Estudos do Desempenho Dinâmico de Geradores Síncronos de ... · PDF filegerador síncrono e seus controles, num sistema de geração distribuída, assim como avaliar os impactos

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    UUNNIIVVEERRSSIIDDAADDEE FFEEDDEERRAALL DDEE UUBBEERRLLNNDDIIAA FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA

    PROGRAMA DE PS-GRADUAO

    Dissertao de Mestrado

    Estudos do Desempenho Dinmico de Geradores Sncronos de Produtores

    Independentes em Sistemas de Gerao Distribuda via ATPDraw

    Larissa Marques Peres

    Mestranda

    Prof. Geraldo Caixeta Guimares, Ph.D.

    Orientador

    Prof. Marcelo Lynce Ribeiro Chaves, Dr.Sc.

    Coorientador

    Uberlndia, julho/2013

  • UUNNIIVVFACULDADE DE

    P

    Estudos do Desempenho Sncronos de Produtores Independentes em Sistemas de

    Gerao Distribuda

    Geraldo Caixeta

    Marcelo Lynce Ribeiro Chaves, Dr.

    Geraldo Caixeta Guimares

    Orientador

    Edgard Afonso Lamounier Jnior

    Coordenador do Curso de Ps

    VVEERRSSIIDDAADDEE FFEEDDEERRAALL DDEE UUBBEERRACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICAPROGRAMA DE PS-GRADUAO

    do Desempenho Dinmico de Geradores

    Sncronos de Produtores Independentes em Sistemas de Gerao Distribuda via ATPDraw

    Dissertao de mestradoUniversidade Federal de Uberlndia por Larissa Marques Peres como parte dos requisitos necessrios para a obteno do ttulo de Mestre em Cincias.

    Banca Examinadora:

    Geraldo Caixeta Guimares, Ph.D. (Orientador)

    Marcelo Lynce Ribeiro Chaves, Dr.Sc. (Coorientador)

    Kleiber David Rodrigues

    Rui Vagner Rodrigues da Silva, Dr.Sc.

    Geraldo Caixeta Guimares Marcelo Lynce Ribeiro Chaves

    Orientador Coorientador

    Edgard Afonso Lamounier Jnior

    Coordenador do Curso de Ps-graduao

    RRLLNNDDIIAA LTRICA

    RADUAO

    de Geradores Sncronos de Produtores Independentes em Sistemas de

    via ATPDraw

    mestrado submetida Universidade Federal de Uberlndia por

    como parte dos requisitos necessrios para a obteno do

    em Cincias.

    Banca Examinadora:

    D. (Orientador) UFU

    Coorientador) UFU

    Kleiber David Rodrigues, Dr.Sc. UFU

    , Dr.Sc. IFET/GO

    Ribeiro Chaves

    Coorientador

  • DEDICATRIA

    Dedico este trabalho aos meus pais, Osmar e

    Elenita, s minhas irms Franciele e Taciana,

    ao meu noivo Diogo e a toda a minha famlia e

    amigos que sempre estiveram ao meu lado me

    incentivando e apoiando para a realizao

    desta conquista.

  • AGRADECIMENTOS

    Primeiramente, agradeo a Deus pela minha vida, pela inteligncia e

    sabedoria, dons indispensveis para o desenvolvimento desta dissertao, e por

    tantas graas que Ele tem concedido a mim.

    Aos meus pais Osmar e Elenita, s minhas irms Franciele e Taciana, e

    demais familiares, por sempre torcerem por mim e acreditarem no meu

    potencial, e que durante todos os momentos, deram total apoio para a realizao

    desta, alm da compreenso nas horas de minha ausncia.

    Ao meu noivo Diogo pelo seu companheirismo, carinho, dedicao, e que

    mesmo a distncia, sempre est me apoiando e torcendo por mim.

    Ao professor Marcelo Lynce Ribeiro Chaves pela confiana, pacincia,

    compreenso, orientao e conhecimentos transmitidos durante todas as etapas

    deste trabalho.

    Ao professor Geraldo Caixeta Guimares por todo apoio, incentivo e

    tempo a mim dispensado em seus ensinamentos sobre o assunto aqui estudado.

    Ao professor Fabrcio Augusto Matheus Moura pela sua ajuda e

    contribuio para o desenvolvimento desta dissertao.

    Aos amigos por todo apoio, compreenso e carinho durante esses dois

    anos de mestrado, especialmente queles que me incentivaram a seguir em

    frente, nos momentos de fragilidade e indeciso.

