tcc controle e protecao de usina termeletrica atual josemar maria sacramento
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FACULDADE NOVO MILÊNIO
ENGENHARIA ELÉTRICA COM ENFASE EM TELECOMUNICAÇÃO
ESTUDO DO FUNCIONAMENTO DE USINA TERMELÉTRICA COM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA WÄRTSILÄ.
JOSEMAR MARIA SACRAMENTO
VILA VELHA
2011
JOSEMAR MARIA SACRAMENTO
ESTUDO DO FUNCIONAMENTO DE USINA TERMELÉTRICA COM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA WÄRTSILÄ
Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade
Novo Milênio para aprovação no Curso de Graduação
em Engenharia Elétrica com ênfase em
Telecomunicações
VILA VELHA
2011
JOSEMAR MARIA SACRAMENTO
ESTUDO DO FUNCIONAMENTO DE USINA TERMELÉTRICA COM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA WÄRTSILÄ
Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade
Novo Milênio para aprovação no Curso de Graduação
em Engenharia Elétrica com ênfase em
Telecomunicações
Aprovada em ____/____/_____.
COMISSÃO EXAMINADORA
______________________________________________
Prof. Adjuto Martins Vasconcelos Junior Orientador Faculdade Novo Milênio
______________________________________________
Prof. Leonardo Pereira Amorim Examinador Faculdade Novo Milênio
______________________________________________
Coord. Emerson Scheidegger Examinador Faculdade Novo Milênio CONCEITO FINAL: ____________________
AGRADECIMENTOS
Agradeço antes de qualquer coisa, a DEUS, aquele que,
sobretudo é o mediador de mais uma vitória, que me ajudou a
caminhar, buscar meus ideais.
É com esse respeito e deferência que agradeço a vocês PAI e
MÃE , que com esforços e demonstrações de amor desmedidas
foram fundamentais para a formação do meu caráter, dedico-
lhes mais essa vitória em minha vida.
Agradeço aos meus IRMÃOS , que sempre me apoio, me ajudou
a superar os obstáculos da vida.
Agradeço também a minha NOIVA, aquela que pacientemente
soube esperar minha vitória, foi um pedestal importante da
minha vida no inicio da caminhada.
A vocês AMIGOS que compartilhou os meus propósitos e os
alimentaram, incentivando-me a prosseguir na jornada, fossem
quais fossem os obstáculos.
Ao Professor ADJUTO JUNIOR , que me acompanhou e
ajudou na realização deste trabalho.
“Você não pode provar uma definição. O que você pode
fazer é mostrar que ela faz sentido.” Albert Einstein.
RESUMO
O estudo, a compreensão e, eventualmente, a operação de uma planta de geração termelétrica,
exigem um conhecimento prévio e sólido sobre os conceitos, as funcionalidades e os
equipamentos empregados na usina. Este trabalho destina-se a fornecer uma visão geral sobre
os conceitos básicos relacionados às características técnicas existentes em plantas de geração
termelétrica no que diz respeito aos modos de controle e seu sistema de proteção. Serão
utilizados, para isto, conhecimentos adquiridos em treinamentos e cursos voltados para este
ramo de atividade, além de diagramas e fluxogramas, de bibliografias, manuais técnicos
específicos dos equipamentos e documentos técnicos particulares.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Partes que compõe um MCI. [5]. ............................................................................... 15
Figura 2 Sistema auxiliar da planta com MCI. [5]. .................................................................. 17
Figura 3 Layout do sistema elétrico de planta Wärtsilä [5]. ..................................................... 20
Figura 4 Diagrama unifilar do sistema elétrico. ....................................................................... 21
Figura 5 Gerador síncrono AVK. [3]........................................................................................ 22
Figura 6 AVR – Regulador Automático de Tensão no gerador. [5]. ....................................... 25
Figura 7 Relés de proteção e monitoramento (Vamp) [4]. ....................................................... 32
Figura 8 Configuração típica do sistema de controle e proteção das plantas Wärtsilä. [5]. ..... 34
Figura 9 Layout dos mecanismos de controle dos motores Wärtsilä. [5]. ............................... 35
Figura 10 Módulo ESM. [5]. .................................................................................................... 37
Figura 11 Diagrama do circuito de medição e proteção velocidade do MCI. [5]. ................... 38
Figura 12 Módulo MCM de controle de carga e velocidade. [5]. ............................................ 38
Figura 13 Gráfico do modo de controle de queda de velocidade. [5]. ..................................... 39
Figura 14 Controlador PID do controle de queda da velocidade. [5]. ...................................... 40
Figura 15 Gráfico do modo de controle de carga. [5]. ............................................................. 40
Figura 16 Controlador PID do modo KW. [5].......................................................................... 41
Figura 17 Gráfico do modo de controle isócrono. [5]. ............................................................. 41
Figura 18 Controlador PID do modo isócrono. [5]. ................................................................. 42
Figura 19 Sensor de monitoramento das variáveis elétricas. [5]. ............................................. 42
Figura 20 Diagrama das potências. .......................................................................................... 46
Figura 21 Diagrama de um gerador sobre-excitado. ................................................................ 46
Figura 22 Diagrama de um gerador com potência reativa nula. ............................................... 47
Figura 23 Diagrama de um gerador sub-excitado. ................................................................... 47
Figura 24 Diagrama de dois geradores em paralelo. ................................................................ 48
Figura 25 Diagrama de dois geradores em paralelo com ângulos defasados. .......................... 48
Figura 26 Diagrama de dois geradores em paralelo com mesmo FP. ...................................... 49
Figura 27 Layout do circuito de ligação do relés de proteção do sistema elétrico. [4]. ........... 53
Figura 28 Visão geral do Sistema. [5]. ..................................................................................... 54
LISTA DE EQUAÇÕES Equação 3.1 Força eletromotriz gerada. [9]. ............................................................................ 24
Equação 3.2 Lei de Faraday (Campo elétrico induzido). [9].................................................... 25
Equação 3.3 Potência instantânea. [9]. ..................................................................................... 27
Equação 3.4 Potência média desenvolvida em um intervalo de tempo. [9]. ............................ 27
Equação 3.5 Potência elétrica monofásica gerada. [9]. ............................................................ 28
Equação 3.6 Potência elétrica trifásica gerada. [9]. .................................................................. 28
Equação 3.7 Potência ativa. [9]. ............................................................................................... 28
Equação 3.8 potência reativa. [9]. ............................................................................................ 29
Equação 3.9 Fórmula da frequência elétrica. [7]. ..................................................................... 30
Equação 4.1 Fórmula da relação entre a potência mecânica e potência elétrica exigidas. [7]. 44
Equação 4.2 Velocidade angular. ............................................................................................. 44
GLOSSÁRIO ANEEL Agencia Nacional de Energia Elétrica
AVR Regulador Automático de tensão.
CA Corrente Alternada.
CC Corrente Contínua.
CCM Centro de Controle de Motores.
CLP Controlador Lógico Programável.
ESM Módulo de segurança do motor
GLP Gás Liquefeito de Petróleo.
HT High temperature ( alta temperatura).
HV High Voltage (Alta Tensão)
I/O Input/Output (Entrada/Saída).
IEC International Electrotechnical Commission (Comissão Eletrotécnica
internacional).
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor, ou transístor bipolar de porta isolada.
LDU/LCP Unidade de Display Local e Painel de Comando Local
LV Low Voltage (Baixa tensão).
MCI Motor de Combustão Interna.
MCM Módulo de Controle Principal.
MV Média Voltagem.
OCB1 Óleo Combustível Tipo 1B; FISPQ BR0303.
ONS Operador Nacional de Sistema Elétrico.
PDM Fonte de alimentação.
PID Controlador Proporcional Integral- Derivativo.
PMS Ponto Morto Superior.
PWM Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso).
RMS Root Mean Square (Valor Quadrado Médio ou Tensão Eficaz).
RPM Rotação Por Minuto.
TC/TP Transformador de Corrente/Transformador de Potencial
WISE Wärtsilä Information System Environment (Ambiente de Informação do
Sistema Wärtsilä).
WOIS Wärtsilä Operator’s Interface System (Interface do Sistema de
Operação Wärtsilä).
