Processos em Engenharia:
Sistemas Elétricos
Conceitos Básicos
Prof. Daniel Coutinho
[email protected]
Departamento de Automação e Sistemas – DAS
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
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Sumário
• Introdução
• Perspectiva Histórica
• Aspectos da Geração de Energia Elétrica:
1. Geração Hidrelétrica
2. Geração Termelétrica
3. Geração Nuclear
• Equipamentos de Geração e Transmissão
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Introdução
• A energia elétrica é a mais versátil e universalmente
utilizável forma de energia disponível.
• A sua demanda cresce a maior velocidade que a de
qualquer outra forma de energia.
• A energia elétrica é enviada aos grandes centros
consumidores através de complexas redes de transmissão e
distribuição.
• Esses sistemas são estudados de forma hierárquica:
Geração, Transmissão e Distribuição.
• Conversão de Energia (motores e geradores).
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Perspectiva Histórica
• Domínio de materiais e energias disponíveis na natureza
para melhorar a qualidade de vida
1. -1.000.000: uso e controle do fogo
2. -20.000: arco e flecha (energia muscular transformada
em energia cinética)
3. -5.000: transporte (energia eólica transformada em
movimento)
4. -2.000: moinho hidráulico
5. -500: descobrimento do potencial do carvão, óleo, gás
natural
6. -100: revolução industrial
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Matriz de Geração - I
• Mapa da matriz energética em países desenvolvidos (EUA)
• O fluxo de energia é grosseiramente traçado partindo das
fontes primárias até a sua conversão final para vários
propósitos, e calor desperdiçado.
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Matriz de Geração - II
• Fósseis hidrocarbonados (óleo, gás natural e carvão)
constituem 94 % das fontes primárias de energia.
• A potência hidráulica, a energia obtida dos rios, representa
apenas 4%.
• Energia nuclear, que apesar de representar inexpressivos
2%, apresenta grande potencial futuro (energia limpa vs
segurança).
• A eficiência no uso da energia é de apenas 50%. (calor
desperdiçado representa as perdas de energia).
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Matriz de Geração - III
• No Brasil
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Matriz de Geração - IV
• Quadro de investimentos no Brasil (2010)
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Matriz de Geração - V
• É fato comprovado que o consumo de energia cresce de
forma exponencial (ou geométrica) dobrando o seu valor
num certo número de anos.
• No Brasil, o consumo de energia dobra a cada 15 a 25 anos,
o que corresponde a uma taxa de 2 a 5% ao ano.
• O crescimento é superior ao da população.
• O processo é instável
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Aspectos de Geração - I
• No mundo, a energia elétrica representa 1/5 da energia total
produzida.
• Mas, a energia elétrica é fundamental nos dias de hoje:
informática, motores elétricos (indústria), comunicações,
aquecimento, etc.
• A energia elétrica é bastante versátil:
• disponibilidade instantânea
• facilidade de transmissão
• facilidade de controle
• No entanto, a energia elétrica não pode ser armazenada em
quantidades adequadas.
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Aspectos de Geração - II
• A energia elétrica precisa ser gerada online para atender a
uma demanda que varia em tempo real.
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Aspectos de Geração - III
• Métodos de produção de energia elétrica:
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Geração Hidrelétrica - I
• Aproximadamente 90 % da eletricidade produzida no
Brasil é derivada de potência hídrica.
• A energia potencial de uma queda d’água é transferida para
turbinas que acionam geradores elétricos.
• A energia produzida é transmitida aos centros
consumidores (utilizando links CC e CA).
• É a forma de produção de energia mais segura e
relativamente limpa (causa danos ao ecossistema local).
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Geração Hidrelétrica - II
• Usina hidrelétrica: visão em corte do duto forçado.
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Geração Hidrelétrica - III
• Exemplo de turbina hidrelétrica
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Geração Termelétrica - I
• Aproximadamente 8% da potência elétrica gerada no Brasil é
obtida da queima de combustível fossilizado.
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Geração Termelétrica - II
• Princípio de operação
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Geração Termelétrica - III
• Princípio de operação (continuação):
• Calor produzido pela caldeira é utilizado para produzir
vapor a alta temperatura.
• O vapor a alta temperatura e pressão é enviado a
turbinas de alta e baixa pressão.
• O eixo das turbinas é acoplado a um gerador elétrico.
• O vapor d’água é condensado e re-utilizado na caldeira.
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Geração Termelétrica - IV
• O processo de conversão de energia é relativamente
complexo e é feito de forma indireta.
• Apresenta uma eficiência de 35 a 40%, que podem ser
otimizada aumentando a pressão e a temperatura de vapor.
