ESCOLA DE ENGENHARIA ELÉTRICA, MECÂNICA E DE COMPUTAÇÃO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE
COMPUTAÇÃO
José Mário Menescal de Oliveira
Efeitos da Operação do Gerador de Indução no Comportamento
do Gerador Síncrono Operando em um Sistema Isolado
Alimentando Cargas não Lineares
Goiânia
2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS
ESCOLA DE ENGENHARIA ELÉTRICA, MECÂNICA E DE COMPUTAÇÃO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE
COMPUTAÇÃO
José Mário Menescal de Oliveira
Efeitos da Operação do Gerador de Indução no Comportamento
do Gerador Síncrono Operando em um Sistema Isolado
Alimentando Cargas não Lineares
Tese defendida no Programa de Pós-Graduação da Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação da Universidade Federal de Goiás, como requisito para obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica e de Computação.
Área de concentração: Engenharia Elétrica Orientador: Prof. Dr. Antônio César Baleeiro
Alves
Goiânia
2018
Tomado por um forte sentimento de gratidão, quero especialmente dedicar essa Tese à minha querida esposa Eliana pelo combustível do incentivo, do estímulo que tanto me ajudaram a manter acesa a chama do esforço na obtenção desta conquista, bem como dedicar aos meus filhos, genros, nora e netos, que tanto me apoiaram, encorajaram e motivaram para nunca perder a esperança da realização de um sonho doando o que há de melhor de cada um deles: atenção, carinho e amor, para que hoje através dos laços da família unida, compartilhemos dessa imensa alegria concretizada.
AGRADECIMENTOS
Agradeço de todo o coração a Deus infinitamente misericordioso, a me estender a mão providencial do auxílio, amparo, intuição e iluminação de ideias no trabalho.
Ao Profº. Dr. Antônio César Baleeiro Alves, meu orientador, pela aceitação, confiança, dedicação, competência e orientação.
Ao Coordenador do Curso de Pós-Graduação da UFG - EMC, Profº. Dr. Rodrigo, pelo apoio e orientação sobre o programa.
Aos engenheiros doutorandos Wagner Eduardo Vanço e Fernando Bento Silva, pela amizade, motivação e ajuda nas discussões técnicas e científicas.
Aos Professores do Programa de Pós-Graduação da UFG – EMC, pelos cursos ministrados. Ao Engº. Marcus Edson, pela amizade e trabalhos realizados no curso de pós-graduação. À minha família, parentes e amigos que direta ou indiretamente contribuíram nesta realização. Feliz, pela conclusão deste trabalho realizado, pelo dever cumprido, tiro dele a água mais pura da alegria que mata minha sede e robustece cada vez mais o meu desejo de crescimento e a vontade de prosseguir.
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RESUMO
Este trabalho mostra os efeitos da poluição harmônica em um gerador síncrono de polos salientes e um gerador de indução operando em paralelo em um sistema isolado suprindo carga não linear. Sabe-se que os geradores síncronos de polos salientes podem operar com os geradores de indução, sendo o sistema de excitação do gerador síncrono responsável pelo controle de tensão do sistema ilhado. Com o aumento das cargas não lineares nas indústrias, comércios e residências, a geração de harmônicos teve um crescimento acentuado nos sistemas elétricos de baixa, média e de alta tensão. Desse modo, torna-se essencial a análise das perturbações que cargas não lineares causam nos geradores, na arquitetura proposta e estudada. As principais contribuições deste trabalho consistem em identificar e quantificar as oscilações que a carga não linear utilizada provoca nas variáveis elétricas dos geradores síncronos e dos geradores de indução, tal como, o conjugado eletromagnético que apresenta oscilações de sexto harmônico devido as correntes distorcidas. Para o gerador síncrono, são apresentadas também as análises das oscilações das tensões e das correntes no modelo dq0; as correntes induzidas nos enrolamentos amortecedores; as perturbações no ângulo de carga e na corrente de campo. Quanto ao gerador de indução, também é analisada as oscilações das tensões e correntes do modelo dq0 na frequência de escorregamento. Todas as perturbações identificadas e quantificadas, são oscilações nas variáveis elétricas, cujas naturezas pulsantes são de frequências 6
, 12
e 18
para o gerador síncrono, e para o gerador de indução, essas frequências são resultantes da interação de componentes de sequência positiva e negativa. Acrescenta-se um comparativo das distorções harmônicas e das oscilações resultantes no gerador síncrono operando isoladamente, com a operação em paralelo com o gerador de indução, ressaltando-se que, neste aspecto particular, reside um dos principais focos desta tese e se encontra a maior contribuição deste trabalho. Ou seja, o estudo dos efeitos da operação do gerador de indução no comportamento do gerador síncrono operando em um sistema isolado alimentando carga não linear.Palavras chaves: Carga harmônica, carga não linear, efeitos harmônicos, gerador síncrono,
ii
ABSTRACT
This paper demonstrates the effects of harmonic pollution in a salient pole synchronous generator and an induction generator operating in parallel on an isolated system, supplying a non-linear load. It is understood that salient pole synchronous generators are able to operate with induction generators, where the synchronous generator excitation system is responsible for controlling the voltage in islanded systems. Due to the increases in industrial, commercial and residential non-linear loads, harmonic generation has seen a sharp increase in electrical systems of low, medium and high voltage. In this sense, urgency is placed upon the analysis of the disturbances that these non-linear loads cause in generators, under the proposed architectural framework.
