Power Generation Services Controls & Digitalization / Descrição Técnica / Julho 2016

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1 Power Generation Services Controls & Digitalization / Descrição Técnica / Julho 2016 THYRIPOL Ò S Sistema de excitação estática e regulação digital de tensão para máquinas síncronas em toda faixa de potência

2 Conteúdo: 1. Introdução 3 2. Configuração básica 4 3. Projeto mecânico 5 4. Componentes principais 7 5. Funcionamento Regulador Automático de Tensão (AVR) ou Canal Automático Regulador da Corrente de Excitação (ECR) ou Canal Manual Outros modos de operação Seguidor de comando ou follow-up bidirecional Limitadores Estabilizador do sistema de potência (PSS) Comando e controle Software Aplicação Especificações técnicas Abreviaturas 18 Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 2 de19

3 1. Introdução THYRIPOL S é o sistema de excitação estática da Siemens, empregado para a excitação e regulação da tensão, potência reativa ou fator de potência de máquinas síncronas dotadas de escovas. Aplica-se igualmente a geradores síncronos acionados por turbina hidráulica, a vapor ou a gás, bem como a compensadores síncronos em subestações. Devido à grande flexibilidade do projeto, o THYRIPOL S pode ser adaptado facilmente às condições técnicas da planta de geração, o que torna este sistema de excitação adequado não só a usinas novas, como também à modernização de usinas já existentes. Esta descrição técnica aborda o sistema THYRIPOL S para correntes de excitação de até 2000 A e fornece apenas uma ideia geral das características que podem ser fornecidas. As características operacionais essenciais do THYRIPOL S são as seguintes: Elevado nível de segurança Elevada confiabilidade Elevada disponibilidade Grande adaptabilidade Baixíssima manutenção Resposta rápida Excelente comportamento dinâmico Execução robusta Fig. 1: Exemplo de um sistema de excitação estática THYRIPOL S. No THYRIPOL S, um regulador de tensão completamente digital controla a excitação da máquina síncrona diretamente através de um conversor tiristorizado. O regulador de tensão possui um poderoso microprocessador para executar todas as funções do regulador de tensão, seus limitadores, o comando, o controle e a supervisão do sistema de excitação. Contribui para alcançar o alto nível de disponibilidade oferecido pelo sistema de excitação o uso de componentes industriais comprovadamente eficientes. O projeto modular resulta numa operação e manutenção extremamente simplificadas. A seguir é feita uma descrição sucinta da configuração básica do sistema de excitação, de seus componentes fundamentais e da sua forma de funcionamento. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 3 de19

4 2. Configuração básica A figura 2 a seguir mostra os componentes básicos do sistema de excitação THYRIPOL S. Transformador de excitação (1) Do lado do primário, o transformador de excitação é conectado aos terminais da máquina síncrona. Ele é a fonte de energia para o retificador controlado e, conforme a aplicação, poderá opcionalmente ser alimentado pela rede auxiliar de média tensão da planta. Retificador controlado (2) O retificador controlado corresponde a uma ponte retificadora trifásica totalmente controlada, da linha SINAMICS DCM. Equipamento para descarga de campo (3), (4), (5) Constitui-se do disjuntor de campo (3), posicionado no lado da alimentação do retificador tiristorizado (opcionalmente no lado da saída), associado ao dispositivo SICROWBAR (4), para proteção contra sobretensões no campo e ao resistor de descarga de campo (5). Proteção contra sobretensões no campo (4) A unidade SICROWBAR é uma chave estática bidirecional, conectada em paralelo à saída de C.C. da ponte retificadora, que tem como função evitar o surgimento de sobretensões que possam surgir no enrolamento rotórico na ocorrência de defeitos na máquina síncrona. Unidade de regulação e controle (6), (7) Constitui-se do regulador automático de tensão (6), para regulação da tensão terminal do gerador, e do regulador da corrente de excitação (7), também conhecido como canal manual. As funções destes reguladores são realizadas pelo módulo Simotion, dotado de elevada capacidade de processamento, e que executa também as tarefas de controle, monitoração e comunicação. Circuito de disparo (8) O circuito de disparo e as rotinas de monitoração dos tiristores são executadas pela eletrônica do conversor SINAMICS DCM, para correntes de campo de até 2000 A. Equipamento para excitação de partida (9) O THYRIPOL S possui também um circuito auxiliar para a excitação inicial do gerador, necessária no caso de sistemas de excitação alimentados pelo próprio gerador GS Fig. 2: Configuração básica do sistema de excitação estática THYRIPOL S. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 4 de19

