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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
A utilização de geradores de indução acionados por BFTs na geração de energia elétrica
Augusto Nelson Carvalho VianaI; Ângelo José Junqueira RezekII; Daniel de Macedo MedeirosIII
IInstituto de Recursos Naturais, Programa de Pós-graduação em Engenharia da Energia, Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, CEP.: 37500-903 Itajubá, MG, Tel.: (35) 36291382 Fax: (35) 36291265 augusto@unifei.edu.br
IIInstituto de Engenharia Elétrica, Programa de Pós-graduação em Engenharia da Energia, Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, CEP.: 37500-903 Itajubá, MG, Tel.: (35) 36291377 Fax: (35) 36291265 rezek@iee.efei.br
IIIPrograma de Pós-graduação em Engenharia da Energia, Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, CEP.: 37500-903 Itajubá, MG, Tel.: (35) 36291385 Fax: (35) 36291265 macedo@unifei.edu.br
RESUMO
A utilização de bombas funcionando como turbinas (BFTs) em micro recursos hidroenergéticos para substituir as turbinas convencionais como Pelton, Francis e Hélices têm sido comum nos países como EUA, Alemanha e França. Entretanto, no Brasil essa prática e a utilização de geradores de indução acoplados a BFTs continuam no âmbito de experiências em laboratórios. Este trabalho, baseado em resultados experimentais realizados no Laboratório Hidromecânico para Pequenas Centrais Hidrelétricas (LHPCH-UNIFEI), (VIANA, 1987), (VIANA e NOGUEIRA, 1990), propõe a utilização de grupos geradores assíncronos operando com BFTs. Para apresentar a redução dos custos de investimento em microcentrais hidrelétricas (MCHs), é mostrado o exemplo da MCH Boa Esperança, onde é feita uma comparação entre o custo de um grupo gerador síncrono funcionando com uma turbina Michell-Banki e um grupo gerador assíncrono operando com uma BFT.
Palavras chave: Microcentrais hidrelétricas, gerador assíncrono, BFT.
ABSTRACT
The utilization of the Pumps working as Turbines (PATs) in micro hydro-energy resources to replace the convencional turbines as Pelton, Francis and Propeller have been used in countries as USA, Germany and France. In the mean time, in Brazil this practice and the utilization of induction generators working with PATs is still in the scope of the laboratory experiments. This work, based on experimental results carried on in Laboratory of Hydromechanics for Small Hydro Power Plants (Laboratório Hidromecânico para Pequenas Centrais Hidroelétricas - LHPCH - UNIFEI), (VIANA, 1987), (VIANA e NOGUEIRA, 1990), propose the utilization of assynchronous generator groups operating with PATs. To show the investment cost decrease in microhydro power plants (MHPs), is showed the Boa Esperança MPH exemple, in which is presented a comparison between the synchronous generator group cost working with a Michell-Banki turbine and a assynchrounous generator group operating with a PAT.
1 - Introdução
Países como EUA, Alemanha e França vem utilizando as bombas hidráulicas de fluxo desde as centrífugas de vários estágios, de um estágio, mistas e axiais como turbinas, substituindo as turbinas convencionais como Pelton, Hélice e Francis, na geração de energia elétrica em pequenos recursos hidroenergéticos. A razão disso é devido ao bom funcionamento das bombas como turbinas e seus baixos custos se comparadas com as turbinas convencionais para mesma potência.
Com a inversão do fluxo e conseqüente inversão do sentido de rotação, a bomba funcionando como turbina (BFT), para manter praticamente o mesmo rendimento, opera com uma altura e vazão maiores do que as da bomba original. Esses aumentos variam de máquina para máquina, o que dificulta a seleção da bomba para funcionar como turbina, partindo-se da altura e vazão disponíveis em uma propriedade rural. Trabalhos como o de (VIANA e NOGUEIRA, 1990) e (CHAPALLAZ et al, 1992) apresentam procedimentos de seleção para a bomba operar como turbina, baseados em resultados experimentais a partir da vazão e da altura de queda líquida disponíveis em um aproveitamento.
