Sistema de Excitação e Regulação Digital de Tensão RG3 para geradores síncronos

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1 Sistema de Excitação e Regulação Digital de Tensão RG3 para geradores síncronos

2 Características operacionais Equipamento padrão Confiabilidade Elevada disponibilidade Facilidades da tecnologia digital Regulador de tensão com excelente comportamento dinâmico Sem manutenção Grande flexibilidade Desenho compacto com poucos componentes Dimensões reduzidas O RG3 é um sistema de excitação para geradores síncronos com excitatriz sem escovas (diodos rotativos) ou de corrente contínua. Dependendo da corrente de campo, ele poderá ser conectado diretamente às escovas do gerador (excitação estática). Graças à sua elevada flexibilidade e ao desenho modular, este sistema de excitação é adequado para uso em usinas industriais e também em hidro e termoelétricas de concessionárias de energia. Suas características o tornam também especialmente indicado para os casos de modernização de plantas existentes. A parte de potência compõe-se de uma ou duas unidades chopper transistorizadas, que alimentam o campo da excitatriz ou do gerador principal (através de escovas, neste caso). Na configuração padrão, a potência necessária para a excitação pode ser suprida por um gerador auxiliar de ímã permanente (PMG), por um transformador de excitação conectado aos terminais do gerador ou ainda pelos serviços auxiliares da planta, em C.A. ou C.C. É possível também realizar uma alimentação redundante da parte de potência, por exemplo, através dos serviços auxiliares. A grande versatilidade do equipamento padrão e a pouca necessidade de espaço para o painel tornam o RG3 especialmente indicado para modernização de sistemas de excitação existentes. O projeto do equipamento sempre leva em consideração as especificações do cliente. Projeto mecânico Figura 1: Aspecto interno do cubículo. O sistema de excitação RG3 é geralmente fornecido num cubículo metálico padronizado, especialmente desenvolvido para alojar componentes de regulação e eletrônica de potência. O projeto modular e o rápido acesso a todos os componentes facilitam todas as operações de ajuste e otimização. Numa execução típica, com redundância no regulador de tensão, o cubículo tem as seguintes dimensões: 1000 x 800 x 2200 mm (L x P x A). Naturalmente, as dimensões do equipamento podem variar de caso para caso, no sentido de adaptar-se às condições de um projeto específico, especialmente nos casos de modernização. 2

3 Componentes principais Chopper transistorizado (1) para o canal principal e, no caso de se ter redundância, um segundo chopper transistorizado (2) para o segundo canal. Regulador automático de tensão (3), para controle da tensão nos terminais do gerador e regulador da corrente de excitação (4), para o canal manual. A energia E requerida para a alimentação do sistema de excitação pode vir das baterias da planta ou também dos serviços auxiliares em C.A. Na maioria dos casos, porém, ela é suprida por um gerador piloto de ímã permanente (PMG) (circuito 1) ou por um transformador de excitação (circuitos 2 a 4). É possível também a combinação de diversos alimentadores para se obter uma alimentação redundante. O sistema RG3 é adequado para todos os tipos de configuração de geradores síncronos: com excitatriz sem escovas (circuitos 1 e 2), com excitatriz de corrente contínua (circuito 3) ou até mesmo sem excitatriz, ou seja, com excitação estática (circuito 4). A desexcitação é realizada adicionalmente pela resistência de descarga de campo integrante do equipamento. AUMENTA DIMINUI E AVR (Canal Automático) 3 1 S G 3~ ECR (Canal Manual) 4 2 AUMENTA DIMINUI Trafo de excitação Trafo de excitação Trafo de excitação G 3~ E E E G 3~ G 3~ G 3~ S S Circuito 4 PMG G = S E S Circuito 3 Circuito 1 Circuito 2 Figura 2: Componentes padronizados do RG3 e circuitos de alimentação possíveis. 3