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ......................................................................................................... 4
RESUMO ............................................................................................................................... 6
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... 7
LISTA DE EQUAÇÕES ...................................................................................................... 8
GLOSSÁRIO ........................................................................................................................ 9
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 12
2 FUNCIONAMENTO DE USINA TERMELÉTRICA .................................................... 13
2.1 Motor de Combustão Interna (MCI) WÄRTSILÄ. ................................................... 13
2.1.1 Principais componentes dos (MCI) WÄRTSILÄ. .............................................. 14
2.2 Ciclo de operação do MCI. ........................................................................................ 16
2.3 Os sistemas auxiliares da planta com motor Diesel Wärtsilä. ................................... 16
2.3.1 Sistema de combustível e de injeção de óleo Diesel. ......................................... 17
2.3.2 Sistema de lubrificação. ...................................................................................... 17
2.3.3 Sistema de arrefecimento ou refrigeração. ......................................................... 18
2.3.4 Sistema de exaustão ou escapamento dos gases. ................................................ 18
2.3.5 Sistema de recuperação de calor e fabricação de vapor. .................................... 18
2.3.6 Sistema de ar comprimido e de Partida. ............................................................. 19
2.3.7 Sistemas mecânicos. ........................................................................................... 19
3 SISTEMA ELÉTRICO ..................................................................................................... 20
3.1 Visão geral do sistema ............................................................................................... 20
3.2 Sistema de despacho e consumo interno. ................................................................... 21
3.3 Sistema de corrente continua. .................................................................................... 22
3.4 Gerador ...................................................................................................................... 22
3.5 Tensão ........................................................................................................................ 25
3.6 Regulação da tensão e excitação (AVR). ................................................................... 25
3.7 Potência ...................................................................................................................... 26
3.8 Potência Aparente ...................................................................................................... 27
3.9 Potência Ativa. ........................................................................................................... 28
3.10 Fator de potência .................................................................................................... 29
3.11 Potência Reativa ..................................................................................................... 29
3.12 Frequência .............................................................................................................. 29
3.13 Sincronização ......................................................................................................... 30
3.14 Proteção do sistema elétrico ................................................................................... 31
3.15 Equipamento de proteção - relé .............................................................................. 32
4 SISTEMA CONTROLE ................................................................................................... 33
4.1 Sistema de comando e controle.................................................................................. 33
4.2 Estação de controle (WOIS e WISE) ......................................................................... 34
4.3 Mecanismo de controle .............................................................................................. 35
4.3.1 Medição e proteção de excesso de velocidade (ESM) ....................................... 36
4.3.2 Controle de carga e velocidade (MCM) ............................................................. 38
4.3.3 Monitoramento do motor e as funções de segurança ......................................... 42
4.4 Modos de operação .................................................................................................... 43
4.4.1 Como controlar a potência reativa. ..................................................................... 46
4.4.2 Modo de controle da tensão ................................................................................ 47
5 CONCLUSÃO .................................................................................................................. 50
6 REFERÊNCIA ................................................................................................................. 52
ANEXO 1: ............................................................................................................................ 53
ANEXO 2: ............................................................................................................................ 54
12
1 INTRODUÇÃO
Uma usina termelétrica com motores Wärtsilä é apropriada para a carga base, carga
intermediária, e geração de energia de emergência. A planta pode ser usada para alimentar
uma grande rede ou uma rede limitada, por exemplo, uma pequena fábrica de produção.
Também é possível alternar entre a geração em paralelo e limitada. A frequência e tensão do
gerador pode ser selecionada para melhor atender os requisitos do projeto. Alta eficiência em
carga total e parcial, rápido tempo de arranque e de resposta à carga.
Chamam-se termelétricas porque são constituídas de uma parte térmica, que são motores
semelhantes aos dos caminhões (mas muito maiores) e outra elétrica (gerador
elétrico/alternador), onde se produz a eletricidade.
Uma usina termelétrica pode ser definida como um conjunto de obras e equipamentos cuja
finalidade é a geração de energia elétrica como mostra a Figura 28, por meio de um processo
no qual basicamente o motor é utilizado para girar um eixo e esse eixo é acoplado a um
gerador de energia que transforma a energia cinética do giro em energia elétrica.
As unidades motor-geradores podem ser iniciadas, parada e controlada individualmente, parte
da planta pode ser executada com carga parcial, enquanto parte dela é mantido como reserva
de capacidade e pode ser controlada da sala de controle da própria planta, e/ou através de um
sistema de controle externo.
Os parâmetros essências para um sistema de geração elétrica são a tensão de alimentação, pois
devem ser a mesma faixa nominal da rede a qual ela está ligada para que não ocorra uma
diferença de potencial causando curto circuito no sistema.
A frequência de geração deve manter sincronizada com a frequência da rede nacional que é de
60 Hz, acompanhando as suas oscilações, a fim de manter uma estabilidade com a rede
nacional de energia elétrica.
O sistema também deve ser projetado para que em suas fases de geração ou sentido de
mudanças de fases, sejam as mesmas do sistema.
Com isto devem ser tomadas algumas medidas para que as usinas atendam a estes parâmetros,
tais como: Controle de Frequência, Regulação de tensão, Controle do ângulo de fases,
controle de carga.
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2 FUNCIONAMENTO DE USINA TERMELÉTRICA
2.1 Motor de Combustão Interna (MCI) WÄRTSILÄ.
São máquinas térmicas alternativas, de combustão interna, destinadas ao suprimento de
energia mecânica ou força motriz de acionamento. O nome é devido a Rudolf Diesel1, que
desenvolveu o primeiro motor, em Augsburgh - Alemanha, no período de 1892 a 1897 [7].
Estas representam as tecnologias mais difundidas dentre as máquinas térmicas, devido à sua
simplicidade, robustez e alta relação potência/peso, o que faz com estes acionadores sejam
empregados em larga escala como elementos de propulsão (automobilística, naval e
aeronáutica), para geração de eletricidade continua, de back-up ou de carga de pico e para
acionamentos de bombas, compressores ou qualquer outro tipo de carga estacionária. A
geração de energia elétrica, os MCI a óleo e a gás são competitiva principalmente pela sua
alta eficiência térmica, tanto em operação a carga total como também em cargas parciais.
Outro fator importante a este tipo de equipamento é que a eficiência dos motores não é tão
sensitiva às condições ambientais locais (temperaturas, pressão e umidades). [7].
Motores do ciclo Diesel são aqueles que aspiram ar, que após ser comprimido no interior dos
cilindros, recebendo o combustível com pressão superior àquela em que o ar se encontra
ocorrendo instantaneamente à combustão por autoignição, o combustível que é injetado ao
final da compressão do ar, na maioria dos motores do ciclo Diesel, é o óleo diesel comercial,
porém outros combustíveis líquidos, tais como: Gasolina, álcool, OCB1 (Óleo Combustível
Tipo 1) dentre outros, ou os combustíveis gasosos como: gás natural, GLP (Gás Liquefeito
de petróleo), gases residuais ou manufaturados e há ainda os que trabalham com o carvão
mineral pulverizado.[7].
O motor é composto de um mecanismo capaz de transformar os movimentos alternativos dos
pistões em movimento rotativo da árvore de manivelas, através da qual se transmite energia
mecânica aos equipamentos acionados, como, por exemplo, a um gerador de corrente
alternada.
1 Rudolf Christian Karl Diesel (Paris, 18 de Março de 1858 — Canal da Mancha, 30 de Setembro de 1913) foi um engenheiro mecânico alemão, inventor do motor a diesel.
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Geralmente, estes tipos de motores são do tipo que denominamos quatro tempos, como
poderemos observar mais abaixo, que são quatro processos diferentes para um ciclo de
trabalho completo do motor. [7].
2.1.1 Principais componentes dos (MCI) WÄRTSILÄ.
Bloco: órgão estacionário fabricado com ferro fundido, onde são usinados os cilindros para
locação dos pistões. Possuem cavidades para escoamentos da água de arrefecimentos e dos
mancais centrais ou fixos onde se apoiam o eixo de manivela. [7].
Cabeçote: E a parte onde estão instalados os bicos injetores e as válvulas de admissão e
descarga ou escape dos gases provenientes da combustão. [7].
Cárter: É um reservatório fixado na parte inferior do bloco onde se deposita o óleo
lubrificante. [7].
Cilindro: É o espaço onde se desloca o pistão. [7].
Câmara de combustão: É o espaço livre entre o ponto morto superior e o cabeçote, onde se
procede a queima da mistura ar-combustível. Sua forma construtiva influenciam muito na taxa
de compressão, no rendimento e na potência do motor. [7].
Pistão: Tem a função de transmitir ao eixo de manivelas a força devido à pressão dos gases
em expansão na câmara de combustão. [7].
Pino: É o elemento de articulação entre o pistão e a biela. [7].
Anéis: São aros elásticos, colocados em canaletas situadas no pistão, cuja finalidade é impedir
a fuga dos gases da combustão, ficando entre a parede do pistão e do cilindro, e impedindo a
entrada de óleo lubrificante na câmara de combustão e o anel raspador que é responsável pela
limpeza da borra provida da combustão. [7].
Biela: É o braço de ligação entre o pistão e a árvore de manivelas. [7].
Eixo (árvore de manivelas): chamado de virabrequim é o eixo do motor, tem como função
converter a força mecânica alternativa dos pistões em movimento rotativo. [7].
Volante: É uma roda ligada à árvore de manivelas e tem como função principal transmitir a
energia mecânica e para atenuar as variações de aceleração, regularizando o movimento do
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motor absorvendo trabalho nos períodos de aceleração, para restituí-lo quando o trabalho
motor e menor. [7].
Eixo de came (comando de válvulas): Tem a função de mover as válvulas de admissão e de
escape no momento certo, e é acionado pela árvore de manivelas através de engrenagens,
correntes ou correia dentada. [7].
Válvulas: As válvulas servem para admissão do ar para combustão e descarga destes gases.
[7].
Figura 1 Partes que compõe um MCI. [5].
1. Bloco
2. Cabeçote
3. Cárter
4. Cilindro
5. Câmara de combustão
6. Pistão
7. Pino
8. Anéis
9. Biela
10. Eixo de manivelas
11. Comando de válvulas
16
12. Válvulas
13. Tampa de alívio de pressão
2.2 Ciclo de operação do MCI.
Os componentes principais do ciclo de potência de um motor de combustão interna são pistão,
biela, manivela e virabrequim representado na Figura 1.
