MARCOS SHIGUEO YAMASHITA
RELATÓRIO DE ESTÁGIO OBRIGATÓRIO:
MODERNIZAÇÃO DO REGULADOR DE TENSÃO DA UNIDADE GERADORA 4 DA USINA HIDRELÉTRICA ITÁ
Tubarão 2018
MARCOS SHIGUEO YAMASHITA
RELATÓRIO DE ESTÁGIO OBRIGATÓRIO:
MODERNIZAÇÃO DO REGULADOR DE TENSÃO DA UNIDADE GERADORA 4 DA USINA HIDRELÉTRICA ITÁ
Relatório de Estágio Curricular Obrigatório apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Luís Fernando Ferreira de Campos, Me. Eng.
Tubarão 2018
À minha esposa Verônica, minha filha Isadora, aos mestres e amigos, pelo incentivo sempre presente nas dificuldades e conquistas da vida.
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Luís Fernando Ferreira de Campos pela orientação, compartilhamento de conhecimento e disposição em ajudar sempre que necessário.
Ao amigo, colega e orientador do trabalho pela ENGIE, Engenheiro Gilberto Dagostim Uggioni, pela amizade, incentivo, orientação e fornecimento de materiais bibliográficos fundamentais para a realização deste trabalho.
Aos colegas e amigos da ENGIE, especialmente aqueles do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, pela amizade, disponibilidade e grande apoio nas atividades do dia-a-dia.
Aos amigos e colegas do curso de Engenharia Elétrica do Campus Tubarão da Unisul pelo incentivo e companheirismo nas atividades acadêmicas.
Agradeço aos colaboradores da ENGIE que não mediram esforços para auxiliar sempre que possível possibilitando assim a conclusão deste trabalho.
Agradeço a todos os professores do curso de Engenharia Elétrica do Campus Tubarão da Unisul pela disponibilidade e apoio prestado no desenvolvimento das atividades acadêmicas.
“É muito melhor lançar-se em busca de conquistas grandiosas, mesmo expondo-se ao fracasso, do que alinhar-se com os pobres de espírito, que nem gozam muito nem sofrem muito, porque vivem numa penumbra cinzenta, onde não conhecem nem vitória, nem derrota” (Theodore Roosevelt).
RESUMO
Este relatório apresenta as principais atividades desenvolvidas durante o estágio curricular obrigatório do curso de Engenharia Elétrica. As atividades foram realizadas no setor de Engenharia de Manutenção de Ativos de Geração (EMAG) situada em Capivari de Baixo-SC e na Usina Hidrelétrica Itá (UHE Itá) localizada em Aratiba-RS, ambos pertencentes à ENGIE Brasil Energia S.A. O estágio teve foco voltado à participação em três principais atividades principais da modernização dos reguladores de tensão da UHE Itá sendo elas: treinamento teórico do novo regulador de tensão, ensaios de descomissionamento do atual regulador de tensão e comissionamento do novo regulador de tensão. Os resultados observados foram relatados neste documento através de uma abordagem inicial focada na fundamentação teórica sobre reguladores de tensão e seus principais componentes, breve relato sobre a operação e manutenção do novo regulador de tensão com informações obtidas da participação no treinamento teórico, relato dos ensaios e resultados obtidos dos ensaios de descomissionamento e comissionamento do novo regulador de tensão instalado na Unidade Geradora 4 da UHE Itá.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Configuração física dos componentes de um sistema de excitação. ... 15
Figura 2 – Sistema de excitação estático alimentado pelos terminais do gerador ... 16
Figura 3 – Sistema de excitação estático e disjuntores de campo ... 17
Figura 4 – Tiristor comercial utilizado em sistemas de excitação de geradores síncronos ... 18
Figura 5 – Painel de sistema de excitação Voith modelo Thyricon para usinas hidrelétricas .. 19
Figura 6 – Retificador trifásico controlado... 20
Figura 7 – Cartão de disparo dos tiristores (fabricação Voith) ... 20
Figura 8 – Transformador a seco Siemens modelo GEAFOL, utilizado em sistemas de excitação de usinas hidrelétricas ... 21
Figura 9 – Diagrama de blocos simplificado de um regulador de tensão... 22
Figura 10 – Controlador lógico programável Siemens modelo SIMATIC S7-300, plataforma modular e de uso industrial geral ... 24
Figura 11 – Interface homem-máquina Advantech modelo PPC-3150S de 15”, utilizado em reguladores de tensão de usinas hidrelétricas de grande porte ... 25
Figura 12 – Conversor CC/CC da Phoenix Contact modelo QUINT-PS, utilizado em sistemas de excitação de usinas hidrelétricas de grande porte ... 26
Figura 13 – Isolador galvânico da Phoenix Contact modelo MINI MCR-2-U-U-PT com conexão NFC para configuração ... 27
Figura 14 – Optoacoplador da Murrelektronik modelo MIRO TR 48VDC ... 28
Figura 15 – Relé modular de interface Finder série 4C de 16A... 28
Figura 16 – Diagrama de blocos típico de um PSS ... 32
Figura 17 – Compensador de carga ... 33
Figura 18 – Diagrama de blocos simplificado de um regulador automático de tensão ... 34
Figura 19 – Diagrama de blocos simplificado do modo de controle VAr ... 35
Figura 20 – Diagrama de blocos simplificado do modo de controle PF ... 35
Figura 21 – Curva de capabilidade de um gerador ... 37
Figura 22 – Controladores Hipase da Andritz Hydro em duas versões (tamanhos) diferentes com Interface Homem-Máquina integrada: médio e grande ... 38
Figura 23 – Cartões de funções utilizados em reguladores de tensão com controladores Hipase ... 38
Figura 24 – Cartão de disparo LG6CDC do regulador Hipase (Andritz Hydro) ... 39
Figura 26 – Ferramenta de acesso ao controlador Engineering Tool ... 41
Figura 27 – Painel do regulador de tensão (ao centro) e instrumentação básica utilizada (dispostos sobre a mesa). ... 42
Figura 28 – Transformador de excitação (banco trifásico)... 44
Figura 29 – Botoeira para aplicação do degrau (esquerda) e computador utilizado para manutenção do sistema. ... 45
Figura 30 – Forma de onda esperada para os testes com carga leve ... 49
Figura 31 – Resposta ao degrau de 5% no modo de controle AVR ... 50
Figura 32 – Comissionamento do regulador de tensão... 51
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO... 12
2 A EMPRESA ... 13
2.1 SETOR DE ESTÁGIO ... 13
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 15
3.1 EXCITAÇÃO DE GERADORES SÍNCRONOS ... 15
3.2 EXCITATRIZES ... 16
3.2.1 Conversor de potência ... 17
3.2.2 Circuito de disparo ... 19
3.2.3 Transformador de excitação ... 21
3.3 REGULADORES DE TENSÃO ... 22
3.3.1 Controladores Lógicos Programáveis ... 23
3.3.2 Fontes de alimentação ... 25
3.3.3 Isoladores galvânicos e relés de interface ... 26
3.4 CONTROLES AUXILIARES ... 29
3.4.1 Limitadores ... 29
3.4.1.1 Limitador de sobreexcitação... 29
3.4.1.2 Limitador de subexcitação ... 30
3.4.1.3 Limitador de corrente estatórica ... 30
3.4.1.4 Limitador de sobrefluxo ... 30
3.4.2 Estabilizador do sistema de potência ... 31
3.4.3 Compensação de carga... 32
3.5 MODOS DE CONTROLE ... 33
3.5.1 Modo manual ... 33
3.5.2 Modo Automático ... 33
3.5.2.1 Regulador automático de tensão ... 34
3.5.2.2 Controle da potência reativa ... 34
3.5.2.3 Controle do fator de potência ... 35
4 ATIVIDADES DESENVOLVIDAS ... 36
4.1 TREINAMENTO DE REGULADORES DE TENSÃO ANDRITZ HYDRO ... 36
4.1.1 Teoria dos reguladores de tensão ... 36
4.1.2 Aspectos técnicos do regulador Andritz Hydro ... 37
4.1.2.2 Software ... 40
4.1.3 Ferramenta Engineering Tool ... 40
4.2 DESCOMISSIONAMENTO DO SISTEMA DE EXCITAÇÃO DA UHE ITÁ ... 42
4.2.1 Balanceamento de corrente entre pontes ... 43
4.2.2 Verificação do funcionamento dos ventiladores ... 43
4.2.3 Verificação do Transformador de Excitação ... 44
4.2.4 Resposta ao Degrau ... 45
4.2.5 Partida e Parada da Unidade Geradora ... 46
4.2.6 Sincronização da Unidade Geradora ao Sistema Elétrico ... 46
4.2.7 Rejeições de carga ... 46
4.3 COMISSIONAMENTO DO NOVO SISTEMA DE EXCITAÇÃO ... 47
4.3.1 Pré-comissionamento ... 47
4.3.2 Comissionamento com unidade geradora desconectada do sistema elétrico ... 49
4.3.2.1 Ensaios dinâmicos a vazio ... 50
4.3.2.2 Teste de limitadores a vazio ... 51
4.3.3 Comissionamento com unidade geradora sincronizada no sistema elétrico ... 52
4.3.3.1 Sincronização ou sincronismo ... 52
4.3.3.2 Rejeições de carga ... 53
4.3.3.3 Ensaios dinâmicos com carga ... 53
4.3.3.4 Teste dos limitadores com carga ... 53
4.3.3.5 Estabilizador do sistema de potência ... 54
4.3.4 Testes finais e conclusão do comissionamento ... 55
5 CONCLUSÃO ... 56
1 INTRODUÇÃO
Para que um país se mantenha soberano e em ritmo de crescimento é fundamental que existam recursos que possibilitem o crescimento econômico. Como um dos recursos fundamentais em uma economia destaca-se a produção de energia elétrica que, no Brasil, tem se desenvolvido para atender à crescente demanda causada por fatores ligados aos processos de industrialização e urbanização, aumento populacional e desenvolvimento tecnológico nas ofertas e uso da energia elétrica (Empresa de Pesquisa Energética, 2007).
