Geração de Energia Elétrica
Aula 5
Atual situação do Sistema Interligado Nacional
• Novo modelo do setor elétrico
– existência de consumidores livres
– existência de auto-produtores e produtores independentes – possibilidade de geração distribuída e co-geração
• Aumento do preço da energia
• Possibilidade de oferecer outros serviços
– denominados “serviços ancilares”
• Medo da crise de energia elétrica em 2002
• Resultado
Serviços ancilares de geração
Resolução ANEEL Nº 265, de 10 de junho de 2003
I. Controle primário de freqüência: controle realizado por meio de reguladores automáticos
de velocidade das unidades geradoras (para limitar a variação da freqüência quando ocorrem desequilíbrios entre carga e geração
II. Controle secundário de freqüência: controle realizado pelas unidades geradoras
participantes do Controle Automático de Geração - CAG, destinado a restabelecer a
freqüência do sistema ao seu valor programado e manter e/ou restabelecer os intercâmbios de potência ativa aos valores programados
III. Reserva de potência para controle primário: provisão de reserva de potência ativa
efetuada pelas unidades geradoras para realizar o controle primário de freqüência (gerador não pode ser despachado no limite)
IV. Reserva de potência para controle secundário: provisão de reserva de potência ativa
efetuada pelas unidades geradoras participantes do CAG, para realizar o controle secundário de freqüência e/ou de intercâmbios líquidos de potência ativa entre áreas de controle
V. Reserva de prontidão: disponibilidade de unidades geradoras com o objetivo de recompor
Serviços ancilares de geração
Resolução ANEEL Nº 265, de 10 de junho de 2003
VI. Suporte de reativos: fornecimento ou absorção de energia reativa, destinada ao controle de
tensão da rede de operação, mantendo-a dentro dos limites de variação estabelecidos nos Procedimentos de Rede
VII.Auto-restabelecimento (black start): capacidade que tem uma unidade geradora ou usina
geradora de sair de uma condição de parada total para uma condição de operação,
independentemente de fonte externa para alimentar seus serviços auxiliares para colocar em operação suas unidades geradoras
VIII.Sistema Especial de Proteção – SEP: sistema que, a partir da detecção de uma condição
anormal de operação ou de contingências múltiplas, realiza ações automáticas para preservar a integridade do SIN, dos equipamentos ou das linhas de transmissão deste. O SEP abrange os Esquemas de Controle de Emergência – ECE, os Esquemas de Controle de Segurança – ECS e as proteções de caráter sistêmico
Suporte de reativos
• Realizado de forma local
• Através do ajuste da excitação dos geradores síncronos – tensão CC aplicada no rotor da máquina
• Objetivos principais (locais)
– manter a tensão terminal do gerador dentro de limites – limitar o fluxo de reativos entre máquinas
• Objetivo principal (para o sistema) – manter a tensão dentro de limites • Objetivo secundário
Geração de Energia Elétrica
Gerador de indução
Gerador de indução
Devido, principalmente, às vantagens de funcionar como motor
ou gerador, à sua robustez construtiva, proteção natural contra
curtos-circuitos, e ao baixo custo em relação aos outros geradores,
a máquina de indução oferece boas condições para ser
empregada em PCHs e principalmente em usinas eólicas.
Estudaremos somente o caso do gerador de indução ligado à
Comportamento como gerador
No funcionamento conectado à rede, o motor de indução deve ter sua velocidade aumentada até que se iguale à velocidade de sincronismo. A potência absorvida da rede, nessas condições, é a necessária para vencer as perdas mecânicas no eixo e no ferro. A energia absorvida no eixo para mantê-lo nesta rotação síncrona é a necessária para vencer o atrito mecânico e a resistência do ar. Caso se aumente a velocidade, tem-se uma ação regeneradora, porém ainda sem entregar energia à rede. Isso acontece quando a corrente de efeito desmagnetizante no rotor for equilibrada por uma componente do estator capaz de suprir as perdas do núcleo. Nessa rotação, o gerador está suprindo suas próprias perdas no ferro. A partir dessa velocidade, o gerador começa a entregar potência à carga.
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Gerador de indução
- A velocidade de sincronismo determina-se por: Ns = 120fs/P Ns= velocidade de sincronismo em RPM;
fs = freqüência síncrona da rede pública em Hz (no Brasil f, = 60 Hz); P = número de pólos.
