Sistemas de formação para a engenharia eletrotécnica A rede de fornecimento completa com energias renováveis 3.ª edição Índice Qualificação pela qualidade Sistemas de formação para a engenharia eletrotécnica .................................................................................................................... 4 Apresentar conteúdos didáticos complexos com vivacidade Ambiente de aprendizagem baseado em computador ..................................................................................................................... 5 Labsoft Classroom Manager ............................................................................................................................................................ 6 SCADA Software PowerLab ............................................................................................................................................................ 7 Desde a produção ao consumo de energia Redes de energia inteligentes no futuro ........................................................................................................................................... 8 Sistemas interligados em rede no laboratório de engenharia eletrotécnica ..................................................................................... 10 Um olhar de relance ................................................................................................................................................................... 12 Mais do que um sistema de formação Solução completa para laboratório de engenharia eletrotécnica .................................................................................................... 14 Índice Fundamentos da engenharia eletrotécnica ............................................................................................................................. Tecnologia de corrente contínua, alternada e trifásica (UniTrain-I) .................................................................................................. Magnetismo/eletromagnetismo (UniTrain-I) ................................................................................................................................... Medição com o multímetro (UniTrain-I) ......................................................................................................................................... Redes e modelos de rede (UniTrain-I) ............................................................................................................................................. Transformadores de corrente e de tensão ...................................................................................................................................... 16 20 23 24 25 26 Produção de energia .................................................................................................................................................................. Geradores síncronos trifásicos (UniTrain-I) ..................................................................................................................................... Controlo de geradores e sincronização .......................................................................................................................................... Proteção para geradores ............................................................................................................................................................... 28 32 33 35 Produção de energia renovável ................................................................................................................................................ Sistemas fotovoltaicos (UniTrain-I) ................................................................................................................................................. Sistemas fotovoltaicos Nível avançado ........................................................................................................................................... Turbinas eólicas ............................................................................................................................................................................. Tecnologia das pilhas de combustível (UniTrain-I) ........................................................................................................................... Tecnologia das pilhas de combustível Nível avançado .................................................................................................................... 38 42 44 48 54 56 Transformadores......................................................................................................................................................................... Transformador trifásico (UniTrain-I) ................................................................................................................................................ Análises em transformadores ........................................................................................................................................................ Proteção de transformadores ........................................................................................................................................................ 58 62 63 64 Transmissão de energia.............................................................................................................................................................. Análises em linhas de corrente trifásica ......................................................................................................................................... Linha com sistema com neutro compensado mediante bobina de extinção ................................................................................... Sistemas de transmissão com gerador síncrono ............................................................................................................................. Análises em cabos trifásicos .......................................................................................................................................................... Proteção de linhas ......................................................................................................................................................................... 66 70 72 73 74 76 Distribuição de energia ............................................................................................................................................................. 80 Sistema de barramento duplo trifásico .......................................................................................................................................... 82 Proteção contra sobreintensidades para barramentos .................................................................................................................... 84 Gestão de energia ...................................................................................................................................................................... Consumidores complexos, medição do consumo de energia e monitorização de cargas de pico .................................................... Consumidores dinâmicos .............................................................................................................................................................. Compensação automática e manual da potência reativa ............................................................................................................... Acionamentos com eficiência energética ....................................................................................................................................... Proteção de consumidores elétricos ............................................................................................................................................... 86 90 91 92 93 94 Smart Grid .................................................................................................................................................................................. 96 Smart Grid: Centro de controlo ................................................................................................................................................... 102 Smart Grid: Gestão de energia .................................................................................................................................................... 103 Produtora de energia na Smart Grid ............................................................................................................................................ 104 Acumulador de energia na Smart Grid ........................................................................................................................................ 105 Qualificação pela qualidade Sistemas de formação para a engenharia eletrotécnica Progresso técnico... A revolução energética em direção às energias renováveis, cortando com o carvão, o petróleo e a energia nuclear, entra em velocidade de cruzeiro. Hoje em dia, a tecnologia está de tal maneira avançada que a energia solar, a energia eólica, o hidrogénio e a biomassa já são utilizáveis como fontes de energia amigas do ambiente. Para que a tendência não se inverta, são procurados, em todo o mundo, profissionais técnicos com uma excelente formação. A produção, o transporte e a distribuição de energia, a par da proteção de instalações técnicas e da utilização sustentável dos recursos energéticos, estão atualmente nas bocas de toda a gente em virtude das chamadas redes inteligentes (smart grids)! ... com enorme impacto sobre a formação O sistema didático da Lucas-Nülle, no domínio da engenharia eletrotécnica, permite que o pessoal docente transmita ao formando as correlações tecnológicas da engenharia eletrotécnica de uma forma fácil de abarcar e eminentemente prática. A engenharia eletrotécnica compreende as áreas de produção, transmissão, distribuição e utilização de energia elétrica, além da tecnologia de proteção para essas áreas. O sistema é extremamente variável, podendo ser adaptado a qualquer momento, sem quaisquer problemas, às diferentes exigências da formação de especialistas, técnicos ou engenheiros. As vantagens para si •Extenso programa completo desde a produção de energia, passando pela tecnologia de distribuição, até à utilização dos recursos energéticos •Integração das energias renováveis na engenharia eletrotécnica convencional •Monitorização e controlo por meio de SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) •Sistema de experiências modular para uma abordagem experimental gradual das correlações dos sistemas •A estrutura em barramento de todos os níveis de tensão permite uma configuração rápida e fácil da experiência •Reprodução realista de uma linha de transmissão de 380 kV, com 300 km e 150 km de extensão •Utilização de equipamentos industriais normalmente disponí veis no comércio na tecnologia digital voltada para o futuro •Elevada segurança no trabalho através do uso exclusivo de tomadas e cabos de segurança •Tecnologia de proteção para todas as áreas da engenharia eletrotécnica 4 Lucas-Nülle Apresentar conteúdos didáticos complexos com vivacidade Ambiente de aprendizagem baseado em computador LabAssistant interativo (ILA) Durante a realização das experiências, o formando é assistido pelo LabAssistant interativo (ILA). Este assistente não só dá instruções a respeito da experiência, como também fornece informações teóricas valiosas, regista os valores medidos e gera automaticamente em segundo plano a documentação de laboratório necessária, sob a forma de documento impresso ou documento PDF. Se quiser personalizar a forma como a instrução é dada, basta usar o LabSoft Classroom Manager para modificar ou adicionar conteúdo. As vantagens para si •Transmissão de teoria através de animações fáceis de compreender •Manuais de operação integrados •Apoio durante a realização das experiências •Documentação dos resultados das experiências (geração de um relatório da experiência) •Representação interativa das configurações da experiência •Teste de conhecimentos, incluindo a função de feedback •Acesso a aparelhos de medição e de teste reais com amplas possibilidades de avaliação •Inclui o software SCADA Viewer com exemplos de medição adequados •Por fim, e não menos importante, as tarefas de projeto orientadas para a prática contribuem também para o sucesso da aprendizagem 5 Lucas-Nülle Apresentar conteúdos didáticos complexos com vivacidade LabSoft Classroom Manager O LabSoft Classroom Manager é um software de administração abrangente, que permite organizar e gerir facilmente processos de ensino e aprendizagem orientados para a prática. O Classroom Manager é apropriado para todos os programas didáticos baseados em LabSoft, como ILA, UniTrain-I, InsTrain e CarTrain, sendo constituído pelas seguintes partes: LabSoft Manager: gira os seus cursos LabSoft, formandos e grupos de aprendizagem com o LabSoft Manager. Assim, os formandos disporão sempre dos conteúdos didáticos certos. LabSoft Reporter: o LabSoft Reporter apresenta o progresso de aprendizagem e os resultados dos exames. As inúmeras avaliações de resultados individuais ou de grupo, obtidas em cursos e exames, permitem ter um controlo direcionado. LabSoft Editor: o LabSoft Editor permite-lhe criar novos cursos ou alterar cursos existentes. Numerosos assistentes guiam o utilizador passo-a-passo através das informações necessárias. LabSoft Test Creator: o LabSoft Test Creator cria exames que permitem testar simultaneamente conhecimentos e competências profissionais. Base de dados de perguntas sobre energias renováveis LabSoft Questioner: no LabSoft Questioner existem muitos tipos de questões para criar perguntas, tarefas de medição e perguntas de exame. Os exercícios e as perguntas podem ser inseridos em cursos e exames. 