Agradecimentos - intranet.dei.uminho.ptintranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/43000.pdf · O sistema de excitação de um alternador síncrono trifásico garante desta forma

Agradecimentos

Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada iii

Agradecimentos

Esta dissertação de mestrado decorre de uma experiência única que passou pelo patamar

profissional, sem dúvida, mas pela componente humana também. Como tal, agradeço a

disponibilidade, acompanhamento atento e colaboração demonstrados por todos os

colaboradores, sem excepção, do Centro de Produção Cávado-Lima, nomeadamente,

Ao Engº Cipriano Serrenho, por ter tornado este estágio uma realidade e uma experiência,

para mim, sem precedentes.

Ao Engº Paulo Magalhães, pelo apoio, a partilha do saber, disponibilidade e amizade que

sempre me dispensou. O meu mais profundo agradecimento pelo contributo imprescindível na

realização desta dissertação.

Ao Engº Leite Marinho, pela ajuda, incentivo e sugestões ao longo deste trabalho.

Ao Engº Carvalho Magalhães, ao Engº Simão Fougo, ao Engº Ulisses Cabral e ao Engº Vitor

Soares, pelo seu apoio e amizade.

Ao Sr. Faria Vieira, pelo companheirismo e cooperação em diversos momentos da

realização do trabalho.

A todos os professores e colegas da Universidade do Minho, por me continuar a

acompanhar nesta jornada e por estimular o meu interesse pelo conhecimento e pela vida

académica, em especial,

Ao meu orientador, Professor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas por ter aceite

orientar esta tese e pelo seu espírito crítico que contribuíram significativamente para a qualidade

deste trabalho.

Aos meus pais José Moreira e Maria Cândida, aos meus dois irmãos, Victor e Sérgio, pelo

apoio e incentivo ao longo da vida.

À minha namorada Ana, pela paciência, compreensão e amor que me dedicou ao longo

deste trabalho.

iv Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

Resumo

Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada v

Resumo

O alternador síncrono trifásico integra na sua constituição dois elementos principais, o

estator, e no seu interior o rotor, sendo que, enquanto no primeiro se aloja o enrolamento do

induzido, no rotor encontra-se bobinado o enrolamento do indutor.

A excitação do alternador síncrono trifásico provém da corrente eléctrica indutora aplicada

ao rotor, denominada corrente de campo. O enrolamento indutor é percorrido por uma corrente

contínua, fornecida por uma fonte auxiliar, de modo a que ocorra a designada excitação. Esta

corrente cria o campo magnético principal, que dá origem a um fluxo magnético e finalmente a

um campo magnético (indução).

O sistema de excitação tem por objectivo facultar ao rotor do gerador uma corrente

contínua e controlá-la, necessitando para isso manter a tensão gerada pelo sistema constante,

alcançar a parte da potência reactiva apropriada entre geradores que funcionem em paralelo e

aperfeiçoar a estabilidade transitória às perturbações no sistema de potência. Tem ainda como

tarefas, prevenir uma sobrecarga térmica do gerador, evitar uma sub-excitação que poderá

originar uma perda de sincronismo, descarregar a energia armazenada no campo magnético do

gerador quando a máquina for desligada e reduzir as sobre tensões no circuito do rotor.

O sistema de excitação de um alternador síncrono trifásico garante desta forma a qualidade

do serviço fornecido aos consumidores da rede pública, isto é, evita variações no fornecimento

da energia eléctrica. Existem contudo vários sistemas de excitação para os alternadores

síncronos trifásicos presentes nos aproveitamentos hidroeléctricos, nomeadamente, o sistema de

excitação rotativo DC, o sistema de excitação rotativo AC e o sistema de excitação estático.

Este documento aborda mais detalhadamente o sistema de excitação estático, presente no

Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada.

Palavras Chave - sistema de excitação, regulador de tensão, aproveitamento hidroeléctrico

de Caniçada

vi Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

Abstract

Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada vii

Abstract

The three-phase synchronous alternator integrates in its constitution two main elements, the

stator, and in its interior the rotor, being that, while in the first one it´s lodged the winding of the

induced one, in the rotor it´s coiled the winding of the inductor.

The excitation of the three-phase synchronous alternator comes from the applied inductive

electric chain to the rotor, called field current. The inductive winding is driven by a direct current,

supplied by an auxiliary source, so that the designated excitation occurs. This chain creates the

main magnetic field, that gives rise to a magnetic flow and finally to a magnetic field (induction).

The excitation system has for goal to provide the rotor of the generator a direct current and

to control it, requiring it to maintain constant voltage generated by the system, to reach the part

of the reactive power appropriate between generators that function in parallel and to improve the

transitory stability to the disturbances in the power system.

It still has as tasks, to prevent a thermal overload of the generator, to prevent a sub-

excitation causing loss of synchronism, to unload the energy stored in the magnetic field of the

generator when the machine is turned off and to reduce overvoltages in the circuit of the rotor.

The excitement system of a three-phase synchronous alternator thus ensure the quality of the

service supplied to the consumers of the public net, that is, it prevents variations in the supply of

the electric energy. There are however several excitation systems for three-phase synchronous

alternators found in hydroelectric power plants, such as, the DC rotative excitation system, the

AC rotative excitation system and the static excitation system.

This document discusses in more detail the static excitation system, which is present in

Caniçada hydroelectric power plant.

Keywords – Excitation system, voltage regulator, Caniçada hydroelectric power plant

viii Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

Índice

Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada ix

Índice

Agradecimentos ....................................................................................................................... iii

Resumo..................................................................................................................................... v

Abstract .................................................................................................................................. vii

Índice ....................................................................................................................................... ix

Lista de Abreviaturas e Siglas ................................................................................................. xiii

Lista de Figuras ....................................................................................................................... xv

Lista de Tabelas..................................................................................................................... xvii

1-Introdução ............................................................................................................................. 1

1.1 Motivações do Trabalho ............................................................................................ 1

1.2 Objectivos da Dissertação .......................................................................................... 2

1.3 Organização da Tese .................................................................................................. 3

2-A Empresa no Contexto do Grupo EDP ................................................................................... 5

2.1 Modelo de Gestão do Grupo EDP .................................................................................... 5

2.2 Arquitectura Societária do Grupo EDP ............................................................................. 6

2.3 Estrutura Organizacional da EDP Produção ...................................................................... 7

2.4 EDP Produção – Direcção de Produção Hidráulica ............................................................ 8

2.5 Organigrama do Centro de Produção Cávado-Lima ........................................................ 12

2.6 Desenvolvimento do Parque Electroprodutor ................................................................ 13

3-Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada ........................................................................ 15

3.1 Descrição ...................................................................................................................... 15

3.2 Caracterização dos principais elementos ....................................................................... 16

3.2.1 Barragem ................................................................................................................ 16

3.2.2 Descarregador de superfície ................................................................................... 17

3.2.3 Descarga de fundo .................................................................................................. 19

3.2.4 Circuito hidráulico de adução e restituição ............................................................. 20

3.2.5 Tomada de água ..................................................................................................... 21

3.2.6 Conduta de carga.................................................................................................... 23

3.2.7 Chaminé de equilíbrio ............................................................................................. 24

3.2.8 Válvula de admissão ............................................................................................... 24

3.2.9 Comportas ensecadeiras da restituição ................................................................... 26

3.2.10 Túnel de restituição .............................................................................................. 27

3.2.11 Turbina ................................................................................................................. 28

3.2.11.1 Roda .............................................................................................................. 32

Índice

x Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

3.2.12 Chumaceira guia da turbina .................................................................................. 32

3.2.13 Chumaceira de impulso ........................................................................................ 33

3.2.14 Distribuição .......................................................................................................... 33

3.2.15 Linha de veios ....................................................................................................... 35

3.2.16 Junta de estanquicidade ....................................................................................... 35

3.2.17 Regulador de velocidade ....................................................................................... 36

3.2.18 Câmara espiral e antedistribuidor ......................................................................... 38

3.2.19 Difusor .................................................................................................................. 38

3.2.20 Alternador ............................................................................................................ 38

3.2.20.1 Estator ........................................................................................................... 44

3.2.20.2 Rotor ............................................................................................................. 46

3.2.21 Excitação e regulação de tensão ........................................................................... 48

3.2.22 Refrigeração ......................................................................................................... 49

3.2.23 Chumaceiras ......................................................................................................... 50

3.2.24 Frenagem ............................................................................................................. 51

3.2.25 Subestação ........................................................................................................... 51

3.2.26 Transformadores de potência ............................................................................... 53

3.2.27 Transformadores de medida ................................................................................. 56

3.2.28 Seccionadores ...................................................................................................... 58

3.2.29 Disjuntores ........................................................................................................... 59

3.2.30 Equipamento electromecânico auxiliar ................................................................. 61

3.2.30.1 Refrigeração .................................................................................................. 61

3.2.30.2 Grupo Diesel .................................................................................................. 62

3.2.30.3 Serviços Auxiliares ......................................................................................... 63

4-Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos .................................................................... 65

4.1 Configurações típicas de sistemas de excitação ............................................................. 66

4.1.1 Sistema de excitação rotativo DC ............................................................................ 66

4.1.2 Sistema de excitação rotativo AC ............................................................................ 67

4.1.3 Sistema de excitação estático ................................................................................. 70

4.2 Considerações para a escolha do sistema de excitação .................................................. 71

5-Descrição Esquemática do Funcionamento do Disjuntor de Excitação .................................. 73

5.1 Fecho do disjuntor de excitação .................................................................................... 73

5.2 Abertura do disjuntor de excitação ................................................................................ 74

6-Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação ..................................................... 77

Índice

Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada xi

6.1 Subdivisão do sistema de excitação ............................................................................... 78

6.1.1 Transformador de excitação ................................................................................... 78

6.1.2 Pré-excitação .......................................................................................................... 80

6.1.3 Conversor de Tiristores ........................................................................................... 81

6.1.3.1 Sistema de impulso de disparo ......................................................................... 84

Ponte de Tiristores ...................................................................................................... 85

Fusíveis de alta velocidade .......................................................................................... 86

Transformador de impulso de disparo ......................................................................... 86

Circuito – RC ................................................................................................................ 86

Unidade do ventilador ................................................................................................. 87

Equipamento de impulso de disparo............................................................................ 87

Transformador de sincronização .................................................................................. 87

Placa de circuito impresso para a geração de impulsos ................................................ 88

Placa de circuito impresso para a amplificação de impulso .......................................... 88

6.1.3.2 Equipamento de supervisão ............................................................................. 89

Ruptura de fusíveis ...................................................................................................... 89

6.1.4 Desexcitação .......................................................................................................... 90

6.1.4.1 Equipamento de desexcitação.......................................................................... 91

6.1.4.2 Tiristor de descarga constituição ...................................................................... 92

Unidade de disparo principal ....................................................................................... 93

Unidade de disparo redundante .................................................................................. 94

6.1.4.3 Resistência de descarga ................................................................................... 94

6.1.4.3 Protecção de sobre tensão de campo............................................................... 97

Princípio de operação .................................................................................................. 97

Unidade de disparo ..................................................................................................... 97

Unidade de supervisão ................................................................................................ 97

6.1.5 Regulador de tensão ............................................................................................... 98

7-Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição........................................ 101

7.1 Regulador automático de tensão (AVR) ....................................................................... 102

7.2 Regulador da corrente de campo (FCR)........................................................................ 103

7.3 Seguidores (Follow-up) ................................................................................................ 104

7.4 Adaptação do sinal analógico ...................................................................................... 104

Saídas analógicas ....................................................................................................... 105

7.5 Regulação da potência reactiva ou regulação do factor de potência ............................ 105

Índice

xii Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

7.5.1 Regulação da potência reactiva ............................................................................ 106

7.5.2 Controlo do factor de potência ............................................................................. 106

7.6 Compensação activa e reactiva .................................................................................... 106

Compensação reactiva .............................................................................................. 106

7.7 Limitação sub-excitação .............................................................................................. 107

7.8 Limitação V/HZ ............................................................................................................ 109

7.8.1 Cronometragem continua ..................................................................................... 110

7.8.2 Tempo acumulado ................................................................................................ 110

7.9 Limitação da corrente de campo ................................................................................. 111

7.9.1 Limitação instantânea ........................................................................................... 112

7.9.2 Limitação por atraso ............................................................................................. 112

7.9.3 Limite da corrente de campo dependente da temperatura ................................... 113

7.10 Limitação da corrente do estator ............................................................................... 113

7.11 Estabilização do sistema de potência (PSS) ................................................................ 115

7.12 Cálculo da temperatura do rotor ............................................................................... 115

7.13 Medidas .................................................................................................................... 116

7.14 Protecções ................................................................................................................ 116

7.14.1 Protecções internas ............................................................................................ 116

7.14.1.1 Protecção contra a sobrecarga no circuito do rotor ...................................... 116

7.14.1.2 Protecção contra falha de fornecimento de energia AC ................................ 117

7.14.1.3 Protecção contra falha de condução de um tiristor medindo o “ripple” ........ 117

7.14.1.4 Protecção contra curto-circuito DC medindo o “ripple” ................................ 117

7.14.1.5 Protecção contra falta de ventilação ............................................................ 118

8- Conclusões e Trabalho Futuro ........................................................................................... 119

8.1 Conclusões .................................................................................................................. 119

8.2 Trabalho Futuro........................................................................................................... 121

Referências Bibliográficas: .................................................................................................... 123

Anexos .................................................................................................................................. 127

Valores nominais e requisitos funcionais do sistema de excitação ......................................... 127

Lista de Abreviaturas e Siglas

Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada xiii

Lista de Abreviaturas e Siglas

Siglas e Símbolos (exemplos)

EDP Energias de Portugal P Potência activa

PHCL Centro de Produção Cávado-Lima Q Potência reactiva

PRE Produção em regime Especial S Potência aparente

PRO Produção em regime Ordinário Pm Potência motriz

AVR Automatic voltage regulator Pr Potência consumida

FCR Field current regulator r Razão de transformação

PID Proporcional integral derivativo I/O Entrada/Saída

f.e.m Força electromotriz A/D Analógico/Digital

BOD Díodo de corte AC Alternate Current

RAN Regulado automático de nível DC Direct Current

SACA Serviços auxiliares corrente alternada Vl Tensão na linha

SACC Serviços auxiliares corrente contínua Il Corrente na linha

AT Alta tensão Vf Tensão na fase

MT Média tensão If Corrente na fase

TI Transformador de intensidade f frequência

TT Transformador de tensão TP Transformador de potência

DIGIPID Sistema digital de controlo de carga e regulação de velocidade

Unidades

V Volt º Graus

A Ampere FP Factor de potência

W Watt VAR Volt-Ampere reactivo

VA Volt-Ampere rad/s Radianos por segundo

s Segundo Ω Ohm

k Kilo (103) M Mega (106)

T Tesla

xiv Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

Lista de Figuras

Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada xv

Lista de Figuras

Figura 1- Descrição esquemática da produção de energia ......................................................... 1

Figura 2- Arquitectura societária da EDP [1] .............................................................................. 5

Figura 3- Organograma da EDP Produção [1] ............................................................................. 7

Figura 4- Centros Produtores [1] ............................................................................................... 8

Figura 5- Centro de Produção Cávado-Lima [1] ........................................................................ 12

Figura 6- Novos empreendimentos Hidroeléctricos [1] ..................................................................... 13

Figura 7- Vista geral do Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada ....................................... 17

Figura 8- Descarregador de cheias........................................................................................... 18

Figura 9- Descarga de fundo [2] .............................................................................................. 20

Figura 10- Circuito hidráulico de adução e restituição [2] ........................................................ 21

Figura 11- Tomada de água [2] ................................................................................................ 22

Figura 12- Conduta de carga [2] .............................................................................................. 23

Figura 13- Válvula de admissão [3] .......................................................................................... 25

Figura 14- Comporta ensecadeira de restituição ..................................................................... 27

Figura 15- Túnel de restituição [2] ........................................................................................... 27

Figura 16- Turbina Pelton [3] ................................................................................................... 28

Figura 17- Turbina Kaplan [3] .................................................................................................. 29

Figura 18- Turbina Francis [3] .................................................................................................. 30

Figura 19- Diagrama de utilização das turbinas [3] .................................................................. 31

Figura 20- Roda Francis [3] ...................................................................................................... 32

Figura 21- Distribuidor ............................................................................................................ 34

Figura 22- Regulação de velocidade [4] ......................................................................................... 37

Figura 23- Curva de magnetização ............................................................................................... 39

Figura 24- Velocidade/ rotação ............................................................................................... 40

Figura 25- Esquema máquina síncrona .................................................................................... 40

Figura 26- Triângulo de potências ........................................................................................... 42

Figura 27- Alternador .............................................................................................................. 43

Figura 28- Sistema de excitação estático ................................................................................. 48

Figura 29- Subestação ............................................................................................................. 52

Figura 30- Transformador de potência .................................................................................... 53

Figura 31- Representação esquemática transformador [7] ...................................................... 55

Figura 32- Transformador de intensidade ................................................................................ 57

Figura 33- Transformador de medida de tensão ...................................................................... 58

Figura 34- Seccionadores ........................................................................................................ 59

Figura 35- Disjuntores ............................................................................................................. 60

Figura 36- Sistema de refrigeração .......................................................................................... 61

Figura 37- Grupo diesel ........................................................................................................... 62

Figura 38- Representação esquemática do funcionamento do grupo diesel............................. 63

Figura 39- Barramento serviços auxiliares ............................................................................... 64

Figura 40- Sistema de excitação básico [9] .............................................................................. 65

Figura 41- Sistema de excitação rotativo DC [10] ..................................................................... 66

Figura 42- Sistema de excitação rotativo AC com rectificador estático [9] ............................... 68

Figura 43- Sistema de excitação rotativo AC com rectificador rotativo (Brushless) [9] .............. 69

Lista de Figuras

xvi Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

Figura 44- Sistema de excitação estático ................................................................................. 70

Figura 45- Fecho do disjuntor de excitação ............................................................................. 73

Figura 46- Abertura do disjuntor de excitação ................................................................................. 75

Figura 47- Representação esquemática sistema de excitação estático ..................................... 77

Figura 48- Transformador de potência .................................................................................... 79

Figura 49- Transformador de excitação ................................................................................... 79

Figura 50- Baterias da central .................................................................................................. 80

Figura 51- Pré-excitação .......................................................................................................... 81

Figura 52- Ponte de tiristores .................................................................................................. 82

Figura 53- Esquema de uma ponte de tiristores ...................................................................... 83

Figura 54- Tensão de saída [14] ............................................................................................... 84

Figura 55- Diagrama de blocos de um conversor de tiristores .................................................. 85

Figura 56- Tensões do transformador de sincronização ........................................................... 88

Figura 57- Diagrama de blocos de impulso de disparo ............................................................. 89

Figura 58- Diagrama de blocos do equipamento da desexcitação ............................................ 90

Figura 59- Disjuntor de campo ................................................................................................ 91

Figura 60- Tiristor de descarga ................................................................................................ 92

Figura 61- Principio de geração de impulsos de disparo do circuito de descarga do tiristor...... 93

Figura 62- Geração de impulsos de disparo do circuito de descarga do tiristor redundante ..... 94

Figura 63- Resistência de descarga .......................................................................................... 95

Figura 64- Característica corrente/tensão ...................................................................................... 96

Figura 65- Unidade de supervisão de sobre tensão.................................................................. 98

Figura 66- Regulador de tensão ............................................................................................... 99

Figura 67- Função e estrutura do programa para excitação ............................................................ 100

Figura 68- Representação da curva de capabilidade do gerador síncrono [20] ....................... 101

Figura 69- Diagrama simplificado da regulação da corrente de campo e da tensão................ 103

Figura 70- Seguidor de tensão ............................................................................................... 105

Figura 71- Diagrama de blocos da limitação de sub-excitação......................................................... 108

Figura 72- Diagrama de blocos da limitação V/Hz .................................................................. 110

Figura 73- Diagrama de blocos da função de limitação da corrente de campo ....................... 112

Figura 74- Diagrama de blocos da limitação de corrente do estator ................................................. 114

Lista de Tabelas

Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada xvii

Lista de Tabelas

Tabela 1- Empresas de Produção da EDP em Portugal [1] .......................................................... 6

Tabela 2- Centrais hidroeléctricas PRO do Cávado-Lima [2] ..................................................... 10

Tabela 3- Centrais hidroeléctricas PRE do Cávado-Lima [2] ...................................................... 11

Tabela 4- Características técnicas da Barragem ....................................................................... 17

Tabela 5- Características técnicas do descarregador de superfície ........................................... 19

Tabela 6- Características técnicas da descarga de fundo .......................................................... 20

Tabela 7- Características técnicas do circuito hidráulico de adução e restituição ..................... 21

Tabela 8- Características técnicas da tomada de água ............................................................. 23

Tabela 9- Características técnicas da conduta de carga ........................................................... 24

Tabela 10- Características técnicas da válvula de admissão ..................................................... 26

Tabela 11- Características técnicas das comportas ensecadeiras da restituição ....................... 26

Tabela 12- Características técnicas do túnel de restituição ...................................................... 27

Tabela 13- Características técnicas da turbina ......................................................................... 31

Tabela 14- Características técnicas da roda ............................................................................. 32

Tabela 15- Características técnicas da chumaceira guia da turbina .......................................... 33

Tabela 16- Características técnicas da chumaceira de impulso ................................................ 33

Tabela 17- Características técnicas do distribuidor .................................................................. 35

Tabela 18- Características técnicas da linha de veios ............................................................... 35

Tabela 19- Características técnicas da junta de estanquicidade ............................................... 36

Tabela 20- Características técnicas do regulador de velocidade ............................................... 37

Tabela 21- Características técnicas da câmara espiral e antedistribuidor ................................. 38

Tabela 22- Características técnicas do alternador .................................................................... 44

Tabela 23- Características técnicas do estator ......................................................................... 45

Tabela 24- Características técnicas do rotor ............................................................................ 48

Tabela 25- Características técnicas da refrigeração ................................................................. 50

Tabela 26- Características técnicas das chumaceiras ............................................................... 50

Tabela 27- Características técnicas da frenagem ..................................................................... 51

Tabela 28- Características técnicas do transformador de potência .......................................... 56

Tabela 29- Características técnicas da refrigeração do equipamento auxiliar ........................... 62

Tabela 30 - Valores nominais da máquina síncrona ............................................................... 127

Tabela 31- Conjunto de valores nominais do sistema de excitação ........................................ 128

xviii Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

Introdução

Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada 1

Capítulo 1

1-Introdução

1.1 Motivações do Trabalho

A ameaça de esgotamento das reservas de combustíveis fósseis, a pressão dos resultados

económicos e as preocupações ambientais, levam a encarar a energia renovável como uma das

soluções para equilibrar o modelo de consumo existente e para combater as alterações

climáticas.