5 3. Projeto mecânico O THYRIPOL S é instalado num conjunto de cubículos padronizados, especialmente projetados para alojar componentes de controle e regulação, bem como eletrônica de potência. O projeto modular e otimizado do sistema de excitação, assim como o fácil acesso a todos os componentes, facilitam o manuseio de todas as funções do equipamento. As dimensões totais padronizadas de um sistema com duplo canal redundante são 2600 mm de largura, 1000 mm de profundidade e 2170 mm de altura. O projeto do sistema de excitação pode ser sempre adaptado às condições e exigências da planta, especialmente no caso de modernizações, de forma que as dimensões finais poderão ser diferentes daquelas informadas acima. Cubículo de regulação e controle Este cubículo (Fig. 3) aloja todos os componentes dos circuitos de regulação e controle da excitação, bem como aqueles para a operação local do sistema. Isto inclui os transdutores de medição da tensão e corrente do gerador, o regulador de tensão, o regulador da corrente de excitação, a interface homem-máquina para comando local e todos os demais componentes de proteção e monitoração previstos no projeto. Neste cubículo estão também alojadas as fontes de alimentação redundantes da eletrônica, os relés de interface, disjuntores de proteção dos diversos circuitos, contatores auxiliares e as réguas de bornes para interface do sistema de excitação com os demais sistemas da planta. Os componentes principais dos circuitos de regulação e controle são as unidades SIMOTION D435-2 com seus respectivos módulos de entradas e saídas digitais e analógicas. Todos estes componentes são equipamento industrial padronizado de linha normal de fabricação, empregados no mundo todo, o que assegura elevada robustez, alta confiabilidade e grande disponibilidade. As seguintes funções são realizadas pelo módulo SIMOTION D435-2: Controle de malha fechada (veja item 5.1) Limitadores (veja item 5.5) Estabilizador do sistema de potência ou PSS (veja item 5.6) Controle e supervisão do sistema de excitação Comunicação com o comando e controle Controle da interface homem-máquina (IHM) Fig. 3: O cubículo de regulação e controle na configuração duplo canal automático redundante. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 5 de19

6 A unidade de controle e regulação programável Simotion D435-2 Interfaces: 8 DI, 8 DI/DO 4 DRIVE-CLiQ 2 Profibus 2 Ethernet 2 USB 1 slot vago Quantidade configurável de I/Os Módulos de I/Os livremente programáveis Disponíveis como I/Os digitais e analógicas Fig. 4: O módulo SIMOTION D Fig. 5: Módulos de interface tipo TM15 e TM30. Este componente adquire, converte e transmite os valores instantâneos das grandezas do gerador. Precisão: 0,5% Resolução: 14 bits Taxa de amostragem: 100 µs 2 entradas analógicas adicionais: ma e 0 10 V Entradas para TPs (3 fases): 100 / 110 / 120 V Entrada para TCs (2 ou 3 fases): 1 / 5 A Fig. 6: Módulo NTG3000 para medição dos valores reais das grandezas do gerador. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 6 de 19

7 4. Componentes principais Transformador de Excitação O transformador de excitação tem a função de alimentar o sistema de excitação. Pode ser do tipo a óleo ou a seco. Os transformadores a seco de tecnologia GEAFOL Ò (encapsulados em resina) da Siemens evitam as restrições dos transformadores isolados a óleo, mas oferecem as vantagens destes, no que diz respeito à confiabilidade e vida útil prolongada. Os transformadores GEAFOL Ò são projetados para instalação em cubículo ou cela de proteção, sendo equipados com sensores de temperatura e relé de proteção, para alarme e desligamento. Geralmente possuem também TCs no primário para a proteção contra sobrecorrente, realizada por relé digital da Siemens (linha SIPROTEC Ò ), incluído no THYRIPOL Ò S. A isolação em resina dos transformadores a seco GEAFOL Ò os faz livres de manutenção, torna os enrolamentos resistentes à umidade e é autoextinguível no caso de incêndio. Fig. 7: O transformador de excitação a seco GEAFOL. Os transformadores GEAFOL Ò possuem enrolamentos de alumínio, o qual tem coeficiente de expansão muito próxima ao coeficiente de expansão térmica da resina GEAFOL Ò. Este tipo de transformador também apresenta elevado nível de segurança e resistência a pulsos de alta tensão. São possíveis as seguintes opções para o transformador de excitação: Isolação a seco ou a óleo, conforme necessidades da planta Invólucro de proteção com ou sem flanges para conexão ao barramento do gerador Projeto como banco de transformadores monofásicos, para total segregação de fases Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 7 de 19