4 Modo de operação Reguladores digitais Regulador automático de tensão (AVR) Limitador da operação subexcitada (limitador de subexcitação) Limitador de ação lenta para a operação sobreexcitada (limitador de sobreexcitação) Limitador de ação lenta para a corrente do estator (limitador de corrente estatórica) O valor real da tensão terminal do gerador é comparado com o valor de referência (setpoint) ajustado pelo operador. O sinal resultante é comparado com a saída do limitador da corrente de excitação e conduzido à entrada do regulador Proporcional-Integral (PI). O regulador PI, com ganho e constante de tempo ajustáveis, fornece um sinal de saída que é aplicado como setpoint de corrente de excitação ao regulador subordinado de corrente. A saída deste segundo regulador comanda a geração de pulsos modulados em freqüência, que ativam os transistores do estágio de potência associado. A freqüência da modulação é de 2,5 khz. A corrente contínua flui através das fases U e W do circuito de potência transistorizado. Regulador automático do fator de potência (cos φ) ou da potência reativa do gerador O regulador de cos φ (ou potência reativa) compara o valor real do fator de potência (ou da potência reativa) com o valor desejado de cos φ (ou da potência reativa), ajustado pelo operador. Em caso de diferenças entre o valor real e o desejado, o ajustador de referência de tensão é ajustado automaticamente até que o desvio entre o valor real e o valor desejado seja zerado. Se o gerador passar para o modo ilha ou desconectar-se do sistema (modo a vazio), o regulador de cos φ (ou potência reativa) desliga-se automaticamente, voltando a operar o regulador automático de tensão. Regulador da corrente de excitação (Canal Manual) Este regulador de característica P recebe um sinal de setpoint que é comparado com o valor real da corrente de campo. O sinal de saída controla, então, por modulação em freqüência, o estágio de comando dos transistores de potência. Em geral, o regulador automático de tensão está sempre selecionado, mesmo durante os processos de partida e parada do gerador. A eletrônica de controle e regulação do sistema de excitação inclui todos os recursos necessários para a execução das seguintes funções: Regulação da tensão do gerador Regulação da corrente de campo (corrente de saída da unidade chopper) Limitador rápido da corrente de campo ( field forcing limiter ) Figura 3: As unidades transistorizadas (choppers). Opções Limitador V/Hz (limitador tensão/freqüência ou de sobrefluxo) Monitor de falha em diodos rotativos da excitatriz sem escovas Regulador de fator de potência (cos φ) ou da potência reativa do ponto de conexão com a rede Controle conjunto da potência reativa de vários geradores Modo comissionamento O regulador da corrente de excitação (Canal Manual) permite o registro das curvas características do gerador durante o comissionamento e testes da máquina, bem como operação do gerador em curto-circuito para ajuste e teste dos relés de proteção. Além disso, se ocorrerem falhas no regulador automático de tensão, o canal manual permite que o gerador continue sendo excitado, isto é, ele garante continuidade da operação. 4

5 Follow-up automático O valor de setpoint da corrente de campo é continuamente atualizado durante a operação do regulador automático de tensão, fator de potência ou potência reativa, assegurando, desta forma, uma rápida e suave comutação automática para manual na ocorrência de uma falha. Uma comutação automática ocorre quando atuarem certos fusíveis ou disjuntores de proteção ou ainda em caso de falhas no regulador automático. Limitadores Na operação de um gerador síncrono, é necessário observar as combinações possíveis de potência ativa e reativa, conforme definido em seu diagrama de capabilidade. Na figura 4 a seguir, o trecho LMO representa o limite para a faixa subexcitada, ou seja, o limite de estabilidade. O trecho OP é o limite definido pela elevação da temperatura do estator. O trecho PQ é o limite ditado pela elevação da temperatura do rotor. Características similares com fluxo reverso de potência ativa aplicam-se também para a caso de o gerador operar como motor. O Potência ativa O limitador de sobreexcitação assegura que, na faixa de sobreexcitação, o ponto de operação sempre se mantenha dentro da seção do diagrama limitada pelo trecho PQ. Como resposta a quedas de tensão causadas pela elevação da demanda de potência reativa, chaveio de disjuntores ou faltas na rede, o regulador de tensão eleva o nível da excitação no sentido de manter constante a tensão terminal. O limitador de sobreexcitação atua, então, como uma medida de proteção contra sobrecarga térmica do enrolamento rotórico. O limitador de sobreexcitação permite, por um período limitado de tempo, valores de corrente de excitação entre a máxima corrente de excitação continuamente admissível no rotor e a corrente de teto do sistema de excitação, de forma que o gerador possa sustentar o sistema como resposta a quedas de tensão de curta duração. O limitador da máxima corrente de excitação (field forcing limiter), em contrapartida, tem a tarefa de limitar a corrente de excitação no valor máximo (corrente de teto), o mais rápido possível. O limitador da corrente estatórica assegura a limitação temporizada em pontos do diagrama definidos pelo trecho NOP. A função principal do limitador de corrente estatórica é evitar sobreaquecimento do enrolamento estatórico, que pode ser causado por elevada potência reativa associada a elevada potência ativa. O limitador da corrente estatórica permite, então, valores altos de corrente de excitação por períodos limitados de tempo, de forma que o gerador possa sustentar temporariamente o sistema. N P Máxima potência da turbina O Potência ativa M Subexcitado Sobreexcitado L Q N Máxima potência da turbina Potência reativa Figura 4: Diagrama de capabilidade típico de uma máquina síncrona operando como gerador. O limitador de subexcitação corrige a potência reativa elevando a tensão da máquina o quanto for necessário para assegurar que, no caso de uma excursão para além do trecho característico LMO, o ponto de operação do gerador retorne para a linha limite, antes que a máquina seja desligada pelo relé de perda de excitação (Função ANSI 40). M Potência reativa L Figura 5: Limitação da mínima excitação.

