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Captulo 2

Tecnologias de Gerao de Energia Eltrica: Gerador

2.7 Geradores A energia eltrica normalmente produzida pela ao de mquinas rotativas que acionadas mecanicamente por uma mquina primria (turbina hidrulica, a vapor, a gs, mquina de combusto interna, ou turbina elica) produzem atravs de campos de induo eletromagnticos, uma onda senoidal de tenso com freqncia fixa e amplitude definida pela classe de tenso do gerador. O gerador sncrono trifsico representa a mquina mais comum de gerao em um sistema de potncia. O gerador sncrono pode gerar potncia ativa e reativa independentemente e tem um importante papel no controle de tenso. O termo 'sncrona' significa que o campo girante no entreferro tem a mesma velocidade angular que a do rotor. A freqncia f da tenso induzida diretamente proporcional ao nmero de plos e velocidade de rotao do rotor. A freqncia determinada por:

f =

p n 2 60

[Hz]

(2.5)

em que p o nmero de plos da mquina e n o nmero de rotaes por minuto ou velocidade (sncrona) do rotor em rpm. O nmero de plos (plos magnticos N e S no rotor) varia de dois a quase cem. As partes principais de uma mquina girante so rotor e estator. Em uma mquina sncrona os enrolamentos de campo esto situados no rotor e os enrolamentos de armadura no estator.

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2.7.1 Rotor Parte girante da mquina, constitudo de um material ferromagntico envolto em um enrolamento chamado de enrolamento de campo, que tem como funo produzir um campo magntico constante para interagir com o campo produzido pelo enrolamento do estator. A tenso aplicada ao enrolamento do rotor contnua e a intensidade da corrente suportada por esse enrolamento muito menor que o enrolamento do estator. A corrente cc no enrolamento de campo produz um fluxo magntico constante por plo. A rotao do rotor com relao ao estator causa a induo de tenso nos enrolamentos de armadura. O rotor pode conter dois ou mais enrolamentos, sempre em nmero par e todos conectados em srie sendo que cada enrolamento ser responsvel pela produo de um dos plos do eletroim.

Figura 2.87 Gerador Sncrono de Plos Salientes.

Os rotores dos geradores sncronos so de dois tipos: rotores de polos salientes e rotores de polos lisos ou simplesmente, rotores cilndricos. Os rotores de plos salientes so em geral acionados por turbinas hidrulicas de baixa velocidade (entre 50 e 300 rpm) a fim de extrair a mxima potncia de uma queda dgua, e os rotores cilndricos so acionados por turbinas a vapor1 de alta velocidade (at 3600 rpm).

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O vapor possui uma significante quantidade de energia por unidade de massa (1000 a 1250Btu/lb). Profa Ruth Leo Email: [email protected] Homepage: www.dee.ufc.br/~rleao

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Nas mquinas de polos salientes porque o rotor est diretamente ligado ao eixo da turbina e o valor de frequncia nominal de 60 Hz, necessrio um grande nmero de plos. Os rotores de baixa velocidade possuem um grande dimetro para prover o espao necessrio aos polos. Os geradores sncronos de alta rotao so mais eficientes que seus equivalentes de baixa rotao. Para gerar a freqncia desejada o nmero de plos no poder ser inferior a dois e assim a velocidade mxima fica determinada. Para 60 Hz a velocidade mxima de 3600 rpm. A alta velocidade de rotao produz uma alta fora centrfuga, a qual impe um limite superior ao dimetro do rotor. No caso de um rotor girando a 3600 rpm, o limite elstico do ao impe um dimetro mximo de 1,2 m. Por outro lado, para construir um gerador de 1000MVA a 1500MVA o volume do rotor tem de ser grande. Para isso os rotores de alta potncia, alta velocidade so bastante longos. 2.7.2 Estator Os enrolamentos de armadura de um gerador trifsico podem ser associados em estrela ou tringulo. A ligao estrela utilizada na maioria dos geradores dos sistemas de energia eltrica. Geralmente, o neutro aterrado neste tipo de ligao sendo este aterramento feito atravs de uma resistncia ou reatncia cuja finalidade a de reduzir a corrente de curto circuito. A Tabela 2.15 apresenta os dados dos geradores da usina Xing, pertencente CHESF.Tabela 2.15 Dados do Gerador Sncrono da Usina Xing-CHESF.Gerador de Xing Tipo Quantidade Fabricante Potncia instalada de cada unidade Classe de isolamento rotor Classe de isolamento do estator Corrente nominal Fator de potncia Freqncia Tenso entre fases Velocidade nominal Nmero de plos Sncrono Vertical. 6 Siemens 527.000 kW F F 16.679 A 0,95 60 Hz 18.000 V 109,1 rpm 66