Um ciclo de trabalho estende-se por duas rotações da árvore de manivelas, ou seja, quatro
cursos do pistão como admissão, compressão, combustão e escape ou exaustão que
determinamos de motor de quatro tempos.
Primeiro tempo
Com o pistão em movimento descendente, dá-se a admissão de ar. Na maioria dos motores
ciclo Diesel moderno, uma ventoinha empurra a carga de ar para o cilindro, chamada de turbo
compressor (turbina).
Segundo tempo
Ocorre a compressão do ar, com o pistão em movimento ascendente, este processo no qual há
uma relação de compressão do ar em 16 até 20:1 elevando a temperatura do ar em
aproximadamente 550º C e 600° C.
Terceiro tempo
Com o pistão em movimento descendente, temos a ignição com a injeção do combustível,
ocasionando a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão (tempo motor).
Quarto tempo
O pistão em movimento ascendente empurra os gases de escape para a atmosfera. Durante os
quatro tempos, ou duas rotações, transmitiu-se trabalho ao pistão só uma vez. Para fazer com
que as válvulas de admissão e escapamento funcionem corretamente, abrindo e fechando as
passagens nos momentos exatos, a árvore de comando de válvulas (ou eixo de cames) gira a
meia rotação do motor, completando uma volta a cada ciclo de quatro tempos.
2.3 Os sistemas auxiliares da planta com motor Diesel Wärtsilä.
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Figura 2 Sistema auxiliar da planta com MCI. [5].
2.3.1 Sistema de combustível e de injeção de óleo Diesel.
Sistema de combustível é um conjunto de tanque de estocagem, bombas, sistemas de
separação, que neste caso se aplica quando o combustível utilizado é o óleo pesado ou bruto
(OCB 1), unidade de transferência e retorno de combustível. Estes equipamentos deverão
garantir o suprimento contínuo de combustível nos níveis de vazão, pressão, limpeza e
viscosidade. No caso do combustível utilizado for gás, o suprimento deverá atender aos níveis
de vazão e pressão.
Estes tipos de insumo possuem vantagens de baixas emissões de poluentes e com a
possibilidade de se trabalhar com os dois tipos de combustível, podendo converter
instantaneamente para o modo diesel operando a qualquer nível de carga e prevenindo a falta
de suprimento do gás e vice e versa.
2.3.2 Sistema de lubrificação.
A lubrificação é um processo de suma importância para a vida útil do motor e as partes que o
compõe. Atualmente com o desenvolvimento da tecnologia de produção de lubrificantes, é
possível triplicar a vida útil dos motores.
O sistema de lubrificação assim como o de combustível, possuem tanques de armazenamentos
de óleo novo e usado, bombas de transferências e retorno, unidade separação e filtragem, que
são as separadoras centrífugas que removem água ou quaisquer partículas indesejáveis no
óleo, de resfriamento e bombeamento.
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A característica principal do óleo lubrificante e lubrificar os mancais fixos e móveis, partes
deslizantes, pistões e levar partículas para fora do motor a fim de serem removidas pelo
sistema de separação e filtração.
2.3.3 Sistema de arrefecimento ou refrigeração.
A sua função é o resfriamento do motor, cujo propósito é o controle da temperatura no nível
adequado mantendo, a combustão em qualquer carga e a máxima eficiência térmica sem
prejudicar as características mecânicas dos componentes metálicos. A água do sistema de
refrigeração do motor deve ser limpa e livre de agentes químicos corrosivos tais como
cloretos, sulfatos e ácidos.
Este é dividido em água de baixa temperatura para o arrefecimento do óleo lubrificante e o ar
de alimentação, e com água de alta temperatura para troca de calor com o bloco do motor, ar
de alimentação e cabeça dos cilindros.
Sistema compõe de tanque de expansão e de manutenção, radiadores e trocadores de calor.
2.3.4 Sistema de exaustão ou escapamento dos gases.
A energia térmica liberada na combustão não é totalmente aproveitada para a realização de
trabalho, na realidade a maior parcela da energia é desperdiçada de várias formas, motores
Diesel de grande porte e de baixa rotação tem melhor aproveitamento da energia obtida na
combustão. Para os motores Diesel de pequeno porte e alta rotação, em média, o rendimento
térmico se situa entre 36% e 40%, o que para máquinas térmicas, é considerado alto.
Este tipo de motor é provido de turbina de admissão de ar, que é movimentado pelos gases de
exaustão, tendo com isto, um ganho volumétrico de ar admitido para o processo do ciclo
diesel.
2.3.5 Sistema de recuperação de calor e fabricação de vapor.
Com os gases de exaustão a alta temperatura que está em torno de 250ºC a 400ºC é utilizada
para produção de vapor nas caldeiras recuperadoras de calor, que são essenciais para o
funcionamento de usinas termelétricas, pois necessitam aquecer o óleo combustível para
diminuir a viscosidade, quando o óleo utilizado no processo é o OCB1, aquecimento dos
19
motores, água de arrefecimento, óleo lubrificante e a tubulação de suprimento de óleo
combustível bruto.
Com a usina parada o vapor é fornecido por caldeiras auxiliares que deverão aquecer e manter
aquecida o sistema até a produção de vapor pelas caldeiras recuperadoras.
2.3.6 Sistema de ar comprimido e de Partida.
Este sistema é necessário para partida dos motores e a utilização nos equipamentos de
instrumentação, controle pneumático e ferramentas próprias da operação e manutenção.
Os dispositivos de partida dos motores diesel podem ser elétricos, pneumáticos ou a mola. A
partida elétrica é empregada na maioria dos casos para motores de pequeno porte. Utiliza-se a
partida pneumática ou a mola, onde, por qualquer motivo, não seja viável a utilização de
partida elétrica, que é o meio de menor custo. Partida a mola só é aplicável em motores Diesel
de menor porte, abaixo de 100 CV (Cavalo Vapor). Para motor diesel de grande cilindrada, a
partida a ar comprimido é feita por meio da descarga de certa quantidade de ar, sob alta
pressão, em um cilindro predefinido, cujo êmbolo é posicionado próximo ao PMS (Ponto
Morto superior) para receber o primeiro impulso. Ao deslocar-se rapidamente em sentido
descendente, faz com que outros cilindros os êmbolos atinjam o PMS do tempo de
compressão e recebam injeção de combustível, iniciando o funcionamento.
Para isto são utilizados compressores de ar de alta pressão 30 bar para a partida dos motores, e
de baixa pressão, que na maioria dos casos é de 6 bar, para o controle pneumático e utilização
nos equipamento de instrumentação.
Também possui reservatório de ar de 6 a 10 vezes a capacidade de produção dos
compressores, que tem por finalidade de armazenar o ar comprimido para futura utilização e
equalizar as linhas de consumo eliminando o pouco de umidade que o ar possui.
2.3.7 Sistemas mecânicos.
As novas plantas de geração vêm sendo ainda caracterizado por módulos auxiliares, ou seja,
são fabricados separadamente antes de serem incorporadas as usinas. Além de se garantir a
confiabilidade no funcionamento, esta construção modular garante também uma rápida
instalação e facilita numa necessidade no aumento da capacidade de geração, manutenção e
de converter para outro tipo de combustível.
20
3 SISTEMA ELÉTRICO
3.1 Visão geral do sistema
� Unidades geradoras de alta tensão;
� Alimentadores de saída de alta tensão para a conexão dos geradores;
� Subestação elevadora para despacho da produção de energia;
� Um transformador abaixador para o consumo interno;
� Sistema de distribuição de baixa tensão;
� CCM Centros de Controle de Motor;
� Painel de retificadores CC (corrente continua);
� Sistema de aterramento;
Figura 3 Layout do sistema elétrico de planta Wärtsilä [5].
O sistema elétrico da usina de geração inclui painéis de comando central (comum), para
controlar os grupos geradores e os vários painéis de comando locais dos equipamentos
auxiliares, disjuntores do sistema de distribuição de energia e para a sincronização manual e
automática de disjuntores, frequencímetro duplo, um voltímetro duplo e um sincronoscópio.
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O painel de comando comum utiliza-se, principalmente, de um CLP (Controlador Lógico
Programável) que é responsável por controlar e supervisionar toda a usina, com informações
advindas dos painéis auxiliares (painéis locais).
3.2 Sistema de despacho e consumo interno.
O sistema elétrico da central elétrica utiliza três níveis de tensão principais:
• Alta tensão (HV);
• Média tensão (MV);
• Baixa tensão (LV);
Existem ainda sistemas de suporte com distribuição limitada para uso específico, por
exemplo, a alimentação elétrica CC para o CLP, e outros equipamentos de controle.
Figura 4 Diagrama unifilar do sistema elétrico.
22
3.3 Sistema de corrente continua.
O sistema CC fornece alimentação independentemente do sistema de alimentação principal. A
alimentação CC é utilizada pelo sistema de comando e automação, pelos relés de proteção e
pelos circuitos de comando dos aparelhos de comutação (disjuntores) garantido, ou seja, para
iniciar a geração ou para um desligamento seguro da planta.