6 Lucas-Nülle SCADA Software PowerLab ”Supervisory Control and Data Acquisition“ (SCADA) consiste em monitorização, controlo e aquisição de dados de processos técnicos em tempo real. Em engenharia eletrotécnica, o sistema SCADA é usado em áreas que vão desde a geração e da transmissão, passando pela proteção, até ao uso de energia. O sistema SCADA permite ao pessoal rastrear e introduzir dados em processos. Os valores medidos são exibidos em tempo real no ecrã. Existe a possibilidade de alterar os sinais de controlo durante o processo. O sistema SCADA também pode gerir o processo automaticamente. A inclusão de muitos valores medidos permite um melhor planeamento do futuro, a par de uma otimização económica. O sistema pode ser controlado remotamente através de redes de área local (LAN). O sistema SCADA é o componente central numa rede inteligente (Smart Grid), levando a uma melhor utilização da infraestrutura da rede e à criação de reservas de energia. As vantagens para si •Software SCADA adaptado à formação •Realização, controlo e análise de redes inteligentes complexas (Smart Grid) •SCADA Designer: - Disposição simbólica de todos os dispositivos da engenharia eletrotécnica Lucas-Nülle na interface do utilizador - Símbolos de circuitos padronizados •SCADA Viewer: - Licença para estudante para o acompanhamento e comando das instalações - Apresentação e controlo dos valores de medição e dos estados de todos os sistemas existentes na rede - Os parâmetros e sinais importantes podem ser controlados pelo software •Autómato programável (PLC) SCADA: Soft-PLC integrado, programável segundo a norma IEC 61131 •SCADA Logger: gravação, apresentação, avaliação e exportação de todos os valores ao longo do tempo •SCADA Panel Designer: conceção de interfaces de utilizador próprias •SCADA Net: - O conceito cliente/servidor permite o acesso remoto simultâneo aos sistemas na Smart Grid a partir de qualquer PC (estudantes) - O acesso limitado ou ilimitado é definido pelo formador no software SCADA 7 Lucas-Nülle Desde a produção ao consumo de energia Redes de energia inteligentes no futuro Unidade de acumulação por bombagem Central nuclear Extra-alta tensão Central de carvão CCAT Subestação transformadora Parque eólico offshore Centro industrial Alta tensão Central elétrica industrial 8 Rede de transmissão Os equipamentos Lucas-Nülle permitem simular uma rede completa de fornecimento de energia, desde a produção até ao consumo final. Rede de distribuição Pode r mais á encont ra infor maçõ r sobr es e ”S Grid “ a p mart pági artir da na 9 6 Central de energia eólica Central de energia solar Consumidor industrial Consumidor industrial Média/baixa tensão 1001101 Centro de controlo da ”Smart Grid“ Mobilidade elétrica Rede local Rede urbana 9 Desde a produção ao consumo de energia Sistemas interligados em rede no laboratório de engenharia eletrotécnica O laboratório inteligente Os equipamentos da Lucas-Nülle GmbH para a engenharia eletrotécnica podem ser combinados da forma que for mais conveniente. Assim, por exemplo, a energia gerada a partir de fontes de energia renováveis pode ser transmitida através do sistema de simulação de transmissão, adaptada com transformadores e distribuída pelos consumidores que se pretender com os barramentos duplos. Os sistemas de barramento dos dispositivos de medição e proteção podem ser todos combinados entre si, e avaliados e controlados centralmente pelo sistema SCADA para software PowerLab. Para esse efeito, deixa de haver limites à topologia e profundidade de estudo de redes inteligentes em laboratório. 1001010101011101010101010111101000001010101010001010111010101010001001000100101010 Produção 10 Lucas-Nülle Pode r mais á encont ra infor maçõ r sobr es e ”S Grid “ a p mart pági artir da na 9 6 01001001010100101011100010101010100010101010000101001010010010000100101000101010101 Transmissão Distribuição Consumo 11 Lucas-Nülle Um olhar de relance Proteção de instalações técnicas de energia Análises em instalações técnicas de energia SCADA EGP SCADA ETP Proteção para geradores Proteção de transformadores • Proteção diferencial do gerador • Proteção temporizada contra sobrecorrentes • Proteção contra carga desequilibrada • Proteção contra potência inversa • Proteção contra sobretensões e subtensões • Proteção contra defeito à terra no estator • Proteção contra defeito à terra no rotor • Proteção diferencial de transformadores • Proteção temporizada contra sobrecorrentes SCADA EUG SCADA EUT Produção de energia Transformador • Geradores síncronos trifásicos • Circuitos de sincronização • Regulação automática da potência e do fator de potência • Transformador sem carga (em vazio) e em curto-circuito • Transformador com carga resistiva, indutiva e capacitiva • Operação em paralelo de transformadores • Distribuição de corrente para diferentes grupos de ligação Produção de energia renovável • Energia eólica • Sistemas fotovoltaicos • Pilha de combustível Fundamentos sobre engenharia eletrotécnica Fundamentos da eletrotecnia Redes e modelos • Tecnologia de corrente contínua • Tecnologia de corrente alternada • Tecnologia de corrente trifásica • Magnetismo/eletromagnetismo • Medição com o multímetro • Processos transientes em redes de corrente contínua e alternada • Modelos de redes de corrente contínua 12 Lucas-Nülle ELP SCADA EDP SCADA ECP Proteção de linhas Proteção de barramento Proteção de consumidores elétricos • Proteção contra sobretensões e subtensões • Proteção do sentido de potência • Proteção temporizada contra sobrecorrentes • Proteção contra falha à terra • Proteção de linhas paralelas • Proteção à distância • Proteção temporizada contra sobrecorrentes para barramentos duplos • Proteção de máquinas elétricas • Relé de gestão do motor SCADA EUL SCADA EPD SCADA 100101010101110101010101011110100000101010101000101011101010101000100100010010101010010010101001010111000101010101000101010 SCADA EUC Transmissão de energia Distribuição de energia Consumo de energia • Análises em linhas de corrente trifásica • Análises em linhas paralelas • Análises em linhas de neutro compensado por bobina de extinção • Análises em sistemas de transmissão com gerador síncrono • Sistema de barramento duplo trifásico • Troca de barramento de comando manual • Troca automática de barramento com PC • Consumidores complexos • Compensação da potência reativa • Medição do consumo de energia • Monitorização de cargas de pico • Gestão de energia EUB Transformadores de corrente e de tensão • Transformador de corrente para dispositivos de proteção • Transformador de tensão para dispositivos de proteção Smart-Grid • Energias renováveis na Smart Grid • Combinação e controlo de todos os sistemas • Software SCADA • Gestão inteligente da energia: coordenar a produção e o consumo de energia 13 Lucas-Nülle Mais do que um sistema de formação Solução completa para laboratório de engenharia eletrotécnica Apresentar conteúdos didáticos complexos com vivacidade usando meios didáticos modernos Energias renováveis: energia eólica, pilhas de combustível, energia fotovoltaica 14 Lucas-Nülle Smart Grid: medir e controlar todo o fluxo de energia com o sistema SCADA Soluções completas para a engenharia eletrotécnica: desde a produção, passando pela transmissão e distribuição, até ao consumo Transferência de conhecimento multimédia com UniTrain-I 15 Lucas-Nülle Fundamentos da engenharia eletrotécnica Tecnologia de corrente contínua (UniTrain-I) ............................ Tecnologia de corrente alternada (UniTrain-I) ........................... Tecnologia de corrente trifásica (UniTrain-I) .............................. Magnetismo/eletromagnetismo (UniTrain-I) ............................. Medição com o multímetro (UniTrain-I) ................................... Redes e modelos de rede (UniTrain-I) ....................................... Transformadores de corrente e de tensão ................................ 20 21 22 23 24 25 26 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Fundamentos da engenharia eletrotécnica Introdução à engenharia eletrotécnica com recurso a multimédia e de uma forma vocacionada para a prática Com o sistema de formação e experimentação multimédia UniTrain-I, o formando é conduzido, com a ajuda de textos, gráficos, animações e testes de conhecimentos, ao longo da teoria e de experiências guiadas com base num software de curso estruturado de forma clara. Além do software didático, cada curso inclui ainda um kit de placas de experiências, nas quais são realizados os exercícios práticos. Devido às inúmeras experiências e animações que possuem, os cursos multimédia UniTrain-I permitem ter uma visão das questões mais atuais em torno da engenharia eletrotécnica. Os fundamentos da tecnologia de corrente contínua, corrente alternada e corrente trifásica, bem como as operações em redes de distribuição, são tratados em vários cursos. Os processos típicos que requerem especial atenção na produção e distribuição de energia elétrica podem ser analisados na experiência usando muito baixa tensão de segurança, que é perfeitamente inócua. As vantagens para si •Teoria e prática ao mesmo tempo e no mesmo lugar •Elevada motivação dos estudantes por causa do uso do PC e de novos meios •Localização de falhas guiada com simulador de falhas integrado •Segurança graças ao uso de muito baixa tensão de segurança •Sucesso rápido graças ao guia de curso estruturado •Vasto sortido de cursos •Entendimento rápido por meio da teoria animada •Soluções exemplificativas para professores •Competência profissional através da experimentação própria •Feedback constante por meio de perguntas de compreensão e testes de conhecimentos 18 Lucas-Nülle Fundamentos da engenharia eletrotécnica Sistema UniTrain-I • Laboratório completo portátil • Cursos multimédia • Interface de medição e de comando altamente avançada • Teoria e prática em simultâneo Fontes de alimentação e de medição integradas • Multímetro, amperímetro, voltímetro • Osciloscópio de 2 canais com memória • Gerador de funções e formas de onda • Fonte de alimentação tripla para CA e CC • Unidade de alimentação de corrente trifásica • ... e muitos outros dispositivos Software de aprendizagem e experimentação LabSoft • Vasto sortido de cursos • Teoria abrangente • Animações • Experiências interativas com manual • Navegação livre • Documentação dos resultados de medição • Testes de conhecimentos disponíveis no seu idioma 19 Lucas-Nülle Fundamentos da engenharia eletrotécnica Tecnologia de corrente contínua Corrente, tensão e circuitos resistivos Corrente, tensão, resistência – aquisição dos fundamentos eletrotécnicos de uma forma orientada para a prática. O curso faz uso de inúmeras experiências, animações e textos, facilmente compreensíveis, para ilustrar as leis fundamentais da eletrotecnia. Conteúdos didáticos •Conceitos básicos: carga elétrica, campo elétrico, corrente, tensão, resistência e potência •Manuseamento de fontes de tensão e instrumentos de medição •Comprovação experimental das leis de Ohm e de Kirchhoff •Medições em circuitos em série, em paralelo e em divisores de tensão •Gravação de curvas características de resistências variáveis (LDR, NTC, PTC, VDR) •Estudo da bobina e do condensador no circuito de corrente contínua •Localização de falhas 20 Equipamento UniTrain-I Tecnologia de corrente contínua Lucas-Nülle Fundamentos da engenharia eletrotécnica Tecnologia de corrente alternada Indutância, capacitância, circuito ressonante/transformador Qual o comportamento das bobinas e dos condensadores em presença de corrente alternada? O que é um circuito ressonante e como funciona um transformador? Conteúdos didáticos •Conhecimento das grandezas características dos sinais periódicos e sinusoidais •Medição do comportamento em frequência de circuitos ressonantes em série e em paralelo •Manuseamento de diagramas fasoriais •Medições da carga, do funcionamento em vazio e de curtocircuito •Determinação