutenções
preventivas que visam aumentar a disponibilidade dos equipamentos. No entanto, falhas
oriundas de diversos fatores podem ocorrer, necessitando de estudos estruturados e
intervenção especifica para solucionar os problemas. Fonte [4].
A empresa de energia ELETROBRÁS ELETRONORTE é responsável pela operação
e manutenção da UHE – Tucuruí que utiliza o potencial energético do rio Tocantins,
localizado no estado do Pará, gerando o que corresponde a 7,68% da produção nacional.
Construída em duas etapas, a UHE – Tucuruí tem capacidade instalada de 8,370 MW.
As obras da primeira casa de força – com 12 unidades geradoras de 350 MW, duas auxiliares
de 22,5 MW potencia instalada de 4.245 MW – foram concluídas em dezembro de 1992. Em
19
Tucuruí-PA
2015
junho de 1998, foi iniciada a construção da segunda casa de força, com 11 unidades geradoras
de 375 MW e potencia instalada total de 4.125 MW, concluída em abril de 2007.
Ao longo dos anos a Eletrobrás Eletronorte vem investindo em busca da excelência
empresarial na gestão da UHE – Tucuruí. Este processo iniciou-se em 1993 com implantação
do programa de qualidade e produtividade. Em 1997 iniciou – se a implantação da
metodologia de Manutenção Produtiva Total – (TPM), com a consultoria do Instituto Japonês
De Manutenção De Plantas (JIPM), resultando na obtenção do Premio Excelência em TPM –
categoria A em 2001. E no dia 23 de março de 2010, a empresa obteve o Premio Consistência
em TPM concedido também pela JIPM, e trata-se do único Premio a reconhecer uma empresa
do setor no mundo de acordo com a metodologia TPM. Fonte [4].
20
Tucuruí-PA
2015
CAPITULO 2 – PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DE HIDROGERADORES
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Basicamente, qualquer maquina elétrica rotativa é simplesmente um gerador de força
eletromotriz, que para gerar energia elétrica precisa-se de movimento relativo entre fluxo
magnético e condutores elétricos, não importando se os condutores são estacionários e o fluxo
rotativo, ou os condutores rotativos e o fluxo estacionário. Fonte [4].
O Hidrogerador é uma máquina que utiliza a energia potencial hídrica para a geração
de energia elétrica, onde esse processo é ilustrado na figura 2.1.
Figura 2.1: Diagrama de Aproveitamento Hidrelétrico.
As funções de alguns componentes para aproveitamento hídrico são:
2.1.1 BARRAGENS
São estruturas hidráulicas destinadas a obstruir um curso d’agua. Sua função primaria
é provocar o aumento do nível d’agua que, por consequente, criará um reservatório para o
aproveitamento hidrelétrico na forma de energia potencial. Fonte [4].
2.1.2 COMPORTAS
Tem a finalidade de impedir ou regular a passagem d’agua quando necessário. Fonte
[4].
21
Tucuruí-PA
2015
2.1.3 CONDUTO FORÇADO
Os condutos forçados levam a água sob pressão, da tomada d’agua até a turbina. Nos
condutos forçados temos a energia hídrica na forma cinética. Fonte [4].
2.1.4 TURBINA
A turbina hidráulica é uma máquina que converte energia hidráulica (energia cinética)
em energia mecânica. Fonte [4].
Ela recebe a energia da água do reservatório, descontadas as perdas hidráulicas do
sistema adutor, e mediante ao alto rendimento, fornece-a ao eixo, onde está acoplado o
gerador. Fonte [4].
Os principais tipos de turbinas são:
Turbinas Francis;
Figura 1.2: Turbina tipo Francis utilizada na UHE – Tucuruí.
As turbinas Francis são adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. A
Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de Tucuruí, Furnas e outras no
Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 70 m á 100 m de queda d' água.
22
Tucuruí-PA
2015
Turbinas Kaplan;
Figura 2.2: Turbina tipo Kaplan.
As Turbinas Kaplan são adequadas para operar entre quedas de até 60 m. Assemelha-
se a um propulsor de navio (similar a uma hélice). Essas turbinas funcionam sobre eixos
verticas e ficam totalmente submersas. O giro se dá pela pressão da água e pela velocidade de
seu fluxo. Elas podem ser abertas ou fechadas como folhas de uma persiana, para ajustar o
fluxo e o ângulo da água contra as pás da turbina. O fluxo de água também é controlado por
portas ou válvulas. As turbinas Kaplan funcionam melhor com um grande volume de água
caindo de uma pequena altura.
Turbinas Pelton;
Figura 2.3: Turbina tipo Pelton.
23
Tucuruí-PA
2015
As Turbinas Pelton são adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m,
sendo por isso muito mais comum em países montanhosos. A Usina Hidrelétrica Governador
Pedro Viriato Parigot de Souza, no Paraná, utiliza turbinas Pelton. A Figura acima mostra
esquematicamente turbinas Pelton contendo um e múltiplos injetores.
2.1.5 GERADOR ELÉTRICO
O gerador elétrico é uma máquina que converte a energia mecânica em energia
elétrica. Os geradores utilizados em centrais elétricas, independente do tipo, (hídrica, a
carvão, a diesel, etc..), utiliza tipicamente máquinas síncronas. Fonte [4].
2.2 MÁQUINAS SÍNCRONAS
As máquinas síncronas estão entre os três tipos mais comuns de máquinas elétricas;
elas são assim chamadas porque operam a velocidade e frequência constante em regime
permanente. Como a maioria das maquinas girantes, a máquina síncrona é capaz de operar
tanto como motor, quanto como gerador, sendo esse ultimo modo de operação o foco deste
trabalho.
A operação de um Gerador é baseada na lei da indução de Faraday, e um gerador
síncrono trabalha semelhante a um gerador de corrente continua (cc), no qual a geração de
força eletromotriz (fem) é devido ao movimento relativo entre os condutores e o fluxo
magnético. Sempre que houver um movimento relativo entre um condutor e um fluxo
magnético haverá uma tensão induzida no condutor.
No caso da máquina síncrona os condutores são fixos na armadura e o campo
magnético é forçado pela máquina primaria a se mover. Por sua vez, a máquina primaria é
uma força fazendo-o girar. O movimento relativo entre o campo e o condutor faz com que
surja uma tensão nos terminais do gerador. Ao ser ligado a uma carga a tensão induzida faz
com que circule uma corrente entre o gerador e a carga.
A potência mecânica transferida pela máquina primaria é assim convertida em energia
elétrica. O enrolamento de campo (alojado nos polos) é alimentado por uma fonte de corrente
contínua por meio de anéis deslizantes ou coletores. Existem sistemas em que não existem
anéis e escovas, sendo que a corrente continua necessária ao enrolamento de campo é
fornecida por meio de um sistema de excitação estático “brushless”, formado por uma ou
mais excitatrizes montadas no eixo e por dispositivos a base de semicondutores.
O Gerador síncrono produz uma tensão do tipo alternada senoidal, podendo ser
monofásico ou trifásico.
24
Tucuruí-PA
2015
Em uma máquina síncrona existem não apenas um condutor sendo movimentado no
campo magnético, mas uma série de condutores ligados em série, fazendo com que a potência
convertida seja maior que no caso de apenas um condutor. Com este arranjo a potencia da
máquina é maior aumentando o grau de aproveitamento dos materiais. Fonte [4].
2.2.1 PARTES CONSTRUTIVAS PRINCIPAIS
As partes principais construtivas de um gerador síncrono são mostradas na figura 2.5
abaixo de forma esquemática e são discutidas brevemente no que segue. Fonte [4].
Figura 2.4: Esquema de uma máquina síncrona elementar de polos salientes.
2.2.2 ESTATOR
O estator da máquina síncrona é muito semelhante ao de um motor de indução. É
composto de chapas laminadas dotadas de ranhuras axiais onde é alojado o enrolamento do
estator. As chapas possuem características magnéticas de alta permeabilidade, criando um
caminho magnético de baixa relutância para o fluxo, diminuindo assim o fluxo disperso e
concentrando o campo no entreferro. A construção do motor a partir de chapas tem a mesma
justificativa que para os demais tipos de maquinas: Diminuição das perdas provocadas por
correntes parasitas (Correntes de Foucault), as quais estariam presentes em maior grau, caso
fosse empregado uma construção maciça. As chapas são em geral tratadas termicamente a fim
de reduzir o valor das perdas especificas por correntes induzidas.
O enrolamento do estator pode ser tanto monofásico como trifásico. Em geral as
maquinas síncronas são trifásicas, sendo que geradores monofásicos são mais utilizados em
baixas potencias, ou quando não existe uma rede trifásica disponível, como em áreas rurais.
Quando construídos para baixa tensão as bobinas do estator são formadas de fios com seção
25
Tucuruí-PA
2015
circular e esmaltados; as ranhuras do estator nesse caso são do tipo semiaberto. No caso de
enrolamento de alta tensão os condutores são de seção retangular e as bobinas recebem uma
camada extra de isolação com material a base de mica, sendo que as ranhuras são do tipo
abertas. Fonte [4].