6 40 Tempo [s] medida em que acelera a subida da corrente de campo. A corrente de saída da unidade chopper associada ao canal manual é limitada pelo máximo valor do ajustador de referência (setpoint) deste canal Limitação de sobreexcitação A corrente de saída do chopper do canal automático é influenciada pelo limite de integração do regulador PI. Esta variável de referência corresponde à tensão que fornece a corrente de campo requerida. 10 Limitação subordinada da corrente de excitação Corrente de excitação I E Tensão de excitação U E 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Corrente de excitação I F [p.u.] 1 Figura 6: Limitação de sobreexcitação e da máxima corrente de excitação. I Emax 2 I E I EN Controle Automático I EO U E Tempo [s] Todas as condições operacionais do sistema de excitação são supervisionadas e devidamente sinalizadas. A rotina de monitoração interna disponibiliza os seguintes sinais na forma de contatos livres de potencial: Falha grave do sistema (TRIP) Falha no canal automático com comutação para o canal manual Alarme agrupado, gerado por diversos sinais de falha interna que causam bloqueio de uma nova partida. Adicionalmente, os seguintes sinais de estado operacional estão também disponíveis para indicação externa: Excitação está ligada Excitação está desligada Canal Automático selecionado Canal Manual selecionado Regulador de Cos φ (ou de MVAr) está selecionado Limitadores estão atuando Figura 7: Comando do chopper transistorizado para fornecer uma alta tensão de saída, a fim de obter uma resposta mais rápida da excitação. U E = Tensão de saída do chopper (corresponde à tensão de excitação) I E = Corrente de saída do chopper (corresponde à corrente de excitação) I EO = Corrente de excitação a vazio I EN = Corrente de excitação nominal I Emax = Corrente de teto 1 = Corrente de saída sem o limitador de corrente de teto 2 = Corrente de saída sem a sobretensão temporária Sobreexcitação e limitador da máxima corrente de excitação Quando comandado para a sua máxima saída, a unidade chopper fornece uma tensão bem maior do que aquela necessária, aplicando no campo da excitatriz a sua corrente de teto. Esta sobretensão temporária no enrolamento de campo encurta consideravelmente o tempo requerido para a recuperação da tensão terminal do gerador, na 6

7 Circuito de potência Desexcitação O circuito de potência é composto de choppers transistorizados, que fornecem a corrente de excitação necessária a partir de um circuito intermediário de tensão contínua (link DC). A tensão de excitação necessária é ajustada através da variação da relação pulso/pausa; a resistência do circuito de campo faz, então, a corrente de campo variar correspondentemente. A corrente de excitação é medida no estágio de saída do chopper e aplicada como valor real ao regulador subordinado da corrente de excitação. É necessária a desexcitação do gerador síncrono em processos de parada programada ou quando atua alguma proteção do gerador ou transformador da unidade. Com isso, é feito o bloqueio do chopper transistorizado. A energia magnética acumulada no enrolamento de campo é forçada a retornar ao link DC através de diodos no estágio transistorizado. Isto assegura uma desexcitação muito rápida do gerador. Controle do chopper Entrada L1 L2 L3 P N Retificador Alisamento Ajustador (chopper) Saída Figura 8: Circuito de potência transistorizado V V _ Positivo Zero Negativo Figura 9: Tensão de saída do chopper como função dos pulsos de comando. Relação pulso/pausa variável. Freqüência de chaveio: cerca de 2,5 khz. Tensões de saída excessivamente elevadas são evitadas por meio de varistores conectados em paralelo. 7