Motores assíncronos
A máquina de indução pode funcionar tanto como motor quanto gerador. Como gerador, a corrente máxima é atingida quando a potência entregue ao eixo com carga varia dentro de uma faixa de escorregamento dada por:
S = (Ns - N)/Ns
S = escorregamento variando comumente, para os geradores, de 0,0 a -0,05 p.u.;
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Gerador de indução
Conexão e desconexão da rede elétrica
Os seguintes aspectos devem ser observados quando se considera a conexão direta do gerador assíncrono à rede pública.
a) Custo reduzido e robustez
Os geradores assíncronos são máquinas amplamente utilizadas devido à sua robustez, simplicidade, e manutenção mínima. Eles aceitam cargas constantes e variáveis, partidas com carga ou a vazio e funcionamento contínuo ou intermitente.
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Gerador de indução
b) Dispensa de excitatriz e escovas
A excitatriz pode ser um gerador de corrente contínua ou alternada, alimentando um retificador para criar um ímã artificial (eletroímã), que tem o papel de induzir tensões no rotor dos geradores síncronos, isto é, alimentar o campo magnético (estator) do gerador.
c) Simplicidade para associação de geradores
Se o gerador assíncrono for ligado diretamente à rede, a condição para haver geração é ω > ωs Caso contrário, poderá haver a motorização, quando, então, a máquina passa da condição de gerador para motor, isto é, passa a ser
uma carga para a rede. Por isso, para gerar energia útil, é necessário uma considerável quantidade mínima de energia primária, abaixo da qual a
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Gerador de indução
Salienta-se que existem outras facilidades com esse tipo de
gerador:
-
não há necessidade de o gerador estar exatamente sincronizado
com a rede para entrar em paralelo, apesar de gerar surtos de
tensão e rotação quando essa condição estiver muito afastada;
-
numa associação série, paralelo ou série-paralelo, os geradores
não precisam girar na velocidade síncrona comum a todos, ainda
que esse fator determine a quantidade de energia entregue pelos
geradores individuais;
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Gerador de indução
d) Proteção contra surtos
Quando o gerador assíncrono é auto-excitado, a sua corrente
de magnetização é fornecida por um capacitor. Um sistema de
cabos CA subterrâneos pode ser suficiente para fornecer parte da
corrente de excitação capacitiva necessária. A tensão de saída
apresenta uma regulação natural para cargas resistivas devido à
saturação magnética do ferro da máquina. Em curto-circuito não
aparece a troca reativa com a carga, e isso funciona como uma
proteção natural contra
curtos-circuitos e sobrecorrente nos seus terminais. Isto é, quando
a corrente de carga ultrapassa um determinado patamar, o
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Gerador de indução
e) Rendimento
Há um intervalo de rotação limitado acima e abaixo da rotação síncrona, onde o rendimento é muita baixo. Se a escolha do momento de conexão for intermediário entre a rotação síncrona e a de rendimento satisfatório, não se tem necessidade de grande precisão no sensor que autoriza a conexão.
f) Segurança
Gerador de indução
Monofásico e Trifásico
Relação entre o gerador monofásico e o trifásico.
O gerador monofásico apresenta inferioridade em relação ao trifásico, observando-se que, para máquinas de mesmo peso, a capacidade do monofásico é de 60% da que apresenta o trifásico, é mais caro, tem o fator de potência mais baixo e é de menor rendimento. Assim, a geração monofásica é encontrada em potências suficientes para cobrir boa parte da escala de micro aproveitamentos elétricos, enquanto geradores trifásicos são mais vantajosos para potências maiores. Os níveis de geração podem ser tão reduzidos ao ponto de chegarem a 2 ou 3 kW. Abaixo desses valores, as cargas individuais típicas por fase poderiam facilmente causar desequilíbrio de fase no gerador, por representarem valores próximos ao total do gerador.
Gerador de indução
Monofásico e Trifásico
Motores monofásicos são disponíveis para aplicações que requeiram não mais do que alguns cv‘s. Para cargas maiores, usam-se os motores trifásicos.