2.2.3 ROTOR
O rotor é também formado por chapas laminadas justapostas que em geral são do
mesmo material que o estator. Do ponto de vista construtivo existem dois tipos básicos de
rotores: Rotores contendo polos salientes e rotores contendo polos lisos. Esta diferença
conduz a modelos equivalentes diferentes, mas não altera em nada o principiou de
funcionamento, que permanece idêntico para ambos. Fonte [4].
2.2.3.1 ROTOR DE POLO LISO
Em geral são empregados em turbos geradores, onde o numero de polos é dois ou
quatro. Este emprego provém do fato que rotores com polos lisos são mais robustos sendo
assim mais aptos a trabalharem em altas rotações (3600 e 1800 rpm). São construídos com
eixo horizontal e possuem diâmetro reduzido e comprimento axial maior que o diâmetro
(figura 2.6), devido ao fato de girarem a altas rotações. Fonte [4].
Figura 2.5: Rotor de polos lisos.
Fonte [4].
2.2.3.2 ROTOR DE POLO SALIENTE
26
Tucuruí-PA
2015
Em geral são empregados com números igual ou superior a quatro. A escolha de polo
é estabelecida de acordo com a rotação da máquina primaria. Turbinas Hidráulicas, por
exemplo, trabalham com baixa rotação, sendo por isso necessários geradores com alto número
de polos. A velocidade de rotação da turbina hidráulica varia em função da pressão hidráulica
existente e em função da altura da queda d’agua, sendo que ela se situa na faixa de 50 a 600
rpm. Além disso, a velocidade também varia em função do tipo da turbina (Francis, Kaplan,
Pelton...). Esse tipo de gerador em geral é construído com eixo vertical, possuindo grande
diâmetro e pouco comprimento axial, essa relação entre comprimento e diâmetro é ditada pela
baixa rotação a que estão sujeitos (alto numero de polos). Fonte [4].
Figura 2.6: Foto de Rotor Polo Saliente.
Fonte [4].
No caso de polos salientes o enrolamento de campo, também chamado de enrolamento
de excitação, é alojado no espaço interpolar. No caso de polos lisos o enrolamento de campo é
distribuído em ranhuras, as quais em geral cobrem apenas uma parte da superfície do rotor.
Além do enrolamento de campo, o rotor pode conter também um enrolamento semelhante ao
do rotor da máquina de indução em gaiola. Este enrolamento é chamado de enrolamento
amortecedor. Fonte [4].
2.2.3.3 ENROLAMENTO AMORTECEDOR
O enrolamento amortecedor é alojado em ranhuras semiaberto e de formato redondo
sobre a superfície do rotor. Conforme o nome sugere, ele serve para amortecer oscilações que
ocorrem em condições transitórias, como por exemplo, uma retirada brusca de carga,
alterações súbitas de tensão, variações de velocidade, etc. Ele confere, assim, uma maior
estabilidade a máquina. Neste enrolamento só é induzido tensão quando ocorrem fenômenos
27
Tucuruí-PA
2015
transitórios na máquina, em condições normais e em regime permanente não há nem tensão
nem correntes induzida neste enrolamento; as suas dimensões são reduzidas em relação ao
enrolamento do estator e do rotor. Fonte [4].
Devido ao fato de não haver em regime permanente variação no fluxo em relação ao
rotor, este pode também ser construído de um material solido, ao invés de laminas, a fim de
aumentar a rigidez mecânica. Neste caso, a própria superfície do rotor funciona como
enrolamento amortecedor, sendo desnecessário um enrolamento amortecedor inserido em
ranhuras. Fonte [4].
Figura 2.7: Polo Saliente de uma Máquina com barras do enrolamento amortecedor.
Fonte [4]
2.2.3.4 SISTEMA DE EXCITAÇÃO
A função do sistema de excitação é estabelecer a tensão interna do gerador síncrono.
Em consequência, o sistema de excitação é responsável não somente pela tensão de saída da
máquina, mas também pelo fator de potencia e pela magnitude da corrente gerada. A figura
2.9 mostra o diagrama de blocos com a configuração física de um sistema de excitação típico.
28
Tucuruí-PA
2015
Figura 2.8: Configuração Física dos Componentes do Sistema de Excitação.
2.2.3.4.1 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE EXCITAÇÃO
Os sistemas de excitação podem ser classificados em três categorias conforme a fonte de
potencia de excitação:
Sistemas de excitação CC (corrente continua);
Sistemas de excitação CA (corrente alternada);
Sistema de excitação estático.
2.2.3.4.2 SISTEMA DE EXCITAÇÃO CC
Os sistemas de excitação CC, muito utilizados entre as décadas de 20 a 60, utilizavam
geradores de corrente continua como fonte de potência de excitação, fornecendo corrente para
o rotor da máquina síncrona através de anéis coletores.
Com o advento do sistema de excitação CA e dos estáticos, o sistema de excitação CC
foi gradualmente desaparecendo. A figura 2.10 apresenta um exemplo de um sistema de
excitação. Fonte [4].
29
Tucuruí-PA
2015
Figura 2.10: Sistema de excitação CC.
2.2.3.4.3 SISTEMA DE EXCITAÇÃO AC
Os sistema de excitação AC utilizam máquinas de corrente alternada, normalmente
acoplados ao mesmo eixo do gerador principal, como fontes de potência de excitação. A saída
CA da excitatriz é retificada por retificadores trifásicos, controlados ou não, produzindo
corrente continua para o campo do gerador. Dependendo do arranjo dos retificadores, do
método de controle da saída da excitatriz e da fonte de excitação utilizada, os sistemas de
excitação CA podem ser classificados em dois tipos básicos: o sistema de excitação com
retificação estacionária e o sistema de excitação CA com retificação rotativa. O alternador é
acionado pelo eixo do gerador CA principal. A corrente para enrolamento de campo é obtida
dos controles da excitação, por meio de escovas e anéis coletores. A saída CA trifásica do
alternador é retificada por uma ponte retificadora estacionária, que alimente então o
enrolamento de campo do gerador principal. A figura 2.11 apresenta um sistema típico de
excitação CA com retificação estacionaria. Fonte [4].
Figura 2.9: Sistema de excitação AC com retificação estacionária.
30
Tucuruí-PA
2015
Já o sistema de excitação CA com retificadores rotativos “brushless” permite a
eliminação de escovas e comutadores. Neste sistema a armadura CC da excitatriz, a ponte
retificadora trifásica e o campo do gerador principal são montados em um mesmo eixo. Fonte
[4].
2.2.3.4.4 SISTEMA DE EXCITAÇÃO ESTÁTICO
Nos sistemas de excitação desta categoria, todos os componentes são estáticos ou
estacionários, a corrente de excitação é suprida diretamente ao campo do gerador principal
através de retificadores estáticos, controlados ou não, que por sua vez obtém a potência de
excitação diretamente da saída do gerador principal, conforme apresentado na figura 2.12. O
sistema apresentado utiliza transformadores de corrente e potencial para alimentar os
retificadores que, por sua vez, suprem diretamente a corrente de excitação para o campo do
gerador principal através de escovas e anéis coletores. Fonte [4].
Figura 2.10: Sistema de Excitação Estático.
Este tipo de sistema de excitação utilizado no presente trabalho. Será visto a seguir
mais detalhadamente as características de escovas e anéis coletores. Fonte [4].
2.3 ESCOVAS ELÉTRICAS
Uma escova é um condutor elétrico, que atua como um contato deslizante de
eletricidade, conduzindo a corrente de uma ou mais escovas para uma superfície rotativa,
sendo comumente conhecida como anel coletor ou comutador.
31
Tucuruí-PA
2015
A escova é denominada anódica ou positiva quando a corrente flui da escova para o
coletor e catódica ou negativa quando a corrente flui do coletor para a escova.
A primeira escova do grafite natural para este proposito surgiu a 90 anos devido o
material ser conhecido pelas suas propriedades de um lubrificante sólido e uma série de outras
propriedades como:
Resistência aos efeitos da alta temperatura: O carbono mantém suas propriedades
físico-químicas e mantém-se na forma sólida até temperaturas próximas de 3.000 °C. O
carbono não possui estado líquido em pressão baixa da atmosfera. Nessa condição, o material
passa do estado sólido para o estado gasoso em temperaturas entre 3.600°C e 4.000°C.
Baixa densidade: O carbono é menos denso que a maioria dos metais. A baixa inércia
das escovas de carbono faz com que ela deslize com facilidade mesmo considerando
irregularidades na superfície onde ele realiza o movimento.
Sem efeito de solda: O carbono quando sofre um aquecimento instantâneo, como um
arco elétrico, por exemplo, não tem o mesmo comportamento dos metais que podem se
comportar como uma “solda”. Fonte [5].
2.3.1 GRUPOS DE QUALIDADE
Existem cinco grupos principais de escovas, cada qual correspondendo a um processo
de fabricação peculiar. Segue abaixo um resumo do processo de fabricação de cada um dos
grupos de escovas, bem como suas principais características, aplicações e limites de emprego
válidos para a qualidade dos grupos. Fonte [5].
