Paralelismo de Geradores Síncronos: Conceitos e Procedimentos

Prof Marcel Parentoni Máquinas Síncronas Paralelismo entre Geradores ELE606 Conversão Eletromecânica de Energia II Hoover Dams Hydroelectric turbine hall Tópicos Conceitos Básicos Condições e PréRequisitos para o Paralelismo Procedimento para Execução do Paralelismo Estado de Flutuação Características de Controle Operação em paralelo com o barramento infinito Operação em paralelo com outro gerador Conceitos Básicos Tipos de Operação do Gerador Operação Isolada Operação em Paralelo com outro Gerador Operação em Paralelo com a Rede Operação em Paralelo Sistemas que operam com conexão com a rede elétrica ou com outras unidades geradoras O comportamento do Gerador Síncrono conectado em paralelo é influenciado pelas características do sistema Operação em Paralelo com outro Gerador Operação em Paralelo com a Rede Vantagens do Paralelismo Conceito de Barramento Infinito Barramento Infinito Conceito de Barramento Infinito Como se consegue ter um barramento infinito Como manter tensão e frequências constantes no sistema mesmo com tantas variações de cargas Como ter um sistema tão forte assim Qual equipamento é o principal responsável por criar essas condições operacionais Barramento Infinito Reguladores de Tensão e Velocidade Frequência Barramento Infinito Regulador de Tensão Regulador de Velocidade Atua na excitação Monitora a tensão Atua na potência mecânica Monitora a frequência Todo gerador síncrono possui um sistema de controle individual O sistema de controle possui 2 reguladores independentes Regulador de velocidade frequência potência mecânica Regulador de tensão excitação Cada máquina faz seu trabalho de regulação e todas operam em paralelo Comportamento com inserções e retiradas de cargas Sistema interligado capaz de estabelecer um barramento infinito Condições e PréRequisitos para o Paralelismo Condições de Paralelismo As tensões em valores instantâneos devem ser idênticas Condições de Paralelismo Procedimento para Execução do Paralelismo Procedimento primeiras etapas Inicialmente considerase o Gerador 1 suprindo a carga com tensão e frequência nominais Devese atuando na máquina primária por exemplo uma turbina levar a velocidade de eixo do Gerador 2 à rotação síncrona ou sutilmente superior Devese atuando na excitação ajustar a tensão terminal do Gerador 2 para o mesmo valor da tensão do Gerador 1 Devese estabelecer a mesma sequência de fases do Gerador 1 no Gerador 2 Procedimento conexão Método do fogo pulsante Com a chave aberta as lâmpadas apresentarão pulsações luminosas com frequências tanto menores quanto forem as diferenças entre as frequências dos dois geradores Devese ajustar a velocidade da máquina primária até que a frequência da pulsação seja minimizada A chave deverá ser fechada quando as todas luzes estiverem apagadas Método do fogo girante Invertese a conexão de duas das lâmpadas estabelecendo entre elas tensões de fases diferentes Possibilita saber se a frequência do Gerador 2 está acima ou abaixo da frequência do Gerador 1 A chave deverá ser fechada quando a lâmpada que não teve a conexão invertida estiver apagada Método do Sincronoscópio Em geral é um equipamento monofásico Possibilita saber se a frequência do Gerador 2 está acima ou abaixo da frequência do Gerador 1 À esquerda devese aumentar a velocidade À direita devese diminuir a velocidade O momento exato do fechamento é quando a luz central do sincronoscópio acender indicando a igualdade entre as frequências dos dois geradores Exemplo de Painel de Sincronismo Estado de Flutuação Estado de Flutuação Uma vez que o sincronismo é estabelecido entre uma máquina síncrona e o sistema a máquina se encontra em equilíbrio A máquina não desenvolve conjugado nem acelerante e nem frenante A máquina não está nem em ação motora e