O grupo EDP encontra-se entre os grandes operadores europeus na construção de nova

geração hídrica no sector energético, contribuindo assim para as metas de produção de energia

com origem em fontes de energia renováveis. Desta forma obtém uma redução da dependência

energética do país, recorrendo a um recurso nacional, limpo, renovável e subaproveitado.

Os aproveitamentos hidroeléctricos são instalações nas quais se produz energia eléctrica a

partir da energia potencial das águas dos rios e lagos, como se verifica na figura1. A água retida

na albufeira é desviada através de um circuito hidráulico, mais ou menos extenso, normalmente

constituído por um túnel e/ou conduta forçada, para uma central, onde a água em movimento é

aproveitada para impulsionar as pás de uma turbina hidráulica, a qual, por sua vez, faz mover a

peça móvel de um alternador (rotor), cujo eixo está directamente acoplado ao da turbina.

Figura 1- Descrição esquemática da produção de energia

A rotação imprimida pela turbina ao rotor e a circulação de correntes de excitação neste

equipamento provocam um fenómeno de indução que gera, na peça fixa do alternador (estator),

tensões eléctricas elevadas de média tensão.

A tensão de produção é elevada através de transformadores, para um nível de tensão mais

adequado ao transporte da energia eléctrica a grande distância. O conjunto constituído pelo

Barragem Turbina AlternadorEnergia

Hidráulica

Energia Energia

Mecânica Eléctrica

Introdução

2 Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

circuito hidráulico, turbina, alternador e transformador é designado por grupo gerador

hidroeléctrico. Geralmente, cada central possui vários grupos hidroeléctricos.

A potência eléctrica (em kW) disponível num aproveitamento hidráulico em que é turbinado

um caudal Q (m3/s), numa altura de queda H (m), é dada por:

𝑃 = 𝐾 × 𝑄 × 𝐻 (1)

em que k = 8 a 8,5 em função do rendimento das várias máquinas da instalação. A

hidroelectricidade é um recurso energético renovável, isto é, a sua fonte, a água, é teoricamente

inesgotável (circula na natureza em circuito fechado).

No alternador síncrono trifásico o fluxo magnético, imprescindível para o correcto

funcionamento da máquina, é criado através da passagem de uma corrente eléctrica nos

condutores do circuito indutor. A excitação do alternador síncrono trifásico é feita por uma

corrente eléctrica contínua, DC, criando assim um campo magnético indutor constante no tempo

e fixo no espaço.

A forma de onda do campo magnético que se elabora no entreferro da máquina – zona com

características magnéticas lineares em que a forma de onda do campo magnético coincide com

a forma de onda da força magnetomotriz – deverá ser sinusoidal para que a forma de onda da

força electromotriz não seja distorcida.

Sabendo que o alternador vai estar submetido a diversas variações da carga eléctrica,

torna-se necessário regular o valor da tensão interna do alternador síncrono trifásico, por

actuação nas tensões e correntes de alimentação do circuito de excitação.

A tarefa fundamental do regulador de tensão é manter constante a tensão aos terminais do

alternador dentro dos limites de um valor de referência. Também deve manter a estabilidade do

sistema em condições normais e quando surgirem perturbações transitórias na rede.

1.2 Objectivos da Dissertação

Esta dissertação tem como principais objectivos:

Compreender o funcionamento da EDP Produção (estrutura organizativa);

Introdução


Enquadrar o aproveitamento hidroeléctrico na estrutura organizativa (indicadores

técnicos e de qualidade de serviço);

Identificar os diferentes sectores que fazem parte de uma central hidroeléctrica

(equipamentos, ligação entre eles e respectivas funções), assim como funções desses

mesmos sectores;

Especificar e aprofundar o conhecimento relativo aos sectores que serão alvo de

estudo (zona de produção);

Pesquisar sobre o estado da arte das diferentes abordagens, tipologias e

sistemas de excitação dos alternadores;

Caracterizar o sistema de excitação do alternador (sistema de excitação

estático);

Subdividir o sistema de excitação nos componentes principais;

Identificar os valores nominais e requisitos funcionais;

Especificar o funcionamento do controlo, protecção e da medição do sistema de

excitação;

1.3 Organização da Tese

Esta dissertação divide-se em nove capítulos. Cada capítulo descreve uma etapa diferente

da realização do trabalho. Desta forma, a dissertação encontra-se organizada da seguinte forma:

No capítulo introdutório é feita uma abordagem dos sistemas de excitação e das suas

aplicações. Deste modo fica a compreender-se melhor o contexto em que os sistemas de

excitação se inserem.

No segundo capítulo apresentam-se os principais objectivos, a sistematização e a

divulgação das matérias relevantes inerentes à forma como a EDP – Energias de Portugal, S.A.,

e o Grupo EDP está organizado, e ao funcionamento e caracterização dos seus órgãos de

governo e de gestão, explicitando os mecanismos de coordenação, a atribuição de

responsabilidades, bem como os princípios e políticas que enquadram as actividades e

operações desenvolvidas pelos negócios nas várias geografias onde o Grupo EDP está presente.

No capítulo três obtém-se uma compreensão e faz-se a descrição do funcionamento do

Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada, bem como dos seus principais sectores e

respectivas funções.

Introdução


Seguidamente, no capítulo quatro, é feito um resumo sobre os sistemas de excitação

existentes, elaborando uma descrição do estado da arte dos sistemas de excitação e a sua

implementação nas diversas máquinas. Refere-se também o sistema de excitação que se

enquadra melhor em cada máquina, e as vantagens desses mesmos sistemas.

O quinto capítulo é feita uma descrição esquemática do funcionamento do disjuntor de

excitação, nomeadamente do fecho e abertura, que irá desencadear o processo de excitação do

sistema de excitação ou a sua interrupção.

No capítulo seis apresenta-se o estudo detalhado da constituição dos equipamentos do

sistema de excitação do Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada, realçando as suas

características e funções desempenhadas.

No sétimo capítulo, são feitas considerações funcionais sobre controlo, protecção e

medição. Através do regulador de tensão (AVR) garante-se um funcionamento adequado do

sistema de excitação, dentro dos valores nominais.

Finalmente no capítulo oitavo, apresentam-se as principais conclusões relativamente ao

trabalho realizado.

A Empresa no Contexto do Grupo EDP


Capítulo 2

2-A Empresa no Contexto do Grupo EDP

2.1 Modelo de Gestão do Grupo EDP

A EDP Gestão da Produção de Energia S.A., adiante designada por EDP Produção, insere-se

no Grupo EDP – Energias de Portugal, S.A., apresentada na figura 2. Esta desenvolve a sua

actividade no sector energético, actuando em várias geografias e segmentos da cadeia de valor.

Figura 2- Arquitectura societária da EDP [1]

Gás Brasil Outras Participações

Portugal Espanha Electricidade

Renováveis

Portugal Espanha

Electricidade (exclui EDP

Renováveis)



A EDP – Energias de Portugal S.A. assume a liderança do Grupo, enquanto “Empresa-Mãe”

ou Holding, cabendo-lhe o papel de:

Proceder à definição da estratégia global conjunta;

Coordenar a actuação das várias empresas;

Assegurar a representação conjunta dos interesses comuns a todas as

empresas;

Assegurar, globalmente, as funções comuns a todas as empresas, com vista à

obtenção de sinergias.

2.2 Arquitectura Societária do Grupo EDP

Em Portugal, a produção do Grupo EDP, como se pode verificar na tabela1, está

maioritariamente concentrada na EDP Produção – EDP Gestão da Produção de Energia, S.A.,

que compreende a totalidade das grandes centrais hidroeléctricas e termoeléctricas, as

pequenas hídricas e as duas centrais de co-geração das empresas SOPORGEN e ENERGIN, em

que possui uma participação maioritária.

A ENERNOVA, empresa integrada na NEO Energia do Grupo EDP, detém os parques eólicos

em Portugal.

Ainda na actividade de produção, a EDP detém uma participação de 50% na

BIOELÉCTRICA, empresa que se dedica ao desenvolvimento de centrais a Biomassa.

Na actividade de serviços, a EDP Produção engloba as empresas TERGEN e O&M Serviços,

que são especializadas nas áreas da Operação e Manutenção. [1]

Tabela 1- Empresas de Produção da EDP em Portugal [1]

Produção Serviços

EDP Produção O&M Serviços

SOPORGEN TERGEN

ENERGIN

BIOELÉCTRICA

ENERNOVA



2.3 Estrutura Organizacional da EDP Produção

A criação da EDP Produção, demonstrada na figura 3, representou mais um passo na

estratégia de reorganização do Grupo EDP para responder de uma forma adequada aos desafios

da liberalização do mercado da electricidade.

O modelo organizativo adoptado procura assegurar a melhoria dos níveis de serviço em

funções de apoio e potenciar a redução de custos a médio prazo por optimização das funções

comuns ao universo das empresas que integram a área de produção do Grupo EDP. Com essa

finalidade, a EDP Produção procura assegurar eficazmente as funções essenciais de: produção,

compra e venda, importação e exportação de energia resultante da exploração de instalações

próprias ou alheias, garantindo a evolução sustentada do sistema electroprodutor nacional. [1]

Figura 3- Organograma da EDP Produção [1]



2.4 EDP Produção – Direcção de Produção Hidráulica

A direcção de Produção Hidráulica tem como missão garantir a optimização da gestão do

portfólio de activos hídricos, promovendo a exploração dos Centros de Produção de acordo com

critérios de operacionalidade e fiabilidade estabelecidos, maximizando resultados, cumprindo e

fazendo cumprir as normas de segurança e ambientais.

Os aproveitamentos hidroeléctricos da EDP Produção, representados na figura 4,

distribuem-se por três grandes Centros de Produção:

Cávado-Lima;

Douro;

Tejo-Mondego.

Figura 4- Centros Produtores [1]



O centro de Produção Cávado-Lima, com sede na Caniçada, compreende um conjunto de

18 centrais, representadas nas tabelas 2 e 3 (as barragens de Venda Nova e Paradela confluem

numa única central, Vila nova), 13 barragens e 36 grupos geradores, perfazendo uma potência

instalada no total de 1369,4 MW. Todas a centrais são operadas à distância pelo centro de

Telecomando das Centrais Hidroeléctricas situado em Bagaúste, Régua.

A produção de electricidade da EDP integra, de acordo com a actual classificação, centros

produtores nos dois segmentos existentes:

Produção em Regime Ordinário (PRO), quando a potência instalada é superior a 10MW;

Produção em Regime Especial (PRE), nos restantes casos.

A Produção em Regime Ordinário integra as centrais da EDP Produção anteriormente em

regime vinculado e aquelas que já actuavam no mercado liberalizado. A venda da electricidade é

realizada no mercado liberalizado (organizado) ou mediante contratos bilaterais.

De toda a potência instalada no Regime Ordinário o Parque EDP representa 85%, onde as

centrais hidroeléctricas e termoeléctricas ocupam 52,0% e 48,0%, respectivamente.

O parque Electroprodutor do Grupo EDP em regime Ordinário dispõe de uma potência

instalada de 8812 MW totalmente integrada nas centrais da EDP Produção.

A potência instalada do Parque Hidroeléctrico é de 4578,3 MW, distribuída por 35 centrais,

sendo 14 a fio-de-água e 21 de albufeira, 6 das quais estão equipadas com bombagem.

Estes aproveitamentos, em termos geográficos, situam-se, à excepção da Central de

Alqueva, nas zonas mais montanhosas e com maior pluviosidade no Norte e Centro do País.

As centrais termoeléctricas PRO totalizam uma potência de 4233,6 MW, tendo havido um

decréscimo de potência máxima disponível nos grupos da Central de Sines (12 MW), devido à

instalação de equipamentos de dessulfuração. [1]



Tabela 2- Centrais hidroeléctricas PRO do Cávado-Lima [2] C

en

tra

is

Cu

rso

de

ág

ua

En

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Po

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xim

a (

MW

)

Alto

Lindoso

Lima 1992 Albufeira 125,0 2 933,8 630,0

Lindoso Lima 1922 Fio-de-

água

5/5/10/10 4 7,5 44,1

Touvedo Lima 1993 Albufeira 100,0 1 66,8 22,0

Alto

Rabagão (1)

Rabagão 1964 Albufeira 26,4 2 85,3 68,0

Vila Nova

Venda

Nova

Rabagão 1951 Albufeira 8,0 3 383,9 90,0

Paradela Cávado 1956 Albufeira 16,4 1 256,7 54,0

Frades (1) Rabagão 2005 Albufeira 25,0 2 220,0 191,4

Salamonde Cávado 1953 Albufeira 21,0 2 231,2 42,0

Vilarinho

das Furnas

Homem Albufeira 2 189,0 125,0

Grupo 1 1972 18,7

Grupo 2 (1) 1987 20,2

Caniçada Cávado 1954 Albufeira 34,0 2 337,4 62,0

Cávado-

-Lima

21 2711,6 1328,5

A Produção em Regime Especial compreende a produção de electricidade com incentivos à

utilização de recursos endógenos e renováveis (hídrica, eólica, resíduos sólidos urbanos e

florestais) ou a produção combinada de calor e electricidade. A energia produzida é adquirida a

preço regulado pelo comercializador de último recurso, nas condições estabelecidas na

legislação.



No Regime Especial, o parque EDP atingiu uma quota de cerca de 19% da potência

instalada, com a seguinte contribuição, parques eólicos (65,6%), centrais de co-geração a gás

natural (13,2%), centrais hidroeléctricas (18,6%) e centrais a biomassa florestal (2,6%).

Em regime especial o Grupo EDP em Portugal integra um conjunto de centros

electroprodutores com uma potência instalada de 843 MW, incluem-se neste regime as centrais

mini-hídricas da EDP Produção, os Parques eólicos da ENERNOVA, as centrais a biomassa da

BIOELÉCTRICA e as centrais de co-geração da ENERGIN e SOPORGEN. [1]

Tabela 3- Centrais hidroeléctricas PRE do Cávado-Lima [2]

Ce

ntr

ais

Cu

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En

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Wh

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Po

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cia

líqu

ida

má

xim

a (

MW

)

France Coura 1974 Fio-de-

água

12,0 1 25,7 7,0

Labruja Mestre 1992 Fio-de-

água

0,8 1 2,9 0,9

Penide Cávado 1951 Fio-de-

água

35,0/50,0 2 22,3 4,9

Guilhofrei Ave 1939 Albufeira 8,0/7,6 2 11,0 4,0

Ermal Ave 1937 Albufeira 10,0/7,3 2 29,0 10,0

Ponte

Esperança

Ave 1942 Albufeira 12,0 1 8,0 2,8

Senhora do

Porto

Ave 1945 Albufeira 12,2/7,5 2 19,0 8,8

Cefra Ouro 1995 Fio-de-

água

1,1/2,2 2 5,2 1,1

Caniços Ave 1946 Fio-de-

água

10,0 2 3,8 0,9



2.5 Organigrama do Centro de Produção Cávado-Lima

A hierarquia do Centro de Produção Cávado-Lima obedece ao organigrama da figura 5.

Toda a actividade desenvolvida No PHCL é liderada e coordenada pelo Director do Centro de

Produção, Eng. Cipriano Serrenho, sendo este secundado dentro da macroestrutura local pelos

seguintes colaboradores:

Eng. Leite Marinho – Subdirector do Centro de Produção;

Eng. Paulo Magalhães – Chefe de departamento / Manutenção Eléctrica;

Eng. Carvalho Magalhães – Chefe de departamento / Manutenção Mecânica;

Eng. Afonso Rodrigues – Chefe de departamento / Observação e Construção

Civil.

Figura 5- Centro de Produção Cávado-Lima [1]



2.6 Desenvolvimento do Parque Electroprodutor

O grupo EDP tem em curso um plano ambicioso de renovação e expansão do seu

parque produtor a nível nacional, com grande incremento da capacidade instalada na produção

hidroeléctrica, em ciclos combinados, parques eólicos e outras tecnologias, que permitirão

alterar substancialmente o actual mix da produção em Portugal, com a consequente diminuição

de emissões atmosféricas e aumento da eficiência energética global. [1]

Em 2008 houve uma evolução extremamente positiva dos diversos projectos, apresentados

na figura 6, nomeadamente na construção dos Reforços de Potência de Picote, de Bemposta e

de Alqueva, todos com entrada em serviço prevista para o final de 2011.

Na componente hidroeléctrica, foi atribuída por concurso público à EDP Produção

“concessão” dos Aproveitamentos de Foz Tua, Fridão e Alvito, e foi emitida a Licença de

Produção do Baixo Sabor, tendo sido adjudicada à Empreitada Geral de Construção.

Figura 6- Novos empreendimentos Hidroeléctricos [1]



Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada


Capítulo 3

3-Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

3.1 Descrição

O aproveitamento hidroeléctrico de Caniçada situa-se no vale hidrográfica do Cávado, sendo

o último da “cascata” da bacia do Cávado. É composto por uma albufeira, que não é mais do

que um grande depósito formado artificialmente fechando um vale através de um dique ou

barragem e no qual se armazenam as águas de um rio com o objectivo de as utilizar na

regularização de caudais, na irrigação, no abastecimento de água, na produção de energia

eléctrica, etc.

A albufeira iniciou o seu enchimento em Outubro de 1954, prolongando-se até Abril de

1955 data de conclusão, após ter atingido a cota de 162.00 m. [2]

As centrais hidroeléctricas existentes, são integradas em aproveitamentos a fio de água ou

de albufeira, dependendo das características locais.

Aproveitamentos a fio de água - caracterizam-se pelo facto de o reservatório criado pela

barragem ter uma duração de enchimento, com o caudal médio anual, inferior a 100 h.

Localizam-se normalmente em cursos de água de declive pouco acentuado e em que os caudais

disponíveis são elevados.

A reduzida capacidade de armazenamento destes aproveitamentos impõe que as afluências

sejam lançadas quase instantaneamente para jusante, seja por turbinamento seja por

descarregamento, isto é, o regime do rio não é alterado de modo significativo pelo

aproveitamento.

Aproveitamento de albufeira - nestes aproveitamentos, a relação capacidade do

reservatório/caudal médio é superior a 100 h. Graças à elevada capacidade de armazenamento

de que dispõem, permitem reter a água que aflui nos meses mais húmidos para posterior

turbinamento na época seca. Em alguns casos, este efeito regularizador do regime do rio,

permite, inclusive, constituir reservas de energia para anos secos, ou controle de cheias.

Devido às suas características de reserva, só funcionam quando necessário e, muitas vezes,

em horário de ponta, isto é, em períodos de elevado consumo de electricidade.



São habitualmente implantadas nos rios das regiões montanhosas, pelo que a maioria dos

aproveitamentos de albufeira em Portugal se situa no norte e centro do País, onde se inclui o de

Caniçada.

Dispõe também de uma central subterrânea, nas proximidades da barragem, onde estão

alocados os dois grupos geradores com uma potência individual de 34 MVA. A central

subterrânea, com uma dimensão de 40 m de comprimento, 18 m de largura e 30 m de altura,

está localizada numa caverna escavada a aproximadamente 50 m abaixo do leito do rio, na

margem direita a jusante da barragem. O acesso a caverna (sala de máquinas), à cota de 50,90

m, a partir do átrio de montagem, é assegurado por um poço de 134 m de profundidade e 8 m

de diâmetro, salvaguardando uma saída de emergência para o exterior, através da galeria

inclinada que serviu de ataque à escavação da caverna, que desemboca no exterior na margem

direita do rio, a jusante da barragem.

Adjacente ao átrio de montagem, encontra-se o edifício de comando, constituído por dois

pisos, no qual está inserida: a sala de comando que permite uma visão completa da subestação,

a aparelhagem de contagem, os painéis e repartidores de aparelhagem, os sistemas de

alimentação de serviços auxiliares, o grupo diesel de emergência e também as oficinas.

Imediatamente a seguir, encontra-se a subestação, que para além de alojar os dois

transformadores principais, de 32MVA cada um, a respectiva aparelhagem de corte, protecção e

manobra e o equipamento de telecomunicações, ela tem ainda as sete linhas a 150kV, sobre

barramento duplo, com conjugação inter-barras, e uma linha a 15kV, que a tornam num

importante nó de trânsito de energia na região norte. [2]

3.2 Caracterização dos principais elementos

3.2.1 Barragem

A barragem de betão, ilustrada na figura 7 e descrita na tabela 4, do tipo abóbada delgada,

com dupla curvatura, uma altura de 76 m e um coroamento que se desenvolve por 276 m,

estabelece a ligação entre as duas margens da albufeira. Importa também referir que a maioria

das barragens se enquadra neste tipo, devido ao profundo conhecimento dos parâmetros de



esforços e deslocamentos instalados assim como das medidas a tomar para um óptimo

desempenho e funcionamento, encerrando por isso um risco de ruptura muitíssimo reduzido. [2]

Figura 7- Vista geral do Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada

Tabela 4- Características técnicas da Barragem

Características Técnicas

Tipo Abóbada delgada

Cota do coroamento (m) 163,00

Altura máxima acima das fundações (m) 76

Desenvolvimento do coroamento (m) 246

3.2.2 Descarregador de superfície

O descarregador de cheias tem como função o controlo do nível da água da albufeira

quando existem caudais de água afluentes excedentários. Este encontra-se situado na parte

central e superior da barragem, representado na figura 8 e descrita na tabela 5, e é constituído

por quatro aberturas rectangulares vedadas por comportas do tipo Stoney, à cota de 153,80 m e



com a dimensão de 9 m x 4,5 m. Permite a descarga da água em lâmina livre a jusante da

barragem, sobre um tapete de betão e um açude com soleira à cota de 102 m, isto para formar

um colchão de água capaz de melhorar a dissipação da energia do referido caudal que protege a

rocha do leito do rio e a parte inferior das margens. A capacidade máxima de vazão do

descarregador de cheias é de 1700 m3 / s, podendo o comando das comportas ser efectuado no

modo automático ou por um operador em modo manual.

