Processos em Engenharia: Sistemas Elétricos Conceitos Básicos

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1 Processos em Engenharia: Sistemas Elétricos Conceitos Básicos Prof. Daniel Coutinho Departamento de Automação e Sistemas DAS Universidade Federal de Santa Catarina UFSC DAS Aula 5 p.1/54

2 Sumário Introdução Perspectiva Histórica Aspectos da Geração de Energia Elétrica: 1. Geração Hidrelétrica 2. Geração Termelétrica 3. Geração Nuclear Equipamentos de Geração e Transmissão DAS Aula 5 p.2/54

3 Introdução A energia elétrica é a mais versátil e universalmente utilizável forma de energia disponível. A sua demanda cresce a maior velocidade que a de qualquer outra forma de energia. A energia elétrica é enviada aos grandes centros consumidores através de complexas redes de transmissão e distribuição. Esses sistemas são estudados de forma hierárquica: Geração, Transmissão e Distribuição. Conversão de Energia (motores e geradores). DAS Aula 5 p.3/54

4 Perspectiva Histórica Domínio de materiais e energias disponíveis na natureza para melhorar a qualidade de vida : uso e controle do fogo : arco e flecha (energia muscular transformada em energia cinética) : transporte (energia eólica transformada em movimento) : moinho hidráulico : descobrimento do potencial do carvão, óleo, gás natural : revolução industrial DAS Aula 5 p.4/54

5 Matriz de Geração - I Mapa da matriz energética em países desenvolvidos (EUA) O fluxo de energia é grosseiramente traçado partindo das fontes primárias até a sua conversão final para vários propósitos, e calor desperdiçado. DAS Aula 5 p.5/54

6 Matriz de Geração - II Fósseis hidrocarbonados (óleo, gás natural e carvão) constituem 94 % das fontes primárias de energia. A potência hidráulica, a energia obtida dos rios, representa apenas 4%. Energia nuclear, que apesar de representar inexpressivos 2%, apresenta grande potencial futuro (energia limpa vs segurança). A eficiência no uso da energia é de apenas 50%. (calor desperdiçado representa as perdas de energia). DAS Aula 5 p.6/54

7 Matriz de Geração - III No Brasil DAS Aula 5 p.7/54

8 Matriz de Geração - IV Quadro de investimentos no Brasil (2010) DAS Aula 5 p.8/54

9 Matriz de Geração - V É fato comprovado que o consumo de energia cresce de forma exponencial (ou geométrica) dobrando o seu valor num certo número de anos. No Brasil, o consumo de energia dobra a cada 15 a 25 anos, o que corresponde a uma taxa de 2 a 5% ao ano. O crescimento é superior ao da população. O processo é instável DAS Aula 5 p.9/54

10 Aspectos de Geração - I No mundo, a energia elétrica representa 1/5 da energia total produzida. Mas, a energia elétrica é fundamental nos dias de hoje: informática, motores elétricos (indústria), comunicações, aquecimento, etc. A energia elétrica é bastante versátil: disponibilidade instantânea facilidade de transmissão facilidade de controle No entanto, a energia elétrica não pode ser armazenada em quantidades adequadas. DAS Aula 5 p.10/54

11 Aspectos de Geração - II A energia elétrica precisa ser gerada online para atender a uma demanda que varia em tempo real. DAS Aula 5 p.11/54

12 Aspectos de Geração - III Métodos de produção de energia elétrica: DAS Aula 5 p.12/54

13 Geração Hidrelétrica - I Aproximadamente 90 % da eletricidade produzida no Brasil é derivada de potência hídrica. A energia potencial de uma queda d água é transferida para turbinas que acionam geradores elétricos. A energia produzida é transmitida aos centros consumidores (utilizando links CC e CA). É a forma de produção de energia mais segura e relativamente limpa (causa danos ao ecossistema local). DAS Aula 5 p.13/54

14 Geração Hidrelétrica - II Usina hidrelétrica: visão em corte do duto forçado. DAS Aula 5 p.14/54

15 Geração Hidrelétrica - III Exemplo de turbina hidrelétrica DAS Aula 5 p.15/54

16 Geração Termelétrica - I Aproximadamente 8% da potência elétrica gerada no Brasil é obtida da queima de combustível fossilizado. DAS Aula 5 p.16/54

17 Geração Termelétrica - II Princípio de operação DAS Aula 5 p.17/54

18 Geração Termelétrica - III Princípio de operação (continuação): Calor produzido pela caldeira é utilizado para produzir vapor a alta temperatura. O vapor a alta temperatura e pressão é enviado a turbinas de alta e baixa pressão. O eixo das turbinas é acoplado a um gerador elétrico. O vapor d água é condensado e re-utilizado na caldeira. DAS Aula 5 p.18/54

