Sistemas de formação para a engenharia eletrotécnica

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1 Sistemas de formação para a engenharia eletrotécnica A rede de fornecimento completa com energias renováveis 3.ª edição

2 Índice Qualificação pela qualidade Sistemas de formação para a engenharia eletrotécnica... 4 Apresentar conteúdos didáticos complexos com vivacidade Ambiente de aprendizagem baseado em computador... 5 Labsoft Classroom Manager... 6 SCADA Software PowerLab... 7 Desde a produção ao consumo de energia Redes de energia inteligentes no futuro... 8 Sistemas interligados em rede no laboratório de engenharia eletrotécnica Um olhar de relance Mais do que um sistema de formação Solução completa para laboratório de engenharia eletrotécnica... 14

3 Índice Fundamentos da engenharia eletrotécnica Tecnologia de corrente contínua, alternada e trifásica (UniTrain-I) Magnetismo/eletromagnetismo (UniTrain-I) Medição com o multímetro (UniTrain-I) Redes e modelos de rede (UniTrain-I) Transformadores de corrente e de tensão Produção de energia Geradores síncronos trifásicos (UniTrain-I) Controlo de geradores e sincronização Proteção para geradores Produção de energia renovável Sistemas fotovoltaicos (UniTrain-I) Sistemas fotovoltaicos Nível avançado Turbinas eólicas Tecnologia das pilhas de combustível (UniTrain-I) Tecnologia das pilhas de combustível Nível avançado Transformadores Transformador trifásico (UniTrain-I) Análises em transformadores Proteção de transformadores Transmissão de energia Análises em linhas de corrente trifásica Linha com sistema com neutro compensado mediante bobina de extinção Sistemas de transmissão com gerador síncrono Análises em cabos trifásicos Proteção de linhas Distribuição de energia Sistema de barramento duplo trifásico Proteção contra sobreintensidades para barramentos Gestão de energia Consumidores complexos, medição do consumo de energia e monitorização de cargas de pico Consumidores dinâmicos Compensação automática e manual da potência reativa Acionamentos com eficiência energética Proteção de consumidores elétricos Smart Grid Smart Grid: Centro de controlo Smart Grid: Gestão de energia Produtora de energia na Smart Grid Acumulador de energia na Smart Grid

4 Qualificação pela qualidade Sistemas de formação para a engenharia eletrotécnica Progresso técnico... A revolução energética em direção às energias renováveis, cortando com o carvão, o petróleo e a energia nuclear, entra em velocidade de cruzeiro. Hoje em dia, a tecnologia está de tal maneira avançada que a energia solar, a energia eólica, o hidrogénio e a biomassa já são utilizáveis como fontes de energia amigas do ambiente. Para que a tendência não se inverta, são procurados, em todo o mundo, profissionais técnicos com uma excelente formação. A produção, o transporte e a distribuição de energia, a par da proteção de instalações técnicas e da utilização sustentável dos recursos energéticos, estão atualmente nas bocas de toda a gente em virtude das chamadas redes inteligentes (smart grids)!... com enorme impacto sobre a formação O sistema didático da, no domínio da engenharia eletrotécnica, permite que o pessoal docente transmita ao formando as correlações tecnológicas da engenharia eletrotécnica de uma forma fácil de abarcar e eminentemente prática. A engenharia eletrotécnica compreende as áreas de produção, transmissão, distribuição e utilização de energia elétrica, além da tecnologia de proteção para essas áreas. O sistema é extremamente variável, podendo ser adaptado a qualquer momento, sem quaisquer problemas, às diferentes exigências da formação de especialistas, técnicos ou engenheiros. As vantagens para si Extenso programa completo desde a produção de energia, passando pela tecnologia de distribuição, até à utilização dos recursos energéticos Integração das energias renováveis na engenharia eletrotécnica convencional Monitorização e controlo por meio de SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) Sistema de experiências modular para uma abordagem experimental gradual das correlações dos sistemas A estrutura em barramento de todos os níveis de tensão permite uma configuração rápida e fácil da experiência Reprodução realista de uma linha de transmissão de 380 kv, com 300 km e 150 km de extensão Utilização de equipamentos industriais normalmente disponíveis no comércio na tecnologia digital voltada para o futuro Elevada segurança no trabalho através do uso exclusivo de tomadas e cabos de segurança Tecnologia de proteção para todas as áreas da engenharia eletrotécnica 4

5 Apresentar conteúdos didáticos complexos com vivacidade Ambiente de aprendizagem baseado em computador - LabAssistant interativo (ILA) Durante a realização das experiências, o formando é assistido pelo LabAssistant interativo (ILA). Este assistente não só dá instruções a respeito da experiência, como também fornece informações teóricas valiosas, regista os valores medidos e gera automaticamente em segundo plano a documentação de laboratório necessária, sob a forma de documento impresso ou documento PDF. Se quiser personalizar a forma como a instrução é dada, basta usar o LabSoft Classroom Manager para modificar ou adicionar conteúdo. As vantagens para si Transmissão de teoria através de animações fáceis de compreender Apoio durante a realização das experiências Representação interativa das configurações da experiência Acesso a aparelhos de medição e de teste reais com amplas possibilidades de avaliação Por fim, e não menos importante, as tarefas de projeto orientadas para a prática contribuem também para o sucesso da aprendizagem Manuais de operação integrados Documentação dos resultados das experiências (geração de um relatório da experiência) Teste de conhecimentos, incluindo a função de feedback Inclui o software SCADA Viewer com exemplos de medição adequados 5

