Geração de Energia Controle de Velocidade de Usinas Hidrelétricas

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1 Geração de Energia Controle de Velocidade de Usinas Hidrelétricas Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 1

2 Objetivo da Aula: Definir conceitos e técnicas relacionadas o controle de velocidade na geração de energia em Usinas Hidrelétricas. 2

3 Regulador de velocidade: A velocidade de rotação do conjunto turbina/gerador dever ser mantida constante e em seu valor nominal para que a frequência da tensão gerada fique também constante e com valor adequado à alimentação dos equipamentos elétricos (60 hertz). Para essa função são utilizados os reguladores de velocidade que são equipamentos que medem a velocidade do conjunto, comparando-a com um valor de referência, e comandando a com um valor de referência, e comandando a abertura ou o fechamento do distribuidor da turbina se a velocidade for respectivamente menor ou maior que o valor desejado. 3

4 Regulador de velocidade: Utiliza-se, principalmente em mini e microcentrais, os chamados reguladores de carga, que são dispositivos eletrônicos que mantém uma carga de valor constante conectada aos terminais do gerador, o que faz com que o conjunto se mantenha a uma velocidade constante, desde que a quantidade de água que passa pela turbina seja mantida invariável. Esse tipo de regulador possui preço inferior ao regulador de velocidade convencional. 4

5 Volante de Inércia: Equipamento usado para acumular energia mecânica rotacional; caso ocorra uma variação brusca na carga, ele é o responsável por manter a rotação constante até que atue o regulador de velocidade. 5

6 Volante de Inércia: Volante de inércia 6

7 Com Rotação Fixa Turbinas Hidráulicas: Lembrando Cada tipo de turbina é mais adequada a determinada altura de queda, vazão e rotação. A escolha da turbina para um determinado aproveitamento será função das características do local. 7

8 Com Rotação Fixa 8

9 Com Rotação Fixa A frequência fixa de 60 Hz impõe que as turbinas acopladas ao eixo dos geradores operarem em rotação também fixa, assim se estabelece uma espécie de camisa de força ao aproveitamento dos recursos energéticos limitando os mesmos. O valor da rotação síncrona é dado pela expressão: n 120. f / P Sistema de rotação ajustável permitem a quebra de vínculo entre as frequências de diferentes sistemas de geração ou sistemas interligados. 9

10 Com Rotação Fixa Uma turbina destinada a um determinado aproveitamento, será projetada para operar com certa altura de queda e rotação definida. Esta turbina produzirá uma potência Pp correspondente à vazão Qp. 10

11 Com Rotação Fixa Quando a altura for associada à melhor vazão, deverá ocorrer o melhor rendimento da turbina. Para condições diferentes da altura de queda e vazão, o rendimento deverá ser diferente (possivelmente menor). A Figura a seguir ilustra os rendimentos das várias turbinas, bem como as potência de geração associadas. 11

12 Com Rotação Fixa 12

13 Com Rotação Fixa O ponto de operação da turbina pode afastar-se do ponto máximo de rendimento por longos períodos. Esse afastamento será tanto maior quanto mais as variáveis básicas (carregamento elétrico, altura de queda e vazão) se afastarem das condições de projeto original. 13

14 Com Rotação Fixa 14

15 Com Rotação Fixa Variação de vazão e/ou queda líquida ocasiona outros problemas como vórtices de núcleo na adução, cavitação, vibrações e desbalanceamento que levam a desgastes prematuros da turbina hidráulica, resultando custo superior e tempo ocioso da máquina. 15

16 Com Rotação Fixa Quanto maior for a rotação específica da turbina, menor influência haverá no rendimento da mesma em caso de variação de altura. Como a vazão de operação da central pode assumir diversos valores, o dimensionamento da turbina se dá de modo a otimizar o rendimento médio da turbina, para esta dada variação. 16