experimental da reactância da bobina e do condensador •Explicação da potência ativa, reativa e aparente •Determinação da resposta em frequência de circuitos de filtro simples •Comportamento em frequência de transformadores e transformadores de impulsos de disparo •Localização de falhas •Circuitos elétricos ressonantes: ressonância, qualidade, largura de banda e frequência de corte Equipamento UniTrain-I Tecnologia de corrente alternada Lucas-Nülle 21 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Tecnologia de corrente trifásica Circuito estrela-triângulo, gerador trifásico A corrente trifásica ocupa uma posição proeminente na engenharia energética e de acionamentos, tanto na produção e transporte de energia elétrica, como também na propulsão de potentes máquinas industriais. Conteúdos didáticos •Medições de grandezas de fase e de linha na rede de corrente trifásica •Determinação experimental de leis entre tensões de fase e de linha •Consumidores resistivos e capacitivos na configuração em estrela e em triângulo •Deslocamento de fase entre tensões de fase e de linha •Medição das correntes de compensação no condutor neutro •Efeitos de interrupções do condutor neutro •Medições de correntes e de tensões com cargas simétricas e assimétricas •Medição da potência em presença de uma carga trifásica 22 Equipamento UniTrain-I Tecnologia de corrente trifásica Lucas-Nülle Fundamentos da engenharia eletrotécnica Magnetismo/Eletromagnetismo Campo magnético, indução, componentes O magnetismo e a eletricidade estão intimamente relacionados. Muitos componentes da eletrotecnia tiram partido dos efeitos (eletro)magnéticos. Conteúdos didáticos •Magnetismo: polos magnéticos, campo magnético, linhas de campo e intensidade de campo •Materiais magnéticos duros e macios, histerese •Estudo do campo magnético de um condutor atravessado por uma corrente elétrica •Estudo de um transformador com diferentes cargas •Estrutura e funcionamento de componentes eletromagnéticos: relé, interruptor de lâminas flexíveis ”reed“, interruptor de efeito Hall •Estudo de circuitos de aplicação •Estudo do campo magnético de uma bobina (bobina com núcleo de ar, bobina com núcleo magnético) •Indução eletromagnética e força de Lorentz •Estrutura e modo de funcionamento de um transformador Equipamento UniTrain-I Magnetismo/eletromagnetismo Lucas-Nülle 23 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Medição com o multímetro Medição de corrente, medição de tensão, medição de resistências e díodos Medir de forma correta e trabalhar de forma segura – Ao longo do curso, será treinado o manuseamento seguro de multímetros normais à venda no mercado tendo por base inúmeros exercícios de medição e animações. Conteúdos didáticos •Conhecimento dos elementos de comando do multímetro •Fontes de perigo durante as medições em circuitos elétricos •Medição de tensões elétricas contínuas e alternadas com o multímetro •Medição de correntes elétricas contínuas e alternadas com o multímetro •Medições de resistências e díodos •Método de medição ”de zero“ e medições de continuidade elétrica •Adaptação do intervalo de medição •Deteção de possíveis fontes de erro durante as medições •Determinação dos componentes num circuito desconhecido recorrendo às medições de correntes e de tensões 24 Equipamento UniTrain-I Medição com o multímetro Lucas-Nülle Fundamentos da engenharia eletrotécnica Redes e modelos de rede Processos transientes em redes de corrente contínua e alternada Do ponto de vista estrutural, as redes de distribuição de energia elétrica consistem em linhas ligadas em paralelo ou sequencialmente. Nas redes de baixa, média e alta tensão existentes, ocorrem dois processos diferentes: estacionários (cargas constantes) e transientes (processos transitórios). Os processos transitórios ocorrem em caso de curto-circuito ou noutras situações de falha. Em determinadas circunstâncias, as manobras também podem originar processos transitórios. Estes processos típicos, que requerem especial atenção na produção e distribuição de energia elétrica, podem ser analisados na experiência usando muito baixa tensão de segurança, que é perfeitamente inócua. Conteúdos didáticos •Conhecimento do significado das manobras em redes de energia •Avaliação dos efeitos (perigos) de manobras em redes de energia •Estudo experimental da curva da tensão e da corrente ao ligar uma tensão contínua •Análise da influência de cargas diversas (R, L, C) sobre a curva do sinal •Análise da influência dos tempos de ligação ou desligamento •Medições das curvas de sinais com diferentes tempos de desligamento •Determinação do momento de comutação ideal •Análise dos processos de ligação e desligamento com cargas complexas (R, L, C) em diferentes momentos de comutação •Estudo experimental da curva da tensão e da corrente ao ligar uma tensão alternada Equipamento UniTrain-I Processos transientes Lucas-Nülle 25 Fundamentos da engenharia eletrotécnica Transformador de corrente e transformador de tensão Transformador de corrente para dispositivos de proteção Os transformadores de corrente e de tensão são utilizados para os mais diversos fins na engenharia eletrotécnica. Nas experiências são analisados de forma vocacionada para a prática o comportamento de transmissão, o fator de sobrecorrente, os erros de valor absoluto e de deslocamento de fase, como por ex., com cargas diferentes. Além disso, são examinados os requisitos em operação normal, em curto-circuito e com falhas assimétricas. Exemplo de experiência ”Transformador de corrente EUB 1“ Conteúdos didáticos •Corrente secundária transformada em função da corrente primária •Influência da carga de saída sobre o erro de corrente •Verificação do fator de sobrecorrente nominal •Circuito de transformador de corrente numa rede a três fios •Circuito de transformador de corrente numa rede a quatro fios •Determinação da corrente residual 26 Equipamento EUB 1 Lucas-Nülle Fundamentos da engenharia eletrotécnica Transformador de tensão para dispositivos de proteção A proteção de instalações e partes de instalações não só depende de dispositivos de proteção seletiva, como também da deteção e medição corretas de correntes e tensões diferenciais mínimas. No caso de diferentes ligações de ponto neutro, deverão ser utilizados diferentes circuitos de medição, a fim de detetar e localizar adequadamente os possíveis tipos de falha. Exemplo de experiência ”Transformador de tensão EUB 2“ Conteúdos didáticos •Curvas características do transformador de tensão •Cálculo de erros de tensão e precisão por classes •Influência da carga de saída sobre a relação de transformação •Transformador de tensão trifásico numa rede sem anomalias •Transformador de tensão trifásico numa rede com defeito à terra do lado primário Equipamento EUB 2 Lucas-Nülle 27 Fonte: Woodward SEG Produção de energia Máquinas síncronas (UniTrain-I) ............................................... 32 Controlo de geradores e sincronização .................................... 33 Proteção para geradores ......................................................... 35 Produção de energia Produção de energia Com geradores síncronos trifásicos Além das experiências básicas à volta do gerador síncrono trifásico, as experiências nesta área incluem ainda circuitos de sincronização com comando manual e automático, bem como experiências relacionadas com a regulação automática do fator de potência (regulação do cos-phi) e a regulação da potência. Assim, neste módulo, a operação de uma central elétrica pode ser simulada em operação autónoma e interconectada. Ainda assim, é necessária uma proteção eficaz dos geradores contra falhas internas e externas, a qual requer a utilização de uma variedade de dispositivos de proteção. 30 Lucas-Nülle Produção de energia Geradores síncronos trifásicos A energia elétrica é produzida principalmente com recurso a geradores trifásicos. Isso tanto se aplica às centrais elétricas como aos geradores de corrente e aerogeradores. Estes geradores devem ser protegidos eficazmente contra falhas internas e externas através de uma variedade de dispositivos de proteção. Fonte: Woodward SEG Banco de ensaios de servomáquinas Constitui uma parte importante dos equipamentos de enge nharia eletrotécnica o banco de ensaios de servomáquinas - um sistema de ensaios completo para o estudo de máquinas elétricas e geradores. Esse banco é formado pela unidade de controlo digital, um servocomando e o software ActiveServo. O sistema combina tecnologia de ponta com facilidade de utilização. Além da movimentação e da frenagem, os modelos de máquinas de trabalho permitem emular de forma realista. Desse modo, consegue-se analisar máquinas, geradores e acionamentos em laboratório sob condições típicas da indústria. Sistemas de formação Os nossos sistemas de formação abrangem as seguintes áreas temáticas: • UniTrain-I Geradores síncronos trifásicos • Sistema de placas de experimentação ”Controlo de geradores e sincronização“ • Sistema de placas de experimentação ”Proteção para geradores“ 31 Lucas-Nülle Produção de energia Máquinas síncronas Máquina de rotor bobinado, máquina síncrona, máquina de relutância Os motores de relutância são os motores do futuro. Atualmente, estão amplamente disseminadas as máquinas de corrente trifásica com rotor síncrono e rotor bobinado. Conteúdos didáticos •Explicação da tecnologia e da respetiva aplicação na prática •Sistematização dos fenómenos da física necessários à compreensão •Arranque de máquinas com resistências de arranque e frequência variável •Controlo das rotações •Execução de várias experiências: - Ligação de um motor de rotor bobinado - Influência dos enrolamentos rotóricos abertos ou ligados - Efeito de diferentes tensões de excitação 32 Equipamento UniTrain-I Máquinas síncronas Lucas-Nülle Produção de energia Controlo de geradores e sincronização Circuitos de sincronização de comando manual A energia elétrica é produzida principalmente com recurso a geradores trifásicos. Isso tanto se aplica às centrais a vapor e hidroelétricas convencionais, como aos geradores de corrente e aerogeradores. Além das experiências básicas relativas ao gerador síncrono trifásico, são realizadas ainda várias experiências sobre o tema dos circuitos de sincronização de comando manual. Exemplo de experiência ”Circuitos de sincronização de comando manual EUG 1“ Conteúdos didáticos •Comutação por sombra •Comutação por luz •Comutação por circuito cíclico •Geração de potência ativa •Geração de potência reativa indutiva •Geração de potência reativa capacitiva Equipamento EUG 1 Lucas-Nülle 33 Produção de energia Controlo de geradores e sincronização Circuitos de sincronização automáticos, regulação da potência e regulação do fator de potência Ver pági também na 1 a 05 de d e acu , Unidamu por b omb lação agem (equ ipam e nto E UG 3 ) Além das experiências sobre circuitos de sincronização automáticos, são executadas experiências à volta da regulação automática do fator de potência (cos-phi) e da regulação da potência. É, assim, possível simular uma central elétrica em operação autónoma e interconectada. Exemplo de experiência ”Circuitos de sincronização automáticos EUG 2“ Conteúdos didáticos Circuitos de sincronização automáticos •Colocação em funcionamento e parametrização da unidade de automação •Sincronização em modo de teste •Sincronização na rede real •Comportamento da unidade de automação em caso de programação errada 34 Regulação automática do fator de potência •Parametrização do controlador automático do cos-phi •Sincronização do gerador com a rede •Regulação do cos-phi do gerador síncrono •Regulação do cos-phi da rede Regulação automática da potência •Parametrização do controlador de potência automático •Sincronização do gerador com a rede •Resposta a perturbações e comportamento de referência do controlador de potência •Sensibilidade e direção do efeito do controlador de potência Equipamento EUG 2 Lucas-Nülle Produção de energia Proteção para geradores Relé multifuncional Uma proteção eficaz dos geradores contra falhas internas e externas exige a utilização de uma variedade de dispositivos de proteção. A proteção temporizada contra sobrecorrentes forma a reserva de proteção para o gerador, podendo ser utilizada igualmente para detetar falhas externas, como por ex., curto-circuito e sobrecarga. Os defeitos à terra são detetados com a proteção contra defeito à terra no estator. O estudo da proteção contra potência inversa e carga desequilibrada, bem como a proteção contra sobretensão/ subtensão, completa a série de experiências ”EGP“ relativa à proteção do gerador. Exemplo de experiência ”Proteção para geradores EGP 1“ Conteúdos didáticos Proteção temporizada contra sobrecorrentes •Comportamento de ativação e desativação em caso de falhas monopolares e tripolares •Determinação dos tempos de disparo Proteção contra carga desequilibrada •Comportamento de ativação e desativação em presença de carga