Regulação de velocidade e tensão em geradores síncronos

Universidade Federal do Rio Grande do Sul Conversão Eletromecânica de Energia II Prof.: Luiz Tiarajú dos Reis Loureiro

Regulação de velocidade e tensão de geradores síncronos

Roger Halmenschlager da Silva Cartão UFRGS: 150562

Porto Alegre 2012

Sumário 1.

Introdução ............................................................................................................................................. 3

2.

Fluxo de reativos ................................................................................................................................... 4 2.1.

Compensação de reativos ............................................................................................................. 4

3.

Controle de sistemas............................................................................................................................. 5

4.

Principais malhas de controle associadas a um Gerador Síncrono....................................................... 6 4.1.

Regulação de velocidade .............................................................................................................. 7

4.2.

Funções do regulador de velocidade ............................................................................................ 8

4.3.

Regulação de tensão ..................................................................................................................... 9

4.4.

Funções do Regulador de Tensão ............................................................................................... 10

5.

Conclusão ............................................................................................................................................ 11

6.

Referência bibliografica ...................................................................................................................... 12

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1. Introdução Em sistemas de geração e distribuição de energia através de geradores síncronos, é muito importante que os valores de frequência e tensão estejam dentro de limites bem definidos, pois diversos equipamentos elétricos dependem diretamente dessas duas grandezas para seu correto funcionamento. Devido as variações de carga que podem ocorrer em um sistema elétrico, os sistemas de regulação de tensão e velocidade representam um ponto muito importante na garantia do fornecimento da potência exigida pelo sistema. Nesse trabalho estudaremos as razões da utilização de regulação de velocidade e tensão em geradores síncronos e as principais características desses sistemas.

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2. Fluxo de reativos A potência reativa (em VAr - Volt-ampères reativos) em um sistema elétrico de corrente alternada sempre causa um aumento de corrente que resulta no aumento das perdas. Todas as linhas de transmissão e distribuição contêm resistência, indutância e capacitância e por consequência, uma linha de transmissão sempre requer um suprimento de potência reativa, que pode estar em avanço, em caso de carga leve, ou em atraso, em caso de carga pesada. Além disso, a presença de cargas com fatores de potência não unitários causam um aumento ainda maior da potência reativa na linha.

2.1.Compensação de reativos No terminal do receptor de uma linha, o fator de potência é determinado pelo fator de potência das cargas ligadas à linha, como transformadores de subestações, motores, etc. No caso de haver um fator de potência não unitário, capacitivo ou indutivo, é necessário tomar medidas para a compensação desses reativos. Vários métodos são utilizados para fornecer a potência reativa necessária em um sistema elétrico. Compensadores ou geradores síncronos podem suprir reativos em capacitivos (em avanço) ou indutivos (em atraso). Bancos de capacitores podem ser ligados em paralelo com a carga para fornecerem reativos em avanço, compensando assim o fator de potência em atraso gerado por motores ou outros equipamentos indutivos. Como citado anteriormente, compensadores e geradores síncronos podem suprir tanto potência reativa em avanço quanto em atraso, dependendo do regime de excitação no qual trabalham (subexcitado ou super-excitado). A figura 1 apresenta a curva da corrente de excitação pela corrente de armadura de um gerador síncrono. Notamos que para um regime subexcitado, o gerador apresenta um fator de potência capacitivo e no regime super-excitado ele apresenta um fator de potência indutivo.

Figura 1. Curva "V" de um gerador síncrono. Sendo o gerador síncrono uma das maiores fontes de reativo controlável disponível para o operador do sistema, muitas máquinas são especificadas com fator de potência diferente do unitário. Para que isso 4

seja feito de uma forma dinâmica e otimizada são necessários sistemas que permitam tanto a regulação da tensão quando da velocidade dos geradores, de forma que esses possam suprir a necessidade de reativos do sistema. A tabela 1 apresenta a disponibilidade de potência em um gerador com carga de 100% MVA. Tabela 1. Disponibilidade de potência reativa para um gerador de 100% MVA.

Fator de potência

MW %

MVAr %

1 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60

100 95 90 85 80 75 70 65 60

0 30 43 53 60 66 70 76 80

3. Controle de sistemas Uma das maiores responsabilidades dos despachantes e operadores é executar o controle do sistema elétrico. Níveis de tensão, frequência, fluxos nas interligações, carregamento de linhas e equipamentos devem ser mantidos dentro de faixas (limites) de segurança a fim de garantir um atendimento satisfatório aos consumidores. Diz-se que um sistema de potência encontra-se no estado normal de operação quando as seguintes condições são cumpridas:

  

A demanda de todas as cargas alimentadas pelo sistema é satisfeita; A frequência é mantida constante em seu valor nominal (60Hz). As tensões de linha são mantidas constantes em seu valor nominal.