The main contributions of this research-study consist of identifying and quantifying the oscillations that non-linear load cause on the electric variables of synchronous and induction generators, such as, the electromagnetic conjugate that presents oscillations of sixth harmonic due to the distorted currents. In line with the synchronous generator, there are also presented analyses for oscillations in voltages and currents on the dq0 model; the induced currents on the damping windings; and the disturbances on the load angle and field current. In terms of the induction generator, the voltage and current oscillations are analyzed from the dq0 model in the slip frequency. All the identified and quantified disturbances are oscillations on the electric variables, which possess a pulsating frequencies of 6
, 12
and 18
for the synchronous generator, and for the induction generator, these frequencies are the result of the interaction between components of positive and negative sequence. A comparison is added of the resulting harmonic distortions and oscillations on the synchronous generator operating in isolation, and parallel operation with the induction generator. This indicates the alterations on the electric variables between these two configurations, emphasizing that in this particular aspect lies one of the main focuses of this thesis and is the major contribution of this work. Or be it, the study of the effects of induction generator operation on the behavior of the synchronous generator operating on an isolated system, supplying non-linear load.Keywords: Harmonic load, non-linear load, harmonic effects, synchronous generator,
CAPÍTULO I
Introdução ... 1 1.1 – Apresentação do tema ... 1 1.3 – Motivação ... 10 1.4 – Objetivos ... 11 1.5 – Organização do texto ... 12CAPÍTULO II
Fundamentos, Análise e Modelagem de Máquinas Síncronas e Máquinas de Indução .. 142.1 – Máquinas síncronas ... 14
2.1.1 – Modelagem matemática ... 16
2.1.2 – Determinação experimental dos parâmetros elétricos de geradores síncronos .... 42
2.2 – Máquinas de indução ... 50
2.2.1 – Modelagem matemática ... 52
2.2.2 – Representação do circuito equivalente da máquina de indução operando em regime permanente... 68
2.2.3 – Determinação experimental dos parâmetros elétricos de motores de indução ... 71
CAPÍTULO III
Harmônicos – Definições e Efeitos sobre as Máquinas Elétricas ... 78
3.1 – Distorções harmônicas em sistemas elétricos ... 78
3.1.1 – Valor eficaz de tensão e corrente ... 79
3.1.2 – Distorção harmônica total ... 80
3.2 – Distorções harmônicas em máquinas síncronas ... 81
3.2.1 – Oscilação de torque eletromagnético ... 81
3.3 – Distorções harmônicas em máquinas de indução ... 86
3.4 – Considerações finais ... 89
CAPÍTULO IV
Determinação Experimental dos Parâmetros Elétricos do Gerador Síncrono e do Gerador de Indução ... 914.1 – Ensaios experimentais realizados no gerador síncrono ... 91
4.1.1 – Ensaio para determinação da característica de circuito aberto e de curto-circuito ... 92
4.1.2 – Ensaio de baixo escorregamento ... 94
4.1.3 – Ensaio para a determinação experimental da reatância de Potier e dispersão ... 96
4.1.4 – Ensaio de curto-circuito brusco ... 98
4.2 – Ensaios experimentais realizados na máquina de indução utilizado como gerador de indução ... 101
CAPÍTULO V
Análise dos Resultados Experimentais e Computacionais ... 105
5.1 – Ensaios experimentais: metodologia ... 106
5.2 – Simulações computacionais: metodologia... 111
5.3 – Gerador síncrono operando em paralelo com o gerador de indução suprindo uma carga trifásica não linear ... 115
5.3.1 – Comparativo teórico-experimental ... 116
5.3.2 – Analise dos resultados e das perturbações/oscilações ... 137
5.4 – Gerador síncrono suprindo uma carga não linear ... 156
5.4.1 – Comparativo teórico-experimental ... 157
5.4.2 – Analise dos resultados e das perturbações ... 162
5.5 – Comparativo das oscilações... 172
5.6 – Considerações finais ... 174
CAPÍTULO VI
Conclusões e Sugestões ... 1766.1 – Conclusões ... 176
6.2 – Sugestões para trabalhos futuros ... 178
REFERÊNCIAS
Referências Bibliográficas ... 179APÊNDICE A
Dimensionamento de Bancos de Capacitores ... 187
A.1 – Gerador de indução trifásico auto-excitado ... 187
A.2 – Princípios do gerador de indução trifásico auto-excitado... 188
A.3 – Dimensionamento do banco de capacitores ... 191
CAPÍTULO II
Figura 2.1 – Fotografia de um rotor de polos lisos de um turbogerador. ... 15
Figura 2.2 – Fotografia de um rotor de polos salientes de um hidrogerador. ... 15
Figura 2.3 – Esquema representativo de eixos magnéticos e dos enrolamentos da máquina síncrona de polos salientes ligados em estrela... 17
Figura 2.4 – Circuito equivalente no sistema dq0 de uma máquina síncrona trifásica, com a referência no rotor. ... 28
Figura 2.5 – Esquema representativo de eixos magnéticos e dos enrolamentos de um gerador síncrono de polos salientes ligado em estrela. ... 33
Figura 2.6 – Circuito equivalente no sistema dq0 de um gerador síncrono trifásico, com a referência no rotor. ... 34
Figura 2.7 – Característica de circuito aberto e de curto-circuito. ... 43
Figura 2.8 – Ensaio de baixo escorregamento. ... 45
Figura 2.9 – Obtenção experimental da curva ΩV. ... 47
Figura 2.10 – Ensaio de curto-circuito brusco. ... 49
Figura 2.11 – Fotografia de um rotor bobinado de um motor de indução de grande porte. ... 51
Figura 2.12 – Fotografia de um rotor em gaiola de esquilo de um motor de indução de grande porte. ... 51
Figura 2.13 – Esquema representativo de eixos magnéticos do estator e rotor de uma máquina de indução trifásica ligada em estrela. ... 53
Figura 2.14 – Relação trigonométrica do circuito do rotor para eixo dq... 60
Figura 2. 15 – Circuito equivalente de transformação no rotor para máquina de indução trifásica ... 64
Figura 2.17 – Vários tipos de rotores para motores de indução tipo gaiola, de acordo com a classificação da NEMA; (a) Classe A; (b) Classe B; (c) Classe C; (d) Classe D; (e) Classe F. ... 75 Figura 2.18 – Curvas típicas de conjugado por velocidade para motores de indução gaiola ... 75 Figura 2.19 – Curvas conjugado em função da velocidade, das diferentes categorias... 77
CAPÍTULO III
Figura 3.1 – Componentes de força magnetomotriz... 85 Figura 3.2 – Representação gráfica do fasor da superposição de torque devido às componentes harmônicas. ... 87
CAPÍTULO IV
Figura 4.1 – Esquema de ligação do estator do gerador síncrono. ... 92 Figura 4.2 – Curva de circuito aberto, reta de curto-circuito e linha de entreferro. ... 93 Figura 4.3 – Formas de onda obtidas por meio de osciloscópio para o ensaio de baixo escorregamento. ... 94 Figura 4.4 – Formas de onda obtidas com o emprego do computador a partir dos dados de arquivo gerado pelo osciloscópio. ... 95 Figura 4.5 – Formas de onda de corrente e tensão utilizadas no ensaio de baixo escorregamento; (a) valor mínimo de tensão para o máximo de corrente; (b) valor máximo de tensão para o mínimo de corrente. ... 95 Figura 4.6 – Determinação do triângulo de Potier e curva ΩV. ... 97 Figura 4.7 – Ensaio de curto-circuito brusco, resultado apresentado na tela do osciloscópio . 98 Figura 4.8 – Forma de onda de corrente registradas para o ensaio de curto-circuito brusco. . 99 Figura 4.9 – Curva do curto-circuito brusco em escala logarítmica ... 100
CAPÍTULO V
Figura 5.1 – Diagrama representativo da bancada de testes para os geradores síncrono e de
indução alimentando uma carga trifásica não linear. ... 106
Figura 5.2 – Esquema básico dos principais componentes do controle de excitação do gerador síncrono. ... 107
Figura 5.3 – Diagrama de blocos do sistema de controle de excitação. ... 107
Figura 5.4 – Ligação com excitação independente... 108
Figura 5.5 – Gerador de indução conectado em um capacitor trifásico. ... 109
Figura 5.6 – Fotografia da bancada para o primeiro teste experimental. ... 110
Figura 5.7 – Fotografia da bancada para o segundo teste experimental. ... 111
Figura 5.8 – Arquitetura da modelagem computacional do gerador síncrono operando com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 114
Figura 5.9 – Arquitetura da modelagem computacional do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 115
Figura 5.10 – Diagrama representativo expandido para o primeiro teste experimental. ... 116
Figura 5.11 – Formas de onda da tensão no PAC e corrente de linha no gerador síncrono. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 117
Figura 5.12 – Formas de onda da tensão no PAC e corrente de linha no gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. . 117
Figura 5.13 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da tensão no PAC. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 118