17 Essa modalidade de geração baseia-se no uso de equipamentos eletrônicos para geração e transmissão de energia elétrica. Possibilitam o desacoplamento entre a frequência da geração e a frequência do sistema elétrico interligado, possibilitando às turbinas operarem em velocidades diferentes. Duas tecnologias são disponíveis: 1.Conexão unitária em CCAT (Corrente Contínua em Alta Tensão) 2.Ciclo conversores. 17

18 O conceito de operação de UHE com rotação ajustável: O princípio da operação com rotação ajustável consiste em adequar a rotação da turbina para as condições operativas do momento como: potência, vazão e principalmente altura de queda d água existente. Tudo isto visando operar no ponto de maior rendimento possível e permitir a quebra do vínculo entre as frequências da geração e do Sistema Interligado. 18

19 1 - Conexão Unitária: baseada na conversão de energia alternada para contínua. Consiste em ligar os terminais do gerador diretamente a entrada do conversor CA-CC, este arranjo é tipicamente utilizado para transmissão de energia em sistemas de transmissão em CC. 19

20 1 - Conexão Unitária: Neste arranjo, os terminais do gerador são conectados diretamente ao conversor. Não haverá necessidade de vários componentes como: filtros CA, elementos de chaveamento em CA, dispositivos de proteção, transformador elevador, disjuntor do gerador. Esta configuração poderá ser adotada tanto para linhas em CC de longa distância, como também para LT em CA. 20

21 1 - Conexão Unitária: Historicamente surgiu como aplicação dedicada ao atendimento em longas distâncias de geração, foi a evolução dos sistemas de transmissão CC convencionais. No Brasil foi objeto de estudos para definir viabilidade econômica dos aproveitamentos da região Amazônicas. Tem como vantagem a redução de custo nos equipamentos utilizados em relação à transmissão convencional CCAT. O custo para sua instalação pode ficar entre 4 % a 10 % do custo total de um projeto convencional. 21

22 1 - Conexão Unitária: A figura ilustra a transmissão HVDC, constituída por tiristores e indutores de energia, aplicado para conexão de grandes sistemas elétricos, com a mesma frequência ou frequências diferentes. 22

23 1 - Conexão Unitária: O esquema pode ser utilizado tanto para LT CC de longas distâncias ou para LT CA, neste caso, o esquema utilizado é conhecido como BACK-TO-BACK, cuja característica é a existência de retificadores e inversores localizados conjuntamente, cuja conexão à rede é realizada via linha CA. 23

24 2 Gerador Síncrono de dupla excitação Objetivo: 1.Desacoplar as frequências do gerador do SEP. 2.Melhorar as respostas operacionais da geração, pois, a entrada em operação ocorrerá de forma mais rápida do que em sistemas convencionais. 3.O controle é realizado por conversores eletrônicos, assim, não há necessidade de aguardar tempo de resposta der estabilização dos reguladores de velocidade e admissão da turbina (entrada em regime permanente). 24

25 2 Gerador Síncrono de dupla excitação O sistema é composto pelos seguintes componentes: 1.Gerador Síncrono de rotor bobinado (dupla excitação), 2.Conversores estáticos (ciclo-conversores). 3.Sistema de controle dedicado. 25

26 2 Gerador Síncrono de dupla excitação Possuem as mesmas características da máquina assíncrona de rotor bobinado otimizadas para operação na velocidade síncrona. 26

27 2 Gerador Síncrono de dupla excitação LEMBRETE Gerador Síncrono convencional (excitação simples) : Estator: Constituído por três enrolamentos distribuídos sobre a carcaça, Rotor: Na máquina síncrona convencional o rotor possui apenas um circuito rotórico realiza aplicação de um campo CC. 27

28 2 Gerador Síncrono de dupla excitação O Gerador de Indução Com Dupla Alimentação (GIDA) opera em conjunto com sistema de excitação formado por conversores CA-CA chamado Cicloconversores. Os enrolamentos de excitação são conectados em estrela onde será aplicada uma tensão alternada trifásica senoidal. Este sistema possibilita ainda o controle de energia ativa e reativa da máquina. 28