8 Retificador tiristorizado Dependendo da especificação de redundância, o conversor tiristorizado corresponde a um ou dois cubículos adjacentes independentes contendo, cada um, os seguintes componentes: Tiristores de potência Circuito de ventilação forçada Fusíveis ultrarrápidos específicos para semicondutores Circuitos de supervisão Circuitos de disparo dos tiristores O conversor tiristorizado é configurado como ponte retificadora trifásica totalmente controlada (B6C), alimentada pelo transformador de excitação. Conforme mostrado na figura 9, o conversor tiristorizado permite ajustar, praticamente sem retardo de tempo, qualquer valor de tensão entre o máximo valor positivo U P (tensão de teto positiva) e o máximo valor negativo U FU (tensão de teto negativa). A máxima tensão negativa U FU corresponde a aproximadamente 80% do máximo valor positivo U P, para garantir operação segura do retificador no regime de inversor. Esta característica permite uma redução extremamente rápida da corrente de excitação até zero, sendo particularmente importante em rejeições de carga, para minimizar as sobretensões originadas. O gráfico mostrado na figura 9 mostra a tensão de campo Uf e a corrente de campo If em função do tempo, quando o regulador de tensão, no instante t1, comanda o retificador para retificação completa e, no instante t2, o controla para regime de inversor. No instante t3, a corrente de excitação já alcançou zero e a operação de inversor pode ser finalizada. A taxa de variação máxima da corrente de campo depende dos dois limites (U P e U FU ) e da constante de tempo do circuito de campo da máquina síncrona. A constante de tempo depende da condição de carga da máquina síncrona. Algumas normas estabelecem valores mínimos para a tensão de teto, os quais, porém, são frequentemente ultrapassados quando se consideram as especificações dos clientes. If Fig. 8: SINAMICS DCM. Uf Se exigido nas especificações do cliente, o retificador é projetado com redundância do tipo Isto significa que o THYRIPOL S terá duas pontes retificadoras (SINAMICS DCM) conectadas em paralelo, cada uma dimensionada para 100% da capacidade máxima contínua definida para o sistema de excitação. Neste tipo de configuração, cada ponte retificadora (unidade SINAMICS DCM) é comandada por seu próprio regulador (módulo SIMOTION), ou seja, o sistema possuirá não só redundância no retificador como também no regulador de tensão. Num sistema redundante, num dado instante, apenas uma ponte retificadora estará fornecendo a corrente de campo; a outra permanecerá bloqueada e assumirá a condução da corrente automaticamente quando da ocorrência de defeitos na ponte retificadora em operação. O operador poderá, também, a qualquer momento, comandar a comutação de retificador. Up Ufu Uf If If t1 t2 t3 t Fig. 9: Ponte retificadora trifásica de 6 pulsos. Os tiristores são protegidos por fusíveis ultrarrápidos, específicos para semicondutor. A ponte retificadora SINAMICS DCM é refrigerada por ventilação forçada integrada à unidade e possui circuitos especiais para a completa monitoração dos semicondutores e da ventilação. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 8 de19