Figura 5.14 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da tensão no PAC. Simulação do gerador síncrono operando com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 118
Figura 5.15 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de linha no gerador síncrono. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 119
Figura 5.16 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de linha no gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 119 Figura 5.17 – Formas de onda da tensão no PAC e corrente de linha no gerador de indução. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 122 Figura 5.18 – Formas de onda da tensão no PAC e corrente de linha no gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. . 122 Figura 5.19 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de linha no gerador de indução. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 123 Figura 5.20 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de linha no gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 123 Figura 5.21 – Formas de onda da tensão no PAC e corrente de linha na carga não linear. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 125 Figura 5.22 – Formas de onda da tensão no PAC e corrente de linha na carga não lienar. Simulação do gerador síncrono operando com gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 125 Figura 5.23 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de linha gerada na carga não linear. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 126 Figura 5.24 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de linha na carga não linear. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 126 Figura 5.25 – Forma de onda da corrente de linha no gerador de indução (antes do banco de capacitores). Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 128 Figura 5.26 – Forma de onda da corrente de linha no gerador de indução (antes do banco de capacitores). Simulação do gerador síncrono operando com gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 128
Figura 5.27 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de linha no gerador de indução (antes do banco de capacitores). Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 129 Figura 5.28 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de linha no gerador de indução (antes do banco de capacitores). Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 129 Figura 5.29 – Forma de onda da corrente de linha no banco de capacitores. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 131 Figura 5.30 – Forma de onda da corrente de linha no banco de capacitores. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 131 Figura 5.31 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de linha no banco de capacitores. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 132 Figura 5.32 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de linha no banco de capacitores. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 132 Figura 5.33 – Velocidade do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 134 Figura 5.34 – Velocidade do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 134 Figura 5.35 – Oscilação do torque eletromagnético do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 137 Figura 5.36 – Espectro das amplitudes harmônicas do torque eletromagnético do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 138 Figura 5.37 – Oscilação do ângulo de carga do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 138 Figura 5.38 – Espectro das amplitudes harmônicas do ângulo de carga do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. . 139 Figura 5.39 – Oscilação da tensão do estator de eixo em quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. . 139
Figura 5.40 – Espectro das amplitudes harmônicas da tensão de eixo em quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 140 Figura 5.41 – Oscilação da tensão do estator de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 140 Figura 5.42 – Espectro das amplitudes harmônicas da tensão de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. . 141 Figura 5.43 – Oscilação da corrente do estator de eixo em quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. . 141 Figura 5.44 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente de eixo quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 142 Figura 5.45 – Oscilação da corrente do estator de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 142 Figura 5.46 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 143 Figura 5.47 – Oscilação da corrente do enrolamento de campo do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 143 Figura 5.48 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente de campo do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. . 144 Figura 5.49– Corrente induzida no enrolamento amortecedor de eixo em quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 144 Figura 5.50 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente induzida no enrolamento amortecedor de eixo em quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 145 Figura 5.51 – Corrente induzida no enrolamento amortecedor de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 145 Figura 5.52 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente induzida no enrolamento amortecedor de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 146
Figura 5.53 – Oscilação do torque eletromagnético do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 147 Figura 5.54 – Espectro das amplitudes harmônicas do torque eletromagnético do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 147 Figura 5.55 – Oscilação da tensão do estator de eixo em quadratura do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. . 149 Figura 5.56 – Espectro das amplitudes harmônicas da tensão do estator de eixo em quadratura do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 149 Figura 5.57 – Oscilação da tensão do estator de eixo direto do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 150 Figura 5.58 – Espectro das amplitudes harmônicas da tensão do estator de eixo direto do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 150 Figura 5.59 – Oscilação da corrente do estator de eixo em quadratura do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. . 151 Figura 5.60 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente do estator de eixo em quadratura do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 151 Figura 5.61 – Oscilação da corrente do estator de eixo direto do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 152 Figura 5.62 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente do estator de eixo direto do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 152 Figura 5.63 – Oscilação da corrente do rotor de eixo em quadratura do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. . 153 Figura 5.64 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente do rotor de eixo em quadratura do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 153 Figura 5.65 – Oscilação da corrente do rotor de eixo direto do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 154
Figura 5.66 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente do rotor de eixo direto do gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 154 Figura 5.67 – Diagrama representativo expandido para o segundo teste experimental. ... 156 Figura 5.68 – Formas de onda da tensão e corrente de fase no gerador síncrono. Teste experimental do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 157 Figura 5.69 – Formas de onda da tensão e corrente de fase no gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 158 Figura 5.70 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da tensão de fase no gerador síncrono. Teste experimental do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. . 158 Figura 5.71 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da tensão de fase no gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 159 Figura 5.72 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de fase no gerador síncrono. Teste experimental do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. . 159 Figura 5.73 – Espectro das amplitudes harmônicas da forma de onda da corrente de fase no gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 160 Figura 5.74 – Oscilação do torque eletromagnético do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 163 Figura 5.75 – Espectro das amplitudes harmônicas do torque eletromagnético do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 163 Figura 5.76 – Oscilação do ângulo de carga do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono alimentando uma carga não linear. ... 164 Figura 5.77 – Espectro das amplitudes harmônicas do ângulo de carga do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 164 Figura 5.78 – Oscilação da tensão do estator de eixo em quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 165 Figura 5.79 – Espectro das amplitudes harmônicas da tensão de eixo em quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 165 Figura 5.80 – Oscilação da tensão do estator de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 166 Figura 5.81 – Espectro das amplitudes harmônicas da tensão de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 166
