PERDAS DE RENDIMENTOS NAS MÁQUINAS SÍNCRONAS EM FUNÇÃO DAS INTERFERÊNCIAS DE HARMÔNICOS TEMPORAIS QUANDO INTERLIGADAS AO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA.

Transcrição

1 PERDAS DE RENDIMENTOS NAS MÁQUINAS SÍNCRONAS EM FUNÇÃO DAS INTERFERÊNCIAS DE HARMÔNICOS TEMPORAIS QUANDO INTERIGADAS AO SISTEMA EÉTRICO DE POTÊNCIA. Manoel Berto Alves, MSc.* Prof. ucano Martns Neto, Dr Edval Delbone, MSc. Empresa Metropoltana de Águas e Energa Unversdade Federal de Uberlânda - UFU Empresa Metropoltana de Águas e Energa Brasl Brasl Brasl 1 RESUMO O setor elétrco mundal apresenta preocupações com o uso da energa cada vez mas raconal e otmzada, tendo em vsta as dfculdades, de expandr a oferta de energa por falta de recursos tecnológcos e até fnanceros, contudo enfatzando as fontes geradoras. Nesse trabalho apresentamos a preocupação com a geração de energa elétrca através das máqunas síncronas, operando em sstemas elétrcos de potenca, onde as ondas das tensões e correntes, não são mas ondas senoídas. Em função de estarem almentando cargas não lneares, as quas são responsáves pela geração das nterferêncas harmôncas. Cresceu assustadoramente a utlzação da eletrônca de potenca para cração de equpamentos e sstemas. Portanto buscamos nesse estudo, o porque das perdas de rendmentos que vem ocorrendo nas máqunas síncronas. Essas perdas que resultaram na ordem de aproxmadamente 8%, são devdas ao aumento das perdas no cobre e no ferro, tendo em vsta o aquecmento adconal que aparece nas máqunas elétrcas em geral. Portanto do ponto de vsta da efcênca energétca para geração do mesmo montante de energa que era gerado no passado, há hoje a necessdade de aumentarmos o combustível em pelo menos 10%. Dante da necessdade da obtenção de ganhos em efcênca e produtvdade, os consumdores tendem a buscar por equpamentos mas modernos, sem se preocuparem que esses propcem a geração dos conteúdos harmôncos, sendo anda essa busca assocado à redução da potenca atva (consumo). Os equpamentos em operação com essa eletrônca de potenca, devdo à suas característcas não lneares, consttuem ser eles as própras fontes de problemas e deteroram a qualdade do suprmento de energa elétrca. Porem a busca pela redução da potenca atva é atendda, mas do ponto de vsta da geração de energa elétrca, exstem as empresas de geração que estão pagando essa conta, por conta das perdas causadas pelos conteúdos harmôncos que são ntroduzdos no sstema elétrco em vrtude da utlzação de equpamentos com eletrônca de potenca. 1.1 Palabras clave: Conteúdos harmôncos, Máqunas Síncronas; cargas não lneares. 2 INTRODUÇÃO - Nesse trabalho apresentamos a preocupação com a geração de energa elétrca através das máqunas síncronas, quando operando em sstemas elétrcos de potenca, onde as ondas das tensões e correntes, não são mas, ondas senoídas. Em função de estarem almentando cargas não lneares, as quas são responsáves pela geração das nterferêncas harmôncas. A presença de harmôncos em sstemas elétrcos de potênca não é um fenômeno novo. Esforços para lmtar o conteúdo de harmôncos para proporções acetáves já eram uma preocupação dos engenheros da comundade da área de potênca no níco do século passado. Naquela ocasão, a dstorção era causada tpcamente pela saturação magnétca de transformadores, e ou por certas cargas ndustras, como fornos a arco, soldadores a arco. Portanto o estudo buscou uma nova modelagem de máqunas síncronas em operação nos sstemas elétrcos de potenca com conteúdos harmôncos de DTH acma de 1.5%, sendo nessa nova modelagem colocado * Dreccón postal completa del Autor prncpal (opconal) e-mal (oblgatoro)

2 2 nas equações para cálculos das máqunas síncronas as parcelas dos conteudos harmôncos. Que resultaram nas novas especfcações dos equpamentos (Máqunas Síncronas) bem como dos seus auxlares entre eles, destacamos os sstemas de exctação. Onde na maora das vezes são compostos por eletrôncas de potenca, sendo possvel verfcar nessa nova modelagem a perda no rendmento quando não é consderado os conteudos harmôncos. 3 DESENVOVIMENTO Para desenvolvmento, foram ntroduzdos nas equações de modelagem da Máquna Síncrona parcelas referente aos harmoncos, bem como utlzado software de smulação para comprovação da nova modelagem. 3.1 Desenvolvmento smplfcado da modelagem, conforme dagrama fgura 1 e equação da máquna síncrona fgura 3: Fgura 1 Dagrama Elétrco da Máquna Síncrona Fgura 2 Equação da Máquna Síncrona v e B e A B A 1A