9 Proteção contra sobretensões Se o enrolamento de campo de uma máquina síncrona estiver conectado a um retificador controlado ou não controlado, sobretensões não poderão ser evitadas sem medidas especiais de proteção. Estas sobretensões surgem por ação do retificador, que bloqueia a passagem das correntes induzidas no campo durante a ocorrência de faltas no lado trifásico da máquina síncrona. Sobretensões podem surgir também nas operações de chaveio do circuito de alimentação trifásica do sistema de excitação e operação assíncrona momentânea. Por estas razões, o sistema de excitação é equipado com uma chave estática bidirecional (dispositivo SICROWBAR), constituída de 2 tiristores em conexão antiparalela. Este dispositivo está conectado à saída do sistema de excitação, em paralelo com o retificador e o enrolamento de campo. Na ocorrência de uma falta, quando a tensão induzida no campo alcança um determinado valor, os tiristores da chave estática são ativados por diodos de avalanche controlada (BOD). Com isso, os tiristores do SICROWBAR introduzem no circuito de campo a resistência de desexcitação, através da qual flui a corrente induzida. Desta forma, a sobretensão é limitada a valores seguros para o retificador e o enrolamento de campo. Fig. 10: Unidade SICROWBAR, para proteção contra sobretensões no campo. No projeto do sistema de excitação é estabelecida a tensão de ativação dos diodos BOD, que deve ficar abaixo da tensão de pico máxima repetitiva reversa (V RRM ) dos tiristores da ponte retificadora (veja figura 12). Um dispositivo de monitoração sinaliza que a proteção de sobretensão atuou para proteger o gerador. Desexcitação O equipamento para descarga de campo deve garantir a desexcitação da máquina síncrona independentemente da ação da eletrônica de controle e regulação. Isto inclui a interrupção confiável do fornecimento de energia ao enrolamento de campo. O sistema de excitação THYRIPOL S possui um disjuntor na entrada de C.A. do retificador, que, numa descarga de campo, o separa totalmente do transformador de excitação (fonte alimentadora). Como alternativa, poderá ser fornecido um disjuntor no lado de corrente contínua, ao invés do disjuntor na entrada de C.A. 1 b Enrolamento de campo 2 Resistência de desexcitação 3 Proteção contra sobretensões 4 Retificador tiristorizado 5 Disjuntor de campo no lado de C.A. a b 5 Alimentação trifásica Sequência: a Bloqueio dos impulsos de disparo b Abertura do disjuntor de campo e descarga de energia através da resistência de desexcitação Fig. 11: Diagrama esquemático do equipamento para desexcitação. De qualquer forma, o circuito de campo do gerador deve permanecer fechado para impedir o surgimento de sobretensões. Com esta finalidade, o dispositivo SICROWBAR é ativado pelo comando de desexcitar, introduzindo no circuito a resistência de descarga de campo. A energia acumulada no campo é, então, dissipada seguindo a constante de tempo resultante no circuito de campo. A resistência de descarga de campo não influencia o valor da corrente de descarga, mas determina a duração da desexcitação e a amplitude da tensão que surgirá nos terminais do enrolamento de campo e, com isso, nos tiristores da ponte retificadora. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 9 de19

10 Na execução padrão, a resistência de descarga de campo é do tipo linear. Em casos especiais poderá ser do tipo não linear. Fig. 12: Faixa de proteção contra sobretensões e desexcitação através da operação do retificador como inversor. Para aumentar a segurança operacional, está prevista a operação do retificador como inversor (veja figura 12), durante a desexcitação. Neste caso, é aplicada no campo uma tensão negativa de -0,8 x U fd, que é estabelecida pelo retificador controlado quando os impulsos de disparo são deslocados para a posição limite correspondente a a = 150 elétricos. Esta tensão negativa reduz a corrente de campo a zero num tempo extremamente curto. A duração da desexcitação, ou seja, o tempo transcorrido até que a tensão terminal do gerador alcance o valor remanente é definido principalmente pelo valor da tensão negativa aplicada ao campo, também conhecida como tensão de teto negativa. No regime de inversão, o disjuntor tripolar de alimentação (disjuntor de campo) permanece fechado para possibilitar o retorno da energia armazenada no campo para o sistema de potência através da ponte retificadora, comandada para operar como inversor. Depois que a corrente de campo reduziu-se até aproximadamente 0 A, o estágio de comando do circuito digital de disparo automaticamente bloqueia os impulsos de disparo dos tiristores e o disjuntor de campo, na entrada da alimentação em C.A., é aberto praticamente na condição a vazio, o que prolonga sua vida útil. Quando a descarga de campo é causada pela atuação de algum relé de proteção do gerador, a desexcitação por regime de inversão não poderá ser usada, pois o próprio retificador pode ser a causa do desligamento pela proteção. Por esta razão, a desexcitação será assegurada pela abertura do disjuntor de campo e introdução da resistência de descarga de campo, como descrito anteriormente. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 10 de 19

11 Alimentação principal e excitação inicial ou de partida Normalmente, a energia para o THYRIPOL S é retirada dos terminais do próprio gerador. Porém, é também possível alimentá-lo a partir dos serviços auxiliares em média tensão da planta. Contudo, quando o sistema de excitação é alimentado pelo próprio gerador, é necessária energia auxiliar para a partida, que pode ser tomada dos serviços auxiliares em baixa tensão da planta, em C.A. ou C.C. (baterias). No caso de se empregarem os serviços auxiliares em C.A. para a excitação inicial, o circuito adicional necessário inclui um transformador adaptador de tensão e um retificador não controlado, o qual é conectado à saída do retificador tiristorizado através de um contator bipolar. No caso de se tomar a energia auxiliar das baterias da planta, emprega-se um contator bipolar, um diodo de bloqueio e um resistor para limitar a corrente de partida. GS Y 4 D Transformador de excitação (1 transformador trifásico ou 3 transformadores monofásicos) 2 Disjuntor de campo 3 Retificador tiristorizado 4 Proteção contra sobretensões 5 Equipamento para excitação de partida 6 Fonte auxiliar de C.A. ou C.C. para a partida Fig. 13: Diagrama esquemático da parte de potência do sistema de excitação estática THYRIPOL S. Comando local e interface homem-máquina (IHM) Para a operação local do sistema de excitação, visualização de estados operacionais, medição de valores e indicação de falhas e alarmes está prevista na porta do cubículo de controle uma IHM do tipo touch screen da linha SIMATIC IPC477. As funções e características principais desta IHM são: Indicação de estados operacionais de ambos os canais Indicação de grandezas analógicas Acesso protegido por senha Operação local do sistema de excitação Indicação de mensagens de alarme com função de ajuda para pesquisa de defeitos Exibição de curvas de tendência Fig. 14: Uma das telas da interface homem-máquina para operação local. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 11 de 19

