XI. RESSONÂNCIA SUBSÍNCRONA
XI.2 Mecanismos da Ressonância Subsíncrona
Nos itens anteriores foi mostrado, de uma forma elementar, como as freqüências naturais da rede elétrica podem ser refletidas nos sistemas mecânicos do eixo turbina-gerador (e vice-versa), e desta forma interagir de maneira adversa com os modos torsionais dos geradores síncronos. Neste contexto, a ressonância subsíncrona pode ser originada através de dois mecanismos distintos, embora mútuos: efeito de gerador de indução e interação torsional. Um terceiro tipo de interação é mencionado na literatura e recebe o nome de amplificação de
torque. Em todos os casos a ressonância subsíncrona é fruto da interação dos sistemas
mecânicos dos geradores síncronos com os torques produzidos por correntes subsíncronas presentes na armadura do gerador (IEEE, 1985b). Nos itens a seguir, cada mecanismo fundamental é descrito em detalhes separadamente.
XI.2.1. Efeito de Gerador de Indução
O efeito gerador de indução é um fenômeno estritamente de origem elétrica e é causado pela auto-excitação do sistema elétrico associado ao gerador. Uma vez que os circuitos do rotor giram mais rápido que o campo magnético girante produzido pelas correntes subsíncronas na armadura, a resistência do rotor vista pela armadura para estas correntes é negativa. Esta característica é semelhante à operação de uma máquina de indução. A Figura XI.5 representa um circuito equivalente simplificado de uma máquina síncrona na presença de freqüências subsíncronas, onde o s é o escorregamento entre as velocidades síncrona e subsíncrona.
Figura XI.5 – Circuito equivalente da máquina síncrona para freqüências subsíncronas
Se desconsiderarmos o efeito da saliência, o comportamento da máquina síncrona seria idêntico ao de um gerador de indução, frente a freqüências subsíncronas. Desta forma, na presença de freqüências subsíncronas, o escorregamento torna-se negativo e, conseqüentemente, também a resistência do rotor. Para valores elevados de compensação série, esta resistência aparente negativa pode superar a resistência da rede, resultando
efetivamente em um circuito RLC com resistência negativa. Sob esta condição, o sistema elétrico torna-se auto-excitado, provocando oscilações de tensão e corrente de amplitudes crescentes no tempo.
Como visto, o conjugado C(s) denota o comportamento de gerador de indução quando a máquina síncrona opera na presença de freqüências subsíncronas. Esta característica pode ser traduzida como uma resistência negativa para o sistema, reforçando assim a idéia apresentada no parágrafo anterior. Esta forma de auto-excitação é um fenômeno puramente elétrico e não depende das características do eixo turbina-gerador (KUNDUR, 1994).
XI.2.2. Interação Torsional
Ao contrário do efeito de gerador de indução, a interação torsional envolve tanto o sistema elétrico quanto o sistema mecânico associado ao eixo turbina-gerador. Vimos que o sistema mecânico do eixo turbina-gerador apresenta diversas freqüências naturais de oscilação, em geral situadas na faixa subsíncrona. Estas oscilações são responsáveis pela modulação da tensão na armadura da máquina, fazendo com que sejam refletidas na rede elétrica. Caso uma destas freqüências seja próxima a alguma das freqüências naturais da rede, as correntes percorridas na armadura da máquina induzem torques eletromagnéticos que reforçam as oscilações primeiras do rotor. Quando estes torques superam os torques de amortecimento inerentes ao sistema mecânico, o sistema torna-se auto-excitado (IEEE, 1980). Em geral, fenômenos desta natureza têm conseqüências catastróficas para o eixo do turbogerador. Mesmo que o sistema não seja instável, pequenas perturbações podem resultar em esforços torsionais de grande magnitude, causando perda vida útil do eixo por fadiga cíclica.
XI.2.3. Amplificação de Torque
Perturbações no sistema impõem torques transitórios aos rotores dos geradores síncronos. Em um sistema de transmissão sem capacitores série, estes transitórios sempre decaem com uma constante de tempo dada pela razão da indutância pela resistência do sistema. Em redes elétricas contendo capacitores série, as correntes originadas por estes distúrbios são oscilatórias podendo conter componentes em diversas freqüências subsíncronas. Se o complemento de uma destas freqüências ( n s) for próximo de alguma das freqüências naturais do eixo turbina-gerador, torques muito elevados podem ser originados, amplificando o efeito dos torques originais. Os torques transitórios resultantes provocam esforços torsionais nos eixos dos turbo-geradores, podendo contribuir para a perda de vida útil por fadiga mecânica, principalmente quando capacitores série estão presentes. Este tipo de fenômeno é resultado de grandes perturbações no sistema, tais como o chaveamento de linhas de transmissão e capacitores, curtos-circuitos, etc., e, portanto, não pode ser avaliado a partir de modelos lineares. Nestes casos, simulações no domínio do tempo utilizando programas do tipo EMTP (Electromagnetic Transients Program) são mais apropriadas.
XII. REFERÊNCIAS
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