3 3.2 PARA SIMUAÇÃO FOI UTIIZADO O MODEO DE UM GERADOR SÍNCRONO COM PÓOS SAIENTES E HARMÔNICOS ESPACIAIS E TEMPORAIS A partr do software de smulação, foram acrecentados e parametrzados de um gerador síncrono com pólos salentes e harmôncos, conforme fguras apresentadas a segur. <a> <b> Tm Campo Tm Vf Modelo de Gerador Sncrono m <c> <w> Correntes do Estator a b c A B C A B C M1 Barramento velocdade MS [Vabc] V [Iabc] I PQ Potênca Atva e Reatva PQ_M1 Correntes do Rotor M1 Te Fgura 3 Dagrama de confguração da Máquna Síncrona no MATAB. Fgura 4 Tensões (kv) no gerador e carga e correntes (ka) na carga ( harmônco 1 ) 3

4 Fgura5 Correntes (ka) no gerador (harmônco 1 ) Fgura 6 Torque (knm) no gerador ( harmônco 1 ) A partr do dagrama a segur (fgura 7), pode-se analsar a condção, onde o gerador faz parte de um sstema elétrco composto de um barramento nfnto conectado ao sstema eléctrco por uma lnha de tranamssão, e um conjunto de cargas lneares e não lneares, conforme fgura 7. 4

5 Fgura 7 - Dagrama da Máquna Síncrona em Barramento Infnto poludo com cargas geradoras de harmôncos. Embora as correntes no gerador estejam vsualmente senodal, mplcando no desvo das correntes da carga não lnear para o barramento nfnto, o resultado do torque nstantâneo mostra o contráro. A osclação de conjugado ndca que um percentual da carga não lnear está sendo suprda pelo gerador. Fgura7 - Tensões (kv) no gerador e carga e correntes (ka) na carga ( harmônco 33 ) 5

6 Fgura8 Correntes (ka) no gerador ( harmônco 33 ) Fgura 9 Torque (knm) no gerador (harmônco 33) Observa-se uma osclação em maor freqüênca nos valores nstantâneos do conjugado e das correntes no gerador, característco da nfluênca dos harmôncos. O ponto mas mportante se refere ao aumento na ampltude da osclação de baxa freqüênca no conjugado. Sem os harmôncos verfca-se uma osclação de mas ou menos 2 knm em 175 knm. Com os harmôncos a osclação aumentou em mas de 10 vezes, passou para mas ou menos 25 knm em 175 knm. Verfcado no expermental a comprovação do aumento da osclação no conjugado. Contudo no cálculo do rendmento apresentou uma perda. Também fo observado que para manutenção do rendmento houve a necessdade de aumentar a potenca do conjunto turbna gerador em aproxmadamente 10% para mesma carga atva gerada, ou seja, nos smulados e expermentos também apresentou essa varação quando a carga do sstema é não lnear. 6

7 3.3 TESTES EXPERIMENTAIS A bancada de teste compreendeu em uma máquna prmára (motor cc), um gerador síncrono de 3kW, grupo trfásco de resstêncas (carga lnear), retfcador trfásco de onda completa almentando uma resstênca (carga não lnear), torquímetro para transformar valor nstantâneo de conjugado em tensão elétrca, oscloscópo para medr valor nstantâneo de corrente no gerador e do snal de tensão proporconal ao valor do conjugado. Foram fetos dos ensaos, um com carga resstva e outro com a carga não lnear. Os resultados de corrente em uma fase do gerador e de conjugado estão apresentados nas fguras 10 e 11. Fgura 10 Carga lnear Nessa fgura observado que com a carga lnear o torque fcou entre 5,5 e 6N.m, bem como a corrente não apresentou snas de dstorção harmôncas. Fgura 11 Carga não lnear Na fgura a segur fo colocado as cargas não lneares na mesma proporção da carga lnear, sendo o resultado apresentado na fgura 11. Onde confrmou com o smulado a varação no conjugado. 7

