Vamos falar um pouco de mecânica?

Ricardo Figueiredo

Temos nos últimos artigos focado em alternadores e reguladores de tensão, mas agora vamos ver um pouco de mecânica.

O foco deste blog é Eletricidade, Eletrônica e Automação aplicadas a grupos geradores, no entanto precisaremos estudar e construir uma base mínima de conhecimento da mecânica para que possamos entender o que os alternadores solicitam do motor e como a automação deve atuar e proteger os motores em operação, pois como vimos em um de nossos primeiros artigos o motor é a máquina acionante e o alternador é a máquina acionada. Caso não tenha lido acesse o link a seguir: O que é um grupo Gerador? Quais suas aplicações?

Conceitos básicos da mecânica:

Potência:

A física clássica nos mostra que: "A potência é velocidade com que se realiza um trabalho" e suas unidades são: Cavalo Vapor (CV), Cavalo de Força (HP) e Watt (W).

Um pouco da história destas unidades de potência:

O Britânico James Watt foi o homem que viabilizou a máquina a vapor aplicando-a em locomotivas a serem utilizadas em ferrovias e, na procura por parâmetros em que as pessoas pudessem ter a ideia de quão potentes eram essas locomotivas, iniciou experimentos para determinar qual seria a potência de um cavalo, já que o animal era o meio de tração mais popular em sua época.

Após diversos experimentos como este da figura acima, no ano de 1.782 foi definido que 1 HP (Horse Power) seria a potência necessária para elevar 75Kg à altura de 1 metro em 1 segundo. Paralelamente, os franceses também efetuaram o mesmo experimento e conceituaram o CV (Cavalo Vapor).

Em 1.972, foi adotado o sistema internacional de medidas e foi padronizado o Watt (W) como sendo a medida de potência. Convertendo para o sistema internacional 1 HP equivale a 746 W e 1 CV equivale a 736W, ou seja, aparentemente os cavalos franceses são um pouco mais fracos.

No sistema internacional um Watt corresponde a potência necessária para elevar um peso de 1 Newton à altura de 1 metro em 1 segundo, ou seja:

Também temos que 1 CV equivale a 0,98632 HP

Torque:

É uma força multiplicada por uma distância. Dizemos que "o torque é responsável por produzir rotação".

Na figura abaixo vemos o torque na prática e entenderemos o motivo pelo qual colocando uma mão de força em uma chave é mais fácil folgar ou apertar um parafuso.

Como centro da rotação temos o parafuso, a distância é o comprimento da chave e a mão do mecânico é a aplicação da força. O que fará o parafuso girar não será a força aplicada e sim o torque.

Definimos o torque como sendo uma força multiplicada por uma distância então, se aumentarmos a força ou a distância aumentaremos o torque.

Se colocarmos uma mão de força em uma chave estaremos aumentando a distância entre o centro da rotação e o ponto de aplicação da força e, por tanto, com uma força menor podemos rotacionar o parafuso. É por isto que, quando adicionamos uma mão de força, fica mais fácil folgar ou apertar o parafuso. Assim temos:

Se a força estiver em Newton e a distância em metros a unidade do torque será Newton metro (Nm). Se a força estiver em quilograma força e a distância em metros a unidade do torque será quilograma força metro (Kgfm):

E o torque em motor a combustão?

"O torque do motor é a força aplicada pela biela ao virabrequim multiplicada pela distância do centro do virabrequim ao ponto em que a força atua".

Velocidade Angular:

A velocidade angular, no caso de motores e grupos geradores, é dada em RPM (Rotações Por Minutos).

Também podemos relacionar a Potência fornecida pelo motor (P) com Velocidade angular (ω) e o Torque (T) conforme fórmula abaixo:

Existe relação da potência com o torque e a velocidade de rotação?

Sim existe esta relação. A Potência (P) fornecida na ponta eixo de um motor é diretamente proporcional a velocidade angular (ω) multiplicada pelo Torque (T). como veremos abaixo:

Olhando a fórmula acima, vemos o porquê de um mesmo motor a 1.800 RPM disponibilizar para o alternador uma potência maior do que a 1.500 RPM.

Neste quesito o Brasil leva vantagens em relação aos vizinhos do Mercosul que possuem suas redes elétricas padronizadas em 50 Hz.

Os alternadores de 4 pólos, para manter 60 Hz, necessitam girar a 1.800 RPM e para 50 Hz sua velocidade deve cair para 1.500 RPM. Na prática, esta redução de velocidade representa uma perda de potência aproximada de 17%, ou seja, um gerador de 500 kVA em 60 Hz poderá fornecer no máximo 415 kVA em 50 Hz.

Rendimento:

O rendimento é a razão da quantidade de energia do combustível que resulta em energia útil no eixo do motor em relação a quantidade de energia térmica existente no mesmo combustível.

O rendimento do motor irá variar de acordo com seu projeto e seu percentual de carregamento. Grupos geradores possuem seu melhor rendimento com cerca de 70 a 80% de sua carga nominal.

Estudos indicam que o rendimento médio para os motores diesel situa-se entre 36 a 40%, ou seja, esse é o percentual da energia térmica disponível no combustível que será transformada em energia útil no eixo do motor.

Abaixo temos a distribuição de como a energia do combustível é transformada em um motor diesel:

40% é transformada em potência útil.
24% é transformada em calor e é absorvida pelo sistema de arrefecimento do motor.
36% é transformada em calor e é dissipada pelor gases do escapamento.

A energia útil transferida ao eixo do alternador pelo motor, ainda sofre mais perdas. Uma pequena perda no acoplamento e no atrito dos mancais somadas as perdas causadas no ferro e no cobre do alternador atingem cerca de 6 a 8%.

O Alternador irá entregar à carga cerca de 94 a 92% da potência recebida em seu eixo.

Os números acima consideram grupos geradores em boas condições. Imaginem agora como deve ser o desperdíco quando operamos uma máquina com problemas de manutenção.

Estes conceitos devem estar bem vivos em nossa memória para podermos entender diversos assuntos que abordaremos mais a frente.

Espero que tenham gostado. Por favor, comentem e falem do que gostaram, sugiram assuntos que gostariam de ver abordados e tirem suas dúvidas.

Vejam nossos artigos anteriores na ordem em que foram publicados, caso não tenham lido ainda:

Abertura do Blog Mundo dos Geradores: Quem é Ricardo Figueiredo?

O que é um grupo Gerador? Quais suas aplicações?

KW ou KVA, o que utilizar para a potência de um grupo gerador?

Regimes de Funcionamento de Grupos Geradores.

Como funciona um alternador (gerador de corrente alternada)?

Como funciona um alternador sem escovas (brushless)?

A evolução dos alternadores brushless.

Como funciona uma excitatriz estática?

Como funciona um regulador de tensão?