19 Geração Termelétrica - IV O processo de conversão de energia é relativamente complexo e é feito de forma indireta. Apresenta uma eficiência de 35 a 40%, que podem ser otimizada aumentando a pressão e a temperatura de vapor. Entretanto, é a melhor solução quando utilizando combustíveis fósseis. Há problemas associados a poluição (atmosférica, fonte d água). Devido a complexidade de operação não permite variações rápidas de geração. DAS Aula 5 p.19/54

20 Geração Nuclear - I Estas plantas são tipo termelétricas, diferindo pela forma de geração de calor. DAS Aula 5 p.20/54

21 Geração Nuclear - II O calor é gerado num reator nuclear, na qual parte da massa de combustível (urânio ou plutônio enriquecido) é transformada em energia (processo de fissão nuclear. A energia aparece na forma de calor de alto grau, que é usado para produzir vapor que aciona uma turbina acoplada a um gerador elétrico. Utilizam-se condensadores como nas outras termelétricas, gerando poluição térmica. Não há poluição direta da atmosfera (mas, gera lixo atômico). DAS Aula 5 p.21/54

22 Geração Nuclear - III Princípio de funcionamento (continuação): DAS Aula 5 p.22/54

23 Sistema Elétrico de Potência (SEP) Descrição simplificada: DAS Aula 5 p.23/54

24 SEP - II Geração Centralizada (Bulk Generation): matriz energética, exemplificada principalmente por usinas hidrelétricas, termelétricas e nucleares, com o maior grau de automação. Transmissão, com sistemas de supervisão e de contingência avançados, e.g., o Sistema Interligado Nacional (SIN) gerido pelo Operador Nacional do Sistema (ONS). Distribuição, sem automação ou com automação incipiente. Esse cenário ocorre tanto em países em desenvolvimento quanto desenvolvidos. Atualmente, as empresas de energia elétrica e órgãos governamentais estão enfatizando na automatização do sistema de distribuição. DAS Aula 5 p.24/54

25 SEP - III Diagrama Unifilar DAS Aula 5 p.25/54

26 SEP - IV O objeto do SEP é fornecer energia elétrica aos consumidores atendendo aos índices de desempenho exigidos (níveis de tensão máximos e mínimos, número de interrupção do fornecimento e duração da interrupção do fornecimento). As subestações são locais onde os níveis de tensão são elevados ou reduzidos de acordo com a necessidade do sistema. O coração de uma subestação é uma máquina elétrica chamada de transformador Para evitar e minimizar os danos materiais e pessoais em caso de anomalias nos componentes de um sistema elétrico, são utilizados dispositivos de proteção e manobra como disjuntores, religadores e chaves seccionadoras, localizados dentro das subestações ou em postes ao longo das linhas de distribuição. DAS Aula 5 p.26/54

27 SEP - V Os disjuntores, religadores e chaves seccionadoras são os principais atuadores em um sistema de distribuição (controlados pelos relés de proteção, os quais recebem de sensores informações das variáveis do sistema, como tensão, corrente, potência, freqüência e etc). Assim como os controladores de processo, os relés de proteção evoluíram ao longo dos anos e hoje são equipamentos microprocessados com interfaces de comunicação para transferência de dados digitais. As concessionárias procuram construir as redes de distribuição de forma a oferecer redundância na opção de fornecimento de energia aos principais consumidores permitindo o isolamento de trechos defeituosos através da manobra dos dispositivos de proteção. DAS Aula 5 p.27/54

28 Funções da Automação de SEP - I 1. Monitoração: valores de medições realizadas (tensão, corrente, potências, fator de potência), estado dos disjuntores e chaves seccionadoras. 2. Proteção: manobra de dispositivos para proteger os geradores, transformadores e linhas de transmissão na ocasião de anomalias do sistema. 3. Comando: manobra de equipamentos a critério do operador. 4. Alarme: notifica o operador de ocorrência de alteração da configuração da rede elétrica ou irregularidade funcional de algum equipamento. DAS Aula 5 p.28/54

29 Funções da Automação de SEP - II 5. Armazenamento de dados históricos: possibilita estudos de ampliação do sistema e análise de faltas. 6. Gráficos de tendência: permitem que o operador antecipe algum tipo de falta antes que ela ocorra. 7. Intertravamento: bloqueio de manobras visando a segurança do sistema. 8. Registro seqüencial de eventos: permite conhecer a ordem da atuação dos dispositivos, permitindo uma análise posterior da causa das faltas. 9. Religamento automático 10. Controle de tensão e reativos (banco de capacitores e compensadores síncronos). DAS Aula 5 p.29/54

30 Sistema SCADA - I A automação de sistemas elétricos faz uso de sistemas de Controle Supervisório e Aquisição de Dados chamados de SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). DAS Aula 5 p.30/54