• Entretanto, é a melhor solução quando utilizando
combustíveis fósseis.
• Há problemas associados a poluição (atmosférica, fonte
d’água).
• Devido a complexidade de operação não permite variações
rápidas de geração.
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Geração Nuclear - I
• Estas plantas são tipo termelétricas, diferindo pela forma de
geração de calor.
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Geração Nuclear - II
• O calor é gerado num reator nuclear, na qual parte da massa
de combustível (urânio ou plutônio enriquecido) é
transformada em energia (processo de fissão nuclear.
• A energia aparece na forma de calor de alto grau, que é
usado para produzir vapor que aciona uma turbina acoplada
a um gerador elétrico.
• Utilizam-se condensadores como nas outras termelétricas,
gerando poluição térmica.
• Não há poluição direta da atmosfera (mas, gera lixo
atômico).
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Geração Nuclear - III
• Princípio de funcionamento (continuação):
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Sistema Elétrico de Potência (SEP)
• Descrição simplificada:
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SEP - II
• Geração Centralizada (Bulk Generation): matriz energética,
exemplificada principalmente por usinas hidrelétricas,
termelétricas e nucleares, com o maior grau de automação.
• Transmissão, com sistemas de supervisão e de contingência
avançados, e.g., o Sistema Interligado Nacional (SIN) gerido pelo
Operador Nacional do Sistema (ONS).
• Distribuição, sem automação ou com automação incipiente. Esse
cenário ocorre tanto em países em desenvolvimento quanto
desenvolvidos.
• Atualmente, as empresas de energia elétrica e órgãos
governamentais estão enfatizando na automatização do sistema
de distribuição.
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SEP - III
• Diagrama Unifilar
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SEP - IV
• O objeto do SEP é fornecer energia elétrica aos consumidores
atendendo aos índices de desempenho exigidos (níveis de tensão
máximos e mínimos, número de interrupção do fornecimento e
duração da interrupção do fornecimento).
• As subestações são locais onde os níveis de tensão são elevados
ou reduzidos de acordo com a necessidade do sistema. O coração
de uma subestação é uma máquina elétrica chamada de
transformador
• Para evitar e minimizar os danos materiais e pessoais em caso de
anomalias nos componentes de um sistema elétrico, são
utilizados dispositivos de proteção e manobra como disjuntores,
religadores e chaves seccionadoras, localizados dentro das
subestações ou em postes ao longo das linhas de distribuição.
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SEP - V
• Os disjuntores, religadores e chaves seccionadoras são os
principais atuadores em um sistema de distribuição (controlados
pelos relés de proteção, os quais recebem de sensores
informações das variáveis do sistema, como tensão, corrente,
potência, freqüência e etc).
• Assim como os controladores de processo, os relés de proteção
evoluíram ao longo dos anos e hoje são equipamentos
microprocessados com interfaces de comunicação para
transferência de dados digitais.
• As concessionárias procuram construir as redes de distribuição
de forma a oferecer redundância na opção de fornecimento de
energia aos principais consumidores permitindo o isolamento de
trechos defeituosos através da manobra dos dispositivos de
proteção.
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Funções da Automação de SEP - I
1. Monitoração: valores de medições realizadas (tensão,
corrente, potências, fator de potência), estado dos
disjuntores e chaves seccionadoras.
2. Proteção: manobra de dispositivos para proteger os
geradores, transformadores e linhas de transmissão na
ocasião de anomalias do sistema.
3. Comando: manobra de equipamentos a critério do operador.
4. Alarme: notifica o operador de ocorrência de alteração da
configuração da rede elétrica ou irregularidade funcional de
algum equipamento.
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Funções da Automação de SEP - II
5. Armazenamento de dados históricos: possibilita estudos de
ampliação do sistema e análise de faltas.
6. Gráficos de tendência: permitem que o operador antecipe
algum tipo de falta antes que ela ocorra.
7. Intertravamento: bloqueio de manobras visando a
segurança do sistema.
8. Registro seqüencial de eventos: permite conhecer a ordem
da atuação dos dispositivos, permitindo uma análise
posterior da causa das faltas.
9. Religamento automático
10. Controle de tensão e reativos (banco de capacitores e
compensadores síncronos).
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Sistema SCADA - I
• A automação de sistemas elétricos faz uso de sistemas de
Controle Supervisório e Aquisição de Dados chamados de
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).
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Sistema SCADA - II
• Sistemas SCADA são tipicamente usados em
concessionárias de serviços de distribuição de energia, gás,
água, como também em processos industriais, indústrias de
mineração, industria de lazer e segurança, que tenham a
necessidade de usar telemetria para conectar equipamentos
e sistemas separados por grandes distâncias.