A alimentação pela bateria assegura que o sistema de comando continua a funcionar em caso
de falha no sistema auxiliar com base da energia gerada ou em caso de blecaute do sistema
elétrico. O equipamento de comando e proteção da central elétrica usa energia CC em dois
níveis de tensão diferentes, o comando do motor é fornecido por um sistema de 24 VCC,
enquanto que o de 110 VCC é usado, por exemplo, para os circuitos de comando dos
disjuntores de proteção dos geradores e os de interligação de barras.
3.4 Gerador
Os geradores são máquinas destinadas a converter energia mecânica em energia elétrica. A
energia mecânica utilizada é oriunda do MCI Wärtsilä, e é utilizada para fazer girar o rotor, ao
qual induzirá uma tensão nos terminais que levam a circulação de correntes elétricas pelos
enrolamentos e pela carga. [7].
Figura 5 Gerador síncrono AVK. [3].
Os geradores padrão utilizado pela Wärtsilä são geradores de média tensão CA, síncrono com
um sistema de excitação sem escovas (brushless), montados horizontalmente, e equipado com
dois rolamentos nos mancais fixos, lubrificados a óleo. Os geradores são ligados aos volantes
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de motor com acoplamentos flexíveis, são arrefecidos a ar com um eixo de ventilação, ou
seja, recebendo ar forçado por ventiladores.
Possui um aquecedor elétrico que evita a condensação de água no gerador quando o mesmo
permanece parado. Estes seguem os critérios de projeto descrito pela norma IEC 600342.
Os geradores pertencem à categoria das máquinas síncronas, isto é, máquinas cuja rotação é
diretamente relacionada ao número de polos magnéticos e a frequência da força eletromotriz.
Assim, um gerador quando tem seu eixo acionado por uma força mecânica, produz energia
elétrica nos terminais e, ao contrário, recebendo energia elétrica nos seus terminais, produz
energia mecânica na ponta do eixo, com o mesmo rendimento.
A energia elétrica produzida pelo gerador síncrono é feita numa tensão da ordem de 10 kV a
30 kV, sendo inserida no sistema de potência através de transformadores elevadores. Estes
equipamentos elevam tensões para patamares mais adequados, que para a transmissão de
energia elétrica, é usual entre 138 kV a 750 kV, com objetivo de diminuir a bitola dos cabos,
as perdas e as quedas de tensão.
Os geradores são compostos por duas partes magnéticas principais que são o rotor e o estator,
ambos confeccionados com materiais ferromagnéticos, que em relação ao fluxo magnético
apresenta alta permeabilidade. A potência demandada pelo sistema é suprimida pela corrente
gerada no estator, que através do campo magnético girante resultou numa tensão, que por sua
vez, gerou uma corrente. No rotor são encontrados dois tipos de enrolamentos, o enrolamento
de campo, responsável pela excitação da máquina e consequentemente pela produção do fluxo
magnético de excitação, e os enrolamentos amortecedores, que tem o papel importante no
amortecimento das oscilações mecânicas, na estabilidade da máquina e na qualidade do sinal
da tensão induzida no estator.
O sistema de excitação energiza o enrolamento de campo magnético da máquina síncrona,
que juntamente com o movimento de rotação, produz uma tensão induzida no estator, de
acordo com a lei de Faraday3.
2 International Electrotechnical Commission – Rotating Electrical Machines. Norma das máquinas elétricas rotativas. 3 FARADAY M. (Newington, Surrey, 22 de setembro de 1791 — Hampton Court, 25 de agosto de 1867) foi um físico e químico inglês, sendo considerado um dos cientistas mais influentes de todos os tempos.
24
O valor da tensão induzida em uma simples espira de fio é proporcional à razão de
variação de linhas de força que passam através daquela espira ou se concatenam com
ela. [9].
A força eletromotriz induzida gerada é dada por:
���� = −��
Equação 3.1 Força eletromotriz gerada. [9].
���� é a tensão gerada em uma única espira (volts/espira)
ϕ é o numero de linhas de força magnéticas concatenadas pelas espiras.
t é o tempo na qual as linhas ϕ são alternadas.
Do estabelecido acima e da equação, é bastante evidente que uma fem (força eletromotriz)
induzida gerada, pode ser aumentada, através de aumento da força do campo magnético ou a
diminuição do tempo durante o qual ocorre a variação no fluxo alternado, isto é, um aumento
na velocidade ou no movimento relativo entre o condutor e o campo magnético. [9].
Para complementar a lei de Faraday que apenas relaciona força mecânica com o campo
magnético, a Lei de Lenz4 relaciona a causa e efeito que se opõem.
Em todos os casos de indução eletromagnética, uma fem induzida fará com que uma
corrente circule em um circuito fechado, num sentido tal que seu efeito magnético se
oponha à variação que a produziu. [9].
Assim como é estabelecido no principio da Le Chatelier “que as forças naturais existem em
equilíbrio, de tal modo que se opõem em qualquer alteração neste equilíbrio”, na Terceira lei
de Newton diz: “toda ação, corresponde uma reação igual e oposta” e a lei da conservação de
energia “só se requer energia mecânica para produção de energia elétrica por ação
eletromagnética”. Isto é, apenas quando a força vence a resistência que a energia é gasta. [6].
4 Heinrich Friedrich Emil Lenz (Tartu (actual Estonia), 12 de Fevereiro de 1804 - Roma, 10 de Fevereiro de 1865), foi um físico alemão (germano-báltico).
25
3.5 Tensão
A tensão gerada é apresentada através da Equação 3.2, que a tensão e o resultado da variação
do campo magnético em um determinado tempo, aplicando-se as leis da indução magnética
aos enrolamentos da máquina síncrona. [9].
��. � = −��� �
Equação 3.2 Lei de Faraday (Campo elétrico induzido). [9].
Sendo E o campo elétrico induzido, ds é um elemento infinitesimal do circuito e dΦB/dt é a
variação do fluxo magnético. [9].
3.6 Regulação da tensão e excitação (AVR).
Figura 6 AVR – Regulador Automático de Tensão no gerador. [5].
Enquanto a potência ativa do gerador depende da potência do motor W20V32 e da eficiência
do gerador, a tensão e a potência reativa é regulado pelo sistema de excitação. [5].
A excitação sem escovas (bruschless) e do sistema de regulação de tensão consiste de um
regulador automático de tensão (AVR) como mostra a Figura 6, uma excitação e uma ponte
de diodos rotativas produzirá o campo magnético girante e com isto criará a tensão de saída
do gerador. Esta regulação é feita através da conversão da tensão por um sistema PWM, que é
uma onda modulada por largura de pulso, que controla o fluxo de corrente na carga, ora num
sentido, ora noutro. Um método é ligado a carga que medirá a tensão de saída e, quando seu
26
nível estiver diminuindo a chave IGBT5 será ligada e, quando a tensão aumenta o IGBT e
desligado.
Nota-se que, quando o motor está parado o disjuntor de interligação com a rede permanece
aberto e a referência de tensão e coletada do barramento principal UNET, com isto é iniciado a
excitação do gerador de modo a obter da tensão gerada e da tensão da rede com os mesmos
valores, para que possa ocorrer a sincronização do item 3.13.
Potência de excitação é retirado de transformadores de tensão ou enrolamentos auxiliares
montados no gerador e ainda poderá ser fornecida por fontes externas. Devido a um pólo do
ímã permanente no excitador, nenhuma fonte de energia externa é necessária para a excitação
inicial.
3.7 Potência
São três tipos de potência elétrica, potência aparente, ativa e, a reativa que não produz
trabalho, mas é importante para o sistema. A potência aparente é efetivamente a potência
gerada que será transmitida para o sistema. A potência ativa é utilizada para trabalho tanto
internamente como externamente. A potência reativa é a parcela utilizada para a magnetização
e não produz o trabalho. [9].
A potência do grupo moto-gerador, definida em kVA (potência aparente), está em relação
direta com a potência em HP (Horse Power) ou CV do MCI. O cálculo para definir a potência
do grupo gerador, são consideradas as perdas (rendimento do alternador) e a potência
mecânica do motor Diesel que será convertida diretamente em kW. O fator de potência (cosφ)
é uma função da carga que atualmente, o valor limite estabelecido como mínimo admitido
pelas concessionárias de energia elétrica é de cosφ = 0,92, instalações com fator de potência
inferior a 0,92 tem tarifas mais elevadas (multas) pois, para consumir uma determinada
quantidade de kWh, colocam em circulação uma corrente mais elevada do que seria suficiente
com um fator de potência mais alto. A corrente elétrica que percorre os circuitos
consumidores produz também a potência reativa (Indutiva ou Capacitiva).
5 O IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor, ou transistor bipolar de porta isolada - é um componente semicondutor de potência, que possui como principais características: alta eficiência, rápida comutação e facilidade de acionamento.
27
O rendimento do alternador (η) não é constante e se aproxima do seu valor máximo com a
carga entre 80% e 100% da potência máxima.
Em sistemas elétricos, a potência instantânea desenvolvida por um dispositivo de dois
terminais é o produto da diferença de potencial entre os terminais e a corrente que passa
através do dispositivo.
Isto é,
� = �. �
Equação 3.3 Potência instantânea. [9].
I é o valor instantâneo da corrente.
U é o valor instantâneo da tensão.