2.3.1.1 ESCOVAS CARBOGRAFÍTICAS (GRUPO A):
Fabricação: São preparadas a partir de misturas de pó de carvão, grafite natural e
grafite artificial moído, peneirado e aglomerado com um ligante.
Características Principais: Escovas com bom poder comutante, geralmente polidoras,
com queda de tensão média no contato (M).
Principais Aplicações: Máquinas velhas, lentas, com ou sem polos auxiliares e geralmente
pouco carregadas, motores fracionários (eletrodomésticos, ferramentas elétricas) e sapatas
coletoras de corrente. Limites de Emprego. Fonte [5].
Densidade de corrente de 6 a 8 A/cm2.
Velocidade periférica admissível de até 25 m/s.
32
Tucuruí-PA
2015
2.3.1.2 ESCOVAS ELETROGRAFÍTICAS (GRUPO EG):
Fabricação: Preparadas como as escovas carbografíticas são submetidas a outros
tratamentos de alta temperatura (até 3.000° C), com o objetivo de orientar os grãos para
transformar o carbono de base (amorfo) em eletrografite, e assim transforma-lo em
lubrificante.
Características Principais: Escovas com queda de tensão no contato baixa (B) ou
média (M) ou elevada (E) e atrito baixo (B) ou médio (M), ocasionando, portanto, perdas
reduzidas e particularmente adaptadas às velocidades elevadas. Principais Aplicações: Todas
as máquinas modernas, estacionárias ou de tração; rápidas, de carga constante ou variável.
Limites de Emprego. Fonte [5].
De 5 a 12 (15) A/cm² em regime estável.
De 20 a 25 A/cm² em regime transitório.
Velocidade periférica admissível de até 60 m/s.
2.3.1.3 ESCOVAS GRAFÍTICAS (GRUPO LFC):
Fabricação: O constituinte de base é o grafite natural purificado ou artificial moído
(coque de petróleo). Adicionam-se constituintes auxiliares em quantidades bem definidas,
aglomerados com ligantes apropriados e cozidos para coqueificação ligante.
Características Principais: Escovas macias, plásticas, que amortecem eficazmente
choques e vibrações mecânicas. São geralmente polidoras para controlar a espessura da
pátina, devido a adição de abrasivos, devido ao grafite ser lubrificante natural. Principais
Aplicações: Anéis de aço de máquinas síncronas rápidas. Limites de Emprego. Fonte [5].
Densidade de corrente nas escovas de 6 a 13 A/cm2.
Velocidade periférica admissível de até 90 m/s.
2.3.1.4 ESCOVAS METÁLICAS (GRUPOS CG / MC / MH):
Fabricação: Os pós de grafite natural purificado e de cobre são misturados em
proporções convenientes, acrescentando, eventualmente outros metais. O pó obtido é
comprimido em prensas e cozido em atmosfera e temperatura apropriadas para atingir a
solidez e coesão desejadas.
33
Tucuruí-PA
2015
Características Principais: Escovas densas e muito pesadas, com coeficientes de baixo
atrito (B) e queda de tensão muito baixa (TB). Funcionam, portanto, com perdas muito
reduzidas. Principais Aplicações: Máquinas de corrente contínua, lentas e com baixa ou muito
baixa tensão. Anéis de motores assíncronos, com ou sem levantamento de escovas. Limites de
Emprego. Fonte [5].
Densidade de corrente nas escovas:
De 12 a 30 A/cm2 em regime estável.
Até 100 A/cm² em regime transitório.
Velocidade periférica admissível de até 35 m/s.
2.3.1.5 ESCOVAS BAQUELITE – GRAFITE (GRUPO BG):
Fabricação: Grafite natural ou artificial, moído e aglomerado com resina termo-
endurecível do tipo baquelite. Comprime-se a mistura em prensas e submetem-se os blocos
assim obtidos a temperaturas convenientes para obter-se a polimerização do ligante.
Características Principais: Escovas com resistência mecânica e elétrica elevadas, muito
comutantes, geralmente polidoras, com queda de tensão elevada (E) e, portanto, perdas
elevadas. Podem funcionar com densidades de corrente muito baixas.
Principais Aplicações: Motores de corrente alternada com coletor do tipo Schorch ou
Schrage. Algumas máquinas de corrente contínua, destinadas à tração ou estacionárias, de
velocidade média e pouco carregadas. Limites de Emprego. Fonte [5].
Densidade de corrente nas escovas varia de acordo com a qualidade.
Velocidade periférica admissível de até 40 m/s.
2.3.2 PROPRIEDADES FÍSICAS
A escova de carbono é uma das aplicações do carbono na qual as características de
contato são muito mais importantes do que as propriedades físicas do material. Entretanto,
várias propriedades físicas do composto de carbono manufaturado têm função na operação
das escovas de carbono. Destacaremos algumas delas. Fonte [5].
34
Tucuruí-PA
2015
2.3.2.1 RESISTÊNCIA ESPECÍFICA
É a resistência normalmente expressa na indústria de carvão como sendo a resistência
de uma face para a face oposta de um cubo de 2,54 cm³. A resistividade elétrica é muito
importante no controle da uniformidade do material, quando da sua fabricação e para a
seleção da qualidade da escova. Esta característica indica a posição que o material oferece ao
fluxo de corrente pela escova. A resistividade tem uma influência bem menor que a queda de
contato, coeficiente de atrito ou condutividade na performance da escova. A unidade
comumente utilizada devido aos valores serem extremamente pequenos é de µ Ω x cm. Tanto
o carvão quanto o grafite, em relação à temperatura, têm sua resistência diminuída à medida
que há aumento de temperatura, considerando as condições e variações de trabalho para os
quais são aplicados. Para as escovas metalizadas não há muita influência devido ao efeito do
balanceamento do cobre. A resistividade é calculada tomando-se uma amostra, como segue:
Fonte [5].
𝜌 =𝑣. 𝑝. 𝑤
𝑖. 𝑖𝑢
Onde:
𝜌 – Resistividade ou resistência especifica em µΩcm;
𝑣 – Queda de tensão medida no comprimento 𝑖𝑢 da amostra em volts;
𝑖 – Corrente que atravessa a amostra em A;
𝑝 – Largura da amostra em cm;
𝑤 – Espessura da amostra em cm;
𝑖𝑢 – Distância entre as pontas de prova em cm.
2.3.2.2 DUREZA “SHORE”
A dureza Shore de uma escova é a resistência relativa ao bloco de carvão medido por
um aparelho denominado escleroscópio shore C2, no qual um martelo de aço especial cai de
certa altura; a volta do martelo após o impacto indica a dureza relativa do material. Não há
unidades absolutas de dureza relativa do material. Os resultados lidos são utilizados apenas
com o propósito de comparação. Fonte [5].
35
Tucuruí-PA
2015
2.3.2.3 VELOCIDADE PERIFÉRICA
É a velocidade superficial de um comutador ou anel coletor expresso em m/s. A
fórmula a seguir é utilizada para o cálculo da velocidade periférica.
𝑉𝑃 =𝜋. 𝐷. 𝑅𝑃𝑀
60 𝑚/𝑠
Onde:
D – Diâmetro do comutador ou anel coletor;
RPM – Número de rotações da máquina;
Fonte: [5].
2.3.2.4 COEFICIENTE DE ATRITO
A fricção é a resistência que se opõe ao deslizamento de um objeto sobre o outro.
Quando há máquinas operando em condições normais de carga, sem contaminação
atmosférica e qualidade apropriada, a perda por atrito será pequena.
Porém, nos casos em que as condições a seguir descritas forem encontradas, ocorrerá
aumento da fricção, aquecimento excessivo do comutador e escova lascada ou quebrada.
Ângulo incorreto da escova;
Baixa carga;
Pressão incorreta;
Qualidade incorreta;
Superfície do comutador irregular;
Etc.
Os principais fatores que interferem no coeficiente de atrito são:
Condições da superfície do coletor;
Velocidade periférica;
Densidade da corrente.
Fonte: [5].
O coeficiente de atrito é avaliado mediante a seguinte simbologia:
36
Tucuruí-PA
2015
Tabela 2.1: Coeficiente de atrito. Fonte: [5].
Simbologia Significado Atrito
E Elevado E>0,20
M Médio 0,12<M<0,20
B Baixo B<0,12
Para calcular a perda por atrito temos a seguinte formula:
𝑃𝑎𝑡 = 9.81 × 10−2 × 𝑢 × 𝑃 × 𝑁𝑎 × 𝐴𝑒 × 𝑉𝑝 × 102
𝑃𝑎𝑡 – É a perda por atrito na escova em Watts;
𝑢 - Coeficiente de atrito da escova;
P – É a Pressão na mola que em N/cm2;
Na – Numero de Escovas;
Ae – Área da escova em cm2;
Vp – Velocidade periférica do anel em m/s. Fonte [9].
2.3.2.5 QUEDA DE TENSÃO NO CONTATO
É a queda provocada pela passagem de corrente entre a face da escova e o anel coletor
ou o comutador. Os valores de queda de tensão variam consideravelmente dependendo das
condições do filme formado sobre a superfície do coletor. A alta resistência de contato
predominante nas escovas com qualidade eletrografíticas auxilia na comutação diminuindo a
circulação de corrente nas bobinas que são curto-circuitadas palas escovas.
