Regulao de velocidade e tenso degeradores sncronos Roger Halmenschlager da SilvaCarto UFRGS: 150562Porto Alegre2012 Sumrio 1. Introduo ............................................................................................................................................. 32. Fluxo de reativos ................................................................................................................................... 42.1. Compensao de reativos ............................................................................................................. 43. Controle de sistemas ............................................................................................................................. 54. Principais malhas de controle associadas a um Gerador Sncrono....................................................... 64.1. Regulao de velocidade .............................................................................................................. 74.2. Funes do regulador de velocidade ............................................................................................ 84.3. Regulao de tenso ..................................................................................................................... 94.4. Funes do Regulador de Tenso ............................................................................................... 105. Concluso ............................................................................................................................................ 116. Referncia bibliografica ...................................................................................................................... 12 Introduo Em sistemas de gerao e distribuio de energia atravs de geradores sncronos, muito importanteque os valores de frequncia e tenso estejam dentro de limites bem definidos, pois diversosequipamentos eltricos dependem diretamente dessas duas grandezas para seu correto funcionamento.Devido as variaes de carga que podem ocorrer em um sistema eltrico, os sistemas de regulao detenso e velocidade representam um ponto muito importante na garantia do fornecimento da potnciaexigida pelo sistema.Nesse trabalho estudaremos as razes da utilizao de regulao de velocidade e tenso em geradoressncronos e as principais caractersticas desses sistemas.Fluxo de reativos A potncia reativa (em VAr - Volt-ampres reativos) em um sistema eltrico de corrente alternadasempre causa um aumento de corrente que resulta no aumento das perdas. Todas as linhas detransmisso e distribuio contm resistncia, indutncia e capacitncia e por consequncia, uma linhade transmisso sempre requer um suprimento de potncia reativa, que pode estar em avano, em casode carga leve, ou em atraso, em caso de carga pesada. Alm disso, a presena de cargas com fatores depotncia no unitrios causam um aumento ainda maior da potncia reativa na linha. 2.1. Compensao de reativos No terminal do receptor de uma linha, o fator de potncia determinado pelo fator de potncia dascargas ligadas linha, como transformadores de subestaes, motores, etc. No caso de haver um fatorde potncia no unitrio, capacitivo ou indutivo, necessrio tomar medidas para a compensaodesses reativos.Vrios mtodos so utilizados para fornecer a potncia reativa necessria em um sistema eltrico.Compensadores ou geradores sncronos podem suprir reativos em capacitivos (em avano) ou indutivos(em atraso). Bancos de capacitores podem ser ligados em paralelo com a carga para fornecerem reativosem avano, compensando assim o fator de potncia em atraso gerado por motores ou outrosequipamentos indutivos.Como citado anteriormente, compensadores e geradores sncronos podem suprir tanto potncia reativaem avano quanto em atraso, dependendo do regime de excitao no qual trabalham (subexcitado ousuper-excitado). A figura 1 apresenta a curva da corrente de excitao pela corrente de armadura de umgerador sncrono. Notamos que para um regime subexcitado, o gerador apresenta um fator de potnciacapacitivo e no regime super-excitado ele apresenta um fator de potncia indutivo.Figura 1. Curva "V" de um gerador sncrono.Sendo o gerador sncrono uma das maiores fontes de reativo controlvel disponvel para o operador dosistema, muitas mquinas so especificadas com fator de potncia diferente do unitrio. Para que issoseja feito de uma forma dinmica e otimizada so necessrios sistemas que permitam tanto a regulaoda tenso quando da velocidade dos geradores, de forma que esses possam suprir a necessidade dereativos do sistema. A tabela 1 apresenta a disponibilidade de potncia em um gerador com carga de100% MVA. Tabela 1. Disponibilidade de