SEL LABORATÓRIO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS. Professores: Luís Fernando Costa Alberto, José Carlos de Melo Vieira Júnior, Elmer Pablo Tito Cari

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1 SEL LABORATÓRIO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Professores: Luís Fernando Costa Alberto, José Carlos de Melo Vieira Júnior, Elmer Pablo Tito Cari LABORATÓRIO: BLACK START DE UM SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA OBJETIVOS: a) Verificar experimentalmente alguns procedimentos de Black Start de um sistema elétrico de potência. b) Realizar o procedimento para sincronização de geradores operando em paralelo. c) Ilustrar conceitos de controle de tensão, fator de potência, controle de freqüência e despacho de geradores I OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE POTÊNCIA Um sistema de potência é basicamente constituído por geradores, transformadores, linhas de transmissão e cargas. Na experiência de laboratório, nosso sistema será formado por dois geradores síncronos, ligados através de uma linha de transmissão e uma carga mista composta de resistores, capacitores e um motor de indução, ligada aos geradores através de duas linhas de transmissão como mostra a Figura 1. 1

2 Figura 1: Sistema de potência montado no laboratório. Considerações: Linhas de Transmissão: Para efeitos de estudo, as linhas de transmissão trifásicas são obtidas utilizando-se um banco de 3 transformadores monofásicos com o secundário em curto circuito. Os transformadores isoladores de 100VA na configuração 220(Vac):220(Vac) podem ser utilizados para este fim. Carga: Três cargas são utilizadas, na primeira parte uma carga resistiva e um banco de capacitores, e na segunda parte um motor de indução trifásico. As cargas serão ligadas ao SEP depois que os geradores estejam sincronizados. A carga resistiva pode ser obtida com o banco de resistores da equacional na configuração estrela-série ou lâmpadas de 220V, 60W ligadas em estrela. Geradores Síncronos: Dois geradores síncronos serão ligados em paralelo utilizando o método das lâmpadas. Na montagem é preciso cuidado para que as fases no anel sejam fechadas de maneira correta. II PROCEDIMENTO PARA O BLACK START DO SISTEMA DE POTÊNCIA TESTE Muitas vezes na operação de sistemas de potência é necessário realizar o Black Start que consiste em um conjunto de regras que devem ser seguidas para obter o restabelecimento de energia. No laboratório, o procedimento a seguir é o seguinte: 2

3 (a) Acionar o primeiro Gerador síncrono; (b) Energizar uma LT; (c) Ligar cargas resistivas; (d) Acionar o segundo gerador e sincronizá-lo; (e) Energizar a segunda LT; (f) Ligar mais cargas ao sistema. Durante todos estes procedimentos, grupos de alunos atuarão como reguladores de tensão e freqüência conforme instruções do professor. III EXPERIÊNCIA 1: LIGAÇÃO EM PARALELO DE DOIS GERADORES SÍNCRONOS Figura 2: Parte do sistema de potência para a realização do paralelo de geradores pelo método das lâmpadas. Geradores Síncronos operando em paralelo precisam estar sincronizados. A conexão não pode ser realizada subitamente, é preciso que ambos estejam sincronizados para que a conexão ocorra de maneira suave. A não observância do sincronismo pode danificar os geradores devido à presença de torques e correntes elevadas assim como causar problemas para a rede. Neste experimento, um conjunto de 3 lâmpadas será utilizado para verificar (i) se os geradores possuem a mesma seqüência de fase, (ii) se a rede e o gerador estão sincronizados (mesma freqüência e ângulo) e (iii) se os níveis de tensão são similares. 3

4 PROCEDIMENTO: Gerador 1 e 2 1. Acionar o motor de corrente contínua em 1800 rpm. 2. Acionar o campo do gerador síncrono e regular a tensão para 220V. 3. Ligue o gerador síncrono em série com as lâmpadas e a rede trifásica. Observando as lâmpadas, 1. Verifique a seqüência de fase. 2. Atue na velocidade da máquina de corrente contínua até que se obtenha sincronização (lâmpadas apagadas). 3. Feche as chaves quando as lâmpadas estiverem apagadas. III EXPERIÊNCIA 2: REGULAÇÃO DE TENSÃO E FREQUÊNCIA Em um sistema elétrico de potência real a regulação de tensão é realizada através do sistema de excitação e a regulação de freqüência (velocidade) é realizada através do controle primário. Sistemas de excitação modernos utilizam dispositivos semicondutores para o controle da tensão. No laboratório a regulação de tensão é realizada em forma manual variando a tensão de campo da máquina síncrona. A função do controle primário é manter a freqüência do gerador suficientemente próxima de um valor pré-determinado. O controle primário ajusta as válvulas das turbinas hidráulicas ou a entrada de combustível em turbinas térmicas de acordo com a variação de freqüência. No laboratório a regulação de freqüência é realizada manualmente variando-se a corrente de campo do motor de corrente contínua. Varie a tensão de campo e a velocidade de uma das máquinas síncronas e observe o que ocorre: Com a freqüência elétrica Com a potência ativa fornecida pelo outro gerador Com a potência ativa que flui para a carga Com a tensão na carga 4