    Cinara Fagundes P. Mattos, secretria da ps-graduao, pelas

    informaes e auxlios prestados.

    CAPES (Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel

    Superior) pelo apoio financeiro.

  • RESUMO

    Estudos do Desempenho Dinmico de Geradores Sncronos de Produtores Independentes em Sistemas de

    Gerao Distribuda via ATPDraw

    Este trabalho tem como objetivo analisar o desempenho dinmico de um gerador sncrono e seus controles, num sistema de gerao distribuda, assim como avaliar os impactos causados por este quando da sua operao conectado s redes de distribuio, utilizando a interface ATPDraw do software ATP.

    Neste contexto, primeiramente necessrio obter modelos adequados para representar os sistemas de controle da mquina sncrona (regulador de tenso e regulador de velocidade e estabilizador do sistema) no ATPDraw.

    Alm disso, para anlise de estabilidade desenvolvido uma tcnica matemtica para o clculo do ngulo de potncia da mquina a qual representada no ATPDraw por um dispositivo (cone).

    Para ajustar os parmetros dos sistemas de controle de tenso e de velocidade so apresentados alguns procedimentos adotados, sendo estes verificados por meio de dois sistemas eltricos: o primeiro com um gerador sncrono conectado a uma rede de distribuio; e o segundo composto por trs geradores distintos formando um sistema multimquinas. Nesses sistemas so aplicados distrbios do tipo rejeio de carga e curto-circuito para realizao dos estudos.

    Finalmente, com os resultados obtidos anteriormente, so realizados estudos do desempenho dinmico de um gerador sncrono de um produtor independente, conectado a rede de distribuio, para avaliar aspectos de qualidade de energia (magnitude de tenso), de estabilidade e verificar as influncias dos controles da mquina durante a resposta do sistema para uma dada rejeio de carga.

    Palavras chave: Gerao distribuda, mquina sncrona, regulador de tenso, regulador de velocidade, ngulo de potncia, ATPDraw, sistema multimquinas.

  • ABSTRACT

    Dynamic Performance Studies of Synchronous Generators of Independent Producers in Distributed Generation

    Systems via ATPDraw

    This work aims to analyze the dynamic performance of a synchronous generator and its controls in a distributed generation system, as well as evaluate the impacts of its operation when connected to the distribution grid, using for this task the ATPDraw interface/tool of software ATP.

    Within this context, it is firstly necessary to obtain suitable models to represent the synchronous machine control systems (voltage regulator, speed governor and stabilizer system) in ATPDraw.

    Furthermore, for stability analysis, it is developed a mathematical technique to calculate the machine power angle which is represented in ATPDraw by a device (icon).

    The adjustments of voltage and speed control system parameters are performed by some adopted procedures which are verified using two electric systems: the first one with a synchronous generator connected to the distribution grid; and the second with three distinct generators forming a multimachine system. In these systems some disturbances are applied such as load shedding and short-circuit to accomplish the studies.

    Finally, with the previous results, it is carried out some dynamic performance studies of a synchronous generator of an independent producer connected to a distribution grid so as to assess aspects of power quality (voltage magnitude), stability and to evaluate the influence of machine controls during the system response for a given load shedding.

    Keywords: Distributed generation, synchronous machine, voltage regulator, speed governor, power angle, ATPDraw, multimachine system.

  • SUMRIO

    - i -

    SUMRIO

    Captulo I - INTRODUO ..................................................................................................................................... 1

    1.1 Consideraes Iniciais .................................................................................................................................... 1

    1.2 Objetivos e Metas ........................................................................................................................................... 2

    1.3 Contextualizao do Tema e Estabelecimento de Diretrizes .......................................................................... 3

    1.4 Contribuies oferecidas por esta Dissertao ............................................................................................... 9

    1.5 Estrutura da Dissertao ............................................................................................................................... 10

    Captulo II - MODELOS DA MQUINA SNCRONA E DESENVOLVIMENTO DO DISPOSITIVO PARA DETERMINAR O NGULO DE POTNCIA ...................................................................................................................................... 12

    2.1 Consideraes Iniciais .................................................................................................................................. 12

    2.2 Descrio Fsica da Mquina Sncrona ........................................................................................................ 13

    2.2.1 Partes Construtivas Principais de uma Mquina Sncrona ........................................................................ 14

    A) Estator .............................................................................................................................................................. 14

    B) Rotor ................................................................................................................................................................ 15

    C) Conjunto de Escovas e Anis e Sistema Brushless .......................................................................................... 17

    2.3 Descrio Matemtica da Mquina Sncrona ............................................................................................... 17

    2.4 Diagra