As escovas com alta queda de tensão minimizam ou eliminam a existência de
faiscamento nas máquinas que exibem comutação difícil. Os fatores que influenciam na queda
de tensão são:
Pressão;
Temperatura da escova e do comutador;
Condições atmosféricas;
Velocidade periférica;
Teor de nego de fumo.
37
Tucuruí-PA
2015
A queda de tensão no contato é avaliada mediante a seguinte simbologia:
Tabela 2.2: Queda de tensão no contato. Fonte: [5].
Simbologia Significado Queda de contato em Volts
(soma das duas polaridades).
E Elevado E > 3
M Médio 2,3 < M <3
B Baixo 1,4 < B < 2,3
MB Muito Baixo MB < 1,4
MMB Muito Muito Baixo MMB <0,5
Para calcular a perda no contato temos:
𝑃𝑣 = 𝐼𝑒 × 𝑉𝑒
Pv – Perda no contato em [W];
Ie – É a corrente nominal de excitação em A;
Ve – Queda tensão no contato em V. Fonte [9].
2.3.2.6 PRESSÃO NA ESCOVA
A pressão é um valor variável dependendo das condições de trabalho e da qualidade a
ser aplicada. Quando a pressão é insuficiente, ocorre o que se chama de desgaste elétrico, que
é provocado pela erosão da face da escova (faiscamento), vibrações e comutador queimado.
No caso de pressão excessiva, há uma elevada perda por atrito, aquecimento do comutador e
desgaste rápido das escovas.
É sempre aconselhável a aplicação da pressão máxima recomendada pelo fabricante da
escova, pois com o decorrer do uso da escova, e se a pressão inicial for mínima, em pouco
tempo a escova estará submetida a uma pressão insuficiente. Fonte: Adaptado [5].
38
Tucuruí-PA
2015
Tabela 2.3 – Pressão (g/cm2) recomendada. Fonte: adaptada [5].
Grupo de Qualidade de Escovas
Sobre o Anel
Sobre o Comutador
Máquina
Estacionária
Máquina de
Tração
Carbografíticas 170 – 200
Eletrografíticas 170 – 200 170 – 200 250 – 450
Eletrografíticas imprensadas com
resina.
170 – 250 250 – 550
Grafíticas 130 – 170 150 – 170
Metálicas – Velocidades Normais 170 – 200
Metálicas – Velocidade < 1m/s 250 – 270
2.3.2.7 FILME OU PÁTINA
O filme é uma película lubrificante que faz com que a escova deslize sobre o
comutador sem causar desgaste entre ambos. Além disso, um filme adequado ajuda a obter
boa comutação.
O filme é constituído de 4 (quatro) componentes fundamentais que, sem nenhum
deles, o desempenho da máquina pode ser prejudicado.
Os componentes são:
Óxido metálico;
Carbono;
Vapor de água;
Partículas livre de grafite.
É importante lembrar que o grau de umidade deve estar entre 8 e 15 g/m³ para que se
obtenha uma boa condição de formação de filme. O tempo de formação do filme pode variar
dependendo das condições em que esteja sujeita a máquina. Um valor estimado pode ser de
70 a 100 horas.
39
Tucuruí-PA
2015
As causas que provocam a formação de um filme inadequado são:
Contatos de substâncias existentes na atmosfera e de manuseio (graxa, óleo etc);
Qualidade inadequada;
Excesso ou insuficiência de umidade;
Baixa temperatura no contato escova/comutador (anel).
Fonte: adaptado [5].
2.3.3 DENSIDADE DE CORRENTE
A densidade de corrente representa a capacidade de carga que uma escova pode
suportar sem danos, sob condições normais de trabalho. A unidade é A/cm² e a maneira de se
calcular este valor está descrita a seguir.
Para o caso de comutadores:
𝑑𝑐 =𝐼
𝑎. 𝑡.𝑁
2
dc – Densidade de corrente para comutador;
I – Corrente de excitação da Máquina;
𝑎 – Dimensão axial ou Largura da escova (cm)
𝑡 – Dimensão tangencial ou espessura da escova (cm);
N – Número total de escovas na máquina.
Para o caso de anéis:
𝑑𝑎 = 𝐼
𝑎. 𝑡. 𝑁
Onde:
da – Densidade de corrente para anel coletor;
I – Corrente de excitação da Máquina;
N – Número total de escovas por anel.
Fonte: adaptada [5].
40
Tucuruí-PA
2015
2.3.4 TEMPERATURA
Este parâmetro é de importância fundamental no que diz respeito à formação do filme
sobre a superfície do comutador. Em máquinas que operam com temperaturas extremamente
baixas existe a dificuldade de formação do filme. Fonte: [5].
Segue abaixo a tabela com temperatura típica dos comutadores e escovas.
Tabela 2.4: Temperaturas Típicas. Fonte: adaptada [5].
Aplicação Comutador ou Coletor Escova
Motor de Tração 125°C 150°C
Máquinas Fracionárias 80°C 90°C
Máquinas Industriais 85°C – 100°C 100°C
Anéis de Turbo Geradores 80°C 80°C
41
Tucuruí-PA
2015
CAPITULO 3 – MANUTENÇÃO DE HIDROGERADORES
3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Os hidrogeradores estão sujeitos a diversos tipos de problemas, desde o processo de
fabricação dos materiais, até o processo de montagem e operação. Nos casos dos
hidrogeradores que utilizam anéis coletores no processo de excitação, pode-se incluir mais
este item como catalisador de problemas na operação.
Neste capitulo serão mencionados alguns problemas de operação e montagem do
núcleo e do enrolamento estatórico, todavia no presente trabalho será dada maior ênfase a
problemas em anéis coletores e escovas de hidrogeradores. Fonte [4].
3.2 PROBLEMA NO NÚCLEO
3.2.1 PROBLEMAS NO PROCESSO DE FABRICAÇÃO E MONTAGEM
Problema na fabricação dos componentes do núcleo são principalmente problemas de
controle de aspectos tais como:
Controle da Altura das rebarbas nas chapas;
Aplicação as chapas de uma camada de isolamento de espessura muito fina (da ordem
de apenas 10 µm) e uniforme;
Soldagem boa dos espaçadores das chapas;
Fonte: Adaptado [6].
3.2.2 PROBLEMAS EM OPERAÇÃO
Os principais problemas encontrados no núcleo depois do gerador entrar em operação
são:
Afrouxamento resultante da perda de pressão de compressão aplicada na montagem ou
falta de alinhamento dos dedos;
Ondulação resultante de dilatação térmica da circunferência;
Aquecimento excessivo dos pacotes superiores e inferiores;
42
Tucuruí-PA
2015
A condição mais perigosa é afrouxamento. Embora ondulação e aquecimento dos
últimos pacotes sejam indesejáveis, não tem tanta importância a não ser que resulte em
afrouxamento. Pode ocorrer deformação radial do núcleo, mas isto é consequência de
problemas tais como falta de rigidez da carcaça e não um problema do núcleo em si.
A queima do núcleo durante um curto-circuito para terra do enrolamento também não
é um problema do núcleo em si, porém, caso ocorra, as camadas na região da queima, ficam
curto-circuitadas pela fundição do aço. Por consequência, há possibilidade de
sobreaquecimento da região em operação normal, se os curtos-circuitos não são removidos.
Fonte: Adaptado [6].
3.3 PROBLEMAS NO ENROLAMENTO ESTATÓRICO
3.3.1 PROBLEMAS NA FABRICAÇÃO E MONTAGEM
Uma vez implantados e comprovados os processos de fabricação e isolamento das
barras, os problemas são principalmente problemas de controle de qualidade, porque pequenas
variações nos materiais, ou nas temperaturas, pressão e tempos usados nos processos, podem
afetar adversamente as características do isolamento.
No processo de montagem uma das maiores dificuldades é a de conseguir:
Um bom ajuste das barras nas ranhuras;
Um bom assentamento das barras nas ranhuras;
Um bom acunhamento que assegure a pressão permanente nas barras e evite
posteriormente afrouxamento das cunhas.
O isolamento das barras é quebradiço. Portanto, é necessário cuidado no manuseio das
barras durante a fabricação e montagem para evitar qualquer deflexão que possa rachar o
isolamento, especialmente no caso de barras compridas. Fonte: Adaptado [6].
3.3.2 PROBLEMAS EM OPERAÇÃO
Falhas de isolamento devido à temperatura ou deficiência do tipo elétrica do próprio
isolamento, ou deterioração por envelhecimento, são raras. Na grande maioria dos casos, a
falha é resultado de enfraquecimento por danos mecânicos, tais como:
43
Tucuruí-PA
2015
Rachaduras produzidas no manuseio;
Pancadas recebidas durante a montagem do gerador;
Rachadura na saída das barras do núcleo devido á vibração durante curto-circuito ou
sincronização fora de fase;
Desgaste devido vibração das barras nas ranhuras;
Cortes produzidos por dentes quebrados, espaçadores soltos, ou objeto caídos no
entreferro.