desequilibrada •Determinação da relação de desoperação e dos tempos de disparo •Determinação da curva característica do relé TA = f (carga desequilibrada) Equipamento EGP 1 Lucas-Nülle Proteção contra potência inversa •Sincronização do gerador na rede •Deteção e desconexão do gerador em caso de fluxo de potência inversa Proteção contra sobretensões e subtensões •Reações em caso de falha de fase •Deteção dos tempos de excitação e de disparo Proteção contra defeito à terra no estator •Determinação das tensões do sistema no modo de funcionamento normal ou defeito à terra no estator •Medição dos tempos de disparo •Cálculo da corrente de fuga 35 Produção de energia Proteção para geradores Proteção diferencial de geradores A proteção diferencial de geradores, que deteta falhas internas como curtos-circuitos, curtos-circuitos entre espiras e no enrolamento ou curtos-circuitos de defeito duplo à terra, serve de proteção principal. Exemplo de experiência ”Proteção diferencial de geradores EGP 2“ Conteúdos didáticos •Cálculo dos valores de operação da proteção •Deteção de falhas dentro do intervalo de proteção •Verificação da ativação e da desexcitação em caso de falha dentro e fora do intervalo de proteção •Desconexão e desexcitação do gerador •Medição das correntes de operação da proteção para falhas simétricas e assimétricas •Comparação dos valores medidos com os valores de ajuste 36 Equipamento EGP 2 Lucas-Nülle Produção de energia Proteção contra defeito à terra no rotor A proteção contra defeito à terra no rotor é utilizada para determinar falhas à terra no circuito de corrente de excitação de máquinas síncronas. Exemplo de experiência ”Proteção para geradores - proteção contra defeito à terra no rotor EGP 3“ Conteúdos didáticos •Colocação em funcionamento do gerador síncrono •Estudo no modo de funcionamento normal e com defeito à terra no rotor •Medição da corrente de defeito à terra no rotor •Relé de defeito à terra no rotor em operação com defeito à terra: - Ligação e verificação do relé de defeito à terra no rotor - Predefinição de diferentes curtos-circuitos no rotor - Verificação da mensagem de erro e da desconexão Equipamento EGP 3 Lucas-Nülle 37 Produção de energia renovável Sistemas fotovoltaicos (UniTrain-I) ........................................... Sistemas fotovoltaicos Nível avançado ..................................... Turbinas eólicas ....................................................................... Turbinas eólicas pequenas ....................................................... Tecnologia das pilhas de combustível (UniTrain-I) ..................... Tecnologia das pilhas de combustível Nível avançado .............. 42 44 48 52 54 56 Produção de energia renovável Produção de energia renovável Inesgotável, sustentável, real - O futuro é verde A revolução energética em direção às energias renováveis, cortando com o carvão, o petróleo e a energia nuclear, entra em velocidade de cruzeiro. Hoje em dia, a tecnologia está de tal maneira avançada que a energia solar, a energia eólica, o hidrogénio e a biomassa já são utilizáveis como fontes de energia amigas do ambiente. Para que a tendência não se inverta, são procurados em todo o mundo profissionais técnicos com uma excelente formação. Hoje em dia, as tecnologias mudam a um ritmo vertiginoso. Isso coloca também desafios no plano da formação. A Lucas-Nülle dispõe dos sistemas de formação adequados, que tomam em consideração a cada vez maior complexidade do mundo da formação. 40 Lucas-Nülle Produção de energia renovável Perspetivas ensolaradas com a energia fotovoltaica • Abu Dhabi anuncia que vai investir cerca de 2 mil milhões de dólares norte-americanos em tecnologia para a produção de módulos fotovoltaicos de filme fino, em Masdar. • No Silicon Valley, está a nascer a maior central de energia solar dos Estados Unidos, com uma potência nominal de 25 MW. • Na Alemanha, são já uma realidade 5 GW de potência fotovoltaica instalada. Esta potência corresponde à produzida por 5 modernos blocos de central elétrica. Até 2020, a potência deverá ser aumentada gradualmente até aos 40 GW. Futuro mais limpo com a energia eólica • Previsão para a Alemanha: no ano 2030, 25 % da eletricidade será produzida a partir de energia eólica. • Uma turbina eólica de 3,0 MW permite poupar anualmente 13 000 barris de petróleo ou 10 000 toneladas de CO2. Pilha de combustível - acumulador de longa duração para energia • Aplicação em veículos sem emissões • Difusão como fonte de alimentação de emergência • Aplicação como instalação de aquecimento urbano distrital 41 Lucas-Nülle Produção de energia renovável Sistemas fotovoltaicos Perspetivas ensolaradas com o curso sobre energia fotovoltaica Em tempos de rápido aumento de custos de energia e maior consciencialização ambiental, a energia fotovoltaica representa uma alternativa muito interessante para a geração de energia convencional. Com o curso sobre energia fotovoltaica, será possível aprender e examinar não só os fundamentos das células fotovoltaicas, como também simular um sistema fotovoltaico em operação direta ou com acumulador. Conteúdos didáticos • Conhecimento do princípio e do modo de funcionamento da célula fotovoltaica • Gravação de curvas características de um módulo solar • Explicação das correlações da corrente e/ou da tensão de um módulo solar com a temperatura, a irradiância e o ângulo de incidência • Explicação dos diferentes tipos de células fotovoltaicas • Conhecimento da estrutura de um acumulador de energia solar • Conhecimento dos diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos • Estabelecimento de uma rede isolada com acumulador de energia solar • Conhecimento de ligações em série, paralelo e outros tipos de ligações de células fotovoltaicas • Conhecimento dos métodos de fabrico das células foto voltaicas 42 Equipamento UniTrain-I Energia fotovoltaica Lucas-Nülle Produção de energia renovável Um curso multimédia serve de suporte à experiência As vantagens para si • Transmissão de conhecimentos e know-how através do curso multimédia UniTrain-I • Equipamento completo com todos os componentes necessários • Avaliação de dados medidos baseada em PC • O sistema funciona com 12 V • O sistema suporta a simulação de falhas Equipamento UniTrain-I Energia fotovoltaica Lucas-Nülle 43 Produção de energia renovável Sistemas fotovoltaicos Nível avançado 44 Lucas-Nülle Produção de energia renovável Trabalhos de projeto com componentes industriais O sistema de formação permite a simulação realista da trajetória aparente do sol. Assim, as experiências em laboratório podem ser realizadas de uma forma eminentemente prática, mesmo sem o sol, com a ajuda de emuladores. A transmissão de conhecimentos e know-how e a avaliação de dados medidos baseada em PC é possibilitada pelo curso multimédia ”Energia fotovoltaica Nível avançado“. Exemplo de experiência ”Energia fotovoltaica Nível avançado EPH 2“ Conteúdos didáticos Estudo de módulos solares • Experimentação da orientação ideal de módulos solares • Gravação de curvas características de módulos solares • Estudo do comportamento em presença de sombra parcial • Estudo do princípio de funcionamento de díodos de derivação • Conhecimento dos tipos de ligações de módulos solares Topologia de sistemas fotovoltaicos no modo de funcionamento autónomo • Instalação de sistemas fotovoltaicos • Topologia e teste de um sistema FV isolado no modo de operação direta Equipamento EPH 2 Lucas-Nülle • Topologia e teste de um sistema FV isolado no modo de operação com acumulador • Topologia e teste de um sistema FV isolado para a produção de tensão alternada de 230 V Topologia de sistemas fotovoltaicos no modo de funcionamento em paralelo com a rede • Instalação, topologia e teste de sistemas fotovoltaicos com injeção na rede • Medição da energia gerada por um sistema fotovoltaico • Determinação da eficiência do inversor de rede • Estudo do comportamento de um sistema fotovoltaico no caso de falha de rede 45 Produção de energia renovável Sistemas fotovoltaicos Nível avançado Sol no laboratório ”LabAssistant interativo“ • Guia passo-a-passo multimédia • Explicação dos fundamentos físicos através de animações fáceis de entender • Verificação do progresso de aprendizagem por meio de perguntas com a ferramenta de avaliação • Avaliação de dados medidos baseada em PC • Início de instrumentos virtuais diretamente a partir das instruções da experiência Módulo solar com emulador de altitude • Possibilidade de ajuste do ângulo de incidência do sol em função da posição (latitude), data e hora • Possibilidade de ajuste da inclinação do módulo solar • Módulo solar policristalino de 10 W • Projetor de halogéneo de 500 W com reóstato (dimmer) • Emulação realista do movimento aparente do sol 46 Equipamento EPH 2 Lucas-Nülle Produção de energia renovável Emulador solar • Possibilidade de realização de experiências mesmo sem sol, graças a três emuladores solares independentes • Possibilidade de ajuste individual da intensidade luminosa de cada emulador • Inclui um díodo de derivação ativável • 120 VA de potência Componentes industriais • Controlador de carga solar • Inversor isolado • Inversor de rede • Simplicidade de colocação em funcionamento e estudo de componentes industriais As vantagens para si • Transmissão de conhecimentos e know-how através de um curso multimédia ”LabAssistant interativo“ • Utilização de componentes industriais • Flexibilidade na realização das experiências graças ao módulo solar realista ou ao simulador de módulos solares • Avaliação de dados medidos baseada em PC • Integração nos sistemas de engenharia eletrotécnica Equipamento EPH 2 Lucas-Nülle 47 Produção de energia renovável Turbinas eólicas 48 Lucas-Nülle Produção de energia renovável Geradores de indução duplamente alimentados (GIDA) O equipamento permite o estudo de turbinas eólicas modernas com ”geradores de indução duplamente alimentados“. O vento pode ser emulado de uma forma próxima da realidade com o banco de ensaios de servomáquinas e o software ”WindSim“. Durante as experiências, é assegurada uma operação e visualização confortáveis através da interface de PC. O curso multimédia ”LabAssistant interativo“ pertencente transmite os conhecimentos teóricos, auxilia na execução das experiências e na verificação dos dados de medição. Exemplo de experiência ”Turbinas eólicas EWG 1“ Conteúdos didáticos • Compreensão da estrutura e princípio de funcionamento das turbinas eólicas modernas • Determinação dos pontos de trabalho ideais quando ocorrem mudanças nas condições do vento • Sistematização dos fundamentos físicos ”Desde o vento ao eixo“ • Estudo do comportamento em presença de falhas de rede ”cavas de tensão“ • Conhecimento de diversos conceitos de turbina eólica • Montagem e colocação em funcionamento de um aero gerador de indução duplamente alimentado • Operação do gerador em presença de ventos de intensidade variável e regulação da tensão e frequência de saída Equipamento EWG 1 Lucas-Nülle 49 Produção de energia renovável Turbinas eólicas Vento fresco no laboratório ”LabAssistant interativo“ • Guia passo-a-passo multimédia • Explicação dos fundamentos físicos através de animações fáceis de entender • Verificação do progresso de aprendizagem por meio de perguntas com a ferramenta de avaliação • Avaliação de dados medidos baseada em PC • Início de instrumentos virtuais diretamente a partir das instruções da experiência Emulador de vento Em turbinas eólicas reais, o vento e a geometria das pás asseguram o acionamento do gerador. Em laboratório, a função de gerar vento cabe ao banco de ensaios de servomáquinas e ao software WindSim. Desse modo, é possível emular em laboratório as mesmas condições que se verificam nas turbinas eólicas reais. • Emulação realista do vento e da geometria das pás • As rotações e o binário são ajustados automaticamente em função do vento e do ângulo de passo • O passo (pitch) e a intensidade do vento são reguláveis independentemente • Permite a introdução de perfis de vento • Registo de valores mecânicos e elétricos 50 Equipamento EWG 1 Lucas-Nülle Produção de energia renovável Gerador de indução duplamente alimentado com aparelho de comando • Aparelho de comando com dois inversores controlados • Excitação do gerador em operação subsíncrona e sobressíncrona • Disjuntor de potência integrado para ligação do gerador à rede • Regulação automática da potência ativa e aparente, frequência e tensão • Sincronização manual e automática • Medição e apresentação de todas as variáveis do sistema • Experiências com ”cavas de tensão“ ”Gerador de indução duplamente alimentado“ ”Cav as tens de ão“ ”Unidade de controlo para geradores de indução duplamente alimentados“ ”Simulador dinâmico de falhas de rede“ As vantagens para si • Transmissão de conhecimentos e know-how através de um curso multimédia ”LabAssistant interativo“ • A energia eólica e a estrutura mecânica da turbina eólica podem ser emuladas