6 Apresentar conteúdos didáticos complexos com vivacidade LabSoft Classroom Manager O LabSoft Classroom Manager é um software de administração abrangente, que permite organizar e gerir facilmente processos de ensino e aprendizagem orientados para a prática. O Classroom Manager é apropriado para todos os programas didáticos baseados em LabSoft, como ILA, UniTrain-I, InsTrain e CarTrain, sendo constituído pelas seguintes partes: LabSoft Manager: gira os seus cursos LabSoft, formandos e grupos de aprendizagem com o LabSoft Manager. Assim, os formandos disporão sempre dos conteúdos didáticos certos. LabSoft Reporter: o LabSoft Reporter apresenta o progresso de aprendizagem e os resultados dos exames. As inúmeras avaliações de resultados individuais ou de grupo, obtidas em cursos e exames, permitem ter um controlo direcionado. LabSoft Editor: o LabSoft Editor permite-lhe criar novos cursos ou alterar cursos existentes. Numerosos assistentes guiam o utilizador passo-a-passo através das informações necessárias. LabSoft Test Creator: o LabSoft Test Creator cria exames que permitem testar simultaneamente conhecimentos e competências profissionais. Base de dados de perguntas sobre energias renováveis LabSoft Questioner: no LabSoft Questioner existem muitos tipos de questões para criar perguntas, tarefas de medição e perguntas de exame. Os exercícios e as perguntas podem ser inseridos em cursos e exames. 6

7 SCADA Software PowerLab Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) consiste em monitorização, controlo e aquisição de dados de processos técnicos em tempo real. Em engenharia eletrotécnica, o sistema SCADA é usado em áreas que vão desde a geração e da transmissão, passando pela proteção, até ao uso de energia. O sistema SCADA permite ao pessoal rastrear e introduzir dados em processos. Os valores medidos são exibidos em tempo real no ecrã. Existe a possibilidade de alterar os sinais de controlo durante o processo. O sistema SCADA também pode gerir o processo automaticamente. A inclusão de muitos valores medidos permite um melhor planeamento do futuro, a par de uma otimização económica. O sistema pode ser controlado remotamente através de redes de área local (LAN). O sistema SCADA é o componente central numa rede inteligente (Smart Grid), levando a uma melhor utilização da infraestrutura da rede e à criação de reservas de energia. As vantagens para si Software SCADA adaptado à formação Realização, controlo e análise de redes inteligentes complexas (Smart Grid) SCADA Designer: - Disposição simbólica de todos os dispositivos da engenharia eletrotécnica na interface do utilizador - Símbolos de circuitos padronizados SCADA Viewer: - Licença para estudante para o acompanhamento e comando das instalações - Apresentação e controlo dos valores de medição e dos estados de todos os sistemas existentes na rede - Os parâmetros e sinais importantes podem ser controlados pelo software Autómato programável (PLC) SCADA: Soft-PLC integrado, programável segundo a norma IEC SCADA Logger: gravação, apresentação, avaliação e exportação de todos os valores ao longo do tempo SCADA Panel Designer: conceção de interfaces de utilizador próprias SCADA Net: - O conceito cliente/servidor permite o acesso remoto simultâneo aos sistemas na Smart Grid a partir de qualquer PC (estudantes) - O acesso limitado ou ilimitado é definido pelo formador no software SCADA 7

8 Desde a produção ao consumo de energia Redes de energia inteligentes no futuro Os equipamentos permitem simular uma rede completa de fornecimento de energia, desde a produção até ao consumo final. Central nuclear Central de carvão Extra-alta tensão Unidade de acumulação por bombagem Rede de transmissão CCAT Subestação transformadora Parque eólico offshore Centro industrial Alta tensão Central elétrica industrial 8

9 Poderá encontrar mais informações sobre Smart Grid a partir da página 96 Central de energia eólica Central de energia solar Rede de distribuição Consumidor industrial Consumidor industrial Média/baixa tensão Centro de controlo da Smart Grid Mobilidade elétrica Rede local Rede urbana 9

10 Desde a produção ao consumo de energia Sistemas interligados em rede no laboratório de engenharia eletrotécnica O laboratório inteligente Os equipamentos da GmbH para a engenharia eletrotécnica podem ser combinados da forma que for mais conveniente. Assim, por exemplo, a energia gerada a partir de fontes de energia renováveis pode ser transmitida através do sistema de simulação de transmissão, adaptada com transformadores e distribuída pelos consumidores que se pretender com os barramentos duplos. Os sistemas de barramento dos dispositivos de medição e proteção podem ser todos combinados entre si, e avaliados e controlados centralmente pelo sistema SCADA para software PowerLab. Para esse efeito, deixa de haver limites à topologia e profundidade de estudo de redes inteligentes em laboratório Produção 10

11 Poderá encontrar mais informações sobre Smart Grid a partir da página Transmissão Distribuição Consumo 11

12 Um olhar de relance Proteção de instalações técnicas de energia SCADA Proteção para geradores EGP Proteção diferencial do gerador Proteção temporizada contra sobrecorrentes Proteção contra carga desequilibrada Proteção contra potência inversa Proteção contra sobretensões e subtensões Proteção contra defeito à terra no estator Proteção contra defeito à terra no rotor SCADA Proteção de transformadores Proteção diferencial de transformadores Proteção temporizada contra sobrecorrentes ETP Análises em instalações técnicas de energia SCADA Produção de energia Geradores síncronos trifásicos Circuitos de sincronização Regulação automática da potência e do fator de potência Produção de energia renovável Energia eólica Sistemas fotovoltaicos Pilha de combustível EUG SCADA EUT Transformador Transformador sem carga (em vazio) e em curto-circuito Transformador com carga resistiva, indutiva e capacitiva Operação em paralelo de transformadores Distribuição de corrente para diferentes grupos de ligação Fundamentos sobre engenharia eletrotécnica Fundamentos da eletrotecnia Tecnologia de corrente contínua Tecnologia de corrente alternada Tecnologia de corrente trifásica Magnetismo/eletromagnetismo Medição com o multímetro Redes e modelos Processos transientes em redes de corrente contínua e alternada Modelos de redes de corrente contínua 12