Neste contexto se enquadra a ENGIE Brasil Energia como uma empresa de comercialização, geração e transmissão de energia elétrica com ativos distribuídos em todo território brasileiro. Para a manutenção dos indicadores de qualidade e operação contínua de seu parque gerador, são previstos investimentos em diversos equipamentos ao longo do período de concessão de seus ativos. Os maiores investimentos são aqueles destinados a equipamentos considerados fundamentais para operação confiável e segura de suas plantas. Em uma planta hidrelétrica um destes equipamentos que requer investimentos é o sistema de excitação, também comumente conhecido como regulador de tensão, que agrega a principal função de estabelecimento da tensão interna do gerador síncrono, sendo também responsável pelo fator de potência e magnitude da corrente gerada pela máquina a ela conectada (Costa & Silva, 2000). Este relatório tem como objetivo descrever as atividades desenvolvidas pelo setor de Engenharia de Manutenção de Ativos de Geração (EMAG) referentes à modernização dos reguladores de tensão de uma usina hidrelétrica que é parte integrante do escopo de investimento previsto para atualização de outros dois importantes sistemas de uma usina de geração de energia elétrica: o sistema digital de supervisão e controle e os reguladores de velocidade. Para o estágio foi previsto o acompanhamento e desenvolvimento de atividades nas etapas do processo que envolvem montagem dos painéis na usina, testes e ensaios de aceitação final em campo e emissão da documentação final. As atividades deste estágio foram direcionadas especificamente para a modernização do regulador de tensão da Unidade Geradora 4 da Usina Hidrelétrica (UHE) Itá, localizada em Aratiba, Estado do Rio Grande do Sul.
2 A EMPRESA
Sediada em Florianópolis, Estado de Santa Catarina, a ENGIE Brasil Energia faz parte do maior grupo produtor independente de energia elétrica do Brasil e conta com o total de trinta plantas de geração composta por usinas hidrelétricas, termelétricas e complementares (biomassa, eólicas, pequenas centrais hidrelétricas e usinas solares) contabilizando 7901MW de capacidade própria instalada. Somando as parcerias com outras empresas a Engie Brasil Energia opera no total 9622MW distribuídos em doze estados brasileiros.
A Engie Brasil Energia é controlada pelo grupo franco-belga ENGIE que detém atualmente o título de maior produtor independente de energia do mundo, contabilizando mais de 112GW de capacidade instalada, atuando na exploração, produção, transporte, distribuição e comercialização de eletricidade e gás natural. Sua missão e visão são, respectivamente: oferecer soluções inovadores e sustentáveis em energia, e transformar a relação das pessoas com a energia para um mundo sustentável. Estas diretrizes empresariais destacam o grande desafio mundial de se desenvolver as atividades econômicas buscando ao mesmo tempo o equilíbrio para lidar com os desafios energéticos atuais e mantendo o compromisso de respeito ao meio ambiente (ENGIE, 2018).
2.1 SETOR DE ESTÁGIO
O estágio foi desenvolvido na EMAG sendo esta uma divisão da Unidade Organizacional Engenharia de Manutenção e Sistemas (EMS), que engloba resumidamente as seguintes atribuições:
Executar a análise de manutenção dos equipamentos e sistemas de sua responsabilidade;
Prestar suporte técnico para os serviços de manutenção nos equipamentos e sistemas;
Realizar avaliações técnicas sistemáticas para viabilizar o planejamento de investimentos futuros;
Realizar a análise de risco e de estado bem como avaliação da integridade e vida útil dos equipamentos;
Atuar em conjunto com áreas de desenvolvimento e implantação de novos empreendimentos, assim como para serviços especiais e projetos de melhorias dos ativos existentes.
O setor conta com uma equipe multidisciplinar que detém profissionais das seguintes áreas: elétrica, mecânica, civil, segurança cibernética e certificação empresarial (ISO e OHSAS). Com atuação direta em todas as plantas de geração da ENGIE Brasil Energia, grande parte da equipe está lotada no Complexo Termelétrico Jorge Lacerda (CTJL), localizado em Capivari de Baixo, Estado de Santa Catarina. Outros colaboradores permanecem atualmente lotados estrategicamente em usinas hidrelétricas do grupo.
As atividades de estágio foram executadas no âmbito da equipe direcionada às usinas hidrelétricas que conta com atendimento primariamente pelas equipes lotadas nas usinas de UHE Itá (Aratiba-RS), UHE Salto Santiago (Saudade do Iguaçu-PR) e UHE Estreito (Estreito-MA). Para atendimentos específicos e especializados os colaboradores da EMAG lotados no CTJL se deslocam para as plantas para executar suas tarefas. É neste contexto que as atividades de estágio se enquadram, na qual todo trabalho intelectual e burocrático será realizado no escritório do CTJL, mas que as tarefas executivas de inspeção, testes e ensaios finais serão executadas na UHE Itá.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 EXCITAÇÃO DE GERADORES SÍNCRONOS
Os sistemas de regulação de tensão de geradores síncronos possibilitam o controle da tensão terminal através de um sistema de controle realimentado na qual uma referência de tensão é comparada com a medição de tensão de saída da máquina sendo que o erro resultante é utilizado para alterar a corrente de campo do rotor (Milano, 2015).
Além do controle anteriormente descrito, os reguladores de tensão operam em conjunto com um conversor de potência denominado excitatriz, ou sistema de excitação, que agrega a parte de potência de todo sistema recebendo os sinais de controle do regulador de tensão e possibilitando a mudança da corrente de campo do rotor levando consequentemente à alteração da tensão terminal do gerador síncrono. A Figura 1 mostra os elementos principais do sistema de excitação e regulação de tensão de um gerador síncrono.
Figura 1 – Configuração física dos componentes de um sistema de excitação.
Fonte: Costa & Silva (2000, p. 105)
Controles auxiliares foram sendo incluídos com a evolução das tecnologias empregadas aos reguladores de tensão passando este último a agregar funções adicionais tais como limitadores, estabilizadores e compensadores de reativo que melhoram o desempenho não somente do sistema em si como também do sistema elétrico ao qual está conectado.
