XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Verão.0 22 a 25 Novembro de 2009 Recife PE GRUPO IV GRUPO DE ESTUDO DE ANÁLISE E TÉCNICAS DE SISTEMAS DE POTÊNCIA CA E CC GAT MODELAGEM DO SISTEMA HIDRÁULICO DOS REGULADORES DE VELOCIDADE DA PRIMEIRA ETAPA DA UHE DE TUCURUÍ ATRAVÉS DE TÉCNICAS DE IDENTIFICAÇÃO DE SISTEMAS Fabrício G. Nogueira (*) Carlo T. Cota Jr. Walter Barra Jr. Joé A. L. Barreiro UFPA UFPA UFPA UFPA Paulo S. Nacimento F. Janio J. de Lana Ricardo A. Campo Eduardo A. F. Araújo UFPA Eletronorte Eletronorte Plena Tranmiora RESUMO Ete trabalho decreve a metodologia e o reultado de tete experimentai de identificação realizado no itema hidráulico de atuação do reguladore de velocidade da UHE de Tucuruí, apreentando o projeto, implementação e o ajute do inai de tete aplicado. São relatada a dificuldade encontrada durante o tete em campo e a repectiva oluçõe que foram implementada pela equipe do projeto. PALAVRASCHAVE Regulador de velocidade, Identificação de itema, Sitema hidráulico, Controle de Hidrogeradore..0 INTRODUÇÃO Sitema hidráulico ão utilizado em uma grande quantidade de proceo indutriai. São caracterizado pela alta durabilidade e a habilidade de produzir grande força com rápida velocidade de repota. Porém, a dinâmica dee itema é naturalmente nãolinear, e coneqüentemente, de difícil controle. Eta nãolinearidade podem er cauada por fatore como: a compreibilidade do fluido hidráulico, o complexo fluxo atravé da válvula, a influência da temperatura na dinâmica do fluido, o atrito do cilindro hidráulico durante movimento, o degate natural por uo e o limite fíico impoto no valore máximo da grandeza mecânica, aim como em ua repectiva faixa de variação []. Um exemplo de itema hidráulico é o itema de atuação do ditribuidor de turbina hidráulica, que é comandado pelo regulador de velocidade. O conhecimento de modelo matemático que repreentem a dinâmica do itema hidráulico é de vital importância para o projeto e ajute eficiente do regulador de velocidade. Porém, muita veze o fabricante de reguladore de velocidade não diponibilizam modelo para ete itema. Ou memo ao longo de ano de operação, fatore como o degate pelo atrito mecânico, podem influenciar na dinâmica do componente, e por coneqüência afetando o modelo originai e o deempenho do regulador. Aim, nete trabalho foi realizado um etudo experimental para a modelagem dete componente, atravé de tete de campo utilizandoe técnica de identificação de itema, a quai e baeiam na relaçõe dinâmica de caua e efeito entre a entrada e a aída do itema. (*)Univeridade Federal do Pará UFPA, Rua Auguto Corrêa, n 0 ITEC NESC CEP 66075.0 Belém, PA, Brail, Tel: (+55 9) 3207680 Fax: (+55 9) 3207680 Email: wwwfabricio@yahoo.com.br
2 2.0 DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE REGULAÇÃO DE VELOCIDADE DA UHE DE TUCURUI O itema de regulação de velocidade utilizado na unidade geradora da primeria etapa da UHE de Tucuruí ão formado por um controlador eletrônico analógico e por um itema hidráulico de atuação (itema óleodinâmico). O regulador é caracterizado por dua malha principai de realimentação: uma que implementa o etatimo permanente (variação de velocidade dependente da carga) e outra que implementa o etatimo tranitório [2], [3]. O diagrama funcional da Figura ilutra o itema de regulação de velocidade da unidade geradora da Caa de Força, da UHE de Tucuruí. Td Ad + T d Etatimo Tranitório At Etatimo Permanente ω ω ref + Atuadora T i Servomotor comando Ditribuidora T i 2 Servomotor principal Senor Realimentação da válvula A Senor Figura Diagrama funcional implificado do itema de regulação de velocidade. Baicamente, o itema hidráulico é compoto por um reervatório de ar comprimido, um reervatório de ar e óleo preurizado, uma válvula atuadora (piloto), uma válvula ditribuidora, ervomotore e o ditribuidor (Figura 2). Sinal de controle do RV Atuadora Ditribuidora Servomotor Senor de poição do ervomotor Ditribuidor Óleo Óleo Senor de poição da ditribuidora Figura 2 Diagrama funcional implificado do itema de atuação hidráulico. A válvula atuadora é reponável pela converão eletrohidráulica, contituindo o primeiro etágio de potência hidráulica no itema. A vazão de óleo na aída da válvula é proporcional ao inal elétrico aplicado na bobina móvel. O óleo ob preão proveniente da entrada de alimentação comanda o ervomotor da válvula ditribuidora. Devido ao emprego de uma camia de ditribuição rotativa permanente, o efeito do atrito é praticamente eliminado, obtendoe aim um alto grau de enibilidade e fidelidade de repota. A Figura 3 ilutra a repectiva válvula atuadora utilizada na máquina da primeira etapa da UHE de Tucuruí.