13 SCADA ELP SCADA EDP SCADA ECP Proteção de linhas Proteção contra sobretensões e subtensões Proteção do sentido de potência Proteção temporizada contra sobrecorrentes Proteção contra falha à terra Proteção de linhas paralelas Proteção à distância Proteção de barramento Proteção temporizada contra sobrecorrentes para barramentos duplos SCADA EUL SCADA EPD SCADA Transmissão de energia Análises em linhas de corrente trifásica Análises em linhas paralelas Análises em linhas de neutro compensado por bobina de extinção Análises em sistemas de transmissão com gerador síncrono EUB Transformadores de corrente e de tensão Transformador de corrente para dispositivos de proteção Transformador de tensão para dispositivos de proteção Distribuição de energia Sistema de barramento duplo trifásico Troca de barramento de comando manual Troca automática de barramento com PC Smart-Grid Energias renováveis na Smart Grid Combinação e controlo de todos os sistemas Software SCADA Gestão inteligente da energia: coordenar a produção e o consumo de energia Proteção de consumidores elétricos Proteção de máquinas elétricas Relé de gestão do motor EUC Consumo de energia Consumidores complexos Compensação da potência reativa Medição do consumo de energia Monitorização de cargas de pico Gestão de energia

14 Mais do que um sistema de formação Solução completa para laboratório de engenharia eletrotécnica Apresentar conteúdos didáticos complexos com vivacidade usando meios didáticos modernos Energias renováveis: energia eólica, pilhas de combustível, energia fotovoltaica 14

15 Smart Grid: medir e controlar todo o fluxo de energia com o sistema SCADA Soluções completas para a engenharia eletrotécnica: desde a produção, passando pela transmissão e distribuição, até ao consumo Transferência de conhecimento multimédia com UniTrain-I 15

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17 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Tecnologia de corrente contínua (UniTrain-I) Tecnologia de corrente alternada (UniTrain-I) Tecnologia de corrente trifásica (UniTrain-I) Magnetismo/eletromagnetismo (UniTrain-I) Medição com o multímetro (UniTrain-I) Redes e modelos de rede (UniTrain-I) Transformadores de corrente e de tensão... 26

18 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Fundamentos da engenharia eletrotécnica Introdução à engenharia eletrotécnica com recurso a multimédia e de uma forma vocacionada para a prática Com o sistema de formação e experimentação multimédia UniTrain-I, o formando é conduzido, com a ajuda de textos, gráficos, animações e testes de conhecimentos, ao longo da teoria e de experiências guiadas com base num software de curso estruturado de forma clara. Além do software didático, cada curso inclui ainda um kit de placas de experiências, nas quais são realizados os exercícios práticos. Devido às inúmeras experiências e animações que possuem, os cursos multimédia UniTrain-I permitem ter uma visão das questões mais atuais em torno da engenharia eletrotécnica. Os fundamentos da tecnologia de corrente contínua, corrente alternada e corrente trifásica, bem como as operações em redes de distribuição, são tratados em vários cursos. Os processos típicos que requerem especial atenção na produção e distribuição de energia elétrica podem ser analisados na experiência usando muito baixa tensão de segurança, que é perfeitamente inócua. As vantagens para si Teoria e prática ao mesmo tempo e no mesmo lugar Elevada motivação dos estudantes por causa do uso do PC e de novos meios Sucesso rápido graças ao guia de curso estruturado Entendimento rápido por meio da teoria animada Competência profissional através da experimentação própria Feedback constante por meio de perguntas de compreensão e testes de conhecimentos Localização de falhas guiada com simulador de falhas integrado Segurança graças ao uso de muito baixa tensão de segurança Vasto sortido de cursos Soluções exemplificativas para professores 18

19 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Sistema UniTrain-I Laboratório completo portátil Cursos multimédia Interface de medição e de comando altamente avançada Teoria e prática em simultâneo Fontes de alimentação e de medição integradas Multímetro, amperímetro, voltímetro Osciloscópio de 2 canais com memória Gerador de funções e formas de onda Fonte de alimentação tripla para CA e CC Unidade de alimentação de corrente trifásica... e muitos outros dispositivos Software de aprendizagem e experimentação LabSoft Vasto sortido de cursos Teoria abrangente Animações Experiências interativas com manual Navegação livre Documentação dos resultados de medição Testes de conhecimentos disponíveis no seu idioma 19

20 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Tecnologia de corrente contínua Corrente, tensão e circuitos resistivos Corrente, tensão, resistência aquisição dos fundamentos eletrotécnicos de uma forma orientada para a prática. O curso faz uso de inúmeras experiências, animações e textos, facilmente compreensíveis, para ilustrar as leis fundamentais da eletrotecnia. Conteúdos didáticos Conceitos básicos: carga elétrica, campo elétrico, corrente, tensão, resistência e potência Manuseamento de fontes de tensão e instrumentos de medição Comprovação experimental das leis de Ohm e de Kirchhoff Medições em circuitos em série, em paralelo e em divisores de tensão Gravação de curvas características de resistências variáveis (LDR, NTC, PTC, VDR) Estudo da bobina e do condensador no circuito de corrente contínua Localização de falhas 20 Equipamento UniTrain-I Tecnologia de corrente contínua

21 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Tecnologia de corrente alternada Indutância, capacitância, circuito ressonante/transformador Qual o comportamento das bobinas e dos condensadores em presença de corrente alternada? O que é um circuito ressonante e como funciona um transformador? Conteúdos didáticos Conhecimento das grandezas características dos sinais periódicos e sinusoidais Manuseamento de diagramas fasoriais Determinação experimental da reactância da bobina e do condensador Explicação da potência ativa, reativa e aparente Determinação da resposta em frequência de circuitos de filtro simples Circuitos elétricos ressonantes: ressonância, qualidade, largura de banda e frequência de corte Medição do comportamento em frequência de circuitos ressonantes em série e em paralelo Medições da carga, do funcionamento em vazio e de curtocircuito Comportamento em frequência de transformadores e transformadores de impulsos de disparo Localização de falhas Equipamento UniTrain-I Tecnologia de corrente alternada 21