3.2 EXCITATRIZES
As excitatrizes podem ter diferentes configurações. No início elas não passavam de geradores de corrente contínua instaladas no eixo do gerador e totalmente dependentes da sua tensão de saída. Esta configuração fazia sua função básica, porém com limitações de tempo de resposta que só foram superadas com a utilização de uma excitatriz piloto com uma fonte de tensão independente do gerador. Com a utilização de amplificadores rotativos os tempos de resposta dos reguladores de tensão passaram a ser ainda melhores, porém com o aumento da capacidade nominal dos geradores síncronos a utilização de corrente contínua nas excitatrizes trouxeram certas inconveniências relacionadas principalmente ao uso de escovas (desgaste excessivo e faiscamento) e dificuldade no uso em sistemas de alta rotação como turbogeradores. Os problemas só começaram a ser solucionados com o advento de sistemas de excitação estáticos operando em corrente alternada (Costa & Silva, 2000).
A configuração mais comum em usinas hidrelétricas de grande porte, como o caso da UHE Itá, são os sistemas de excitação com retificadores controlados alimentados por transformador que está ligado aos terminais de saída do gerador, conhecidos também por Sistemas de Excitação com Autoexcitação Direta Simples. Um esquema simplificado pode ser visto na Figura 2.
Figura 2 – Sistema de excitação estático alimentado pelos terminais do gerador
Neste caso os tiristores estáticos são controlados pelo regulador automático de tensão de tal forma a obter a corrente contínua de excitação necessária. A interligação do sistema de excitação ao campo (rotor) do gerador é realizada através dos barramentos de interligação e respectivas escovas e anéis coletores.
Disjuntores de campo também são utilizados para permitir a interligação ou a interrupção da excitação do campo do gerador. Este disjuntor pode ser instalado no lado de corrente contínua ou no lado de corrente alternada, ou até mesmo em ambos dependendo do projeto do fabricante. A Figura 3 ilustra a localização destes disjuntores, neste caso podendo ser instalados tanto no lado de corrente contínua (CC) como no lado de corrente alternada (CA).
Figura 3 – Sistema de excitação estático e disjuntores de campo
Fonte: Voith (2015, p. 4-10)
3.2.1 Conversor de potência
A configuração mais comum de sistemas de excitação estática utiliza seis tiristores montados em módulos dissipadores, assim formando a ponte retificadora controlada de seis pulsos. Nesta configuração é possível fazer a inversão de polaridade da tensão de campo de forma a reduzir rapidamente a corrente de excitação impedindo possíveis sobretensões no campo do gerador (Cigré-Brasil, 2011).
Na Figura 4 é possível ver um modelo de tiristor comercialmente utilizado nas pontes de tiristores de sistemas de excitação de usinas hidrelétricas. Apesar de vendidos individualmente, estes tiristores geralmente são fornecidos pelos fabricantes montados em dissipadores de calor devidamente dimensionados.
Figura 4 – Tiristor comercial utilizado em sistemas de excitação de geradores síncronos
Fonte: Semikron (2007, p. 7)
Além do correto dimensionamento dos dissipadores, as pontes retificadoras tiristorizadas necessitam de sistemas de ventilação forçada eficientes e confiáveis para que a troca de calor entre o ambiente e os dissipadores seja efetiva. Caso contrário a temperatura de junção dos tiristores pode se elevar acima dos limites máximos permitidos provocando falha do componente (Barbi, 2006). Portanto, para maior confiabilidade, sistemas redundantes de ventilação são comumente utilizados para garantir fluxo de ar contínuo no sistema de potência. Além das pontes retificadoras, circuitos de pré-excitação (field flashing) permitem gerar correntes de excitação independente do gerador suficiente para garantir o disparo dos tiristores em uma excitação inicial (Cigré-Brasil, 2011). Diferentes fabricantes fornecem soluções variadas podendo a pré-excitação ser proveniente de uma fonte CC ou CA externa ao circuito, ou ambas como forma de redundância para garantia da partida do regulador de tensão.
Figura 5 – Painel de sistema de excitação Voith modelo Thyricon para usinas hidrelétricas
Fonte: Adaptado do website da Voith1
Para a remoção da corrente de campo do gerador também é necessário um circuito para permitir um processo seguro de desexcitação. Basicamente, a desexcitação é realizada através do disjuntor ou contatora de campo em conjunto com uma resistência de descarga de campo. O processo de desexcitação deve ocorrer com baixa corrente de excitação seguida pela abertura do disjuntor de campo. Para isso o retificador trifásico precisa estar operando como inversor para ter no campo uma tensão CC negativa (Cigré-Brasil, 2011).
3.2.2 Circuito de disparo
Para permitir que os tiristores possam efetuar a condução conforme os sinais de controle enviados pelo regulador de tensão, uma unidade de geração e amplificação dos pulsos de disparo é necessária. Além de amplificar o pulso de disparo, os módulos realizam a adaptação dos níveis de tensão e corrente necessários nesta etapa de conversão e ainda garantem a isolação galvânica requerida (Voith, 2015).
O princípio de funcionamento do circuito de disparo dos reguladores de tensão segue a teoria de retificadores trifásicos de onda completa a tiristores, ou seja, retificadores trifásicos controlados, em uma configuração semelhante ao apresentado na Figura 6 em Ponte de Graetz, na qual a tensão média de saída V0 é equivalente à tensão que é aplicada ao campo
do gerador síncrono.
1 Disponível em: < https://voith.com/swe-en/vaeseras-136.htm?city=V%C3%A4ster%C3%A5s> Acesso em maio de 2018.
Figura 6 – Retificador trifásico controlado
Fonte: Pomilio (2014, p. 3-17)
Portanto a tensão média no barramento de corrente contínua é dada pela Equação 1 a seguir, sendo α o ângulo de disparo dos tiristores (Pomilio, 2014).
𝑉0 =3√2𝜋 . 𝑉𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎𝑅𝑀𝑆. 𝑐𝑜𝑠𝛼 (1)
Para que este controle da tensão de campo seja possível, o circuito de disparo possui módulos eletrônicos com processamento independente do CLP disparando os tiristores de acordo com o ângulo necessário conforme os sinais de controle enviados pelo regulador de tensão (Voith, 2015).
Figura 7 – Cartão de disparo dos tiristores (fabricação Voith)
Tarefas adicionais como o monitoramento de condução dos tiristores (para certificar que os tiristores estão conduzindo corretamente) ou a medição de tensão de campo pode também estar presentes em cartões como o mostrado na Figura 7. (Voith, 2015).
3.2.3 Transformador de excitação
O transformador de excitação é o componente de potência dos sistemas de excitação que fornece a energia necessária para operação das pontes retificadoras tiristorizadas. Sua construção pode ser tanto a seco como a óleo isolante na configuração trifásica ou banco de transformadores monofásicos.
Os transformadores de excitação a óleo estão cada vez menos sendo utilizados em razão de alto custo de aquisição e manutenção se comparado com os transformadores a seco (com enrolamentos encapsulados em resina epóxi). Os transformadores de excitação a seco são geralmente montados em cubículos apropriados e equipados com sistema de supervisão de temperatura e esquemas de proteção específicos. A Figura 8 ilustra um transformador tipicamente utilizado para sistemas de excitação.
Figura 8 – Transformador a seco Siemens modelo GEAFOL, utilizado em sistemas de excitação de usinas hidrelétricas
Fonte: Adaptado do website da Siemens2
2 Disponível em: <https://www.energy.siemens.com/br/pool/br/transmissao-de-energia/transformadores/GEAFOL-Portugues.pdf> Acesso em maio de 2018.
Para a aplicação específica em sistemas de excitação algumas características são importantes neste transformador como baixa reatância de dispersão, equivalente à metade da reatância de um transformador de uso geral, para que os tempos de resposta dos tiristores das pontes seja reduzido. Também é desejável que o transformador possa reduzir a propagação de harmônicos gerados pelo disparo dos tiristores, portanto a configuração Y- com do lado da ponte, conforme pode ser visto na Figura 3, é utilizado somada a uma blindagem eletrostática entre o primário e secundário (Cigré-Brasil, 2011).