Outro procedimento utilizado é substituir o gerador síncrono por um motor de indução operando como gerador. A utilização da máquina de indução na geração de energia elétrica já é conhecida a muitos anos como pode ser verificado no trabalho de (BASSET e POTTER, 1935). O gerador de indução é capaz de fornecer potência ativa para uma carga, contudo, não tem a capacidade de gerar potência reativa para si, tão pouco para equipamentos como motores e transformadores.
Se o gerador estiver conectado a uma rede, a energia reativa poderá ser fornecida pela concessionária, mas quando estiver operando isoladamente, faz-se necessária à utilização de um banco de capacitores, tanto para o gerador, quanto para a carga que estiver conectada aos seus terminais, caso possua natureza reativa.
A grande vantagem da utilização do motor de indução como gerador, tal como a BFT, é o seu baixo custo se comparado ao gerador síncrono. Também possui a vantagem da ampla disponibilidade no mercado de máquinas elétricas e é praticamente isento de manutenção, devido à sua maior robustez e ausência de escovas. Porém, sua principal desvantagem é o fator de potência menor se comparado à operação como motor.
Neste trabalho, será feita uma análise técnica e econômica entre os dois tipos de grupo geradores. Para se ter uma idéia bem próxima da realidade, serão utilizados os dados da Fazenda Boa Esperança - situada na Serra da Mantiqueira - que já possui um gerador síncrono e uma turbina Michell-Banki em operação. No final serão apresentados os custos de investimento dos dois grupos geradores para nortear a tomada de decisão do empreendedor.
2 - A Microcentral Hidrelétrica Boa Esperança
A Microcentral Hidrelétrica (MCH) está localizada no município de Delfim Moreira, Distrito do Onça - Estado de Minas Gerais - podendo ser localizada através da carta IBGE número SF-23-Y-B-VI-I, na escala 1:50.000, intitulada Delfim Moreira.
O recurso hídrico disponível para o funcionamento da MCH Boa Esperança advém do córrego Boa Vista, que é afluente do rio de Bicas pela sua margem direita e está inserido na bacia do Rio Paraná, sub-bacia do Rio Grande.
O sítio da MCH Boa Esperança está localizado nas seguintes coordenadas geográficas: latitude 22º 34' 56,4" S e longitude 45º 14' 12" W, a uma altitude de 1.400m.
No trecho de aproveitamento hídrico existe a composição de seguidas cascatas naturais, margeadas por ombreiras de média declividade e afloramentos rochosos, em uma queda com um desnível de 23m e 100m de extensão. A MCH Boa Esperança é do tipo central a fio d'água.
Atualmente a geração de energia elétrica atende ao consumo de uma propriedade rural constituída pela sede da fazenda, por chalés destinados ao ecoturismo, um restaurante e criação de trutas. Por isso a MCH é caracterizada como autoprodutora de energia elétrica, conforme o Decreto 2.003 de 10 de setembro de 1996.
Encontra-se na tabela 1 os dados principais do aproveitamento e do grupo gerador que está operando a sete anos.
3 - Seleção da BFT
Existem dois métodos utilizados para selecionar a bomba que irá operar como turbina. O primeiro foi proposto por (VIANA, 1987) e o segundo por (CHAPALLAZ et al, 1992). Basicamente os dois métodos utilizam dois coeficientes: um para se determinar a altura e o outro para a vazão, baseando-se na rotação específica da turbina.
Neste trabalho será utilizado o método proposto por (CHAPALLAZ et al, 1992), pois não foi possível determinar os coeficientes de altura e vazão através do primeiro, devido à rotação específica possuir um valor superior daquela prevista por (VIANA, 1987). Esses métodos são baseados em resultados experimentais de várias bombas operando como turbinas.
Para se determinar os coeficientes de altura e vazão é necessário calcular a rotação específica da BFT com base nos dados do aproveitamento, através da equação (1):
Onde:
n - rotação da BFT [rpm];
Ht - altura [m];
Qt - vazão [m3/s].
Com a rotação específica do aproveitamento determina-se a rotação específica da bomba, através da equação (2):
Deve-se, então, estimar a vazão da bomba por meio da equação (3):
De posse da rotação específica e da vazão da bomba, determina-se sua eficiência através da figura 1.