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2.7.3 Controle de Carga-Frequncia O controle da frequncia e da tenso em um gerador sncrono realizado por reguladores de velocidade (RV) e reguladores de tenso (RT), respectivamente. O controle carga-frequncia em um sistema eltrico normalmente efetuado em trs etapas, controle primrio, secundrio e tercirio de frequncia2. O controle primrio ou regulao primria realizada por reguladores automticos de velocidade das unidades geradoras do sistema. A regulao primria tem por objetivo limitar a variao da frequncia e atua no sentido de elevar ou reduzir a potncia mecnica da mquina primria restabelecendo o equilbrio carga-gerao, mas permite um erro de frequncia no sistema que proporcional ao montante do desequilbrio ocorrido. Reserva de potncia primria de potncia ativa deve ser provida pelas unidades geradoras para efetuar o controle primrio de frequncia. No Brasil, o controle primrio de freqncia e a reserva de potncia primria devem ser realizados por todas as unidades geradoras integrantes do Sistema Interligado Nacional SIN, sem nus para os demais agentes e consumidores. O controle primrio de frequncia ativado at 30 s e o tempo mximo de durao de 15 min (900 s). A segunda etapa do controle carga-frequncia chamada de regulao secundria, ou controle secundrio de frequncia. O controle secundrio de frequncia3 o controle realizado pelas unidades geradoras participantes do Controle Automtico de Gerao CAG, destinado a restabelecer o valor programado da freqncia do sistema e a manter e/ou restabelecer os valores programados dos intercmbios de potncia ativa eliminando desvios resultantes da ao da regulao primria. As unidades de gerao participantes do CAG apresentam reserva de potncia ativa para efetuar o controle secundrio de freqncia. O controle secundrio de frequncia ativado entre 5 s at 10 min com tempo mximo de atuao de 60 min.

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Procedimento de Rede da ANEEL Sub-mdulo 14 Administrao dos Servios Ancilares. Procedimento de Rede da ANEEL Sub-mdulo 14 Administrao dos Servios Ancilares. Profa Ruth Leo Email: [email protected] Homepage: www.dee.ufc.br/~rleao

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Figura 2.88 Limites de tempo do controle de suprimento de potncia.

O controle tercirio ativado entre 10 min e 1 h e pode ser substitudo pela gerao de reserva de hora.

Figura 2.89 Sistema de Controle da Gerao.

O regulador de velocidade (GOV) responsvel pelo controle da velocidade e, portanto, da freqncia do gerador para que seja mantida constante atuando sobre o registro para controle do fluxo de entrada. 2.8.4 Controle de Tenso A capacidade de gerao de potncia reativa do gerador sncrono pode ser usada para controlar a tenso na barra do gerador. Isto feito usando um Regulador Automtico de Tenso (RT) que controla a corrente de campo do rotor que por sua vez determina a tenso interna E da mquina. O RT mede a tenso Vt nos terminais do gerador e ajusta a corrente de campo de modo que Vt aproxime-se de um valor de referncia Vref, mantendo a tenso nos terminais dentro de uma faixa especificada de tenso. As mquinas sncronas modernas so equipadas por um sistema de excitao com retificadores que giram ou que usam anis coletores para controle automtico de tenso. O sistema de excitao alimentaProfa Ruth Leo Email: [email protected] Homepage: www.dee.ufc.br/~rleao

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o enrolamento de campo do gerador atravs de pontes trifsicas tiristorizadas totalmente controladas conectadas aos terminais do estator por meio de um transformador abaixador. O sistema de controle automtico de tenso compara a tenso estatrica com a tenso de referncia e, atravs de um regulador PI, atua diretamente no ngulo de disparo do conversor esttico, aumentado ou diminudo a tenso de campo do gerador.