12 Comunicação com o comando e controle da planta Na execução padrão, a troca de dados com o sistema de excitação é feita através do protocolo PROFIBUS DP a uma taxa de transmissão de 12 Mbit/s. No caso de sistemas com redundância, a comunicação também é redundante, isto é, o sistema possui 2 portas de comunicação independentes. Através desta interface são transmitidos principalmente comandos de controle e sinais de retroaviso para a operação e monitoração do sistema de excitação, bem como sinais de alarme e grandezas analógicas do gerador e sistema de excitação. Opcionalmente, a interface com o comando e controle da planta poderá ser feita com fiação convencional (hardwired), através de contatos livres de potencial. I & C Interface com a planta I & C Profibus DP Hardwired (opcional) Profibus DP NTG-3000 Canal 1 Profibus DP SIMOTION D435-2 Canal 1 DriveCliq Módulos de expansão (p.ex. TM31) Canal 1 Profinet Módulos de expansão (p.ex. TM31) Canal 2 DriveCliq SIMOTION D435-2 Canal 2 Profibus DP NTG-3000 Canal 2 Ethernet (HTTP) Ethernet (HTTP) SINAMICS DCM (incl. ponte retificadora) Canal 1 Profinet Profinet Interface Homem Máquina (PC Industrial IPC477) SINAMICS DCM (incl. ponte retificadora) Canal 2 I G U G Valores reais do gerador Apenas um SINAMICS DCM conectado por vez ao campo do gerador U G I G Valores reais do gerador Para as escovas do gerador Fig. 15: Representação esquemática de um regulador de tensão tipo duplo canal automático (redundante). A configuração da comunicação interna entre os componentes do sistema de excitação está representada na figura 15. A parte de regulação e controle do sistema de excitação pode ser executada em um canal automático (1 x AVR) e um manual (1 x ECR), sem redundância, ou em dois canais automáticos (2 x AVR) e dois manuais (2 x ECR), completamente redundantes. Neste último caso, a detecção de valores reais é também redundante. A alimentação dos circuitos de regulação e controle é sempre redundante, ou seja, tanto na versão monocanal como naquela de duplo canal, utilizam-se duas fontes de alimentação de 24 V DC redundantes: uma delas é alimentada pelo transformador de excitação e a outra, pelas baterias da planta. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 12 de 19