potncia reativa para um gerador de 100% MVA.Fator depotnciaMW % MVAr % 3. Controle de sistemas Uma das maiores responsabilidades dos despachantes e operadores executar o controle do sistemaeltrico. Nveis de tenso, frequncia, fluxos nas interligaes, carregamento de linhas e equipamentosdevem ser mantidos dentro de faixas (limites) de segurana a fim de garantir um atendimentosatisfatrio aos consumidores.Diz-se que um sistema de potncia encontra-se no estado normal de operao quando as seguintescondies so cumpridas: A demanda de todas as cargas alimentadas pelo sistema satisfeita; A frequncia mantida constante em seu valor nominal (60Hz). As tenses de linha so mantidas constantes em seu valor nominal.Quando avaliamos esses pontos, devemos considerar que as cargas do sistema variam de maneiraaleatria, embora lentamente e em ciclos dirios, semanais e sazonais. Alm disso, como no podemosarmazenar a energia eltrica, esta deve ser gerada de acordo com as necessidades do sistema.A funo dos sistemas reguladores de potncia manter o sistema operando no estado normal,garantindo o fornecimento contnuo de energia de acordo com certos padres de qualidade,assegurando a frequncia constante e a tenso dentro de certos limites, caso contrrio haver umexcesso de fluxo de reativo no sistema.4. Principais malhas de controle associadas a um Gerador Sncrono Como citado anteriormente, os geradores sncronos so as principais fontes de reativo controlveisdisponveis aos operadores. Desta forma, torna-se vital para o bom funcionamento do sistema dedistribuio de energia a regulao de tenso e velocidade dos geradores sncronos nele conectados.So trs os principais sistemas de controle que atuam sobre o gerador sncrono:1. Controle primrio de velocidade;2. Controle suplementar de carga-frequncia;3. Controle da Excitao.AFigura 2apresenta um diagrama de blocos simplificado com os sistemas de controle de um geradorsncrono. O controle primrio de velocidade, que local, basicamente monitora a velocidade do eixo doconjunto turbina-gerador e controla o torque mecnico da turbina de modo a fazer com que a potnciaeltrica gerada pela unidade se adapte s variaes de carga.Como a atuao do controle primrio normalmente resulta em desvios de frequncia, necessrio quese conte com a atuao de um segundo sistema de controle para restabelecer a frequncia ao seu valornominal. Este sistema chamado controle suplementar (ou Controle Automtico da Gerao) que, nocaso de sistemas interligados, tem como objetivo manter o intercmbio de potncia entreconcessionrias vizinhas to prximo quanto possvel dos valores determinados previamente. Trata-sede um sistema de controle centralizado, executado no centro de operaes das empresas.Os objetivos de controle da excitao, que local, podem ser sumarizados como:a. Manter a tenso terminal do gerador dentro de tolerncias especificadas;b. Regular o fluxo de reativo entre mquinas;c. Amortecer as oscilaes do rotor da mquina quando da ocorrncia de perturbaes nosistema.Figura 2. Principais malhas de controle para regulao de tenso e velocidade em geradores sncronos. 4.1. Regulao de velocidade Hoje em dia, quase todos os sistemas de potncia so de corrente alternada. Exceto para pequenasvariaes de frequncia decorrentes do aumento ou reduo de gerao para atender a variaes dacarga, com a consequente variao dos ngulos de potncia, a frequncia a mesma em todos ospontos do sistema, sendo a grandeza bsica que pode ser medida e utilizada no controle das unidadesgeradoras. Como a maioria dos geradores sncrona, eles so mantidos girando com a mesmavelocidade sncrona.A variao da velocidade de rotao do gerador na presena de carga chamada de regulao develocidade em geradores sncronos, estamos falando igualmente da regulao de frequncia eltrica dos mesmos. 4.2. Funes do regulador de velocidade Manter a frequncia constante e igual ao seu valor nominal importante por uma srie de motivos, poiso desempenho da maioria dos motores de corrente alternada industriais funo da frequncia.No entanto, um dos motivos mais importante para manter a frequncia igual ao seu valor nominal ofato de que ela um indicador de que o balano de potncia ativa est sendo adequadamentecumprido. Isto , a potncia ativa fornecida pelos geradores do sistema igual potncia ativasolicitada pelas cargas.Os reguladores de velocidade dos geradores mais antigos utilizavam geralmente massas rotativas(regulador de watt) como demonstradas naFigura 3.Elas atuam no sistema hidrulico a fim de abrir oufechar vlvulas de admisso das mquinas motrizes dos geradores. Esta ao aumenta ou reduz aentrada da energia (combustvel em instalaes trmicas ou gua em hidrulicas) para