29 2 Gerador Síncrono de dupla excitação Neste sistema, o estator da máquina é conectado à rede, O rotor é alimentado por 3 conversores CA-CA (back-to-back IGBT Bridge). 29

30 2 Gerador Síncrono de dupla excitação Estes conversores fazem com que a corrente de alimentação do rotor (corrente de excitação) seja do tipo alternada trifásica senoidal com frequência variável. Os ciclo-conversores a partir do sistema de controle fazem o ajuste da frequência da tensão alternada aplicada ao rotor da máquina síncrona. 30

31 2 Gerador Síncrono de dupla excitação Na máquina síncrona convencional o campo se torna girante por meio da rotação do eixo da máquina. O campo da máquina síncrona de velocidade ajustável pode se tornar campo girante sem que o eixo da máquina necessite entrar em rotação. Com a rotação do eixo do GIDA, a velocidade do campo girante produzido pelo sistema de excitação trifásico é acrescida pela velocidade do eixo da máquina. O ajuste na frequência da tesão de alimentação do rotor será dado pelo resultado da diferença entre a rotação mecânica do rotor e frequência síncrona da rede (60 Hz). 31

32 2 Gerador Síncrono de dupla excitação Vantagens do GIDA em relação à Conexão Unitária: O dimensionamento da capacidade será equivalente à potência de escorregamento da máquina e não da potência total do sistema. Para operação com baixo valor de escorregamento, a potência do sistema eletrônico pode ser reduzida a 10% a 15% da potência nominal da unidade geradora. 32

33 2 Gerador Síncrono de dupla excitação A diferença entre o ciclo-conversor e inversor de frequência é que o primeiro converte energia alternada de determinada frequência para energia alternada de frequência diferente da entrada usando somente um único estágio. Os ciclo-conversores utilizados nos GIDA, operam com velocidades que variam de 90 % da velocidade síncrona a 100% da velocidade síncrona (escorregamento S pode variar de 0,9 a 1). 33

34 3 Gerador de Indução É um motor de indução operando como gerador. Apresenta as seguintes caracterisitcas: Alternativa viável para geração em micro-aproveitamentos devido ao baixo custo (40% inferior em relação ao gerador síncrono); No Brasil, a utilização de geradores de indução acoplados a turbinas ainda está em fase pesquisa nos laboratórios; Pode-se conseguir uma economia de 40% na aquisição de um gerador de indução de 30 kw, se comparado ao gerador síncrono de mesmo porte. 34

35 3 Gerador de Indução Vantagens: Robustez: estrutura simples, ausência de pólos salientes, a velocidade de disparo do gerador de indução não é um grande inconveniente; Simplicidade: Ausência de bobinas, anéis coletores no rotor e escovas; Sincronismo: O gerador de indução dispensa a utilização de colunas de sincronismo pois, não necessita de sincronização; Sistema de excitação: Utilizam banco de capacitores para excitação; Não possui componentes rotativos. 35

36 3 Gerador de Indução Controle de tensão e da frequência gerada A tensão gerada pelo gerador de indução sofre decréscimo com aumento de carga. Várias técnicas para controle da tensão foram desenvolvidos ao longo dos anos: Método do capacitor série; Método dos capacitores chaveados; Método do controlador de carga; Método do reator saturado; Método do indutor controlado por tiristores. 36

37 3 Gerador de Indução Controle de tensão e da frequência gerada O controle da frequência pode ser feito mantendo-se a velocidade do gerador de indução constante, exemplo, para que uma máquina de indução de quatro pólos gere energia com a frequência de 60Hz a plena carga, é necessário que ela opere a uma velocidade bem acima de 1800rpm. Estas vantagens podem ser maiores se for considerada a operação do gerador de indução em paralelo com uma rede, visto que, neste caso é não é necessária a utilização de sistemas de controle de tensão e frequência que são definidos pela rede interligada. 37

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