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Capítulo 5 SISTEMASDEEXCITAÇÃODE GERADORESSÍNCRONOS

5.1 Introdução

A função do sistema de excitação é estabelecer a tensão interna do gerador síncrono. Em conseqüência, o sistema de excitaçãoé responsável não somente pela tensãode saída da máquina, mas também pelo fator de potência e pela magnitude da corrente gerada. A Fig. 72 mostra o diagrama de blocos com a configuração física de um sistema de excitação típico.

Figura 72: Configuração física dos componentes do sistema de excitação

Até bem recentemente, a excitatriz da maioria dos sistemas era um gerador de corrente contínua montadono eixo do gerador. Atualmente, outros sistemas maisrápidos e que exigem menos manutenção vão aos poucos substituindo o sistema clássico.

A função do regulador de tensão é controlar a saída da excitatriz tal que a tensão gerada e a potência reativa variem da maneira desejada. Em sistemas primitivos, o operador desempenhava o papel do regulador de tensão, observando a tensão de saída e ajustando o reostato de campo da excitatriz de modo a obter as condições de saída desejadas. Atualmente, o regulador de tensão é um controlador que observa a tensão (e possivelmente outras grandezas, como potência ativa e corrente) de saída do gerador e então inicia a ação corretiva através da variação do controle da excitatriz. A velocidade de ação do regulador é fundamental do ponto de vista da estabilidade do sistema de potência. O bloco denominado de ‘‘Controles Auxiliares’’ na Fig. 72 inclui funções como adição de

Capítulo 5 SISTEMAS DE EXCITAÇÃO DEGERADORES SÍNCRONOS amortecimento ao sistema de controle, compensação de corrente reativa, estabelecimento de limites de sobre e sub-excitação, etc.

Este capítulo é composto de duas partes principais. Nas seções 8=5 e 8=6, é feita uma revisão da evolução da tecnologia de sistemas de excitação e reguladores de tensão, respectivamente. A segunda parte do capítulo, que corresponde à seção 8=7, é dedicada à modelagem e análise, do ponto de vista do controle, de um sistema de excitação convencional.

5.2 Configurações Típicas de Sistemas de Excitação

5.2.1 Sistemas Clássicos

A Fig. 73 apresenta a configuração típica de um sistema de excitação com excitatriz de corrente contínua auto-excitada.

Figura 73: Excitatriz principal com controle do reostato de campo

OreguladordosistemadaFig. 73detectaoníveldetensão, compara-ocomumareferência e, se necessário, aciona um dispositivo mecânico para controlar a resistência do reostato.

Na etapa seguinte de aperfeiçoamento do sistema da Fig. 73 a excitatriz principal, ao invés de ser auto-excitada,passou a ser excitada por uma excitatriz piloto. Isto propicia respostas bem mais rápidas que as do caso auto-excitado, já que o controle de campo da excitatriz é independente de sua tensão de saída.

Um grau maior de sofisticação foi atingido com o uso de amplificadores rotativos. Estes amplificadores permitiram o uso de reguladores de tensãoestáticos,cujasaída de baixa potência pode ser amplificada de modo a induzir respostas ainda mais rápidas.

Com o aumento da capacidade nominal dos geradores síncronos, o uso de excitatrizes de corrente contínua começou a revelar algumas inconveniências, tais como:

1. Altas correntes de excitação a baixa tensão, exigindo muitas escovas;

Seção 5.2 Configurações Típicas de Sistemas de Excitação

2. Dificuldades inerentes ao comutador, provocando faiscamento durante súbitas variações de carga;

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

Os itens (1) e (2), além dos problemas que causavam em operação, também apresentavam o incoveniente de exigir um serviço de manutenção de escovas e comutador mais intenso. Quanto ao item (3), uma solução encontrada foi o uso de engrenagens de redução, cuja complexidade reduzia a confiabilidade do sistema de excitação, se comparado aos sistemas que usam o acionamento direto do eixo do gerador.