8 Ferramentas de Software A ferramenta de Software amigável Drive Monitor, fornecida com o sistema de excitação, permite um comissionamento muito fácil do RG3. Por meio de uma interface serial, o regulador conecta-se a um PC para ser configurado de forma bastante simples. Configuração amigável O software Drive Monitor para Windows permite a completa parametrização do equipamento. Valores reais podem ser monitorados on line e os parâmetros, alterados facilmente selecionando-os na lista de parâmetros. Para facilitar ainda mais a parametrização, é possível escolher entre a lista completa de parâmetros, listas pré-definidas ou ainda definidas pelo usuário, com apenas os parâmetros associados a determinadas funções (p.ex. entrada e saída, limitadores, etc.). A qualquer momento é possível ler e transferir do regulador para o PC o conjunto atual de parâmetros, facilitando, assim, a documentação do sistema. Figura 10: O software Drive Monitor para comissionamento e diagnósticos é extremamente amigável. 8

9 Função TRACE A função TRACE é um aplicativo para oscilografias incluído no Drive Monitor que permite a visualização de dados registrados na forma de oscilogramas. Pode-se também salvar os dados num arquivo na memória do sistema e recuperá-los mais tarde. É possível, além disso, exportar tais dados para outros aplicativos do Windows, como processadores de texto (MS Word ) e planilhas eletrônicas (MS EXCEL ). A função de oscilografia TRACE possui as seguintes características: Monitoração de até 8 sinais analógicos. Monitoração de 16 sinais digitais por sinal analógico não usado (p.ex. 32 sinais digitais e 6 sinais analógicos). Tempo máximo de registro de 280 s com uma taxa máxima de amostragem de 280 ms ou 1,4 s com taxa de amostragem de 1,4 ms. Taxa de amostragem livremente ajustável entre 1,4 e 280 ms em passos de 1,4 ms. O registro de faltas é automaticamente iniciado na ocorrência de falhas ou eventos de trigger programados (disparados por sinais digitais p.ex. falhas ou comparação de sinais analógicos com um valor pré-definido, usando as condições <, >, = e <>). Condição de pré-trigger ajustável entre 0% (sem pré-trigger, apenas futuro) e 100% (apenas passado, sem futuro). Figura 11: O aplicativo TRACE contido no Drive Monitor é uma ferramenta muito útil para testes e diagnósticos, possuindo, além disso, uma interface muito amigável com outros aplicativos do Windows. 9

10 Configurando com o D7-ES O complexo regulador de tensão, com seus cálculos e limitadores, bem como as funções de controle e intertravamento estão integrados no módulo eletrônico microprocessado T400. Este módulo é configurado com a ferramenta gráfica D7-ES, para Windows. Assim, é muito fácil implementar dentro do RG3 mesmo as funções adicionais mais complexas definidas pelos clientes em suas Especificações Técnicas. Pacotes completos de software padronizados estão disponíveis para funções e aplicações que são frequentemente exigidas. A figura abaixo mostra um exemplo de estrutura de software e a seleção de funções disponíveis em uma biblioteca de blocos funcionais. Figura 12: Exemplo da programação do regulador de tensão, feita com a ferramenta D7-ES. 10

11 Dados técnicos principais Sistema de Excitação RG3 Tensão auxiliar até 250 VDC das baterias da planta Para comando dos contatores de potência Consumo: < 100 W continuamente < 200 W por curto tempo Para alimentação dos circuitos de regulação e controle (24 V DC) Consumo: < 200 W continuamente (O equipamento pode ser fornecido também com fonte de 24 VDC interna.) Transformadores de medição Transformadores de potencial: conectados às 3 fases do gerador Consumo: 100 a 120 V < 5 VA por fase; tensões secundárias de Transformadores de corrente: são necessárias 2 fases (L1 e L3) Consumo: < 3 VA (mais perdas na cablagem); correntes secundárias de 1 ou 5 A Normas e padrões O sistema de excitação RG3 é dimensionado, projetado e fabricado conforme as normas internacionais IEC, EN, DIN, VDE e IEEE 421 bem como atende ao submódulo 3.8 do ONS. 11

12 Maiores informações, por favor, entre em contato conosco: Siemens Ltda. Av. Mutinga, São Paulo, SP Tel.: (11) / 1876 FAX: (11) Internet: s: sebastiao.carpi@siemens.com jorge.humberto@siemens.com Edição: Junho de