• A telemetria é usada para enviar comandos, programas e
receber informação de monitoramento destas locações
remotas.
• SCADA refere-se a combinação de telemetria e aquisição
de dados.
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Sistema SCADA - III
• Um sistema SCADA engloba a coleta de informações
remotas, as transferindo para uma central, executando
qualquer análise e controle necessário e mostrando as
informações em telas e displays.
• Um sistema SCADA consiste em um número de Unidades
Terminais Remotas (UTRs) coletando dados de campo e
enviando de volta a uma Estação Mestre, também chamada
de Unidade Terminal Central (UTC), via um sistema de
comunicação como linha discada, rádio, celular, satélite etc.
• A Estação Mestre mostra o dado adquirido em através de
um software de visualização e permite que o operador
efetue tarefas de controle remoto.
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Arquitetura do Sistema SCADA - I
• Um sistema SCADA é composto por: (i) instrumentação de
campo; (ii) UTRs (RTU); (iii) sistema de comunicação; (iv)
estação mestre; e (v) interface homem máquina (IHM).
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Arquitetura do Sistema SCADA - II
• As UTRs estabelecem uma interface para a instrumentação
de campo, isto é, os atuadores e sensores digitais e
analógicos situados em cada locação remota.
• O sistema de comunicação estabelece um caminho para a
comunicação entre a Estação Mestre e as Remotas
• A Estação Mestre coleta os dados das várias UTRs e
geralmente disponibiliza, em PCs ou Estações de Trabalho
com softwares específicos, interfaces homem máquina para
visualização e controle remoto das locações.
• Em alguns casos são necessários o uso de repetidores ou
Estações Mestres secundárias.
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Protocolos de Sistemas SCADA
1. DNP3 (Distributed Network Protocol V3.0): foi criado como um
protocolo proprietário pela divisão Harris Controls da GE para
ser usado em concessionárias de energia elétrica
2. IEC 60870-5 (Telecontrol Equipment and Systems): refere-se a
uma coleção de padrões abertos produzidos pela Comissão
Internacional de Eletrotécnica, ou IEC.
3. UCA (Utility Communications Architeture): é um conjunto de
padrões para dispositivos de monitoração e controle para
interoperar com aplicações típicas de concessionárias, não
somente SCADA, em um ambiente de múltiplos fornecedores.
4. IEC 61850 (Communications Networks and Systems in
Substations): conjunto de funções que podem interoperar em
forma distribuída.
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Sistema SCADA - IV
• Exemplo: importância da etiqueta de tempo.
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EMS: Energy Management System - I
• Sistema de Gerenciamento da Energia (EMS: Energy
Management System), também denominado Sistema de
Supervisão e Controle (SSC), ou Despacho de Carga: provê
os meios para coordenação da operação e da manutenção
do sistema elétrico, isto visto de uma forma global.
• O SSC é composto por vários níveis hierárquicos de ação.
• UAC: Unidade de Aquisição de Dados e Controle.
• COR: Centro de Operação Regional
• COS: Centro de Operação do Sistema
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EMS: Energy Management System - II
• Exemplo de sistema hierárquico:
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Exemplo EMS
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EMS no Brasil
• O Brasil possui diversas fontes de geração de energia
elétrica. Sua matriz elétrica é composta de fontes
hidráulicas, nucleares, eólicas e térmicas (gás natural,
carvão, derivados de petróleo e biomassa).
• Despacho elétrico – é o controle da operação de geração de
energia elétrica no Brasil.
• O Operador Nacional do Sistema (ONS) é o responsável
pelo despacho de energia elétrica (i.e., ele indica quais
usinas de cada fonte devem produzir energia por um
determinado período).
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Despacho Elétrico - I
• Apesar de a matriz elétrica brasileira ser diversificada,
grande parte da geração provém do sistema hidrelétrico.
• Por um lado, isto é ótimo, pois o custo fixo da água é zero,
ou seja, a geração hidrelétrica é mais barata que a geração
por meio das outras fontes mencionadas.
• Por outro lado, a água possui um custo de oportunidade.
• Isto é: se o despacho for puramente hidrelétrico e se
gastarmos a água dos reservatórios para suprir a demanda
de energia, corre-se o risco de não haver água nos
reservatórios no futuro.
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Despacho Elétrico - II
• Portanto, a quantidade de energia gerada pelo sistema
hidrelétrico depende fortemente das condições hidrológicas do
passado e do futuro.