Potência elétrica pode ser definida também como o trabalho realizado pela corrente elétrica
em um determinado intervalo de tempo. Num sistema de corrente contínua em que I e U se
mantenham invariantes durante um dado período, a potência transmitida é também constante e
igual ao produto �. �. Nos sistemas em que I ou U são variáveis no tempo, é possível
determinar a potência média desenvolvida durante um intervalo de tempo a partir da
integração temporal da potência instantânea:
���� = 1� .� �()�
� . �(). �()
Equação 3.4 Potência média desenvolvida em um intervalo de tempo. [9].
I(t) = é o valor da corrente no instante t
U(t) = o valor da tensão no mesmo instante.
3.8 Potência Aparente
Se não se inclui o termo �� � que haveria que contemplar, devido ao fato de que a corrente e
a tensão estejam defasados entre si, obtemos o valor do que se denomina potência aparente ou
teórica � que se expressa em volt amperes (VA): [9]
28
� = ��. ��∗ Equação 3.5 Potência elétrica monofásica gerada. [9].
No qual ��∗entende-se como o conjugado do número complexo Ie.
É com base no valor desta potência (ou das correntes respectivas) que se faz o
dimensionamento dos cabos e sistemas de proteção das instalações elétricas. Na contratação
de fornecimento de energia elétrica é normalmente especificada a taxa de potência que
depende da potência aparente máxima a ser disponibilizada pelo fornecedor. Mas essa não é
a potência trifásica e sim a monofásica. Para calcular a potência trifásica basta na mesma
fórmula multiplicar também o resultado por raiz de três.
� = ��. ��∗. √3
Equação 3.6 Potência elétrica trifásica gerada. [9].
3.9 Potência Ativa.
No caso da corrente alternada (CA) senoidal, a média de potência elétrica desenvolvida por
um dispositivo de dois terminais pode ser determinada pela resolução da integral anterior, de
onde resulta o produto dos valores quadrados médios (RMS), ou eficazes da diferença de
potencial entre os terminais e da corrente que passa através do dispositivo com o cosseno do
seu ângulo de desfasamento. [9].
Isto é,
� = ��. ��. cos �
Equação 3.7 Potência ativa. [9].
Onde:
Ie – é o valor eficaz da intensidade de corrente alternada senoidal,
Ue – é o valor eficaz da tensão senoidal e φ é o ângulo de fase ou defasagem entre a tensão e a
corrente.
Cosφ – é denominado Fator de potência.
29
A energia transferida num determinado intervalo de tempo corresponde à integral temporal da
potência ativa. É esta a integração realizada pelos contadores de energia utilizados na
faturação de consumos energéticos de instalações.
3.10 Fator de potência Um fator essencial para a determinação da potência do motor Diesel é a potência ativa
absorvida pelos consumidores. O fator de potência (cos φ) indica a relação entre a potência
ativa e a potência aparente.
Na indústria elétrica recomenda-se que todas as instalações tenham um fator de potência cos φ
máximo, com o qual cos φ será mínimo e, portanto a potência reativa ou não útil será também
mínima. A integração no tempo da potência reativa resulta numa energia reativa, que
representa a energia que circula de forma oscilante nas instalações, mas não é consumida por
nenhum receptor. Em casos de consumidores especiais de energia elétrica (grandes
consumidores), esta energia pode ser contabilizada em VArh, é faturada adicionalmente à
energia ativa consumida. [7].
3.11 Potência Reativa
Existe também em CA outra potência, que é a chamada potência reativa cuja unidade é VAr e
é igual a:
$ = ��. ��. sin�
Equação 3.8 potência reativa. [9].
Numa instalação que apenas possua potência reativa, a potência média tem um valor nulo,
pelo que não é produzido nenhum trabalho útil. Diz-se, portanto que a potência reativa é uma
potência que não produz watts ativos e esta é utilizada apenas para magnetização das
máquinas indutivas.
3.12 Frequência
A frequência elétrica é uma grandeza física que indica quantos ciclos a corrente elétrica
completa em um segundo. Se ela não for à correta, os equipamentos elétricos não funcionam
ou funcionam de modo inadequado e não conseguirá a sincronização dos geradores com a
rede elétrica.
30
A frequência é gerada e dada pela rotação da máquina motriz a qual o gerador esta acoplado
dividindo-se pela quantidade de polos que o gerado possui:
' = (. �120
Equação 3.9 Fórmula da frequência elétrica. [7].
' = Frequência gerada
�= números de polos
( = Rotação da máquina motriz dado e RPM (rotação por minuto).
Diante disto é que determinamos a quantidade de polos de um gerador e a rotação da máquina
motriz, pois é determinada que a frequência em território brasileiro fosse de 606 Hz.
3.13 Sincronização
O sincronismo é para que as unidades geradoras possam ser interligadas a rede externa, que
no caso da usina estudada é com FURNAS, e despachar a produção de energia é preciso que a
tensão, a frequência e a sequência de fase do gerador estejam com os mesmo valores da rede
para a sincronização ocorra. O sincronismo pode ser feito em modo manual ou modo
automático. [5].
Este sistema de sincronismo é provido de equipamentos que fazem todo o processo de
regulação da tensão, de ajuste na velocidade da máquina colocando-a em mesma frequência
de rede. A sequência de fase é um item de projeto, pois a máquina motriz já é especificada
para um único sentido de rotação.
Para isto, o AVR fará todo o processo de sincronismo assim que receber o sinal advindo do
CLP do painel comum após verificar todas as condições de partida satisfatória e ordenará o
fechamento do disjuntor do gerador.
Quando o sincronismo for feito em modo manual o operador deverá fazer o ajuste descrito
acima através do painel principal que possui instrumentos que visualmente é possível verificar
6 Lei nº 4.454, de 6 de novembro de 1964 – poder Legislativo - dispõe sobre a unificação de frequência da corrente elétrica no país.
31
os valores, de tensão e da frequência são os mesmos da rede, auxiliando em uma manobra de
sincronismo.
Para que a sincronização ocorra é necessário manter a frequência de geração e a frequência da
rede igualmente ajustando-se, como mostra a Equação 3.9, a velocidade N da máquina motriz,
já que o número de polos da máquina é fixo.
A velocidade N da máquina motriz e ajustada automaticamente pela MCM (Módulo de
Controle Principal) do item 4.3.2, assim que surgir um novo pedido de carga, como diz a lei
Lenz, pois com o aumento de corrente no gerador, aumentará a corrente oposta à induzida,
que por sua vez aumentará o torque do gerador tendendo a diminuir a velocidade da máquina
motriz, e por isto é feito o ajuste automático enviando um comando para o sistema de injeção
de combustível.
3.14 Proteção do sistema elétrico
Em uma usina de geração termelétrica com motores Wärtsilä, toda a planta deverá ser
protegida e mantida as características construtivas do equipamento e garantido também a
integridades físicas das pessoas.
O sistema de proteção é uma das características mais importante de projeto, pois suas
instalações são de alto risco, onde serão geradas tensões, corrente elétricas e potências
elevadas, aumentado assim o risco de queima de equipamentos, explosões de transformadores
e disjuntores, curto circuitos, etc.
Em se tratando de geração de energia, como visto acima, para que o sistema possa produzir
energia é preciso que estes itens.
• Sobrecorrente;
• Sobretensão/subtensão;
• Sobrefrequencia/subfrequência;
• Fuga terra;
• Curto-circuito;
• Potência inversa;
• Subexcitação;
• Tensão residual;
32
Estejam protegidos e controlados. Por isto deverão ser tomadas algumas decisões a fim de
proteger a planta de modo a não comprometer seu funcionamento. Nota-se que são situações
que não desejamos para nosso sistema, estas são monitoradas por sensores e relés, que envia
os sinais para o CLP, gerando alarmes provisórios, para que o operador possa toma as
decisões necessárias a normalizar o sistema ou comandará a abertura e o desligamento
imediato do motor em uma falha mais grave. No anexo 1, demostra um esquema do circuito
de proteção para melhor detalhar a proteção dos equipamentos e como é feito a leitura do
consumo e despacho da energia.
3.15 Equipamento de proteção - relé
Figura 7 Relés de proteção e monitoramento (Vamp) [4].
Estes relés são para proteção de geração, transmissão e distribuição de energia e aplicações
industriais utilizados pela usina termelétricas da Wärtsilä. Relés protegem as mais diversas
causas, sobre/subcorrente, falha a terra, sobre/subtensão, diferencial de tensão, e uma proteção
que está sendo muito usual nos dias de hoje que é a proteção de arco elétrico, armazenamento
de históricos de alarmes, falhas e eventos. [4].
Os relés possui uma interface através do IHM e a comunicação com protocolos IEC 61850,
IEC 60870-5-103, IEC 60870-5-101, Modbus RTU, Modbus TCP, Profibus DP, DNP 3.0,
DeviceNet e SPA e TCP/IP através de uma conexão RJ-45 para comunicação via PC e online,
evitando assim acesso em locais restritos como subestação.
33
4 SISTEMA CONTROLE
As unidades auxiliares na central elétrica são operadas, principalmente, a partir de painéis de
controle locais. Partes dos dispositivos auxiliares específicos do motor são controladas a partir
do painel de comando no módulo auxiliar do motor, ou seja, anexos às unidades geradoras.
Algumas unidades auxiliares podem ser definidas para funcionamento no modo automático ou
manual. Se um interruptor de controle estiver definido na posição automático, a unidade é
colocada a funcionar e parar automaticamente de acordo com os sinais do sistema de
comando, proteção ou equipamento de instrumentação local. [5].