3.3 REGULADORES DE TENSÃO
Os reguladores de tensão agregam importantes funções sendo as principais: controlar a tensão terminal do gerador dentro dos limites permitidos, regular a divisão de potência reativa entre máquinas que operam em paralelo, controlar de perto a corrente de campo para manter a máquina em sincronismo com o sistema, aumentar a excitação sob condições de curto-circuito no sistema para manter a máquina em sincronismo com os demais geradores do sistema e amortecer oscilações de baixa frequência que podem trazer problemas de estabilidade dinâmica (Costa & Silva, 2000).
Na Figura 9 temos uma representação simplificada de um regulador de tensão com alguns de seus principais componentes.
Figura 9 – Diagrama de blocos simplificado de um regulador de tensão
Sensores medem a tensão terminal (VG) e corrente terminal (IG) do gerador, obtendo
também a potência elétrica (P) e a frequência (f). Uma compensação de carga da tensão terminal do gerador é executada gerando a tensão compensada (VC) que é comparada a uma tensão de
referência (VREF). O erro resultando desta comparação (V) é amplificado e utilizado por
malhas de controle que promovem variações que serão recebidas pelo sistema de excitação corrigindo a tensão terminal do gerador. Desta forma consideramos que o regulador de tensão, o sistema de excitação e o gerador, estabelecem um sistema de controle em malha fechada, com realimentação negativa (Calsan, 2011).
Reguladores de tensão atuais são projetados com uma série de componentes eletroeletrônicos que permitem receber os sinais de campo, tratar estes sinais, realizar as lógicas de controle e automatismos necessários e retransmiti-los ao sistema de potência. Basicamente são relés, disjuntores, fontes de alimentação, placas de aquisição e amplificação de sinais, isoladores galvânicos, controladores lógicos programáveis e interfaces homem-máquina. Todos estes componentes são devidamente acondicionados em um painel elétrico podendo este ser composto por um ou mais cubículos, dependendo dos requisitos do projeto e da magnitude das grandezas elétricas envolvidas.
3.3.1 Controladores Lógicos Programáveis
Os controladores lógicos programáveis, comumente denominados de CLP, nada mais são do que aparelhos eletrônicos digitais, que utilizam uma memória programável para armazenar internamente instruções e implementar funções específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos (definição da Associação Nacional de Fabricantes de Equipamentos Elétricos dos Estados Unidos da América – NEMA) (Zancan, 2011).
Atualmente existe uma ampla gama de controladores lógicos programáveis disponíveis no mercado de fabricantes conhecidos no mercado nacional como Siemens e General Electric (GE), porém empresas desenvolvedoras de reguladores de tensão também têm investido na criação de suas próprias plataformas de controle programável, específicos para uso em reguladores, tais como Andritz Hydro e Reivax. A Figura 10 ilustra um controlador amplamente utilizado em sistemas de regulação de tensão.
Figura 10 – Controlador lógico programável Siemens modelo SIMATIC S7-300, plataforma modular e de uso industrial geral
Fonte: Website da Siemens3
Nos reguladores de tensão atuais a flexibilidade permitida com o uso de CLP levou à integração de diversas funções antes executadas por circuitos dotados de amplificadores operacionais ou dispositivos eletromecânicos convencionais. Além das malhas de regulação PID necessárias para o controle das diferentes variáveis, as demais funcionalidades mostradas na Figura 9, quais sejam, os compensadores de carga, comparadores, limitadores, realimentação de sinais e PSS (do inglês Power System Stabilizer), estão programados em lógicas nos CLP dos reguladores de tensão. Além disso, diversos comandos, intertravamentos, lógicas de proteção e funções de operação e apoio à manutenção também podem ser programados.
Dependendo dos requisitos do projeto, o regulador de tensão pode ser dotado de dois conjuntos de CLP de tal forma a compor um sistema duplo redundante na qual um dos controladores opera como canal principal de controle e o segundo canal permanece em espera (stand by). O canal em stand by pode assumir o controle sempre que necessário podendo a comutação entre canais ser manualmente comandada pelo usuário ou então de forma automática na identificação de falha do canal principal.
Destaca-se ainda como vantagem no uso de CLP a possibilidade de tratar e externar os dados internos processados permitindo utilizar uma interface amigável ao usuário geralmente viabilizados por dispositivos denominados de Interface Homem-Máquina (IHM). Este
3 Disponível em: <https://w3.siemens.com.br/automation/br/pt/automacao-e-controle/automacao-industrial/simatic-plc/s7-cm/s7-300/Pages/Default.aspx> Acesso em maio de 2018.
componente permite que o usuário visualize as grandezas e parâmetros essenciais além de permitir comandos e acesso a ferramentas de auxílio à operação e manutenção de todo sistema. As IHM mais modernas possuem telas sensíveis ao toque (touchscreen) e geralmente operam com sistemas operacionais Microsoft Windows em versões específicas para aplicações industriais. A Figura 11 ilustra uma IHM comercialmente disponível para equipar sistemas de regulação de tensão de usinas hidrelétricas.
Figura 11 – Interface homem-máquina Advantech modelo PPC-3150S de 15”, utilizado em reguladores de tensão de usinas hidrelétricas de grande porte
Fonte: Website da Advantech4
Outra possibilidade de destaque para CLP é a possibilidade de integração do regulador de tensão com o sistema de controle de uma usina permitindo que comandos e uma quantidade razoável de informações sejam disponibilizados em uma sala de operação centralizada, inclusive permitindo a operação remota deste equipamento. Existe uma grande variedade de protocolos de comunicação possíveis de serem utilizados, porém os mais comumente aplicados nas usinas hidrelétricas são aqueles desenvolvidos para ambientes industriais como por exemplo DNP3.0, Modbus, Profibus ou IEC 61870-5-104.
3.3.2 Fontes de alimentação
As fontes de alimentação são elementos fundamentais em reguladores de tensão uma vez que toda energia necessária para os circuitos de controle do sistema precisa ser
4 Disponível em: < http://www.advantech.com.br/products/1-2jkjm3/ppc-3150s/mod_d3d5dc48-948c-4cdf-bf73-99bf37c6aac9> Acesso em maio de 2018.
proveniente de fontes confiáveis e estáveis. Apesar de comumente chamados de fontes de alimentação, muitas vezes estes são equipamentos que fazem a conversão de tensão CC para uma tensão mais baixa também em CC. Isso se deve pelo fato das usinas de geração de energia possuírem bancos de baterias que suprem alimentação em CC a todos os sistemas críticos sendo estes bancos dimensionados para manter os equipamentos importantes para segurança operacional em pleno funcionamento em caso de blecaute, ou seja, quando ocorre desligamento total da usina. A Figura 12 ilustra um modelo de conversor amplamente utilizado em sistemas de alimentação de painéis de controle de usinas hidrelétricas.
Figura 12 – Conversor CC/CC da Phoenix Contact modelo QUINT-PS, utilizado em sistemas de excitação de usinas hidrelétricas de grande porte
Fonte: Website da Phoenix Contact5
Dependendo do projeto, um esquema de redundância de alimentação pode ser utilizado nos reguladores de tensão, inclusive com alimentação proveniente do próprio transformador de excitação. Neste caso, além de um transformador abaixador, é utilizada uma fonte de alimentação CA/CC.
3.3.3 Isoladores galvânicos e relés de interface
A interligação dos painéis do regulador e tensão com demais equipamentos de controle da usina é realizada basicamente através dos canais de comunicação por redes
5 Disponível em:
<https://www.phoenixcontact.com/online/portal/br/?uri=pxc-oc-itemdetail:pid=2905010&library=brpt&pcck=P-22-05-01&tab=1&selectedCategory=ALL> Acesso em maio de 2018.
industriais (par trançado, fibra ótica, etc.) ou pelos fios e cabos. Os sinais de controle enviados e recebidos por fios são basicamente sinais do tipo analógicos ou digitais que devem ser devidamente isolados eletricamente de tal forma que um problema elétrico fora do painel do regulador de tensão possa afetar os seus componentes internos. Para esta isolação são comumente utilizados isoladores galvânicos e relés de interface que permitem a transmissão do sinal sem que haja interface elétrica entre dois dispositivos a eles conectados.