22 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Tecnologia de corrente trifásica Circuito estrela-triângulo, gerador trifásico A corrente trifásica ocupa uma posição proeminente na engenharia energética e de acionamentos, tanto na produção e transporte de energia elétrica, como também na propulsão de potentes máquinas industriais. Conteúdos didáticos Medições de grandezas de fase e de linha na rede de corrente trifásica Determinação experimental de leis entre tensões de fase e de linha Consumidores resistivos e capacitivos na configuração em estrela e em triângulo Deslocamento de fase entre tensões de fase e de linha Medição das correntes de compensação no condutor neutro Efeitos de interrupções do condutor neutro Medições de correntes e de tensões com cargas simétricas e assimétricas Medição da potência em presença de uma carga trifásica 22 Equipamento UniTrain-I Tecnologia de corrente trifásica

23 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Magnetismo/Eletromagnetismo Campo magnético, indução, componentes O magnetismo e a eletricidade estão intimamente relacionados. Muitos componentes da eletrotecnia tiram partido dos efeitos (eletro)magnéticos. Conteúdos didáticos Magnetismo: polos magnéticos, campo magnético, linhas de campo e intensidade de campo Materiais magnéticos duros e macios, histerese Estudo do campo magnético de um condutor atravessado por uma corrente elétrica Estudo do campo magnético de uma bobina (bobina com núcleo de ar, bobina com núcleo magnético) Indução eletromagnética e força de Lorentz Estrutura e modo de funcionamento de um transformador Estudo de um transformador com diferentes cargas Estrutura e funcionamento de componentes eletromagnéticos: relé, interruptor de lâminas flexíveis reed, interruptor de efeito Hall Estudo de circuitos de aplicação Equipamento UniTrain-I Magnetismo/eletromagnetismo 23

24 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Medição com o multímetro Medição de corrente, medição de tensão, medição de resistências e díodos Medir de forma correta e trabalhar de forma segura Ao longo do curso, será treinado o manuseamento seguro de multímetros normais à venda no mercado tendo por base inúmeros exercícios de medição e animações. Conteúdos didáticos Conhecimento dos elementos de comando do multímetro Fontes de perigo durante as medições em circuitos elétricos Medição de tensões elétricas contínuas e alternadas com o multímetro Medição de correntes elétricas contínuas e alternadas com o multímetro Medições de resistências e díodos Método de medição de zero e medições de continuidade elétrica Adaptação do intervalo de medição Deteção de possíveis fontes de erro durante as medições Determinação dos componentes num circuito desconhecido recorrendo às medições de correntes e de tensões 24 Equipamento UniTrain-I Medição com o multímetro

25 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Redes e modelos de rede Processos transientes em redes de corrente contínua e alternada Do ponto de vista estrutural, as redes de distribuição de energia elétrica consistem em linhas ligadas em paralelo ou sequencialmente. Nas redes de baixa, média e alta tensão existentes, ocorrem dois processos diferentes: estacionários (cargas constantes) e transientes (processos transitórios). Os processos transitórios ocorrem em caso de curto-circuito ou noutras situações de falha. Em determinadas circunstâncias, as manobras também podem originar processos transitórios. Estes processos típicos, que requerem especial atenção na produção e distribuição de energia elétrica, podem ser analisados na experiência usando muito baixa tensão de segurança, que é perfeitamente inócua. Conteúdos didáticos Conhecimento do significado das manobras em redes de energia Avaliação dos efeitos (perigos) de manobras em redes de energia Estudo experimental da curva da tensão e da corrente ao ligar uma tensão contínua Análise da influência de cargas diversas (R, L, C) sobre a curva do sinal Estudo experimental da curva da tensão e da corrente ao ligar uma tensão alternada Análise da influência dos tempos de ligação ou desligamento Medições das curvas de sinais com diferentes tempos de desligamento Determinação do momento de comutação ideal Análise dos processos de ligação e desligamento com cargas complexas (R, L, C) em diferentes momentos de comutação Equipamento UniTrain-I Processos transientes 25

26 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Transformador de corrente e transformador de tensão Transformador de corrente para dispositivos de proteção Os transformadores de corrente e de tensão são utilizados para os mais diversos fins na engenharia eletrotécnica. Nas experiências são analisados de forma vocacionada para a prática o comportamento de transmissão, o fator de sobrecorrente, os erros de valor absoluto e de deslocamento de fase, como por ex., com cargas diferentes. Além disso, são examinados os requisitos em operação normal, em curto-circuito e com falhas assimétricas. Exemplo de experiência Transformador de corrente EUB 1 Conteúdos didáticos Corrente secundária transformada em função da corrente primária Influência da carga de saída sobre o erro de corrente Verificação do fator de sobrecorrente nominal Circuito de transformador de corrente numa rede a três fios Circuito de transformador de corrente numa rede a quatro fios Determinação da corrente residual 26 Equipamento EUB 1

27 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Transformador de tensão para dispositivos de proteção A proteção de instalações e partes de instalações não só depende de dispositivos de proteção seletiva, como também da deteção e medição corretas de correntes e tensões diferenciais mínimas. No caso de diferentes ligações de ponto neutro, deverão ser utilizados diferentes circuitos de medição, a fim de detetar e localizar adequadamente os possíveis tipos de falha. Exemplo de experiência Transformador de tensão EUB 2 Conteúdos didáticos Curvas características do transformador de tensão Cálculo de erros de tensão e precisão por classes Influência da carga de saída sobre a relação de transformação Transformador de tensão trifásico numa rede sem anomalias Transformador de tensão trifásico numa rede com defeito à terra do lado primário Equipamento EUB 2 27

28 Fonte: Woodward SEG

29 Produção de energia Máquinas síncronas (UniTrain-I) Controlo de geradores e sincronização Proteção para geradores... 35