Conhecendo-se a rotação específica e a eficiência da bomba, determinam-se os coeficientes de altura e vazão dados por meio das figuras 2 e 3.
De posse destes coeficientes, determinam-se a altura e a vazão da bomba que irá operar como turbina, por meio das equações (4) e (5).
Onde:
Ht - altura da BFT [m];
Hb - altura da BFB [m];
Qt - vazão da BFT [m3/s];
Qb - vazão da BFB [m3/s].
Utilizando as leis de afinidade, apresentadas nas equações (6) e (7), é possível ajustar a vazão e a altura relacionada à rotação disponível nos catálogos dos fabricantes de bombas. Neste caso específico, a rotação da bomba é 1750rpm.
Na Tabela 2 são mostrados os resultados.
Através da altura 13,7m e a vazão 0,135m3/s na rotação de 1750rpm, seleciona-se a bomba que irá operar como turbina (ver catálogo do fabricante). Para o fabricante escolhido, o rendimento da bomba é 78%, que será o rendimento da BFT. Assim pode-se calcular a potência de eixo através da equação (8).
Onde:
ηt - rendimento da turbina.
No caso da BFT há um ganho na altura de queda líquida de aproximadamente 1m, pois a mesma possui um tubo de sucção, o que não ocorre na turbina Michell-Banki. A figura 4 demonstra o tubo de sucção instalado na saída da BFT e a altura geométrica de sucção, que representa no caso em estudo o valor de Hs = 1m. Este valor deverá ser acrescido na altura de queda líquida da turbina, originalmente com 21,5m.
4 - Seleção do Gerador Assíncrono e do Banco de Capacitores para a Auto-excitação.
A seleção do gerador de indução foi feita através do método proposto por (CHAPALLAZ et al, 1990) com base em curvas obtidas experimentalmente. Conhecendo a potência de eixo da máquina primária, neste caso uma BFT, é possível selecionar um motor de indução que irá operar como gerador. Aplicando os dados constantes na Tabela 1 à equação (8) e considerando o rendimento da BFT igual à 78%, obtém-se:
Pe= 31,9 KW
De posse desse valor, faz-se a seleção do motor que vai operar como gerador (figura 5).
A capacitância para a auto-excitação do gerador de indução, com os capacitores ligados em paralelo, é dada pela equação (9):
Onde:
Qg - energia reativa necessária ao gerador de indução [kvar];
V - tensão de linha [V];
f - freqüência [Hz].
A energia reativa do gerador de indução pode ser calculada pela equação (10):
Onde Qm é a energia reativa quando a máquina estiver funcionando como motor, obtida pela equação (11):
Onde:
Pn - potência nominal do motor encontrada nos catálogos [kW];
ηm - rendimento do motor a plena carga;
cos(Φm) - fator de potência da máquina operando como motor a plena carga.
A relação sen(Φg)/sen(Φm) é função da potência nominal do motor e pode ser determinada através da figura 6.
A curva da figura 6 foi obtida experimentalmente com máquinas de 4 pólos, 50Hz, na faixa de 0 a 25kW. Observou-se que para potências superiores a 25kW a curva tinha uma certa tendência, o que permitiu uma extrapolação até 35kW. O motivo desse feito ocorreu devido a potência de eixo da turbina possuir um valor igual à 31,9kW.
Para se determinar a capacitância de auto-excitação do gerador, à freqüência de 60Hz, faz-se necessário um ajuste utilizando a equação (12):
Onde:
C60 - capacitância a 60Hz [μF/fase];
C50 - capacitância a 50Hz [μF/fase].
A potência elétrica que a máquina de indução será capaz de gerar é dada pela equação (13):
O fator de potência da máquina assíncrona operando como gerador (cosΦg) pode ser estimado com base no fator de potência do motor, encontrado no catálogo do fabricante, e pela relação da figura 6.
Logo, a potência mecânica do gerador de indução e o rendimento são obtidos pelas equações (14) e (15):
A tabela 3 apresenta os resultados obtidos para o gerador de indução selecionado.
O gerador de indução selecionado necessitará de 31,7kW no eixo para gerar 29kW, logo seu rendimento é 91,4%. Considerando que o fator de serviço da máquina é 1,15, a máquina poderá receber os 31,9kW no seu eixo sem sobrecarregar.