Para a isolação de sinais analógicos utilizam-se geralmente os isoladores galvânicos que são comercialmente encontrados em uma grande variedade de modelos para atender às diferentes formas de transmissão de sinais (0 a 10 Volts, 0 a 20 mA, 4 a 20mA, etc.). Estes dispositivos operam internamente com acopladores óticos e uma eletrônica embarcada que permitem o tratamento dos sinais e inclusão de funções adicionais. Alguns modelos permitem ajustes de zero e span enquanto que outros possuem chaves para configuração dos tipos de sinal da entrada e saída. Mais recentemente alguns fabricantes já oferecem modelos que podem ser configurados através de tecnologia sem fio (Bluetooth, Near Field Communication - NFC, etc.) como a mostrada na Figura 13.
Figura 13 – Isolador galvânico da Phoenix Contact modelo MINI MCR-2-U-U-PT com conexão NFC para configuração
Fonte: Website da Phoenix Contact6
Para os reguladores de tensão devem-se optar por isoladores galvânicos com baixos tempo de resposta e baixa atenuação para altas frequências uma vez que as variáveis tratadas são de natureza elétrica.
6 Disponível em: < https://www.phoenixcontact.com/online/portal/br?uri=pxc-oc-itemdetail:pid=2902043&library=brpt&tab=1 > Acesso em maio de 2018.
Na isolação de sinais discretos os dispositivos mais utilizados são os optoacopladores e relés de interface. A escolha depende da aplicação ou do projeto. Os optoacopladores são baseados em transferência do sinal por acoplamento ótico, portanto sem componentes mecânicos que possam desgastar com o tempo e possuem frequências e comutação elevadas (da ordem de quilohertz) como é o caso do optoacoplador da Figura 14.
Figura 14 – Optoacoplador da Murrelektronik modelo MIRO TR 48VDC
Fonte: Website da Phoenix Contact7
Os relés de interface são baseados em fechamento de contatos por energização de bobinas, ou seja, possuem elementos mecânicos com durabilidade limitada, porém permitem ao projeto ter uma flexibilidade maior por permitir conexões normalmente fechada ou aberta em seus terminais de saída, podem operar com valores de corrente maiores e também permitem conexões múltiplas para viabilização das lógicas de automação necessárias ao regulador de tensão. Relés industriais mais utilizados são modulares, ou seja, é possível remover a bobina e outros acessórios (diodo de roda livre, LED, etc.) para manutenção. A Figura 15 ilustra um modelo de relé de interface com estas características.
Figura 15 – Relé modular de interface Finder série 4C de 16A
Fonte: Website da Finder8
7 Disponível em: < https://shop.murrelektronik.com/en/Electronics-in-the-Control-Cabinet/Optocouplers-Semiconductors/MIRO-TR-48VDC-SK-OPTO-COUPLER-MODULE-52501.html > Acesso em maio de 2018.
8 Disponível em: < https://www.findernet.com/pt-br/portugal/products/families/10/series/4C > Acesso em maio de 2018.
3.4 CONTROLES AUXILIARES
Nos primeiros geradores síncronos o controle da tensão era realizado pelo próprio operador que manobrava o reostato de campo da excitatriz de tal modo a obter a tensão desejada nos terminais de saída do gerador (Costa & Silva, 2000). O controle do ponto de operação do gerador era possível somente com a observação da tensão de saída do gerador e ajustes pouco precisos no reostato, sem que houvesse qualquer tipo de proteção contra operação em situações críticas do sistema ou controle sobre variáveis externas ao próprio regulador e gerador.
Com o advento da eletrônica e atualmente com os sistemas digitais, os reguladores automáticos de tensão passaram a agregar funções que permitem uma flexibilidade na operação em sistemas multi-máquinas e segurança operacional, impedindo que limites sejam ultrapassados ou melhorando a estabilidade do sistema elétrico.
3.4.1 Limitadores
Os reguladores automáticos de tensão podem ter diferentes limitadores com a função de proteger o próprio regulador, o sistema de excitação e também o gerador contra níveis de tensão e corrente inadequados (Calsan, 2011). Os limitadores mais comumente existentes são o limitador de sobreexcitação, limitador de subexcitação, limitador de corrente estatórica e limitador de sobrefluxo.
3.4.1.1 Limitador de sobreexcitação
Também conhecido como OEL (do inglês Overexcitation Limiter), este limitador tem o objetivo de atuar diretamente na corrente de campo evitando que o mesmo ultrapasse determinados patamares máximos. Este limitador pode atuar de duas formas distintas, sendo uma função temporizada e outro instantânea.
O limitador de sobreexcitação temporizado atua no sentido de reduzir a corrente de campo do gerador impedindo assim que a energia térmica do enrolamento de campo seja ultrapassado resultando em um envelhecimento mais rápido de sua isolação (Schenatto, 2012). Esta energia térmica limite é relativa aos valores de corrente de excitação entre a máxima corrente de excitação continuamente admissível no rotor (campo) do gerador e a corrente de teto do sistema de excitação (Siemens Ltda, 2016).
Diferentemente do limitador de sobreexcitação temporizado, o limitador de sobreexcitação instantâneo somente impede que a corrente de campo ultrapasse um teto máximo para evitar que as pontes tiristorizadas possam sofrer danos em razão de um rápido aumento da corrente de excitação. Esse rápido aumento pode ocorrer em razão de um afundamento da tensão do sistema devido a um curto-circuito próximo do gerador, por exemplo, na qual o regulador de tensão responde e sobe rapidamente a corrente de excitação buscando cumprir seu papel (Schenatto, 2012).
3.4.1.2 Limitador de subexcitação
O limitador de subexcitação, também conhecido como MEL (do inglês Minimum Excitation Limiter), impede que a excitação do gerador seja reduzida além de um valor mínimo especificado em seu projeto que poderia causar uma perda de sincronismo deste com o sistema elétrico (Schenatto, 2012).
Na prática este limitador faz a correção da potência reativa elevando a tensão terminal do gerador trazendo o ponto de operação do gerador para dentro da fronteira permitida evitando o desligamento da máquina pela atuação da proteção de subexcitação (Siemens Ltda, 2016).
3.4.1.3 Limitador de corrente estatórica
O limitador de corrente estatórica, ou SCL (do inglês Stator Current Limiter), tem o objetivo de proteger os enrolamentos do estator contra elevações de temperatura provocadas pela operação de corrente acima dos especificados em projeto (Schenatto, 2012).
Assim como no OEL, o limitador de corrente estatórica pode operar tanto em sua configuração instantânea ou temporizada.
3.4.1.4 Limitador de sobrefluxo
A razão entre a tensão e a frequência é diretamente proporcional ao fluxo magnético que envolve as partes magnéticas de uma máquina. No entanto, poderá ocorrer a saturação do núcleo dos equipamentos caso essa razão alcance valores superiores aos previstos em projeto. Como consequência, o fluxo magnético passa a enlaçar componentes metálicos externos ao núcleo, promovendo o seu aquecimento por correntes induzidas. Esse fenômeno ocorre tanto
no gerador como em qualquer outro equipamento a ele conectado e constituído de núcleo ferromagnético, principalmente em transformadores (Batista, 2015).
Dentro deste contexto, o limitador de sobrefluxo, também conhecido como limitador Volts/Hertz (V/Hz) desempenha o papel de limitação do fluxo magnético para proteger o gerador, transformador elevador do gerador e o transformador de excitação contra elevações de temperatura acima dos permitidos em seus respectivos núcleos. Esta limitação é possível em razão da Equação 2 abaixo, na qual N é o número de espiras em série do enrolamento de campo, f [Hz] a frequência (proporcional à rotação da máquina), K um fator de projeto do enrolamento, V [V] a tensão terminal do gerador e ϕ [Wb] o fluxo magnético (Schenatto, 2012).
𝑉 = 4,44. 𝐾. 𝑁. 𝑓. ∅ (2) Quando a frequência do gerador diminui a relação V/Hz aumenta. Persistindo a queda no valor da frequência o limitador é sensibilizado e passa a reduzir a tensão terminal do gerador para levar a um patamar que mantenha a relação V/Hz dentro de um valor pré-determinado (Schenatto, 2012).