As seguintes unidades são controladas a partir do painel de comando no módulo auxiliar do
motor:
• Bomba de pré-lubrificação;
• Unidade de pré-aquecimento;
• Bomba de combustível;
• Bomba de retorno de combustível limpo;
• Bomba de retorno de combustível sujo;
• Aquecedor anticondensação do gerador;
4.1 Sistema de comando e controle.
O controlador lógico programável (CLP) é o núcleo do sistema de comando. O controlado
lógico programável é um hardware provido de um software que ao receber um dado de
entrada controlando logicamente suas saídas, executando um comando ou supervisionando
dados de variáveis do sistema através do programa supervisório WOIS (Wärtsilä Operator’s
Interface System). Estes dados podem ser digitais ou análogicos, onde os digitais são dados de
entrada para o comando de liga e/ou desliga, já os analógicos são dados de entrada que
controlam as variáveis do sistema em um range de valores predefinidos, e são convertidos em
sinais de corrente ou tensão, 4mA – 20mA; 0 V a 10 V respectivamente, isto faz com que os
equipamentos sejam controlados proporcionalmente de acordo com uma escala. Este sistema
inclui um CLP para cada grupo gerador e um CLP comum. Cada CLP inclui uma unidade
central de processamento (CPU) que contém funções de comando e um número de placas I/O
(Input/Output – entradas e saídas) para recolher e transmitir sinais de processo. Os CLP’s são
responsáveis por executar comandos e controlar, o arranque e paragem do motor, velocidade
do motor e controle de carga, controle da saída do gerador – tensão – sincronização, controle
34
dos sistemas auxiliares, gerar alarmes e realizar escalas de medição para a estação de trabalho
WOIS através de suas entradas analógicas. [5].
Figura 8 Configuração típica do sistema de controle e proteção das plantas Wärtsilä. [5].
Todos os PLC’s, relés de proteção, a estação de trabalho e outros equipamentos como
impressoras, fax, um access point para comunicação com WOIS mobile, estão
interconectados por meio de um Ethernet switch. A comunicação entre entres estes
equipamentos é executada com a rede ethernet (com protocolos ModBus sobre TCP/IP) e
configuração exata depende da quantidade de motores, I/O, métodos de comunicação e
exigências de controle.
4.2 Estação de controle (WOIS e WISE)
A estação de controle da usina termelétrica possui uma interface homem máquina capaz de
controlar e supervisionar todo o sistema através de sua sala de controle. Consiste de
supervisório interligado aos CLP comum, monitorando suas variáveis de controle com os
dados coletados em tempo real tanto em digital como analógica, mandar comandos ao CLP,
por exemplo, para reconhecer alarmes e carregar parâmetros e pontos de referência de pressão
e temperatura, visualizar as condições de partida das unidades, posições do disjuntor.
35
Ainda possui uma estação WISE (Wärtsilä Information System Environment) que armazena
os dados de geração por máquina, de produção de energia, potência reativa, consumo de
combustível, além de outros parâmetros importantes na geração, com os valores mínimos,
máximos e médios. [5].
Os valores são armazenados e podem ser lidos em qualquer momento por períodos diários,
mensais ou anuais, com indicações de tendências o que permite realizar um estudo sobre o
desempenho da máquina e emitir relatórios.
4.3 Mecanismo de controle
Os mecanismos de controle possui um sistema de gerenciamento chamado UNIC C1, com:
Figura 9 Layout dos mecanismos de controle dos motores Wärtsilä. [5].
LDU – Unidade de Display Local
LCP – Painel de controle local
ESM-Módulo de segurança do motor
MCM - Módulo de Controle Principal
PDM – Fonte de alimentação.
Estes são responsáveis por controlar e monitorar os parâmetros do motor e inicia todas as
ações necessárias sob as mais diversas condições. Estas ações podem variar de bloqueio de
partida, início de alarme, até a parada do motor em emergência. Por esta razão o sistema tem
um número definido de modos internos.
36
Os diferentes modos têm diferentes prioridades e as transições entre esses modos podem
ocorrer de acordo regras predefinidas a seguir:
� Segurança fundamental (sobre velocidade, pressão de óleo lubrificante, temperatura de
água de arrefecimento, etc.);
� Monitoramento local básico;
� Uma interface “Hardwired” para alarmes externos e sistemas de monitoramento;
� Controle de carga e velocidade (controle eletrônico de velocidade pelo MCM, se o motor
for equipado com atuador);
� Gerenciamento de partida e parada;
O sistema de controle de velocidade é projetado para:
� Atingir a mais alta confiabilidade possível, com componentes, sensores, projetados
especialmente para o ambiente onde o motor está montado;
� Reduzir o cabeamento ao redor do motor, com um ponto claro de interconexão e interface
padronizada;
� Fornecer um alto desempenho com controles pré-testados e otimizados;
O sistema de automação UNIC C1 é um sistema de gerenciamento incorporado ao motor que
tem um projeto modular, e algumas partes e funções é opcional na configuração do UNIC C1.
O sistema é especialmente projetado para as exigências dos locais onde os motores estão
montados. Dessa forma uma atenção especial é levada em conta no projeto para resistência, à
vibração e temperatura. [5].
4.3.1 Medição e proteção de excesso de velocidade (ESM)
Tem a função da segurança fundamental item 4.3 do motor, e é a interface para os
dispositivos de desativação e alguns instrumentos locais.
37
Figura 10 Módulo ESM. [5].
A velocidade do motor é medida com dois sensores de velocidade localizados no volante do
motor, e usando os sinais de velocidade, o módulo ESM calcula a velocidade do motor e usa
essa informação para as funções de velocidade e outros aspectos relacionados com a proteção
de excesso velocidade. [5].
A velocidade do motor é aferida através de dois sensores de velocidade independentes, nos
quais foram integrados circuitos de alimentação individuais e também com circuitos
individuais de detecção de falhas em sensores. Os sensores são do tipo PNP indutivo de
proximidade.
A frequência dos sensores de velocidade é convertida em tensões analógicas proporcionais à
velocidade rotacional, e ainda, os sinais de tensão são usados para acionar os circuitos do
trecho de sobre velocidade interna no ESM. Ambos os limites de sobre velocidade estão
fixados em 115% da velocidade do motor nominal. Qualquer anormalidade dos sensores é
enviado ao WOIS um alarme de avaria do sensor.
Para o controle da velocidade após a amostragem do sinal de velocidade e a comparação do
valor nominal, é feito a conversão em tensão ou corrente para ajuste da velocidade junto ao
MCM. É possível também ver o valor correto da velocidade no painel local LDU.
38
Sensor de velocidade do motor
(1)
Sensor de velocidade do motor
(2)
f/U
f/U
Deteção do sensor de
velocidade (2)
Excesso de velocidade 2 SHD
estado
Saída de velocidade do motor (2).
indicação local
Saída de velocidade do motor (1).
Ligado ao sistema externo
Excesso de velocidade 1SD
estado
Pulso de velocidade do
motorCircuito de dispara de
sobrevelocidade
Máximo selecionado
Comparação de avaria dos sensores
f//f
U//I ou U
U/I
Circuito de disparo de
sobrevelocidade
Deteção de avaria do
sensor
Falha de sensor de velocidade (2)
Falha no diferencial de velocidade
Falha de sensor de velocidade (1)
Sinal de velocidade interno
Excesso de velocidade (1)
Excesso de velocidade
Figura 11 Diagrama do circuito de medição e proteção velocidade do MCI. [5].
4.3.2 Controle de carga e velocidade (MCM)
Tem como funções a gestão de partida, parada, velocidade e carga do motor. Este módulo é
uma parte opcional do sistema, em caso de utilização de reguladores mecânicos. O módulo
MCM é um módulo de microprocessador versátil, configurável e de aquisição de dados. Tem
uma variedade de canais de medição analógicos e digitais, assim como várias saídas
analógicas e binárias. [5].
Figura 12 Módulo MCM de controle de carga e velocidade. [5].
MCM é um controlador de elevado desempenho e contém funções de diagnóstico da
integridade do sistema (como verificações da memória, vigilância da CPU, temperatura do
39
sistema), bem como verificações de E/S avançadas com base no processamento de sinais,
como a detecção de circuitos abertos/curto-circuitos e diagnóstico dos sensores.
O sistema de controle do motor possui três modos distintos de controle, o controle de queda
da velocidade, controle de compartilhamento isócrono de carga e o controle kW real. O modo
ativo é selecionado de acordo com o sistema de controle de cada planta e região.
Um controlador do tipo PID controla a injeção de combustível com base na diferença entre
velocidade medida e a carga atual ou de acordo com o modo de controle ativo e set point.
4.3.2.1 Modo de controle de queda de velocidade.
A velocidade fixa, com base na velocidade nominal do motor, é usada como ponto de
referência. A referência de velocidade interna do motor é reduzida linearmente com aumento
de carga (queda de velocidade), quando há variação é feito o ajuste na carga do motor em
conformidade com a curva de queda da velocidade, mantendo a mesma frequência da rede. É
possível também este modo está em manual, onde a velocidade e a carga são ajustadas no
painel principal, aumentando a injeção ou da diminuição de combustível da unidade geradora.
[5].
Figura 13 Gráfico do modo de controle de queda de velocidade. [5].