nem em ação geradora O ângulo δ é nulo Não há fluxo de potência entre máquina e sistema A corrente de armadura é zero Esse estado pode ser chamado de flutuação Ou podese dizer que a máquina está flutuando Estado de Flutuação Estando a máquina sincronizada com o sistema em paralelo com o barramento infinito e em estado de flutuação frequência e tensão passam a ser determinadas pelo sistema O acionamento dos controles de potência mecânica e excitação somente atuarão nas potências ativa e reativa O fluxo de potência ativa poderá ser controlado pela atuação na velocidade da máquina primária O fluxo de potência reativa poderá ser controlado pela atuação na excitação do gerador Gerador Síncrono Potência Mecânica Excitação Frequência Potência Ativa Tensão Potência Reativa Características de Controle Características de Controle Frequência vs Potência Ativa Características de Controle Tensão vs Potência Reativa Quando um gerador síncrono alimenta uma carga atrasada sua tensão terminal diminui Quando um gerador síncrono alimenta uma carga adiantada sua tensão terminal aumenta Quando um Gerador Síncrono opera isoladamente a Potência Ativa e a Potência Reativa fornecidas por ele são as demandadas pela carga Dessa forma a Potência Ativa e a Potência Reativa não podem ser ajustadas pelos controles do gerador Nessa situação o regulador de velocidade controla a frequência para uma determinada potência ativa Nessa situação o regulador de tensão controla a tensão terminal para uma determinada potência reativa Características de Controle Potência Mecânica Excitação Características de Controle Operação Isolada Potência Mecânica Excitação Características de Controle Operação em Paralelo Potência Mecânica Excitação Características de Controle Gerador Síncrono operando isolado alimentando uma carga Potência Mecânica Excitação Frequência Potência Ativa Tensão Potência Reativa Gerador Síncrono operando em paralelo com o barramento infinito Potência Mecânica Excitação Frequência Potência Ativa Tensão Potência Reativa Operação em Paralelo com o Barramento Infinito Características f vs P e V vs Q de um barramento infinito Operação em Paralelo com o Barramento Infinito A frequência e a tensão terminal do Gerador devem ser a mesma uma vez que a conexão paralela é estabelecida Convém para análise operacional plotar no mesmo gráfico as características potência ativa versus frequência do barramento infinito e do Gerador O mesmo se aplica para a característica potência reativa versus tensão Operação em Paralelo com a Rede Barramento Infinito Gerador Característica Potência Ativa versus Frequência com o gerador em estado de flutuação Ajuste do regulador de velocidade para uma frequência em vazio da máquina ligeiramente acima da frequência da rede Ajuste do regulador de velocidade para uma frequência em vazio da máquina ligeiramente abaixo da frequência da rede Em qual dos casos a máquina está operando como gerador e em qual dos casos como motor Característica Potência Ativa versus Frequência na operação de um gerador em paralelo com o barramento infinito Ponto de operação com frequência igual à frequência definida pelo barramento infinito Distribuição da potência ativa fornecida à carga entre o barramento infinito e o gerador Como utilizar dos controles do gerador para que a potência ativa da carga seja mais suprida pelo gerador do que pelo barramento infinito Potência Mecânica 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑃𝐺𝑎𝑗 𝑃𝑏𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑓𝑎𝑗 Característica Potência Ativa versus Frequência na operação de um gerador em paralelo com o barramento infinito 𝑃 3𝑉𝐸𝐴 𝑋𝑆 𝑠𝑒𝑛𝛿 𝑃 3𝑉𝐼𝐴𝑐𝑜𝑠𝜃 Caso o regulador de velocidade seja ajustado tal que 𝑃𝐺 passe a ser negativo a máquina passaria a operar consumindo potência ativa Em outras palavras passaria