13 5. Funcionamento 5.1 Regulador Automático de Tensão (AVR) ou Canal Automático A grandeza principal de regulação é a tensão nos terminais do gerador. Seu valor de referência ou setpoint pode ser ajustado tipicamente na faixa de ±10%. Adicionalmente, a tensão terminal pode ser influenciada pela corrente reativa da máquina, de forma a alcançar uma repartição uniforme da potência reativa. Para tanto, o sistema dispõe do ajuste do estatismo de corrente reativa, que também pode ser usado para a compensação da queda de tensão no transformador elevador. O regulador de tensão regula, então, o valor de referência assim formado com uma precisão melhor que ±0,5% em toda a faixa de potência estabelecida para o gerador. Acima desta faixa, a máquina síncrona pode operar apenas temporariamente. Após um tempo ajustável, atuará então um limitador, cuja função é trazer a corrente de campo de volta para a faixa de valores permitidos. As seguintes funções estão previstas no regulador de tensão: Partida suave (função Softstart): permite elevação suave da tensão do gerador durante a partida; Seguidor de comando (follow-up) entre os dois canais automáticos, em sistemas redundantes; Seguidor de comando entre o regulador automático de tensão e o regulador da corrente de excitação (follow-up bidirecional), para comutação suave de canais a qualquer instante e em qualquer sentido; Regulação da potência reativa (MVAr) ou do fator de potência (cos φ); Função de gravação e oscilografia digital (função TRACE) para o registro de sinais analógicos e digitais, acessível diretamente através da IHM; Estabilizador do sistema de potência (PSS), modelo PSS2B conforme IEEE Std 421.5; Limitadores de sobreexcitação (ação temporizada), da corrente de teto (ação instantânea), subexcitação, relação tensão/frequência (V/Hz) e corrente estatórica. O regulador automático de tensão corresponde ao modelo ST6B segundo IEEE Std Regulador da Corrente de Excitação (ECR) ou Canal Manual O regulador da corrente de excitação é um regulador adicional, cuja função é manter a corrente de excitação no valor de referência (setpoint) ajustado pelo operador. O valor real da corrente de excitação é medido pela unidade retificadora SINAMICS DCM no lado da alimentação trifásica. Para assegurar uma comutação absolutamente suave do canal manual (ECR) para o canal automático (AVR) e vice-versa, a saída de ambos os canais são comparadas uma com a outra; a saída do canal para o qual se vai comutar é feita igual à saída do canal em operação. O valor desejado (setpoint) da corrente de campo pode ser variado tipicamente na faixa de 10% a 110% do valor da corrente de excitação à plena carga. 5.3 Outros modos de operação Regulação automática do fator de potência (cos φ) ou da potência reativa (MVAr) do gerador Na regulação automática do fator de potência o valor real é comparado com o valor de referência (setpoint) do cos φ ajustado pelo operador. Em havendo alguma diferença entre estas grandezas, serão aplicados automaticamente pulsos para reajuste do valor de referência de tensão até que a diferença seja eliminada. Se o gerador passar a operar em ilha ou houver rejeição de plena carga, haverá desligamento automático de regulador de fator de potência e o regulador automático de tensão assume novamente o controle. O regulador automático da potência reativa funciona da mesma forma. Ao invés da regulação de MVAr ou do cos φ do gerador, poderá ser feita a regulação destas grandezas no ponto de conexão com a rede. O THYRIPOL S já possui entradas analógicas preparadas para receber o valor real da potência reativa ou do cos φ do ponto de conexão com a rede, que serão enviados ao sistema de excitação através de transdutores com saída de ma. 5.4 Seguidor de comando ou follow-up bidirecional Durante a operação do sistema de excitação, os valores de referência (setpoints) de todos os canais ou reguladores não ativos acompanham continuamente os comandos do canal (regulador) ativo, para garantir uma comutação rápida e suave entre os diversos reguladores. Uma comutação automática para o regulador de corrente ocorre somente em situações de defeito, por exemplo na atuação de supervisões internas do regulador de tensão ou perda das medições dos valores reais das grandezas do gerador. A troca de sinais para a função do seguidor de comando ocorre via PROFINET (veja a figura 15). Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 13 de 19

14 5.5 Limitadores Limitador de subexcitação Este limitador evita perda de sincronismo, que pode ocorrer quando o gerador opera fortemente subexcitado. Esta situação pode ocorrer, por exemplo, com cargas altamente capacitivas, que elevam a tensão da rede. Para compensar este efeito, o regulador de tensão reduz a corrente de campo, subexcitando a máquina. O limitador de subexcitação detecta o ponto de operação do gerador em seu diagrama de capabilidade e, se a curva limite ajustada for ultrapassada, provoca a elevação da corrente de campo, impedindo o desligamento por perda da estabilidade. O ajuste deste limitador deve estar, portanto, coordenado com o relé de proteção ANSI 40 (perda de excitação) do gerador. Limitador de sobreexcitação O limitador de sobreexcitação atua com retardo de tempo nos casos de sobrecarga, possibilitando ao gerador sustentar temporariamente a rede. Este regulador atua com um retardo mínimo de 10 segundos, que é, em geral, a duração máxima permitida para a corrente de teto. O limitador de sobreexcitação intervém quando a tensão na rede continua abaixo do valor de referência ajustado, tendo transcorrido o tempo máximo permitido para a sobrecarga presente. Este tempo é inversamente proporcional à intensidade da sobrecarga, ou seja, o tempo que leva para tal limitador atuar é tanto menor quanto maior for a sobrecarga do gerador (característica de tempo inverso). Limitador da corrente estatórica Na faixa de alta potência ativa e baixa tensão, a corrente estatórica poderá ultrapassar seu valor nominal mesmo existindo o limitador de sobreexcitação. A função do limitador da corrente estatórica é evitar tais estados operacionais, atuando na excitação do gerador. Tal limitador, da mesma forma que o de sobreexcitação, possui uma característica de atuação do tipo tempo-inverso. Limitador Tensão / Frequência (V/Hz) Em geral, os geradores são insensíveis a induções elevadas temporárias. Grandes transformadores, ao contrário, podem sofrer com os esforços originados da queda da frequência, que causa sobrecargas térmicas devido à elevação da indução. Nestes casos, desligamentos podem ser evitados, mesmo na operação em ilha, graças à atuação do limitador tensão/frequência, que comanda a redução da tensão do gerador proporcionalmente à redução da frequência, mantendo constante a indução ou fluxo magnético. 5.6 Estabilizador do sistema de potência (PSS) O PSS do THYRIPOL S é do tipo PSS2B (Dual Input PSS) conforme IEEE Std Opcionalmente, poderá ser do tipo PSS3B. Os sinais de entrada são a potência ativa e a frequência compensada, que são calculadas por algoritmo a partir dos sinais trifásicos da tensão e corrente do gerador. Na faixa natural de frequência da máquina e do sistema de potência, o PSS exerce uma influência de amortecimento através do regulador de tensão. O PSS torna-se necessário especialmente no caso de longas linhas de transmissão, onde há prejuízo da estabilidade estática, e a capacidade natural de amortecimento do gerador não é suficiente. 5.7 Comando e controle Cada estado operacional do sistema de excitação é supervisionado e indicado. Além da indicação local na IHM, os seguintes sinais são disponibilizados na régua de terminais do equipamento: Falha com desligamento Comutação de emergência para o canal manual Falha na excitação (alarme agrupado) Da mesma forma, os estados operacionais são também disponibilizados para indicação remota: Excitação está ligada Excitação está desligada Canal automático está selecionado Canal manual está selecionado Regulador de MVAr / cos φ está ligado Limitador atuando Outras sinalizações são disponibilizadas conforme necessidade do projeto específico. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 14 de 19

