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Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos

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  • Captulo 5SISTEMAS DE EXCITAO DEGERADORES SNCRONOS

    5.1 Introduo

    A funo do sistema de excitao estabelecer a tenso interna do gerador sncrono. Em con-seqncia, o sistema de excitao responsvel no somente pela tenso de sada da mquina,mas tambm pelo fator de potncia e pela magnitude da corrente gerada. A Fig. 72 mostra odiagrama de blocos com a configurao fsica de um sistema de excitao tpico.

    Figura 72: Configurao fsica dos componentes do sistema de excitao

    At bem recentemente, a excitatriz da maioria dos sistemas era um gerador de correntecontnua montado no eixo do gerador. Atualmente, outros sistemas mais rpidos e que exigemmenos manuteno vo aos poucos substituindo o sistema clssico.

    A funo do regulador de tenso controlar a sada da excitatriz tal que a tenso geradae a potncia reativa variem da maneira desejada. Em sistemas primitivos, o operador desem-penhava o papel do regulador de tenso, observando a tenso de sada e ajustando o reostatode campo da excitatriz de modo a obter as condies de sada desejadas. Atualmente, o re-gulador de tenso um controlador que observa a tenso (e possivelmente outras grandezas,como potncia ativa e corrente) de sada do gerador e ento inicia a ao corretiva atravs davariao do controle da excitatriz. A velocidade de ao do regulador fundamental do pontode vista da estabilidade do sistema de potncia.

    O bloco denominado de Controles Auxiliares na Fig. 72 inclui funes como adio de

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  • Captulo 5 SISTEMAS DE EXCITAO DE GERADORES SNCRONOS

    amortecimento ao sistema de controle, compensao de corrente reativa, estabelecimento delimites de sobre e sub-excitao, etc.

    Este captulo composto de duas partes principais. Nas sees 8=5 e 8=6, feita umareviso da evoluo da tecnologia de sistemas de excitao e reguladores de tenso, respecti-vamente. A segunda parte do captulo, que corresponde seo 8=7, dedicada modelageme anlise, do ponto de vista do controle, de um sistema de excitao convencional.

    5.2 Configuraes Tpicas de Sistemas de Excitao

    5.2.1 Sistemas Clssicos

    A Fig. 73 apresenta a configurao tpica de um sistema de excitao com excitatriz de cor-rente contnua auto-excitada.

    Figura 73: Excitatriz principal com controle do reostato de campo

    O regulador do sistema da Fig. 73 detecta o nvel de tenso, compara-o com uma refernciae, se necessrio, aciona um dispositivo mecnico para controlar a resistncia do reostato.

    Na etapa seguinte de aperfeioamento do sistema da Fig. 73 a excitatriz principal, ao invsde ser auto-excitada,passou a ser excitada por uma excitatriz piloto. Isto propicia respostasbem mais rpidas que as do caso auto-excitado, j que o controle de campo da excitatriz independente de sua tenso de sada.

    Um grau maior de sofisticao foi atingido com o uso de amplificadores rotativos. Estesamplificadores permitiram o uso de reguladores de tenso estticos, cuja sada de baixa potn-cia pode ser amplificada de modo a induzir respostas ainda mais rpidas.

    Com o aumento da capacidade nominal dos geradores sncronos, o uso de excitatrizes decorrente contnua comeou a revelar algumas inconvenincias, tais como:

    1. Altas correntes de excitao a baixa tenso, exigindo muitas escovas;

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  • Seo 5.2 Configuraes Tpicas de Sistemas de Excitao

    2. Dificuldades inerentes ao comutador, provocando faiscamento durante sbitas variaesde carga;

    3. Dificuldades de acoplar grandes mquinas c.c. ao eixo do gerador, que gira a altasvelocidades no caso de turbo-geradores.

    Os itens (1) e (2), alm dos problemas que causavam em operao, tambm apresentavamo incoveniente de exigir um servio de manuteno de escovas e comutador mais intenso.Quanto ao item (3), uma soluo encontrada foi o uso de engrenagens de reduo, cuja com-plexidade reduzia a confiabilidade do sistema de excitao, se comparado aos sistemas queusam o acionamento direto do eixo do gerador.

    As razes citadas intensificaram os estudos de um sistema de excitao usando uma ex-citatriz de corrente alternada e retificadores. Inicialmente, a substituio de uma excitatrizde corrente contnua e sistema de engrenagens de reduo por uma excitatriz de correntealternada e retificadores trouxe um pequeno aumento de custo, alm do problema tcnicodecorrente do fato de os primeiros sistemas usarem retificadores com diodos de germnio,cuja baixa tenso mxima inversa parecia ser insuficiente para satisfazer as necessidades dosgrandes geradores. Ambos os incovenientes foram superados, pois logo tornou-se claro queo aumento do custo inicial era largamente compensado pela reduzida manuteno necessria,e a utilizao de diodos de silcio elevou a mxima tenso inversa a valores satisfatrios.Hoje, usam-se excitatrizes c.c. diretamente acopladas ao eixo do gerador para geradores at50 MW e excitatrizes c.c. de baixa velocidade, acionadas atravs de engrenagens pelo eixodo gerador, at geradores de 275 MW. A partir desta capacidade nominal, tm-se usado tosomente excitatrizes de corrente alternada com retificadores.