Figura 8- Descarregador de cheias

O comando automático é feito através de um autómato de regulação de nível da albufeira,

designado de “RAN”. O regulador automático de nível, “RAN”, exerce a sua regulação por

intermédio dos órgãos específicos de segurança da barragem, usualmente designados por

descarregadores de cheias.

O comando manual, realizado por ordem de um operador, pode ser efectuado à distância

ou no local, através das opções:

Centro de Telecomando na Régua, (distância);

Central de Caniçada, Sala de Comando, (distância);

Barragem de Caniçada, (local);



Barragem de Caniçada por manivela, (local).

Caso falhe a energia eléctrica, as comportas dos descarregadores estão providas de um

sistema de abertura/fecho mecânico por manivela, o qual, quando utilizado, impossibilita o

comando eléctrico. A cota máxima permitida é de 162 m durante o Verão e de 160 m durante o

Inverno, sendo ultrapassada a cota de referência, inicia-se o lançamento para jusante de um

caudal necessário para baixar a cota para o nível estabelecido.

Tabela 5- Características técnicas do descarregador de superfície


Número de comportas do descarregador de cheias 4

Tipo de comportas do descarregador de cheias Stoney

Dimensões das comportas do descarregador de cheias (mxm) 9x4,5

Capacidade total de vazão do descarregador de cheias (m3/s) 1700

3.2.3 Descarga de fundo

A descarga de fundo, apresentada na figura 9 e descrita na tabela 6, é um órgão hidráulico

que permite o esvaziamento da albufeira. Encontra-se situado no troço central (soco) da

barragem à cota de 94 m, com uma capacidade total de vazão de 142 m3 /s. É composto por:

uma galeria de carga, com um diâmetro de 2,6 m e 21 m de comprimento, uma válvula

dispersora a jusante, que efectua a regularização e por uma comporta a montante, do tipo

lagarta, manobrada por servomotor a óleo, que contém a dupla finalidade de permitir a

manutenção e protecção da válvula dispersora caso exista alguma irregularidade. A válvula

utilizada é do tipo jacto oco, que, como o nome indica, cria um jacto em forma de cone oco,

divergindo muito rapidamente. Este jacto desintegra-se em contacto com o ar circundante e

transforma-se em gotículas mais ou menos fixas, caindo como chuva sobre uma área

relativamente grande, sendo praticamente auto destrutor. Devido ao seu padrão de construção, a

descarga de fundo não consegue funcionar afogada, pelo que não deve ser utilizada em

simultâneo com o descarregador de cheias. O comando destes órgãos é efectuado manualmente

no local, no posto de manobra. Em caso de falha da energia eléctrica, a válvula dispersora está



guarnecida de um sistema de abertura/fecho mecânico por manivela, o qual, quando utilizado,

impossibilita o comando eléctrico.

Figura 9- Descarga de fundo [2]

Tabela 6- Características técnicas da descarga de fundo


Número de válvulas da descarga de fundo 1

Tipo de válvula da descarga de fundo Jacto oco

Capacidade total de vazão da descarga de fundo (m3/s) 142

Diâmetro nominal da válvula (m) 2,6

3.2.4 Circuito hidráulico de adução e restituição

O circuito hidráulico, comum aos dois grupos, é constituído pela tomada de água, pela

conduta de carga, e pelo túnel de restituição. No circuito hidráulico de adução, a água é

encaminhada desde a tomada de água até à turbina, por sua vez, no circuito hidráulico de

restituição, a água turbinada é encaminhada desde a turbina até à restituição para o rio. Estes



circuitos hidráulicos, representados na figura 10 e descritos na tabela 7, têm comprimentos

totais de 244 m e 7482 m, respectivamente.

Figura 10- Circuito hidráulico de adução e restituição [2]

Tabela 7- Características técnicas do circuito hidráulico de adução e restituição


Comprimento do circuito de adução (m) 244

Comprimento do circuito da restituição (m) 7500

3.2.5 Tomada de água

A tomada de água, apresentada na figura 11 e descrita na tabela 8, é a estrutura destinada

a captar a água da albufeira, situada na margem direita, a montante da barragem, à cota de

108,4 m. A abertura ou fecho da entrada de água é efectuada por uma comporta em metal de

lagartas, denominada comporta da tomada de água, manobrada por um servomotor a óleo. A

comporta de lagarta é dotada, nas laterais do tabuleiro, de cadeias fechadas de rolos,



denominados lagartas. Estas deslocam-se livremente no plano vertical, girando em torno das

vigas cabeceiras.

O baixo coeficiente de atrito dos rolos e a sua alta capacidade de carga recomendam o uso

deste tipo de comportas em instalações a grande profundidade e fecho por gravidade. A

comporta tem uma importância vital no que diz respeito à segurança da central, pois, em caso

de uma paragem de emergência (inundação da central ou outra anomalia), é fechada

automaticamente.

Uma outra vertente da importância da comporta é permitir a manutenção das válvulas de

admissão à turbina.

Figura 11- Tomada de água [2]

Para evitar a entrada de elementos sólidos (ramos, etc.), que são arrastados pelas águas

podendo causar danos nos grupos geradores, existe a montante da comporta uma grade de

betão e uma grelha metálica. Esta última é móvel, sendo possível trazê-la à superfície para

remover os corpos sólidos nela depositados. O comando da comporta e da grade é feito a partir

duma torre com um passadiço de ligação ao coroamento da barragem, todavia, a manobra de

fecho da comporta também poderá ser efectuada à distância, a partir do edifício comando ou da

caverna.



Tabela 8- Características técnicas da tomada de água


Número de comportas da tomada de água 1

Tipo da comporta da tomada de água Lagarta

Grelha de betão Fixa

Grelha metálica Móvel

3.2.6 Conduta de carga

A conduta de carga, representada na figura 12 e descrita na tabela 9, é constituída por uma

galeria com um declive acentuado, tem como função conduzir o caudal até a central subterrânea

para posteriormente ser turbinado. Esta encontra-se aberta directamente sobre o granito, com

190 m de extensão, é constituída por 2 troços. O primeiro com 141 m de comprimento, um

diâmetro de 4,95 m e uma inclinação de 29%, e os restantes 49 m de comprimento, um

diâmetro de 3,9 m e uma inclinação de 85,4%. Na parte final a conduta bifurca-se em dois

troços metálicos (ramais) de alimentação às turbinas, com cerca de 54 m de comprimento, os

troços a montante e a jusante da válvula têm um diâmetro de 2,8 e 2,1 respectivamente. Cada

troço está dotado de uma válvula de admissão do tipo esférica, manobrada por um servomotor a

água.

Figura 12- Conduta de carga [2]



Tabela 9- Características técnicas da conduta de carga


Comprimento da conduta (m) 190

Número das condutas 1

3.2.7 Chaminé de equilíbrio

As chaminés de equilíbrio são instalações destinadas a amortecer as oscilações transitórias

da pressão no circuito hidráulico, mantendo em limites toleráveis as sobrepressões e depressões

nas condutas ocasionadas por manobras intencionais ou não, como por exemplo o fecho rápido

(total ou parcial) do distribuidor. Este fecho pode originar um fenómeno designado golpe de

aríete, que não é mais do que uma onda de pressão seguida de uma depressão, que vão

percorrendo a conduta sucessivamente.

A sua estrutura em forma de reservatório, aberta na parte superior, é situada no trajecto a

jusante das turbinas.

No caso da abertura das turbinas, a chaminé actua amenizando os efeitos da sobrepressão

aplicados às condutas, no caso inverso, quando se dá o fecho das turbinas, produz-se uma

subpressão nas condutas e a chaminé actua na forma de reservatório, alimentando as condutas.

Desta forma evita-se que o circuito hidráulico e equipamento sejam afectados pelos efeitos da

depressão. Quando se originam estas diferenças de pressão, o nível de água passa a oscilar

entre a chaminé e as condutas, de forma a diminuir a amplitude das oscilações até praticamente

à nulidade.

3.2.8 Válvula de admissão

A válvula de admissão é um dispositivo de segurança, que têm como finalidade abrir ou

fechar a admissão da água à turbina. A válvula de admissão é do tipo esférico, como se pode

verificar na figura 13, com um diâmetro de 2,6 m. Cada válvula é constituída por dois meios-

corpos e um obturador em aço fundido, apresentada na tabela 10, girando o último sobre duas

chumaceiras de bronze.



O accionamento é feito por um servomotor de água, que é posto em pressão, num ou

noutro sentido, por um distribuidor. Este é accionado por um pequeno servo-motor, alimentado

pelo óleo sob pressão do depósito do circuito de regulação da turbina.

A abertura é precedida pelo estabelecimento do equilíbrio das pressões a montante e a

jusante, através dum bypass cuja válvula de manobra é accionada por um pequeno servomotor

a óleo. Contando a partir do momento em que fica estabelecido o referido equilíbrio, a duração

da operação não excede os dois minutos. O fecho, sendo o mais rápido possível, não ocasionará

sobrepressões superiores a 25% da queda máxima de carga.

A estanquicidade é assegurada por um dispositivo automático, constituído por um anel

móvel de bronze e por uma sede de igual material fixada sobre o obturador a jusante que

encostam sob pressão da própria água. Este dispositivo entra automaticamente em compressão

e descompressão com a manobra da válvula. Um segundo dispositivo, de estanquicidade a

montante do obturador e com comando manual, funciona como protecção de recurso.

Figura 13- Válvula de admissão [3]



Tabela 10- Características técnicas da válvula de admissão


Tipo de válvula Esférica

Número de válvulas 2 (uma por grupo)

Diâmetro nominal da válvula (m) 2,1

Pressão de comando da válvula (bar) 20

Órgão de manobra Servomotor

3.2.9 Comportas ensecadeiras da restituição

A comporta ensecadeira, apresentada na figura 14 e descrita na tabela 11, tem como

função isolar o retorno da água do túnel de fuga para a turbina. A jusante de cada grupo existe

uma comporta ensecadeira da turbina, do tipo Adufa, manobrada por um servomotor hidráulico.

Estas comportas têm unicamente comando local ou actuação de inundação da central, ordem

impulsional emitida à distância, sinal processado independente do autómato.

A comporta ensecadeira da turbina só poderá ser manobrada em águas equilibradas, com o

grupo gerador parado e a válvula de guarda fechada.

Tabela 11- Características técnicas das comportas ensecadeiras da restituição


Tipo de comporta ensecadeira Adufa

Número de comportas ensecadeiras 2 (uma por grupo)

Órgão de manobra Servomotor



Figura 14- Comporta ensecadeira de restituição

3.2.10 Túnel de restituição

A água turbinada é recolhida por um canal que a restitui ao leito natural do curso de água. O

túnel de restituição, apresentado na figura 15 e descrito na tabela 12, foi durante diversos anos

a maior obra deste género do país, é escavado directamente sobre o granito. Com uma extensão

total de 7482 m e um diâmetro médio de 6,8 m, termina a jusante com um descarregador em

betão com crista.

Tabela 12- Características técnicas do túnel de restituição


Comprimento do túnel (m) 7482

Diâmetro da escavação (m) 6,8

Figura 15- Túnel de restituição [2]



3.2.11 Turbina

As turbinas hidráulicas são máquinas que têm como finalidade converter a energia hidráulica

(cinética, resultante da potencial gravítica) de um fluxo de água em energia mecânica, a qual,

por sua vez, irá accionar o alternador, cujo eixo está directamente acoplado ao da turbina.

Podem ser organizadas em turbinas de acção, como é o caso das turbinas Pelton, e de

reacção, como por exemplo as turbinas Francis e Kaplan. A escolha da turbina é crucial para se

obter o melhor rendimento possível, devendo a sua escolha ser executada consoante a potência,

a queda de água e o caudal turbinado.

Caso se trate de uma turbina Pelton, como se pode verificar na figura 16, designada turbina

de acção, a água em carga nas condutas forçadas é distribuída pelas tubeiras até aos injectores,

de onde sai em forma de jacto, accionando directamente, sob forte pressão, as pás (em forma

de concha dupla da roda móvel). Estas turbinas podem ser de eixo vertical ou horizontal, e são

utilizadas em aproveitamentos caracterizados por uma grande queda e baixo caudal. Têm

também uma característica de rotação reduzida e um rendimento máximo na ordem dos 93%.

Em Portugal existem modelos destas turbinas nas centrais de Vila Nova, Tabuaço e Santa Luzia.

[3]

Figura 16- Turbina Pelton [3]



Já dentro das turbinas de reacção, a turbina Kaplan diferencia-se da turbina Francis por

apresentar um número inferior de pás (quatro ou cinco), em forma de hélice normalmente de

eixo vertical, e com uma inclinação regulável, que deriva de um mecanismo de orientação

controlado pelo regulador da turbina, como se pode ver na figura 17. Trata-se de um

equipamento apropriado para os aproveitamentos de fio de água, de baixa queda e elevado

caudal, como por exemplo os de Touvedo, Carrapatelo, Régua, Valeira, Pocinho, Fratel e Belver.

Nos aproveitamentos onde se verifique uma baixa queda, instalam-se habitualmente os

chamados grupos Bolbo, constituídos no essencial por uma cuba em forma de Bolbo, em que a

água flui em seu redor, totalmente submersa na água, o que acarreta que o equipamento

contenha uma vedação melhorada, onde se alojam a turbina tipo Kaplan de eixo horizontal e o

alternador. Encontra-se este tipo de grupos nas centrais hidroeléctricas de Belver, Crestuma-

Lever e Raiva. [3]

Figura 17- Turbina Kaplan [3]

Em Caniçada, as turbinas hidráulicas são do tipo Francis de eixo vertical, onde a câmara de

entrada da máquina hidráulica é uma voluta em forma de espiral que encaminha a água para o

distribuidor, sendo posteriormente direccionada da periferia para o eixo da turbina, caindo



posteriormente sobre as pás da roda, originando a sua rotação por um fenómeno de reacção.

Este tipo de turbina trabalha imersa na água que, depois de actuar sobre a roda, se escoa pelo

difusor, paralelamente ao eixo de rotação, como se pode verificar na figura 18 e posteriormente

descrita na tabela 13.

Figura 18- Turbina Francis [3]

A turbina Francis é usualmente instalada em aproveitamentos de média ou baixa queda e

têm um rendimento máximo mais elevado, velocidades maiores e menores dimensões,

comparativamente as Pelton.

Na figura 19, pode-se verificar a situação que melhor se adapta a cada turbina, tratando-se

de informação que é normalmente facultada pelo fabricante, de forma a facilitar a selecção da

turbina consoante as características do aproveitamento.



Figura 19- Diagrama de utilização das turbinas [3]

Tabela 13- Características técnicas da turbina


Tipo de roda Francis vertical

Número de rodas 2 (uma por grupo)

Potência nominal (kw) 31000

Velocidade nominal (r.p.m.) 300

Queda útil nominal (m) 104

Caudal máximo turbinável (m3/s) 68



3.2.11.1 Roda

A roda da turbina Francis, representada na figura 20 e descrita na tabela 14, é fabricada

em aço inoxidável e é constituída por 13 pás fixas e encurvadas.

Figura 20- Roda Francis [3]

Tabela 14- Características técnicas da roda


Tipo de pás Fixas

Número de pás 13

Diâmetro de saída da roda (m) 2,1

3.2.12 Chumaceira guia da turbina

A chumaceira guia da turbina situa-se na parte superior ao acoplamento turbina-veio, tendo

como função manter a verticalidade do veio, absorvendo também os esforços radiais do veio

provenientes da rotação da turbina. A chumaceira contém uma refrigeração hidrodinâmica,

composta por dois meios corpos com serpentinas de refrigeração embutidas, descritas na tabela



15, pelas quais é feita a permutação do calor causado pela fricção entre as partes móveis (metal

da chumaceira e veio da turbina), sendo revestidos a metal anti-fricção.

Tabela 15- Características técnicas da chumaceira guia da turbina


Tipo de chumaceira Casquilho (bipartida)

Diâmetro nominal da chumaceira (mm) 850

Material base da chumaceira Aço vazado (com metal anti-fricção)

3.2.13 Chumaceira de impulso

A chumaceira de impulso situa-se na parte superior do alternador, tendo como objectivo

servir de apoio à parte móvel (absorve os esforços axiais transmitidos pelo grupo).

Perpendicularmente ao eixo do veio, estão aplicados oito patins axiais independentes, descritos

na tabela 16, envolvidos numa grande quantidade de óleo refrigerado através de uma serpentina

por onde circula água. Efectua-se assim a permutação do calor dissipado pela fricção do óleo

nos segmentos.

Tabela 16- Características técnicas da chumaceira de impulso


Tipo de chumaceira Pivot

Dimensões do segemento da chumaceira (mm) 225x185x75

Material base da chumaceira de impulso Aço vazado (com metal anti-fricção)

3.2.14 Distribuição

O distribuidor é o dispositivo capaz de regular o caudal que entra na roda motriz através

do controlo das pás directrizes (20 pás). A regulação da posição das directrizes é efectuada por



meio do anel de distribuição a elas acoplado e respectiva cadeia cinemática (biela/manivela) de

interligação individual. O anel de distribuição é accionado por dois servomotores óleo-hidráulicos

de duplo efeito, que operam em sentidos opostos de modo a gerarem um binário, como se pode

verificar na figura 21 e descritos na tabela 17. Estes são comandados pelo regulador de

velocidade da turbina DIGIPID.

Figura 21- Distribuidor

O distribuidor, além de fazer a vedação da água proveniente da espiral quando está aberta,

permite também a regulação da potência ou da velocidade do grupo.

Cada uma das directrizes move-se sobre um pivô, de tal forma que na posição de fechado,

se encostam duas a duas, não permitindo a passagem da água. Na posição de totalmente

aberto ficam quase paralelas entre si. As bielas que ligam as pás directrizes possuem uma zona

de colocação de um fusível, de modo que, se durante a manobra de fecho do distribuidor um

corpo estranho ficar preso entre as duas pás, estes serão submetidos a um esforço anormal e

partem, evitando eventuais danos nas pás directrizes e na cadeia cinemática de manobra do

distribuidor.



Tabela 17- Características técnicas do distribuidor


Tipo de pás directrizes Reguláveis

Número de pás directrizes 20

Dimensões da pá directriz (mm) 520x459

Material base Aço vazado (Munhão – aço cromado)

3.2.15 Linha de veios

O grupo gerador possui dois veios (rotor e turbina), descritos na tabela 18, sendo o veio

do rotor acoplado à flange superior do veio da turbina, ficando assim unidos.

O veio permite transmitir o binário motor, tendo também o objectivo de suportar os esforços

axiais (impulso hidráulico sobre a roda) e o peso das partes girantes.

Tabela 18- Características técnicas da linha de veios


Dimensão total do veio do rotor (mm) 6,785

Dimensão total do veio da turbina (mm) -

Material base Aço (Ac 50.11)

3.2.16 Junta de estanquicidade

A junta de estanquicidade destina-se a conseguir a vedação da água pela parte superior

da roda da turbina, evitando a sua entrada através da folga existente entre o veio da turbina e a

estrutura fixa da câmara espiral.

A junta de estanqueidade é do tipo radial, apresentada na tabela 19, com anéis de carvão

que funcionam contra um aro de desgaste em aço inoxidável, montado no veio da turbina, em

cima da roda desta, superiormente à flange de acoplamento do veio à roda.



Tabela 19- Características técnicas da junta de estanquicidade


Tipo de junta Radial

Pressão máxima da água de refrigeração ≈ 4 bar

Material base dos anéis da junta Carvão

Material base do aro de desgaste Aço inoxidável

3.2.17 Regulador de velocidade

A necessidade da regulação de velocidade tem por objectivo assegurar a constante

frequência da rede. A regulação é baseada no princípio:

Quando a potência motriz (Pm) é igual á potência consumida (Pr), a frequência da rede

é constante;

Se a potência motriz diferente da potência consumida, a frequência da rede varia,

segundo uma lei dependente da inércia da rede.

Para uma carga dada, a potência absorvida pela rede aumenta com a sua frequência (esta

variação define o coeficiente de auto regulação da rede).

A potência motriz dum grupo depende do débito de água aplicada. A potência absorvida

depende da carga que está ligada à rede, a carga é essencialmente variável em função do

tempo. Pode-se assim modular o débito de água quando se age sobre a abertura do distribuidor

hidráulico, como se pode verificar na figura 22, quer quando solicitado um aumento de potência,

em que o regulador determina a abertura do distribuidor para aumentar o débito de água, ou no

sentido inverso, se a potência pedida pela rede diminuir ligeiramente (diminuição do consumo),

o regulador, descrito na tabela 20, actua no sentido do fecho do distribuidor, diminuindo assim o

débito de água e consequentemente a potência motriz.

Pode-se também medir o erro da frequência (ou da potência) comparando este com o valor

de referência. Estas duas grandezas evoluem no mesmo sentido, mas não estão ligadas por

relações lineares. A regulação dos grupos hidráulicos necessita pois de um equipamento

complexo, para assegurar a estabilidade das redes.



A estrutura funcional base do regulador (DIGIPID) é estruturada num andar regulador de

velocidade que elabora a referência de posição, em função da velocidade do grupo e da

referência da abertura por meio dum regulador PID, e comporta também um andar de potência,

que posiciona o órgão regulado por meio duma cadeia hidráulica (accionador, válvula de

distribuição, servomotor). [4]

Acção integral

Taquimetro Acção proporcional

Estatismo

Acção derivada

Referência f0

Adaptação

+--

++

++ +

-Actuador

Distribuidor

Servomotor

Turbina

Alternador

Rede

Referência abertura

Regulador de velocidade Posicionadores

Figura 22- Regulação de velocidade [4]

A variação da posição do distribuidor é feita através da injecção de óleo que, depois de

passar pelo circuito óleo – hidráulico de comando, vai actuar sobre os servomotores de manobra

do distribuidor.

Tabela 20- Características técnicas do regulador de velocidade


Tipo de regulador Rapid

Pressão de regulação (nominal) 20 bar

Tipo de servomotores de comando Duplo efeito

Material de servomotores de comando 2

Órgão de regulação Actuador (NEYRPIC)



3.2.18 Câmara espiral e antedistribuidor

A câmara espiral tem por função conseguir uma velocidade constante da água em toda a

periferia da roda, evitando assim vibrações e perdas de carga. A conduta tem uma forma

circular, cuja secção transversal se vai reduzindo no sentido do fluxo do caudal que ataca a roda

da turbina. Esta câmara interiormente é composta por pás fixas, descritas na tabela 21,

orientadas de modo a enviarem a água ao distribuidor. Estas pás são designadas de

antedirectrizes ou pré-directrizes (antedistribuidor).