30 Produção de energia Produção de energia Com geradores síncronos trifásicos Além das experiências básicas à volta do gerador síncrono trifásico, as experiências nesta área incluem ainda circuitos de sincronização com comando manual e automático, bem como experiências relacionadas com a regulação automática do fator de potência (regulação do cos-phi) e a regulação da potência. Assim, neste módulo, a operação de uma central elétrica pode ser simulada em operação autónoma e interconectada. Ainda assim, é necessária uma proteção eficaz dos geradores contra falhas internas e externas, a qual requer a utilização de uma variedade de dispositivos de proteção. 30

31 Produção de energia Geradores síncronos trifásicos A energia elétrica é produzida principalmente com recurso a geradores trifásicos. Isso tanto se aplica às centrais elétricas como aos geradores de corrente e aerogeradores. Estes geradores devem ser protegidos eficazmente contra falhas internas e externas através de uma variedade de dispositivos de proteção. Fonte: Woodward SEG Banco de ensaios de servomáquinas Constitui uma parte importante dos equipamentos de engenharia eletrotécnica o banco de ensaios de servomáquinas - um sistema de ensaios completo para o estudo de máquinas elétricas e geradores. Esse banco é formado pela unidade de controlo digital, um servocomando e o software ActiveServo. O sistema combina tecnologia de ponta com facilidade de utilização. Além da movimentação e da frenagem, os modelos de máquinas de trabalho permitem emular de forma realista. Desse modo, consegue-se analisar máquinas, geradores e acionamentos em laboratório sob condições típicas da indústria. Sistemas de formação Os nossos sistemas de formação abrangem as seguintes áreas temáticas: UniTrain-I Geradores síncronos trifásicos Sistema de placas de experimentação Controlo de geradores e sincronização Sistema de placas de experimentação Proteção para geradores 31

32 Produção de energia Máquinas síncronas Máquina de rotor bobinado, máquina síncrona, máquina de relutância Os motores de relutância são os motores do futuro. Atualmente, estão amplamente disseminadas as máquinas de corrente trifásica com rotor síncrono e rotor bobinado. Conteúdos didáticos Explicação da tecnologia e da respetiva aplicação na prática Sistematização dos fenómenos da física necessários à compreensão Arranque de máquinas com resistências de arranque e frequência variável Controlo das rotações Execução de várias experiências: - Ligação de um motor de rotor bobinado - Influência dos enrolamentos rotóricos abertos ou ligados - Efeito de diferentes tensões de excitação 32 Equipamento UniTrain-I Máquinas síncronas

33 Produção de energia Controlo de geradores e sincronização Circuitos de sincronização de comando manual A energia elétrica é produzida principalmente com recurso a geradores trifásicos. Isso tanto se aplica às centrais a vapor e hidroelétricas convencionais, como aos geradores de corrente e aerogeradores. Além das experiências básicas relativas ao gerador síncrono trifásico, são realizadas ainda várias experiências sobre o tema dos circuitos de sincronização de comando manual. Exemplo de experiência Circuitos de sincronização de comando manual EUG 1 Conteúdos didáticos Comutação por sombra Comutação por luz Comutação por circuito cíclico Geração de potência ativa Geração de potência reativa indutiva Geração de potência reativa capacitiva Equipamento EUG 1 33

34 Produção de energia Controlo de geradores e sincronização Circuitos de sincronização automáticos, regulação da potência e regulação do fator de potência Ver também a página 105, Unidade de acumulação por bombagem (equipamento EUG 3) Além das experiências sobre circuitos de sincronização automáticos, são executadas experiências à volta da regulação automática do fator de potência (cos-phi) e da regulação da potência. É, assim, possível simular uma central elétrica em operação autónoma e interconectada. Exemplo de experiência Circuitos de sincronização automáticos EUG 2 Conteúdos didáticos Circuitos de sincronização automáticos Colocação em funcionamento e parametrização da unidade de automação Sincronização em modo de teste Sincronização na rede real Comportamento da unidade de automação em caso de programação errada Regulação automática do fator de potência Parametrização do controlador automático do cos-phi Sincronização do gerador com a rede Regulação do cos-phi do gerador síncrono Regulação do cos-phi da rede Regulação automática da potência Parametrização do controlador de potência automático Sincronização do gerador com a rede Resposta a perturbações e comportamento de referência do controlador de potência Sensibilidade e direção do efeito do controlador de potência 34 Equipamento EUG 2

35 Produção de energia Proteção para geradores Relé multifuncional Uma proteção eficaz dos geradores contra falhas internas e externas exige a utilização de uma variedade de dispositivos de proteção. A proteção temporizada contra sobrecorrentes forma a reserva de proteção para o gerador, podendo ser utilizada igualmente para detetar falhas externas, como por ex., curto-circuito e sobrecarga. Os defeitos à terra são detetados com a proteção contra defeito à terra no estator. O estudo da proteção contra potência inversa e carga desequilibrada, bem como a proteção contra sobretensão/ subtensão, completa a série de experiências EGP relativa à proteção do gerador. Exemplo de experiência Proteção para geradores EGP 1 Conteúdos didáticos Proteção temporizada contra sobrecorrentes Comportamento de ativação e desativação em caso de falhas monopolares e tripolares Determinação dos tempos de disparo Proteção contra carga desequilibrada Comportamento de ativação e desativação em presença de carga desequilibrada Determinação da relação de desoperação e dos tempos de disparo Determinação da curva característica do relé TA = f (carga desequilibrada) Proteção contra potência inversa Sincronização do gerador na rede Deteção e desconexão do gerador em caso de fluxo de potência inversa Proteção contra sobretensões e subtensões Reações em caso de falha de fase Deteção dos tempos de excitação e de disparo Proteção contra defeito à terra no estator Determinação das tensões do sistema no modo de funcionamento normal ou defeito à terra no estator Medição dos tempos de disparo Cálculo da corrente de fuga Equipamento EGP 1 35