15 6. Software Ferramentas de software amigáveis (Web Server) facilitam as atividades de comissionamento e manutenção do sistema de excitação. O regulador de tensão é totalmente parametrizado com o Web Server. Para tanto, o regulador de tensão é conectado a um PC através de sua interface ETHERNET. Os valores atuais dos parâmetros são mostrados diretamente na lista de parâmetros. Após selecionar um determinado parâmetro, ele pode ser modificado entrando-se com o novo valor. Estão disponíveis várias listas predefinidas de parâmetros para certas aplicações (p. ex., entradas/saídas), além da lista completa. Listas adicionais poderão ser criadas entrando-se com o número dos parâmetros. É também possível gravar em mídia a parametrização atual. Desta forma, é possível documentar o estado atual do regulador de tensão. O THYRIPOL S possui memória de TRACE. Esta é uma ferramenta importante não só para o comissionamento, mas também para a pesquisa de falhas e diagnósticos. Com a função TRACE, podem ser registrados até 128 sinais analógicos de qualquer tipo (canais de medição), similarmente a um osciloscópio de memória, com exibição simultânea de até 8 destes sinais. Cada canal de medição pode ser usado alternativamente para registrar 16 sinais binários. Pode-se definir um trigger adequado para iniciar o registro. Quando for ajustado o pré-trigger, são registrados também os momentos antes e depois do evento de trigger, obtendo-se, assim, um histórico completo da ocorrência. A profundidade da gravação é configurável. O tempo de amostragem entre dois pontos de medição é de 1,25 ms. Fig. 16: Exemplo do registro de grandezas do THYRIPOL S (função TRACE). Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 15 de 19

16 7. Aplicação Fig. 17: Faixa de potência do sistema de excitação estática. Na faixa mais alta de potência (correntes de campo superiores a 2000 A), os sistemas de excitação estática são projetados com blocos de tiristor. Na faixa inferior de potência, onde as correntes de campo são tipicamente inferiores a 2000 A, empregam-se os retificadores compactos da linha SINAMICS DCM. Exemplo de um sistema projetado para corrente de excitação abaixo de 2000 A: 1. Cubículo de controle e regulação, na execução duplo canal automático (redundante), com IHM local do tipo IPC Cubículos de potência, alojando as duas pontes retificadoras SINAMICS DCM e o disjuntor de campo, posicionado na entrada de alimentação trifásica dos retificadores. 3. Cubículo auxiliar, contendo a proteção contra sobretensões (unidade SICROWBAR), a resistência de descarga de campo e o circuito auxiliar para a excitação de partida Fig. 18: Sistema de excitação estática THYRIPOL S com retificadores em redundância e duplo canal automático. Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 16 de 19