Quando avaliamos esses pontos, devemos considerar que as cargas do sistema variam de maneira aleatória, embora lentamente e em ciclos diários, semanais e sazonais. Além disso, como não podemos armazenar a energia elétrica, esta deve ser gerada de acordo com as necessidades do sistema. A função dos sistemas reguladores de potência é manter o sistema operando no estado normal, garantindo o fornecimento contínuo de energia de acordo com certos padrões de qualidade, assegurando a frequência constante e a tensão dentro de certos limites, caso contrário haverá um excesso de fluxo de reativo no sistema.

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4. Principais malhas de controle associadas a um Gerador Síncrono Como citado anteriormente, os geradores síncronos são as principais fontes de reativo controláveis disponíveis aos operadores. Desta forma, torna-se vital para o bom funcionamento do sistema de distribuição de energia a regulação de tensão e velocidade dos geradores síncronos nele conectados. São três os principais sistemas de controle que atuam sobre o gerador síncrono: 1. Controle primário de velocidade; 2. Controle suplementar de carga-frequência; 3. Controle da Excitação. A Figura 2 apresenta um diagrama de blocos simplificado com os sistemas de controle de um gerador síncrono. O controle primário de velocidade, que é local, basicamente monitora a velocidade do eixo do conjunto turbina-gerador e controla o torque mecânico da turbina de modo a fazer com que a potência elétrica gerada pela unidade se adapte às variações de carga. Como a atuação do controle primário normalmente resulta em desvios de frequência, é necessário que se conte com a atuação de um segundo sistema de controle para restabelecer a frequência ao seu valor nominal. Este sistema é chamado controle suplementar (ou Controle Automático da Geração) que, no caso de sistemas interligados, tem como objetivo manter o intercâmbio de potência entre concessionárias vizinhas tão próximo quanto possível dos valores determinados previamente. Trata-se de um sistema de controle centralizado, executado no centro de operações das empresas. Os objetivos de controle da excitação, que é local, podem ser sumarizados como: a.

Manter a tensão terminal do gerador dentro de tolerâncias especificadas;

b. Regular o fluxo de reativo entre máquinas; c.

Amortecer as oscilações do rotor da máquina quando da ocorrência de perturbações no sistema.

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Figura 2. Principais malhas de controle para regulação de tensão e velocidade em geradores síncronos.

4.1.Regulação de velocidade Hoje em dia, quase todos os sistemas de potência são de corrente alternada. Exceto para pequenas variações de frequência decorrentes do aumento ou redução de geração para atender a variações da carga, com a consequente variação dos ângulos de potência, a frequência é a mesma em todos os pontos do sistema, sendo a grandeza básica que pode ser medida e utilizada no controle das unidades geradoras. Como a maioria dos geradores é síncrona, eles são mantidos girando com a mesma velocidade síncrona. A variação da velocidade de rotação do gerador na presença de carga é chamada de regulação de velocidade. Matematicamente a regulação de velocidade é definida como a variação da velocidade de um gerador síncrona, por unidade, quando a carga é re movida.

  

  

 onde ω representa a velocidade síncrona da máquina [rad/s].

(1)

No caso das máquinas síncronas, quando falamos em velocidade, falamos de frequência elétrica, uma vez que ambas estão relacionadas pela seguinte equação:



(2)  onde f e é a frequência elétrica [Hz]. Portanto, quando falamos em regulação de velocidade em

 

geradores síncronos, estamos falando igualmente da regulação de frequência elétrica dos mesmos.

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4.2.Funções do regulador de velocidade Manter a frequência constante e igual ao seu valor nominal é importante por uma série de motivos, pois o desempenho da maioria dos motores de corre nte alternada industriais é função da frequência. No entanto, um dos motivos mais importante para manter a frequência igual ao seu valor nominal é o fato de que ela é um indicador de que o balanço de potência ativa está sendo adequadamente cumprido. Isto é, a potência ativa fornecida pelos geradores do sistema é igual à potência ativa solicitada pelas cargas. Os reguladores de velocidade dos geradores mais antigos utilizavam geralmente massas rotativas (regulador de watt) como demonstradas na Figura 3. Elas atuam no sistema hidráulico a fim de abrir ou fechar válvulas de admissão das máquinas motrizes dos geradores. Esta ação aumenta ou reduz a entrada da energia (combustível em instalações térmicas ou água em hidráulicas) para manter a velocidade (frequência) em um valor desejado. Unidades mais modernas são dotadas de sensores elétricos, onde o mecanismo centrífugo é substituído por um dispositivo elétrico. A Figura 4 apresenta o diagrama de blocos de um sistema de regulação de velocidade.

Figura 3. Sistema de controle de f luxo utilizando massas de Watt.

Para operação as máquinas em paralelo e com estabilidade, é necessário que reguladores de velocidade tenham uma característica carga-frequência inclinada. Assim, com o aumento da carga a velocidade diminuirá. As inclinações das curvas características de carga-frequência são expressas em percentagem (%) da variação velocidade em vazio e a plena carga.