• Logo, apesar de termos garantido um custo baixo para esta
energia hoje, seremos obrigados a despachar mais usinas de alto
custo amanhã, encarecendo assim o custo médio da energia.
• Então, o custo de oportunidade da geração hidrelétrica deve ser
considerado pelo ONS na tomada de decisão sobre o despacho de
energia.
• O despacho ótimo é aquele capaz de suprir toda a demanda de
energia no país pelo menor custo levando em consideração as
condições hidrológicas do passado e do futuro.
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Equipamentos de Geração - I
• Geradores: AC vs DC
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Equipamentos de Geração - II
• Pela expressão da potência AC monofásica, nota-se que a
potência produzida é pulsante o que é inadequado para a
transferência de potência.
• Entretanto, no caso polifásico, a pulsação da potência pode
ser eliminada (caso trifásico já é suficiente).
• Geração AC trifásica:
• facilidade de operação
• facilidade de transmissão
• motores (e geradores) AC simples e baratos
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Gerador AC - I
• Princípio de funcionamento:
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Gerador AC - II
• Componente principais: rotor e estator.
• O rotor é formado de um número par de pólos de
polaridades alternadas.
• Em cada pólo é instalado uma bobina de campo conectada
as demais (enrolamento de campo).
• Um excitador alimenta corrente contínua nesse
enrolamento.
• No estator, em canais apropriados igualmente separados,
são condicionadas bobinas formando o enrolamento de
armadura.
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Gerador AC - III
• Quando o rotor gira, o fluxo oscila na armadura gerando
força eletromotriz.
• Um gerador trifásico fornece, nos terminais de fase a, b e c
3 tensões de fase Va, Vb e Vc.
• As tensões tem o mesmo módulo |V |, mas ângulos
diferentes (defasadas de 120o respectivamente).
• As três tensões são referidas a um quarto terminal,
chamado de neutro, usualmente aterrado.
• A conexão externa pode ser feita a três fios (Delta) ou
quatro fios (Estrela).
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Gerador AC - IV
• As máquinas síncronas (geradores) operam em paralelo
como partes de um grande sistema, às vezes continental,
denominada de rede elétrico (ou SEP).
• Os SEP operam 24 horas por dia sendo que a freqüência
comum de oscilação é mantida constante (no Brasil,
60 ± 0, 05 Hz) e qualquer gerador individual, mesmo um de
1000 MW, é geralmente muito pequeno com relação à
capacidade do sistema.
• Portanto, deve-se ter cuidado ao conectar um gerador à
rede. É necessário sincronizá-lo com a rede: igualdade de
freqüências de oscilação, de tensões e de fases entre o
gerador que se deseja conectar e a rede.
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Transformador de Potência - I
• Pare diminuir as perdas de condução (perdas ohmicas), as tensões
de saída dos geradores, na faixa dos 20 KV, são aumentadas para
350 a 500 KV para fins de transmissão a grandes distâncias.
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Transformador de Potência - II
• O núcleo é laminado para minimizar as perdas.
• O bobinado é realizado em volta do núcleo em arranjos
concêntricos.
• Núcleo e bobinado estão submersos em óleo que serve a
um duplo propósito: isolamento e refrigeração.
• A refrigeração por convecção natural ou forçada.
• Tipos: Monofásicos e Trifásicos.
• Auto-transformadores: não possuem isolação entre
primário e secundário (regular tensão).
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Rede de Transmissão - I
• A energia elétrica gerada nas usinas é transmitida aos
centros consumidores utilizando linhas de transmissão,
interligadas na forma de uma grande rede, cuja função é
permitir o atendimento de uma demanda variável.
• As redes de transmissão são geralmente representadas
esquematicamente através de diagramas unifilares.
• As usinas são representadas por círculos (seus geradores).
Associados aos geradores conectam-se os transformadores
de potência para elevar a tensão.
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Rede de Transmissão - II
• A saída do transformador é conectada a um barramento, ao
qual chegam linhas de transmissão provenientes de outros
barramentos e do qual saem linhas para outros barramentos.
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Rede de Transmissão - III
• Transformadores de potência e barramentos e outros
equipamentos necessários, encontram-se no que se
denomina subestações.
• Nas subestações (como a do Parque São Jorge) a tensão de
transmissão é abaixada a níveis compatíveis com os dos
usuários.
• Ressalta-se o fato que a interconexão em rede permite que
um mesmo usuário possa ser atendido com energia gerada
em locais diferentes, proporcionando grande flexibilidade
ao sistema.
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Exercício
• Para o diagrama unifilar abaixo, explicitar: geradores, subestações,
tensões de transmissão e dispositivos de regulação de tensão, manobra e
proteção.
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