Reguladores de Velocidade

Reguladores de Velocidade

Introdução O regulador de velocidade controla a velocidade da turbina e portanto a frequência da tensão do gerador síncrono; Para que a velocidade seja mantida no valor desejado, a potência gerada deve ser igual a potência da carga; O desvio de velocidade é usado como sinal de entrada a partir do qual o regulador de velocidade controla a abertura da válvula de entrada; O regulador de velocidade para o conjunto turbina-gerador é composto genericamente de um transdutor (sensor) de velocidade e amplificadores de deslocamento e força; A saída do sensor de velocidade é um deslocamento proporcional a velocidade do rotor do conjunto turbina-gerador; Tanto o deslocamento quanto a força produzidos pelo sensor são pequenos e necessitam ser amplificados; Os reguladores de velocidade evoluíram dos reguladores mecânicohidráulicos convencionais aos reguladores eletro-hidráulicos modernos; A parte hidráulica, associada aos diversos estágios de amplificação de potência, não sofreu modificações significativas nos reguladores modernos.

Introdução Outros componentes, como os sensores de velocidade e amortecedores, sofreram modificações; Neste último caso, as funções de transferência do modelo podem, em alguns casos, ser obtidas a partir do componente mecânico mais antigo, o que pode simplificar o desenvolvimento. E será feito assim; Os reguladores de velocidade apresentam diferentes características com relação a resposta em regime permanente após uma variação de carga; O comportamento transitório associado a cada característica pode exigir a modificação do regulador para melhorar a resposta transitória; Basicamente os reguladores podem ser classificados como isócronos (sem queda) ou com queda de velocidade.

Regulador Isócrono

As esferas giram em sincronismo com a turbina e suponha ocorrer um súbito aumento de carga em um sistema de potência; Como consequência, a frequência de operação reduz, provocando o deslocamento do ponto B da figura para cima; Provocando a mudança do fluxo de óleo que desloca a haste da válvula de admissão da turbina para baixo, causando uma elevação da potência gerada; Este processo permanecerá até o instante em que se atinja o valor exato da frequência nominal operativa do sistema.

Modelo do Regulador Isócrono Um deslocamento x é proporcional a variação de frequência (velocidade): x = K r1 f No atuador hidráulico, d u/dt = K r2 x Combinando as equações temos: u =ʃ K r1 K r2 f dt

Em termos de diagrama de blocos, após aplicar Laplace, temos: f x u K r1 K r2 /s Aplicação de um degrau de 10% da frequência e observando a saída

Nesse regulador, é evidente que u (variação da abertura da válvula) só atinge um regime permanente quando f for a zero (f=f 0 ) devido à ação do integrador; Esse tipo de regulador tem tendências de instabilidade; É necessário haver uma regulação ou queda de velocidade no regulador.

Regulador com Queda de Velocidade Nesse tipo de regulador existe uma ligação proporcional entre a válvula-piloto e a válvula principal, conforme esquema abaixo:

Supondo um súbito aumento de carga, produzindo uma queda na frequência (velocidade) do sistema, haverá uma tendência do ponto B se deslocar para cima, promovendo uma abertura na parte superior do elemento distribuidor com consequente abertura da válvula de admissão da turbina (elevação da potência gerada); Entretanto, o deslocamento para baixo do ponto H, fará através da ligação HGFE, com que o ponto E se desloque para baixo, promovendo um fechamento parcial no elemento distribuidor; Assim, o estado final de equilíbrio será atingido mais rapidamente e ocorrerá antes da frequência atingir seu valor inicial de operação;

Modelo do regulador com queda de velocidade x = K r1 f K r3 u O diagrama de blocos fica: f K r1 + K r2 /s u - K r3

Outra forma do diagrama de blocos f + u - 1/T g 1/s τ Em que T g = 1/(K r2 K r3 ) é a constante de tempo do regulador e τ =K r3 /K r1 é a regulação em regime permanente.

Aplicação de um degrau de 5% na frequência, com τ =0.05 e T g =0.2s. Significa que um desvio de 5% causa, em regime, 100% de variação na posição da válvula; τ pequeno implica que uma máquina de potência alta absorve mais as variações de carga, isto é, pequenas variações na frequência permitem a abertura plena da válvula;

Regulador com Queda Transitória

Diagrama de blocos K r4 K r6 s/(k r5 +s) f K r1 + - K r2 /s u - K r3

Outra forma de diagrama f + - 1/T g 1/s u + srt r /(1+sT r ) + τ Em que r é a regulação transitória = K r4 K r6 e T r é a constante de tempo do amortecedor = 1/K r5

Aplicação de um degrau de 5% da frequência, considerando τ =0.05, r=0.2 s, T g =0.2s e T r =2.5 s.

Modelo IEEE Válvula piloto f u + - 1/(1+sT p ) 1/T g 1/s + srt r /(1+sT r ) + τ

Valores típicos Grandeza Valor Faixa de variação Mínimo Máximo T r =5T w 5 2.5 25 T g 0.2 0.2 0.4 T p 0.04 0.03 0.05 r=2.5t w /(2H) 0.3 0.2 1 τ 0.05 0.03 0.06

Comparação dos reguladores Simulação comparativa

Regulador de turbina térmica: um tipo

Reguladores modernos podem conter componentes elétricos e eletrônicos para realizar as funções de baixa potência, como, por exemplo: sensor de velocidade, em substituição ao regulador de Watt; compensação transitória, em substituição ao amortecedor hidráulico.

Atividade: Simular utilizando os dados abaixo: Constante de tempo da turbina: 0,5 s Constante de tempo do regulador: 0,2s H:5s R:0,05 pu D=0,8 Mudança de carga de 0,2 pu Analisar a variação de frequência para variação de carga. Comentar.