    Os tipos de excitatrizes alternadas usando retificadores que esto em uso ou em fase detestes so os seguintes:

    Excitatriz de campo rotativo com retificador a diodo esttico; Excitatriz de armadura rotativa com retificadores a diodos rotativos (sistema sem

    escovas); Excitao esttica, com potncia de excitao obtida atravs de transformador e

    utilizando tiristores estticos; Sistema de excitao sem escovas, com tiristores montados no eixo.

    Analisemos, em particular, cada um dos sistemas acima.

    5.2.2 Excitatriz de Campo Rotativo com Retificadores Estticos

    O esquema bsico de um sistema de excitao usando retificador esttico mostrado na Fig.74, sendo esta montagem tpica para um gerador de 500 MW.

    Na Fig. 74, uma ponte de tiristores controla a excitao da excitatriz principal. Obtm-seresposta rpida graas excitatriz de alta freqncia e tenso constante. Como o regulador detenso controla o disparo dos tiristores, a resposta do sistema de excitao muito rpida.

    O retificador de excitao , em geral, montado em uma srie de cubculos, cada um delessendo uma unidade trifsica completa, conectada em ponte. Os cubculos so ento conecta-

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  • Captulo 5 SISTEMAS DE EXCITAO DE GERADORES SNCRONOS

    dos em paralelo para fornecer a capacidade de corrente necessria, sendo possvel desconectarqualquer cubculo, no lado alternado ou contnuo, sem interferncia com a operao dos de-mais. Esta estrutura modular permite a manuteno com o retificador em servio. Contudo,estudos demonstraram que a ocorrncia de defeitos nos retificadores to rara que projetosmais recentes abandonaram a estrutura modular, o que permite maior compactao do retifi-cador.

    Figura 74: Sistema de excitao usando retificador esttico

    O sistema de retificao esttica, embora elimine o comutador e escovas associados excitatriz de corrente contnua, ainda tem o incoveniente de manter os anis deslizantes dogerador, que tambm apresentam problemas de manuteno.

    5.2.3 Sistemas de Excitao sem Escovas

    Com os sistemas de excitao a gerador de corrente contnua ou com excitatriz de correntealternada mais retificadores, a potncia de excitao deve ser transferida de um equipamento- excitatriz c.c, retificador - para o campo do gerador, exigindo para isto anis coletores eescovas. O projeto destes dispositivos torna-se mais difcil com o aumento de potncia deexcitao necessria ou, em outras palavras, com o aumento da capacidade nominal dos ger-adores. Estes problemas de projeto esto principalmente ligados ao resfriamento dos aniscoletores e vida til das escovas. Uma maneira encontrada para resolv-los foi a utiliza-o de excitatrizes c.c. de baixa velocidade acionadas pelo eixo do gerador atravs de ummecanismo de transmisso. Isto, contudo, implicava em uma reduo de confiabilidade.

    Para solucionar o problema satisfatoriamente, pensou-se em eliminar definitivamente osanis coletores e as escovas a eles associados (brushless excitation system ). Isto j havia sidofeito em aplicaes menores, tais como motores para avies, dando resultados satisfatrios.Em 1960, engenheiros da Westinghouse Electric Corporation introduziram o sistema sem es-covas para geradores sncronos de grandes potncias.

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  • Seo 5.2 Configuraes Tpicas de Sistemas de Excitao

    A Fig. 75 mostra esquematicamente o sistema de excitao sem escovas simplificado.O sistema mostrado consiste de uma excitatriz de corrente alternada e um retificador rotativomontado no mesmo eixo do turbo-gerador. Tambm montado no mesmo eixo est um geradora m permanente, cujo sinal de sada retificado e comparado, no regulador de tenso, como sinal retificado da tenso terminal. O erro resultante alimenta o campo da excitatriz decorrente alternada, a qual se assemelha a uma mquina de corrente contnua sem comutador,com enrolamento de campo no estator e armadura no rotor. A sada da armadura rotativa daexcitatriz de corrente alternada conduzida ao longo do eixo para o retificador rotativo, asada do qual, por sua vez, alimenta o campo do gerador, ainda ao longo do eixo.

    Figura 75: Sistema de excitao sem escovas

    A grande dificuldade que teve de ser superada para o desenvolvimento do sistema de ex-citao sem escovas foi a intensidade dos esforos centrfugos a que os retificadores e seusdispositivos de proteo estariam sujeitos. Tambm foi necessrio que as excitatrizes de cor-rente alternada fornecessem a mesma tenso que as excitatrizes de corrente contnua anteriorese tambm tivessem uma constante de tempo baixa. O desenvolvimento da tecnologia dos reti-ficadores a semicondutores tornou possvel a fabricao de retificadores capazes de resistiraos esforos rotacionais. Alm disso, o uso de freqncias mais altas para as excitatrizes a.c.aumentou o nvel da tenso de excitao e reduziu a constante de tempo.

    5.2.4 Excitao Esttica Utilizando Tiristores

    Os sistemas de excitao foram