Figura 2.90 Esquemtico de Sistema de Gerao.

2.7.5 Modelo Simplificado de Gerador Sncrono O circuito equivalente por fase de um gerador sncrono sob condio de estado permanente mostrado na figura abaixo.

Figura 2.91 Circuito Equivalente Por Fase de Gerador Sncrono.

A equao do gerador sncrono operando em estado permanente dada para qualquer corrente de carga por:


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Eg = Vt + I a ( Ra + jX s )

(2.6)

A resistncia de armadura dos enrolamentos do estator pequena e em geral desconsiderada. Dependendo da impedncia da carga, a corrente Ia em cada fase de um gerador sncrono pode ser atrasada, em fase, ou adiantada da tenso terminal Vt. Considerando um gerador ligado a um barramento infinito em que a tenso terminal Vt mantida constante, a magnitude da tenso induzida Eg controlada regulando a excitao do campo cc. medida que a magnitude do campo de excitao cc aumenta, a tenso gerada Eg e a potncia reativa de sada aumentam. Um limite na capacidade de potncia reativa de sada alcanado quando a corrente de campo cc atinge seu valor mximo permissvel. Quando o gerador est suprindo potncia reativa ao sistema de barramento infinito, o gerador est operando a um fator de potncia atrasado o gerador v o sistema como se fosse uma carga indutiva. Se a magnitude da f.e.m. gerada Eg excede a tenso terminal Vt, o gerador dito estar operando no modo superexcitado. Ainda, pode ocorrer um sobreaquecimento do rotor quando operando a um fator de potncia atrasado. medida que o campo de excitao cc diminui, a magnitude da f.e.m gerada Eg diminui at igualar-se tenso terminal. Sob estas circunstncias, o gerador dito estar operando a uma excitao normal e aproximadamente a um fator de potncia unitrio. Se a excitao de campo cc diminuda ainda mais, o gerador iniciar a absorver potncia reativa do sistema. O gerador estar operando com um fator de potncia adiantado o gerador v o sistema como se fosse um capacitor. Nestas circunstncias, a magnitude da f.e.m gerada Eg inferior da tenso terminal Vt, e o gerador estar operando no modo sub-excitado. A capacidade do gerador em manter sincronismo sob estas condies enfraquecida dada que a corrente de excitao pequena. Portanto, a capacidade de produzir ou absorver reativos controlado pelo nvel de excitao. Aumentandose a excitao, aumentam os reativos produzidos. Reduzindo-se a excitao, diminuem os reativos produzidos e o gerador passar a absorver reativo do sistema. Por conveno, os reativos supridos (sobre-excitado) pelo gerador recebem sinal positivo, ao passo que os reativos absorvidos (sub-excitado) recebem sinal negativo.


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As condies acima expostas podem ser representadas graficamente na Figura 2.92. No diagrama fasorial colorido, a resistncia de armadura da mquina desconsiderada.Eg

Eg Vttt

Ia Vtt

Eg

Ia

Vtt

Ia

Sobrexcitado Subexcitado Normal

Figura 2.92 Gerador Sncrono conectado a Barramento Infinito Operando Superexcitado, Normal e Sub-excitado.

No modo sobrexcitado (vermelho) a f.e.m. Eg est adiantada da tenso terminal Vt mquina operando como gerador, e a corrente Ia est atrasada em relao Vt mquina fornece reativo rede, P>0 e Q>0. Como um capacitor a mquina supre potncia reativa ao sistema e vista pela rede como um capacitor. No modo sub-excitado (azul) a f.e.m. Eg est adiantada da tenso terminal Vt mquina operando como gerador, e a corrente Ia est adiantada em relao Vt mquina absorve potncia reativa da rede, P>0 e Q

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