3 Figura 3 atuadora, modelo TR0, fabricada pela emprea Neyrpic (Eletronorte UHE de Tucuruí). A válvula ditribuidora contitui um etágio de amplificação importante no itema de regulação. Ela fornece a potência hidráulica neceária à manobra do ervomotore, que por ua vez controlam, atravé da abertura/fechamento do ditribuidor, o fluxo de água que paa pela turbina. A medição de poição da válvula ditribuidora é efetuada por intermédio de um variômetro, que é um trandutor delocamentotenão. Eta medição é utilizada no loop de realimentação de regulação por abertura. A Figura 4 ilutra a válvula ditribuidora e a Figura 5 ilutra um do ervomotore utilizado no itema. Figura 4 ditribuidora e variômetro de medição de poição (Eletronorte UHE de Tucuruí). Figura 5 Servomotor que aciona a pá do ditribuidor (Eletronorte UHE de Tucuruí). 3.0 ENSAIOS DE IDENTIFICAÇÃO EM CAMPO O enaio de identificação em campo foram realizado na ala de controle de uma unidade hidrogeradora (UGH) de 350 MW, pertencente à primeira etapa da UHE de Tucuruí. Durante o tete, a máquina etava parada, com a
4 comporta fechada e o conduto forçado em fluxo de água, logo, não gerando potência elétrica (enaio de águamorta ). Neta condição operacional, a velocidade é nula e a malha de realimentação de etatimo tranitório foi deativada. A Figura 6 ilutra o diagrama em bloco equivalente do itema no tete de águamorta. SBPA / Degrau + Realimentação da válvula Atuadora T i At Servomotor comando Etatimo Permanente Ditribuidora T i 2 Servomotor principal Senor A Senor Figura 6 Diagrama em bloco do itema equivalente durante o enaio de águamorta. A malha de regulação da válvula ditribuidora foi coniderada como parte integrante do itema hidráulico. Porém, o efeito da malha de etatimo permanente deve er eliminado, cao contrário o modelo identificado não erá apena do itema hidráulico. Durante o tete em campo, a realimentação de etatimo permanente não pôde er aberta, vito que a deativação deta malha poderia levar o itema ao limite de excurão, devido à ação integral da válvula ditribuidora e ervomotor, o que dificultaria a etimativa de um modelo linear para o itema. Portanto, a aquiição de inai durante o enaio de identificação em campo foram realizado com eta malha fechada. Para a identificação de um modelo do itema hidráulico em malhaaberta, a alternativa adotada pela equipe de pequiadore, foi realizar um proceamento do dado com o objetivo de cancelar o efeito do itema em malha fechada, reultando apena na dinâmica do itema hidráulico de atuação. Para ito, o modelo etimado do itema em malhafechada, foi compenado com uma malha de realimentação de inal contrário, anulando a ação do etatimo permanente. A Figura 7 ilutra a metodologia utilizada para a identificação do modelo. Etapa Etapa 2 Etapa 3 At At SBPA + Sitema Hidráulico g* + g* SBPA Modelo do + Sitema + Modelo do g Sitema 2 Sitema (real) Sitema 2 Sitema Hidráulico Coleta de dado em campo e identificação do modelo ( itema em malhafechada). Cancelamento da malha de realimentação real e etimação do modelo 2 (malhaaberta). Validação do modelo 2 etimado (itema hidráulico). * g = Abertura do ditribuidor Figura 7 Metodologia utilizada para a etimação do modelo do itema hidráulico. O inai de excitação injetado foram do tipo degrau e eqüência binária peudoaleatória (SBPA), aplicado em um ponto de oma do circuito omador do regulador automático de velocidade eletrônico. A repota do itema foi coletada atravé de inai de tenão proporcionai à poição da válvula ditribuidora e à abertura do ditribuidor. A coleta e injeção de inai foi realizada com o auxílio de um itema digital embarcado, baeado em um controlador de inai digitai, o qual foi deenvolvido pelo autore dete artigo.