a operar como motor Característica Potência Reativa versus Tensão na operação de um gerador em paralelo com o barramento infinito Excitação Distribuição de Potência Reativa entre barramento infinito e máquina conectados em paralelo sem alimentação de cargas kVAr fornecida kVAr consumida 𝑄 3𝑉𝐸𝐴 𝑋𝑆 𝑐𝑜𝑠𝛿 3𝑉 2 𝑋𝑆 𝑄 3𝑉𝐼𝐴𝑠𝑒𝑛𝜃 Caso 1 diminuição de excitação máquina fica subexcitada máquina consome reativo da rede rede fornece reativo para a máquina Máquina opera com característica indutiva Caso 2 aumento de excitação máquina fica sobrexcitada máquina fornece reativo para a rede rede consome reativo da máquina Máquina opera com característica capacitiva Para esse desenho optouse por utilizar o referencial da potência reativa do barramento infinito oposto ao da potência reativa da máquina Por exemplo valores de Q positivos significam kVAr fornecidos pela máquina e consumidos pela rede Características de Controle Gerador Síncrono operando isolado alimentando uma carga Potência Mecânica Excitação Frequência Potência Ativa Tensão Potência Reativa Gerador Síncrono operando em paralelo com o barramento infinito Potência Mecânica Excitação Frequência Potência Ativa Tensão Potência Reativa Operação nos 4 quadrantes P versus Q Máquina Síncrona operando em paralelo com a Rede Barramento Infinito Assistir o vídeo do ensaio laboratorial de paralelismo httpsyoutubeAfGAlZHsOes Operação em Paralelo de Geradores de mesmo porte Operação em Paralelo de Geradores de mesmo porte A soma das potências ativa e reativa fornecidas pelos dois geradores deve ser igual às potências P e Q demandadas pela carga Não há determinação da frequência do sistema Não há determinação da potência de cada gerador Operação em Paralelo com outro Gerador Atuação nos Controles de um dos Geradores Atuação nos Controles de Frequência e Potência Ativa em ambos Geradores Simultaneamente Atuação nos Controles de Tensão e Potência Reativa em ambos Geradores Simultaneamente Características de Controle Gerador Síncrono 1 operando em paralelo com o Gerador Síncrono 2 Potência Mecânica Excitação Frequência Potência Ativa Tensão Potência Reativa Gerador Síncrono 2 operando em paralelo com o Gerador Síncrono 1 Potência Mecânica Excitação Frequência Potência Ativa Tensão Potência Reativa Cada gerador tem seus controles e atua nas 4 grandezas porém a atuação em um tem o impacto correspondente no conjunto Portanto a atuação nos controles de um gerador deve ser associada a uma atuação correspondente nos controles do outro gerador Resumo Operação Isolada Operação em Paralelo com outro Gerador Operação em Paralelo com o Barramento Infinito P e Q determinadas pela carga Controles f e V f e V determinadas pelo sistema Controles P e Q P1P2 e Q1Q2 determinadas pela carga Controle de P1vsP2 e Q1vsQ2 Alteração da velocidade em um altera a frequência em ambos Alteração da excitação em um altera a tensão em ambos Devese atuar nos controles de ambos geradores simultaneamente para obter a condição operacional desejada EXEMPLO 45 A Figura 431 mostra um gerador alimentando uma carga Uma segunda carga deve ser ligada em paralelo com a primeira O gerador tem uma frequência sem carga de 610 Hz e uma inclinação sp de 1 MWHz A carga 1 consome uma potência ativa de 1000 kW com FP 08 atrasado ao passo que a carga 2 consome uma potência ativa de 800 kW com FP 0707 atrasado a Antes que a chave seja fechada qual é a frequência de operação do sistema b Depois que a carga 2 é ligada qual é a frequência de operação do sistema c Depois que a carga 2 é ligada que ação um operador poderá realizar para que a frequência do sistema retorne a 60 Hz EXEMPLO 45 A Figura 431 mostra um gerador alimentando uma carga Uma segunda carga deve ser ligada em paralelo com a primeira O gerador tem uma frequência sem carga de 610 Hz e uma inclinação sp de 1 MWHz A