Tabela 21- Características técnicas da câmara espiral e antedistribuidor


Material base da câmara espiral Chapa de aço

Tipo de pás do antedistribuidor Fixas

Número de pás do antedistribuidor 10

3.2.19 Difusor

O difusor é constituído por um cone e um cotovelo de aspiração totalmente blindados. Serve

de ligação entre a roda motriz e o túnel de fuga e tem como finalidade conseguir a máxima

recuperação de energia cinética, correspondente à velocidade de descarga da água à saída da

roda motriz.

3.2.20 Alternador

Os alternadores hidroeléctricos são máquinas eléctricas rotativas que transformam a

energia mecânica gerada na turbina em energia eléctrica, sob a forma de f.e.m. variáveis no

tempo, que produzem sistemas de tensões e correntes.

𝑒 = 𝑉 × 𝐵 × 𝑙 (2)



e = força electromotriz

v = velocidade de rotação

B = densidade do fluxo magnético

I = comprimento do condutor

O enrolamento induzido sede das f.e.m. (força electromotriz) está colocado sobre a parte

fixa, o estator. Os pólos excitados pela corrente contínua fornecida pelo sistema de excitação são

colocados na parte rotativa da máquina, o rotor.

A amplitude da f.e.m. induzida nas fases do estator é obtida através da relação: [5]

𝐸𝑓 = 2 × 𝑁𝑝 × 𝐾𝑝 × 𝐾𝑑 × 𝜃 × 𝑓 (3)

Ef = força electromotriz

Kp = constante que varia de acordo com a montagem dos enrolamentos da máquina

Kd = constante que varia de acordo com a montagem dos enrolamentos da máquina

Np = número de espiras do enrolamento de uma fase

f = frequência

Ф = fluxo magnético

A força electromotriz, Ef, é proporcional ao fluxo magnético, produzido pela corrente de

excitação, e à velocidade, como se pode observar na curva de magnetização, representada na

figura 23, da máquina síncrona. [5]

Ef

Iexc

n = nr = const

Figura 23- Curva de magnetização



Chama-se máquina síncrona a uma máquina cuja velocidade de rotação n está ligada à

frequência da rede, f pela relação:

𝑓 = 𝑝 × 𝑛 (4)

em que p é o numero de par de pólos.

Para uma dada frequência nominal da rede (50Hz) e através da escolha do número de par

de pólos (p), obtemos as seguintes velocidades de rotação (n), apresentadas na figura 24 :

n (rot/min) | 1500 1000 750 600 500 420 300

p | 2 3 4 5 6 7 10

Figura 24- Velocidade/ rotação

Vamos observar na figura 25 o modelo equivalente de uma máquina síncrona ligada a uma

rede de potência infinita. [5]

Rotor ( Campo)

Estator ( Armadura)

Fluxo

If

RaXS

EfLf

IaVt

Figura 25- Esquema máquina síncrona

Xs = resistência síncrona (Ω);



Ef = força electromotriz;

Ra = resistência da armadura;

Vt = tensão aos terminais;

Ia = corrente da aramadura.

As máquinas síncronas são reversíveis e, por esta razão, tanto podem funcionar como

geradores ou como motores.

Caso a máquina síncrona opere como gerador obtemos:

𝐸𝑓 = 𝑉𝑡 + 𝐼𝑎 (𝑅𝑎 + 𝑗 𝑋𝑠 ) (5)

Como Xs » Ra, para o cálculo das correntes pode desprezar-se a resistência da armadura,

embora o mesmo não se possa aplicar caso se esteja a calcular as perdas da máquina ou do

rendimento. Assim, tem-se aproximadamente: [5]

𝐸𝑓 = 𝑉𝑡 + 𝐼𝑎 × 𝑗 𝑋𝑠 (6)

Caso a máquina síncrona opere como motor obtemos:

𝐸𝑓 = 𝑉𝑡 – 𝐼𝑎 (𝑅𝑎 + 𝑗 𝑋𝑠) (7)

Desconsiderando a resistência da armadura, tem-se:

𝐸𝑓 = 𝑉𝑡 – 𝐼𝑎 × 𝑗 𝑋𝑠 (8)

Num sistema eléctrico existem três tipos de potências, representadas na figura 26, sendo

elas potência activa, reactiva e aparente.



P

Q

S

Ф

Figura 26- Triângulo de potências

S = potência aparente (VA);

P = potência activa (W);

Q = potência reactiva (VAr);

Ф = ângulo que determina o factor de potência.

A potência absorvida pelo elemento resistência óhmica do receptor é denominada potência

activa ou potência real. Representa-se pela letra P e exprime-se em W, podendo ser calculada

em função de R e I.

𝑃 = 3 × 𝑅 × 𝐼2 (9)

Através do aumento do débito da turbina, a corrente de carga e a energia activa aumentam,

dado que houve um aumento da energia mecânica fornecida à turbina.

Ao produto UC * IL, em que UC= tensão composta e IL= corrente na linha, chama-se potência

aparente. A potência aparente representa-se pela letra S e exprime-se em VA.

𝑆 = 3 × 𝑈𝐶 × 𝐼𝐿 (10)

Da mesma forma que R determina a potência activa, o elemento “reactância”, X, da bobina

dá lugar à potência reactiva. Representa-se pela letra Q e exprime-se em VAr.

𝑄 = 3 × 𝑋 × 𝐼2 (11)



Apesar de não ser consumida, a energia reactiva circula na rede. Este facto torna-se um

inconveniente, pois obriga a dimensionar os componentes para correntes superiores as

necessárias. Por esta razão, os fornecedores de energia eléctrica (EDP) penalizam os

consumidores cujos receptores (motores e outros elementos indutivos) provocam a circulação

duma excessiva “quantidade” de energia reactiva.

Através do aumento da excitação, a força electromotriz gerada no alternador tem tendência

para aumentar na mesma proporção, porém, verifica-se que neste caso há uma componente

reactiva da corrente fornecida pelo alternador à rede.

Do mesmo modo, diminuindo a excitação, a força electromotriz gerada nas bobinas do

induzido do alternador tem tendência para diminuir proporcionalmente, verificando-se que uma

componente reactiva da corrente é fornecida pela rede ao alternador.

O meio, ou o espaço, entre o estator e o rotor que vai permitir o movimento chama-se

entreferro.

Os alternadores hidráulicos em que as velocidades são relativamente baixas têm os pólos

salientes, sendo os mais importantes de eixo vertical, como se verifica em Caniçada,

representado na figura 27 e descrito na tabela 22. Distinguem-se dois tipos principais: o

alternador suspenso, no qual a chumaceira de impulso está acima do rotor, e o alternador

apoiado, no qual esse apoio situa-se abaixo do rotor.

Figura 27- Alternador



Como tal, são constituídos por órgãos com funções mecânicas, eléctricas e magnéticas, ou

um misto de funções electromecânicas e electromagnéticas

Tabela 22- Características técnicas do alternador


Potência aparente nominal (MVA) 34

Tensão nominal (kV) 10,25

Frequência nominal (HZ) 50

Factor potência nominal 0,95

3.2.20.1 Estator

O estator, descrito na tabela 23, é constituído essencialmente por: [6]

Carcaça

Normalmente constituída por elementos de aço laminado, ligados por meio de soldadura

electro-arco, com forma de envelope circular ou poligonal. Dependendo do seu diâmetro, pode-se

normalmente encontrar-se dividida em duas, quatro ou seis partes, e comporta no seu interior

diversas nervuras e sectores de coroas circulares, que lhe conferem a rigidificação necessária. A

coroa superior com os braços suporta e fixa normalmente a cruzeta e a chumaceira superior.

As coroas intermédias suportam o núcleo estatórico, sendo a inferior de assentamento

directo, ou através de sapatas nas placas de base seladas e ancoradas no betão.

Na carcaça é montado o sistema de guiamento do núcleo estatórico, constituído por

barras-guia dispostas axialmente, fixadas por parafusos e posicionadas por cavilhas.

Núcleo estatórico

Constituído por um empilhamento de segmentos de chapa magnética, de alta

permeabilidade, com baixo coeficiente de histerese e grande resistividade. Os segmentos são

envernizados a quente, nas duas faces, com uma pintura de verniz isolante. O empilhamento

fica dividido em pacotes, separados por espaçadores, constituindo-se deste modo os canais de

ventilação.



O sistema de aperto das chapas é assegurado por meio dos segmentos e placas de aperto,

onde são soldados dedos em aço magnético que pressionam a chapa magnética através de

tirantes em aço.

O esforço da compressão transmite-se assim a toda a altura dos dentes e da coroa que

formam os segmentos de chapa.

O núcleo estatórico das máquinas grandes pode apresentar juntas, duas ou mais, isoladas

a cartão. Actualmente já se constroem núcleos sem juntas.

O espaço que fica entre dois dentes vizinhos é designado por ranhura.

Enrolamento estatórico

Constituído pelo conjunto das bobinas ou de barras, que se encontram distribuídas pelas

ranhuras do núcleo estatórico. Em cada ranhura há duas barras ou dois lados ou ramos de

bobinas separados por um intercalar. Na ranhura o conjunto é apertado por meio de bandas de

enchimento e calços. Cada barra ou bobina é constituída por um conjunto de condutores

elementares isolados entre si e convenientemente transpostos em toda a altura do circuito

magnético. O isolamento exterior do conjunto constitui o isolamento principal do enrolamento.

O enrolamento, que pode ser do tipo imbricado ou ondulado, encontra-se dividido em três

circuitos eléctricos distintos que constituem as fases do alternador. Cada fase pode ter uma,

duas ou mais vias. Saem da carcaça os três terminais de neutro que se ligam em estrela e os

três terminais de fase que se ligam ao barramento de saída do alternador.

Tabela 23- Características técnicas do estator


Diâmetros exterior/interior do estator (mm) 5400/4000

Altura do estator (mm) 1555

Tipo de enrolamento estatórico Imbricado

Classe de isolamento do enrolamento estatórico F



3.2.20.2 Rotor

O rotor, descrito na tabela 24, é constituído essencialmente por: [6]

Veio

O veio dos alternadores é feito em aço forjado. Nas suas extremidades possuem os

chamados pratos de acoplamento para aperto de outros veios, da excitatriz, intermédios ou da

turbina. Os veios podem ser furados a toda a altura para permitirem a passagem de certos

órgãos.

Cruzeta

A cruzeta é construída em aço e possui os seus braços soldados directamente ao veio.

Estes braços prolongam-se por placas, nas quais são fresadas as ranhuras para as chavetas

destinadas à fixação da jante.

Jante

A jante rotórica é formada por anéis maciços, ou em chapas de aço, apertadas por

parafusos e enchavetados a quente sobre a cruzeta. A superfície exterior da jante possui

ranhuras em forma de “cauda de andorinha” para a fixação dos pólos.

A roda polar possui ainda, na parte inferior, uma pista de frenagem, munida de uma

superfície de atrito formada por diversos segmentos, capaz de dissipar o calor desenvolvido

durante a frenagem.

Pólos

Um pólo é composto pelo núcleo, parte onde encaixa a bobina, e pela expansão polar, parte

mais larga com uma face ligeiramente arredondada do lado do entreferro. Normalmente é

construído em chapas de pequena espessura, cortadas em prensa, empilhadas e apertadas por

meio de pernos, entre cabeças em aço forjado.

Uma bobina é constituída por uma série de espiras enroladas helicoidalmente e

convenientemente isoladas entre si por uma ou mais camadas de papel isolante muito fino

polimerizável a quente.

Hoje em dia já se fabricam espiras com elementos rectangulares brasados a prata nas

extremidades, com a vantagem da secção ser perfeitamente regular.



Devido ao tratamento térmico e à qualidade do papel, a bobina isolada constitui um

conjunto totalmente rígido.

O isolamento da bobina à massa é assegurado por colares isolantes, situados nos extremos

da bobina, e por acessórios isolantes de travamento, que se posicionam entre o núcleo e a

bobina. Por vezes o próprio núcleo é encamisado por uma bandagem ou cilindro isolante.

Para a fixação da bobina ao núcleo podem ainda ser utilizados colares de ferro.

Os pólos são solidamente fixados à jante rotórica por meio de chavetas e contra chavetas.

Para aproximar a forma das f.e.m. desenvolvidas no enrolamento estatórico de uma

sinusóide, a expansão polar tem um raio tal que, o entreferro das pontas polares é 1,5 a 2 vezes

maior que o entreferro no meio do pólo.

Os alternadores de pólos salientes comportam muitas vezes um enrolamento amortecedor,

para amortecer as oscilações do rotor devidas aos fenómenos transitórios e facilitar os regimes

de funcionamento assimétricos devido ao desequilíbrio de carga.

O enrolamento amortecedor é constituído por tirantes em cobre que atravessam axialmente

expansões polares que são soldados nos topos a um anel também em cobre formando uma

espécie de gaiola. Os anéis de pólos diferentes são geralmente interligados em toda a periferia

do rotor, quer em cima quer em baixo, constituindo-se assim um enrolamento amortecedor

fechado. Caso isso não se verifique o enrolamento denomina-se aberto.

O mesmo objectivo é conseguido em algumas máquinas com pólos maciços.

Os pólos são solidamente fixados à jante rotórica por uma ou mais “caudas de andorinha”

apertadas por chavetas e contra chavetas.

Enrolamento rotórico

O enrolamento rotórico é constituído pelo conjunto das bobinas polares, que se encontram

todas electricamente ligadas em série. Apesar das bobinas serem quase todas iguais, as ligações

interpolares estabelecem-se de forma a conseguir-se sempre que a um pólo norte suceda um

pólo sul.

A ligação da excitação, ou barramento de excitação, é fixado por meio de acessórios

isolantes por cima da jante e da cruzeta até ao veio e, geralmente, passa depois pelo interior do

veio para a ligação aos anéis colectores.

Entre os pólos montados utilizam-se normalmente uma ou mais cunhas interpolares. A

função destas cunhas é essencialmente a de impedir a deformação tangencial, permitindo a

dilatação radial das bobinas pelo calor desenvolvido pela corrente de excitação.



Anéis colectores

Na parte superior do veio do alternador dos grupos verticais encontram-se os dois anéis

colectores em aço forjado. Estes anéis encontram-se totalmente isolados entre si e do tambor de

fixação ao veio.

Na superfície exterior dos anéis deslizam as escovas de carvão colocadas no porta-escovas,

estabelecendo-se desta forma a ligação da corrente contínua proveniente do disjuntor de campo.

Tabela 24- Características técnicas do rotor


Número de pólos do rotor 14

Diâmetros exterior do rotor (mm) 3650

Classe de isolamento do rotor F

3.2.21 Excitação e regulação de tensão

O sistema de excitação, presente na figura 28, irá ser descrito posteriormente no capítulo 6,

dado que se trata do tema central da dissertação.

Figura 28- Sistema de excitação estático



3.2.22 Refrigeração

A partir do projecto de construção do alternador, incluindo o cálculo eléctrico das

perdas, conhecem-se as quantidades de energia calorífica a dissipar e por conseguinte

determina-se a potência de refrigeração necessária para as condições mais desfavoráveis de

aquecimento. É necessário que o valor da temperatura não ultrapasse os parâmetros

previamente estabelecidos e que esteja de acordo com as performances dos materiais, pois

poder-se-ia pôr em perigo a duração da máquina, ou porventura, a sua destruição.

Os alternadores estão dotados de um sistema de ventilação, descrito na tabela 25, que

pode ser conseguido por dois ventiladores situados de ambos os lados da roda polar,

constituídos normalmente por segmentos com alhetas em aço fixadas sobre a jante rotórica.

Pelo movimento do rotor e acção dos ventiladores dão-se diferenças de pressão no interior da

máquina que provocam correntes de circulação dependentes da forma do circuito de

refrigeração.

Segundo a direcção do ar que banha as peças aquecidas da máquina, distingue-se o

sistema de ventilação radial e axial.

A ventilação pode ser realizada em circuito fechado ou circuito aberto; no primeiro caso, o

mesmo volume de ar realiza repetidamente o mesmo ciclo, enquanto no segundo, o ar de

arrefecimento é renovado.

Nas máquinas hidráulicas de grande potência, o sistema mais usado é o de ventilação

radial em circuito fechado. O ar é aspirado pela parte superior e inferior do alternador, passa

pelos canais da máquina onde é aquecido, atravessa os refrigeradores que se encontram

distribuídos na periferia da carcaça e é arrefecido, para entrar novamente na máquina.

Os refrigeradores são alimentados por um circuito aberto de água fria filtrada, de grande

caudal.



Tabela 25- Características técnicas da refrigeração


Caudal de água de refrigeração (l/s) 46,8

Pressão da água de refrigeração (bar) ≈4

Número de refrigeradores (por grupo) 6x2

Material de base dos refrigeradores Aço/latão (tubos alhetados)

Tipo de ventilação Forçada em circuito fechado

3.2.23 Chumaceiras

No alternador existem duas chumaceiras que são denominadas por chumaceiras guia

inferior e superior, apresentadas na tabela 26. Conforme o nome indica, encontram-se

localizadas na parte inferior e superior do veio do rotor respectivamente. A sua função é a de

manter a verticalidade do veio do rotor. Elas são constituídas essencialmente por uma cuba de

óleo e por um casquilho revestido a metal anti-fricção, sendo esse óleo refrigerado através de

uma serpentina com água, pela qual é feita a permutação do calor causado pela fricção entre as

partes estáticas (chumaceira) e móveis (veio).

Tabela 26- Características técnicas das chumaceiras


Tipo de chumaceira Casquilho bipartido

Material base da chumaceira Aço (com metal anti-fricção)

Diâmetro nominal da chumaceira guia superior (mm) 500,45

Diâmetro nominal da chumaceira guia inferior (mm) 630,50



3.2.24 Frenagem

O funcionamento prolongado do grupo em baixa velocidade de rotação pode provocar a

ruptura da película de óleo da chumaceira de impulso, sujeitando esta ao perigo de gripagem.

Para evitar esta situação, na paragem dos grupos, quando a velocidade chega a cerca de

30% do valor nominal, actua o sistema de frenagem. Este é composto por um conjunto de

macacos hidráulicos, descritos na tabela 27, que por acção de ar comprimido, fazem com que

os seus calços em ferôdo, empurrados pelos seus êmbolos, provoquem atrito sobre os

segmentos da pista de frenagem montados na jante rotórica.

Os macacos hidráulicos podem ainda efectuar o levantamento e suspensão de algumas

dezenas de mm do rotor, para acções de manutenção. Para o efeito, os macacos estão providos

de uma outra câmara para funcionar sob pressão de óleo.

A frenagem é comandada automaticamente por relés durante a paragem, ou, manualmente

através da frenagem de emergência.

A instalação dispõe de protecção destinada a impedir o arranque do grupo, no caso a

frenagem estar aplicada.

Tabela 27- Características técnicas da frenagem


Pressão de frenagem (bar) 20 (frenagem a óleo)

Número de macacos 3

3.2.25 Subestação

Para realizar o transporte da energia produzida por uma central para os sistemas e

linhas diversos é necessário modificar os níveis de tensão e corrente através de uma subestação

de transformação, representada na figura 29 e descrita na tabela 28.



Figura 29- Subestação

Existem ainda outros tipos de subestações, tais como, subestação de distribuição ou de

seccionamento de energia por regiões de consumo e subestações que permitem a interligação

de centrais.

A subestação que existe na central de Caniçada é de transformação e interligação. Está

instalada ao ar livre e, através dos transformadores que recebem a energia dos alternadores,

elevam-se as tensões para os valores desejados, reduzindo assim o efeito Joule e

consequentemente as secções dos condutores e os custos de transporte.

𝑃 = 𝑅 × 𝐼2 (12)

Posteriormente, na fase de utilização, empregam-se outros transformadores para baixar as

tensões para os valores convenientes, obtendo desta forma um transporte económico da

energia. [7]

A ligação entre os alternadores (situados na caverna) e os transformadores (na subestação

exterior) está realizada em barramentos de cobre de perfil rectangular, instalados ao longo de

uma galeria vertical de 134 m de profundidade. Estas barras são interrompidas na proximidade



do transformador, onde foi instalado um disjuntor de alternador (de corte em SF6). Na

subestação exterior, anexa ao edifício de comando e composta por dois barramentos, estão

instaladas as linhas de entrada/saída e o ramo de conjugação dos barramentos.

A nível de aparelhagem é constituída pelos transformadores de potência (TP), os

transformadores de intensidade (TI), os transformadores de tensão (TT), toda a aparelhagem de

corte (disjuntores de corte em SF6), seccionamento (seccionadores) e equipamento de

protecção (pára-raios).

3.2.26 Transformadores de potência

Um transformador é uma máquina eléctrica estática que transforma os valores de

correntes e tensões alternadas, representado na figura 30. De facto, uma das maiores vantagens

da transmissão e distribuição em formas alternadas, é a facilidade com que uma tensão

alternada pode ser aumentada ou diminuída num transformador. As perdas nos transformadores

costumam ser geralmente baixas, o que torna a sua eficiência bastante alta. Têm também uma

durabilidade elevada e são bastante estáveis.

Figura 30- Transformador de potência



O princípio de funcionamento dos transformadores baseia-se nos fenómenos de indução

electromagnética que a passagem da corrente alternada que o alimenta provoca, em virtude de

atravessar uma bobina com um núcleo de permeabilidade magnética elevada, originando uma

força electromotriz E1 no primário e E2 no secundário, representada na figura 31, directamente

proporcional ao número de espiras dos respectivos enrolamentos, acoplados magneticamente,

obtendo assim a razão de transformação ou relação entre espiras: [7]

𝐸1 = 2𝜋

2 × 𝐵𝑚 × 𝑁1 × 𝑓 × 𝑆 (13)

𝐸2 = 2𝜋

2 × 𝐵𝑚 × 𝑁2 × 𝑓 × 𝑆 (14)

𝐸1

𝐸2=

𝑁1

𝑁2 = 𝑟 (15)

E1 e E2 = f.e.m induzidas;

Bm = indução máxima;

f = frequência;

S = secção do núcleo.