manter avelocidade (frequncia) em um valor desejado. Unidades mais modernas so dotadas de sensoreseltricos, onde o mecanismo centrfugo substitudo por um dispositivo eltrico. AFigura 4apresenta odiagrama de blocos de um sistema de regulao de velocidade.Figura 3. Sistema de controle de fluxo utilizando massas de Watt. Para operao as mquinas em paralelo e com estabilidade, necessrio que reguladores de velocidadetenham uma caracterstica carga-frequncia inclinada. Assim, com o aumento da carga a velocidadediminuir. As inclinaes das curvas caractersticas de carga-frequncia so expressas em percentagem(%) da variao velocidade em vazio e a plena carga.Figura 4. Diagrama de blocos de um sistema de regulao de velocidade de um gerador sncrono. 4.3. Regulao de tenso Quanto tenso, pode-se igualmente dizer que o desempenho de vrios componentes da carga (torquede motores de induo, fluxo luminoso de lmpadas, etc) tambm fortemente ligado tenso, almdo fato de que a tenso, de maneira anloga frequncia para a potncia ativa, um indicador dobalano de potncia reativa. Contudo, a possibilidade de contar com fontes locais de reativo (bancos decapacitores, compensadores sncronos e estticos, reatores) e com outros meios de controle alm daexcitao dos geradores faz com que sejam toleradas variaes de tenso bem maiores do que normalmente admitido para a frequncia.A variao da tenso de linha do gerador na presena de carga chamada de regulao de tenso .Matematicamente a regulao de tenso definida como a variao da tenso de linha de um geradorsncrona, por unidade, quando a carga removida.(2)O objetivo dos sistemas reguladores de tenso de minimizar o valor da regulao de tenso, o quesignifica dizer que o gerador, com carga ou a vazio, praticamente no apresenta diferenas de tenso.O controle de sistemas de potncia facilitado pela aplicao da propriedade de desacoplamento entreos pares de variveis potncia ativa (P) - ngulo de potncia nas barras e potncia reativa (Q) -magnitudes de tenso (V). Embora teoricamente variaes em P possam afetar V e mudanas em Q possam influenciar,dentro da faixa normal de operao estes efeitos cruzados so desprezados.Assim, controlando-se o conjugado entregue pelas mquinas primrias aos geradores controla-seessencialmente a potncia ativa e consequentemente a frequncia Da mesma forma, atravs de variaes apropriadas da excitao do campo dos geradores controla-se a potncia reativa gerada e consequentemente a tenso terminal da mquina.4.4. Funes do Regulador de Tenso AFigura 5apresenta um diagrama de blocos tpico de um sistema de regulao de tenso parageradores. As principais funes de um regulador automtico de tenso so:1. Controlar a tenso terminal da mquina, dentro dos limites estipulados;2. Regular a diviso de potncia reativa entre mquinas que operam em paralelo, particularmentequando estas esto em barra comum, gerando a mesma tenso terminal, isto , semtransformador;3. Controlar de perto a corrente de campo, para manter a mquina em sincronismo com o sistema,quando esta opera a fator de potncia unitrio ou adiantado;4. Aumentar a excitao sob condies de curto-circuito no sistema, para manter a mquina emsincronismo com os demais geradores do sistema;5. Amortecer oscilaes de baixa frequncia que podem trazer problemas de estabilidadedinmica.Os reguladores so necessrios em compensadores sncronos (cuja finalidade controlar tenso), emhidrogeradores (para manter a tenso baixa no caso de sbita perda de carga e consequente sobre-velocidade) e em turbo-geradores sujeitos a grandes variaes de carga. Na verdade, os reguladores detenso so indispensveis para manter a estabilidade dos geradores sncronos.Figura 5. Diagrama de blocos de um sistema regulador de tenso5. Concluso Em uma concessionria tpica de gerao e transmisso de energia eltrica, os estudos de controle eregulao de velocidade e tenso so muito importantes em diversos setores dentro da empresa.A correta regulao destes parmetros gera uma economia significativa para as concessionrias deenergia, uma vez que h uma reduo nas perdas por fluxos reativos gerando e consequentemente umareduo nas perdas eltricas.Da mesma forma, em estudos de planejamento da expanso, torna-se cada vez mais importante aconsiderao de restries de estabilidade para as diversas configuraes de gerao, carga e topologiadas redes contempladas para a expanso futura do sistema.Nas reas ligadas gerao trmica e hidrulica, estudos visando obter os ajustes mais eficazes paraparmetros de reguladores de velocidade e de controladores ligados aos sistemas de excitao dosgeradores sncronos se tornaram uma das prioridades no trabalho de muitos engenheiros quetrabalham em empresas do setor.