fielmente com o banco de ensaios de servomáquinas • O aparelho de comando controlado por microcontrolador para geradores de indução duplamente alimentados permite uma visualização e operação confortável durante as experiências • A mais moderna tecnologia com ”cavas de tensão“ • Integração nos sistemas de engenharia eletrotécnica Equipamento EWG 1 Lucas-Nülle 51 Produção de energia renovável Turbinas eólicas pequenas Corrente para a alimentação descentralizada As turbinas eólicas pequenas até 5 kW de potência são usadas hoje para fontes de alimentação descentralizadas. Os sistemas geram tensão contínua. A energia pode ser armazenada através de controladores de carga em baterias. Através do inversor, são produzidas tensões alternadas para a operação de consumidores de energia de rede. A influência da intensidade do vento e a estrutura mecânica da turbina eólica podem ser emuladas fielmente com o banco de ensaios de servomáquinas e o software ”WindSim“. Exemplo de experiência ”Turbina eólica pequena EWG 2“ Conteúdos didáticos • Compreensão da estrutura e princípio de funcionamento das modernas turbinas eólicas pequenas • Sistematização dos fundamentos físicos ”Desde o vento ao eixo“ • Conhecimento de diversos conceitos de turbina eólica • Montagem e colocação em funcionamento de um pequeno aerogerador • Otimização da instalação • Topologia de um sistema isolado para a produção de tensão alternada de 230 V • Conhecimento de sistemas híbridos para fornecimento autónomo de corrente proveniente de energia eólica e fotovoltaica • Operação em presença de ventos de intensidade variável em modo de operação com acumulador • Armazenamento de energia 52 Equipamento EWG 2 Lucas-Nülle Produção de energia renovável Características convincentes do produto ”LabAssistant interativo“ • Guia passo-a-passo multimédia • Explicação dos fundamentos físicos através de animações fáceis de entender • Verificação do progresso de aprendizagem por meio de perguntas com a ferramenta de avaliação • Avaliação de dados medidos baseada em PC • Início de instrumentos virtuais diretamente a partir das instruções da experiência Gerador síncrono • A energia eólica e a estrutura mecânica da turbina eólica podem ser emuladas fielmente com o banco de ensaios de servomáquinas • O comportamento do gerador em laboratório corresponde ao do sistema real • Turbina eólica pequena adequada para operação ao ar livre As vantagens para si • Transmissão de conhecimentos e know-how através de um curso multimédia ”LabAssistant interativo“ • A energia eólica e a estrutura mecânica da turbina eólica podem ser emuladas fielmente com o banco de ensaios de servomáquinas • O comportamento do gerador em laboratório corresponde ao do sistema real • Turbina eólica pequena real para operação ao ar livre, incluindo Mastset, integrável Equipamento EWG 2 Lucas-Nülle 53 Produção de energia renovável Tecnologia das pilhas de combustível Topologia e princípio de funcionamento de pilhas de combustível Presentemente, as energias renováveis já são comercializadas como solução para a escassez de energia prevista para o século XXI. A célula de combustível de hidrogénio faz parte desta solução. Ela é usada como tecnologia complementar em sistemas de energia do futuro, com o intuito de produzir energia limpa a partir de hidrogénio renovável. Conteúdos didáticos • Conhecimento do princípio e do modo de funcionamento da pilha de combustível • Gravação de curvas características de uma pilha de combustível • Explicação dos processos eletroquímicos da eletrólise (1.ª e 2.ª leis de Faraday) • Determinação da eficiência Faraday e energética de uma pilha de combustível • Apreciação da potência de pilhas de combustível • Conhecimento do princípio e do modo de funcionamento do eletrolisador • Gravação da curva característica Ul do eletrolisador • Determinação da eficiência Faraday e energética de um eletrolisador • Análise da ligação em série e em paralelo de pilhas de combustível 54 Equipamento UniTrain-I Tecnologia das pilhas de combustível Lucas-Nülle Produção de energia renovável Um curso multimédia serve de suporte à experiência As vantagens para si • Transmissão de conhecimentos e know-how através de um curso multimédia ”LabAssistant interativo“ • Dispositivo compacto com dupla célula de combustível PEM e eletrolisador PEM com gasómetro • Manuseamento seguro de hidrogénio • Alimentação de corrente de 2 V/2,5 A para alimentação do eletrolisador já integrada • Diversidade de cargas (lâmpadas, ventilador) • Carga variável para gravação de curvas características Equipamento UniTrain-I Tecnologia das pilhas de combustível Lucas-Nülle 55 Produção de energia renovável Tecnologia das pilhas de combustível Nível avançado Alimentação de corrente autónoma com célula de combustível A produção de energia elétrica com a ajuda das células de combustível é cada vez mais um tópico técnico importante, envolvendo inúmeras possibilidades de aplicação na tecnologia elétrica e automóvel. O sistema de experimentação proporciona muitos estudos interessantes, sem riscos associados ao manuseamento de hidrogénio e pilhas de combustível, sendo apropriado para demonstrações, bem como para um estágio. Teoria com animações, instruções do experimentador e campos de resultados são realizados com a ajuda do ”LabAssistant interativo“. Exemplo de experiência ”Pilha de células de combustível de 50 VA com consumidores EHY 1“ Conteúdos didáticos • Estrutura e modo de funcionamento de uma pilha de combustível • Estrutura e modo de funcionamento de um eletrolisador • Estrutura e modo de funcionamento de um acumulador de hidreto metálico • Termodinâmica da pilha de combustível • Curva característica e curva da potência da pilha de combustível • Eficiência • Componentes necessários para uma alimentação de corrente autónoma • Eletrónica de potência e conversão de tensão 56 Equipamento EHY 1 Lucas-Nülle Produção de energia renovável ”LabAssistant interativo“ • Guia passo-a-passo multimédia • Explicação dos fundamentos físicos através de animações fáceis de entender • Verificação do progresso de aprendizagem por meio de perguntas com a ferramenta de avaliação • Avaliação de dados medidos baseada em PC • Início de instrumentos virtuais diretamente a partir das instruções da experiência Pilha de células de combustível • Pilha de 50 VA • Caudalímetro para fornecimento de hidrogénio • Ventilador com velocidade variável para a ventilação da pilha de combustível • Medição de todas as grandezas relevantes Pilha de células de combustível de 50 VA As vantagens para si • Transmissão de conhecimentos e know-how através de um curso multimédia ”LabAssistant interativo“ • Entrada simples na temática da pilha de combustível • Experimentação inócua com hidrogénio • Pilha de células de combustível de 50 VA • Ligação para acumulador de pressão de hidrogénio • Eletrolisador de alto desempenho • Diversidade de cargas • Carga variável para gravação de curvas características Equipamento EHY 1 Lucas-Nülle 57 Transformadores Transformador trifásico (UniTrain-I) .......................................... 62 Análises em transformadores .................................................. 63 Proteção de transformadores .................................................. 64 Transformadores Transformadores Transformar e proteger Em engenharia eletrotécnica, utilizam-se transformadores para interligar os diferentes níveis de tensão da rede elétrica. A eletricidade da rede de distribuição regional, com média tensão variando entre 10 e 36 kV, é transformada em postos de transformação para fornecimento a clientes finais de baixa tensão em 400 V ou 230 V, usados na rede local. O transformador constitui o núcleo de uma subestação, o qual é necessário para os dispositivos de proteção. Medidas práticas e simulações de falhas incluídas no sistema de formação permitem entender estes sistemas complexos na sala de aula. 60 Lucas-Nülle Transformadores Transformadores Os transformadores são máquinas elétricas que servem para transformar correntes alternadas ou trifásicas, em tensões mais elevadas ou mais baixas. Os transformadores trifásicos assumem uma grande importância no transporte de energia elétrica. Em engenharia eletrotécnica utilizam-se transformadores para interligar os diferentes níveis de tensão da rede elétrica. Fonte: SIEMENS Proteção de transformadores A proteção diferencial de transformadores (a partir de aprox. 1 MVA), combinada com uma proteção temporizada contra sobrecorrentes, pode ser estudada metrologicamente com diferentes circuitos de enrolamentos (estrela, triângulo), diferentes grupos de ligação e em função do tratamento do ponto neutro (ligado à terra livremente, diretamente ou por meio de bobina de extinção (bobina de Petersen)) em modo de operação normal e no caso de várias situações de falha. Relativamente às correntes diferenciais, os critérios de disparo são determinados em função da sensibilidade da curva característica. Sistemas de formação Os nossos sistemas de formação abrangem as seguintes áreas temáticas: • UniTrain-I ”Transformador trifásico“ • Sistema de placas de experimentação ”Análises em transformadores“ • Sistema de placas de experimentação ”Proteção de transformadores“ 61 Lucas-Nülle Transformadores Transformador trifásico Formatos, tipos de ligação, comportamento sob carga Os transformadores são máquinas elétricas que servem para transformar correntes alternadas ou trifásicas, em tensões mais elevadas ou mais baixas. Os transformadores trifásicos assumem uma grande importância no transporte de energia elétrica. Conteúdos didáticos •Conhecimento do princípio dos transformadores e do esquema elétrico equivalente •Estudo do comportamento sob carga dos transformadores monofásicos em modo de funcionamento com um e com quatro quadrantes •Análise do consumo de corrente e tensão com e sem carga •Estudo da relação de transformação •Conhecimento de transformadores trifásicos •Estudo de situações de carga de diferentes grupos de ligação •Estudo de cargas assimétricas em diferentes grupos de ligação •Determinação da tensão de curto-circuito 62 Equipamento UniTrain-I Transformador trifásico Lucas-Nülle Transformadores Análises em transformadores Transformadores Em engenharia eletrotécnica utilizam-se transformadores para interligar os diferentes níveis de tensão da rede elétrica. Nas experiências, o esquema elétrico equivalente do transformador é tratado e as grandezas características são determinadas através de medições. Exemplo de experiência ”Análises em transformadores EUT“ Conteúdos didáticos •Transformador polifásico sem carga (em vazio) e em curto-circuito •Transformador polifásico com carga resistiva, indutiva e capacitiva •Determinação da impedância nula •Estudo da relação de transformação Equipamento EUT Lucas-Nülle 63 Transformadores Proteção de transformadores Proteção diferencial de transformadores A proteção diferencial de transformadores (a partir de aprox. 1 MVA) é estudada metrologicamente com diferentes circuitos de enrolamentos (estrela, triângulo) em diferentes grupos de ligação e em função do tratamento do ponto neutro (ligado à terra livremente, diretamente ou por meio de bobina de extinção (bobina de Petersen)) em modo de operação normal e no caso de várias situações de falha. Exemplo de experiência ”Proteção diferencial de transformadores ETP 1“ Conteúdos didáticos •Deteção e desconexão de falhas internas do transformador •Deteção de picos da corrente transitória de ligação (RUSH) sem desconexão •Disparos errados devido a transformador mal dimensionado •Seleção da curva característica do disparo tendo em conta as correntes diferenciais 64 Equipamento ETP 1 Lucas-Nülle Transformadores Proteção temporizada contra sobrecorrentes A proteção temporizada contra sobrecorrentes complementa as medidas da proteção diferencial de transformadores. A proteção temporizada contra sobrecorrentes protege o transformador contra curtos-circuitos fora do intervalo de proteção e contra sobrecarga. Exemplo de experiência ”Proteção temporizada contra sobrecorrentes ETP 2“ Conteúdos didáticos •Parametrização do relé de sobrecorrente temporizado tendo em conta a relação de transformação de corrente •Deteção dos valores de operação para falhas simétricas e assimétricas •Disparo errado da proteção devido ao comportamento de ligação do transformador •Comportamento de ligação do transformador em matéria de proteção Equipamento ETP 2 Lucas-Nülle 65 Transmissão de energia Análises em linhas de corrente trifásica ................................... Ligação em série e em paralelo de linhas ................................. Linha com sistema com neutro compensado mediante bobina de extinção .................................................. Sistemas de transmissão com gerador síncrono ....................... Análises em cabos trifásicos .................................................... Redes interligadas de cabos e linhas ........................................ Proteção de linhas ................................................................... 70 71 72 73 74 75 76 Transmissão de energia Transmissão de energia Linhas de transmissão e medidas de proteção de linhas As redes de alta tensão operam geralmente com tensões entre 110 kV e 380 kV, sendo que as cidades maiores e as unidades industriais de grande dimensão são abastecidas com 110 kV, enquanto que para o transporte de longas distâncias são escolhidos os 380 kV de tensão. O sistema de simulação de transmissão está projetado de modo que as tensões do modelo se situem entre 110 V e 380 V. Podem ser selecionadas linhas de comprimento diferente através de máscaras de sobreposição correspondentes. As análises no sistema de formação podem ser executadas sem carga (em vazio), em modo de funcionamento normal, em caso de curto-circuito e na eventualidade de falhas assimétricas, incluindo defeito à terra com e sem compensação. Além disso, oferece a possibilidade de construir estruturas complexas, ligando em paralelo ou em série os sistemas de simulação de transmissão de corrente. A alimentação de tensão pode ser feita através de uma rede de tensão e frequência constantes ou por meio de um gerador síncrono. 68 Lucas-Nülle Transmissão de energia Linhas de alta tensão As vantagens para si: •Para segurança dos formandos, o estudo de linhas de transmissão de alta tensão e a respetiva interligação são realizados com baixa tensão, sem que, com isso, se percam as propriedades da linha de alta tensão real! •Reprodução realista de uma linha de transmissão de 380 kV, com 300 km e 150 km de extensão •Forma inovadora de alternar entre comprimentos de linha, por meio de máscaras de sobreposição •Sistema com neutro compensado mediante bobina de extinção através de uma bobina de Petersen •Possibilidade de simulação de falhas simétricas e assimétricas •Compensação em série e em paralelo Tecnologia de proteção inovadora Na prática, as redes de alta e média tensão são equipadas com dispositivos de proteção, que são conectados usando transformadores de corrente e de tensão. •Utilização de relés originais compactos com tecnologia digital avançada •Utilização de relés de proteção industriais por empresas de prestígio, que operam no plano global •Monitorização dos dispositivos de proteção por meio de SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) •Os relés podem ser testados individualmente com o dispositivo opcional de teste de relés. Sistemas de formação Os nossos sistemas de formação abrangem as seguintes áreas temáticas: • Sistema de placas de experimentação ”Linhas de transmissão“ • Sistema de placas de experimentação ”Proteção de linhas“ 69 Lucas-Nülle Transmissão de energia Linhas de transmissão Análises em linhas de corrente trifásica Para segurança dos formandos, o estudo de linhas de transmissão de 380 kV e a respetiva interligação são realizados com baixa tensão, sem que, com isso, se percam as propriedades da linha de alta tensão real! Depois de sobrepor a máscara de edição, esta reprodução realista de uma linha de transmissão de 380 kV alterna automaticamente entre linhas de 300 km e 150 km de extensão. Exemplo de experiência ”Análises em linhas de corrente trifásica EUL 1“ Conteúdos didáticos •Subidas de tensão em linhas sem carga (em vazio) •Queda de tensão em função do comprimento da linha •Queda de tensão em função da carga •Perdas capacitivas e indutivas na linha em função da tensão e da corrente •Deslocamento de fase na linha 70 Equipamento EUL 1 Lucas-Nülle Transmissão de energia Ligação em série e em paralelo de linhas Usando vários sistemas de simulação de transmissão de corrente, oferece a possibilidade de construir redes complexas, ligando em paralelo ou em série os sistemas de simulação de transmissão de corrente. Exemplo de experiência ”Análises em linhas paralelas EUL 2“ Conteúdos didáticos •Distribuição de potência, tensão e corrente em linhas paralelas com comprimento igual •Distribuição de potência, tensão e corrente em linhas paralelas com comprimento diferente •Distribuição de potência, tensão e corrente em linhas ligadas em série com comprimento igual •Distribuição de potência, tensão e corrente em linhas ligadas em série com comprimento diferente •Distribuição da carga, fluxo de energia •Avaliação quantitativa e qualitativa das correlações operacionais Equipamento EUL 2 Lucas-Nülle 71 Transmissão de energia Linhas de transmissão Linha com sistema com neutro compensado mediante bobina de extinção O sistema com neutro compensado mediante bobina de extinção é usado em redes de alimentação de energia elétrica para compensar defeitos à terra numa fase. O sistema com neutro compensado mediante bobina de extinção está limitado a sistemas trifásicos e usa uma bobina, que, neste contexto, é designada, com base no nome do seu inventor, de bobina de Petersen, ou bobina de extinção. Esta compensa a corrente elétrica nos pontos de defeito à terra, evitando, assim, que ocorram falhas sequenciais no sistema elétrico. Exemplo de experiência ”Análises em linhas de neutro compensado por bobina de extinção EUL 3“ Conteúdos didáticos • Defeito à terra numa linha com ponto neutro isolado • Comportamento em presença de defeito à terra • Sistema com neutro compensado mediante bobina de extinção • Sintonia de ressonância 72 Equipamento EUL 3 Lucas-Nülle Transmissão de energia Sistemas de transmissão com gerador síncrono Nos sistemas de simulação de transmissão trifásica, as grandezas características da transferência de energia devem ser medidas com alimentação a partir de uma rede de tensão e frequência constantes ou com alimentação por gerador, e as suas correlações operacionais devem ser avaliadas a nível quantitativo e qualitativo, enquadradas num circuito em paralelo. Exemplo de experiência ”Análises em sistemas de transmissão com gerador síncrono EUL 4“ Conteúdos didáticos •Distribuição de potência e corrente de uma rede de potência alimentada por gerador •Modo de funcionamento paralelo de um gerador e de uma linha com a rede •Controlo da injeção de potência ativa •Controlo da injeção de potência reativa Equipamento EUL 4 Lucas-Nülle 73 Transmissão de energia Linhas de transmissão Análises em cabos trifásicos Um cabo de alta tensão é um cabo elétrico projetado para ser usado com alta tensão. Este tipo de cabo é usado, entre outras coisas, para a transmissão de grandes potências em redes de energia, com vista ao fornecimento de energia elétrica em alternativa às linhas aéreas. Os cabos de alta tensão podem ser subdivididos nos principais formatos: cabos de terra, cabos em banho de óleo, cabos a gás comprimido e cabos revestidos a plástico. O objetivo das experiências consiste em conhecer o comportamento dos cabos de alta tensão sob diferentes condições de funcionamento. Exemplo de experiência ”Análises em cabos trifásicos EUL5“ Conteúdos didáticos • Efeito Ferranti, capacidade de carga, comprimento crítico • Carga resistiva, carga indutiva e carga mista resistiva-indutiva • Compensação de uma carga resistiva-indutiva • Determinação da impedância nula • Curtos-circuitos simétricos e assimétricos • Tratamento do ponto neutro e defeito à terra 74 Equipamento EUL 5 Lucas-Nülle Transmissão de energia Redes interligadas de cabos e linhas Em redes de alimentação de energia elétrica, são utilizados cabos e linhas aéreas para transportar a energia. Nesta experiência, pretende-se estudar as propriedades de uma linha de transmissão de energia, constituída por linha aérea e cabo. Exemplo de experiência ”Redes interligadas de cabos e linhas EUL6“ Conteúdos didáticos •Diferenças entre cabos e linhas aéreas •Estudo das linhas de transmissão ótica: - Linha aérea, transformador e cabo - Cabo, transformador e linha aérea •Análise de perdas dos componentes individuais •Comparação teoria - prática •Grandezas características da subestação transformadora Equipamento EUL 6 Lucas-Nülle 75 Transmissão de energia Proteção de linhas Proteção temporizada contra sobrecorrentes para linhas A série de experiências incidirá sobre o relé de sobrecorrente temporizado com curva característica temporal independente da corrente, que é utilizado geralmente em linhas simples (linhas em ramal (stub)). Exemplo de experiência ”Proteção temporizada contra sobrecorrentes para linhas ELP 1“ Conteúdos didáticos •Cálculo e parametrização da proteção temporizada contra sobrecorrentes •Determinação da relação de desoperação em presença de curto-circuito unipolar, bipolar e tripolar •Determinação do menor tempo de disparo do relé •Verificação do disparo do disjuntor em situação de falha 76 Equipamento ELP 1 Lucas-Nülle Transmissão de energia Equipamentos complementares para proteção de linhas: ELP 2 Relé de sobrecorrente direcional temporizado Conteúdos didáticos •Cálculo e parametrização da proteção temporizada contra sobrecorrentes •Determinação da relação de desoperação em presença de curto-circuito unipolar, bipolar e tripolar •Proteção em sentido crescente e decrescente ELP 3 Proteção contra sobretensões e subtensões Conteúdos didáticos •Determinação dos valores de ativação e desativação •Determinação da relação de desoperação •Determinação do tempo próprio e do tempo básico •Definição e teste de diversas curvas características ELP 4 Proteção do sentido de potência Conteúdos didáticos •Determinação dos valores de ativação e desativação •Utilização da proteção contra potência inversa •Interação com o relé de sobrecorrente temporizado ELP 5 Deteção de falhas à terra Conteúdos didáticos •Medição de tensão numa rede de corrente trifásica sem anomalias •Medição de tensão numa rede de corrente trifásica com defeito à terra •Determinação dos valores de ativação e desativação •Determinação do tempo próprio e do tempo básico •Reação do relé a defeitos fase-terra transitórios e a defeitos à terra relacionados Equipamento ELP 2/3/4/5 Lucas-Nülle 77 Transmissão de energia Proteção de linhas Proteção de linhas paralelas O relé de proteção de sobrecorrente direcional, usado principalmente para proteger linhas paralelas, é analisado e estudado experimentalmente quer em termos de falhas simuladas, quer em termos de seletividade e rapidez. Os relés de proteção são interligados através de um sistema de barramento e podem ser operados e avaliados centralmente, por meio do software PowerLab. Exemplo de experiência ”Proteção de linhas paralelas ELP 6“ Conteúdos didáticos •Proteção de linhas paralelas com diferentes relés de sobrecorrente temporizados •Modo de funcionamento paralelo numa situação isenta de falhas •Determinação dos valores de operação mínimos dos relés de sobrecorrente temporizados independentes •Definição da direção de proteção para os relés de sobrecorrente temporizados dependentes da direção •Determinação dos valores de operação mínimos dos relés de sobrecorrente temporizados dependentes da direção •Escala de tempo dos relés de sobrecorrente temporizados •Verificação da seletividade através da combinação de medição de sobrecorrente e direção •Ligação em rede das medidas de proteção 78 Equipamento ELP 6 Lucas-Nülle Transmissão de energia Proteção de distância de alta velocidade No relé de proteção de distância de alta velocidade, usado para redes mais complexas, podem ser analisados vários erros. Este dispositivo de proteção consegue desconectar falhas em função da distância. Além da preparação do plano de escalonamento, a seletividade é ajustada e verificada a pensar na prática. Exemplo de experiência ”Proteção de distância de alta velocidade ELP 7“ Conteúdos didáticos •Elaboração do plano de escalonamento •Parametrização do relé •Colocação em funcionamento do relé de proteção de distância de alta velocidade com transformadores de corrente e de tensão •Verificação do comportamento de disparo em presença de diversas falhas dentro e fora do intervalo de proteção da linha •Verificação do comportamento de disparo em presença de diversas falhas dentro e fora do intervalo de proteção: - Proteção à distância - Proteção temporizada contra sobrecorrentes - Proteção de tensão - Proteção de frequência Equipamento ELP 7 Lucas-Nülle 79 Distribuição de energia Sistema de barramento duplo trifásico .................................... 84 Proteção contra sobreintensidades para barramentos .............. 85 Distribuição de energia Distribuição de energia Barramentos em aparelhagem de alta tensão A distribuição de energia elétrica é feita em conjuntos de manobra maiores, quase exclusivamente através de sistemas de barramento duplo. Estes sistemas contêm painéis de acoplamento para conectar os dois barramentos, os painéis de entrada/saída de alimentação, bem como os painéis de medição. Nos painéis de entrada/saída de alimentação e de acoplamento são aplicados disjuntores de potência e um seccionador por cada ligação de barramento. Por motivos de segurança, é necessário seguir uma lógica de comutação rigorosa. O modelo de barramento duplo inclui todas as características que são relevantes para a prática. Os dispositivos de medição integrados para as correntes e tensões permitem analisar imediatamente manobras. 