Segundo a lei de Faraday as tensões são dadas por:

𝑈1

𝑈2=

𝑁1

𝑁2 (16)

Segundo a lei de Ampere, obtem-se:

𝐼1 × 𝑁1 = 𝐼2 × 𝑁2 (17)



Bobina Primário

Bobina Secundário

Núcleo de FerroLinhas

Magnéticas

Figura 31- Representação esquemática transformador [7]

A energia eléctrica fornecida pelas centrais geradoras é produzida, distribuída e utilizada

principalmente em sistemas trifásicos.

Os enrolamentos, de cobre electrolítico, do primário e secundário do transformador

trifásico, estão ligados no modo triângulo – estrela (Dy).

Ligação Tensão da linha Corrente da linha Potência (VA)

Y (Estrela) VL = VF * √3 IL = IF S = 3 * VF * IF

∆ (Triângulo) VL = VF IL = IF * √3 S = √3 * VL * IL

Para transformar as características de tensão e intensidade de corrente dum sistema

trifásico utilizamos um transformador trifásico. Esta é responsável por elevar a tensão de

produção do grupo de 10 kV para 150 kV, sendo do tipo em banho de óleo para montagem

exterior, com refrigeração por circulação forçada, através de radiadores tubulares arrefecidos por

ventiladores.



Tabela 28- Características técnicas do transformador de potência


Fabricante SIEMENS S.A. – FM

Potência nominal 35 MVA

Tensão de AT estipulada 158 kV

Tensão de BT estipulada 10,25 kV

Razão de transformação 10,25 / 158 kV

Símbolo de ligações YNd5

Tipo de transformador Trifásico de colunas

Montagem Exterior

3.2.27 Transformadores de medida

Nas instalações AT/MT não é possível ligar um circuito AT directamente à aparelhagem

de medida, contagem e protecção, devido aos elevados valores de tensão e intensidade.

Os transformadores de medida são portanto, aparelhos utilizados para efectuarem a

separação da alta tensão dos circuitos e aparelhagem de medida, protecção, e contagem e, por

outro lado, reduzirem as grandezas a medir para valores convenientes e uniformizados,

compatíveis com os aparelhos de medida ou protecções existentes.

Assim, havendo necessidade de medir e utilizar correntes, ter-se-á de recorrer a

transformadores de intensidade, representado na figura 32, com o lado primário em série nos

respectivos circuitos, enquanto que o seu secundário, fechado sobre a aparelhagem de medida e

isolado do primário, dará uma relação da corrente que passa nesse circuito num dado momento.



Figura 32- Transformador de intensidade

De igual forma, para medir a tensão entre dois pontos desses circuitos AT, recorre-se a um

transformador de tensão, representado na figura 33, com o seu enrolamento primário ligado

entre esses pontos, enquanto que o seu secundário indicará a relação do valor, ou fracção, da

tensão aplicada ao primário.



Figura 33- Transformador de medida de tensão

As potências aparentes de consumo da aparelhagem e respectivos circuitos, ligados aos

secundários dos transformadores de intensidade e tensão, designam-se por carga secundária, e

o seu valor vem especificado em VA.

Em termos de condições eléctricas de funcionamento, o transformador de intensidade

trabalha quase em regime de curto-circuito, e o transformador de tensão, praticamente em

regime vazio.

3.2.28 Seccionadores

Os seccionadores, representados na figura 34, são dispositivos sem poder de corte,

utilizados para fechar ou abrir de uma forma bem visível um circuito, quando não percorrido por



uma corrente eléctrica, e o seu principal objectivo é isolar um conjunto de aparelhos ou uma

secção de uma linha.

Figura 34- Seccionadores

Os seccionadores devem ter um poder de isolamento suficiente, para isso montam-se

geralmente sobre isoladores de apoio adequados à tensão de serviço. Os seus contactos devem

estar construídos de tal modo a que a parte móvel (faca) tenha tendência a abrir com a força

gravítica.

3.2.29 Disjuntores

Os disjuntores, apresentados na figura 35, são dispositivos com poder de corte. Na

interrupção da energia eléctrica gera-se, quase sempre, um arco eléctrico, que varia consoante a

potência, provocando um desgaste da zona onde se efectua o contacto.

Para extinguir o arco eléctrico existem vários processos baseados na rapidez de manobra e

em dispositivos que asseguram a desionização do trajecto do arco. Para esse efeito a

subestação é equipada com disjuntores de hexafluoreto de enxofre (SF6), que se trata de um gás

com propriedades únicas no que diz respeito a isolar e extinguir o arco. O SF6 é um gás não



inflamável, incolor, não nocivo, que contém uma estrutura molecular simétrica. Por se encontrar

num sistema isolado é também isento de qualquer humidade. As propriedades isolantes do SF6

variam relativamente com a pressão exercida, sendo consideravelmente superiores aos meios

isolantes tradicionalmente mais utilizados (óleo mineral e o ar comprimido). [8]

No caso particular de Caniçada os disjuntores de SF6 são de pressão única, encontrando-se

o gás num sistema selado com pressão única de 5,2 bar. O diferencial de pressão,

imprescindível em meios gasosos para formar um fluxo de gás sobre o arco, é alcançado

formando-se uma sobrepressão transitória durante a operação de abertura dos contactos.

Podem ser manobrados por ordem manual ou automaticamente, através de relés de protecção.

Figura 35- Disjuntores



3.2.30 Equipamento electromecânico auxiliar

3.2.30.1 Refrigeração

A instalação de refrigeração das chumaceiras, alternadores e reservatórios de óleo sob

pressão é alimentada pela conduta hidráulica de adução, com interposição dum reservatório de

51,9 m3 adjacente ao poço à cota 87,3 m, representado na figura 36 e descrito na tabela 29. O

reservatório dispõe de uma tubagem de alimentação proveniente, a montante, da válvula esférica

de um grupo. Existe no entanto um circuito redundante de alimentação, ligado directamente à

conduta hidráulica de adução, que integra uma válvula redutora de pressão, estabelecendo desta

forma o caudal de água necessário aos grupos através do controlo da pressão no circuito

colector.

Figura 36- Sistema de refrigeração

O retorno da água faz-se por gravidade, através de um colector comum aos dois grupos ao

longo do poço e da galeria de ventilação da câmara de equilíbrio, na qual é lançada.



Tabela 29- Características técnicas da refrigeração do equipamento auxiliar


Caudal de água de refrigeração total ≈ 63 l/s (1300 l/s por grupo)

Pressão da água de refrigeração ≈ 4 bar

3.2.30.2 Grupo Diesel

É um grupo gerador de motor a diesel, como se pode verificar na figura 37, de 344 kVA,

com sistema de controlo, utilizado como recurso para alimentação dos serviços essenciais.

Figura 37- Grupo diesel

A falha de corrente alternada no barramento dos serviços auxiliares não essenciais, de 0,4

kV durante cerca de 8 segundos, provoca a abertura dos disjuntores de acoplamento (a1 e a2)

do edifício e caverna. O grupo Diesel entra em funcionamento, fechando o disjuntor (a5),

alimentando assim os serviços auxiliares essenciais, representado na figura 38.



Serv. Aux. não essenciais

Edificio

GS

3 334kVA

Diesel

a2

a5

Serv. Aux. Essenciais

Edificio


Caverna

Serv. Aux. essenciais

Caverna

a1

250A

400A

350A200A

X

0.4KVX

X

Figura 38- Representação esquemática do funcionamento do grupo diesel

Com o restabelecimento de corrente alternada ao barramento dos serviços auxiliares não

essenciais, o disjuntor (a5) abre, e fecham-se os disjuntores de acoplamento (a1 e a2).

3.2.30.3 Serviços Auxiliares

Na central de Caniçada, que integra o edifício e a caverna, existe um barramento para os

serviços auxiliares de 0,4 kV, subdividido em dois barramentos, classificados de essenciais e não

essenciais, estando acoplados por um disjuntor, designado por disjuntor de acoplamento,

representado na figura 39. A alimentação normal dos serviços auxiliares de corrente alternada

(SACA) é possível a partir das derivações do barramento de produção (a 10,25 kV), conjugado

por dois transformadores de 800 kVA, 10/0,4 kV, que funcionam em complementaridade de

tensões, ou de uma linha exterior (do distribuidor público de energia, a 15 kV) intermediada por

dois transformadores de 630 kVA, 15/0,4 kV.

Como recurso, existe um grupo gerador de motor a diesel, de 344 kVA, que fornece uma

ordem de abertura aos disjuntores de acoplamento para alimentação dos serviços essenciais.

A rede geral de corrente contínua da central é alimentada a partir de uma bateria alcalina

de 220 VDC, montada em regime flutuante, com dois carregadores em hot stand-by, sendo o

controlo destes efectuado por um autómato SAIA.



Nesta central, ao nível das alimentações em DC dos automatismos (24V), já se encontra

efectuada a separação de fontes de alimentação por grupos geradores e gerais, sendo o controlo

de cada um dos sistemas efectuado por um autómato SAIA.

Gr134MVA

15KV

10.25KV

TR3

10.25/0.4KV

800KVA

TR5

15/0.4KV

630kVA


Edificio

TR6

15/0.4KV

630kVA

GS

3 334kVA

Diesel

10.25KV

Gr2

TR2

32MVATR1

32MVA

34MVA

DA21

D3 D4

D40D30

D20D10

a2

a5

D5 D6

D60D50

Serv. Aux. Essenciais

Edificio

TR4

10.25/0.4KV

800KVA

D1 D2

10.25KV

DA11


Caverna

Serv. Aux. essenciais

Caverna

ST11 ST21

a1

X

250A

400A

350A200A

X

X

I II III IV

V VI

150KV

Programas

0.4KV

Figura 39- Barramento serviços auxiliares

Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos


Capítulo 4

4-Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos

Neste capítulo iremos dar ênfase às diferentes tipologias dos sistemas de excitação dos

alternadores, que não passa de uma pesquisa sobre o estado da arte das diferentes abordagens.

Um exemplo de um sistema de excitação largamente utilizado na década de sessenta era

constituído por uma excitatriz, que na maioria dos casos era um gerador de corrente contínua

montado no eixo do gerador. Uma parte integrante do sistema, também ela muito importante, é

o regulador de tensão, que nesse sistema estava encarregue a um operador.

Presentemente, o regulador de tensão observa a tensão de saída do gerador e, caso se

justifique, inicia a correcção da tensão gerada e da potência reactiva através da variação do

controlo da excitatriz, sendo que, a velocidade de acção do regulador é um ponto importante e

crucial na estabilidade do sistema de potência. Por último, mas não menos importante, existe o

bloco designado por ” Controlos Auxiliares” que inclui variadas funções, tais como, adição de

amortecimento ao sistema de controlo, estabelecimento de limites de sobre e sub-excitação,

compensação da componente reactiva da corrente, etc. [9]

A figura 40 mostra o diagrama de blocos de um sistema de excitação típico.

Gerador

Tensão e Corrente de Saída

Regulador de

TensãoExcitatriz

Controlos

AuxiliaresFonte de

Energia p /

Excitatriz

Binário da

Turbina

Figura 40- Sistema de excitação básico [9]

Na actualidade, a preocupação com a rapidez, a manutenção e a rentabilidade económica

levou à adopção de novos sistemas, deixando de parte os sistemas clássicos.



4.1 Configurações típicas de sistemas de excitação

A classificação dos diversos tipos de sistema de excitação considera a existência de três

grupos fundamentais: o sistema de excitação rotativo DC, o sistema de excitação rotativo AC e o

sistema de excitação estático.

4.1.1 Sistema de excitação rotativo DC

O sistema de excitação rotativo DC da figura 41 baseia-se no sistema clássico, em que a

excitatriz principal consiste numa máquina eléctrica de corrente contínua funcionando como

gerador (dínamo). Através dos colectores, do circuito de controlo e anéis, fornece-se a corrente

contínua para o rotor da máquina. Este tipo de excitatriz poderá ser accionado por um motor ou

pelo eixo gerador síncrono. [9]

Motor Série

+

-

Excitatriz Principal

Excitatriz Piloto

Máq.Sínc.

Figura 41- Sistema de excitação rotativo DC [10]



O regulador de tensão do sistema detecta o nível de tensão, compara-o com uma referência

e, se necessário, actua na excitatriz por meio de um reóstato para efectuar o controlo da

excitação da máquina principal. Com o aperfeiçoamento dos sistemas, em certos casos, a

excitatriz principal, ao invés de ser auto-excitada, passou a ser alimentada por uma excitatriz

piloto (excitatriz auxiliar), relativamente mais pequena que a excitatriz principal. Ambas são

acopladas ao veio do alternador (no lado oposto à turbina), evitando-se assim o uso de qualquer

fonte de alimentação externa. Desta forma, o controlo de campo da excitatriz passou a ser

independente da sua tensão de saída, conseguindo-se assim diminuir o tempo de resposta do

sistema. [9]

Com o incremento da potência nominal das máquinas síncronas o uso do sistema de

excitação de corrente contínua começou a mostrar algumas desvantagens, tais como:

o Elevadas correntes de excitação com uma baixa tensão, necessitando de

diversas escovas, o que se traduzia numa elevada manutenção;

o Problemas inerentes ao comutador, libertando este arcos eléctricos durante

abruptas variações de carga;

o Contrariedades no acoplamento de enormes maquinas DC ao eixo do gerador,

que podem rodar a velocidades elevadas como no caso dos turbo geradores.

Como tal tornou-se necessário colmatar estas dificuldades, intensificando-se assim o estudo

de um sistema de excitação usando uma excitatriz de corrente alternada e rectificadores.

4.1.2 Sistema de excitação rotativo AC

No sistema de excitação AC a corrente é produzida por um gerador de corrente alternada

(excitatriz principal), sendo a corrente alternada posteriormente transformada em corrente

contínua para alimentar o campo do gerador (campo indutor) através de rectificadores de

potência, que podem ser controlados ou não controlados. Caso sejam rectificadores não

controlados, o controlo do sistema é efectuado a partir de uma ou mais bobines de campo da

excitatriz AC.

O gerador de corrente alternada encontra-se normalmente acoplado no mesmo eixo que o

gerador principal.

Dependendo da combinação dos rectificadores, do método utilizado para o controlo da

saída da excitatriz e da fonte de excitação utilizada, pode-se catalogar os sistemas de excitação



AC em dois tipos básicos: o sistema de excitação AC com rectificação estática, onde os díodos

não se encontram acoplados ao eixo do rotor, e o sistema de excitação AC com rectificação

rotativa, onde os díodos rodam com a mesma velocidade do rotor (Brushless). [10]

Caso se trate de um rectificador estático, como se pode verificar na figura 42, a

alimentação provém do gerador de corrente alternada (excitatriz), sendo posteriormente

rectificada através de uma ponte de tiristores estática que controla a excitação da excitatriz

principal, fornecendo assim a corrente contínua para o campo do gerador principal através de

escovas e anéis colectores.

T .P .

Estágio de Accionamento do Reg . Auton . de

Tensão

Controlo Manual de Excitação

Circuito de Disparo dos

Tiristores

Gerador a ímanpermanente

Excitatriz piloto

Ponte Rectif .a Tiristores

Excitatriz Principal

Rectificador de excitação

Gerador

Rectificador

Figura 42- Sistema de excitação rotativo AC com rectificador estático [9]

O sistema de rectificação estática está em desuso, embora elimine o colector e escovas

associados à excitatriz de corrente contínua, ainda tem o inconveniente de conter os anéis

deslizantes do gerador, que também apresentam problemas de manutenção.

Como os sistemas de excitação a gerador de corrente contínua, ou com excitatrizes de

corrente alternada com rectificadores estáticos, necessitam de transferir a corrente de excitação

de um equipamento (excitatriz corrente contínua, rectificador) para o campo do gerador, através

de anéis colectores e escovas que se tornava uma desvantagem com o aumento nominal dos

geradores, tornou-se necessário encontrar uma alternativa para contrariar o problema.



Para solucionar o problema, projectou-se um sistema que eliminasse em definitivo os anéis

colectores e as escovas a eles associados (Brushless), presente na figura 43. Neste caso o

rectificador rotativo é colocado no eixo comum ao gerador principal juntamente com a excitatriz

de corrente alternada, com um circuito indutor estatórico e com um circuito induzido rotórico. O

controlo da tensão de saída do gerador mantém-se constante através de um regulador de

tensão. O regulador monitoriza a tensão de saída e alimenta o campo do excitador com a

corrente necessária para gerar tensão alternada, que, após ser rectificada pelo rectificador

rotativo, alimenta o campo gerador. [10]

AmplificaçãoControloManual

Regulador deTensão

Gerador a ímanPermanente

Eixo

ExcitatrizA. C .

Rectif .Rotativo Rotor

Gerador Sincrono

Estator

Estator

Figura 43- Sistema de excitação rotativo AC com rectificador rotativo (Brushless) [9]

Como principal desvantagem para o sistema residia o facto de as elevadas forças

centrífugas a que os rectificadores e respectivos dispositivos de protecção eram sujeitos.

Contudo, um outro inconveniente associado a esta tecnologia que teria de ser ultrapassado era a

capacidade das excitatrizes de corrente alternada fornecerem a mesma tensão, que as

excitatrizes de corrente contínua com uma constante de tempo baixa. Com o desenvolvimento da

tecnologia a semicondutores, alcançou-se a meta de fabricar rectificadores capazes de aguentar

os esforços rotacionais com uma constante de tempo reduzida, pois também foi possível a

utilização de frequências mais elevadas. [9]



4.1.3 Sistema de excitação estático

Num sistema de excitação estático, cujo diagrama de blocos se mostra na figura 44, a

corrente necessária para alimentar o campo indutor é proveniente da própria tensão gerada no

alternador. Através de um transformador de potência retira-se a energia necessária, do

barramento de produção, e que posteriormente será rectificada numa ponte de tiristores

electronicamente controlada e conduzida através de duas escovas, instaladas sobre anéis até ao

campo do alternador. Para dar inicio ao processo de excitação do campo (pré-excitação), o

sistema necessita de energia que provém da energia remanescente do entreferro do alternador e

também de baterias da central.

O regulador de tensão presente no sistema detecta o nível de tensão de saída do alternador

e alimenta o campo com corrente contínua, necessária para manter constante a tensão aos

terminais, para qualquer tipo de carga ou factor de potência.

Regulador de Tensão

Gerad .

Ponte Rectificadora a tiristores

Rotor Estator

TCTT

TP

Figura 44- Sistema de excitação estático

O sistema de excitação estático tem diversas vantagens em relação ao rotativo,

nomeadamente no que diz respeito a diminuição do tempo de resposta na regulação, pois actua

directamente no campo do alternador, reduzindo assim o comprimento total da unidade pois

deixam de ser necessárias as excitatrizes principal ou piloto, mas têm também um inconveniente

derivado ao fluxo de corrente ser controlado por impulsos dos tiristores, que introduzem

deformações na corrente, distorcendo assim a tensão gerada pelo alternador. [10]



4.2 Considerações para a escolha do sistema de excitação

A escolha mais apropriada depende do tipo de instalação alvo pois, existem diversas

aplicações para diversas utilizações.

Começando por analisar o sistema de excitação rotativo DC, cada vez menos em utilização

devido ao elevado número de paragens para manutenção e aos desgastes mecânicos,

principalmente nas escovas. É portanto um sistema que não se deve utilizar para qualquer nova

instalação, quer numa central hidroeléctrica, quer numa central térmica. Contudo, caso seja

necessário um aumento de potência em geradores que já contenham este sistema, pode ser

viável manter-se a excitação rotativa DC, trocando-se alguns componentes essenciais, como por

exemplo substituir o regulador de tensão por um micro processado com uma excitatriz estática

de pequena potência (excitatriz piloto) para alimentar o campo da excitatriz rotativa de corrente

contínua.

Um sistema mais eficaz é o sistema de excitação rotativo AC (Brushless), com aplicações

em geradores de alta rotação, nomeadamente em centrais térmicas. Já em relação às centrais

hidráulicas novas ou em aumento de potência, o sistema Brushless só se torna viável quando a

corrente de campo não é demasiado elevada. Isto acontece porque se pode inflacionar

demasiado o custo e também o peso do conjunto sistema de excitação e rotor. No entanto

contém inúmeras características favoráveis, tais como:

o Não necessita de escovas e anéis;

o Não injecta interferências geradas por mau contacto;

o Não introduz deformações na tensão da rede, a forma de onda é sinusoidal;

o Tem manutenção reduzida, precisando apenas de cuidados na lubrificação dos

rolamentos;

o Também permite facilmente o controlo manual.

Quanto ao sistema de excitação estático, este fornece e controla directamente a corrente de

enrolamento de campo através de um rectificador tiristorizado controlado por um Regulador

Automático de Tensão (AVR) micro processado ou analógico, sem necessidade de mecanismos

intermediários tais como excitatrizes de corrente contínua ou de corrente alternada existentes

nos sistemas rotativos. O sistema de excitação estático poderá ser aplicado em centrais

hidroeléctricas ou em centrais termoeléctricas, pois tem várias vantagens tais como:



o Possibilidade de reduzir o tempo de resposta de recuperação da tensão do

conjunto gerador e sistema de excitação, dado que não existe uma componente

(excitatriz Brushless) de atraso na malha de excitação;

o Permite a medição de temperatura no rotor através da variação da resistência

de campo, pois o sistema de excitação contém informações em tempo real da corrente e

também da tensão do rotor. Assim sendo, é possível supervisionar a resistência do

enrolamento do campo que é directamente proporcional à temperatura do rotor;

o Implementação da protecção de falha à terra do rotor, que apenas é possível

com o acesso do enrolamento do rotor, como acontece no sistema de excitação estática;

o Aumento da capacidade de controlo de oscilações (tensão e potência), através

da introdução de um sinal suplementar;

o Caso seja necessário proceder a manutenção, esta pode ser efectuada com a

máquina em funcionamento, no caso do sistema de excitação com redundância em

pontos críticos;

o Permite a modificação de parâmetros que influenciem a resposta do sistema

com o gerador em serviço, no caso de conter um regulador micro processado;

o Proporciona um incremento na facilidade de aquisição de dados para o sistema

de protecção e supervisão, como por exemplo, a detecção de falha à terra no sistema

indutor.