3.4.2 Estabilizador do sistema de potência
O estabilizador do sistema de potência, conhecido como PSS (do inglês Power System Stabilizer), tem a função de amortecer as oscilações eletromecânicas (baixa frequência) do gerador através do monitoramento da sua potência ativa gerada e frequência (Schenatto, 2012).
Para um controle efetivo das oscilações eletromecânicas do gerador o PSS deve ter a capacidade de compensar o atraso ou avanço e ganho de fase entre o torque mecânico e o torque elétrico do gerador adicionando amortecimento às oscilações do rotor. Este tipo de PSS é impraticável pois para isso seria necessário utilizar derivadores puros, o que introduziria altos ganhos em altas frequências. O que se utiliza na prática são blocos de avanço de fase, filtros passa-baixas (compensador lead-lag), filtro passa-altas (conhecido como blocos washout) e um ganho. Limitadores também são utilizados para evitar interferência excessiva do PSS no controle de tensão. A Figura 16 mostra um diagrama de blocos típico de um PSS com estes principais componentes (Fernandes, 2011).
Figura 16 – Diagrama de blocos típico de um PSS
Fonte: Fernandes (2011, p. 25)
O projeto de um PSS exige conhecimento da estrutura e parâmetros do regulador de tensão, caso contrário o PSS pode adicionar oscilações indesejadas ao sistema (Fernandes, 2011). Além disso, a sintonia (ajuste) do PSS deve ser criteriosa. A melhor forma de avaliar a sua eficiência é através da observação da potência ativa gerada, sendo que quanto menos oscilatória melhor é a sintonia que está sendo aplicada ao PSS (Schenatto, 2012).
3.4.3 Compensação de carga
A compensação de carga ou compensação de corrente reativa é um artifício utilizado quando se quer manter a tensão em um ponto distante da rede em um valor constante. Isso significa que a variável de controle não é mais a tensão de saída do gerador, mas sim a tensão em outro ponto do sistema (Fernandes, 2011).
Na prática a compensação de carga é mais utilizada para compensar a tensão em razão da existência de um transformador elevador na saída do gerador, ou seja, neste caso apesar do regulador automático de tensão realizar medições nos terminais de saída do gerador, a variável de controle será a tensão logo após o transformador elevador (Calsan, 2011).
O compensador de carga resumidamente é um elemento do regulador automático de tensão (AVR) formado por uma resistência (RC) e uma reatância indutiva (XC), ambos
variáveis conforme pode ser visto na Figura 17. Os valores de RC e XC são ajustados de tal
forma a simular a impedância entre o terminal de saída do gerador e o ponto onde se quer controlar a tensão (após um transformador, uma linha de transmissão, etc.) (Fernandes, 2011).
Figura 17 – Compensador de carga
Fonte: Fernandes (2011, p. 23)
3.5 MODOS DE CONTROLE
Reguladores de tensão comercialmente disponíveis no mercado para aplicações em usinas hidrelétricas comumente possuem duas categorias distintas de modos de controle, sendo elas: modo manual e modo automático.
3.5.1 Modo manual
No modo manual o operador do equipamento pode manualmente controlar a tensão terminal do gerador através do controle da corrente ou tensão de campo (Fernandes, 2011). Este é um modo com o propósito principal de execução de testes de comissionamento e manutenção. Sua utilização com o gerador sincronizado no sistema não é recomendada uma vez que alterações no ponto de operação do sistema elétrico não terão resposta automática do regulador de tensão e neste modo de controle os limitadores de proteção não estarão ativos, exceto pelo limitador de sobreexcitação. Porém, na prática o modo manual é configurado para assumir o controle na ocorrência de perda de informação da tensão terminal da máquina, por exemplo, servindo então como backup do modo automático.
3.5.2 Modo Automático
No modo automático o regulador de tensão pode controlar a tensão terminal do gerador através de três diferentes malhas de controle: pela tensão terminal, potência reativa ou fator de potência.
3.5.2.1 Regulador automático de tensão
A estratégia de controle comumente utilizada pela malha conhecida como regulador automático de tensão, ou AVR (do inglês Automatic Voltage Regulator) são controladores do tipo Proporcional Integral Derivativo (PID). A entrada do PID é o erro entre a tensão de referência (solicitada pelo operador da máquina) e a tensão terminal do gerador e a saída controla o ângulo de disparo da ponte tiristorizadas (Voith, 2015). Um esquema simplificado do AVR é mostrado na Figura 18, sendo que os limitadores e outros controladores auxiliares não estão representados.
Figura 18 – Diagrama de blocos simplificado de um regulador automático de tensão
Fonte: Voith (2015, p. 4-31)
O AVR é a malha principal de controle da tensão terminal do gerador estando ela sempre ativa quando o regulador de tensão estiver em modo automático. Isso significa que o controle de potência reativa e controle de fator de potência utilizam o AVR como estrutura subordinada fazendo com que esta altere a tensão terminal do gerador para atingir a potência reativa ou fator de potência desejados (Voith, 2015).
3.5.2.2 Controle da potência reativa
Este modo de controle automático, conhecido também como modo VAr (Volt-Ampére reativo), tem como variável final de controle a potência reativa consumida ou fornecida pelo gerador. A Figura 19 ilustra uma versão simplificada deste modo de controle.
Figura 19 – Diagrama de blocos simplificado do modo de controle VAr
Fonte: Voith (2015, p. 4-32)
3.5.2.3 Controle do fator de potência
De forma semelhante ao modo de controle Var, o modo de controle de fator de potência, conhecido também como modo PF (do inglês Power Factor), tem como variável final de controle o fator de potência da máquina síncrona. A Figura 20 ilustra uma versão simplificada deste modo de controle.
Figura 20 – Diagrama de blocos simplificado do modo de controle PF
4 ATIVIDADES DESENVOLVIDAS
4.1 TREINAMENTO DE REGULADORES DE TENSÃO ANDRITZ HYDRO
No período de 19 a 21 de março de 2018 foi realizado treinamento teórico dos reguladores de tensão de fabricação Andritz Hydro como parte integrante do contrato de modernização dos reguladores de velocidade da Usina Hidrelétrica Machadinho (UHE Machadinho). O referido treinamento foi realizado na UHE Machadinho, localizada em Piratuba-SC, e foi direcionado ao corpo técnico da ENGIE responsável pela operação e manutenção da usina.
O treinamento realizado permitiu conhecer um pouco mais sobre aspectos relacionados à regulação de tensão e sistemas de excitação, além de obter mais detalhes sobre os reguladores de tensão Andritz Hydro que serão do mesmo modelo dos reguladores que também estão sendo modernizados na UHE Itá. Os assuntos abordados foram divididos em basicamente três partes distintas: teoria sobre regulação de tensão, aspectos técnicos do regulador Andritz Hydro e utilização da ferramenta de engenharia Engineering Tool.
4.1.1 Teoria dos reguladores de tensão
Nesta etapa foi apresentado o princípio de funcionamento de sistemas de excitação e regulação de tensão com destaque para os principais componentes: gerador, transformador de excitação, regulador de tensão digital (controladores lógicos programáveis e demais componentes), ponte de tiristores e disjuntor ou contatora de campo.
Um importante tópico apresentado foi a curva de capabilidade do gerador, na qual são traçadas em um plano potência ativa (P) versus potência reativa (Q) os limites de operação da máquina síncrona, incluindo os limites máximos permitidos e determinados no seu projeto na qual o regulador de tensão possui atuação direta, conforme já exposto na seção 3.4.1. Conforme pode ser visto na Figura 21 o gerador pode operar somente na região interna delimitada indicada como “região viável” podendo tanto absorver reativo ou fornecer reativo ao sistema elétrico a ele conectado. Vale ressaltar que o único limite que não está ligado a limitações do gerador ou regulador de tensão mostrado na curva de capabilidade é o limite de potência ativa, que é dado por características intrínsecas da fonte primária, ou seja, da turbina hidráulica no caso de uma usina hidrelétrica.