82 Lucas-Nülle Distribuição de energia Sistemas de barramento duplo Os módulos compactos ”Painéis de entrada/saída de alimentação“ e ”Painel de acoplamento“ oferecem as seguintes vantagens: •Disposição flexível dos painéis •Controlo e monitorização a partir do PC •Conectável em rede, graças à interface RS-485 integrada •Comando manual •Proteção contra manobra errada através de um microcontrolador integrado •Registo de todas as grandezas características, como corrente, tensão e estados de funcionamento SCADA Os dispositivos são monitorizados e controlados por meio do sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Os símbolos de todos os dispositivos de engenharia eletrotécnica da Lucas-Nülle podem ser dispostos no ecrã e interligados. Os valores medidos e os estados são visualizados. Os parâmetros e sinais importantes podem ser controlados pelo software Os valores medidos e os estados podem ser gravados, representados ao longo do tempo e avaliados. A troca automática de barramento pode ser realizada usando um PC. Sistemas de formação Os nossos sistemas de formação abrangem as seguintes áreas temáticas: • Sistema de placas de experimentação ”Sistema de barramento duplo trifásico“ • Sistema de placas de experimentação ”Proteção contra sobre intensidades para barramentos“ 83 Lucas-Nülle Distribuição de energia Sistema de barramento duplo trifásico Distribuição e controlo centralizados Os barramentos funcionam como distribuidor central de energia elétrica, porque todos os cabos de entrada e saída estão conectados aos barramentos. Os barramentos são formados por painéis de entrada e saída de alimentação, painéis de acoplamento e de transformador. No equipamento da Lucas-Nülle, essas funções estão reunidas em unidades funcionais, que contêm disjuntores de potência, seccionadores e dispositivos de registo dos valores medidos. Exemplo de experiência ”Sistema de barramento duplo trifásico EPD“ Conteúdos didáticos • Circuitos básicos de um sistema de barramento duplo tripolar • Sistema de barramento duplo trifásico com carga • Troca de barramento sem interrupção da derivação • Avaliação de algoritmos lógicos para várias operações de comutação • Acoplamento de barramentos 84 Equipamento EPD Lucas-Nülle Distribuição de energia Proteção contra sobreintensidades para barramentos Através da proteção diferencial do barramento, a corrente de entrada e a corrente de saída são somadas por meio do transformador de corrente. Relativamente às correntes diferenciais, os critérios de disparo são determinados em função da sensibilidade da curva característica. Exemplo de experiência ”Proteção contra sobreintensidades para barramentos EDP“ Conteúdos didáticos •Deteção das correntes em modo de funcionamento normal •Deteção das correntes em caso de curto-circuito unipolar, bipolar ou tripolar •Falhas fora do intervalo de proteção •Reação da proteção em caso de falhas dentro e fora do conjunto de manobra Equipamento EDP Lucas-Nülle 85 Gestão de energia Consumidores complexos, medição do consumo de energia e monitorização de cargas de pico .............................. Consumidores dinâmicos ........................................................ Compensação automática e manual da potência reativa ......... Acionamentos com eficiência energética ................................. Proteção de consumidores elétricos ......................................... 90 91 92 93 94 Gestão de energia Gestão de energia Redes e consumidores inteligentes Uma utilização racional da energia tem-se tornado cada vez mais importante por causa de exigências económicas e ambientais. As experiências de compensação automática e manual da potência reativa, bem como as experiências sobre a redução da carga de pico através de medições com um contador de corrente ativa e um contador com indicador de ponta, mostram a forma como a carga da rede pode ser reduzida ou distribuída uniformemente durante 24 horas. O pré-requisito para o uso eficaz da metrologia é a análise da rede e o consumidor conectado. Portanto, em cada uma das experiências, é possível analisar detalhadamente as cargas estáticas, dinâmicas, simétricas e assimétricas. Por conseguinte, a proteção dos consumidores elétricos é um tema importante na formação. 88 Lucas-Nülle Gestão de energia ”Smart Metering“ (Medição inteligente) Em todos os equipamentos de engenharia eletrotécnica, estão incluídos dispositivos de medição inteligentes, que têm várias interfaces de comunicação (por ex., LAN, RS485, USB) e elementos de controlo. Assim, os consumidores podem ser não apenas monitorizados, como também controlados de forma inteligente. É possível concretizar uma gestão automática de cargas com as seguintes características: •Monitorização do limite de potência especificado •Autorização ou bloqueio de consumidores de acordo com uma lista de prioridades •Ligação de consumidores durante o período de baixa carga Fonte: SIEMENS Proteção de consumidores elétricos As falhas em equipamentos elétricos devido a curto-circuito, sobrecarga, etc. devem ser impedidas ou limitadas por dispositivos de proteção adequados, desligando seletivamente da rede os equipamentos com anomalia. Para colocar os dispositivos de proteção de forma apropriada e dimensioná-los corretamente, é preciso conhecer as características de ativação, os tempos de disparo e as curvas características dos diferentes dispositivos de proteção. Na série de experiências, a proteção de motores trifásicos será tratada detalhadamente por meio de disjuntoresmotor, bem como através de uma monitorização da temperatura dos enrolamentos e da ativação mediante um dispositivo de disparo por termistor. Além disso, uma experiência pode ser executada para efeitos de proteção integral do motor com um dispositivo digital de proteção do motor. Nesta experiência, o foco da formação é posto na manipulação e parametrização do dispositivo digital de proteção do motor. Sistemas de formação Os nossos sistemas de formação abrangem as seguintes áreas temáticas: • Sistema de placas de experimentação ”Consumidores complexos, medição do consumo de energia e monitorização de cargas de pico“ • Sistema de placas de experimentação ”Consumidores dinâmicos“ • Sistema de placas de experimentação ”Compensação automática e manual da potência reativa“ • Sistema de placas de experimentação ”Proteção de máquinas elétricas“ • Sistema de placas de experimentação ”Proteção do motor/ sistema de gestão do motor“ 89 Lucas-Nülle Gestão de energia Gestão de energia Consumidores complexos, medição do consumo de energia e monitorização de cargas de pico As experiências sobre a redução da carga de pico através de medições com um contador de corrente ativa e um contador com indicador de ponta mostram a forma como a carga da rede pode ser reduzida ou distribuída uniformemente durante 24 horas. O pré-requisito para o uso eficaz da metrologia é a análise da rede e o consumidor conectado. Portanto, em cada uma das experiências, são analisadas detalhadamente as cargas estáticas, dinâmicas, simétricas e assimétricas. Exemplo de experiência ”Medição do consumo de energia de consumidores complexos EUC 1“ Conteúdos didáticos •Consumidores de corrente trifásica com circuito estrela-triângulo (carga R, L, C, RL, RC ou RLC) •Medição com contadores de energia ativa e reativa - para carga RL simétrica e assimétrica - no caso de falha de fase - no caso de sobrecompensação (carga RC) - no caso de carga ativa - no caso de inversão do sentido da energia •Determinação da primeira e segunda potências máximas •Determinação de uma potência máxima com carga assimétrica •Gravação das curvas características do perfil de carga 90 Equipamento EUC 1 Lucas-Nülle Gestão de energia Consumidores dinâmicos Um motor assíncrono trifásico, acoplado ao banco de ensaios de servomáquinas, é usado como carga dinâmica. A potência ativa e a potência reativa (cos-phi do motor) dependem da carga do motor, sendo, portanto, inconstantes. O banco de ensaios de servomáquinas também pode acionar o motor assíncrono, de maneira a fornecer potência ativa à rede de corrente trifásica. Exemplo de experiência ”Análises em consumidores dinâmicos EUC 2“ Conteúdos didáticos •Consumidor de corrente trifásica dinâmico (motor assíncrono) •Medição da potência no caso de inversão do sentido da energia Equipamento EUC 2 Lucas-Nülle 91 Gestão de energia Gestão de energia Compensação automática e manual da potência reativa Durante a compensação da potência reativa, a indesejável potência reativa e a maior corrente a ela associada são diminuídas em redes de corrente trifásica. Neste caso, as cargas capacitivas são integradas em todos os consumidores indutivos no ponto de alimentação central. A respetiva potência reativa capacitiva antagónica tem, tanto quanto possível, a mesma dimensão da potência reativa indutiva instalada. Isso reduz as correntes reativas indesejadas, e as instalações envolvidas na disponibilização e transmissão da corrente reativa não precisam todas de ser desnecessariamente grandes. Exemplo de experiência ”Compensação automática da potência reativa EUC 3“ Conteúdos didáticos •Colocação em funcionamento da máquina assíncrona e registo dos valores característicos •Cálculo dos condensadores de compensação •Compensação com diferentes condensadores •Determinação da potência dos estágios •Compensação manual da potência reativa •Deteção automática da conexão do controlador da potência reativa •Compensação automática da potência reativa 92 Equipamento EUC 3 Lucas-Nülle Gestão de energia Acionamentos com eficiência energética Na Alemanha, cerca de metade da energia elétrica necessária é consumida pela indústria. Os principais responsáveis por esse consumo são os acionamentos elétricos, que representam aprox. 70 % do consumo de eletricidade industrial. Uma otimização dos acionamentos elétricos pode ajudar a economizar custos e preservar os recursos. No processo de otimização de unidades industriais operadas com energia elétrica, é preciso considerar sempre o sistema de acionamento no seu todo. Porque existem diferentes parâmetros que influenciam a eficiência energética dos acionamentos: uso inteligente da energia elétrica, melhoria da eficiência, controlo da velocidade de rotação e recuperação de energia. Sistema de formação ”Acionamentos com conversores de frequência energeticamente eficientes“ constituído por motor de alta eficiência, conversor de frequência e banco de ensaios de servomáquinas EEM11.3 Conteúdos didáticos Dimensionamento do acionamento com eficiência energética: • Deteção de perdas no sistema de acionamento • Estudo das grandezas características do motor em função da curva característica • Otimização da eficiência do sistema escolhendo o motor correto • Determinação indireta do fator de utilização do motor Utilização de motores economizadores de energia: • Estrutura e modo de funcionamento dos motores economizadores de energia • Classes de eficiência energética em motores • Comparação entre o motor energeticamente eficiente e o motor normalizado Equipamento EEM 11 Lucas-Nülle • Características dos motores economizadores de energia • Determinação dos potenciais de poupança Acionamentos com conversores de frequência energeticamente eficientes: • Colocação em funcionamento de acionamentos de rotações variáveis • Estudo da influência de diferentes parâmetros sobre o comportamento em serviço • Adaptação dos pontos de trabalho na perspetiva da eficiência energética • Criação de perfis de movimento energeticamente eficientes • Observação da eficiência do sistema global 93 Gestão de energia Proteção de consumidores elétricos Proteção efetiva do motor - manutenção preventiva Os sistemas de gestão do motor são usados nos modernos sistemas de automação, oferecendo a possibilidade de proteger, comandar e vigiar acionamentos e instalações. Assim, consegue-se registar, por exemplo, a temperatura, a tensão ou a corrente do motor. O motor torna-se mais transparente ligando-o à automação de processos através dos sistemas de barramento de campo (por ex., PROFIBUS). Isso permite determinar a carga e o consumo de energia do motor, sem ter de medir localmente. Exemplo de experiência ”Relé de gestão do motor EDT 51“ Conteúdos didáticos •Colocação em serviço do sistema de gestão do motor assistida por computador •Programação das funções arrancador direto, arranque estrela-triângulo, arranque de motores de polos comutáveis, proteção do motor •Parametrização das variáveis de sobrecarga e do comportamento de desconexão com diversas cargas •Medição de processos dinâmicos no arranque •Manutenção preventiva 94 Equipamento EDT 51 Lucas-Nülle Gestão de energia Máquinas assíncronas de corrente trifásica Os motores de rotor em gaiola de esquilo estão concebidos para um estado de carga constante. Quaisquer alterações ao estado de carga, mas também elevadas correntes de arranque, provocam um aquecimento inadmissível do motor. Os sensores monitorizam a temperatura e o consumo de corrente do motor. Esses sensores ativam dispositivos de proteção, tais como disjuntores-motor, relés de proteção do motor ou o relés com termistor. Exemplo de experiência ”Proteção de máquinas elétricas EEM 4.6“ Conteúdos didáticos • Seleção, instalação e ajuste de diferentes sistemas de proteção do motor • Disjuntor-motor • Relé de proteção do motor • Proteção por termistor • Influência de diferentes modos de funcionamento sobre o aquecimento do motor • Características de ativação dos sistemas de proteção • Proteção contra estados de carga inadmissíveis Equipamento EEM 4.6 Lucas-Nülle 95 Smart Grid Smart Grid: centro de controlo .............................................. Smart Grid: gestão de energia ............................................... Produtora de energia na Smart Grid ...................................... Acumulador de energia na Smart Grid .................................. 