Outro tipo de falha “Mecânica” que ocorre é a perfuração do isolamento produzido
caso, haja um ponto de aço na superfície. O ponto solto gira em alta velocidade ao campo
magnético, e fura o isolamento como se fosse uma pequena broca.
Apesar da presença da camada condutora na superfície de parte embutida das barras,
descargas de baixa intensidade podem ocorrer dentro da ranhura, se a camada fica desgastada
por vibrações da barra. Depois de iniciar numa pequena área desnudada, as descargas
gradativamente aumentam esta área, sempre desgastando a camada condutora na periferia da
área. Embora não seja muito perigoso em si, a presença dessa descarga pode ser um sinal de
advertência que há vibrações das barras, que é uma condição muito perigosa. Fonte: Adaptado
[6].
3.4 MANUTENÇÃO EM ANÉIS COLETORES
São vários os itens que devem ser avaliados para um bom desempenho dos anéis
coletores. As avaliações para comutadores e anéis coletores em sua maioria são similares, por
este motivo, serão mencionadas apenas as características comuns a anéis coletores. As figuras
a seguir são de comutadores, mas como mencionamos anteriormente, são validas para o
estudo em questão.
3.4.1 CENTELHAMENTO
O centelhamento entre escovas e anéis pode surgir de várias formas e intensidade, na
tabela 3.1, veremos suas classificações. Fonte: Adaptado [5].
44
Tucuruí-PA
2015
Tabela 3.1 – Classificação de centelhamento. Fonte: Adaptado [5].
Os Limites Aceitáveis habitualmente são:
Regime normal de 1 a 1 ½;
Regime de sobre carga de 1 a 1 ¾;
Fonte: [5].
3.4.2 ASPECTOS DAS PÁTINAS
A pátina é de fundamental importância para bom desempenho dos anéis coletores, por
isso é muito importante uma boa avaliação de seu estado.
Veremos suas classificações e possíveis causas de anormalidade.
45
Tucuruí-PA
2015
3.4.2.1 INTENSIDADE DE COLORAÇÃO
3.4.2.1.1 PÁTINAS NORMAIS (P2 – P4 – P6)
Possui coloração uniforme, marrom claro (P2) a cinza (P6). Conforme a figura
3.1.Fonte: [5].
Figura 11.1: Pátinas Normais.
Fonte [5].
3.4.2.2.1 PÁTINA ESTRIADA (P12)
Possui estrias ou faixas, relativamente largas, alternadamente claras e escuras, sem
desgaste de cobre como ilustrado na figura 3.2. As causas prováveis são a umidade excessiva,
vapores de óleo, atmosfera poluída, gases corrosivos ou escovas em condições de subcarga.
Figura 3.2: Pátina Estriada.
Fonte [5].
46
Tucuruí-PA
2015
3.4.2.2.2 PÁTINA SULCADA (P14)
Possui sulcos com cobre vivo, ligeiramente patinado e com ataque ao metal como
ilustradas na figura 3.3.
As causas prováveis são as mesmas das pátinas estriadas, porém agravadas pelo tempo
mais longo de funcionamento e a possível qualidade inadequada de escova para aplicação.
Figura 3.3: Pátinas Sulcadas.
Fonte: [5].
3.4.2.2.2 PÁTINA MANCHADA (P16)
Possui manchas de formas diversas, com coloração e formas anárquicas como pode ser
observadas na figura 3.4. A causa provável é o comutador deformado ou sujo.
Figura 3.4: Pátina Manchada.
Fonte: [5].
47
Tucuruí-PA
2015
3.4.2.3.1 MANCHAS ISOLADAS OU REPARTIDAS UNIFORMEMENTE (P22)
Possui manchas escuras com ataque das bordas laminadas como ilustrado na figura
3.5. As causas prováveis são a falsa cilindricidade do comutador (manchas isoladas), falta de
balanceamento dinâmico, mancais defeituosos, mau alinhamento dos eixos (manchas
repartidas regularmente sobre uma ou várias zonas do comutador).
Figura 3.5: Tipos de Pátinas.
Fonte: [5].
3.4.2.3.2 MANCHAS ESCURAS DE CONTORNO BEM DEFINIDO (P24)
Podem ou não ser seguidas de manchas mais claras de contorno irregular como
mostrado na figura 3.6. A causa provável é um defeito que afeta uma lâmina ou um grupo de
lâminas, ocasionando elevação da escova.
Figura 3.6: Tipos de Pátinas.
Fonte [5].
48
Tucuruí-PA
2015
3.4.2.3.3 LÂMINAS MANCHADAS NO CENTRO E NAS BORDAS (P26 – P28)
Possui manchas nas bordas ou no centro na lâmina do comutador. A causa provável é
devida uma retificação defeituosa do comutador.
Figura 3.7: Lâminas manchadas no Centro e nas Bordas.
Fonte: [5].
3.4.3 QUEIMADURAS
Os comutadores e anéis coletores em operação podem sofrer processo de queima de
sua superfície.
A seguir são descritas suas classificações e prováveis causas.
3.4.3.1 PÁTINA QUEIMADA NAS BORDAS (B2 – B6)
Apresentam queimaduras por faiscamento na borda das lâminas com mostrado na
figura 3.8. Fonte [5].
Figura 3.8: Pátina queimada nas bordas. Fonte [5].
49
Tucuruí-PA
2015
3.4.3.2 PÁTINA QUEIMADA NO CENTRO (B8)
Apresenta queimadura de faiscamento no centro das lâminas de acordo com a
ilustração da figura 3.9.
Figura 3.9: Pátina Queimada no Centro.
Fonte [5].
3.4.3.3 – PÁTINA PERFURADA (B10)
Apresenta pequenas manchas claras, de números variável, repartidas anarquicamente
sobre toda a pista das lâminas, com patina correta e normal como mostrado na figura 3.10. A
causa provável é um faiscamento sob as escovas ou motores de dois sentidos de rotação.
Figura 3.10: Pátina Perfurada.
Fonte [5].
3.4.4 – MANCHAS SOBRE OS COMUTADORES
Assim como os comutadores os anéis coletores também podem apresentar manchas. A
classificação e prováveis causas são aplicáveis para comutadores e anéis coletores.
50
Tucuruí-PA
2015
3.4.4.1 – IMAGEM DA ESCOVA (T10)
Apresenta mancha escura ou negra reproduzindo a superfície de contato da escova
sobre o comutador como mostrado na figura 3.11. Provavelmente causada por parada
prolongada de máquina sem corrente ou parada momentânea em carga.
Figura 12.11: Mancha da imagem da escova.
Fonte [5].
3.4.4.2 – LÂMINA SALIENTE (T12)
Apresenta franja escura devido à perda de contato consequente da lâmina saliente
como mostrado na figura 3.12.
Figura 3.12: Mancha de Lâmina Saliente.
Fonte [5].
3.4.4.3 – LÂMINAS RETRAÍDAS (T14)
Apresenta franja escura devido à perda de contato com a lâmina em consequência da
retração da mesma como mostrada na figura 3.13.
51
Tucuruí-PA
2015
Figura 3.13: Manchas de lâminas retraídas.
Fonte [5].
3.4.4.4 – REBARBAS (T18)
Apresenta manchas escuras e localizadas devido a rebarbas nas lâminas como
mostrado na figura 3.14.
Figura 3.14: Mancha de rebarba.
Fonte [5].
3.4.5.1 DESGASTE NORMAL (R2)
Na figura 3.15 é mostrado o aspecto de um comutador mostrando o desgaste do metal,
pista por pista, com montagem correta. Consequência de um desgaste normal após um longo
período de funcionamento.
52
Tucuruí-PA
2015
Figura 3.15: Desgaste normal do comutador.
Fonte [5].
3.4.5.2 DESGASTE ANORMAL (R4)
Na figura 3.16 é mostrado o aspecto de um comutador com desgaste anormal do metal
consequente da montagem incorreta das escovas (número de escovas positivas diferentes do
número de escovas negativas sobre a mesma pista), ou qualidade inadequada ou ainda
poluições diversas.
Figura 3.16: Desgaste anormal do comutador.
Fonte [5].
3.5 ASPECTOS DAS FACES DE CONTATO DAS ESCOVAS
As ilustrações que se seguem retratam aspectos típicos das superfícies de contato das
escovas. Para possibilitar um julgamento unificado serão adotados as denominações S1, S3,
etc...
S1, S3 e S5 são exemplos de superfície de contato com aspecto normal refletindo bom
funcionamento elétrico e mecânico. Dependendo da qualidade de carvão a superfície pode
apresentar-se uniforme ou porosa com aspecto brilhante ou fosco. As condições ambientais,
53
Tucuruí-PA
2015
por exemplo: existência de pó, pode causar a formação de estrias finíssimas na face de
deslizamento.
3.5.1 SUPERFÍCIE IMPECÁVEL, UNIFORME, BRILHANTE (S1)
Apresenta uma boa condição de funcionamento como mostrado na figura 3.17.
Figura 3.17: Aspectos da face da escova tipo S1.
Fonte [5].
3.5.2 SUPERFÍCIE IMPECÁVEL, LEVEMENTE POROSA, BRILHANTE (S3)
Apresenta uma boa condição de funcionamento como mostrado na figura 3.18.