36 Produção de energia Proteção para geradores Proteção diferencial de geradores A proteção diferencial de geradores, que deteta falhas internas como curtos-circuitos, curtos-circuitos entre espiras e no enrolamento ou curtos-circuitos de defeito duplo à terra, serve de proteção principal. Exemplo de experiência Proteção diferencial de geradores EGP 2 Conteúdos didáticos Cálculo dos valores de operação da proteção Deteção de falhas dentro do intervalo de proteção Verificação da ativação e da desexcitação em caso de falha dentro e fora do intervalo de proteção Desconexão e desexcitação do gerador Medição das correntes de operação da proteção para falhas simétricas e assimétricas Comparação dos valores medidos com os valores de ajuste 36 Equipamento EGP 2

37 Produção de energia Proteção contra defeito à terra no rotor A proteção contra defeito à terra no rotor é utilizada para determinar falhas à terra no circuito de corrente de excitação de máquinas síncronas. Exemplo de experiência Proteção para geradores - proteção contra defeito à terra no rotor EGP 3 Conteúdos didáticos Colocação em funcionamento do gerador síncrono Estudo no modo de funcionamento normal e com defeito à terra no rotor Medição da corrente de defeito à terra no rotor Relé de defeito à terra no rotor em operação com defeito à terra: - Ligação e verificação do relé de defeito à terra no rotor - Predefinição de diferentes curtos-circuitos no rotor - Verificação da mensagem de erro e da desconexão Equipamento EGP 3 37

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39 Produção de energia renovável Sistemas fotovoltaicos (UniTrain-I) Sistemas fotovoltaicos Nível avançado Turbinas eólicas Turbinas eólicas pequenas Tecnologia das pilhas de combustível (UniTrain-I) Tecnologia das pilhas de combustível Nível avançado... 56

40 Produção de energia renovável Produção de energia renovável Inesgotável, sustentável, real - O futuro é verde A revolução energética em direção às energias renováveis, cortando com o carvão, o petróleo e a energia nuclear, entra em velocidade de cruzeiro. Hoje em dia, a tecnologia está de tal maneira avançada que a energia solar, a energia eólica, o hidrogénio e a biomassa já são utilizáveis como fontes de energia amigas do ambiente. Para que a tendência não se inverta, são procurados em todo o mundo profissionais técnicos com uma excelente formação. Hoje em dia, as tecnologias mudam a um ritmo vertiginoso. Isso coloca também desafios no plano da formação. A dispõe dos sistemas de formação adequados, que tomam em consideração a cada vez maior complexidade do mundo da formação. 40

41 Produção de energia renovável Perspetivas ensolaradas com a energia fotovoltaica Abu Dhabi anuncia que vai investir cerca de 2 mil milhões de dólares norte-americanos em tecnologia para a produção de módulos fotovoltaicos de filme fino, em Masdar. No Silicon Valley, está a nascer a maior central de energia solar dos Estados Unidos, com uma potência nominal de 25 MW. Na Alemanha, são já uma realidade 5 GW de potência fotovoltaica instalada. Esta potência corresponde à produzida por 5 modernos blocos de central elétrica. Até 2020, a potência deverá ser aumentada gradualmente até aos 40 GW. Futuro mais limpo com a energia eólica Previsão para a Alemanha: no ano 2030, 25 % da eletricidade será produzida a partir de energia eólica. Uma turbina eólica de 3,0 MW permite poupar anualmente barris de petróleo ou toneladas de CO 2. Pilha de combustível - acumulador de longa duração para energia Aplicação em veículos sem emissões Difusão como fonte de alimentação de emergência Aplicação como instalação de aquecimento urbano distrital 41

42 Produção de energia renovável Sistemas fotovoltaicos Perspetivas ensolaradas com o curso sobre energia fotovoltaica Em tempos de rápido aumento de custos de energia e maior consciencialização ambiental, a energia fotovoltaica representa uma alternativa muito interessante para a geração de energia convencional. Com o curso sobre energia fotovoltaica, será possível aprender e examinar não só os fundamentos das células fotovoltaicas, como também simular um sistema fotovoltaico em operação direta ou com acumulador. Conteúdos didáticos Conhecimento do princípio e do modo de funcionamento da célula fotovoltaica Gravação de curvas características de um módulo solar Explicação das correlações da corrente e/ou da tensão de um módulo solar com a temperatura, a irradiância e o ângulo de incidência Conhecimento de ligações em série, paralelo e outros tipos de ligações de células fotovoltaicas Conhecimento dos métodos de fabrico das células fotovoltaicas Explicação dos diferentes tipos de células fotovoltaicas Conhecimento da estrutura de um acumulador de energia solar Conhecimento dos diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos Estabelecimento de uma rede isolada com acumulador de energia solar 42 Equipamento UniTrain-I Energia fotovoltaica

43 Produção de energia renovável Um curso multimédia serve de suporte à experiência As vantagens para si Transmissão de conhecimentos e know-how através do curso multimédia UniTrain-I Equipamento completo com todos os componentes necessários Avaliação de dados medidos baseada em PC O sistema funciona com 12 V O sistema suporta a simulação de falhas Equipamento UniTrain-I Energia fotovoltaica 43