Figura 5.82 – Oscilação da corrente do estator de eixo em quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 167 Figura 5.83 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente de eixo quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 167 Figura 5.84 – Oscilação da corrente do estator de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 168 Figura 5.85 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 168 Figura 5.86 – Oscilação da corrente do enrolamento de campo do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 169 Figura 5.87 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente de campo do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 169 Figura 5.88 – Corrente induzida no enrolamento amortecedor de eixo em quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 170 Figura 5.89 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente induzida no enrolamento amortecedor de eixo em quadratura do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 170 Figura 5.90 – Corrente induzida no enrolamento amortecedor de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 171 Figura 5.91 – Espectro das amplitudes harmônicas da corrente induzida no enrolamento amortecedor de eixo direto do gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 171
APÊNDICE A
Figura A.1 – Ligação do banco de capacitores na máquina assíncrona. ... 188 Figura A.2 – Processo de auto excitação nos geradores de indução de gaiola de esquilo. .... 189 Figura A.3 – Circuito equivalente simplificado do gerador de indução auto-excitado. ... 189 Figura A.4 – Circuito equivalente monofásico do gerador de indução auto-excitado. ... 190
Figura A.5 – Diagrama fasorial da tensão induzida. (a) Ação motora; (b) Ação geradora. ... 190 Figura A.6 – Relação entre o sen()do gerador e do motor. ... 192
CAPÍTULO II
Tabela 2.1 – Relação entre (
X
1) e (X
2) em função da classe (IEEE STD 112-2004, 2004). . 76 Tabela 2.2 – Relação entre (X
1) e (X
2) em função da categoria (ABNT NBR 5383-1:2002, 2002). ... 76CAPÍTULO IV
Tabela 4.1 – Resultados encontrados para o ensaio de determinação da característica de circuito aberto e curto-circuito. ... 92 Tabela 4.2 – Valores medidos no gerador síncrono para o ensaio de determinação experimental da reatância de Potier e dispersão. ... 96 Tabela 4.3 – Valores dos parâmetros elétricos do gerador síncrono obtidos através dos ensaios. ... 100 Tabela 4.4 – Dados de placa do motor de indução ensaiado. ... 101 Tabela 4.5 – Medidas do ensaio a vazio e de rotor bloqueado. ... 101 Tabela 4.6 – Resultados finais encontrados para os parâmetros elétricos do motor de indução ensaiado. ... 104
CAPÍTULO V
Tabela 5.1 – Dados do gerador síncrono. ... 112 Tabela 5.2 – Parâmetros do gerador síncrono. ... 112 Tabela 5.3 – Dados e parâmetros do gerador de indução. ... 112 Tabela 5.4 – Manobras realizadas na simulação do gerador síncrono operando com gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 113 Tabela 5.5 – Manobras realizadas na simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 113 Tabela 5.6 – Decomposição da forma de onda da tensão no PAC. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 120 Tabela 5.7 – Decomposição da forma de onda da tensão no PAC. Simulação do gerador síncrono operando com o gerador de indução suprindo uma carga não linear... 120 Tabela 5.8 – Decomposição da forma de onda da corrente no gerador síncrono. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 121 Tabela 5.9 – Decomposição da forma de onda da corrente no gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 121 Tabela 5.10 – Decomposição da forma de onda da corrente no gerador de indução. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 124 Tabela 5.11 – Decomposição da forma de onda da corrente no gerador de indução. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 124 Tabela 5.12 – Decomposição da forma de onda da corrente na carga não linear. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 127 Tabela 5.13 – Decomposição da forma de onda da corrente na carga não linear. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 127 Tabela 5.14 – Decomposição da forma de onda da corrente de linha no gerador de indução (antes do banco de capacitores). Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 130
Tabela 5.15 – Decomposição da forma de onda da corrente de linha no gerador de indução (antes do banco de capacitores). Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 130 Tabela 5.16 – Decomposição da forma de onda da corrente no banco de capacitores. Teste experimental do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 133 Tabela 5.17 – Decomposição da forma de onda da corrente no banco de capacitores. Simulação do gerador síncrono com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. ... 133 Tabela 5.18 – Decomposição da forma de onda da tensão de fase no gerador síncrono. Teste experimental do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 160 Tabela 5.19 – Decomposição da forma de onda da tensão de fase no gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 160 Tabela 5.20 – Decomposição da forma de onda da corrente no gerador síncrono. Teste experimental do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 161 Tabela 5.21 – Decomposição da forma de onda da corrente no gerador síncrono. Simulação do gerador síncrono suprindo uma carga não linear. ... 161 Tabela 5.22 – Comparativo das oscilações nas variáveis elétricas do gerador síncrono... 173 Tabela 5.23 – Corrente induzida nos enrolamentos amortecedores de eixo q e d do gerador síncrono. ... 174
CAPÍTULO I
Introdução
1.1 – Apresentação do tema
Desde o século passado até os dias atuais, os geradores síncronos ainda são os principais dispositivos de conversão eletromecânica utilizados nos grandes sistemas elétricos de potência em todo o mundo. Neste caso, as grandes máquinas com potência de centenas de MVA constituem a base da geração de centrais hidrelétricas, nucleares ou térmicas. Verifica-se que a utilização de geradores síncronos não se restringe apenas a grandes sistemas elétricos de potência, mas também a grupos geradores a diesel, em sistemas isolados e em áreas de difícil acesso, onde o alto custo inviabiliza a implantação de uma linha de transmissão de energia elétrica. Em indústrias, hospitais, shopping, centros de convenções, eventos de grande porte, etc., são utilizados como unidade emergencial (FITZGERALD; KINGSLEY JR; UMANS, 2006; SEN, 2013).
A crise energética brasileira que ocorreu em 2015, agravada pela prolongada estiagem e que resultou em baixos níveis dos reservatórios das usinas hidrelétricas, colocou o sistema elétrico do país em estado de alerta. As consequências levaram o país à beira de um racionamento de energia além de um aumento elevado na tarifa (CORRÊA DA SILVA; DE MARCHI NETO; SILVA SEIFERT, 2016). A solução encontrada a priori, em termos financeiros e técnicos, é o uso da geração síncrona acionada por um motor primário de combustão a óleo diesel como uma possível fonte energética, podendo ser utilizados em sistemas de geração emergencial ou em operação isolada, preferencialmente no horário de ponta, na indústria e em estabelecimentos comerciais, visando aumentar a confiabilidade e o fornecimento, bem como a redução do valor da fatura de energia elétrica. (BEST et al., 2007; FARAH; WHALEY; SAMAN, 2016).
Segundo dados da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), houve uma expansão da geração síncrona isolada diante da preocupação dos usuários residenciais quanto
ao cenário crítico da crise em 2015, frente aos possíveis riscos de apagão (blackout), (EDUARDO VANCO et al., 2016). Assim, o grupo gerador diesel começou a ganhar cada vez mais espaço em prédios residenciais, comerciais e condomínios fechados, dedicados a atender a demanda em casos da perda do abastecimento de energia local (KNIGHT, 2001).
