Grupo Gerador

Turbinas Hidráulicas
Existem dois tipos de turbinas hidráulicas: as de ação e as de reação. Na primeira a energia hidráulica disponível é transformada em energia cinética para, depois de incidir nas pás do rotor, transformar-se em mecânica: tudo isto ocorre a pressão atmosférica. Já na turbina de reação, o rotor é completamente submergido na água, com o escoamento da água ocorre uma diminuição de pressão e de velocidade entre a entrada e a saída do rotor.
Tradicionalmente o uso de turbinas hidráulicas tem-se concentrado no tipo Pelton, com um ou mais jatos, no caso das máquinas de ação; e na Francis, Hélice e Kaplan, no caso do tipo de reação. A escolha do tipo adequado baseia-se nas condições de vazão, queda líquida, altitude do local, conformação da rotação da turbina com a do gerador e altura de sucção, no caso de máquinas de reação. Conhecidos a altura (H) e a vazão (Q) disponíveis no local, levando-se em conta: a rotação (n) imposta em valores discretos em função do número de pares de pólos (z) do gerador elétrico e altura de sucção (Hsu). No caso da turbina hidráulica ser de reação, determina-se uma rotação específica nq = n . Q0,5 / H0,75, que definirá o tipo de rotor da turbina hidráulica adequado.
Definido o tipo de máquina, a preocupação passa ser o tipo de carga a ser atendida. Deve-se procurar adequar a curva de carga com a de comportamento da turbina. No caso de grandes variações na carga, divide-se a instalação em duas ou mais máquinas, de maneira que através de manobras, a instalação atenderá a demanda sempre com as máquinas trabalhando a cargas adequadas. Neste caso, faz-se necessário a mudança do tipo do rotor, já que a rotação específica mudou, devido a divisão da vazão.
Em instalações de pequeno porte, mini e microcentrais hidroelétricas, a maior preocupação é obter energia elétrica a baixo custo. Neste caso, o estudo da escolha de turbinas, é feito de maneira análoga às das grandes instalações e tem como fatores limitantes a rotação mínima admissível para o gerador, na ordem de 600 rpm (rotações por minuto), além da necessidade de utilizar modelos padronizados, ou seja, oferecidos pelo fabricante, que as oferece dentro de um campo de aplicação pré-definido, dividido em várias faixas, sendo cada uma atendida por um modelo padrão de turbina. Consequentemente uma turbina assim especificada dificilmente irá operar no seu ponto ótimo de funcionamento. Além do que, cada máquina deverá atender a uma variação de carga preestabelecida. Impreterivelmente deverão ocorrer quedas no rendimento da instalação.
No Brasil, os fabricantes nacionais mais conhecidos, oferecem modelos padronizados do tipo: Pelton, Francis, Hélice, Kaplan e suas derivações.
Objetivando diminuir os custos e aumentar o seu campo de aplicação as Francis, além de caixa espiral, são oferecidas em caixas cilíndricas e abertas.
Alguns tipos de turbinas que, embora bastante utilizadas em micro centrais, são consideradas não convencionais. Dos tipos descritos a seguir, somente a Michell-Banki é bem divulgada na indústria nacional, apesar de ser produzida em pequena escala. Todas elas apresentam como vantagens comuns: simplicidade construtiva, adequação à padronização, baixo custo, simplicidade de operação e manutenção, robustez dos componentes, bom comportamento em sistemas isolados. Como desvantagem, consequentes das simplificações impostas, elas apresentam rendimentos ligeiramente inferiores às turbinas tradicionais.
Geradores
O gerador é responsável pela conversão da energia mecânica fornecida pela turbina, em energia elétrica. Os geradores de centrais hidrelétricas podem ser síncronos ou assíncronos. Os geradores síncronos, de maior aceitação e historicamente mais utilizados, são máquinas elétricas que trabalham com velocidade constante e igual à velocidade síncrona, que é uma função da frequência da tensão gerada e do número de pares de pólos do rotor.
Estes geradores são capazes de produzir tanto energia ativa como energia reativa, mediante o fornecimento de energia no eixo através de uma máquina primária e da excitação de um enrolamento de campo localizado no rotor dos mesmos. Devido à versatilidade operativa e elevados rendimentos na conversão de energia, cujos valores podem chegar a 97%, são estes amplamente utilizados em geradores de centrais.
Outra opção são os geradores assíncronos, ou geradores de indução, que possuem a característica básica de trabalharem com rotações levemente diferentes da rotação síncrona. Na realidade esta é uma das condições básicas para que a conversão de energia útil possa ser efetuada. Estes geradores de indução podem possuir um rotor bobinado, provido de anéis e escovas, ou um rotor do tipo gaiola de esquilo. Em termos de robustez e questões de manutenção, prefere-se utilizar os geradores de indução com rotor em gaiola, os quais possuem, por exemplo, a vantagem de ter um entreferro mais regular e melhor resistência a esforços decorrentes de velocidades de disparo.
Quando operando em paralelo com o sistema elétrico os geradores assíncronos são uma opção mais simples que os síncronos. Economicamente eles são atrativos apenas para potências menores, da ordem de poucos MVA.
Regulador de Velocidade
A função original do regulador de velocidade é manter o grupo gerador (Turbina e Gerador) em rotação constante a fim de que a frequência da tensão gerada seja mantida em seu valor nominal, atuando para tanto sobre a vazão da turbina. Como a potência gerada é função direta da vazão turbinada, o regulador desempenha também o papel de controlador da potência ativa gerada.