8 4 CONCUSÃO O estudo comprovou a necessdade de revsão dos concetos para modelagem de máqunas síncronas, uma vez que a operação da máquna síncrona em ambente não senodal vem apresentando perdas consderáves, as quas necesstam de reposção no torque da máquna motrz para mesma necessdade de geração de potenca atva, frente a uma carga lnear, onde as harmôncas consderadas e exstentes são apenas as espacas, que tendem a zero, fcando em evdenca a frequênca fundamental, que as poluções de harmôncos temporas produzdos pelas cargas não lneares.. 5 REFERÊNCIA BIBIOGRÁFICA [1] Uma análse da Saturação Magnétca em uma Máquna de Indução Trfásca Através de seus Termnas Elétrcos." XII CBA, Setembro de 98, Uberlânda, MG; [2] Analyss of a Three-Phase Inducton Machne Includng Tme and Space Harmonc Effects: The A, B, C Reference Frame"; recomendado para apresentação no Summer Meetng 1998 e aprovado pelo Comtê de Máqunas Elétrcas do "IEEE - Power Engneerng Socety" para publcação no "IEEE - Transactons on Energy Converson", EUA, Outubro Artgo: PE-154-EC ; [3] Slva, R. V. R.;Neto,. M.; Mendonça, R.G.;Paula, S. C. M.; Andrade, D. A. - Performance Analyses Inducton Motor Wth Saturaton Fed by na Inverter - IEEE - CCECE 2001 Canadan Conference on electrcal & Computer Engneerng May, 13-16, 2001 Toronto Ontáro Canadá; [4] Mendonça, R. G.; Neto,. M.;Slva, R. V. R.;Paula, S. C. M. - Three-Phase Inducton Generator Feedng a Sngle-Phase Electrcal Dstrbuton System Tme Doman Mathematcal Model - IEEE ACEMP 2001 Internatonal Aegean Conference on Electrcal Machnes and Power Electroncs Jun, 27-29, 2001 Kusadas Turkey; [5] Power System Stablty and Control;Kundur,Prabha - (vro contendo dversos aspectos relaconados a aspectos de controle e establdade do sstema elétrco, consderando modelagem de sstemas de controle de geradores ndvdualmente e com grupos de undades em operação.o lvro aborda pontos de nteração sstêmca com controle de geração); [6] Power Generaton Operaton and Control;Wood,Allen J.;Wollenberg,Bruce F. - ( vro voltado para estudos de aspectos nerentes a operação de geração hdro/térmca com destaque para a abordagem sstêmca do novo modelo setoral); [7] Power System Control and Stablty ; Anderson P.M,Fouad AA - (vro sobre modelagem da dnâmca dos geradores ntegrados no sstema de potênca); [8] Intelgênca Artfcal; Elane Rch; [9] Programação em ógca e a nguagem PROOG; Marco A. Casanova, Fernando A. C. Gorno, Antôno. Furtado; [10] Aproche ogque de 'ntellgence Artfcelle; A. Thayse & Co-Auteurs; [11] Intelgênca Artfcal e Sstemas Especalstas; Robert I. evne, Dane E. Drang, Barry Edelson; [12] Electrcal Power Dstrbuton and Transmsson; uces M. Faulkenberry; Walter Coffer; 8

9 [13] Electrcal Characterstcs of Transmsson ne; Wolfgang Hlberg; Harold A. Wheeler; [14] Electrcal Transents n Power System; Allan Greenwood; Jonh. Wley & Sons, second edton, [15] Power Engneerng Summer Mettng 1999 IEEE: IEEE Power Engneerng Socety, Sponsor (Power Engneerng Socety Summer Mettng 1999); IEEE Power Engneerng Socety; [16] Recommended practce for Montorng Eletrc Power Qualt; IEEE Power Engneerng Socety; [17] Eletrc Power Qualt Control Technques; Wlson E., PH.D. Kazbwe Musoke H., PH.D. Sendaula (vro Voltado para Controle da Qualdade de Energa); [18] Eletrc Power Systems Qualt; MCGRAW-HI Professonal Engeneerng Seres; Beaty, H. Wayne; Mcgranaghan, Mark F.; Dugan, Roger C; Santoso, Surya; MCGRAW - HI Profess (vro Voltado a Qualdade de Energa); [19] Eletrc Power Systems Qualt; Dugan, Roger C; MCGRAW-HI Profess (vro Voltado a Qualdade de Energa); [20] Power Qualt Solutons Case Studes for Trobleshooters; Porter Gregory J.; Farmount Book, td (vro Voltado a Qualdade de Energa em contngêncas); [21] Sstema Especalsta para Comando, Controle, Proteção e Supervsão de Usnas e Suas Subestações; Alves Berto M. (Tema de Mestrado pela Unversdade Federal de Uberlânda UFU - Brasl). 9