Sistema de excitação

Transcrição

1 Sistema de excitação

2 Introdução

3 Introdução A função do sistema de excitação é estabelecer a tensão interna do gerador síncrono; Em consequência,o sistema de excitação é responsável não somente pela tensão de saída da máquina,mas também pelo fator de potência e pela magnitude da corrente gerada.

4 Configuração física dos componentes do sistema de excitação

5 Até bem recentemente, a excitatriz da maioria dos sistemas era um gerador de corrente contínua montado no eixo do gerador; Atualmente, outros sistemas mais rápidos e que exigem menos manutenção vão aos poucos substituindo o sistema clássico; A função do regulador de tensão é controlar a saída da excitatriz tal que a tensão gerada e a potência reativa variem da maneira desejada; Em sistemas primitivos, o operador desempenhava o papel do regulador de tensão, observando a tensão de saída e ajustando o reostato de campo da excitatriz de modo a obter as condições de saída desejadas; Atualmente, o regulador de tensão é um controlador que observa a tensão (e possivelmente outras grandezas,como potência ativa e corrente) de saída do gerador e então inicia a ação corretiva através da variação do controle da excitatriz; Os reguladores são indispensáveis para manter a estabilidade dos geradores síncronos.

6 Modelagem e Análise de um Sistema de Excitação Convencional Considere o sistema de excitação com amplificador rotativo

7 Transformadores de Potencial e Retificadores A função de transferência do conjunto TPs+retificadores, frequentemente referido simplesmente como filtro será considerada como sendo de primeira ordem, isto é, é caracterizada por um ganho e uma constante de tempo v v dc t ( s) ( s ) K = 1+ R T R em que K R é um ganho, em geral unitário, e T R é uma pequena constante de tempo, usualmente 0 T R 0.06.

8 Amplificador Rotativo Um amplificador rotativo típico é em geral representado por uma função de transferência de primeira ordem, cujo ganho será representado por K A e cuja constante de tempo será denotada por T A ; Em geral, 25 K A 50, e 0,06 T A 0,20; É necessário que sejam considerados no modelo limites máximo e mínimo sobre a saída do amplificador, de modo que grandes sinais de erro na entrada do regulador não produzam saídas que excedam limitações práticas.

9 Excitatriz A aplicação da lei das malhas de Kirchhoff ao circuito de campo da excitatriz fornece: d φ N F + Ri = V + R dt V Se está interessado em relacionar V R com V. Se a velocidade é cte, temos V = k φ ef, em que φ ef é o fluxo magnético no entreferro da excitatriz. Temos: φ F = φ ef + φ disp em que φ disp é o fluxo de dispersão.

10 Considerando que o fluxo de dispersão é uma pequena fração constante do fluxo de campo e o fluxo no entreferro é uma fração 1/σ do fluxo,temos: φ F = σ φ ef, logo; φ F = (σ/k)v, portanto: N σ dv k dt + Ri = V + V R

11 A relação entre i e V é dada pela característica de saturação da excitatriz Então : 1 i = V + S E ( V ) V R ef em que S E(V ) V representa o acréscimo de corrente i na porção não linear.

12 Logo: Nσ dv k dt + K E V = V R S E ( V ) V em que: K E =(R/R ef ) -1 e S E (V )=S E(V ) R Aplicando Laplace com as condições iniciais nulas, temos: V ( s) = V K R E S + s E V Nσ k

13 Diagrama de blocos da excitatriz

14 Gerador A função de transferência do gerador é: V t ( s K G = 1+ V )) ( s T G Na condição em vazio, T G é T do, porém se o modelo for aplicado como uma aproximação para o caso em vazio, o T G é algo menor do que T do.

15 Diagrama de blocos completo

16 Análise da Estabilidade do Sistema de Excitação Convencional Aplicaremos técnicas de análise de estabilidade de sistemas lineares ao sistema de excitação, para isso será desprezado os blocos não lineares. A função de malha aberta para o estudo é: KGH ( s) = (1 + st A )( K E K AKGK R + st )(1 + E st G )(1 + st R ) Considere os valores para os parâmetros: T A =0,1s; T E = 0,5s; T G = 1s; T R = 0,05s;K E =-0,05s; K G =1s; K R =1s e K A é o parâmetro a ser ajustado. Temos: KGH ( s) = ( s + 10)( s 400K 0,1)( s A + 1)( s + 20)

17 O lugar de raízes para o K A variando de o até ( utilizando a função rltool ou rlocus do MatLab) é mostrado abaixo:

18 Pela equação característica e construindo o arranjo de Routh-Hurwitz temos 3,21>K A >0,05 A faixa de variação de K A é bastante restrita para a estabilidade.há três possíveis soluções: 1. Aumentar a resistência do campo da excitatriz, de modo a deslocar o pólo correspondente para a esquerda; 2. Deslocar o pólo do gerador mais para a esquerda; 3. Projetar um compensador para o sistema.

19 Das três a única realmente viável é a terceira. A estratégia tradicionalmente utilizada é colocar um compensador de características derivativas, como mostrado abaixo:

20 Dois tipos de sistemas de excitação recomendados pelo IEEE Existem vários tipos cujos modelos são recomendados pelo IEEE. Basicamente, usam-se dois tipos bem gerais para fins de simulação digital: 1.Excitatriz rotativa, que usa uma máquina CC para excitar o campo principal do gerador. Este tipo encontra-se funcionando em geradores mais antigos. 2. Excitatriz estática, que usa tensão contínua obtida de um retificador estático. Os diagramas são mostrados a seguir:

21 Excitatriz Rotativa

22 Excitatriz Estática

23 Atividade Simular para um degrau unitário de Vref.

24 Atividade Simular para um degrau unitário de Vref, agora com o estabilizador(compare os resultados: Kf = 2 e τf = 0,01;