44 Produção de energia renovável Sistemas fotovoltaicos Nível avançado 44

45 Produção de energia renovável Trabalhos de projeto com componentes industriais O sistema de formação permite a simulação realista da trajetória aparente do sol. Assim, as experiências em laboratório podem ser realizadas de uma forma eminentemente prática, mesmo sem o sol, com a ajuda de emuladores. A transmissão de conhecimentos e know-how e a avaliação de dados medidos baseada em PC é possibilitada pelo curso multimédia Energia fotovoltaica Nível avançado. Exemplo de experiência Energia fotovoltaica Nível avançado EPH 2 Conteúdos didáticos Estudo de módulos solares Experimentação da orientação ideal de módulos solares Gravação de curvas características de módulos solares Estudo do comportamento em presença de sombra parcial Estudo do princípio de funcionamento de díodos de derivação Conhecimento dos tipos de ligações de módulos solares Topologia de sistemas fotovoltaicos no modo de funcionamento autónomo Instalação de sistemas fotovoltaicos Topologia e teste de um sistema FV isolado no modo de operação direta Topologia e teste de um sistema FV isolado no modo de operação com acumulador Topologia e teste de um sistema FV isolado para a produção de tensão alternada de 230 V Topologia de sistemas fotovoltaicos no modo de funcionamento em paralelo com a rede Instalação, topologia e teste de sistemas fotovoltaicos com injeção na rede Medição da energia gerada por um sistema fotovoltaico Determinação da eficiência do inversor de rede Estudo do comportamento de um sistema fotovoltaico no caso de falha de rede Equipamento EPH 2 45

46 Produção de energia renovável Sistemas fotovoltaicos Nível avançado Sol no laboratório LabAssistant interativo Guia passo-a-passo multimédia Explicação dos fundamentos físicos através de animações fáceis de entender Verificação do progresso de aprendizagem por meio de perguntas com a ferramenta de avaliação Avaliação de dados medidos baseada em PC Início de instrumentos virtuais diretamente a partir das instruções da experiência Módulo solar com emulador de altitude Possibilidade de ajuste do ângulo de incidência do sol em função da posição (latitude), data e hora Possibilidade de ajuste da inclinação do módulo solar Módulo solar policristalino de 10 W Projetor de halogéneo de 500 W com reóstato (dimmer) Emulação realista do movimento aparente do sol 46 Equipamento EPH 2

47 Produção de energia renovável Emulador solar Possibilidade de realização de experiências mesmo sem sol, graças a três emuladores solares independentes Possibilidade de ajuste individual da intensidade luminosa de cada emulador Inclui um díodo de derivação ativável 120 VA de potência Componentes industriais Controlador de carga solar Inversor isolado Inversor de rede Simplicidade de colocação em funcionamento e estudo de componentes industriais As vantagens para si Transmissão de conhecimentos e know-how através de um curso multimédia LabAssistant interativo Utilização de componentes industriais Flexibilidade na realização das experiências graças ao módulo solar realista ou ao simulador de módulos solares Avaliação de dados medidos baseada em PC Integração nos sistemas de engenharia eletrotécnica Equipamento EPH 2 47

48 Produção de energia renovável Turbinas eólicas 48

49 Produção de energia renovável Geradores de indução duplamente alimentados (GIDA) O equipamento permite o estudo de turbinas eólicas modernas com geradores de indução duplamente alimentados. O vento pode ser emulado de uma forma próxima da realidade com o banco de ensaios de servomáquinas e o software WindSim. Durante as experiências, é assegurada uma operação e visualização confortáveis através da interface de PC. O curso multimédia LabAssistant interativo pertencente transmite os conhecimentos teóricos, auxilia na execução das experiências e na verificação dos dados de medição. Exemplo de experiência Turbinas eólicas EWG 1 Conteúdos didáticos Compreensão da estrutura e princípio de funcionamento das turbinas eólicas modernas Sistematização dos fundamentos físicos Desde o vento ao eixo Conhecimento de diversos conceitos de turbina eólica Montagem e colocação em funcionamento de um aerogerador de indução duplamente alimentado Operação do gerador em presença de ventos de intensidade variável e regulação da tensão e frequência de saída Determinação dos pontos de trabalho ideais quando ocorrem mudanças nas condições do vento Estudo do comportamento em presença de falhas de rede cavas de tensão Equipamento EWG 1 49

50 Produção de energia renovável Turbinas eólicas Vento fresco no laboratório LabAssistant interativo Guia passo-a-passo multimédia Explicação dos fundamentos físicos através de animações fáceis de entender Verificação do progresso de aprendizagem por meio de perguntas com a ferramenta de avaliação Avaliação de dados medidos baseada em PC Início de instrumentos virtuais diretamente a partir das instruções da experiência Emulador de vento Em turbinas eólicas reais, o vento e a geometria das pás asseguram o acionamento do gerador. Em laboratório, a função de gerar vento cabe ao banco de ensaios de servomáquinas e ao software WindSim. Desse modo, é possível emular em laboratório as mesmas condições que se verificam nas turbinas eólicas reais. Emulação realista do vento e da geometria das pás As rotações e o binário são ajustados automaticamente em função do vento e do ângulo de passo O passo (pitch) e a intensidade do vento são reguláveis independentemente Permite a introdução de perfis de vento Registo de valores mecânicos e elétricos 50 Equipamento EWG 1

51 Produção de energia renovável Gerador de indução duplamente alimentado com aparelho de comando Aparelho de comando com dois inversores controlados Excitação do gerador em operação subsíncrona e sobressíncrona Disjuntor de potência integrado para ligação do gerador à rede Regulação automática da potência ativa e aparente, frequência e tensão Sincronização manual e automática Medição e apresentação de todas as variáveis do sistema Experiências com cavas de tensão Gerador de indução duplamente alimentado Cavas de tensão Unidade de controlo para geradores de indução duplamente alimentados Simulador dinâmico de falhas de rede As vantagens para si Transmissão de conhecimentos e know-how através de um curso multimédia LabAssistant interativo A energia eólica e a estrutura mecânica da turbina eólica podem ser emuladas fielmente com o banco de ensaios de servomáquinas O aparelho de comando controlado por microcontrolador para geradores de indução duplamente alimentados permite uma visualização e operação confortável durante as experiências A mais moderna tecnologia com cavas de tensão Integração nos sistemas de engenharia eletrotécnica Equipamento EWG 1 51