Um valor de queda demasiado baixo a carga oscila potencialmente e ser a queda for alta a
frequência reduz abruptamente com o nível de carga.
40
Temos então um circuito que mostra como é feito o ajuste da velocidade caso a mesma tende
a diminuir com aumento de carga no sistema ou aumentar com a diminuição de carga do
sistema.
Gerador-+-
PID MotorGovernador
Inclinação da velocidade
Referência de
velocidade
Controle Digital
Erro de Velovidade Saída mA.
Amostra da carga
Amostra da Velocidade
Figura 14 Controlador PID do controle de queda da velocidade. [5].
4.3.2.2 Modo de controle de carga (kW )
Este modo à carga é utilizada como referência, onde é mantida independente da carga e da
frequência interna ou da rede. O valor de carga é introduzido na estação de trabalho WOIS e a
mesma é aumentada gradativamente depois que o disjuntor estiver fechado, isto se for ao
modo automático, no caso de modo manual, o aumento de carga e feito no painel principal
com o aumento ou diminuição de injeção de combustível. [5].
Figura 15 Gráfico do modo de controle de carga. [5].
Se a frequência da rede não estive dentro do valor de velocidade predefinido como mostrado
na Figura 15, o modo KW mudará automaticamente para o modo de queda de velocidade.
Um circuito típico de uma malha PID para controle do modo de controle de carga.
41
Gerador+-
PID MotorGovernadorReferência kW
Controle Digital
Erro kW Saída mA.
Amostra de carga kW
Figura 16 Controlador PID do modo KW. [5].
4.3.2.3 Modo de controle isócrono
A velocidade nominal é mantida constante, independentemente das mudanças de carga do
sistema e, as unidades que estão neste módulo deverá ter a mesma referência de velocidade. A
saída do motor e determinada pela carga do sistema e não poderá ser ajustada manualmente,
sendo controlada pela excitação e pelo regulador de tensão AVR mantendo o nível de CC do
rotor a fim de compensar as alterações de carga do sistema. [5].
Figura 17 Gráfico do modo de controle isócrono. [5].
Quando há uma variação de carga o motor tende a diminuir a velocidade por causa do efeito
da lei de Lenz, que com aumento de carga do sistema o torque do motor deverá aumentar para
atende a demanda de carga exigida pelo sistema, isto é feito através dos módulos ESM e
MCM que irá manter o nível de controle de combustível ajustando a velocidade do motor.
42
Gerador-+-
PID MotorGovernador
Inclinação da velocidade
Referência de kW
Controle Digital
Erro de Velovidade
Saída mA.
Amostra da carga kW
Amostra da Velocidade
+-
Conversor
Amostra da carga
Erro de kW
Referência Velovidade
Figura 18 Controlador PID do modo isócrono. [5].
4.3.3 Monitoramento do motor e as funções de segurança
Sensores instalados no motor são ligados ao UNIC C1 processando estes sinais e enviando
para o CLP para controle de bloqueio no inicio a ativação de alarmes, a redução da carga,
monitoramento das variáveis como: velocidade, temperatura, pressão, desligamento e parada
de emergência. [5].
Figura 19 Sensor de monitoramento das variáveis elétricas. [5].
Antes do sistema de controle da planta ativar um pedido de início, ele verifica se o motor está
pronto para partir, com isto, a partida não será permitida se, o processo de partida e parada ou
outras condições necessárias não são cumpridas.
A unidade UNIC C1 e o CLP geram alarmes, que serão transmitidos para o WOIS da planta,
como por exemplo:
� Falha de sensor.
� Alta temperatura no gás de exaustão de um cilindro.
� Falha na tentativa de partida.
� Alta temperatura de ar de carga.
� Alta pressão no Carter.
� Sobrecarga do motor
43
Alguns alarmes, por exemplo, alta temperatura do gás de exaustão, dará início a uma redução
de carga. Incidentes mais graves, como pressão no cárter, alta temperatura gás de exaustão do
cilindro, alta temperatura no cilindro, ou alta temperatura do rolamento principal irá ativar um
mecanismo de desligamento imediato, ou ainda se houver uma sobrecarga do motor, excesso
de velocidade do motor, ou se ambos os sensores de velocidade falharam.
4.4 Modos de operação
O comando de partida das unidades geradoras parte das estações WOIS por um operador, e
para isto são necessárias que os itens de condições de partida estejam liberados, itens como:
temperatura de água de resfriamento e óleo lubrificante, pressão de água de arrefecimento,
pressão óleo lubrificante e de óleo combustível, pressão de ar de partida e de controle. [5].
Estas condições são enviadas pelos painéis de controles locais para o CLP do painel comum
da sala de controle, se alguns dos itens não estiverem em condições, será interrompida a
partida do motor até que seja reestabelecido a condição normal de funcionamento.
Outros itens também impedem que o motor possa entrar em funcionamento, é a proteção do
AVR ativada, o motor de giro lento engatado, a emergência ativada etc.
Com as condições satisfeitas o motor entra em funcionamento, e após 10 segundo é feito à
sincronização automática com o barramento principal, como consta no item 3.13.
A carga é aumentada automaticamente de acordo com um dos modos selecionados do item
4.3.2, ou com ajuste através da estação de controle pelo operador a pedido de ONS ou do
responsável local pelo gerenciamento do sistema elétrico.
Para que se possa despachar a energia gerada, é preciso um pedido do órgão responsável pelo
o gerenciamento de distribuição de energia e está registrado na mesma e com as condições
imposta para o funcionamento de usinas termelétricas estejam em dia.
Quando se necessita parar o motor é dado um comando e a unidade geradora começa
automaticamente a descarregar até um limite de carga abrindo o disjuntor, funcionando a
vazio por um período para o resfriamento do motor. Se a unidade trabalha em modo de queda
da velocidade, o operador reduz até o limite de carga e dar o comando de abertura do
disjuntor manualmente antes de para o motor.
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É possível também parar a máquina através da botoeira de emergência no painel principal e
painel local, isto faz com que a máquina desativa imediatamente.
O que faz a frequência sair de 60Hz? Basta entender a fórmula matemática da equação
dinâmica, para um sistema em perturbação.
�+� =
+2, . (�� −��)
Equação 4.1 Fórmula da relação entre a potência mecânica e potência elétrica exigidas. [7].
Onde:
+ = Velocidade angular em radiano por segundo (proporcional à rotação da máquina)
, =Constante de inércia em segundos
= Tempo em segundos.
�� = Potência mecânica imposta pela máquina primaria.
�� = Potência elétrica solicitada pelo Sistema.
Verifiquem que �-�. é a derivada da velocidade angular em função do tempo, ou seja, em
regime permanente, aonde �� =�� a derivada é zero, sendo assim a frequência fica constante
+ = 2. /. '
Equação 4.2 Velocidade angular.
Onde a frequência é diretamente proporcional à velocidade da máquina e inversamente
proporcional a inércia. Com máquinas de alta potência e com eixos pesados tem uma inércia
maior, o que em consequentemente tem uma menor variação da velocidade �- �.⁄ . Portanto
para que haja um desequilíbrio, é necessária uma variação do �� ou do ��. No aumento de
carga �� a derivada é negativa, e ocorre uma diminuição da velocidade e da frequência.
No alivio de carga ��a derivada é positiva, e ocorre um aumento da velocidade e da
frequência, não podendo variar + - 0,1 Hz, exigência esta do órgão regulamentador do Setor
Elétrico Brasileiro (Aneel).
Quem controla então a frequência? É o regulador de frequência UNIC C1 através do MCM e
pode funcionar em três modos descritos nos itens 4.3.2.1, 4.3.2.2, 4.3.2.3, sendo:
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Controle de KW: É o modo de operação em que a máquina esta rodando com uma carga
constante e as variações de carga no sistema externo não afetam o valor da potência em que a
máquina esta trabalhando, é como se o Pe não tivesse variação. Ou seja, neste modo de
operação o regulador de velocidade não irá controlar ou contribuir para as variações das
frequências do sistema externo.
Controle da inclinação da velocidade: Neste caso o sistema externo determina a frequência
do sistema, sendo que a máquina esta em paralelo com outras máquinas, e o aumento ou
decréscimo da velocidade de referência mudará a frequência, em regime permanente, aonde
P2 =P3 a derivada é zero, sendo assim a frequência fica constante w = 2. π. f.
Modo de controle isócrono: Neste caso, como sendo a velocidade nominal fixa e
consequentemente a frequência invariável, e poderá haver aumento ou diminuição de carga na
rede, causando diferença entre �� e ��, com isto, é preciso que o módulo MCM corrige a
variação de velocidade da máquina motriz através do controle de injeção de combustível do
motor, mantendo �� =��.
Wärtsilä evita operar no modo da inclinação da velocidade em lugares que a frequência do
sistema é instável.
Uma das regiões onde isto acontece é Manaus, esta região não possui uma referência concreta
de frequência, sendo toda a energia gerada por pequenas centrais termelétricas e PCH’s , onde
todas operam em suas cargas máximas para suprir a demanda, uma vez que em Manaus a rede
não é interligada com a rede nacional de energia elétrica, ficando em modo ilha, que com a
queda de geração ou até mesmo uma pequena alteração de carga de alguma das usinas, altera
todo o sistema, podendo derrubar todo o sistema de geração pelo efeito cascata.