Geradores Assíncronos Auto-excitados
Geradores assíncronos auto-excitados
A máquina assíncrona pode ser vista como um transformador cujo circuito magnético compreende duas partes separadas por um entreferro, sendo uma delas suscetível ao movimento. Adotando-se o formato cilíndrico, a parte externa é fixa e denomina-se estator. A parte interna pode girar e designa-se rotor.
Fechando-se em curto-circuito o enrolamento da parte interna e alimentando-se a externa por uma fonte de energia trifásica alternada, estabelece-se, no circuito magnético, um campo girante cuja freqüência de oscilação.
Geradores Assíncronos Auto-excitados
O fenômeno da auto-excitação
Geradores Assíncronos Auto-excitados
Na operação isolada, a excitação pode ser obtida a partir de capacitores, de motores síncronos ou a partir da capacitância das linhas de transmissão. Podem-se considerar três hipóteses.
No primeiro caso, para usar capacitores em derivação, é necessário dispor de um valor básico de excitação a vazio, mais uma parte complementar para atender ao acréscimo da excitação necessária para o gerador em plena carga. É recomendável que a carga tenha fator de potência unitário para minimizar a complementação de capacitores destinada à auto-excitação do gerador.
Geradores Assíncronos Auto-excitados
Outro caso é a possibilidade de usar, em conjunto com os capacitores em derivação, outros em série. Assim é obtida uma característica idêntica à do gerador de corrente contínua com excitação composta, isto é, a tensão nos terminais do gerador conserva-se praticamente constante desde a vazio até plena carga, sem necessidade de trocar os capacitores.
Geradores Assíncronos Auto-excitados
Geração de Energia Elétrica
Controladores de freqüência e tensão
Controles de freqüência e de tensão nos geradores de indução auto-excitados
Para melhorar a qualidade da energia gerada, é necessário incorporar dispositivos de controle de freqüência e/ou de tensão ao conjunto turbina-gerador. A escolha dos dispositivos depende do nível de qualidade desejada, tendo em vista os acréscimos nos custos e a complexidade das instalações. De um ponto de vista geral, os controles podem ser classificados como:
Mecânicos;
Geração de Energia Elétrica
Controladores de freqüência e tensão
Os controles mecânicos
são os mais antigos que se conhece
Geração de Energia Elétrica
Controladores de freqüência e tensão
Os controles eletromecânicos são mais precisos e rápidos, de menor
volume e peso do que os controles mecânicos. Utilizam motores elétricos e relés (fim-de-curso, máxima tensão, máxima corrente, resistores variáveis, etc.) para controle do fluxo da energia primária. A excitatriz é um dos equipamentos elétricos dos geradores síncronos. Os modernos geradores síncronos auto-excitados também utilizam enrolamentos compensadores internos para manter constante a tensão de saída.
Geração de Energia Elétrica
Controladores de freqüência e tensão
Controle de freqüência
A adoção do controle de freqüência permite melhorar o desempenho do gerador, pois o acionamento à freqüência constante apresenta uma maior regulação de tensão do que o acionamento à velocidade constante.
No caso do gerador de indução auto-excitado, a freqüência gerada depende tanto da velocidade do rotor quanto do escorregamento e, por conseqüência, da carga.
Geração de Energia Elétrica
Controladores de freqüência e tensão
Controle de tensão
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Controladores de freqüência e tensão
Geração de Energia Elétrica
Controladores de freqüência e tensão
Porém, a forma geral de controle de tensão, nos geradores de indução auto-excitados, consiste em capacitar a máquina para suprir a demanda de reativos na carga para as diferentes condições de operação. A forma mais elementar do controle de tensão consiste em corrigir individualmente o fator de potência de cada carga a ser alimentada.
Nas situações em que tal medida não possa ser aplicada, tem-se, como alternativa, a instalação de bancos adicionais de capacitores nos terminais da máquina, que seriam automaticamente chaveados à medida que houvesse demanda de reativos pela carga. O chaveamento pode ser feito por meio de relés eletromecânicos ou chaves eletrônicas.
Esse esquema apresenta como desvantagem a variação da capacitância (tensão) em degraus, o custo e a lentidão na resposta.
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Fornecimento de energia
Injeção de energia na rede
A forma convencional de se conectar um gerador de indução à rede pública para injeção de energia, é a elevação de sua rotação, de tal forma que a freqüência angular equivalente resultante, w, torne-se um percentual maior do que a freqüência da rede pública,
ws = 2nf, onde fs é a freqüência síncrona.