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Figura 4. Diagrama de blocos de um sistema de regulação de velocidade de um gerador síncrono.

4.3.Regulação de tensão Quanto à tensão, pode-se igualmente dizer que o desempenho de vários componentes da carga (torque de motores de indução, fluxo luminoso de lâmpadas, etc) é também fortemente ligado à tensão, além do fato de que a tensão, de maneira análoga à frequência para a potência ativa, é um indicador do balanço de potência reativa. Contudo, a possibilidade de contar com fontes locais de reativo (bancos de capacitores, compensadores síncronos e estáticos, reatores) e com outros meios de controle além da excitação dos geradores faz com que sejam toleradas variações de tensão bem maiores do que é normalmente admitido para a frequência. A variação da tensão de linha do gerador na presença de carga é chamada de regulação de tensão. Matematicamente a regulação de tensão é definida como a variação da tensão de linha de um gerador síncrona, por unidade, quando a carga é removida.

 

   

(2)

O objetivo dos sistemas reguladores de tensão é de minimizar o valor da regulação de tensão, o que significa dizer que o gerador, com carga ou a vazio, praticamente não apresenta diferenças de tensão. O controle de sistemas de potência é facilitado pela aplicação da propriedade de desacoplamento entre os pares de variáveis potência ativa (P) - ângulo de potência nas barras ( δ) e potência reativa (Q) magnitudes de tensão (V). Embora teoricamente variações em P possam afetar V e mudanças em Q  possam influenciar

δ,

dentro da faixa normal de operação estes efeitos cruzados são desprezados.

Assim, controlando-se o conjugado entregue pelas máquinas primárias aos geradores controla-se essencialmente a potência ativa e consequentemente a frequência (cujas variações estão ligadas às variações de

δ).

Da mesma forma, através de variações apropriadas da excitação do campo dos

geradores controla-se a potência reativa gerada e consequentemente a tensão terminal da máquina.

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4.4.Funções do Regulador de Tensão A Figura 5 apresenta um diagrama de blocos típico de um sistema de regulação de tensão para geradores. As principais funções de um regulador automático de tensão são: 1. Controlar a tensão terminal da máquina, dentro dos limites estipulados; 2. Regular a divisão de potência reativa entre máquinas que operam em paralelo, particularmente quando estas estão em barra comum, gerando a mesma tensão terminal, isto é, sem transformador; 3. Controlar de perto a corrente de campo, para manter a máquina em sincronismo com o sistema, quando esta opera a fator de potência unitário ou adiantado; 4. Aumentar a excitação sob condições de curto-circuito no sistema, para manter a máquina em sincronismo com os demais geradores do sistema; 5. Amortecer oscilações de baixa frequência que podem trazer problemas de estabilidade dinâmica. Os reguladores são necessários em compensadores síncronos (cuja finalidade é controlar tensão), em hidrogeradores (para manter a tensão baixa no caso de súbita perda de carga e consequente sobrevelocidade) e em turbo-geradores sujeitos a grandes variações de carga. Na verdade, os reguladores de tensão são indispensáveis para manter a estabilidade dos geradores síncronos.

Figura 5. Diagrama de blocos de um sistema regulador de tensão.

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5. Conclusão Em uma concessionária típica de geração e transmissão de energia elétrica, os estudos de controle e regulação de velocidade e tensão são muito importantes em diversos setores dentro da empresa. A correta regulação destes parâmetros gera uma economia significativa para as concessionárias de energia, uma vez que há uma redução nas perdas por fluxos reativos gerando e consequentemente uma redução nas perdas elétricas. Da mesma forma, em estudos de planejamento da expansão, torna-se cada vez mais importante a consideração de restrições de estabilidade para as diversas configurações de geração, carga e topologia das redes contempladas para a expansão futura do sistema. Nas áreas ligadas à geração térmica e hidráulica, estudos visando obter os ajustes mais eficazes para parâmetros de reguladores de velocidade e de controladores ligados aos sistemas de excitação dos geradores síncronos se tornaram uma das prioridades no trabalho de muitos engenheiros que trabalham em empresas do setor.

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6. Referência bibliografica H. Miller, Robert. Operação de sistemas de potência . . McGraw-Hill; Rio de Janeiro: Eletrobrás, 1987. Donald G. Fink and H. Wayne Beaty; Standard Handbook for Electrical Engineers, 11 edição, McGrawHill, New York, 1978 KOSOW, Irving Lionel. Máquinas Elétricas e Transformadores . 4ª Edição. São Paulo, Globo, 2005. CHAPMAN, Stephen J. Electric Machinery Fundamentals . 2ª edição. McGraw-Hill, 1991. Simões Costa, Antonio. http://www.labspot.ufsc.br/~simoes/. Site das disciplinas do professor titular do departamento de engenharia elétrica da UFSC.

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