Porém, o custo da geração síncrona é alto devido às características construtivas e de manutenção preventiva do gerador, em contrapartida, a máquina de indução com rotor em gaiola, que na atualidade tem grande aplicação industrial, pode ser também utilizado como gerador. Devido à sua robustez, simplicidade e custo relativamente baixo, o motor de indução com rotor em gaiola tem o uso bastante difundido (FITZGERALD; KINGSLEY JR; UMANS, 2006). Além do funcionamento como motor, o funcionamento da máquina de indução como gerador está ganhando espaço no cenário energético, seja nas aplicações em sistemas de velocidade variável, como no caso da geração eólica que utiliza os geradores de indução com rotores bobinados, e ainda na geração em sistemas com velocidade constantes, como em biomassa, biodiesel e hidráulica que utilizam geradores com rotor em gaiola. Destacando-se o funcionamento do gerador de indução com rotor em gaiola, este necessita de energia reativa para seu funcionamento, podendo ser proveniente da rede elétrica quando conectada a mesma ou de um banco de capacitores quando conectado em sistemas elétricos isolados.
Dando enfoque ao funcionamento de sistemas elétricos isolados, verifica-se que a geração síncrona utilizada em grupos geradores a diesel ou a gás pode ser complementada com a geração assíncrona por meio de geradores de indução com rotores em gaiola, devido principalmente às vantagens, já destacadas, que este tipo de geração traz nos quesitos manutenção e robustez, frente à primeira. Além disso, destaca-se que a alta regulação de tensão, que é a principal desvantagem do uso dos geradores de indução, é compensada pelo funcionamento em paralelo com geradores síncronos, que têm a capacidade de manter a tensão terminal do conjunto constante controlada pelo seu sistema de excitação. Assim, verifica-se que as características destes dois tipos de geradores se complementam, trazendo vantagens significativas para um sistema de geração composto por estas duas máquinas.
Atualmente, os grupos geradores a diesel ou gás estão sujeitos a alimentar os mais variados tipos de cargas, dentre as quais se pode destacar as cargas não lineares, sobretudo presentes em usuários residenciais, industriais e comerciais, como por exemplo, inversores, retificadores, ar condicionado, lâmpadas compactas, computadores, dentre outras. Nos últimos anos, o uso destas cargas não lineares teve um crescimento em todas as faixas de consumo, ou seja, na área industrial, comercial e residencial.
Desta forma, e diante do exposto, se insere a proposta desde trabalho, que visa apresentar um estudo baseado em resultados experimentais obtidos em laboratório e de simulações computacionais da operação do gerador síncrono em paralelo com o gerador de indução suprindo uma carga não linear. Destaca-se, que diferentemente dos trabalhos encontrados na literatura, este estudo investiga os diversos efeitos que as distorções harmônicas de tensão e corrente causam em ambas as máquinas, quando operam nesta configuração.
1.2
–Revisão Bibliográfica
A fim de apresentar e contextualizar a relevância deste trabalho em relação aos trabalhos presentes na literatura é mostrado o levantamento do estado da arte de alguns trabalhos com temas correlatos ao aqui proposto.
Neste contexto, apresenta-se a seguir, os trabalhos mais relevantes com respeito a este assunto.
Apresentando os trabalhos referentes a geradores síncronos alimentando cargas não lineares, destacam-se os que estão discutidos a seguir.
Visando discutir os impactos dos harmônicos espaciais em máquinas rotativas, (WAKILEH, 2003b) apresenta um estudo sobre o cálculo da força eletromotriz induzida, fator de passo e fator de distribuição, levando em conta o efeito de harmônicos no cálculo da distorção harmônica total da tensão gerada. Além disso, o trabalho também apresenta métodos para reduzir harmônicos espaciais em máquinas rotativas como o uso do enrolamento distribuído com bobina de passo fracionário.
Em (JADRIC; BOROJEVIC; JADRIC, 1997) é analisado o estudo da distorção na forma de onda de tensão e corrente em um gerador síncrono isolado que alimenta uma carga não linear, sendo que o gerador síncrono utiliza uma excitatriz alimentada por uma ponte retificadora ligada no próprio terminal da máquina.
Em (NHUT-QUANG DINH; ARRILLAGA, 2001) é descrito um modelo de um gerador síncrono que incluem as impedâncias harmônicas na matriz de impedâncias do circuito equivalente da máquina. Também são considerados os efeitos da saliência e da saturação
magnética. Este modelo é validado por meio de simulações computacionais no domínio do tempo.
Os autores (LADJAVARDI; MASOUM; ISLAM, 2006) apresentaram um modelo do gerador síncrono no domínio abc que consideraram os harmônicos espaciais e foi utilizada a transformada de Park no fluxo fundamental do estator, com o propósito de calcular a tensão fundamental gerada e o ângulo de carga. O trabalho considera os impactos causados pelos harmônicos espaciais e harmônicos temporais (provocados por cargas não lineares) no ângulo de carga e foi apresentado o valor de uma corrente induzida de 6
da fundamental no campo do gerador síncrono, porém este trabalho não contempla identificação e quantificação nestas variáveis elétricas na frequência de 12
e 18
, também não apresenta o estudo das oscilações de torque eletromagnético no gerador síncrono em regime não senoidal.Em outro estudo, descrito em (TU et al., 2006), são investigados os harmônicos no gerador síncrono quando de uma falta interna, os harmônicos espaciais causados pela distribuição dos enrolamentos na máquina, porém, neste estudo, não se considera os efeitos provocados pelos harmônicos temporais no gerador síncrono em regime permanente.
Outro aspecto relevante é abordado por (SAMRA; ISLAM, 1995), que apresenta o efeito harmônico sobre a regulação de tensão nos geradores síncronos em regime não senoidal, analisando diferentes níveis de distorção harmônica produzida pela carga não linear.
Um estudo que se aproxima deste trabalho é descrito em (OLIVEIRA et al., 2006), onde é investigado o comportamento elétrico e mecânico do gerador síncrono alimentando um retificador não controlado de seis pulsos. Porém, o artigo, limita-se à comparação das formas de onda distorcidas e cita uma corrente induzida de sexta ordem harmônica no campo do gerador, contudo não é realizada uma investigação das oscilações de torque eletromagnético.
Em (WANG et al., 2012) são analisadas as oscilações de torque eletromagnético provenientes das correntes harmônicas. É mostrado que estas oscilações provocam vibrações nas máquinas síncronas e é deduzida uma equação para identificar estas oscilações. Entretanto, este trabalho não menciona a 6ª harmônica e seus múltiplos e nem os quantifica.
Outro trabalho relacionado é proposto por (FAN; LIAO, 2012), onde são apresentadas as componentes de quinta e sétima ordens harmônicas que produzem uma tensão induzida de sexta ordem harmônica oscilante nos enrolamentos do rotor. Porém, não é realizado um estudo da identificação de conjugado oscilante de 6
e seus múltiplos.Em (ESCOBAR MARTINEZ; DE LA ROSA, 2001) contempla um estudo de ressonância mecânica com a 6ª harmônica e seus múltiplos. Considera-se uma distorção de corrente relativamente baixa comparada com o quadro atual de distorção harmônica em geradores síncronos isolados. Uma análise mecânica é realizada em relação ao torque eletromagnético. Entretanto, os autores se limitaram a presença da 6ª harmônica e seus múltiplos induzidos ao torque eletromagnético, não mencionam a influência em outras variáveis elétricas, tais como a tensão e corrente induzida nos enrolamentos do rotor.