Figura 3.18: Aspecto da face da escova tipo S3.
Fonte [5].
3.5.3 ESTRIAS EXTREMAMENTE FINA (S5)
Representam um funcionamento normal, com uma leve incidência de pó como
mostrado na figura 3.19.
54
Tucuruí-PA
2015
Figura 139: Aspecto da face da escova tipo S5.
Fonte [5].
3.5.4 RANHURAS (S7)
Na figura 3.20 é mostrado o aspecto provavelmente causado por subcarga elétrica,
pela presença de pó e contaminação com óleo ou graxa.
Figura 140: Aspecto da face da escova tipo S7.
Fonte [5].
3.5.5 PISTA COM ESTRIAS E RANHURAS (S9)
O aspecto mostrado na figura 3.21 é provavelmente causado por subcarga elétrica pela
presença de pó ambiental, e contaminação por graxa ou óleo (mais pronunciado S7).
Figura 3.21: Aspectos da face da escova tipo S9. Fonte [5].
55
Tucuruí-PA
2015
3.5.6 QUEIMADURA NAS BORDAS DE ENTRDA OU SAÍDA (S13)
O aspecto mostrado na figura 3.22 é provavelmente causado pela dificuldade de
comutação, por forte faiscamento e interrupções de contato causadas por ovalização do
comutador ou por pressão insuficiente nas escovas.
Figura 3.22: Aspectos da face da escova tipo S13.
Fonte [5].
3.5.7 – FORMAÇÃO DE CRATERAS (S15)
A figura 3.23 mostra a provável causa por sobrecarga elétrica ou interrupções de
contato.
Figura 3.23: Aspecto da face da escova tipo S15.
Fonte [5].
3.5.8 ESTAMPA DAS LÂMINAS NAS SUPERFICIE (S17)
A figura 3.24 mostra a provável causa dada pela ocorrência de queimaduras geradas
por picos de correntes durante a comutação oriunda de anomalias no bobinamento.
56
Tucuruí-PA
2015
Figura 3.24: Aspecto da face da escova tipo S17.
Fonte [5].
3.5.9 DEPÓSITO DE COBRE (S21)
A figura 3.25 mostra a provável causa por incrustações em consequência, por
exemplo, do arraste de cobre.
Figura 3.25: Aspectos da face da escova tipo S1.
Fonte [5].
3.5.10 LANÇAMENTOS (S23)
A figura 3.26 mostra a provável causa a partir de lâminas salientes e fortes ovalização
do comutador, as escovas trepidam operando em vazio.
Figura 3.26: Aspecto da face da escova tipo S23. Fonte[5].
57
Tucuruí-PA
2015
CAPÍTULO 4
DIMENSIONAMENTO DO NOVO CONJUNTO DE ANEL COLETOR, ESCOVA E
PORTA ESCOVA.
4.1 OBJETIVO
O objetivo desse capitulo é apresentar o sistema de excitação estática da UHE –
Tucuruí e também mostrar as mudanças efetuadas no conjunto escova e anel coletor da
máquina 03 do fabricante JEUMONT SCHNEIDER.
4.1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Os geradores síncronos na Usina Hidrelétrica de Tucuruí utilizam sistema de auto
excitação cuja conexão do armário de excitação com o rotor se dá por escovas e anéis
coletores. Esses sistemas demandam bastante manutenção, seja programada (inspeção e
limpeza), seja emergêncial (centelhamento ou queima). No entanto, são escolhidos pelo fato
de apresentar uma resposta rápida a possíveis falhas e desníveis de potência reativa e tensão.
A figura 4.1 apresenta uma visão geral do sistema de excitação utilizado na UHE – Tucuruí.
Figura 4.1: Sistema de Excitação
Quando a máquina esta desligada o serviço auxiliar realiza a excitação inicial
necessária ao funcionamento da unidade. Em seguida, a fonte de excitação deriva do
barramento de 13.8 KV do gerador (auto excitação). A tensão 13.8 KV chega ao
transformador principal de 550 KV através do mesmo barramento, iniciando o processo de
transmissão. Da derivação do barramento de 13.8 KV a tensão chega aos transformadores de
58
Tucuruí-PA
2015
excitação (três monofásicos de 13.8 KV / 1 KV), em seguida passa por um banco de tiristores
que farão a retificação AC – CC e a regulação de tensão para 434 Vcc e então realimentar por
meio de escovas e anel coletor o enrolamento de campo. O esquema a seguir ilustra o sistema
de realimentação.
Figura 4.2: Esquema de excitação.
4.1.2 PROBLEMAS NO CONJUTO DE COMUTAÇÃO
O conjunto escova e anel coletor que são os responsáveis pelo fornecimento de energia
ao enrolamento de campo do gerador, apresentam problemas periódicos. Esses problemas são
causados por fatores variados como foi mostrado no capitulo 3. Apesar da observação diária
realizada pela equipe da Eletrobrás Eletronorte, sempre que há uma falha o conjunto começa a
centelhar e na maioria das vezes queima. Com o conjunto de excitação danificado, a equipe de
operação é obrigada a parar a máquina para reparar os danos. O tempo necessário para
consertar o gerador é em torno de 2 dias.
Figura 4.3: Anel coletor queimado e anel coletor em condições normais.
59
Tucuruí-PA
2015
As escovas e os porta escovas também danificam quando ocorre a queima do anel
coletor. Conforme a figura abaixo.
Figura 4.4: Porta escovas e escovas queimados.
Figura 4.5: Porta escova derretido após queima do anel.
Na UHE – Tucuruí esse tipo de problema é muito comum e acontece na maioria das
máquinas. Sendo assim, a equipe de manutenção percebeu que os geradores do fabricante
JEUMONT SCHNEIDER apresentavam esse problema com mais frequência que os outros.
Analisando seus aspectos construtivos a empresa decidiu fazer uma mudança estrutural no
gerador. Isso significaria mudar o projeto do fabricante fazendo algumas alterações que
veremos a seguir:
Para realizar tal mudança a Eletrobrás contratou a empresa GE GEVISA que formulou
a seguinte mudança.
60
Tucuruí-PA
2015
4.2 MUDANÇA DE PROJETO DO GERADOR JEUMONT SCHNEIDER
Para efetuar os cálculos vamos analisar os dados do projeto inicial do gerador
JEUMONT.
4.2.1 DADOS GERAIS DO GERADOR
Conforme os dados de placa do gerador temos:
Figura 4.6: Dados de placa do gerador.
4.2.2 DADOS DO CONJUNTO DE ANÉIS COLETORES EXISTENTE.
Escovas por anel 14.
Escova MERSEN de fabricação CG 651/J de 32 [mm] x 40 [mm].
Para calcular a densidade de corrente nas escovas usaremos a formula apresentada no
capitulo 3:
61
Tucuruí-PA
2015
𝑑𝑒 = 𝐼𝑒
𝑎. 𝑡. 𝑁
Onde:
De – Densidade de corrente nas escovas;
Ie – Corrente nominal de excitação da máquina 2095 A ;
N – Número total de escovas por anel 14;
𝑎 – Largura da escova que vale 3,2 cm2;
𝑡 – Altura da escova 4 cm2;
𝑑𝑒 = 2095
3,2 × 4 × 14
𝑑𝑒 = 11,69 A/𝑐𝑚2
Conforme catálogo do fabricante MERSEN o tipo CG 651 tem uma capacidade
máxima de condução de corrente de 12 a 14 [A/cm2]. Conforme a figura 4.6 abaixo. Fonte
[7].
Figura 4.7: Escova MERSEN tipo CG651.
O coeficiente de atrito é “baixo”, isto é, menor que 0,12. Vamos considerar como
sendo 0,12. Para calcular a perda por atrito vamos considerar a pressão da mola como sendo
de 2 [N/cm2] por ser um padrão europeu. Assim temos:
𝑃𝑎𝑡 = 9.81 × 10−2 × 𝑢 × 𝑃 × 𝑁𝑎 × 𝐴𝑒 × 𝑉𝑝 × 102
𝑃𝑎𝑡 – É a perda por atrito na escova em Watts;
𝑢 - Coeficiente de atrito da escova 0,12;
P – É a Pressão na mola que vale 2 N/cm2;
Na – Numero de Escovas 14;
62
Tucuruí-PA
2015
Ae – Área da escova em 12,8 cm2;
Vp – Velocidade periférica do anel em m/s; Fonte [9]
Para calcular a velocidade periférica temos:
𝑉𝑝 = 𝜋𝐷𝑒
1000×
𝑁𝑛
60
De – Diâmetro externo do anel e vale 1368 mm;
Nn – Rotação da máquina que vale 81.8 RPM;
A Velocidade periférica será:
𝑉𝑝 = 𝜋1368
1000×
81.8
60
𝑉𝑝 = 5.85 𝑚/𝑠
Agora que temos a velocidade periférica podemos calcular a perda por atrito que será:
𝑃𝑎𝑡 = 9.81 × 10−2 × 0.12 × 2 × 14 × 12.8 × 5.85 × 102
𝑃𝑎𝑡 = 2.468,1 𝑊
A perda por atrito será de 2.468,1 [W]. Fonte [7].