5 A Figura 8 ilutra o equipamento de aquiição e análie de dado intalado ao lado do armário do regulador de velocidade eletrônico, que fica localizado na ala de controle local da repectiva unidade geradora em tete. Figura 8 Intrumentação montada na ala de comando de uma UGH da primeira etapa da UHE de Tucuruí 3. Enaio de Repota ao Degrau O primeiro enaio realizado em campo foi a aplicação de um degrau (0.2 pu), aplicado em uma da entrada inverora do omador do regulador de velocidade, e a repectiva aquiição do inai de poição da válvula e abertura do ditribuidor. Ete tete é útil para o levantamento da contante de tempo do itema, que erá a bae para a parametrização da SBPA. Atravé da Figura 9a é poível viualizar a repota da válvula ditribuidora (degrau de 0 egundo) e a repota do ervomotor na Figura 9b (degrau de 20 egundo). Figura 9 Repota ao degrau medida em campo, (a) poição do ditribuidor e (b) poição da válvula ditribuidora. Atravé da Figura 9(b), percebee que a contante de tempo do itema é de aproximadamente 6,5 egundo (coniderandoe o tempo de aentamento com tolerância de + 2%). 3.2 Projeto e Aplicação da SBPA Com o intuito de extrair informação dinâmica da planta, é injetada na entrada do itema uma SBPA, projetada para excitar o itema em uma faixa de freqüência de interee. A SBPA é formada por pulo retangulare, gerada atravé de um regitrador de delocamento com N célula, que a cada período T b atualiza a aída com uma nova amotra da eqüência peudoaleatória [4]. Para identificar corretamente a dinâmica e o ganho em regime permanente do itema, o pulo de maior duração da SBPA deve er maior do que o tempo de ubida da planta (T r). Sendo o maior pulo definido por N.T b, a eguinte condição é neceária [5]:
6 NT b > T r () O tempo de ubida medido em campo (Figura 9a) do atuador hidráulico operando em malha fechada é de aproximadamente 3,6 egundo. Deta forma, a SBPA foi configurada com Tb = 0,4 e N =, reultando em um pulo de duração máxima de 4,4 egundo. O pare de dado foram coletado com um período de amotragem de 50 m. A Figura 0 ilutra o inai de entrada e aída adquirido. Figura 0 Sinal de excitação SBPA (a) e repota do itema atravé do inal de abertura do ditribuidor (b). 4.0 ESTIMAÇÃO DE MODELOS PARAMÉTRICOS O primeiro modelo etimado para o itema foi obtido com o dado coletado em campo, onde a malha do etatimo permanente etava fechada. De poe dete modelo, é poível cancelar a ação da realimentação, atravé da incluão de uma malha de realimentação de inal contrário, reultando apena no itema hidráulico de atuação. Neta ituação, onde o efeito dinâmico da malha de realimentação do etatimo permanente foi compenado no modelo, foi poível etimar um modelo para repreentar apena a dinâmica do itema hidráulico. 4. Etimativa do modelo do itema em malhafechada O modelo paramétrico etimado para o itema no ponto de operação coniderado foi obtido atravé de um algoritmo de mínimo quadrado não recurivo, que e baeia na minimização da oma do quadrado do erro de predição, entre a aída do modelo etimado e a aída da planta. A etrutura ecolhida para o modelo linear é do tipo ARX de tempo dicreto na forma [6]: d A( q ) y( t) = q B( q ) u( t) + e( t) (2) onde u(t) e y(t) ão o repectivo inai de entrada e aída, d é o atrao de tranporte dicreto, e(t) é o erro de modelagem e A(q ) e B(q ) ão polinômio na forma: A ( q B( q 2 ) = + a q + a q +... + a na q ) = b + b q + b q +... + b nb q 0 2 2 2 na nb (3) (4) onde n é a ordem do modelo e a n quadrado. e b n ão o parâmetro a erem etimado pelo algoritmo de mínimo Apó análie do modelo etimado, optoue por uma etrutura com modelo ARX de egunda ordem, que foi etimado com uma taxa de amotragem de 50 m. A Tabela ilutra o parâmetro do modelo etimado.