31 Sistema SCADA - II Sistemas SCADA são tipicamente usados em concessionárias de serviços de distribuição de energia, gás, água, como também em processos industriais, indústrias de mineração, industria de lazer e segurança, que tenham a necessidade de usar telemetria para conectar equipamentos e sistemas separados por grandes distâncias. A telemetria é usada para enviar comandos, programas e receber informação de monitoramento destas locações remotas. SCADA refere-se a combinação de telemetria e aquisição de dados. DAS Aula 5 p.31/54

32 Sistema SCADA - III Um sistema SCADA engloba a coleta de informações remotas, as transferindo para uma central, executando qualquer análise e controle necessário e mostrando as informações em telas e displays. Um sistema SCADA consiste em um número de Unidades Terminais Remotas (UTRs) coletando dados de campo e enviando de volta a uma Estação Mestre, também chamada de Unidade Terminal Central (UTC), via um sistema de comunicação como linha discada, rádio, celular, satélite etc. A Estação Mestre mostra o dado adquirido em através de um software de visualização e permite que o operador efetue tarefas de controle remoto. DAS Aula 5 p.32/54

33 Arquitetura do Sistema SCADA - I Um sistema SCADA é composto por: (i) instrumentação de campo;(ii) UTRs (RTU);(iii) sistema de comunicação;(iv) estação mestre; e (v) interface homem máquina (IHM). DAS Aula 5 p.33/54

34 Arquitetura do Sistema SCADA - II As UTRs estabelecem uma interface para a instrumentação de campo, isto é, os atuadores e sensores digitais e analógicos situados em cada locação remota. O sistema de comunicação estabelece um caminho para a comunicação entre a Estação Mestre e as Remotas A Estação Mestre coleta os dados das várias UTRs e geralmente disponibiliza, em PCs ou Estações de Trabalho com softwares específicos, interfaces homem máquina para visualização e controle remoto das locações. Em alguns casos são necessários o uso de repetidores ou Estações Mestres secundárias. DAS Aula 5 p.34/54

35 Protocolos de Sistemas SCADA 1. DNP3 (Distributed Network Protocol V3.0): foi criado como um protocolo proprietário pela divisão Harris Controls da GE para ser usado em concessionárias de energia elétrica 2. IEC (Telecontrol Equipment and Systems): refere-se a uma coleção de padrões abertos produzidos pela Comissão Internacional de Eletrotécnica, ou IEC. 3. UCA (Utility Communications Architeture): é um conjunto de padrões para dispositivos de monitoração e controle para interoperar com aplicações típicas de concessionárias, não somente SCADA, em um ambiente de múltiplos fornecedores. 4. IEC (Communications Networks and Systems in Substations): conjunto de funções que podem interoperar em forma distribuída. DAS Aula 5 p.35/54

36 Sistema SCADA - IV Exemplo: importância da etiqueta de tempo. DAS Aula 5 p.36/54

37 EMS: Energy Management System - I Sistema de Gerenciamento da Energia (EMS: Energy Management System), também denominado Sistema de Supervisão e Controle (SSC), ou Despacho de Carga: provê os meios para coordenação da operação e da manutenção do sistema elétrico, isto visto de uma forma global. O SSC é composto por vários níveis hierárquicos de ação. UAC: Unidade de Aquisição de Dados e Controle. COR: Centro de Operação Regional COS: Centro de Operação do Sistema DAS Aula 5 p.37/54

38 EMS: Energy Management System - II Exemplo de sistema hierárquico: DAS Aula 5 p.38/54

39 Exemplo EMS DAS Aula 5 p.39/54

40 EMS no Brasil O Brasil possui diversas fontes de geração de energia elétrica. Sua matriz elétrica é composta de fontes hidráulicas, nucleares, eólicas e térmicas (gás natural, carvão, derivados de petróleo e biomassa). Despacho elétrico é o controle da operação de geração de energia elétrica no Brasil. O Operador Nacional do Sistema (ONS) é o responsável pelo despacho de energia elétrica (i.e., ele indica quais usinas de cada fonte devem produzir energia por um determinado período). DAS Aula 5 p.40/54

41 Despacho Elétrico - I Apesar de a matriz elétrica brasileira ser diversificada, grande parte da geração provém do sistema hidrelétrico. Por um lado, isto é ótimo, pois o custo fixo da água é zero, ou seja, a geração hidrelétrica é mais barata que a geração por meio das outras fontes mencionadas. Por outro lado, a água possui um custo de oportunidade. Isto é: se o despacho for puramente hidrelétrico e se gastarmos a água dos reservatórios para suprir a demanda de energia, corre-se o risco de não haver água nos reservatórios no futuro. DAS Aula 5 p.41/54