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Fornecimento de energia
Gerador assíncrono com controle eletrônico pela carga para injeção na rede e consumo local que possuí as seguintes características:
-Possibilidade de geração com freqüência acima da síncrona;
-potência reativa controlável;
-controle simplificado e simultâneo de tensão e rotação; -proteção natural contra curtos-circuitos;
-carga vista pelo gerador resistiva e bem equilibrada;
-geração de harmônicos tanto para o gerador como para a rede;
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Fornecimento de energia
Gerador assíncrono isolado com controle eletrônico pela carga, que pode
ser exercido de dois modos diferentes: no lado de corrente contínua ou no lado de corrente alternada.
O controle eletrônico no lado CC, pode ter as seguintes características: - necessita reaproveitar ou dissipar o excesso da energia gerada;
-dispensa controle mecânico;
-cede, na qualidade da energia, para redução de custos: harmônicos, tolerâncias de freqüência e tensão;
-utiliza menos componentes eletrônicos de potência; - usa circuitos de controle mais simples;
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Fornecimento de energia
O controle eletrônico no lado CA, tem as seguintes características: -a carga vista pelo gerador pode ser indutiva e desequilibrada, e, portanto, o controle da ponte precisa ajustar o fator de potência (regulação de tensão) e a carga ativa (regulação de freqüência-rotação) por fase;
- uso de apenas uma ponte controlada (com tiristores ou transistores de potência);
- necessidade de carga secundária para dissipação do excesso de energia; - possibilidades limitadas de controle do fator de potência;
- menores perdas nos circuitos eletrônicos (carga primária diretamente conectada ao gerador);
- controle eletrônico simples;
Geração de Energia Elétrica
Fornecimento de energia
As formas de controle eletrônico, discutidas acima, podem dispensar os
controles mecânicos de velocidade e os controladores de tensão convencionais. Ambos acontecem naturalmente mediante propriedades características dos
geradores assíncronos, quando alimentam cargas bem equilibradas e resistivas, como é o caso do retificador
trifásico.
Fornecimento de energia
Suporte de reativos -
Regulação da tensão
V V
V = 0 =
E
• Seja o sistema radial sem compensação
Magnitude e fase da tensão E depende da carga ativa e reativa
Suporte de reativos -
Regulação da tensão
V V
V = 0 =
E
• Seja o sistema radial com compensação
Suporte de reativos -
Regulação da tensão
• Fazendo tem-se
• Resolvendo para chega-se a
Suporte de reativos -
Regulação da tensão
-CONCLUSÕES
• Com uma compensação
puramente reativa
pode-se eliminar as
variações na tensão de atendimento causadas pelas mudanças nas
partes ativa e reativa da carga.
– Neste caso, deve ser observado que apenas a magnitude da tensão é controlada; a fase varia conforme a corrente demandada pela carga.
• A compensação também pode reduzir ou eliminar o fluxo de potência
reativa (compensação de fator de potência).
– Neste caso, deve ser observado que , logo a tensão não depende de Qs.
• Assim, uma compensação
puramente reativa
não pode
manter a
tensão constante
e o
fator de potência unitário
simultaneamente.
Suporte de reativos -
Regulação da tensão
• Exercício 1: Determinar o fasor tensão na fonte para que a
tensão na carga seja igual a 1,0.
• Exercício 2: Determinar o valor da compensação necessária
para tornar a tensão na carga e na fonte iguais a 1,0.
Determinar o fasor tensão na fonte para esta situação.
Suporte de reativos -
Regulação da tensão
• Exercício 1 (solução): O fasor tensão na fonte para que a tensão na carga seja igual a 1,0 é mostrado na figura.
• Observação – Caso o módulo de E
Suporte de reativos -
Regulação da tensão
• Exercício 2 (solução): Determinar o valor da compensação necessária para tornar a tensão na carga e na fonte iguais a 1,0. Determinar o fasor tensão na fonte para esta situação.
• Observação – O problema matemático
Suporte de reativos -
Regulação da tensão
Suporte de reativos -
Regulação da tensão
• Para redes primárias de distribuição de energia (13,8 ou 23 kV) – os valores de resistência e reatância série são próximos • Fazendo , pode-se obter uma expressão aproximadaRs ≈ X s