Figura 21 – Curva de capabilidade de um gerador
Fonte: Andritz Hydro (2018, p. 13)
Outros tópicos apresentados são relativos às principais funções de um regulador de tensão e seu respectivo sistema de excitação, particularidades e características técnicas do regulador de tensão a ser modernizado na UHE Machadinho bem como principais componentes a serem substituídos no escopo da modernização.
4.1.2 Aspectos técnicos do regulador Andritz Hydro
Na etapa de apresentação dos aspectos técnicos do regulador de tensão da Andritz Hydro a ser instalado na UHE Machadinho foram apresentadas características do controlador a ser utilizado e de alguns componentes principais do painel.
O regulador de tensão fornecido utiliza como unidade de processamento principal o controlador lógico programável Hipase de fabricação da própria Andritz Hydro. De forma a atender diferentes tamanhos de projetos, o Hipase pode ser encontrado em dois tamanhos diferentes conforme pode ser visto na Figura 22. O tamanho a ser escolhido irá depender da quantidade de entradas e saídas, tanto digitais como analógicas, necessárias para atender os requisitos do projeto. Tanto para a UHE Machadinho como para a UHE Itá serão instalados o Hipase na sua plataforma maior sem a Interface Homem-Máquina (IHM) integrada.
Figura 22 – Controladores Hipase da Andritz Hydro em duas versões (tamanhos) diferentes com Interface Homem-Máquina integrada: médio e grande
Fonte: Andritz Hydro (2018, p. 24)
4.1.2.1 Hardware
O controlador Hipase possui arquitetura modular na qual o hardware é adaptado e configurado através da instalação dos cartões necessários para o projeto que está sendo desenvolvido. Para um regulador de tensão típico, no mínimo são necessários seguintes cartões instalados no Hipase:
Unidade de Processamento principal (CP-300)
Placa de medição de Transformadores de Corrente e Transformadores de Tensão (TR-310)
Fonte de alimentação e entradas/saídas (PS500 + DX010)
Placa de aplicação específica para sistemas de excitação (AB-310)
Na Figura 23 são apresentadas cada um dos cartões descritas acima. Todas elas são instaladas no Hipase através de bastidores específicos existentes na estrutura do controlador.
Figura 23 – Cartões de funções utilizados em reguladores de tensão com controladores Hipase
O cartão CP-300 incorpora o processador do controlador onde são programadas as lógicas de controle e automatismos do regulador de tensão. Além disso, toda parte de conexão com redes de comunicação está aqui disponibilizada (Andritz Hydro, 2018).
As medições de corrente e tensão provenientes dos Transformadores de Tensão (TP) e Transformadores de Corrente (TC) do gerador são processadas pelo cartão TR-310 que possui doze entradas para medição de corrente mais oito entradas para medição de tensão (Andritz Hydro, 2018).
Toda alimentação elétrica do controlador é viabilizada pelo cartão PS500 que é conjugado com o cartão DX-010 na qual estão dispostas as entradas e saídas do controlador Hipase. As interfaces de entrada e saída do controlador podem ser expandidas com a adição de mais cartões DX-010 limitado a até 64 entradas e 64 saídas (Andritz Hydro, 2018).
O cartão AB-310 agrega as principais funcionalidades específicas para o funcionamento de um regulador de tensão, sendo elas: geração dos pulsos de disparo dos tiristores, realimentação da tensão de campo, realimentação da tensão de sincronismo, realimentação da corrente de campo e interfaces digitais para bloqueio das pontes de tiristores (Andritz Hydro, 2018).
Além dos CLP, podemos destacar como importante componente do sistema de excitação a placa de disparo das pontes tiristorizadas. Assim como mostrado na seção 3.2.2, este regulador apresenta uma solução específica do fabricante, neste caso com a utilização do cartão modelo LG6CDC mostrado na Figura 24.
Figura 24 – Cartão de disparo LG6CDC do regulador Hipase (Andritz Hydro)
4.1.2.2 Software
A arquitetura do software embarcado no controlador Hipase é baseado em diferentes camadas, conforme pode ser visto na Figura 25.
Figura 25 – Arquitetura de software do Hipase (4 camadas)
Fonte: Andritz Hydro (2018, p. 53)
A camada superior é de aplicação na qual rodam as principais funcionalidades de alto nível com interação com usuário. Depois temos a camada básica de software do tipo RTOS (Real Time Operating System) que nada mais é do que o sistema operacional do sistema, mas que permite simulações em tempo real. A seguir temos a camada de abstração de hardware (do inglês Hardware Abstraction Layer) e por último estão os códigos driver do hardware do controlador Hipase (Andritz Hydro, 2018).
4.1.3 Ferramenta Engineering Tool
Nos atuais sistemas de controle é comum que existam ferramentas de software que permitam o acesso às lógicas internas do controlador lógico programável e que também possibilitam realizar outras tarefas que facilitam a manutenção. Neste regulador de tensão utiliza-se a ferramenta conhecida como Engineering Tool que permite realizar uma série de funções, a saber:
Configurar hardware do controlador;
Configurar parâmetros da comunicação de dados de rede;
Editar as telas da interface homem-máquina;
Visualizar gráfico de tendências e curvas;
Configurar e registrar eventos e oscilografias;
Acessar a lista de eventos e alarmes;
Gerenciar usuários e permissões de acesso;
Realizar backup e importação dos dados do projeto;
Realizar atualizações do sistema.
A ferramenta Engineering Tool apresenta uma interface gráfica rodando em Microsoft Windows desenvolvida para acesso à plataforma Hipase. Uma amostra da tela inicial da ferramenta pode ser vista na Figura 26.
Figura 26 – Ferramenta de acesso ao controlador Engineering Tool
Fonte: Andritz Hydro (2018, p. 57)
Por agregar todas as funções descritas anteriormente, este é o software utilizado desde a concepção do projeto em si (lógicas, configurações de hardware e software, configurações de comunicação de rede, etc.), passando pelas etapas de testes em fábrica e comissionamento e permanecendo como principal ferramenta a ser utilizado pelas equipes de manutenção após a instalação do regulador de tensão na usina. O acesso ao CLP se dá através de interface de rede conectando o computador na qual está instalado o Engineering Tool diretamente a uma das portas de conexão Ethernet do controlador Hipase.
Durante o treinamento foi possível utilizar a ferramenta acessando as suas principais funcionalidades e executando tarefas importantes para a rotina de manutenção como edição de telas, inclusão de lógicas internas, edição de elementos gráficos da IHM, backup e carregamento de nova versão de lógicas no controlador.
4.2 DESCOMISSIONAMENTO DO SISTEMA DE EXCITAÇÃO DA UHE ITÁ
A realização de ensaios de descomissionamento de um determinado sistema é uma prática bastante utilizada para coletar dados a serem utilizados como referência e comparação de desempenho entre um sistema a ser substituído e um novo sistema. A bateria de testes é realizada antes da parada efetiva da unidade geradora que dará início à modernização em si e os dados obtidos são registrados em planilhas e arquivos de oscilografia obtidos por equipamentos específicos para este fim.
Para o caso da modernização da UHE Itá, os ensaios de descomissionamento foram aplicados tanto para o regulador de tensão como para o regulador de velocidade da Unidade Geradora 4, no período entre 17 e 18 de março de 2018.
Figura 27 – Painel do regulador de tensão (ao centro) e instrumentação básica utilizada (dispostos sobre a mesa).
Os testes realizados estão detalhados a seguir e foram realizados nos três principais subsistemas: regulador de tensão (parte de controle), sistema de excitação (pontes tiristorizadas, sistema de ventilação, disjuntor de campo, etc.) e transformador de excitação.
4.2.1 Balanceamento de corrente entre pontes
Esta verificação tem como objetivo verificar a atual condição de condução das pontes tiristorizadas. Na UHE Itá são três pontes tiristorizadas e é esperado que a condução de corrente ocorra de forma equilibrada, ou seja, cada ponte deve conduzir uma parcela igual de corrente. Na prática, pode haver diferenças na condução de cada ponte que na maioria das vezes depende dos aspectos construtivos e da existência ou não de circuitos de controle dinâmico do disparo de cada ponte. Diferenças em torno de 10% são tipicamente aceitáveis.