52 Produção de energia renovável Turbinas eólicas pequenas Corrente para a alimentação descentralizada As turbinas eólicas pequenas até 5 kw de potência são usadas hoje para fontes de alimentação descentralizadas. Os sistemas geram tensão contínua. A energia pode ser armazenada através de controladores de carga em baterias. Através do inversor, são produzidas tensões alternadas para a operação de consumidores de energia de rede. A influência da intensidade do vento e a estrutura mecânica da turbina eólica podem ser emuladas fielmente com o banco de ensaios de servomáquinas e o software WindSim. Exemplo de experiência Turbina eólica pequena EWG 2 Conteúdos didáticos Compreensão da estrutura e princípio de funcionamento das modernas turbinas eólicas pequenas Sistematização dos fundamentos físicos Desde o vento ao eixo Conhecimento de diversos conceitos de turbina eólica Montagem e colocação em funcionamento de um pequeno aerogerador Operação em presença de ventos de intensidade variável em modo de operação com acumulador Armazenamento de energia Otimização da instalação Topologia de um sistema isolado para a produção de tensão alternada de 230 V Conhecimento de sistemas híbridos para fornecimento autónomo de corrente proveniente de energia eólica e fotovoltaica 52 Equipamento EWG 2

53 Produção de energia renovável Características convincentes do produto LabAssistant interativo Guia passo-a-passo multimédia Explicação dos fundamentos físicos através de animações fáceis de entender Verificação do progresso de aprendizagem por meio de perguntas com a ferramenta de avaliação Avaliação de dados medidos baseada em PC Início de instrumentos virtuais diretamente a partir das instruções da experiência Gerador síncrono A energia eólica e a estrutura mecânica da turbina eólica podem ser emuladas fielmente com o banco de ensaios de servomáquinas O comportamento do gerador em laboratório corresponde ao do sistema real Turbina eólica pequena adequada para operação ao ar livre As vantagens para si Transmissão de conhecimentos e know-how através de um curso multimédia LabAssistant interativo A energia eólica e a estrutura mecânica da turbina eólica podem ser emuladas fielmente com o banco de ensaios de servomáquinas O comportamento do gerador em laboratório corresponde ao do sistema real Turbina eólica pequena real para operação ao ar livre, incluindo Mastset, integrável Equipamento EWG 2 53

54 Produção de energia renovável Tecnologia das pilhas de combustível Topologia e princípio de funcionamento de pilhas de combustível Presentemente, as energias renováveis já são comercializadas como solução para a escassez de energia prevista para o século XXI. A célula de combustível de hidrogénio faz parte desta solução. Ela é usada como tecnologia complementar em sistemas de energia do futuro, com o intuito de produzir energia limpa a partir de hidrogénio renovável. Conteúdos didáticos Conhecimento do princípio e do modo de funcionamento da pilha de combustível Gravação de curvas características de uma pilha de combustível Explicação dos processos eletroquímicos da eletrólise (1.ª e 2.ª leis de Faraday) Determinação da eficiência Faraday e energética de uma pilha de combustível Análise da ligação em série e em paralelo de pilhas de combustível Apreciação da potência de pilhas de combustível Conhecimento do princípio e do modo de funcionamento do eletrolisador Gravação da curva característica Ul do eletrolisador Determinação da eficiência Faraday e energética de um eletrolisador 54 Equipamento UniTrain-I Tecnologia das pilhas de combustível

55 Produção de energia renovável Um curso multimédia serve de suporte à experiência As vantagens para si Transmissão de conhecimentos e know-how através de um curso multimédia LabAssistant interativo Dispositivo compacto com dupla célula de combustível PEM e eletrolisador PEM com gasómetro Manuseamento seguro de hidrogénio Alimentação de corrente de 2 V/2,5 A para alimentação do eletrolisador já integrada Diversidade de cargas (lâmpadas, ventilador) Carga variável para gravação de curvas características Equipamento UniTrain-I Tecnologia das pilhas de combustível 55

56 Produção de energia renovável Tecnologia das pilhas de combustível Nível avançado Alimentação de corrente autónoma com célula de combustível A produção de energia elétrica com a ajuda das células de combustível é cada vez mais um tópico técnico importante, envolvendo inúmeras possibilidades de aplicação na tecnologia elétrica e automóvel. O sistema de experimentação proporciona muitos estudos interessantes, sem riscos associados ao manuseamento de hidrogénio e pilhas de combustível, sendo apropriado para demonstrações, bem como para um estágio. Teoria com animações, instruções do experimentador e campos de resultados são realizados com a ajuda do LabAssistant interativo. Exemplo de experiência Pilha de células de combustível de 50 VA com consumidores EHY 1 Conteúdos didáticos Estrutura e modo de funcionamento de uma pilha de combustível Estrutura e modo de funcionamento de um eletrolisador Estrutura e modo de funcionamento de um acumulador de hidreto metálico Termodinâmica da pilha de combustível Curva característica e curva da potência da pilha de combustível Eficiência Componentes necessários para uma alimentação de corrente autónoma Eletrónica de potência e conversão de tensão 56 Equipamento EHY 1

57 Produção de energia renovável LabAssistant interativo Guia passo-a-passo multimédia Explicação dos fundamentos físicos através de animações fáceis de entender Verificação do progresso de aprendizagem por meio de perguntas com a ferramenta de avaliação Avaliação de dados medidos baseada em PC Início de instrumentos virtuais diretamente a partir das instruções da experiência Pilha de células de combustível Pilha de 50 VA Caudalímetro para fornecimento de hidrogénio Ventilador com velocidade variável para a ventilação da pilha de combustível Medição de todas as grandezas relevantes Pilha de células de combustível de 50 VA As vantagens para si Transmissão de conhecimentos e know-how através de um curso multimédia LabAssistant interativo Entrada simples na temática da pilha de combustível Experimentação inócua com hidrogénio Pilha de células de combustível de 50 VA Ligação para acumulador de pressão de hidrogénio Eletrolisador de alto desempenho Diversidade de cargas Carga variável para gravação de curvas características Equipamento EHY 1 57