A tabela 4 apresenta uma comparação entre os dois grupos geradores em questão.
A tabela 4 mostra que a turbina Michell-Banki apresenta uma potência gerada de 4,7kW a menos que a BFT. Essa diferença é devido ao aumento de altura proporcionado pelo tubo de sucção montado na BFT, do rendimento inferior da turbina Michell-Banki e da utilização de acoplamento por correias e polias.
5 - Comparação dos Custos dos Equipamentos
Para o levantamento de custos dos equipamentos considerou-se, sendo novo, o grupo gerador com turbina Michell-Banki e o mesmo para a BFT e o gerador assíncrono. Na tabela 5 são encontrados os equipamentos necessários ao funcionamento dos grupos geradores e seus respectivos custos.
A tabela 5, portanto, demonstra que o painel de controle, o regulador eletrônico de carga, a válvula borboleta são necessários aos dois empreendimentos e possuem custos iguais. O que mais chama a atenção é o custo da turbina Michell-Banki, que está em torno de quatro vezes maior que o da bomba. No caso da comparação do motor assíncrono e do gerador síncrono, mesmo com a adaptação do banco de capacitores para a excitação da máquina, o custo do motor assíncrono é 1,6 vezes menor do que o gerador síncrono. No total, o custo do grupo gerador assíncrono é 2,2 vezes menor que o grupo gerador síncrono.
6 - Conclusões e Recomendações
A utilização de BFTs, em aproveitamentos de pequeno porte, mostra-se bastante atrativa em função do seu baixo custo se comparada com a turbina Michell-Banki. Além disso, numa comparação com turbinas convencionais do tipo Francis e Pelton, essa diferença de custo seria bem maior. Aliada ao baixo custo, a bomba apresenta um bom funcionamento quando opera, em reverso, como turbina (VIANA, 2002).
Outra vantagem da BFT em relação à turbina Michell-Banki é a utilização do tubo de sucção, que acarreta um aumento na altura, e, conseqüentemente um ganho na potência gerada.
A utilização do motor assíncrono como gerador também se mostra interessante, principalmente, devido ao baixo custo se comparado ao gerador síncrono. Também tem a vantagem de ser uma máquina mais robusta e praticamente isenta de manutenção, devido à ausência de escovas.
O trabalho mostrou que a substituição da turbina Michell-Banki, acoplada a um gerador síncrono, por uma BFT acionando um gerador assíncrono é uma alternativa economicamente viável, aliada ao bom funcionamento desse último.
Espera-se que essa tecnologia seja mais utilizada no país em aproveitamentos abaixo de 50kW, visto que de uma forma geral, os custos dos equipamentos eletromecânicos e hidromecânicos representam 40% do custo total de uma microcentral hidrelétrica.
7 - Referências bibliográficas
[1] BASSET, E. D.; POTTER, F. M; Capacitive excitation of induction generators; Transactions AIEE; Vol. 54; pp. 540 - 545; 1935.
[2] CHAPALLAZ, J. M.; EICHENBERGER, P.; FISCHER, G.; Manual on Pumps Used as Turbine; MHPG Series; Vol. 11; Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH; Germany, 1992.
[3] CHAPALLAZ J. M.; GHALI, J. D.; EICHENBERGER, P.; FISCHER, G.; Manual on motors used as generators; MHPG Series; Vol. 10; Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH; Germany; 1990.
[4] VIANA, A.N.C.; Bombas de Fluxo Operando como Turbinas - Por Que Usá-las?; PCH Notícias & SHP News; Ano 4; Num. 12; CERPCH; Itajubá; Nov.-Dez.-Jan.; 2002.
[5] VIANA, A.N.C.; Comportamento de Bombas Centrífugas Funcionando como Turbinas Hidráulicas; Dissertação de Mestrado; EFEI; Itajubá; Dezembro; 1987.
[6] VIANA, A.N.C.; NOGUEIRA, F. J. H.; Bombas Centrífugas Funcionando como Turbinas. Trabalho de Pesquisa; Departamento de Mecânica; EFEI; Itajubá, 1990.