A queda de tensão no contato é “muito baixa”, isto é, pertence à faixa de 0,5 até 1,4 V
para as duas polaridades. Vamos considerar 0,9 V.
Para calcular a perda no contato temos:
𝑃𝑣 = 𝐼𝑒 × 𝑉𝑒
Pv – Perda no contato em [W];
Ie – É a corrente nominal de excitação 2095A;
Ve – Queda tensão no contato.
𝑃𝑣 = 2095 × 0,9
𝑃𝑣 = 1885,5 𝑊
A perda no contato será de 1885,5 [W]
A perda total (atrito + contato) será de 4.353,6 [W]. Fonte [7].
63
Tucuruí-PA
2015
Com uma superfície total de contato com o ar de 29557 cm² (Área das escovas)
teremos uma dissipação de potência de 0,147 [W/ cm²]. Fonte [7].
4.2.3 DADOS DO CONJUNTO DE ANÉIS COLETORES NOVOS.
A GEVISA tem por critério utilizar uma espessura máxima de escova de 25,4 [mm]
para evitar dificuldades de dissipação do calor gerado internamente.
(21) escovas por anel;
Escova metal grafite Toyo Tanso M3 de 25,4 [mm] x 37,9 [mm];
Para calcular a densidade de corrente nas escovas usaremos a formula apresentada no
capitulo 3:
𝑑𝑒 = 𝐼𝑒
𝑎. 𝑡. 𝑁
Onde:
de – Densidade de corrente nas escovas;
Ie – Corrente nominal de excitação da Máquina 2095 A;
N – Número total de escovas por anel 21;
𝑎 – Largura da escova que vale 2,54 cm2;
𝑡 – Altura da escova 3,79 cm2;
𝑑𝑒 = 2095
2,54 × 3,79 × 21
𝑑𝑒 = 10,36 A/𝑐𝑚2
A densidade de corrente para nova escova é menor, assim esperamos que sua
temperatura também diminua. Conforme catálogo do fabricante Toyo Tanso o grau M3 tem
uma capacidade máxima de condução de corrente de 20 [A/cm2]. A máquina vai trabalhar
com uma densidade de corrente correspondendo a 51,8 % da capacidade da escova;
64
Tucuruí-PA
2015
O coeficiente de atrito é 0,20. Para calcular a perda por atrito vamos considerar a
pressão da mola como sendo de 2,4 [N/cm2] por ser o valor aplicado pela mola do porta
escova padrão da GEVISA. Assim temos. Fonte [7].
𝑃𝑎𝑡 = 9.81 × 10−2 × 𝑢 × 𝑃 × 𝑁𝑎 × 𝐴𝑒 × 𝑉𝑝 × 102
𝑃𝑎𝑡 – É a perda por atrito na escova em Watts;
𝑢 - Coeficiente de atrito da escova 0,20;
P – É a Pressão na mola que vale 2,4 N/cm2;
Na – Numero de Escovas 21;
Ae – Área da escova 9,62 cm2;
Vp – Velocidade periférica do anel 5,85 m/s;
𝑃𝑎𝑡 = 9.81 × 10−2 × 0.20 × 2,4 × 21 × 9,62 × 5.8 × 102
𝑃𝑎𝑡 = 5.505,9 𝑊
A perda por atrito será de 5.505,9 [W].
A queda de tensão no contato é “muito baixa”, isto é, menor que 0,2 para as duas
polaridades. Vamos considerar 0,2 V. Fonte [7].
Para calcular a perda no contato temos:
𝑃𝑣 = 𝐼𝑒 × 𝑉𝑒
Pv – Perda no contato em [W];
Ie – É a corrente nominal de excitação 2095A;
Ve – Queda tensão no contato 0,2 V.
𝑃𝑣 = 2095 × 0,2
𝑃𝑣 = 419 𝑊
A perda total (atrito + contato) será de 5924,9 [W]
Com uma superfície total de contato com o ar de 43798 cm2 teremos uma dissipação
de potência de 0,135 [W/cm2]. Fonte [7].
Com o novo projeto teremos uma dissipação menor, por conta disso esperamos que o
novo conjunto apresente uma temperatura menor.
65
Tucuruí-PA
2015
4.3 MUDANÇA ESTRUTURAL NO PROJETO.
No projeto original os geradores Jeumont possuíam 14 escovas por anel distribuídas
em 76° do anel, conforme a figura 4.1.
Figura 4.8: Conjunto Escovas e Anel coletor Máquina 03, Jeumont Schneider.
Com poucas escovas de alimentação os geradores Jeumont eram mais vulneráveis a falhas e
centelhamento que os outros geradores de outros fabricantes. Caso ocorresse uma falha
mecânica no porta escova, travando a escova no box e impedindo o contato com anel, as
demais escovas ficavam sobrecarregadas e teriam que suportar a corrente de excitação que
agora seria divida por 13 e quanto mais escovas apresentassem problemas maior seria a sobre
carga em cima das que estariam funcionando corretamente.
Figura 4.9: Novo conjunto escova e anel coletor máquina 03.
66
Tucuruí-PA
2015
O novo projeto como foi apresentado anteriormente, trouxe mudanças na quantidade
de escovas por anel, com o aumento do numero de escovas é necessário verificar se a
densidade de corrente nas escovas ira satisfazer a faixa mínima ou máxima de operação
indicada pelo fabricante, caso esteja abaixo do indicado é preciso alterar o modelo ou as
dimensões da escova. Se a escova operar acima da capacidade indicada pelo fabricante ela
pode aquecer excessivamente danificando toda a estrutura inclusive o porta escova. No
entanto, se operar abaixo da faixa de corrente indicada, alguns problemas são percebidos
como queda de tensão no contato e má formação da pátina prejudicando o desempenho do
conjunto.
Como foi visto nos tópicos acima, a GE GEVISA também alterou o modelo da escova
utilizada no gerador, conforme a figura 4.10 abaixo.
Figura 4.10: As dimensões da escova original e nova.
A figura acima mostra a mudança na escova que, era usada, de fabricação MERSEN
CG 651/J de 32 mm x 40 mm para escova metal grafite de fabricação Toyo Tanso M3 de 25,4
mm x 37,9 mm. Outra vantagem observada para nova escova é que sua dimensão reduzida
proporciona um melhor contato com menor atrito. A figura 4.11 mostra a nova organização
das escovas em torno do anel.
67
Tucuruí-PA
2015
Figura 4.11.: Nova distribuição das escovas em torno do anel coletor.
A nova distribuição das escovas também trouxe melhoria para o conjunto. O novo
projeto distribui as escovas por aproximadamente 180° do anel, essa nova disposição ajuda a
dissipar o calor que antes era concentrado em pouco mais de 70° do anel. Para que fosse
possível distribuir as escovas ao longo do anel, era preciso adaptar uma estrutura para fixar as
escovas como uma extensão. Então uma chapa de aço foi soldada a estrutura para fixar o
barramento com as escovas, conforme a figura 4.12.
Figura 4.12: Chapa de aço adaptada para sustentar as escovas.
O trabalho de adaptação da chapa de aço foi extremamente preciso, caso não fosse, o
barramento onde ficam as escovas ficaria desnivelado o que poderia causar problemas de
desgaste desproporcional.
68
Tucuruí-PA
2015
No porta escova houve mudança de desenho conforme a figura 4.13.
Figura 4.13: Desenho do novo porta escova.
O novo porta escova potencializa o desempenho do conjunto. No fim da escova há um
encache para o dedo de pressão. A escova original não possuía o encaixe traseiro, logo, o
dedo de pressão original não era direcionado ao centro para pressiona-la uniformemente como
o novo. A nova mola proporciona maior pressão que passou de 2 N/cm2 para 2,4 N/cm2.
69
Tucuruí-PA
2015
CAPITULO 5
5.1 – RESULTADOS
A aprovação final do protótipo de anéis coletores e escovas, fabricados de acordo com
o projeto final aprovado, foi realizada por meio da tabela de avaliação a seguir. Incluindo
comentários de avaliação realizada pela equipe técnica.
Tabela 5.1 – Características operacionais para aprovação do protótipo.
Item Descrição Margem aceitável Resultado
1
Formação de pátina com coloração
uniforme em toda a superfície dos anéis
coletores, sem formação de estrias, faixas,
manchas ou sulcos.
Tom marrom claro a cinza.
Satisfatório
2
Aspecto de superfície de contato das
escovas uniforme, sem estrias, ranhuras,
crateras ou quebra de canto.
Superfície brilhante e uniforme a
brilhante, uniforme e levemente
porosa.
Ainda não foi
possível obter este
resultado.
3
Média de desgastes das escovas.
Menor que um e meio
mm/1000h de operação.
Ainda não foi
possível obter este
resultado.
4
Acumulo de pó de escova no
compartimento.
O pó gerado pelo desgaste das
escovas não deverá ser excessivo
de modo a comprometer o bom
funcionamento das escovas e
porta-escovas.
Tolerável
5
Trepidação das escovas em operação.
Não será aceita trepidação nas
escovas durante operação.