As razões citadas intensificaram os estudos de um sistema de excitação usando uma excitatriz de corrente alternada e retificadores. Inicialmente, a substituição de uma excitatriz de corrente contínua e sistema de engrenagens de redução por uma excitatriz de corrente alternada e retificadores trouxe um pequeno aumento de custo, além do problema técnico decorrente do fato de os primeiros sistemas usarem retificadores com diodos de germânio, cuja baixa tensão máxima inversa parecia ser insuficiente para satisfazer as necessidades dos grandes geradores. Ambos os incovenientes foram superados, pois logo tornou-se claro que o aumento do custo inicial era largamente compensado pela reduzida manutenção necessária, e a utilização de diodos de silício elevou a máxima tensão inversa a valores satisfatórios. Hoje, usam-se excitatrizes c.c. diretamente acopladas ao eixo do gerador para geradores até 50 MW e excitatrizes c.c. de baixa velocidade, acionadas através de engrenagens pelo eixo do gerador, até geradores de 275 MW. A partir desta capacidade nominal, têm-se usado tão somente excitatrizes de corrente alternada com retificadores.

Os tipos de excitatrizes alternadas usando retificadores que estão em uso ou em fase de testes são os seguintes:

– Excitatriz de campo rotativo com retificador a diodo estático;

– Excitatriz de armadura rotativa com retificadores a diodos rotativos (sistema sem escovas);

– Excitação estática, com potência de excitação obtida através de transformador e utilizando tiristores estáticos;

– Sistema de excitação sem escovas, com tiristores montados no eixo. Analisemos, em particular, cada um dos sistemas acima.

5.2.2 Excitatriz de Campo Rotativo com Retificadores Estáticos

O esquema básico de um sistema de excitação usando retificador estático é mostrado na Fig. 74, sendo esta montagem típica para um gerador de 500 MW.

Na Fig. 74, uma ponte de tiristores controla a excitação da excitatriz principal. Obtêm-se resposta rápida graças à excitatriz de alta freqüência e tensão constante. Como o regulador de tensão controla o disparo dos tiristores, a resposta do sistema de excitação é muito rápida.

O retificador de excitação é, em geral, montado em uma série de cubículos, cada um deles sendo uma unidade trifásica completa, conectada em ponte. Os cubículos são então conecta-

Capítulo 5 SISTEMAS DE EXCITAÇÃO DEGERADORES SÍNCRONOS

dos em paralelo para fornecer a capacidadede correntenecessária, sendo possível desconectar qualquer cubículo, no lado alternado ou contínuo, sem interferência com a operação dos demais. Esta estrutura modular permite a manutenção com o retificador em serviço. Contudo, estudos demonstraram que a ocorrência de defeitos nos retificadores é tão rara que projetos mais recentes abandonaram a estrutura modular, o que permite maior compactação do retificador.

Figura 74: Sistema de excitação usando retificador estático

O sistema de retificação estática, embora elimine o comutador e escovas associados à excitatriz de corrente contínua, ainda tem o incoveniente de manter os anéis deslizantes do gerador, que também apresentam problemas de manutenção.

5.2.3 Sistemas de Excitação sem Escovas

Com os sistemas de excitação a gerador de corrente contínua ou com excitatriz de corrente alternada mais retificadores, a potência de excitação deve ser transferida de um equipamento - excitatriz c.c, retificador - para o campo do gerador, exigindo para isto anéis coletores e escovas. O projeto destes dispositivos torna-se mais difícil com o aumento de potência de excitação necessária ou, em outras palavras, com o aumento da capacidade nominal dos geradores. Estes problemas de projeto estão principalmente ligados ao resfriamento dos anéis coletores e à vida útil das escovas. Uma maneira encontrada para resolvê-los foi a utilização de excitatrizes c.c. de baixa velocidade acionadas pelo eixo do gerador através de um mecanismo de transmissão. Isto, contudo, implicava em uma redução de confiabilidade.

Para solucionar o problema satisfatoriamente, pensou-se em eliminar definitivamente os anéis coletores e as escovas a eles associados (brushless excitation system). Isto já havia sido feito em aplicações menores, tais como motores para aviões, dando resultados satisfatórios. Em 1960, engenheiros da Westinghouse Electric Corporation introduziram o sistema sem escovas para geradores síncronos de grandes potências.

Seção 5.2 Configurações Típicas de Sistemas de Excitação

A Fig. 75 mostra esquematicamente o sistema de excitação sem escovas simplificado.