De todo os sistemas apresentados, a escolha assenta habitualmente em dois, sendo eles o

sistema de excitação rotativo AC com rectificadores rotativos (Brushless) e o sistema de

excitação estática. O primeiro, é mais indicado para turbo geradores de grande porte (centrais

térmicas e nucleares), devido a não necessitarem de uma resposta rápida destes sistemas, que

normalmente estão situados próximo dos centros de carga, e também devido à necessidade de

uma corrente de excitação elevada, dado o menor número de espiras no enrolamento de campo,

quando comparado com o gerador de pólos salientes, e da maior corrente de excitação em

função das reactâncias síncronas serem relativamente maiores. Em relação ao sistema de

excitação estático, pelo seu baixo custo monetário e bom desempenho, aparece praticamente

em todas as novas instalações. [10]

Descrição Esquemática do Funcionamento do Disjuntor de Excitação


Capítulo 5

5-Descrição Esquemática do Funcionamento do Disjuntor de Excitação

5.1 Fecho do disjuntor de excitação

Neste capítulo vão ser especificadas as circunstâncias necessárias para que o sistema de

excitação entre em funcionamento. É imprescindível que todas as condições necessárias ao

correcto funcionamento sejam executadas, nomeadamente a selecção do modo de regulação

(AVR ou FCR), e não menos importante, que, a velocidade do gerador se encontre a 90-95% da

velocidade nominal do mesmo. Verificados esses pontos, damos início ao fecho do disjuntor de

campo, que está representado na figura 45, responsável por permitir a passagem da corrente

contínua necessária para alimentar o campo do gerador (campo indutor), desencadeando todo o

processo de excitação.

+ 220 V + 220 V

- 220 V - 220 V

d6Aut

S1Manual

Secc . Terra Aberto

Disj . Alt. Inserido

K502

K04

K 01

K 02

RVR19

K602

Ordens de

Desligar

Velocidade > 90%

Grupo fora da rede

AVR 70 ON

Pos . Disj . Exc.Q01

Figura 45- Fecho do disjuntor de excitação

Se a ordem for efectuada pelo Autómato de Grupo (Secontic), o disjuntor d6 vai fechar,

excitando assim o relé K502, desde que as condições preliminares para o fecho estejam a ser

cumpridas, nomeadamente, o seccionador terra tem que se encontrar aberto e o disjuntor do



alternador inserido. A outra possibilidade para a excitação do K502 é através do operador, Sala

de Comando, operando no comutador S1.

Prosseguindo na analise observamos que o K502 irá excitar o K04, ligando desta forma a

excitação, desde que, novamente, todas as condições de operabilidade estejam em

conformidade, mais concretamente, a não existência de ordens para desligar disjuntor de

excitação (K01 e K02), a velocidade do grupo gerador superior a 90% da velocidade nominal e o

grupo estar fora da rede.

5.2 Abertura do disjuntor de excitação

Da mesma forma, quando solicitada a paragem, temos pré-definidos procedimentos que

teremos que respeitar, independentemente do modo de regulação. Antes que a velocidade desça

de 90% do valor nominal, é necessário proceder-se à abertura do disjuntor de excitação, e

consequente interrupção da corrente contínua.

A abertura do disjuntor de excitação pode ser efectuada através de quatro formas distintas,

como se pode verificar na figura 46. A primeira resulta da recolha de várias ordens disparo

provenientes de alguns órgãos de protecções da instalação, excitando assim o relé RDE. Outra

forma é através de uma ordem de abertura manual, desde que esteja ressalvado uma das duas

opções, ou a abertura do disjuntor de grupo (DG) ou então a abertura do disjuntor do alternador

(DA), sendo que a abertura de um dos disjuntores, significa que o grupo está fora da rede.

Também ocorre a abertura do disjuntor caso ocorra uma manobra falsa, mais

concretamente o fecho do seccionador terra do alternador ou a extracção do disjuntor do

alternador (DA). Uma última forma é a abertura ser efectuada pelo autómato de grupo, relé

(d19). Todas as ordens estudadas provocam a abertura do disjuntor de excitação, de uma forma

normal ou por uma abertura de recurso, excitando o relé K501.

Caso a excitação seja desligada normalmente, tem que ser cumprido o requisito do grupo

estar fora da rede, encontrando-se o relé K09 desexcitado, permitindo assim a excitação do relé

K01 e a consequente abertura do disjuntor da excitação. A abertura do disjuntor de excitação

ocorre automaticamente se caso a velocidade seja menor que 80% da velocidade nominal

(RV=R17), ou ocorra algum disparo das protecções internas (K21.1), ou nas protecções internas

(K01 e K03). Outra forma de alcançar o mesmo objectivo é através da abertura manual pelo

comutador na sala de comando (S25).



Se o disjuntor de excitação for aberto por uma situação de recurso, o relé (K501) vai ser

excitado e desde que o grupo esteja fora da rede e o relé correspondente desexcitado (K602), vai

provocar uma excitação no relé (K02), provocando a abertura do disjuntor de excitação. A

abertura do disjuntor de excitação ocorre também de uma forma automaticamente caso a

velocidade seja menor que 80% da velocidade nominal (RV=R17) ou ocorra algum disparo das

protecções internas (K21.1), ou nas protecções internas (K02 e K03).

RDE

Ordens de Disparo da Instalação

+ 220

- 220

+ 220

- 220

RDEDG

AbertoDA

Aberto

Sec .Terra

Fechado

DAExtraido

d 19Automatico

K 501AberturaRecurso

DEAbrir

Normal

+ 220

+ 220

+ 220

- 220 - 220

K 01 K 02

K 02

K 03

+ 220

K01

K03

K 602K 09

K 501 K 21.1RV

R 17

DEAbrir

K 21.1 RVR17

AVR 13OFF/ON

AVR 118Gr Rede

Protecções internas

Protecção

Velocidade < 80%

Velocidade < 80%

Protecção

AVR118Gr Rede

AVR 123 AVR 123

internasProtecções

Manual

Figura 46- Abertura do disjuntor de excitação


Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação


Capítulo 6

6-Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação

Neste capítulo vai ser abordada a organização do sistema de excitação estático, analisando

os seus elementos fundamentais.

As instalações de excitação para os diversos domínios das máquinas síncronas de pólos

salientes são hoje em dia realizadas na maior parte das vezes numa configuração estática. Para

este efeito, utilizamos órgãos de regulação a tiristores com montagens diferentes de alimentação

e regulação.

Os alternadores accionados por turbinas hidráulicas, que estão ligados a um vasto sistema

de distribuição, impõem que a tensão da roda polar passe da sua tensão máxima positiva ao

valor de tensão máxima negativa praticamente sem atraso. Para executarmos este requisito é

necessário um sistema estático equipado com um rectificador totalmente comandado, sendo a

dimensão da instalação determinada pelas características do alternador a alimentar, tendo

sempre em consideração as exigências da rede de distribuição.

O sistema de excitação estático do tipo FMTB 811 consiste no circuito principal ligado ao

enrolamento rotórico, comando e dispositivos de vigilância. Pode ser subdividido em partes

funcionais conforme se pode verificar na figura 47.

G

Regulador de Tensão

U

#

Figura 47- Representação esquemática sistema de excitação estático



6.1 Subdivisão do sistema de excitação

O sistema de excitação estático é subdividido basicamente em seis subsistemas:

1) Transformador de excitação

2) Pré-excitação

3) Conversor de tiristores

4) Desexcitação

5) Regulador de tensão

6) Controlo, protecção e medição

6.1.1 Transformador de excitação

O transformador de excitação encontra-se conectado ao barramento de produção do grupo

gerador, como se pode verificar na figura 48. Tem por função fornecer e adaptar a fonte de

tensão ao conversor de tiristores e isolar o barramento de produção do campo rotórico e do

enrolamento estatórico. A tensão secundária do transformador é predefinida de acordo com o

valor estipulado pela tensão de pico exigida pelo conversor de tiristores. Já a corrente prevista

para o transformador é determinada pela corrente de campo contínua máxima da máquina

síncrona.

A construção do transformador pode ser de dois tipos, em ambiente líquido isolante ou a

seco, dependendo das condições da instalação. No caso concreto, o transformador de excitação

é isolado com resina sintética reforçado a fibra de vidro. Ambos os enrolamentos (primário e

secundário), são de cobre electrolítico e revestidos em separado. O corpo do enrolamento tem o

formato de dois cilindros ocos inseridos dentro um do outro, com um canal de ventilação entre

os dois. [7]



Figura 48- Transformador de potência

Quanto à ligação, o transformador é do tipo Dy11 como se pode verificar na figura 49, com

uma razão de transformação 10250/291 V. Podem utilizar-se três transformadores monofásicos

com os núcleos magnéticos acoplados ou então, um transformador trifásico, como no caso

presente. A ligação é protegida por fusíveis para limitar a corrente de curto-circuito, mas também

poderia ser feita através de um relé de protecção de máximo de intensidade ligada a Ti`s no

circuito primário.

R

S

T

G

Figura 49- Transformador de excitação

Em algumas situações poderá não ser preciso um transformador de excitação, como por

exemplo nos seguintes casos:



A ponte rectificadora seja alimentada através de uma máquina eléctrica auxiliar trifásica

com a tensão de saída compatível com a tensão de excitação da máquina principal;

No caso concreto de uma excitação “brushless”, cuja energia para alimentar a ponte

rectificadora provém geralmente dos serviços auxiliares AC, DC ou baterias;

Em sistemas de excitação que contenham excitatrizes rotativas DC (principal mais

auxiliares). [10]

6.1.2 Pré-excitação

A grande maioria das máquinas síncronas tem uma baixa tensão remanescente, portanto,

no processo de arranque da máquina, deve-se criar uma corrente de excitação autónoma da

tensão do barramento de produção do alternador, durante alguns segundos suficientes para se

garantir o disparo do conversor de tiristores. [11]

A energia necessária para alimentar o arranque pode ser proveniente dos serviços auxiliares

AC, ou das baterias da central, podendo mesmo, dependendo das propriedades das fontes,

estas serem utilizadas em conjunto de uma forma redundante.

Caso se opte por utilizar as baterias da central como se verifica na figura 50, a sua conexão

deverá ser feita via resistências e díodo de bloqueio que limitam a corrente.

Figura 50- Baterias da central



O fecho do disjuntor de excitação ordena a entrada em serviço do contactor de pré-

excitação que permite a alimentação do circuito indutor, por intermédio da bateria, cuja acção é

limitada por contactos temporizados do relé, como se pode verificar na figura 51.

O valor da pré-excitação é cerca de 38 A durante 5 segundos.

A unidade de pré-excitação é automaticamente desligada após o tempo predefinido.

Quando se trata de máquinas de pequena ou média potência, é economicamente mais

vantajoso a corrente de excitação inicial ser obtida da indução remanescente, embora não seja

muito fiável, devido à possibilidade de em caso de uma não utilização prolongada, ou de uma

manutenção, se poder perder indução remanescente, sendo portanto necessário criar meios

para recuperar essa mesma indução.

Se estiver na presença de motores ou máquinas em que a alimentação do sistema de

excitação provenha de um circuito independente, o circuito de pré-excitação não é necessário.

+ -

V11

R17 R18 R19

R13 R14 R15

F21

F22

R16

R12

Figura 51- Pré-excitação

6.1.3 Conversor de Tiristores

Um conversor de tiristores é uma unidade operativa constituída por pontes de

semicondutores em número adequado, ligadas em paralelo e usadas para a conversão da

energia eléctrica, como se pode observar na figura 52. É responsável por realizar a conexão

entre uma fonte AC e uma carga DC, isto é, converte uma tensão AC em DC. Existem no entanto

várias vertentes de rectificação, e, de acordo com a conjugação, obtém-se diferentes ripples,

tensão média e eficiência na sua saída.



Os circuitos rectificadores podem ser divididos em dois grandes grupos, os de meia onda ou

uma via, e os de onda completa ou de duas vias. Vamos dar especial importância, aos

rectificadores de onda completa, devido à sua utilização no sistema de excitação. Os

rectificadores de onda completa, são a junção de dois rectificadores de meia-onda ligados em

série,em que um transporta a corrente até a carga, e ou outro faz o retorno para a entrada AC. A

designação onda completa deriva de que, em cada fase na entrada, a corrente tem dois

sentidos, com valor médio nulo, daí provém também a designação duas vias.

A ligação mais usada num conjunto de tiristores para a excitação de grandes máquinas

síncronas é a de 6 impulsos, 2 vias, totalmente controlada, isto é, o rectificador apenas contém

tiristores. Dessa forma, o valor médio da tensão na carga pode ser controlado de acordo com o

ângulo de disparo dos tiristores, desde um valor positivo até um valor negativo. Esse facto

caracteriza esses rectificadores como conversores bidireccionais, pois o fluxo de potência ora vai

no sentido da entrada para a carga, ora da carga para a rede. Uma montagem com este tipo de

ligação pode fornecer corrente contínua tanto com tensões positivas como negativas. [12]

Figura 52- Ponte de tiristores



Para um tiristor entrar em condução é requerido um impulso de disparo na entrada da gate.

Estes impulsos são injectados periodicamente aos tiristores situados na ponte de tiristores,

representada na figura 53.

Quando o fluxo da energia é dirigido do lado AC para o DC a ponte de tiristores opera como

rectificador. Quando o fluxo é dirigido na direcção oposta esta actua como inversor.

3. 2

3 .1

3.3

3.4

+

_

Figura 53- Esquema de uma ponte de tiristores

A característica estática de um conversor de tiristores de 6 impulsos, 2 vias de ligação é

dada pela relação: [13]

𝑈 = 𝑈𝑑𝑖𝑜 × (cos𝛼 − 0,5 × 𝑥𝑡 × 𝐼𝑑 𝐼𝑑𝑛 ) − 2 × 𝑈𝑡𝑕 (18)

𝑈𝑑𝑖𝑜 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝐷𝐶 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑠𝑒𝑚 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 1,35 × 𝑈𝐴𝐶 (19)

Sendo,

U= Tensão de saída DC do conversor de tiristores

UAC= Tensão de alimentação do conversor de tiristores



α = Ângulo de disparo dos impulsos

xt= Impedância de curto-circuito do transformador de excitação

Id= Corrente DC actual

Idn= Corrente DC nominal do transformador de excitação

Uth= Queda de tensão tiristor

6.1.3.1 Sistema de impulso de disparo

A tensão de saída da ponte de tiristores, assim como a corrente de excitação da máquina

síncrona, são reguladas através da alteração do ângulo de disparo dos tiristores. O tempo de

disparo de um tiristor é controlado através do regulador de tensão ou do regulador do campo de

corrente.

O objectivo do sistema de impulsos de disparo é o de gerar e aplicar os impulsos de disparo

na unidade de tiristores no instante correcto.

Por razões técnicas, a gama de controlo do conversor, isto é, a mais pequena e maior

mudança de fase é limitada. αmin= 10 º e αmax= 150º.

O objectivo do sistema de impulso de disparo, como ligação num sistema de controlo, é o

de converter o sinal de controlo em impulsos com uma determinada variação de fase, para que

a tensão de saída do conversor, representada na figura 54, seja proporcional ao sinal de controlo

proveniente do regulador de tensão.

Uma unidade de impulso de disparo pode ser dividida funcionalmente num gerador de

ângulo de disparo e num gerador de impulso de disparo. O gerador de ângulo de disparo define

o instante no período em que cada ramo de tiristor deverá começar a conduzir a corrente, o que

ocorre através da comparação do sinal DC com um sinal sinusoidal de fase adequada. [13]

Figura 54- Tensão de saída [14]



A tensão de saída, e assim, a corrente de saída de uma montagem de tiristores, pode ser

considerada como uma componente DC com um ripple. A componente DC e os harmónicos

dependem da mudança de fase do impulso de disparo.

Devido à larga indutância do enrolamento de campo da máquina síncrona os harmónicos

do campo de corrente são insignificantes em toda a faixa de operação do conversor.

No início, e durante as condições de falha de rede que causam baixa tensão, um dispositivo

auxiliar garante que o conversor de tiristores opera como um rectificador não controlado, isto é,

comporta-se como um díodo. Este apenas rectifica a tensão, não se conseguindo controlar o

ângulo de disparo do tiristor, devido à insuficiente tensão aos terminais.

Ponte de Tiristores

O tiristor é um dispositivo semicondutor com características biestáveis, que pode ser

alterado do estado OFF para o ON numa direcção. Este tem três ligações, ânodo, cátodo e gate.

Quando não existe um impulso na gate proveniente do regulador de tensão, o tiristor bloqueia o

fluxo de corrente em ambas as direcções, o tiristor encontra-se no estado OFF, com uma tensão

positiva no ânodo e negativa no cátodo, bloqueando assim a tensão. Se o tiristor for accionado

por um impulso na gate ele passa ao estado ON e a corrente percorre-o. A passagem da

corrente dá-se desde que a tensão seja positiva. Quando a corrente se anula o tiristor voltará ao

estado off, e bloqueia a passagem de corrente no sentido inverso do bloqueio.

Devido às perdas no tiristor este tem que ser montado num dissipador de calor para

melhorar o arrefecimento, como se pode verificar na figura 55. [15]

UA3 E

M

A5

Figura 55- Diagrama de blocos de um conversor de tiristores



-U ponte de tiristores

-A3 equipamento do impulso de disparo

-E unidade de arrefecimento, (ventilação)

-A5 unidade de supervisão

Fusíveis de alta velocidade

Os fusíveis de fusão rápida dos tiristores, com características adequadas de

corrente/tempo, são utilizados para proteger os tiristores durante um curto-circuito nos terminais

DC da montagem e para isolar um tiristor defeituoso, protegendo assim os outros tiristores das

elevadas correntes que podem surgir. Os fusíveis de alta velocidade não podem ser considerados

órgãos de protecção em caso de sobrecarga. [16]

Transformador de impulso de disparo

O objectivo do transformador do impulso de disparo é transmitir os impulsos de disparo da

unidade de impulso para o tiristor, assim como, isolar galvanicamente os circuitos de controlo

dos circuitos principais.

Circuito – RC

Os circuitos RC (snubbers), ligados em paralelo sobre o ânodo e o cátodo de cada tiristor,

fornecem uma protecção contra valores excessivos de (dv/dt) e sobretensões transitórias.

Este circuito contém uma dupla finalidade: [16]

Proteger o componente (tiristor) contra a sobretensão que aparece aos seus

terminais durante a passagem do estado condutor ao bloqueio, sob a acção da

eliminação rápida da corrente inversa;

Proteger o componente de possíveis variações bruscas da tensão aplicada por

uma fonte externa, que pode provocar disparos intempestivos ou a sua destruição.



Em ambos os casos o efeito do circuito R-C depende da indutância presente no circuito.

Quando o valor da indutância efectivamente presente no circuito for insuficiente, deve

acrescentar-se uma bobina (componente activo face ao circuito RC de protecção, saturando

para correntes elevadas quando o tiristor se encontra em condução), em série com o tiristor.

Unidade do ventilador

Os tiristores são arrefecidos através de um ventilador comandado através de um contactor e

protegido por um disjuntor de protecção ao motor.

O ar de arrefecimento é fornecido através das aberturas de ventilação do cubículo. As

aberturas de ventilação podem conter filtros de forma a prevenir a entrada de pó nos cubículos.

Equipamento de impulso de disparo

O equipamento de impulso de disparo consiste em:

o Um transformador de sincronização;

o Uma placa de circuito impresso para a geração de impulsos;

o Uma placa de circuito impresso para a amplificação de impulsos.

Transformador de sincronização

Este transformador realiza a transformação da tensão trifásica para hexafásica, através de

um transformador trifásico, onde os pontos médios dos enrolamentos secundários se encontram

ligados entre si. Cada enrolamento secundário fornece duas tensões em oposição de fase,

formando assim seis grandezas sinusoidais com o mesmo valor eficaz e desfasadas entre si 60º,

como se pode verificar na figura 56. Os sistemas hexafásicos aplicam-se no fornecimento dos

impulsos aos rectificadores (tiristores), com vantagem sobre os trifásicos pois a corrente obtida

terá menos ondulação. Tensões com a posição correcta de fase são assim obtidas para cada

tiristor na unidade geradora de impulso.



Figura 56- Tensões do transformador de sincronização

Placa de circuito impresso para a geração de impulsos

O sinal de controlo de entrada do regulador é comparado com a tensão das 6 fases do

transformador sincronizador e transformado em impulsos de disparo com uma mudança de fase

adequada no que diz respeito à tensão de alimentação.

A unidade é fornecida com “inputs” (entradas) para o início de impulso de disparo contínuo

para os tiristores, e bloqueamento dos impulsos de disparo para os tiristores.

Placa de circuito impresso para a amplificação de impulso

Com tiristores acima de uma determinada potência, como no caso presente, os impulsos

de disparo têm que ser amplificados, isto para garantir um seguro desencadeamento dos

tiristores. Esta amplificação é realizada pelo amplificador de impulsos de disparo, como se pode

verificar na figura 57.



6

6 3

6

4.1

4.2 4.3

Figura 57- Diagrama de blocos de impulso de disparo

6.1.3.2 Equipamento de supervisão

Um detector de nível (unidade de baixa tensão de disparo) detecta a tensão de fornecimento

das 3 fases. Numa fase inicial e durante uma falha de rede, condições em que a tensão se

encontra abaixo de um limite fixo, o gerador de impulsos de disparo não funcionará

devidamente.

O circuito de fornecimento de baixa tensão entra em acção e fornece impulsos de disparo

contínuos nos seis canais de saída. O nível operacional é definido para aproximadamente 20% do

nível de tensão nominal. Mudando a resistência fixada nos terminais permite outros níveis

operacionais.

Ruptura de fusíveis

A ruptura de fusíveis e outras falhas, que fazem com que o tiristor não conduza corrente,

são detectadas pela medição da amplitude dos harmónicos da corrente. A corrente é medida no

lado AC do conversor de tiristor.

Falha do ventilador

A falha no ventilador é detectada através da detecção de falta de pressão de ar fornecida

pelo ventilador ou de sobrecarga térmica no motor do ventilador.



6.1.4 Desexcitação

Medidas especiais têm que ser tomadas quando se interrompe a corrente DC e se

descarrega a energia armazenada do enrolamento de campo de uma máquina síncrona,

representado na figura 58, caso contrário, aparecerão tensões elevadas que poderão danificar o

equipamento de excitação e o enrolamento do rotor (indutor).