No escopo da modernização prevista, as pontes tiristorizadas não fazem parte do escopo de fornecimento, portanto os dados coletados serão utilizados como referência comparativa para o novo regulador de tensão a ser instalado. As medições de condução de corrente são realizadas em duas etapas distintas: a primeira com as três pontes em operação normal e a segunda compreende a medição de corrente de duas pontes com uma das pontes em falha, ou seja, sem condução. Na segunda etapa são postas as três situações possíveis e as medições de corrente são realizadas (falha na ponte A, falha na ponte B e falha na ponte C) e devidamente registradas em uma planilha.
4.2.2 Verificação do funcionamento dos ventiladores
Conforme já exposto em 3.2.1 o sistema de ventilação é um componente crítico do sistema de excitação pois ele garante a troca de calor dos dissipadores com o ar ambiente, evitando um indesejável sobreaquecimento dos tiristores. No descomissionamento o teste realizado nos ventiladores tem o objetivo de verificar a eficácia dos mesmos através da medida indireta da temperatura das pontes tiristorizadas. No escopo da modernização o sistema de ventilação não faz parte do escopo de fornecimento, portanto todo sistema atual será mantido.
Nos sistemas de excitação da UHE Itá cada ponte conta com grupos de ventiladores redundantes, ou seja, na falha de um dos grupos os ventiladores que estão em espera assumem a ventilação da ponte. Dessa forma aumenta-se a disponibilidade do sistema de excitação uma vez que as pontes não podem operar sem um sistema de ventilação operante.
Como a medição da eficácia dos ventiladores é realizada de forma indireta pela temperatura, os ensaios consistiram na leitura das temperaturas das pontes com um grupo de ventiladores ativo. Após a leitura, foi realizada comutação do grupo de ventiladores e nova leitura foi realizada após a estabilidade térmica ter sido atingida nesta nova condição (tempo de espera de aproximadamente uma hora).
4.2.3 Verificação do Transformador de Excitação
O transformador elevador, Figura 28, é um componente que também não faz parte do escopo de fornecimento, porém de forma semelhante com demais equipamentos o objetivo dos ensaios é atestar sua atual condição de operação.
Figura 28 – Transformador de excitação (banco trifásico)
Fonte: Do autor (2018).
Para as medições, um ponto de operação da máquina é estabelecido sendo necessária que a potência reativa não seja nula. Com a unidade geradora operando na condição desejada, foram realizadas medições das seguintes grandezas: corrente e temperatura de cada fase do transformador. Além disso, foi verificada a ausência de ruídos anormais nas condições de teste.
4.2.4 Resposta ao Degrau
Ensaio de resposta a aplicação de sinal degrau é a forma mais comum utilizada em sistemas de controle de usinas hidrelétricas para atestar o desempenho das suas malhas realimentadas. Basicamente aplica-se um sinal de degrau na referência e observa-se a resposta verificando alguns requisitos de qualidade tais como: sobrepasso ou overshoot, tempo de estabilização, erro de regulação e constante de tempo.
Nos atuais reguladores de tensão da UHE Itá, a aplicação dos degraus se dá através de botoeiras instaladas em entradas digitais pré-configuradas para esta função, conforme Figura 29. O percentual de degrau a ser aplicado na referência é ajustado via software através de um computador portátil utilizado pela equipe de manutenção.
Figura 29 – Botoeira para aplicação do degrau (esquerda) e computador utilizado para manutenção do sistema.
Fonte: Do autor (2018).
No descomissionamento foram aplicados 4 degraus no regulador de tensão para atestar o desempenho nas diferentes condições e malhas de controle:
Regulador de tensão em modo automático (AVR) com PSS desativado
Regulador de tensão em modo automático (AVR) com PSS ativado
Regulador de tensão em controle manual (FCR)
Em todos os modos citados acima o degrau de aplicado foi de 3% da variável controlada (tensão ou potência reativa) registrando os principais sinais: tensão e corrente terminal do gerador, tensão e corrente de campo, potências ativa e reativa.
4.2.5 Partida e Parada da Unidade Geradora
O registro de um desligamento da unidade geradora comandado pelo operador tem o principal objetivo verificar o comportamento do regulador de tensão na desexcitação e principalmente avaliar qual o tempo necessário para que o sistema atual realize todo processo. A mesma verificação é realizada na partida da unidade geradora para avaliar o desempenho do regulador nos processos de pré-excitação e excitação do gerador.
4.2.6 Sincronização da Unidade Geradora ao Sistema Elétrico
Momentos antes da sincronização a unidade geradora permanece rodando com a excitação ligada, porém o gerador, apesar de já apresentar tensão em seus terminais, não está ainda conectado ao sistema elétrico permanecendo na condição conhecida como “rodando a vazio excitada”. Após passar por um processo de compatibilização da tensão terminal e frequência do gerador com a tensão e frequência do sistema elétrico a qual o gerador será sincronizado, o disjuntor de interligação da unidade geradora é fechado consolidando assim o processo conhecido como sincronismo ou sincronização. Esta etapa é melhor descrita em 4.3.3.1.
Logo após a interligação do gerador ao sistema elétrico, o regulador de tensão eleva a tensão terminal do gerador ao seu valor nominal através de uma rampa pré-ajustada sendo este comportamento registrado nesta etapa do descomissionamento.
4.2.7 Rejeições de carga
A condição conhecida como rejeição de carga em usinas hidrelétricas se refere à desconexão do gerador do sistema à qual ele está interligado (ex.: abertura do disjuntor principal da unidade geradora) quando ainda há algum fluxo de potência ativa (e eventualmente potência reativa). A consequência disto é a elevação da velocidade do conjunto turbina-gerador, sendo que a velocidade máxima atingida vai depender da quantidade de carga que estava sendo entregue pelo gerador ao sistema elétrico no momento da desconexão.
Com a rejeição de carga, o regulador de tensão precisa controlar a tensão terminal do gerador trazendo-o para o seu valor nominal logo após a abertura do disjuntor principal da unidade geradora. No descomissionamento, foram realizadas rejeições de carga em quatro diferentes patamares de potência ativa, sendo eles: 25%, 50%, 75% e 100% de carga.
4.3 COMISSIONAMENTO DO NOVO SISTEMA DE EXCITAÇÃO
Em qualquer sistema novo, reformado ou modernizado a ser instalado ou posto em operação em uma usina hidrelétrica executa-se o que são conhecidos como ensaios de comissionamento ou simplesmente comissionamento. O comissionamento nada mais é do que um conjunto de ensaios, verificações e testes executados com o objetivo de atestar todos os aspectos técnicos especificados pelo cliente comprovando que as características e índices de aceitação previstos nas especificações técnicas de aquisição, normas e regulamentos estejam sendo cumpridos conforme contrato firmado entre as partes. Todos os resultados dos testes e verificações são registrados para comprovação em um documento único que também é o roteiro que deve ser seguido ao longo do comissionamento. Este documento, para UHE Itá, é denominado Plano de Inspeção e Testes de Comissionamento (ITC).
Para qualquer sistema são previstos ensaios básicos realizados pelos fabricantes, porém testes adicionais requisitados pelos clientes ou exigidos por norma ou legislação são comumente realizados. Para os novos reguladores de tensão da UHE Itá foram previstos diversos testes divididos em diferentes etapas do processo de modernização, sendo elas: pré-comissionamento, comissionamento com unidade geradora desconectada do sistema elétrico, comissionamento com a unidade geradora sincronizada no sistema elétrico.
Na UHE Itá, os ensaios de comissionamento do regulador com a unidade geradora rodando foram realizados no período entre 24 de abril a 1 de maio de 2018. Os ensaios de pré-comissionamento foram realizados antes deste período com a unidade geradora ainda parada sendo esta etapa uma pré-condição para que o comissionamento seja iniciado.
4.3.1 Pré-comissionamento
Nesta fase foram realizadas verificações iniciais de todo sistema incluindo o novo painel do regulador de tensão e componentes do sistema de excitação que também foram substituídos ou itens críticos que devem ser avaliados antes do início dos ensaios com sistema energizado.