carga 1 consome uma potência ativa de 1000 kW com FP 08 atrasado ao passo que a carga 2 consome uma potência ativa de 800 kW com FP 0707 atrasado Solução Este problema afirma que a inclinação da característica do gerador é 1 MWHz e que sua frequência a vazi o é 61 Hz Portanto a potência produzida pelo gerador é dada por P spfvz f sis 428 f sis fvz Psp de modo que a A frequência inicial é dada por f sis fvz Psp 61 Hz 1000 kW1 MWHz 61 Hz 1 Hz 60 Hz b Depois que a carga 2 é ligada temos f sis fvz Psp 61 Hz 1800 kW1 MWHz 61 Hz 18 Hz 592 Hz c Depois que a carga 2 é ligada a frequência do sistema cai para 592 Hz Para restabelecer a frequência própria de operação do sistema o operador deve re ajustar o regulador aumentando o ponto de frequência a vazio em 08 Hz ou seja elevando para 618 Hz Essa ação levará a frequência do sistema de volta para 60 Hz EXEMPLO 46 A Figura 438 mostra dois geradores alimentando uma carga O Gerador 1 tem uma frequência a vazio de 615 Hz e uma inclinação sp1 de 1 MWHz O Gerador 2 tem uma frequência a vazio de 610 Hz e uma inclinação sp2 de 1 MWHz Os dois geradores estão abastecendo uma carga real totalizando 25 MW com FP 08 atrasado O diagrama resultante de potência versus frequência do sistema está mostrado na Figura 439 a Em que frequência esse sistema opera e quanta potência é fornecida por cada um dos dois geradores b Agora suponha que uma carga adicional de 1 MW seja adicionada a esse sistema de potência Qual será a nova frequência do sistema e quanta potência G1 e G2 fornecerão c Com o sistema na configuração descrita na parte b quais serão a frequência do sistema e as potências dos geradores se o ponto de ajuste no regulador de G2 for incrementado em 05 Hz EXEMPLO 46 A Figura 438a mostra dois geradores alimentando uma carga O Gerador 1 tem uma frequência a vazio de 615 Hz e uma inclinação sP1 de 1 MWHz O Gerador 2 tem uma frequência a vazio de 610 Hz e uma inclinação sP2 de 1 MWHz Os dois geradores estão abastecendo uma carga real totalizando 25 MW com FP 08 atrasado O diagrama resultante de potência versus frequência do sistema está mostrado na Figura 439 a Em que frequência esse sistema opera e quanta potência é fornecida por cada um dos geradores b Agora suponha que uma carga adicional de 1 MW seja adicionada a esse sistema de potência Qual será a nova frequência do sistema e quanta potência G1 e G2 fornecerão c Com o sistema na configuração descrita na parte b quais serão a frequência do sistema e as potências dos geradores se o ponto de ajuste no regulador de G2 for incrementado em 05 Hz EXEMPLO 46 A Figura 438a mostra dois geradores alimentando uma carga O Gerador 1 tem uma frequência a vazio de 615 Hz e uma inclinação sP1 de 1 MWHz O Gerador 2 tem uma frequência a vazio de 610 Hz e uma inclinação sP2 de 1 MWHz Os dois geradores estão abastecendo uma carga real totalizando 35 MW A nova frequência do sistema é dada agora por P carga sP1fvz1 fsis sP2fvz2 fsis 35 MW 1 MWHz615 Hz fsis 1 MWHz61 Hz fsis Portanto fsis 1225 MW 2 MWHzfsis 1225 MW 35 MW 2MWHz Portanto fsis 1225 MW 35 MW 2MWHz 595 Hz As potências resultantes são P1 sP1fvz1 fsis 1 MWHz615 Hz 595 Hz 20 MW P2 sP2fvz2 fsis 1 MWHz610 Hz 595 Hz 15 MW EXEMPLO 46 A Figura 438a mostra dois geradores alimentando uma carga O Gerador 1 tem uma frequência a vazio de 615 Hz e uma inclinação sP1 de 1 MWHz O Gerador 2 tem uma frequência a vazio de 610 Hz e uma inclinação sP2 de 1 MWHz Os dois geradores estão abastecendo uma carga real totalizando 35 MW A nova frequência do sistema será P carga sP1fvz1 fsis sP2fvz2 fsis 35 MW 1 MWHz615 Hz fsis 1 MWHz615 Hz fsis Portanto P carga 123 MW 2 MWHzfsis fsis 123 MW 35 MW 2MWHz 5975 Hz As potências resultantes são P1 P2 sP1fvz1 fsis 1 MWHz615 Hz 5975 Hz 175 MW Referências CHAPMAN Stephen J Fundamentos de máquinas elétricas AMGH Editora 2013 49