Tensões elevadas de campo poderão também surgir devido a falhas de correntes induzidas

no rotor pelas correntes existentes no estator. Estas falhas de corrente aparecem principalmente

quando existe uma falha externa na fonte de alimentação, por esta razão, torna-se necessária

uma protecção contra sobre tensões no circuito de campo.

TD

TSC

RD

E I

+

-

DC

Figura 58- Diagrama de blocos do equipamento da desexcitação

DC- disjuntor de campo

TD- tiristor de descarga

RD- resistência de descarga

TSC- tiristor sobre tensões de campo

EI- enrolamento indutor (campo)



6.1.4.1 Equipamento de desexcitação

A desexcitação é composta por um disjuntor de campo conectado ao circuito DC situado

entre a ponte de tiristores e o enrolamento indutor, e por um circuito de descarga que contém

um tiristor electronicamente controlado. Ao abrir o disjuntor, vai-se interromper a corrente de

excitação, e o tiristor vai receber um impulso de disparo para comutar a corrente do

enrolamento de campo, para o circuito de descarga, sendo toda a energia contida no

enrolamento de campo descarregada através do circuito de descarga.

Disjuntor de campo

O disjuntor de campo, representado na figura 59, é o componente mais vulnerável do

equipamento de desexcitação, pois quando se abre o circuito para interromper a tensão e a

corrente de excitação DC, provoca-se um grande desgaste no disjuntor dado que não existe

passagem por zero como na tensão AC.

Figura 59- Disjuntor de campo



O disjuntor de campo tem de ser capaz de abrir a corrente de campo máxima que possa

aparecer (IMax), à potência de recuperação máxima, que surge caso ocorra um curto-circuito

trifásico nos terminais do gerador quando está na carga máxima. [17]

𝑃𝑀𝑎𝑥 = 𝑈𝑀𝑎𝑥 × 𝐼𝑀𝑎𝑥 (20)

6.1.4.2 Tiristor de descarga constituição

Os tiristores utilizados são componentes standard e do mesmo tipo dos tiristores presentes

no rectificador de tiristores, como se pode verificar na figura 60. Devido às perdas, os tiristores

acima de uma determinada potência têm de ser montados juntamente com um dissipador para

melhorar o arrefecimento.

Figura 60- Tiristor de descarga



O tiristor é dimensionado para o valor máximo da corrente de campo que possa ocorrer

durante uma desexcitação (IMAX). A corrente decresce até zero durante o tempo de descarga tD. O

pico máximo de tensão do tiristor (UDRM e URRM) tem de ser pelo menos 2,5 vezes maior que o pico

nominal de tensão.

Unidade de disparo principal

Os impulsos para a unidade de disparo principal, representada na figura 61, são fornecidos

por um transformador de impulsos, um gerador de impulsos e, em alguns casos, um

amplificador.

O objectivo do transformador de impulsos é transmitir os impulsos do disparo para o tiristor

de descarga, e também isolar galvanicamente o circuito de controlo dos circuitos principais.

O circuito para o gerador de impulsos (DSTS 101) é o mesmo que gera os impulsos para o

rectificador de tiristores. Além das saídas para os seis tiristores presentes na ponte de tiristores

existe também uma saída para o tiristor de descarga. Esta saída é activada ligeiramente antes de

abrirem os contactos do disjuntor de campo para garantir que o campo não fique em circuito

aberto.

Para tiristores a partir de uma determinada potência, torna-se necessário amplificar os

impulsos provenientes do gerador de impulsos para o sistema de disparo do tiristor.

RD

TD

+

-

DC

Gerador de impulsos Amplificador

Transformador impulsos

Sinal de controlo

E I

Figura 61- Principio de geração de impulsos de disparo do circuito de descarga do tiristor



Unidade de disparo redundante

A unidade de disparo redundante, como se pode verificar na figura 62, opera a partir da

sobre tensão no enrolamento de campo, que ocorre quando a unidade de disparo normal

contém alguma irregularidade, provocando assim o corte da corrente por parte do disjuntor de

campo. A unidade de disparo redundante funciona também como protecção contra sobre tensão

de campo com polaridades negativas.

O nível de disparo será definido pela tensão de corte do BOD (díodo de corte). O BOD é um

semicondutor que pode ser equiparado com um tiristor sem a conexão da gate. Quando a

tensão sobre o BOD atinge a tensão de corte, muda o estado de off para on. A saída do BOD é

conectada com a gate do tiristor de descarga. A tensão do BOD tem de ser escolhida de forma a

proteger o circuito da máquina, bem como o tiristor de descarga, e deverá ser sempre superior à

tensão de pico fornecido pelo sistema de excitação de forma a evitar falsos disparos. [15]

RD

TD

+

-

DC

BOD

Transformador impulsos

Sinal de controlo

EI

Figura 62- Geração de impulsos de disparo do circuito de descarga do tiristor redundante

A energia necessária para os impulsos da unidade de disparo redundante é retirada do

próprio enrolamento de campo, deste modo o circuito de disparo redundante é uma unidade

segura que opera sem qualquer tipo de energia auxiliar.

6.1.4.3 Resistência de descarga

O circuito de descarga é equipado por uma resistência de descarga, representada na figura

63, conectada em série com o tiristor de descarga para uma rápida desexcitação do



enrolamento de campo. Torna-se imprescindível uma rápida desexcitação caso ocorra um curto-

circuito interno na máquina, prevenindo-se assim uma extensão dos estragos no enrolamento do

estator, ou caso exista uma diminuição rápida de carga reduzindo rapidamente as sobre tensões

no estator.

Figura 63- Resistência de descarga

As resistências de descarga são constituídas por carboneto-silício. Este material tem como

característica uma tensão/corrente não linear, assim como uma excelente capacidade de

absorção de energia, representada na figura 64. A característica não linear tem como vantagem

reduzir o tempo de descarga do enrolamento de campo para aproximadamente 5 vezes quando

comparado com uma resistência de descarga linear. [18]



I

U

Figura 64- Característica corrente/tensão

A curva característica de uma resistência de carboneto-silício é dada pela seguinte relação:

[18]

𝑈 = 𝐾 × 𝐼𝑎 (21)

Onde,

U = queda de tensão através da resistência

I = corrente que passa na resistência

K = constante de resistência, por determinar

a = exponencial resistência, para carboneto-silício tem o valor típico de 0,35-0,4

A constante K da resistência é determinada individualmente para cada caso, sendo

preferencialmente o mais alto possível por forma a diminuir o tempo de descarga do

enrolamento de campo. O seu valor máximo é definido também pelo disjuntor de campo ou pelo

enrolamento de campo.

A resistência tem que ser projectada para dissipar a energia contida no enrolamento de

campo no pior caso de uma desexcitação.



6.1.4.3 Protecção de sobre tensão de campo

O equipamento de excitação pode conter uma protecção contra sobre tensões de campo

(crowbar), incluído no sistema. O objectivo da protecção é prevenir tensões excessivas no

circuito de campo, que poderiam surgir no rectificador de tiristores caso ocorra algum problema

como uma sincronização incorrecta ou então uma perda de sincronismo.

Princípio de operação

A protecção de sobre tensão consiste num tiristor conectado em anti-paralelo com o tiristor

de descarga, e em série com a resistência de descarga. O tiristor dispara quando a unidade de

supervisão detecta que a tensão aos terminais do enrolamento de campo excede o nível de

protecção escolhido pelo sistema de disparo, descarregando toda a energia de campo na

resistência de descarga, protegendo assim o enrolamento de campo. A resistência limita a

corrente através da protecção, sendo esta dimensionada para que a queda de tensão não

exceda o nível de protecção, mesmo em caso de ocorrer uma corrente de campo induzida

máxima.

Unidade de disparo

O sistema de disparo da protecção de sobre tensão de campo é do mesmo tipo da unidade

de disparo redundante do tiristor de descarga, um circuito BOD.

Unidade de supervisão

A unidade de supervisão, apresentada na figura 65, detecta a tensão aos terminais da

resistência de descarga, que aparece quando existe um disparo no tiristor de sobre tensão de

campo, ou no caso de acontecer um curto-circuito na descarga.

A unidade de supervisão apenas detecta tensões com polaridade positiva, não sendo

sensível a tensões negativas. Sobre tensões de campo negativas aparecem no máximo meio



ciclo, e desaparecem através do fornecimento de tensão positiva pelo conversor de tiristores,

também poderá aparecer numa desexcitação normal embora não seja uma situação alarmante.

Acoplador Óptico

RD

TSC

+

-

DC

EISinal

Sobretensão campo

Figura 65- Unidade de supervisão de sobre tensão

O componente principal da unidade de supervisão é o acoplador óptico, usado para isolar

galvanicamente o circuito principal e os circuitos de controlo. Em sistemas de excitação estáticos

a saída do sinal do acoplador óptico é conectada ao AVR, para o retardamento de fase

temporário do conversor de tiristores.

6.1.5 Regulador de tensão

O regulador de tensão HPC480, faz parte da configuração do sistema de excitação e tem

por base o “Advant Controller” 110 (AC110), que se trata de uma estação de processos

programáveis incluída na família “Advant” ABB. A programação das aplicações do regulador é

feita em tempo real através do uso de blocos de funções das linguagens de programação da

“Advant” ABB. A programação é efectuada por microprocessadores, que executam as funções

de controlo necessárias ao sistema de excitação. [19]

O equipamento é montado num armário, sendo constituído basicamente por um

processador, memórias, comunicação e unidades de adaptação, como se pode verificar na

figura 66. O sistema de adaptação do computador para os sinais do processo consiste em sinais

de harmonização de informação e blocos terminais. O sistema digital de I/O é isolado por

acopladores ópticos ou contactos de relés livres de potencial. Os sistemas de I/O analógicos



incluem circuitos de harmonização de sinal e conversores A/D e D/A, provindo os sinais de

transdutores externos ao AC110. A selecção entre sinais de tensão e corrente é realizada por

parâmetros na lógica de aplicação juntamente com a gama de medida.

Figura 66- Regulador de tensão

O regulador de tensão, como se pode observar na figura 67, integra fundamentalmente na

sua constituição o modo de regulação (AVR ou FCR) e um conjunto de funções de limitação

(PSS, Lim. Subexc., Lim. Cor. Rotor, etc.), que iremos observar posteriormente com maior

detalhe. Posteriormente os sinais de saída do regulador de tensão irão ser aplicados na ponte de

tiristores.



Tensão linha Lim . cor. rotor Lim. subexc . PSSP.F. reg. Comp . temp . Comp . reactiva

Lim. V/ HzReg . var Comp . activa Lim . cor . est .

MMC

AVR

FCR

Seguidor

Calc . temp .

Gerador impulsos

Ampli . impulsos

G

HPC 480

Regulador de

Tensão

Transdutores

Prot . vig .

AlarmeInd .

Ordens

Ref .Ref.

Ref.

Us , Is , If

Figura 67- Função e estrutura do programa para excitação

A aplicação do programa é construída sobre um número de secções do mesmo, cujo

conteúdo da função tem diferentes prioridades. Às secções do programa para a regulação e

limitação, foram-lhes atribuídas as prioridades mais elevadas.

Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição


Capítulo 7

7-Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição

Neste capítulo vão ser descritas as diversas funções de protecção e controlo do regulador

de tensão, necessárias para o correcto funcionamento do sistema de excitação. Essas funções

devem ser adaptadas e coordenadas com outras medidas de controlo e protecção, já presentes

no sistema de potência, de forma a permitir uma manobra segura dos equipamentos dentro de

uma ampla gama de condições de operação. As funções de controlo não interferem no sinal de

saída da excitação dentro dos parâmetros normais de operação. Estas apenas actuam em

condições severas para a máquina, caso seja forçada a operar fora dos limites pré-definidos. A

actuação dos limitadores visa alterar o sinal de saída da excitação da máquina, alcançando um

ponto seguro de operação. É importante salientar que com o advento dos reguladores

microprocessados, providos de elevada flexibilidade, abre-se uma faixa ainda maior no que diz

respeito às possibilidades de emprego de novas filosofias de controlo e protecção. Nos pontos

seguintes estão apresentadas as funções de controlo, protecção e respectivas medidas do

sistema de excitação. Podemos verificar na figura 68 uma representação simplificada de uma

curva de capabilidade de um gerador síncrono. Os diversos limites, que formam a curva de

capabilidade, delimitam a região operativa do gerador.

Figura 68- Representação da curva de capabilidade do gerador síncrono [20]

AB – Limitação da corrente de campo;



BC, DE – Limitação da corrente do estator;

CD – Limitação pela máquina primária (turbina);

EF, FG – Limitação de sub-excitação.

7.1 Regulador automático de tensão (AVR)

O regulador de tensão integra módulos de controlo que recebem sinais analógicos e digitais

para serem processados, proporcionando um sinal de saída no valor desejado. Todo o algoritmo

e as demais funções do regulador são realizados pelo microprocessador.

A principal tarefa do regulador de tensão é manter a tensão de saída da máquina síncrona

constante, independentemente das condições de carga, em relação a um valor de referência.

Como tarefas secundárias o regulador de tensão é responsável por:

Proporcionar uma boa estabilidade em regime permanente;

Melhorar a estabilidade em regime transitória caso ocorram distúrbios na linha de

energia;

Distribuição da potência reactiva e activa na operação em paralelo de várias máquinas.

O algoritmo de controlo é efectuado por uma malha de regulação PI, sendo P a componente

proporcional que equivale à amplitude do sinal de controlo e I a componente integral que

compensa o erro em regime permanente, como se pode verificar na figura 69.

Devido á linguagem simples de programação, o algoritmo de controlo pode ser mudado

facilmente se for necessário, por exemplo para tipo PID, sendo D a componente diferencial que

responde rapidamente aos transitórios na tensão de saída do alternador. Esta componente é

utilizada em sistemas com excitatriz, processando-se através de um sinal de estabilização

proveniente da corrente de campo da excitatriz, cuja derivada do sinal de erro é adicionado

através de um derivador. [10]

A regulação deve ser realizada sem deixar que as correntes de campo e do estator

ultrapassem determinados valores limite mais do que um determinado tempo. Devido a estas

circunstâncias a função do regulador de tensão contém um seleccionador de “min/max” que

permite a activação do limitador de sobrecarga, prevenindo desta forma paragens dispendiosas

causadas pelo disparo do relé de protecção da máquina.



A função do regulador assegura uma elevada exactidão no estado estacionário durante toda

a acção integral.

Corrente de campo

+ P

I

D

+MIN

/MAX

AVR

&>

Adaptação Sinal

+ +P

IFCR

Sobre tensão campo

Retardamento faseAVR / FCR

Valor referência

Valor real

Valor referência

Figura 69- Diagrama simplificado da regulação da corrente de campo e da tensão

Na aplicação a regulação da corrente de campo foi integrada na função para regulação da

tensão, usando o mesmo integrador.

O sinal de erro, que indica a diferença entre o valor de referência e o valor real da tensão do

estator, é amplificado num amplificador proporcional. O sinal de erro amplificado é comparado

num selector de mínimo e máximo com sinais provenientes das funções de limitação. O sinal de

saída do selector é integrado.

O sinal de saída da função de regulação da tensão (AVR) é adaptado ao sistema de

excitação na função de adaptação de sinal e retardamento de fase. Quando se comuta para FCR

os parâmetros do integrador são alterados.

7.2 Regulador da corrente de campo (FCR)

A tarefa do regulador de corrente de campo é manter a corrente de campo da máquina

síncrona constante independentemente das mudanças de carga da máquina. A regulação da



corrente de campo é usada como um controlo manual da corrente de excitação, através da

actuação directa de um operador, durante por exemplo testes de gerador. Adicionalmente, serve

como “backup” para a regulação da tensão em falhas dos circuitos de medida da tensão do

estator. O diagrama simplificado que mostra o princípio do funcionamento do regulador é

mostrado na figura 69.

Para realizar a exigência de controlo manual é necessário um anel de controlo para

sistemas de excitação que retiram a alimentação aos terminais do gerador. A malha de

regulação é PI.

O sinal de erro, resultante da diferença entre o valor de referência e o valor real da corrente

de campo, é amplificado num amplificador proporcional. O sinal de saída do amplificador é

processado por um integrador, sendo posteriormente adaptado ao sistema de excitação na

função para adaptação do sinal e retardamento de fase. A regulação da corrente de campo foi

implementada na função para regulação da tensão e usa o mesmo integrador. [10]

7.3 Seguidores (Follow-up)

Quando co-existem dois ou mais modos de controlo, o sistema necessita de circuitos

denominados seguidores. Estes circuitos são utilizados para a comutação de um canal de

controlo para outro, sem quaisquer perturbações na grandeza controlada, garantindo que os dois

canais estão sempre no mesmo estado. As possibilidades de comutação existentes são a

comutação do regulador automático de tensão para o manual ou vice-versa, bem como do

regulador de tensão para o regulador de potência reactiva (ou de cos α) e vice-versa.

7.4 Adaptação do sinal analógico

A corrente, tensão do gerador, frequência, corrente de campo, etc., são conectadas a

transdutores externos ao AC110. Os sinais de saída dos transdutores estão conectados às

entradas analógicas do AC110 e o dimensionamento é efectuado no microprocessador, sendo

que, todos os valores são representados no sistema de unidade pu - sistema de unidades

arbitrário, que possibilita a comparação de grandezas de natureza idêntica, ajudando à sua

definição em termos de magnitude.



Saídas analógicas

Os sinais de controlo são manipulados por uma função de adaptação do sinal que tem

como tarefa adaptar o sinal de saída da regulação ao equipamento de impulso de disparo do

sistema de excitação. A função é também responsável pelas tarefas de limitação do sinal de

saída e retardamento de fase temporário na ocorrência de falhas.

O diagrama simplificado da figura 69 mostra o princípio de funcionamento.

Os sinais de saída provenientes das funções de regulação da corrente de campo e tensão

são seleccionados através de um interruptor. A adaptação de sinal é obtida através da selecção

de uma constante para uma amplificação proporcional. [21]

7.5 Regulação da potência reactiva ou regulação do factor de potência

A função da regulação da potência reactiva, ou regulação do factor de potência, consiste em

definir o valor referência para a função AVR, sendo esta definição feita de maneira relativamente

lenta. Quando seleccionada esta opção, a principal função do regulador de tensão, manter a

tensão constante aos terminais independentemente da variação da carga, não será mais

executada, assumindo a tensão os valores impostos pelas condições de operação da rede.

Aproveita-se assim uma das principais características da máquina síncrona, que é o de poder

regular a potência reactiva e o factor de potência. Um diagrama simplificado mostra o princípio

de funcionamento na figura 70.

Incrementar

-Decrementar

Valor referência

Valor real

Figura 70- Seguidor de tensão



7.5.1 Regulação da potência reactiva

Esta função é utilizada para manter constante a potência reactiva. A regulação da potência

reactiva é feita utilizando um controlador “tri-state”, que controla a função de rampa do AVR,

sendo activada quando o sinal de erro, que se trata da diferença entre o valor de referencia e o

valor real, é maior ou menor que o valor limite presente. Os sinais incrementar/decrementar

para a rampa cessam apenas quando o sinal de erro se encontra dentro do valor limite.

7.5.2 Controlo do factor de potência

A função é utilizada para manter o factor de potência constante. A regulação do factor de

potência é efectuada usando um controlador “tri-state”. O valor de referência para o controlo do

factor de potência é dado pela tan α. O valor da tan α é multiplicado pela potência activa (P),

obtendo uma potência reactiva Q = U I sen α, enviando assim um valor de referência para a

função controlo de potência reactiva. Desta forma obtém-se o controlo do factor de potência

através da variação da potência reactiva. A desconexão do controlo do factor de potência é

conseguida ordenando outro modo de regulação, por exemplo, regulação da tensão.

7.6 Compensação activa e reactiva

A compensação activa é utilizada para compensar as quedas de tensão resistivas das linhas

de transporte de energia causadas pela componente de corrente activa. Quando existe um

aumento da potência activa, é adicionado um sinal de compensação à referência da tensão,

conservando-se assim, dentro de certos limites, a tensão da linha constante.

Compensação reactiva

A função de compensação reactiva pode ser usada para três objectivos. Um dos objectivos

é o de compensar a tensão na transmissão, por exemplo, nos transformadores causadores da

componente reactiva, para isso é usada a compensação positiva. Quando existe um aumento da



potência reactiva, junta-se um sinal de compensação à referência da tensão, obtendo-se assim o

grau de compensação necessário.

A compensação negativa é usada para os restantes dois objectivos, um dos quais é

assegurar a repartição estável da potência reactiva entre geradores que trabalhem em paralelo.

O outro, é compensar as fortes mudanças da carga reactiva da máquina síncrona quando a

tensão da rede varia. Isto consegue-se diminuindo a referência da tensão, enquanto se aumenta

a componente reactiva da corrente. A compensação negativa que a máquina tem sobre a

correcção da tensão da linha é reduzida.

7.7 Limitação sub-excitação

A função da limitação instantânea é evitar a perda de sincronismo da máquina na

sub-excitação, garantindo que o sistema de excitação fornece uma corrente de excitação mínima

que assegure a região de estabilidade do gerador, isto é, uma diminuição da corrente de campo

traduz-se numa redução do binário nominal de sincronismo da máquina, cujo coeficiente de

potência na sincronização é dado por: [20]

𝐾 =𝐸𝑞×𝑉𝑡

𝑋𝑒𝑞× cos𝛿 =

𝑋𝑎𝑑 ×𝑖𝑓𝑑 ×𝑉𝑡

𝑋𝑒𝑞× cos𝛿 (22)

Onde,

Eq – tensão proporcional à corrente de campo;

Vt – tensão aos terminais;

Xeq – reactância equivalente a partir dos terminais da máquina;

𝛿 - ângulo de carga da máquina.

Numa eventualidade de surgirem altas tensões na rede, devido a grandes cargas

capacitivas, o limitador ao invés de a compensar diminuindo a excitação, provoca um rápido

aumento da corrente de excitação sem ter em consideração a tensão aos terminais do gerador,

até se obter a linha do limite de estabilidade. A actuação do limitador deverá evitar a actuação

do relé de perda de excitação. A função tem um significado especial nos turbo-geradores que



devido à sua concepção são particularmente sensíveis à perda de sincronismo e ao

sobreaquecimento dos terminais do estator.