Toda vez que a frequência variar em + - 0,5 Hz (60 + - 0,5 Hz), a planta muda de controle de
KW para o modo de queda de velocidade em 100 milissegundos e retorna ao modo de
controle KW em 15 segundos, se estabelecida a frequência.
Não se recomenda uma variação menor do que + - 0,5 Hz, em razão da flutuação do sistema,
por que:
• Aumenta o consumo de combustível.
• Aumenta o desgaste nos racks e do atuador do governor de injeção de combustível.
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• Aumenta o desgaste nas bombas injetoras.
4.4.1 Como controlar a potência reativa.
Quando dois geradores elétricos estão em paralelo suas velocidades são múltiplas de seus
pares de polos como consta no item 3.11, a tensão de geração é a mesma, a potência ativa
absorvida pelo sistema é a soma das potências ativas fornecidas pelos geradores, a potência
reativa absorvida pela rede é igual à soma das potências reativas fornecidas pelo conjunto das
máquinas.
Considerando a potência ativa (P) constante, o que sucede se houver uma variação na
excitação da máquina, é que o ponto C, só pode se deslocar sobre o eixo de mesma potência
ativa, pois a potência do motor é constante. O ponto de funcionamento é obtido pela
intercessão do eixo X, com a circunferência de raio E, centro O1, a intensidade da corrente
debilitada pelo gerador e sua defasagem são determinadas pelo vetor OC.
Figura 20 Diagrama das potências.
Quando o ponto C está situado á direita do eixo da potência ativa, I está defasada em atraso, o
gerador elétrico está sobre-excitado e fornece potência reativa.
Figura 21 Diagrama de um gerador sobre-excitado.
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Quando o ponto C esta sobre o eixo da potência ativa, temos cos (φ) = O1 a energia reativa
fornecida é nula.
Figura 22 Diagrama de um gerador com potência reativa nula.
Quando C está á esquerda do eixo da potência ativa, a intensidade de corrente está defasada,
porém em avanço. O gerador elétrico está sub-excitado e absorve potência reativa do sistema.
Figura 23 Diagrama de um gerador sub-excitado.
Quando diminuímos a corrente de excitação a corrente do estator proporcional a OC diminui,
passa por um mínimo e depois começa a crescer. Podemos então variar a potência reativa
fornecida a um sistema, através da corrente de excitação. No entanto a excitação, não tem
nenhuma influência sobre a potência ativa, que só pode ser modificada pelo regulador de
velocidade.
4.4.2 Modo de controle da tensão
O regulador de tensão pode funcionar em dois modos: controle FP e queda de tensão.
O Regulador de tensão tem função similar ao regulador de Velocidade, mais os parâmetros
são diferentes. No regulador de velocidade a frequência é controlada, controlando a injeção de
combustível, no caso do regulador de tensão a intenção é controlar a voltagem, através do
controle da corrente de excitação do gerador elétrico, indo ao final controlar a potência reativa
que a máquina irá fornecer ao sistema.
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Considere duas máquinas de uma mesma planta, em paralelo.
O primeiro gerador debita uma corrente I1 sobe a tensão U, defasada de φ1, o outro sob a
mesma tensão U, debita uma intensidade de correntes I2, defasada de φ2 em relação a U.
O resultado será a resultante vetorial dos parâmetros e, será percorrida pela corrente I,
defasada de φ em relação a U.
Figura 25 Diagrama de dois geradores em paralelo com ângulos defasados.
Para regular a intensidade e a defasagem de um gerador elétrico é agindo sobre a excitação,
deformando o paralelogramo das intensidades de corrente, conservando, no entanto a mesma
resultante. Desta maneira se conclui que um gerador pode trabalhar com o cos (φ) em avanço
e o outro com o cos (φ) em atraso. A regulação é a melhor possível , quando os ângulos de
defasagem são iguais, a corrente então no barramento é a soma aritmética das correntes de
cada máquina. Para isso o operador deve diminuir a excitação da máquina de maior cos (φ) e
aumentar simultaneamente, e excitação da máquina de menor cos (φ).
Figura 24 Diagrama de dois geradores em paralelo.
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Neste caso φ1 = φ2 e I1 = I2.
Figura 26 Diagrama de dois geradores em paralelo com mesmo FP.
Controle do fator de potência FP é um método de controle da excitação do gerador elétrico,
para manter constante o fator de potência do Gerador Elétrico.
Controle de queda de tensão similar ao controle de queda de velocidade, a intenção neste caso
é controlar a tensão através da corrente de excitação e fazer o movimento da potência reativa.
As mudanças na carga reativa, serão neste caso compensadas proporcionalmente as
necessidades do sistema em paralelo com outras máquinas e respeitando os limites técnicos do
gerador elétrico.
Wärtsilä evita operar no modo de operação de queda de tensão, em razão de que nem sempre
se tem uma divisão compartilhada na mesma proporção com as outras máquinas, protegendo
o gerador elétrico de obter menor desgaste por injeção de correntes no rotor e estator do
gerador.
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5 CONCLUSÃO
Este trabalho tem mostrado os princípios básicos de operação, controle e proteção de usina
termelétrica com motores a combustão interna e as particularidades dos equipamentos
específicos da empresa como no item 4.
A operação de usinas termelétricas com este tipo de equipamento vem sendo muito utilizado
nos últimos anos devido a sua rápida instalação e, em locais mais próximos a seus
consumidores finais reduzindo os custo de instalação de linha de transmissão. Caso haja uma
necessidade de aumento da capacidade de geração, esta poderá sofre as alterações em curto
prazo, já que, suas instalações são modulares.
Estas plantas também podem atuar como back-up de rede, suprir de carga de pico e utilizadas
em pequenas empresas que necessitam de energia sem interrupção. Outro fator muito
importante é que poderá consumir variados tipos de combustíveis, aumentando sua
capacidade diária de geração de energia por hora, uma vez que, com a falta de uns dos
combustíveis outro poderá suprir esta demanda.
Por serem máquinas que trabalham com alto torque, elevadas temperatura e pressão, ciclo de
queima do combustível, alta tensão e o sincronismo com a rede, estas são monitoradas e
protegidas a qualquer variação do seu valor nominal que venha a comprometer seu
funcionamento, protegendo não só os equipamentos mais também pessoas que ali trabalham.
O sistema de controle é a parte fundamental das usinas termelétricas, sem elas não é possível
fazer com que as planta sejam conectadas a rede externa, ou seja, as concessionárias ou rede
de transmissão e distribuição, fazer o controle de carga e velocidade de acordo com o
necessário e/ou exigido pelo sistema. O controle possui o seus modos de controle, que são
ajustados de acordo com cada região devido às variações do sistema externo, como dito no
item 4.4, que diz respeito o estado de Manaus, que por não possuir uma interligação com o
sistema elétrico brasileiro, há uma variação significativa de frequência, tendo com isto, uma
maior preocupação com suas proteções e controle. Os tipos comuns utilizados são controle de
carga, onde a carga é utilizada como referencia e independente do sistema, a mesma tende a
permanecer constante, controle de compartilhamento de carga, sendo que a velocidade
nominal do motor é a referencia na geração que com aumento ou diminuição de carga a
velocidade também varia sendo ajustada pelo módulo MCM, com monitoramento dos
sensores de velocidade e lidos pela ESM e, todas as máquinas ligadas deverão está com esta
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configuração. O mais usual é o controle de compartilhamento de carga, onde a velocidade
nominal é mantida constante através de seu controle de velocidade MCM, pois com a variação
de carga o motor tendendo a diminui ou aumentar a velocidade do motor e consequentemente
à frequência de geração, podendo até sair de sincronismo com a rede, é feito então o ajuste
pelos módulos de controle mantendo a frequência da rede e velocidade da máquina.
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6 REFERÊNCIA
1. ONS. Operador Nacional do Sistema Elétrico. [Online] www.ons.org.br.
2. ANEEL . Agência Nacional de Energia Elétrica. [Online] www.aneel.gov.br.
3. AVK. Cummins Generator Technologies Germany. Generator Technologies. [Online]
2011. http://www.cumminsgeneratortechnologies.com/en/.
4. Vamp. VAMPSET. s.l. : VAMP.
5. Wärtsilä. W32. [manual] Finlândia : Wartsila, 2009.
6. KOSOW, Irving Lionel. Máquinas elétricas e Transformadores. Porto Alegre, Rio de
Janeiro : Globo, 1982.
7. LORA, Electo Eduardo Silva e NASCIMENTO, Marco Antônio Rosa do. Geração
Termelétrica: Planejamento, Projetos e Operação. Engenho Novo, Rio de Janeiro :
Interciência, 2004. 8571931054.
8. IEC. Rotating electrical machines. Geneva, Switzerland : IEC, 2004. 2-8318-7455-6.
9. YOUNG, Hugh D. e FREEDMAN, Roger A. Fisica III, Eletromagnetismo. São Paulo,
SP : Addison Wesley, 2004. 85-88639-04-1.
10. SADIKU, Matthew N. O. Elementos de Eletromagnetismo. Porto Alegre, RS : Bookman,
2004. 85-363-0275-5.
53
ANEXO 1:
Figura 27 Layout do circuito de ligação do relés de proteção do sistema elétrico. [4].
54
ANEXO 2:
Figura 28 Visão geral do Sistema. [5].