5 Figura 3: Controle manual da tensão e freqüência para os geradores síncronos do laboratório. IV EXPERIÊNCIA 3: ELEVANDO O CARREGAMENTO DO SISTEMA O motor de indução do experimento está acoplado em um gerador de corrente contínua autoexcitado que alimenta uma carga monofásica resistiva. Nesta parte do experimento, o carregamento do sistema será gradativamente aumentado e caberá aos alunos atuar nos controles dos geradores de forma a manter a tensão e a freqüência constantes e a carga total igualmente distribuída entre os mesmos. O aumento gradual da carga será realizado chaveando as resistências do banco monofásico conectado ao gerador de corrente contínua. Cada resistência corresponde a 20 W que serão exigidos dos geradores. Em cada chaveamento, a tensão contínua fornecida ao banco de resistores deve ser mantida constante em 100 V. Para cada incremento de carga as seguintes grandezas devem ser monitoradas, preenchendo a Tabela 1: freqüência elétrica, tensão terminal e corrente dos geradores, potência fornecida pelos geradores, correntes de campo dos geradores, potência fornecida pelas máquinas CC, potência ativa que flui pela LT1, fator de potência e tensão da carga total. 5

6 Tabela 1 - Medições. GERADOR 1 GERADOR 2 LT CARGA Carga V 1 I 1 V CC1 I CC1 P 1 (W) I fd1 V 2 I 2 V CC2 I CC2 P 2 (W) I fd2 P LT (W) fpot V C Vazio 1R 2R 3R 4R 5R 6R Sendo: V 1 e V 2 as tensões de linha dos geradores 1 e 2, respectivamente. I 1 e I 2 as correntes de linha dos geradores 1 e 2, respectivamente. I fd1 e I fd2 as correntes de campo dos geradores 1 e 2, respectivamente. V CC1 e V CC2 as tensões de armadura das máquinas CC 1 e 2, respectivamente. I CC1 e I CC2 as correntes de armadura das máquinas CC 1 e 2, respectivamente. P 1 e P 2 as potências ativas trifásicas fornecidas pelos geradores 1 e 2, respectivamente. P LT a potência ativa trifásica que flui pela linha LT1. fpot o fator de potência da carga mista. V C a tensão de linha da carga mista. 6

7 As respostas dos questionamentos abaixo deverão estar presentes no relatório Da experiência de paralelo de geradores 1. O que ocorre com as lâmpadas se a seqüência de fase dos geradores síncronos for diferente? 2. O que ocorre com as lâmpadas se a seqüência de fase está correta, mas se a freqüência for diferente? 3. As lâmpadas estão acesas com luminosidade constante. O que pode estar acontecendo? Você fecharia a chave nesta situação? Da experiência de operação do SEP. 4. Explique o impacto da regulação de freqüência na distribuição da carga nos geradores síncronos. 5. Com as medidas registradas na Tabela 1, calcule em cada situação: a. A potência das máquinas de corrente contínua e estime o rendimento total do conjunto máquina CC + máquina síncrona. b. O fator de potência e a potência reativa das máquinas síncronas. c. Estime o fluxo de potência ativa na linha sem wattímetros. 7

8 Instruções para o relatório Papel A4, espaçamento 1 ½, deve conter as seguintes seções: Introdução Objetivos Análise Resultados Na seção Análise deverão ser desenvolvidos os modelos de linhas, apresentando os valores medidos nos ensaios, a modelagem do sistema elétrico, cálculo do fluxo de carga. As respostas aos questionamentos anteriores deverão estar presentes no relatório Os resultados deverão mostrar as simulações de cálculo de fluxo de carga e comparações com as medições realizadas 8