17 8. Especificações técnicas O sistema de excitação THYRIPOL S é projetado de acordo com as normas e padrões IEC, VDE, DIN e IEEE. Adicionalmente, segue as prescrições do ONS (submódulo 3.6 dos Procedimentos de Rede). As especificações técnicas dos clientes são também atendidas. O projeto é baseado nas seguintes definições das diretrizes alemãs VDI/VDE 3680, folha 2: Tensão de excitação nominal U fn É a tensão que deve ser aplicada ao enrolamento de campo do gerador síncrono à potência, fator de potência e rotação nominais, para produzir a corrente de excitação nominal I fn, estando o campo à temperatura de trabalho. Corrente nominal do sistema de excitação I EN A corrente de excitação exigida pela máquina síncrona quando operando com seus valores máximos contínuos é a grandeza decisiva para o dimensionamento dos componentes do sistema de excitação sendo, portanto, definida como a corrente nominal do sistema de excitação. Deve ser, pelo menos: I EN > 1,05 I fn Corrente de teto do sistema de excitação I p A máxima corrente de saída do sistema de excitação é chamada de corrente de teto I p. Deve ser pelo menos 1,4 vezes a corrente de excitação nominal I fn do gerador, com duração mínima de 10 segundos. Tensão de teto do sistema de excitação U p A tensão de teto U p é definida como a máxima tensão que o sistema de excitação pode aplicar ao campo do gerador quando a ponte retificadora a tiristores for controlada para sua máxima saída, em direção a valores positivos. Em sistemas autoexcitados, isto é, quando a alimentação do retificador provém dos terminais do próprio gerador, através do transformador de excitação, a tensão de teto efetiva depende do estado operacional da máquina síncrona. Assim, nestes casos, na definição da tensão de teto nominal, considera-se que o gerador esteja à sua tensão nominal U GN e o enrolamento de campo, alimentado com a corrente de excitação nominal I fn. O gerador deverá estar à sua temperatura de trabalho. Caso não seja definido nas especificações do cliente, adota-se como valor mínimo para a tensão de teto o valor de 1,6 x U fn. A tensão de teto é decisiva para a rapidez do sistema de excitação no restabelecimento da tensão terminal, quando de aplicações e rejeições de carga. Desta forma, exerce grande influência na estabilidade do sistema de geração. A tensão de teto, juntamente com a corrente de excitação máxima contínua do gerador são as grandezas fundamentais para o dimensionamento do sistema de excitação e, basicamente, definem a maior parte do custo do sistema. Precisão do regulador de tensão: ±0,5% em toda a faixa de potência do gerador Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 17 de 19

18 9. Abreviaturas a AVR B6C / B6U BOD ECR GEAFOL I EN I f I fn I p PSS PROFIBUS DP PROFINET GS SICROWBAR SIMATIC SIMOTION SINAMICS DCM SIPROTEC U f U fn U fu U p U p0 Ângulo de disparo ou ângulo de controle do retificador tiristorizado, expresso em graus elétricos ( el.) Regulador automático de tensão Circuito retificador em ponte de 6 pulsos controlada / não controlada Diodo de avalanche controlada, para a proteção contra sobretensões no campo Regulador da corrente de excitação Transformador com isolação em resina fundida, desenvolvido pela Siemens Corrente nominal do sistema de excitação Corrente de excitação Corrente de excitação nominal Corrente de teto do sistema de excitação Estabilizador do sistema de potência, para o amortecimento de oscilações Process Field Bus Distributed Periphery Padrão de rede de comunicação Rede de comunicação baseada no padrão de comunicação ETHERNET, totalmente compatível com este Gerador síncrono Módulo para a proteção contra sobretensões no campo Linha de produtos de automação da Siemens Linha de controladores e reguladores digitais de alto desempenho da Siemens Linha de retificadores controlados compactos da família 6RA80 da Siemens Linha de relés de proteção de máquinas elétricas da Siemens Tensão aplicada aos terminais de campo da máquina síncrona Tensão de excitação nominal Tensão de teto negativa Tensão de teto do sistema de excitação Tensão de teto a vazio do sistema de excitação Siemens Ltda Todos os direitos reservados Página 18 de 19

19 Scope of Supply Published by and copyright 2016 Siemens Ltda. PS CD Controls & Digitalization Avenida Mutinga, São Paulo, SP - Brasil Tel.: +55 (11) / Todos os direitos reservados. As marcas e nomes comerciais mencionados neste documento são propriedade da Siemens AG, de suas afiliadas ou de seus respectivos All rights reserved. Trademarks mentioned in this document are the property of Siemens AG, its affiliates or their respective owners. proprietários. Sujeito a alterações sem aviso prévio. Subject to change without prior notice. Edição: Julho 2016