Tratando-se de geradores de indução que operam mediante distorções harmônicas, cargas não lineares e técnicas de controle utilizadas para mitigar estas distorções, encontram-se vários trabalhos a respeito do funcionamento de geradores de indução duplamente alimentados, DFIG (Doubly Fed Induction Generator) funcionando em parques eólicos conectados ou isolados da rede. E em menor número, poucos trabalhos para geradores de indução trifásicos diante de cargas não lineares. Neste sentido, destacam-se os seguintes trabalhos:
Em (THAO et al., 2014), os autores apresentam uma técnica de análise de problemas de ressonância harmônica em parques eólicos conectados ao sistema elétrico de potência, onde são utilizados geradores de indução duplamente alimentados. Neste caso, são descritas teorias de ressonância série, ressonância paralela e seus impactos no sistema elétrico. Além disso, os autores propõem um circuito equivalente adequado de parques eólicos com DFIGs conectados à rede para analisar a impedância equivalente no domínio da frequência.
Propondo investigar as condições de emissão harmônica medidas no ponto de acoplamento comum de um dado parque eólico composto por geradores de indução duplamente alimentados, (SHUN LIANG; QIAOHUI HU; WEI-JEN LEE, 2012) apresentam um estudo que aborda o fluxo harmônico de corrente, problemas gerados por inter-harmônicos e o efeito causado pelo nível de emissão harmônica do parque eólico na potência de saída entregue ao sistema elétrico de potência.
Em (YANG et al., 2014), os autores apresentam um trabalho voltado para as medições de emissão harmônica versus potência ativa, de um conjunto de três turbinas eólicas compostas por dois geradores de indução duplamente alimentados e um gerador síncrono. Todos os geradores são conectados aos seus respectivos conversores de potência e transformadores para a conexão final no barramento do sistema elétrico. Neste caso, avaliou-se a emissão de harmônicos e inter-harmônicos em relação às variações na produção de energia. Os espectros apresentados no trabalho supracitado revelam que as componentes harmônicas emitidas podem
ocorrer em qualquer frequência e não apenas em harmônicos ímpares. Destaca-se também, que os níveis de emissão de inter-harmônicos são tão maiores quanto maior o nível de potência gerada.
(KAZEMI KAREGAR; SHATAEE, 2008) propõem um novo método para a detecção do ilhamento de geradores eólicos que estão conectados à rede, baseado no cálculo do valor da distorção total de corrente de unidades geradoras compostas por geradores de indução duplamente alimentados. O método proposto monitora as correntes do gerador e calcula seu THDI com base em um determinado algoritmo. O método proposto foi avaliado em diferentes
condições, tais como mudança de carga, vento intermitente, partida de motores de indução e chaveamento de unidades capacitivas, usando o software PSCAD / EMTDC.
Em (SCHOSTAN et al., 2010), os autores investigam os valores das frequências harmônicas geradas em um sistema composto por um gerador de indução duplamente alimentado e o seu conversor. Nesse estudo, considera-se a dificuldade da medição dos harmônicos e subharmônicos gerados pelo gerador e o conversor, devido às próprias distorções existentes na rede. Assim, a fim de observar os efeitos advindos da geração eólica, considera-se a rede equilibrada e com a forma de onda puramente considera-senoidal. Os resultados encontrados mostram quais são as frequências harmônicas mais significativas vindas do conjunto gerador conversor e como elas interagem com a rede, também, são investigadas as componentes harmônicas no cálculo da potência coletada no estator do gerador e seus efeitos em relação à condição trifásica puramente senoidal.
O trabalho proposto por (MALLICK; SINHA, 2015) apresenta uma nova técnica de controle para um compensador síncrono estático voltado para sistemas de distribuição, DSTATCOM (Distribution Static Synchronous Compensator). Neste caso, este equipamento está conectado a um sistema de distribuição isolado, suprido por um parque eólico com geradores de indução duplamente alimentados. A aplicação da nova técnica de controle chamada de Icosφ otimizado, permite que o DSTATCOM mitigue o nível de THD de corrente presente neste sistema.
Visando à compensação de distorções harmônicas de corrente proveniente de cargas não lineares, (GHATPANDE et al., 2013) propõe um método usando a teoria do eixo de referência múltipla, utilizando geradores de indução duplamente alimentados. Os harmônicos de baixa ordem mais significativos a serem compensados são calculados usando um observador no eixo de referência múltipla. Os resultados são apresentados por meio de simulações computacionais
para demonstrar o desempenho do método proposto. Neste trabalho, os resultados encontrados validam a eficácia do método na compensação dos específicos harmônicos escolhidos no sistema.
Considerando que a poluição harmônica de tensão presente em um sistema elétrico de potência possa introduzir harmônicos de corrente no estator dos geradores de indução duplamente alimentados, e que potencialmente possa afetar a qualidade da energia gerada, o trabalho proposto por (LIU et al., 2012) apresenta um controlador de corrente específico para geradores DFIG a fim de eliminar os impactos dos harmônicos de tensão de baixa ordem. Neste caso, a supressão de corrente harmônica do estator é feita utilizando um controlador ressonante de 6ª ordem para eliminar as harmônicas de corrente de 5ª ordem de sequência negativa e de 7ª ordem de sequência positiva. A técnica de controle utilizada é implementada do domínio dq0 e os resultados apresentados mostram que os impactos das ordens harmônicas na tensão e correntes citadas são atenuadas, bem como a atenuação do torque eletromagnético;
Em (WALUYO; SAODAH; NURAHMAT, 2012), é dado enfoque à análise das distorções harmônicas e das formas de ondas de correntes provenientes de cargas não lineares conectadas em um gerador de indução. Por meio de resultados experimentais, este trabalho apresenta os resultados destas distorções provocadas por cargas, tais como, monitor de computador, impressora, lâmpada fluorescente, etc. Neste caso, verifica-se que as distorções harmônicas de correntes causadas por estas cargas excedem o limite padrão estabelecido.
Outro trabalho que também visa apresentar uma análise experimental das distorções harmônicas em geradores de indução foi proposto por (BENTO SILVA et al., 2016). Entretanto, o enfoque do trabalho é voltado para análise das distorções harmônicas geradas por sistemas não convencionais de energia, no caso, a conexão de um gerador de indução a um conversor de frequência para alimentar uma carga. Como este equipamento tem em seu circuito de entrada um retificador de seis pulsos, os resultados experimentais foram realizados levando em conta esta consideração. Além disso, este trabalho apresenta a modelagem matemática da máquina assíncrona considerando as influências das distorções harmônicas.
Em se tratando de teses e dissertações, encontram-se no acervo poucos trabalhos envolvendo estudo de harmônicos na geração eólica utilizando geradores síncronos e assíncronos, sobretudo geradores DFIG, no entanto, estes trabalhos estão voltados para estudo em velocidade variável e não se enquadram no estudo de geradores de velocidade constante.