7 Tabela Valore do parâmetro do modelo do itema em malhafechada (T = 0,5 egundo). Parâmetro a a2 b 4.2 Etimativa do modelo do itema em malhaaberta Valor.566 0.604 0.0625 Aim como pode er ilutrado na Etapa 2 da Figura 7, o modelo etimado do itema em malhafechada (Tabela ) foi compenado com uma malha de etatimo permanente adicional, porém com inal contrário à malha real do itema, de maneira que e o modelo dicreto etimado repreentar adequadamente a dinâmica da planta, exita um cancelamento do efeito da realimentação do etatimo permanente. A Tabela 2 apreenta o parâmetro do modelo dicreto ARX de 2ª ordem etimado para o itema hidráulico. Tabela 2 Valore do parâmetro do modelo do itema em malhaaberta (T = 0,5 egundo). Parâmetro a a2 b Valor.7224 0.7225 0.0283 5.0 VALIDAÇÃO DO MODELO O modelo paramétrico etimado para o itema hidráulico foi validado atravé da comparação da repota do modelo com dado adquirido em campo na UHE de Tucuruí, durante enaio onde a UGH etava parada (enaio de água morta ) e também rodando a vazio (em carga e deconectada da rede). 5. Tete de validação com a máquina parada A repota do modelo paramétrico etimado para o itema foi validado comparandoe com dado coletado em campo durante a aplicação de uma perturbação degrau. Percebee que o modelo repreentou de forma adequada a dinâmica do itema de atuação hidráulico. Figura Comparação entre a aída do modelo etimado e o dado medido em campo. 5.2 Tete de validação com a máquina rodando a vazio O modelo do itema hidráulico também foi validado com dado adquirido em campo com a máquina rodando a vazio (não gerando potência). Para a realização da imulação da máquina rodando a vazio utilizando o modelo do
8 itema hidráulcio identificado, utilizoue um modelo nãolinear de turbina [2], [3]. A Figura 2 ilutra a repota ao degrau do itema, comparando o inal de velocidade medido em campo e o imulado com o modelo etimado. Figura 2 Comparação entre a aída do modelo etimado e o dado medido em campo para enaio da máquina a vazio. 6.0 CONCLUSÃO De acordo com o reultado do tete experimentai em campo apreentado nete trabalho, foi poível identificar modelo paramétrico lineare para o itema de atuação hidráulico do regulador de velocidade da UGH da ª Caa de Força da UHE de Tucuruí. Ete modelo ão de grande utilidade para a imulação e ajute do regulador de velocidade. O proceo de modelagem de itema atravé de enaio prático utilizado nete trabalho, pode er aplicado à outro tipo itema onde haja uma correlação entre o dado de entrada e aída. 7.0 AGRADECIMENTOS O autore agracedem ao apoio recebido da Eletronorte, atravé do projeto Implementação de um Regulador de Velocidade Digital Piloto, com Capacidade de Adaptação e Integrado ao Sitema de Supervião e Controle Digital do Centro de Operaçõe da UHE Tucuruí, aim como a Equipe da Eletronorte de Tucuruí, pelo apoio logítico recebido durante o trabalho de campo. 8.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS () Jelali, M. and Kroll, A. Hydraulic Servoytem: Modelling, Identification and Control Springer, 2004. (2) Kundur, P. Power Sytem Stability and Control McGrawHill, 994. (3) Working Group on Prime Mover and Energy Supply Model for Sytem Dynamic Performance Studie Hydraulic Turbine and Turbine Control Model for Sytem Dynamic Studie, Tranaction on Power Sytem, Vol 7, No, 992. (4) Aguirre, L.A. Introdução à Identificação de Sitema: Técnica Lineare e NãoLineare Aplicada a Sitema Reai Editora UFMG, Belo Horizonte, 2000.
9 (5) Landau, I.D. & Zito, G. Digital Control Sytem: Deign, Identification and Implementation Springer, 2006. (6) Ätrom, K. J. and Witennmark, B. Computer Controlled Sytem: Theory and Deign PrenticeHall, 997.