O sistema mostrado consiste de uma excitatriz de corrente alternada e um retificador rotativo montado no mesmo eixo do turbo-gerador. Tambémmontado nomesmoeixoestá um gerador a ímã permanente, cujo sinal de saída é retificado e comparado, no regulador de tensão, com o sinal retificado da tensão terminal. O erro resultante alimenta o campo da excitatriz de corrente alternada, a qual se assemelha a uma máquina de corrente contínua sem comutador, com enrolamento de campo no estator e armadura no rotor. A saída da armadura rotativa da excitatriz de corrente alternada é conduzida ao longo do eixo para o retificador rotativo, a saída do qual, por sua vez, alimenta o campo do gerador, ainda ao longo do eixo.

Figura 75: Sistema de excitação sem escovas

A grande dificuldade que teve de ser superada para o desenvolvimento do sistema de excitação sem escovas foi a intensidade dos esforços centrífugos a que os retificadores e seus dispositivos de proteção estariam sujeitos. Também foi necessário que as excitatrizes de correntealternadafornecessemamesmatensãoqueasexcitatrizes de corrente contínua anteriores e também tivessem uma constante de tempo baixa. O desenvolvimento da tecnologia dos retificadores a semicondutores tornou possível a fabricação de retificadores capazes de resistir aos esforços rotacionais. Além disso, o uso de freqüências mais altas para as excitatrizes a.c. aumentou o nível da tensão de excitação e reduziu a constante de tempo.

5.2.4 Excitação Estática Utilizando Tiristores

Ossistemasdeexcitaçãoforammuito beneficiadospelo rápidodesenvolvimentodostiristores durante a década de 60. O uso de tiristores reduziu consideravelmente o tempo de resposta do sistema de excitação e a transistorização do sistema de regulação de tensão melhorou as qualidades de ‘‘field forcing’’ (força do campo). A Fig. 76 mostra um diagrama de blocos do sistema. A rapidez de resposta do sistema é devida ao fato de que os únicos retardamentos exis-

Capítulo 5 SISTEMAS DE EXCITAÇÃO DEGERADORES SÍNCRONOS tentes sãona filtragemda tensão terminal e no disparo dos tiristores, sendo que um valortípico deatrasoparaesteúltimoequipamento é 3.3 msa 50Hz. Outravantagem éa redução do comprimento total da unidade geradora, pois não há excitatrizes piloto ou principal. Isto diminui o problema mecânico de alinhamento de eixos e mancais. Por outro lado, permanecem os problemas inerentes à presença dos anéis deslizantes do rotor do gerador.

Figura 76: Excitação estática com tiristores

5.2.5 Excitação sem Escovas Utilizando Tiristores

Seria muito desejável aliar às facilidades de manutenção do sistema sem escovas a rapidez de resposta obtida quando o regulador de tensão comanda o circuito de disparo dos tiristores através dos quais é alimentado o campo do gerador. Porisso, pensou-se em utilizar um sistema de excitação sem escovas e a tiristores, projeto ainda não totalmente desenvolvido. Os problemas principais da montagem são: os esforços centrífugos sobre os tiristores e equipamento associado, como fazer o disparo de tiristores rotativos e a supressão do campo, quando for necessário.

O disparo dos tiristores rotativos que está sendo testado é feito através de um transformador de pulso rotativo, sendo necessária a amplificação dos pulsos sobre o eixo. Quanto à supressão de campo, é uma possibilidade facilmente realizável nos sistemas de excitação convencionais, onde uma chave de campo e um resistor de descarga dão condições de reduzir rapidamente a corrente de campo do gerador, no caso de defeito grave (por exemplo, curtocircuito), minimizando os danos no estator provocados pelas correntesde defeito ou sobretensão. Isto é feito conectando-se o resistor em paralelocomo campo e desligando-se a excitatriz e retificadores. No sistemas sem escovas, contudo, é impossível a inclusão de equipamento volumoso como sãoor esistord ed escargaeac have de campo. Com diodos, a desexcitação pode ser conseguida suprimindo-se o campo da excitatriz tão rapidamente quanto for possível. Com tiristores, há a possibilidade de usar-se a capacidade de inversão transitória dos

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