Alguns trabalhos em teses e dissertações sobre harmônicos e geradors de indução (por ser um tema pouco estudado no Brasil) são apresentados a seguir:
Em (PADILHA, 2010) é apresentado um estudo e análise do gerador de indução trifásico alimentando cargas trifásicas e monofásicas. O estudo se baseia no funcionamento do gerador alimentando uma carga linear.
Encontra-se em (SCHWANZ, 2013) um estudo sobre as distorções harmônicas geradas por um parque eólico por meio de uma modelagem no domínio do tempo e da frequência e são observadas as propagações das poluições harmônicas nas redes e nas linhas de transmissão.
Em (MACHADO, LUÍS FERNANDO MOREIRA, 2017) é analisado os impactos da injeção de correntes harmônicas que as centrais de geração eólica (aerogeradores) produzem no Sistema Interligado Nacional.
Em (MOURA, 2017) foram realizados estudos sobre os fatores determinantes na injeção de distorções harmônicas nos sistemas elétricos, empregando-se uma concepção estrutural baseada em geradores síncronos, os quais estão conectados à unidade inversora de um sistema de geração eólica. Não se encontra nenhum estudo das perturbações harmônicas nos geradores síncronos.
Uma estratégia de controle operativo para sistemas de geração eólica utilizando máquina síncrona e conversor pleno é proposto por (REIS, 2015). O processo de regulação é dado no ponto de conexão com a rede, além de realizar a mitigação das distorções harmônicas produzidas na instalação geradora. O trabalho não foca as perturbações nos geradores síncronos e sim no controle e mitigação dos harmônicos produzidos pelos conversores.
É tratado em (MACHADO, OTAVIO FERREIRA, 2008) uma estimação e análise estatística de distorções harmônicas em usinas eólicas à velocidade variável. Este trabalho analisa as injeções de harmônicos em uma usina eólica à velocidade variável que utiliza a topologia DFIG (gerador de indução duplamente excitado) em função das suas condições operativas. Nenhum estudo sobre as perturbações provocadas pela poluição harmônica em DFIG foi encontrado.
Em (SILVA, PAULO VITOR, 2010) é descrito a implementação de um filtro ativo em paralelo com o gerador de indução trifásico, e o controle do filtro ativo é voltado para a estratégica de controle de excitação da máquina. A atenuação dos harmônicos de corrente na
saída do gerador é minimizada utilizando o método referencial síncrono dq. Não se encontrou o estudo de perturbações harmônicas no gerador de indução trifásico.
Encontra-se em (NAVES, 2007) uma contribuição à modelagem de complexos eólicos contendo geradores especiais para atenuação das componentes harmônicas, o gerador especial utilizado, trata-se do gerador síncrono hexafásico modelado no domínio do tempo e voltado para conversão de energia eólica de velocidade variável. Em se tratando das perturbações harmônicas no gerador, esta dissertação trata do gerador síncrono trifásico com a forma de onda distorcida, desempenho dos enrolamentos amortecedores, torque pulsante devido aos harmônicos e dentre outras perturbações. Neste trabalho, encontra-se um estudo das perturbações em geradores síncronos, no entanto, essas perturbações são para geradores síncronos trifásicos e hexafásicos em velocidade variável com uso de conversores para conexão à rede elétrica. Diferentemente do abordado aqui nesta tese, que trata das perturbações no gerador síncrono em paralelo com o gerador de indução em um sistema isolado, com carga não linear, e operando em velocidade constante, além de contemplar as perturbações no gerador de indução.
Em (SANTOS, 2011) é levantado um estudo, conforme as normas internacionais, a respeito da distorção harmônica em sistemas distribuídos. O referido estudo aborda as perdas que a poluição harmônica acarreta em geradores síncronos conectados ao sistema elétrico de distribuição e a mitigação ou atenuação dos harmônicos por meio do uso de geradores síncronos distribuídos e de baixa reatância subtransitória. Não é encontrado neste trabalho nenhum estudo sobre as perturbações em geradores síncronos distribuídos; o trabalho se limita aos índices de poluição harmônica.
Uma análise do gerador de indução, considerando a saturação magnética, conectado diretamente à rede de distribuição de energia elétrica é feita por (WU, 2009). O estudo concentra-se nos harmônicos espaciais gerados pela saturação magnética do gerador de indução e de um modelo matemático contemplando a saturação magnética. Essa dissertação não contempla o estudo das perturbações de harmônicos temporais em geradores de indução.
Um estudo experimental e de simulação, da operação em regime permanente do gerador de indução em paralelo com o gerador síncrono, em sistema isolado e alimentando carga linear é proposto por (VANÇO, WAGNER EDUARDO, 2016). Destaca-se nesta dissertação, que o gerador síncrono atua unicamente como regulador de tensão do sistema isolado, desde que, uma
parcela de sua capacidade esteja reservada para geração ou absorção de reativo, conforme rege a solicitação da carga linear.
Uma modelagem da máquina síncrona considerando o efeito da curvatura da sapata polar é apresentado por (ALVES, 2011a). Neste trabalho, foi desenvolvido um novo modelo matemático para máquinas síncronas de polos salientes, que é baseado no sistema abc de referência. Este modelo contempla a inclusão das componentes harmônicas espaciais, porém não contempla as perturbações provocadas por cargas não lineares.
Em (ALVES, 2011b) é estudado o comportamento do gerador síncrono em regime permanente não senoidal. O trabalho se fundamenta em uma simulação computacional onde um gerador síncrono é conectado ao sistema elétrico de potência, bem como, medições em laboratório. A análise se restringe as oscilações de torque eletromagnético de 6
, e é proposto um método teórico para atenuação das oscilações de torque eletromagnético, em um modelo que contempla os harmônicos espaciais do gerador síncrono. Em comparação com o trabalho aqui proposto, não se quantifica as oscilações de torque eletromagnético, nem as outras variáveis da máquina, tais como corrente induzida nos enrolamentos do rotor, variação do ângulo de carga, dentre outras variáveis elétricas.1.3 – Motivação
Como já apresentado, na literatura abordada existe um número restrito de trabalhos especificamente correlacionados ao tema aqui proposto. Neste sentido, surge a real importância de se verificar as perturbações e oscilações de parâmetros elétricos em um gerador síncrono e em um gerador de indução, operando em paralelo, suprindo uma carga não linear em sistema isolado.
Enfatiza-se que o funcionamento em paralelo desses dois tipos de geradores, além da aplicação em grupos geradores a diesel, pode também ser utilizado nos mais diversos aproveitamentos, como em pequenas centrais hidrelétricas, termelétricas de pequeno porte, centrais termelétricas de biomassa e na cogeração de energia elétrica utilizando o biogás, produzido a partir de resíduos de suinocultura e bovinocultura.