Ausência de
trepidação
6 Temperatura de operação das escovas. Inferior a 100ºC. Dentro da faixa
aceitável
7 Avaliação da graduação do faiscamento
será realizada de acordo com a tabela de
Graduação do faiscamento Segundo
Westinghouse (Geradores e Motores).
De 1 em regime permanente e 1
¼ em regime transitório.
Dentro da faixa
aceitável
8
Ruídos provenientes da operação das
escovas.
As escovas deverão apresentar o
mesmo comportamento ao longo
do ano, independente das
variações na umidade absoluta
no interior do compartimento e
das variações da corrente de
excitação dentro da faixa de
operação.
Dentro da faixa
aceitável
9
Ruídos provenientes da operação das
escovas.
Os ruídos provenientes da
operação da escova serão
avaliados em conjunto com a
Contratada.
Dentro da faixa
aceitável
70
Tucuruí-PA
2015
10
Comportamento das escovas durante
operação ao longo do ano.
As escovas deverão apresentar o
mesmo comportamento ao longo
do ano, independente das
variações na umidade absoluta
no interior do compartimento e
das variações da corrente de
excitação dentro da faixa de
operação.
Dentro da faixa
aceitável
11 Tolerâncias nominais nas dimensões da
escova.
De acordo com a ITM/1163. Dentro da faixa
aceitável
12
As escovas e porta-escovas deverão
demonstrar confiabilidade para permitir a
periodicidade semestral das inspeções
preventivas.
Será avaliado o desgaste médio
das escovas, geração de pó
proveniente do desgaste das
escovas e dimensão radial da
escova de modo a viabilizar
inspeções preventivas
semestrais.
Dentro da faixa
aceitável
Para preencher a tabela 5.1 e validar o protótipo a equipe, com a máquina em
funcionamento, observou as condições do filme (Pátina), que apresentou uma superfície
aparentemente cinza, brilhante e uniforme conforme as condições normais de operação.
Figura 5.1: Conjunto de comutação.
Ainda em funcionamento a equipe mediu a corrente (Iesc) nas escovas, a trepidação (Tpd), a
mobilidade (Mob) e o ruído (Rdo) conforme a tabela 5.2.
71
Tucuruí-PA
2015
Tabela 5.2: Grandezas.
Anel Superior Anel Inferior
Nº T ºC Iesc Tpd Mob Rdo Nº T ºC Iesc Tpd Mob Rdo
01 52 * Não Normal Não 01 51 54 Não Normal Não
02 51 * Não Normal Não 02 52 220 Não Normal Não
03 51 83 Não Normal Não 03 53 80 Não Normal Não
04 51 75 Não Normal Não 04 55 188 Não Normal Não
05 50 82 Não Normal Não 05 54 69 Não Normal Não
06 51 72 Não Normal Não 06 54 62 Não Normal Não
07 50 105 Não Normal Não 07 54 80 Não Normal Não
08 50 60 Não Normal Não 08 54 187 Não Normal Não
09 52 60 Não Normal Não 09 53 137 Não Normal Não
10 51 99 Não Normal Não 10 54 148 Não Normal Não
11 52 65 Não Normal Não 11 54 116 Não Normal Não
12 50 82 Não Normal Não 12 54 152 Não Normal Não
13 52 61 Leve Normal Não 13 55 126 Não Normal Não
14 51 77 Não Normal Não 14 55 206 Não Normal Não
15 52 54 Não Normal Não 15 55 47 Não Normal Não
16 51 58 Não Normal Não 16 56 203 Não Normal Não
17 52 60 Não Normal Não 17 57 109 Não Normal Não
18 51 109 Não Normal Não 18 56 138 Não Normal Não
19 52 * Não Normal Não 19 * * Não Normal Não
20 54 * Não Normal Não 20 * * Não Normal Não
21 55 * Não Normal Não 21 * * Não Normal Não
Na tabela 5.2 os espaços que apresentam * significam leituras que a equipe não
conseguiu realizar.
Para avaliar a temperatura a equipe utilizou um termovisor (FLIR SYSTEMS Infra CAM),
conforme a figura 5.2.
Figura 5.2: Anel Coletor e escovas antes da alteração de projeto.
72
Tucuruí-PA
2015
A figura 5.2, mostra o conjunto de comutação da máquina 03 antes da alteração de
projeto. É possível notar que suas temperaturas nas escovas variavam de 78.5 °C a 86,9°C
uma faixa bem elevada para o conjunto.
A figura 5.3, representa o novo conjunto de comutação em regime transitório.
Sabemos que o tempo necessário para formação da pátina varia de 70 a 100 horas. Entretanto,
já era possível perceber uma diferença significativa na temperatura do conjunto com uma
variação de 39,0°C a 69,2°C, uma média de 20°C a menos que o projeto original.
Figura 5.3: Novas escovas e anel coletor regime transitório.
Figura 5.4: Escovas e anel coletor regime permanente.
A figura 5.4 comprova a redução de temperatura no conjunto após 100 horas de
funcionamento para uma faixa de 35°C a 57,6°C.
73
Tucuruí-PA
2015
6 – CONCLUSÃO
6.1 – CONSIDERAÇÕES FINAIS
Em seu processo criativo, o engenheiro organiza suas habilidades e seu conhecimento
de materiais e princípios específicos de sua especialidade da engenharia para criar uma nova
solução para uma necessidade humana ou um problema. Na maioria dos casos, a solução é
também limitada pela realidade econômica; não apenas deve a solução atender à necessidade
em questão, mas deve fazê-lo com baixo custo. Outras propostas de projeto também foram
analisadas como alterar as dimensões do anel coletor, distribuir as escovas por 360° do anel.
No entanto, a solução mais eficiente e viável economicamente foi à apresentada neste
trabalho.
Solucionar problemas de maneira criativa significa aproveitar oportunidades e ampliar
sua forma de pensar para incluir idéias que trazem mudanças. O projeto de mudança do
conjunto de comutação trouxe bons resultados para o desempenho da máquina. Entretanto,
ainda não se pode, do ponto de vista quantitativo, afirmar quanto por centos irão cair a falhas
por centelhamento e outros problemas. Há dois meses que o projeto foi implementado tudo
que podemos afirmar em beneficio da mudança é que notoriamente a temperatura no conjunto
diminuiu e que de forma empírica percebemos a diminuição do ruído e da vibração no
conjunto. Alinhado a filosofia TPM em busca de quebra zero e perda zero nas máquinas e
processos, espera-se que tal implementação diminua o número de paradas não programadas
(registradas na arvore de perdas da empresa) por centelhamento entre escova e anel coletor.
A presente mudança foi realizada na máquina 03 da casa de força 1 como um
protótipo, se em longo prazo demonstrar bom desempenho, outras máquinas do mesmo
fabricante devem receber a mesma alteração de projeto. As máquinas 01, 03, 05, 07, 09 são do
fabricante JEUMONT SCHNEIDER.
74
Tucuruí-PA
2015
6.2 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
O ideal de perda zero e falha zero na manutenção podem ser obtidos com intervenções
mais precisas nas máquinas e a possibilidade de melhor avaliação em tempo real da situação
da máquina. O estudo a seguir contribuirá para alcançar esse objetivo:
Monitoramento em tempo real dos desgastes das escovas e da ocorrência de
centelhamento entre escovas e anéis coletores.
Analise da economia obtida com a alteração de projeto.
75
Tucuruí-PA
2015
CAPITULO 7 – BIBLIOGAFIA
1. ELETROBRAS ELETRONORTE - A Importância Da Energia Elétrica.
Em:http://www.eletrobras.com/elb/natrilhadaenergia/energia-eletrica Acesso em: 08
de maio de 2015.
2. ELETROBRAS ELETRONORTE - Como A Energia Elétrica É Gerada No Brasil.
Em: http://www.eletrobras.com/elb/natrilhadaenergia/energia-eletrica Acesso em: 08
de maio de 2015.
3. ELETROBRAS ELETRONORTE - Como A Energia Elétrica É Transmitida No
Brasil. Em: http://www.eletrobras.com/elb/natrilhadaenergia/energia-eletrica Acesso
em: 08 de maio de 2015.
4. LUZ, Geovane Andrade Melo. Metodologia de manutenção para redução dos
desligamentos de geradores hídricos causadas por centelhamento entre escovas e
anéis coletores. Trabalho de conclusão de curso – Universidade Federal do Pará,
Tucuruí, 2010.
5. OLIVEIRA, Marcos Heitor de. Manual Carbono Lorena – Escovas. Carbono
Lorena, 2003, 45p.
6. METCALF, E.T. Enrolamento e núcleo estatórico de geradores: Projeto,
fabricação, montagem e problemas principais. In: ENCONTRO GCOL, 1982:
PROMON ENGENHARIA S. A, 1982. 41p.
7. FILHO, ANTONIO GRABERT, Memoria de calculo Eletrobrás Eletronorte, UHE
– Tucuruí. Departamento de Serviços GE GEVISA, 03 de outubro 2014, Campinas.
8. AGENCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA, Capacidade Geração do
Brasil. Disponível em:
http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm. Acesso
em: 19 de Novembro de 2015.
9. GIESBRECHT. Memorial de Cálculo Escovas e Anéis Coletores. Andritz Hydro,
2013, 6p.