Um diagrama de blocos simplificado demonstra o princípio da função é mostrado na figura

71.

&

+ PMIN MAX

I

+

-

LSE

AVR

Limitação sinal

IndicaçãoBloquearIp (1/r)

Iq (1/x)

Ip

Iq

Figura 71- Diagrama de blocos da limitação de sub-excitação

Quando o sinal de erro, que se trata da diferença entre o valor limite estabelecido e o valor

actual, se torna negativo, a função de limitação é desbloqueada através de um comparador. A

limitação actua via o selector máximo da função de regulação da tensão, que compara os sinais

de entrada e dá prioridade ao valor mais alto. Quando o sinal de erro se torna positivo, o sinal

para a regulação de tensão tem prioridade novamente. [22]

Na aplicação do programa, é possível escolher a função de limitador, o diagrama de

corrente,

𝐼𝑝 =𝑃

𝑈, 𝐼𝑞 = 𝑄/𝑈 (23)

ou o diagrama de admissão,

1 𝑟 = 𝑃 𝑈2 , 1/𝑥 = 𝑄/𝑈2 (24)



O diagrama de corrente é utilizado quando há necessidade de selectividade na medida da

corrente nas protecções de perda de excitação. O diagrama de admissão é usado para uma

melhor limitação, para evitar perda de sincronismo nas variações de tensão da linha.

7.8 Limitação V/HZ

Alterando a frequência da tensão de alimentação do alternador, a sua velocidade de rotação

pode ser alterada. No entanto, quando se reduz a frequência, a impedância do circuito eléctrico

também se reduz, resultando num valor de corrente mais alto exigido pelo motor e num valor de

fluxo também mais alto.

A tensão produzida por uma bobina é directamente proporcional ao fluxo e à frequência

como se verifica na equação: [20]

𝑉 = 4,44 × 𝑓 × 𝐾 × 𝑁 × 𝜑 (25)

Onde,

V – tensão aos terminais;

f – frequência;

K – factor de distribuição;

N – número de espiras;

𝜑 – fluxo.

Então, tem-se:

𝜑 = 𝑉 4,44 × 𝑓 × 𝐾 × 𝑁 (26)

A tarefa da função de limitação é reduzir a tensão do estator nas frequências baixas numa

razão de proporcionalidade para proteger a máquina e outros equipamentos contra a saturação

magnética (sobre fluxo). Um diagrama de blocos demonstra o princípio de funcionamento na

figura 72.



Tensão estator

Frequência

MIN

-

+ P

I

+

AVRMIN

/MAX

SR

IndicaçãoBloquear

(Umax )

U

f

Figura 72- Diagrama de blocos da limitação V/Hz

Quando o sinal de erro, resultante da relação da tensão de saída dividida pela frequência,

se torna positivo (sobrecarga), dois temporizadores são activados. Quando um dos circuitos de

tempo definidos for expirado, a função de limitação é desbloqueada. O limitador actua via um

selector mínimo. [22]

7.8.1 Cronometragem continua

Se ocorrer uma sobrecarga, um temporizador é activado. Este desbloqueia a função de

controlo quando o tempo de atraso definido for expirado. A condição para a função ser activada

é que a sobrecarga dure mais que o tempo de atraso admissível pré-definido. O tempo pré-

definido não deve exceder nenhum tempo de atraso de um relé de protecção.

7.8.2 Tempo acumulado

Numa condição de sobrecarga, uma função de contagem baseada num integrador é

activada. A sua função e velocidade de contagem são controladas pela dimensão e sinal de erro.

Através do uso de diferentes constantes de integração, incrementa-se ou decrementa-se, o



tempo de atraso para as acções pode ser adaptado para uma utilização máxima do gerador e

itens conectados.

A acção da função de limitação é controlada por um selector mínimo que compara os sinais

de entrada e dá prioridade ao valor mais baixo. Quando o sinal de erro se torna positivo é dada

novamente prioridade à regulação da tensão.

7.9 Limitação da corrente de campo

O limitador da corrente de campo, tem como finalidade proteger o gerador contra

sobreaquecimentos, resultantes de sobrecorrentes prolongadas no circuito indutor. Dependendo

da capacidade de sobrecarga admissível no enrolamento de campo, definida pelo fabricante, a

função de limitação, após certo tempo, actua no regulador de tensão de forma a reduzir a

corrente de campo para os valores nominais.

A função da limitação da corrente de campo é efectuada através de duas vertentes distintas

de limitação. A primeira, designada limitação instantânea previne a sobrecarga do conversor de

tiristores do equipamento de excitação, o qual tem uma constante de tempo térmica muito curta.

O conversor de tiristores é protegido através da limitação instantânea da corrente de saída. A

segunda, denominada limitação por atraso, tem como finalidade prevenir uma eventual

sobrecarga térmica no enrolamento de campo da máquina síncrona, e em parte, a de proteger o

conversor acima mencionado da sobrecarga térmica. A função de limitação contém funções

lógicas que previnem sobrecargas repetidas durante um certo tempo de ajuste (tempo de

recuperação). Um diagrama em bloco simplificado é mostrado na figura 73 com o princípio da

função de limitação de corrente de campo. [20]



Corrente campo

SR

-

->1

+ PMIN MAX

I

+

AVR

Valor referência limite

Selecção

Limit 1

Limit 2Limit 3

IndicaçãoBloquear

Figura 73- Diagrama de blocos da função de limitação da corrente de campo

7.9.1 Limitação instantânea

Quando no sinal de erro, a diferença entre o valor limite definido (limite1) e o valor real, se

torna negativo a função de regulação é desbloqueada via um comparador. O limitador actua via

um selector mínimo da função de regulação da tensão, que compara os sinais de entrada e dá

prioridade ao nível mais baixo. Quando o sinal de erro é positivo é dada novamente prioridade ao

sinal para a regulação da tensão. A função de limitação é bloqueada quando o valor para o sinal

de erro excede o limite presente. No entanto, a condição para o reset é que o tempo de

recuperação estipulado tenha expirado.

7.9.2 Limitação por atraso

Quando o sinal de erro, a diferença entre o valor limite definido (limite2/3) e o valor actual

da corrente de campo, se torna negativo, dois circuitos de tempo são activados, quando um dos

limites de tempo definidos expira, o valor limite mais baixo da função de limitação instantânea é

conectado e a função de regulação é desbloqueada. Dois princípios independentes de



cronometragem são incluídos. Uma vez que as funções se complementam uma à outra, o tempo

de atraso correcto pode ser obtido até mesmo durante sobrecargas temporárias.

7.9.3 Limite da corrente de campo dependente da temperatura

A compensação da temperatura é obtida através da adição de um sinal de corrente ao nível

limite para atrasos na limitação da corrente de campo. O sinal de corrente é proporcional às

mudanças de temperatura. O sinal de temperatura é obtido via um elemento térmico (PT100)

que detecta a temperatura do ar de arrefecimento. [22]

7.10 Limitação da corrente do estator

A tarefa da função de limitação de atraso é a de prevenir sobrecarga térmica no

enrolamento do estator. A função contém lógica que previne sobrecargas repetidas durante um

certo tempo ajustável (tempo de recuperação). O diagrama em bloco simplificado da figura 74

mostra o princípio da função.

O limitador de corrente do estator é regulado tendo em conta a sobrecarga contínua

admissível pelos circuitos do estator da máquina. O limitador actua através do AVR, já que a

infracção do limite de corrente da armadura não é um fenómeno que necessite de intervenção

imediata. Sendo a regulação efectuada através da geração ou absorção da potência reactiva pelo

gerador, que implica um aumento ou redução da tensão interna da máquina. [20]



SR

-

+ PMIN MAX

I

+

AVR

&

&

&

-

>

SCL

Bloquear

Bloquear

Bloquear

Limit 1Limit 2

6)

1)

2)

3)

4)

5)

ipiqIq<0

Iq<0-

Iq>0

Iq>0+

Figura 74- Diagrama de blocos da limitação de corrente do estator

1- Componente reactiva da corrente;

2 - Corrente estator;

3 - Sinal para componente da componente de corrente activa elevado;

4 – Indicação;

5 - Sinal de controlo;

6 - Corrente activa.

Quando o sinal de erro, que se trata da diferença entre o valor limite definido (limite1/2) e o

valor real da corrente do estator, se torna negativo, dois circuitos de tempo são activados.

Quando um dos presentes tempos expira, a função de limitação é desbloqueada. As condições

para a implementação da função, são que a tensão do estator deve ser superior a 80% da tensão

nominal e que a componente reactiva da corrente deve ser maior ou igual ao valor limite pré-

estabelecido. O limitador é activado via o selector de função máximo ou mínimo. [22]



7.11 Estabilização do sistema de potência (PSS)

Os estabilizadores introduzem amortecimento nas oscilações do sistema. Essas oscilações

electromecânicas do rotor podem ser atenuadas através do controlo da corrente de excitação. A

frequência com que um gerador oscila contra a rede é da ordem de 0,3 a 2,0 Hz. O

amortecimento electromecânico do gerador pode ser aumentado utilizando um método

conveniente para variar a corrente do rotor, através da adição de um sinal à frequência de

oscilação e uma mudança de fase apropriada (regulação do ângulo de disparo) à função de

regulação da tensão. O método de geração ABB utiliza a potência activa da máquina como um

sinal de entrada. Uma mudança de fase apropriada é obtida misturando dois sinais nas

proporções correctas. Um deles, o sinal de aceleração, é proporcional, e em fase com a

mudança da potência activa. O outro, o sinal de erro de velocidade, é obtido através da

integração com uma constante de tempo apropriada do sinal de aceleração. O método

pressupõe que o binário da turbina é constante na frequência da oscilação, o que é

normalmente o caso.

Sinais amortecidos baseados na aceleração e velocidade são processados num filtro de

passa banda de forma a obter a mudança de fase requerida numa certa frequência oscilatória.

A lógica para o bloqueamento temporário da função é activada pelo sinal para uma

mudança ordenada do binário da turbina. O PSS também é bloqueado quando existe um sinal

para abrir o disjuntor do gerador e quando existe uma baixa potência activa. [20]

7.12 Cálculo da temperatura do rotor

A função para calcular a temperatura do rotor tem como objectivo uma supervisão contínua

da temperatura do enrolamento de campo da máquina síncrona. A temperatura real no

enrolamento de campo é calculada usando as características de resistência/temperatura do

material condutor. Através da comparação da resistência real do enrolamento de campo com o

valor de resistência a uma temperatura conhecida, a temperatura do enrolamento de campo

pode ser calculada. A resistência do enrolamento de campo é obtida através do coeficiente da

tensão de campo/corrente de campo.



7.13 Medidas

Para facilitar testes e a entrada em serviço, o equipamento de excitação contém dois pontos

de medida protegidos por fusíveis. O objectivo é o de medir a tensão de excitação por shunt,

através de um transdutor que é um dispositivo que converte uma forma de energia noutra forma

de energia, mais concretamente recebe uma tensão e transforma-a numa corrente. O transdutor

varia entre 4-20mA, que corresponde a uma tensão de 0-300V.

7.14 Protecções

As protecções podem ser divididas em dois grupos distintos que se designam por:

protecções internas e protecções externas, no entanto apenas se dará ênfase às internas.

7.14.1 Protecções internas

O equipamento contém as seguintes protecções internas:

1) Protecção contra a sobrecarga no circuito do rotor;

2) Protecção contra falha de fornecimento de energia AC;

3) Protecção contra falha de condução de um tiristor medindo o “ripple”;

4) Protecção contra curto-circuito DC medindo o “ripple”;

5) Protecção contra falta de ventilação.

7.14.1.1 Protecção contra a sobrecarga no circuito do rotor

O circuito rotórico, compreendendo o transformador de excitação, o conversor de tiristores,

o disjuntor de campo e o enrolamento do gerador são protegidos contra sobrecargas por uma

constante de tempo atrasada da protecção de máxima corrente. Um pequeno sinal de

sobrecarga arranca a protecção.



7.14.1.2 Protecção contra falha de fornecimento de energia AC

Uma falha na tensão de alimentação, por exemplo uma interrupção numa fase, acarreta um

ripple na corrente com uma frequência cerca de duas vezes superior a frequência de

alimentação AC.

7.14.1.3 Protecção contra falha de condução de um tiristor medindo o “ripple”

Uma falha nos impulsos de disparo num ramo do conversor de tiristores gera um ripple na

corrente com a mesma frequência que a frequência de alimentação AC. Esta corrente é medida

com Ti`s no lado AC do rectificador de tiristores, e será detectada através de uma protecção

sensível a baixas frequências.

A protecção inicia uma mudança para o conjunto redundante de tiristores, caso estes se

encontrem incluídos na montagem. Caso contrário a protecção envia um sinal de disparo para o

AVR.

7.14.1.4 Protecção contra curto-circuito DC medindo o “ripple”

A amplitude do ripple da corrente inerente depende da indutância do enrolamento de

campo, do ângulo de disparo dos tiristores bem como do sistema de desexcitação aplicado. Se o

sistema de desexcitação compreender um circuito de descarga com tiristores controlados, a

influência no ripple da corrente é eliminada.

Se a indutância do circuito de campo for alterada por exemplo através de um curto-circuito

no enrolamento de campo e o modo de operação ser o de regulação da corrente de campo ou a

limitação da corrente de campo, o nível de corrente médio mantém-se no nível definido mas a

amplitude do ripple de corrente inerente aumenta. A frequência do primeiro harmónico do ripple

de corrente é seis vezes maior que a frequência de alimentação.



7.14.1.5 Protecção contra falta de ventilação

Caso ocorra uma sobrecarga térmica, ou um curto-circuito na alimentação do ventilador,

será sinalizada uma falha no sistema de refrigeração.

Em sistemas com redundância de ventiladores, irá desencadear-se um sinal de alarme e

alterar para o ventilador que estava em reserva. Deste modo o desempenho do equipamento de

excitação não é afectado por uma única falha no sistema de refrigeração. Quando apenas está

presente um ventilador a protecção iniciará um sinal de erro.

Conclusões e Trabalho Futuro


Capítulo 8

8- Conclusões e Trabalho Futuro

8.1 Conclusões

O principal objectivo desta dissertação consistia na descrição objectiva e esclarecedora do

sistema de excitação estático do alternador do Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada, como

me foi proposto pelo director e subdirector do Centro de Produção Cávado-Lima. Este tema foi

assim escolhido pois tratava-se de uma área de elevado interesse, ainda não explorada, que

devido a esse facto estava entregue a uma empresa exterior.

Numa fase inicial elaborou-se um estudo comparativo dos diversos sistemas de excitação e

técnicas de controlo dos sistemas, analisando as vantagens e desvantagens de cada um,

justificando-se a opção por o sistema de excitação estático.

O que distingue o sistema de excitação estático dos restantes é o facto do tempo de

actuação ser reduzido na regulação, dado que este actua directamente na corrente de campo do

alternador, evitando desta forma o uso de excitatrizes. Esta circunstância traduz-se numa

significativa baixa de preço e num elevado desempenho, sendo um sistema que se aplica em

praticamente todas as novas instalações.

O sistema de excitação estático apresenta no entanto algumas desvantagens, sendo o mais

grave o facto da corrente de excitação ser controlada por impulsos dos tiristores, que introduzem

deformações na corrente, distorcendo assim a tensão gerada pelo alternador.

Após o estudo comparativo, procedeu-se ao levantamento completo dos componentes

integrados no sistema. Analisando exaustivamente a função que cada um desempenhava e

compreendendo o seu funcionamento.

O estudo elaborado incidiu numa primeira fase na componente de electrónica de potência,

que consiste no circuito principal ligado ao enrolamento rotórico.

O transformador de excitação, cuja corrente de campo contínua máxima é determinada pela

máquina síncrona, adapta a fonte de tensão (barramento de produção) ao valor estipulado pela

tensão de pico exigida do conversor de tiristores.

Pré-excitação ocorre no processo de arranque da máquina (após o fecho do disjuntor de

campo), devido à baixa tensão remanescente, é necessário criar uma corrente de excitação



independente da tensão do barramento de produção do alternador, para se obter o disparo do

conversor de tiristores. A energia provém das baterias da central, através de resistências e díodo

de bloqueio que limitam a corrente

Um conversor de tiristores é constituído por pontes de semicondutores, ligadas em paralelo

e usadas para a conversão da energia eléctrica. Quando o fluxo da energia é dirigido do lado AC

para o DC a ponte de tiristores opera como rectificador. Utiliza uma ligação de 6 impulsos, 2

vias, totalmente controlada (constituída apenas por tiristores). O valor médio da tensão de saída

pode ser controlado de acordo com o ângulo de disparo dos tiristores, desde um valor positivo

até um valor negativo. Para um tiristor entrar em condução é requerido um impulso de disparo

na entrada da gate, proveniente do AVR ou do FCR.

A desexcitação é um processo necessário para descarregar a energia armazenada no

enrolamento de campo, o mais rapidamente possível, evitando danos caso apareçam sobre

tensões. Integra um disjuntor de campo, responsável pela abertura do circuito e respectiva

corrente de excitação. Contém também um circuito de descarga, constituído por um tiristor

electronicamente controlado, e uma resistência de descarga. Aquando da abertura do disjuntor,

o tiristor recebe um impulso de disparo, entrando em condução, comutando a corrente do

enrolamento de campo, para o circuito de descarga

A etapa seguinte recaiu sobre o regulador de tensão (AVR), que abrange todas as funções

de controlo necessárias aos sistemas de excitação, implementadas para assegurar um correcto

funcionamento do alternador, mais preciso e seguro, dentro dos parâmetros nominais.

Através de um microprocessador presente no AVR é possível executar as tarefas de

regulação de um modo extremamente eficaz. A principal tarefa do regulador de tensão é manter

a tensão de saída da máquina síncrona constante, independentemente das condições de carga,

em relação a um valor de referência. O algoritmo de controlo é efectuado por uma malha de

regulação PI.

No caso de testes do gerador, pode-se optar pelo regulador da corrente de campo (FCR),

que mantém a corrente de campo da máquina síncrona constante independentemente das

mudanças de carga da máquina, de uma forma manual, através de um operador.

Findo o estudo sobre a constituição do sistema de excitação, efectuou-se uma acção de

formação sobre o tema abordado para todos colaboradores provenientes das várias centrais do

Centro de Produção Cávado-Lima, que foi repetida no Aproveitamento Hidroeléctrico do Alto

Lindoso, dada a impossibilidade dos formandos se deslocarem. A formação teve como objectivo



elucidar os colaboradores e torná-los capazes da detecção e resolução de possíveis problemas,

minimizando as paragens do alternador e respectivas perdas financeiras. Preencheu-se assim

uma lacuna, pois trata-se de uma área que, como referido anteriormente, está subjacente a uma

empresa exterior.

Fazendo uma análise global sobre todo o trabalho realizado, pode-se concluir que foram

atingidos os principais objectivos propostos.

As dificuldades surgidas foram sendo ultrapassadas, com a ajuda de uma equipa de

trabalho dinâmica, que sempre prestou o auxílio necessário. Foi, por isso, um período motivante

e de extrema importância para a consolidação dos conhecimentos e para a aquisição de uma

noção de profissionalismo.

8.2 Trabalho Futuro

Dado que se tratou de um ano de extrema pluviosidade, não se conseguiu apresentar

resultados experimentais, pois esta traduziu-se num elevado efluente, tendo atingido a albufeira

a capacidade máxima. Desta forma, não foi possível efectuar-se uma paragem da máquina

síncrona, visto que acarretaria prejuízos elevadíssimos para a empresa. Os testes a nível do

alternador e sistema de excitação são encarados contudo como uma oportunidade de trabalho

futura.

Realizar o estudo detalhado dos restantes sistemas de excitação presentes na PHCL seria

também um dos objectivos futuros.



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http://www.abb.pt/



Anexos

Valores nominais e requisitos funcionais do sistema de excitação

A tabela 30 contém os parâmetros da máquina que devem constar na especificação do

sistema de excitação. Estes parâmetros devem ser facultados pelo fabricante da máquina

síncrona, ou então pela entidade que a adquiriu, para efectuar a interacção entre o sistema de

excitação e a máquina.

Tabela 30 - Valores nominais da máquina síncrona

Grandeza Valores Nominais Máquina Síncrona

Potência Nominal (kVA) 34

Tensão Nominal (kV) 10,25

Corrente Nominal (A) 1800

Cos Ф Nominal 0,85

Velocidade Nominal (rpm) 300

Nº de Fases 3

Frequência Nominal (HZ) 50

A tabela 31 contém os valores nominais e demais parâmetros do sistema de excitação,

sendo os valores pré-definidos pela entidade que adquiriu o sistema de excitação, e outros

definidos pelo fabricante da máquina síncrona ou integrados nas especificações do sistema

tendo em vista os dados da máquina síncrona.


Tabela 31- Conjunto de valores nominais do sistema de excitação

Grandeza Sistema de Excitação Estático

Tensão Nominal (V) 205

Corrente Nominal (A) 615

Tensão Nominal Unidade do Ventilador (V) 230

Corrente Nominal Unidade do Ventilador (A) 2,45

IFOL (A) 378

UFOL (V dc) 94,5

IFO (A dc) 400

Kp 20

Ti (s) 1,5

U Max Resistência Descarga (V dc) 870

I Max Resistência Descarga (A dc) 1682

Q Max Resistência Descarga (KJ) 449

Tensão BOD Unidade de Disparo Redundante

na Desexcitação (V dc)

1000

Tensão BOD Protecção da sobre tensão de

campo na Desexcitação (V dc)

1200

Tensão Nominal Unidade do Ventilador (V) 230

Corrente Nominal Unidade do Ventilador (A) 2,45

Razão de Transformação da Tensão do

Transformador Excitação (V)

10250/290

Razão de Transformação da Corrente do

Transformador Excitação (A)

16,33/577,3

Razão de Transformação da Tensão do

Transformador de Sincronização (V)

291/380

Corrente Pré-excitação (A dc) 5 seg. 40

Tensão Pré-excitação (V dc) 5 seg. 220

IFOL - Corrente de campo necessária para obter a tensão de saída nominal quando está

sem carga e a velocidade nominal;


UFOL – Tensão de campo necessária

IFO – Corrente de campo

Ti – Tempo integral

Kp – Ganho proporcional

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