Este tipo de geração pode funcionar conectado ou isolado da rede, e, em ambos os casos, pode haver a influência de distorções harmônicas sobre os geradores. No caso do funcionamento de forma conectada, vai depender dos níveis de distorção de tensão no ponto de acoplamento com a rede, que atualmente são propostos por normas que visam garantir os índices de qualidade de energia e são monitorados. Nesse caso, os impactos serão menores sobre os geradores, pois há de alguma forma, um controle sobre os níveis de distorção de tensão. No sistema isolado e com a presença de cargas não lineares, os níveis de distorções harmônicas geradas podem ser elevados. Pois não há um monitoramento efetivo destas distorções como no caso da operação conectada à rede, dessa forma as perturbações harmônicas causadas nos geradores podem ser mais significativas.
Além disso, deve-se levar em consideração que na operação isolada, o nível de curto-circuito nos terminais destas máquinas (gerador síncrono e de indução) é muitas vezes inferior ao de uma barra de um sistema elétrico de potência. Desta forma, destaca-se a susceptibilidade desses sistemas isolados frente às distorções harmônicas impostas pelas cargas. Assim, os efeitos das distorções harmônicas de corrente impostas pela natureza das cargas não lineares podem distorcer a forma de onda da tensão gerada, além do aparecimento de efeitos indesejáveis, tais como vibração, torque oscilante, aquecimento, dentre outras, que contribuem para a redução do rendimento e da vida útil dos geradores. Sendo assim, diante do exposto, novamente enfatiza-se a importância de realizar o estudo que é proposto neste trabalho, acrescido do comparativo das oscilações no gerador síncrono de polos salientes. Dois casos são estudados:
Caso 1 - Gerador síncrono operando com o gerador de indução suprindo carga não linear;
Caso 2 - Gerador síncrono operando isoladamente suprindo carga não linear.
1.4 – Objetivos
O primordial objetivo do trabalho é realizar um estudo experimental em bancada de laboratório e de simulação computacional, para a verificação das oscilações/perturbações provocadas pela poluição harmônica, oriundas de cargas não lineares, supridas pela operação
em paralelo de um gerador síncrono de polos salientes com um gerador de indução, em sistemas isolados.
Destacam-se os seguintes objetivos específicos:
Efeitos das perturbações hormônicas nas tensões e correntes harmônicas entre os geradores e a carga, incluindo o banco de capacitores para alimentação da reatância de magnetização do gerador de indução;
Estudo do comportamento elétrico dos geradores quando operam em paralelo em sistemas isolados e em regime permanente não senoidal;
Identificação e quantificação das perturbações provocadas pela poluição harmônica nas variáveis elétricas do gerador síncrono quando opera com o gerador de indução e isoladamente (caso 1 e 2);
Identificação e quantificação das perturbações provocadas pela poluição harmônica no gerador de indução, e de suas variáveis elétricas na frequência de escorregamento (caso 1);
Comparativo das oscilações entre as duas configurações estudadas, visando verificar o comportamento das variáveis elétricas no gerador síncrono de polos salientes.
1.5 – Organização do texto
Este trabalho está organizado de acordo com a seguinte estrutura:
O Capítulo I traz a introdução do tema, revisão bibliográfica, motivação e objetivos;
O Capítulo II aborda os fundamentos teóricos e a modelagem de máquinas síncronas e de máquinas de indução. São apresentados os parâmetros elétricos de cada máquina, que serão calculados no Capítulo IV, e que são de extrema importância para a realização das simulações computacionais presentes no Capítulo V;
No Capítulo III encontra-se a teoria sobre harmônicos e os seus efeitos em geradores síncronos de polos salientes e gerador de indução, tipo gaiola de esquilo. Toda formulação
e abordagem teórica são utilizadas para a verificação das perturbações harmônicas nos geradores quanto aos resultados apresentados no Capítulo V;
O Capítulo IV apresenta a determinação experimental dos parâmetros elétricos do gerador síncrono e de indução;
No Capítulo V é apresentado o comparativo teórico-experimental das tensões e correntes nos geradores e na carga, fazendo uso da confrontação teórica-experimental, é possível verificar, identificar e quantificar das perturbações harmônicas nas variáveis elétricas do gerador síncrono e do gerador de indução. Também é apresentado um comparativo das oscilações no gerador síncrono operando em paralelo com o gerador de indução e operando unicamente, suprindo carga não linear;
No Capítulo VI são expostas as conclusões sobre o trabalho desenvolvido e algumas sugestões para trabalhos futuros, a partir deste tema;
No Apêndice A é apresentado o dimensionamento de banco de capacitores para a conexão em paralelo com o gerador de indução e o artigo publicado no tema;
CAPÍTULO II
Fundamentos, Análise e Modelagem de Máquinas
Síncronas e Máquinas de Indução
Este capítulo apresenta os fundamentos, análise, e modelagem envolvendo as máquinas síncronas e de indução, que são os dois tipos de máquinas utilizadas como geradores no contexto da proposta deste trabalho. Destacam-se os tipos de ensaios experimentais que são realizados em ambas as máquinas para a obtenção dos parâmetros elétricos, imprescindíveis à realização de cálculos e simulações computacionais.
2.1 – Máquinas síncronas
Uma máquina síncrona é uma máquina de corrente alternada, cuja velocidade é proporcional à frequência da corrente de sua armadura. O rotor, juntamente com o campo magnético criado pela excitação em corrente contínua do campo do rotor, gira na mesma velocidade ou em sincronismo com o campo magnético girante produzido pelas correntes de armadura, resultando em um conjugado constante (FITZGERALD; KINGSLEY JR; UMANS, 2006).
Uma máquina síncrona possui um enrolamento polifásico no estator, também conhecido como armadura, onde uma corrente alternada flui, e um enrolamento de campo no rotor onde uma excitação é fornecida em corrente contínua. Durante a operação, a máquina síncrona possui velocidade constante e sempre gira com escorregamento zero à velocidade síncrona, que depende da frequência e do número de polos. A velocidade síncrona é dada por:
f P ns 120 (2.01) Onde,
s
n - Velocidade síncrona [rpm]; P - Número de polos;
f - Frequência da tensão gerada [Hz].
O rotor pode ser de dois tipos, de polos lisos e de polos salientes. A construção de um rotor de polos lisos é usada para máquinas de rotações maiores, sendo de dois ou de quatro polos, como no caso dos turbos geradores, conforme é apresentado na Figura 2.1.
Figura 2.1 – Fotografia de um rotor de polos lisos de um turbogerador.
Fonte: Extraído de (MAINTENANCE PARTNERS, 2017)
Já a construção do rotor com polos salientes é utilizada nos geradores hidrelétricos de baixa velocidade e em motores síncronos de grande porte, como ilustra a Figura 2.2.
Figura 2.2 – Fotografia de um rotor de polos salientes de um hidrogerador.