42 Despacho Elétrico - II Portanto, a quantidade de energia gerada pelo sistema hidrelétrico depende fortemente das condições hidrológicas do passado e do futuro. Logo, apesar de termos garantido um custo baixo para esta energia hoje, seremos obrigados a despachar mais usinas de alto custo amanhã, encarecendo assim o custo médio da energia. Então, o custo de oportunidade da geração hidrelétrica deve ser considerado pelo ONS na tomada de decisão sobre o despacho de energia. O despacho ótimo é aquele capaz de suprir toda a demanda de energia no país pelo menor custo levando em consideração as condições hidrológicas do passado e do futuro. DAS Aula 5 p.42/54

43 Equipamentos de Geração - I Geradores: AC vs DC DAS Aula 5 p.43/54

44 Equipamentos de Geração - II Pela expressão da potência AC monofásica, nota-se que a potência produzida é pulsante o que é inadequado para a transferência de potência. Entretanto, no caso polifásico, a pulsação da potência pode ser eliminada (caso trifásico já é suficiente). Geração AC trifásica: facilidade de operação facilidade de transmissão motores (e geradores) AC simples e baratos DAS Aula 5 p.44/54

45 Gerador AC - I Princípio de funcionamento: DAS Aula 5 p.45/54

46 Gerador AC - II Componente principais: rotor e estator. O rotor é formado de um número par de pólos de polaridades alternadas. Em cada pólo é instalado uma bobina de campo conectada as demais (enrolamento de campo). Um excitador alimenta corrente contínua nesse enrolamento. No estator, em canais apropriados igualmente separados, são condicionadas bobinas formando o enrolamento de armadura. DAS Aula 5 p.46/54

47 Gerador AC - III Quando o rotor gira, o fluxo oscila na armadura gerando força eletromotriz. Um gerador trifásico fornece, nos terminais de fase a, b e c 3 tensões de fase Va, Vb e Vc. As tensões tem o mesmo módulo V, mas ângulos diferentes (defasadas de 120 o respectivamente). As três tensões são referidas a um quarto terminal, chamado de neutro, usualmente aterrado. A conexão externa pode ser feita a três fios (Delta) ou quatro fios (Estrela). DAS Aula 5 p.47/54

48 Gerador AC - IV As máquinas síncronas (geradores) operam em paralelo como partes de um grande sistema, às vezes continental, denominada de rede elétrico (ou SEP). Os SEP operam 24 horas por dia sendo que a freqüência comum de oscilação é mantida constante (no Brasil, 60±0,05 Hz) e qualquer gerador individual, mesmo um de 1000 MW, é geralmente muito pequeno com relação à capacidade do sistema. Portanto, deve-se ter cuidado ao conectar um gerador à rede. É necessário sincronizá-lo com a rede: igualdade de freqüências de oscilação, de tensões e de fases entre o gerador que se deseja conectar e a rede. DAS Aula 5 p.48/54

49 Transformador de Potência - I Pare diminuir as perdas de condução (perdas ohmicas), as tensões de saída dos geradores, na faixa dos 20 KV, são aumentadas para 350 a 500 KV para fins de transmissão a grandes distâncias. DAS Aula 5 p.49/54

50 Transformador de Potência - II O núcleo é laminado para minimizar as perdas. O bobinado é realizado em volta do núcleo em arranjos concêntricos. Núcleo e bobinado estão submersos em óleo que serve a um duplo propósito: isolamento e refrigeração. A refrigeração por convecção natural ou forçada. Tipos: Monofásicos e Trifásicos. Auto-transformadores: não possuem isolação entre primário e secundário (regular tensão). DAS Aula 5 p.50/54

51 Rede de Transmissão - I A energia elétrica gerada nas usinas é transmitida aos centros consumidores utilizando linhas de transmissão, interligadas na forma de uma grande rede, cuja função é permitir o atendimento de uma demanda variável. As redes de transmissão são geralmente representadas esquematicamente através de diagramas unifilares. As usinas são representadas por círculos (seus geradores). Associados aos geradores conectam-se os transformadores de potência para elevar a tensão. DAS Aula 5 p.51/54

52 Rede de Transmissão - II A saída do transformador é conectada a um barramento, ao qual chegam linhas de transmissão provenientes de outros barramentos e do qual saem linhas para outros barramentos. DAS Aula 5 p.52/54

53 Rede de Transmissão - III Transformadores de potência e barramentos e outros equipamentos necessários, encontram-se no que se denomina subestações. Nas subestações (como a do Parque São Jorge) a tensão de transmissão é abaixada a níveis compatíveis com os dos usuários. Ressalta-se o fato que a interconexão em rede permite que um mesmo usuário possa ser atendido com energia gerada em locais diferentes, proporcionando grande flexibilidade ao sistema. DAS Aula 5 p.53/54

54 Exercício Para o diagrama unifilar abaixo, explicitar: geradores, subestações, tensões de transmissão e dispositivos de regulação de tensão, manobra e proteção. DAS Aula 5 p.54/54