102 103 104 105 Smart Grid Smart Grid Perfeitamente equipado para o futuro: redes de energia inteligentes no laboratório de engenharia eletrotécnica As novas tecnologias irão permitir apetrechar melhor a rede elétrica, para que possa responder adequadamente aos desafios futuros. Uma gestão mais flexível da rede visa compatibilizar a crescente quota de energias renováveis com as infraestruturas convencionais de uma central elétrica. A diversidade e numerosidade inerentes a estas centrais elétricas descentralizadas exigem uma nova abordagem na gestão das redes elétricas – a rede inteligente ”Smart Grid“: • Melhor coordenação entre a procura e a produção de energia • Uso das modernas tecnologias da informação, como a internet, sensores, controladores e dispositivos de transmissão sem fio • ”Smart Metering“ (medição inteligente) - contadores de energia elétrica digitais medem o consumo nos pontos finais da rede elétrica. • Deslocamento de consumo do agregado familiar para fora dos horários de pico • Lançamento de aplicações flexíveis, como sejam a lavagem de roupa fora dos horários de pico, diretamente pelo fornecedor de energia 98 Lucas-Nülle Smart Grid Integração modular da produção de energia renovável na Smart Grid: • Sistemas fotovoltaicos • Energia eólica • Armazenamento de energia elétrica por meio de uma unidade de acumulação por bombagem • Produção de energia convencional • Transmissão e distribuição • Gestão de energia (coordenação dinâmica da produção e do consumo de energia) Software SCADA na Smart Grid • Realização, controlo e análise de redes inteligentes complexas (Smart Grid) • Software SCADA adaptado à formação • Autómato programável (PLC) SCADA: Soft-PLC integrado (IEC 61131) • SCADA Logger: gravação, apresentação, avaliação e exportação de todos os valores ao longo do tempo • SCADA Designer: disposição simbólica de todos os dispositivos da engenharia eletrotécnica Lucas-Nülle na interface do utilizador • SCADA Viewer: apresentação e controlo dos valores de medição e dos estados de todos os sistemas existentes na rede • SCADA Net: o conceito cliente/servidor permite o acesso remoto simultâneo aos sistemas na Smart Grid a partir de qualquer PC (estudantes) • SCADA Panel Designer: conceção de interfaces de utilizador próprias Dispositivos de medição inteligentes: • Dispositivos de medição inteligentes com várias interfaces de comunicação (por ex., LAN, RS485, USB) e elementos de controlo • Medição e controlo de todos os valores relevantes usando contadores inteligentes e disjuntores de potência • Compatível com SCADA Net: apresentação e controlo dos valores de medição e dos estados a partir de qualquer PC existente na rede 99 Lucas-Nülle Smart Grid ”Smart Grid“ - redes de energia inteligentes Laboratório de engenharia eletrotécnica ligado em rede Os equipamentos permitem a combinação dos sistemas de formação em termos elétricos e de informações, com vista à produção, transmissão, distribuição, proteção e gestão da energia elétrica. O centro de controlo da ”Smart Grid“ deteta todos os valores e desencadeia as operações de comutação correspondentes. Consegue-se, assim, investigar no laboratório qual o impacto da produção de energias renováveis sobre a produção de energia em termos globais. Neste contexto, é possível reproduzir qualquer cenário, como por ex.: • Carregamento de veículos elétricos quando houver excesso de energia eólica injetada na rede • Armazenamento dos excedentes de energia na unidade de acumulação por bombagem • Desligamento de consumidores para reduzir a carga de pico • Compensação de situações de escassez de energia elétrica pela unidade de acumulação por bombagem O software SCADA permite vigiar e controlar todo o sistema a partir de qualquer posto de trabalho Sistemas fotovoltaicos Unidade de acumulação por bombagem Turbina eólica 100 Lucas-Nülle Smart Grid Poss ibi integ lidade d e raç font es de ão de e exte nergia rnas Sistema fotovoltaico Lucas-Nülle • Potência: 89 kW máx. • 450 módulos fotovoltaicos (cada com 215 W) • Poupança de 55 toneladas de CO2 por ano Centro de controlo da ”Smart Grid“ Gestão de energia 101 Lucas-Nülle Smart Grid ”Smart Grid“ - redes de energia inteligentes Smart Grid - centro de controlo Este equipamento forma a central da rede inteligente no laboratório de engenharia eletrotécnica. Além de produção, transmissão e distribuição de energia, o software SCADA deteta todos os valores e desencadeia as operações de comutação correspondentes. Esta ativação tanto pode ser manual como automática através do Soft-PLC. Exemplo de experiência ”Smart Grid: produção, distribuição e transporte de energia elétrica ESG 1.1“ Conteúdos didáticos Sistema de barramento duplo trifásico • Circuitos básicos de um sistema de barramento duplo tripolar • Sistema de barramento duplo trifásico com carga • Troca de barramento sem interrupção da derivação • Avaliação de algoritmos lógicos para várias operações de comutação • Acoplamento de barramentos 102 Análises em linhas de corrente trifásica • Subidas de tensão em linhas sem carga (em vazio) • Queda de tensão em função do comprimento da linha • Queda de tensão em função do cos-phi • Perdas capacitivas e indutivas na linha, em função da tensão e da corrente • Deslocamento de fase na linha Proteção temporizada contra sobrecorrentes para linhas • Cálculo e parametrização da proteção temporizada contra sobrecorrentes • Determinação da relação de desoperação em presença de curto-circuito unipolar, bipolar e tripolar Equipamento ESG 1.1 Lucas-Nülle Smart Grid Smart Grid - gestão de energia Do tema da gestão de energia faz parte o desligamento de consumidores com vista à redução da carga de pico, bem como a compensação da potência reativa com o intuito de reduzir as perdas em linhas de transmissão. Neste caso, a máquina assíncrona pode ser submetida a uma carga dinâmica por meio do banco de ensaios de máquinas, preparando-a, assim, para variações de carga em função dos horários em toda a rede de energia elétrica. Estas variações de carga são detetadas pelo centro de controlo da ”Smart Grid“, que implementa as medidas corretivas necessárias para estabilizar a rede de energia. Exemplo de experiência ”Smart Grid: gestão de energia ESG 1.2“ Conteúdos didáticos Consumidores complexos, medição do consumo de energia e monitorização de cargas de pico • Consumidores de corrente trifásica com circuito estrelatriângulo (carga R, L, C, RL, RC ou RLC) • Medição com contadores de energia ativa e reativa Compensação automática e manual da potência reativa • Colocação em funcionamento da máquina assíncrona e registo dos valores característicos • Compensação manual da potência reativa • Compensação automática da potência reativa Consumidores dinâmicos • Consumidor de corrente trifásica dinâmico (motor assíncrono) • Medição da potência no caso de inversão do sentido da energia Equipamento ESG 1.2 Lucas-Nülle 103 Smart Grid ”Smart Grid“ - redes de energia inteligentes Produtora de energia na Smart Grid Se assim se desejar, este equipamento suplementar para a produção de energia pode ser adicionado individualmente ou em conjunto como complemento ao equipamento ”ESG 1 Smart Grid“. Passa, assim, a ser possível realizar análises ainda mais abrangentes na ”Smart Grid“. Exemplo de experiência ”Complemento Smart Grid para ESG 1: produtora de energia na Smart Grid“ Conteúdos didáticos Turbinas eólicas EWG 1 • Operação do gerador em presença de ventos de intensidade variável e regulação da tensão e frequência de saída • Determinação dos pontos de trabalho ideais quando ocorrem mudanças nas condições do vento Sistemas fotovoltaicos no modo de funcionamento em paralelo com a rede EPH 2 • Topologia e teste de sistemas fotovoltaicos com injeção na rede • Medição da energia gerada por um sistema fotovoltaico 104 • Determinação da eficiência do inversor de rede • Estudo do comportamento de um sistema fotovoltaico no caso de falha de rede Gerador síncrono EUG • Controlo de geradores e sincronização • Circuitos de sincronização de comando manual • Circuitos de sincronização automáticos • Regulação automática da potência • Regulação automática do fator de potência Equipamento complementar para ESG 1 Lucas-Nülle Smart Grid Unidade de acumulação por bombagem Nas unidades de acumulação por bombagem, a energia elétrica é armazenada por intermédio da conversão em energia potencial da água. Após a conversão desta energia potencial em energia elétrica, volta a ser injetada na rede. Devido ao aumento da produção de energia renovável, tais sistemas tornaram-se acumuladores de energia necessários e, até mesmo, indispensáveis numa rede inteligente com elevada qualidade da rede. O equipamento ”unidade de acumulação por bombagem“ acrescenta um acumulador de energia às experiências em torno da ”Smart Grid“, com produção de energia renovável. Exemplo de experiência ”Complemento Smart Grid para ESG 1: unidade de acumulação por bombagem EUG 3“ Conteúdos didáticos • Modo de funcionamento de unidades de acumulação por bombagem • Arranque e sincronização da máquina síncrona • Regulação manual da potência: por gerador e motor • Regulação semiautomática da potência ativa e reativa • Unidades de acumulação por bombagem na ”Smart Grid“ • Compensação automática da potência ativa e reativa medida externamente • Controlo e regulação da instalação via sistema SCADA Equipamento complementar para ESG 1 Lucas-Nülle 105 Vantagens decisivas do produto ... deixam os clientes satisfeitos a longo prazo ” Senhor Prof. Guntram Schultz, decano da universidade ”Hochschule Karlsruhe-Technik und Wirtschaft“, departamento de engenharia eletrotécnica e informática: ”Sou um grande fã dos produtos de engenharia eletrotécnica da Lucas-Nülle. O extenso programa permite efetuar inúmeros estudos, que vão desde a produção de energia, passando pela tecnologia de distribuição, onde se inclui a proteção da rede, até ao consumo de energia. Graças ao sistema modular de placas de experimentação trifásico, é possível analisar, passo-a-passo, na experiência, todas as correlações dos sistemas. As várias possibilidades de expansão permitem, além disso, a integração perfeita de energias renováveis na engenharia eletrotécnica convencional. Um sistema com este nível de flexibilidade, em que tudo pode ser conjugado de novo em função das necessidades, é algo que não se encontra em nenhum outro fabricante. Para mim, uma vantagem particular é o facto de a escala elétrica de 1:1000 ser usada de forma sistemática. Dessa forma, os resultados de medição obtidos podem ser transpostos diretamente para a aplicação na prática. Os sistemas realistas de simulação de transmissão de corrente, com comprimento variável, permitem usar equipamento industrial padronizado para trabalhos de projeto eminentemente práticos no ambiente seguro do laboratório. Com o sistema SCADA, é possível monitorizar e controlar as experiências de uma maneira mais adequada. Além disso, a avaliação dos dados é muito competente. A documentação sob a forma de cursos multimédia é muito atraente e extremamente apreciada pelos formandos. ” Os professores destacam a qualidade dos componentes das experiências e um conceito didático comprovado na prática. Foi por tudo isso e muito mais que não hesitámos em optar pela Lucas-Nülle. Com o programa completo, podemos sistematizar o planeamento de toda a formação no campo da engenharia eletrotécnica e, de um modo focalizado, introduzir os formandos nas aplicações típicas da indústria.“ 106 Lucas-Nülle O todo é mais do que a mera soma das partes Aconselhamento personalizado prestado pela Lucas-Nülle Deseja receber aconselhamento detalhado ou gostaria que lhe fosse apresentada uma proposta concreta? Poderá contactar-nos por Telefone:+49 2273 567-0 Fax: +49 2273 567-39 E-mail:[email protected] A Lucas-Nülle concebe sistemas de formação profissional talhados à medida nas seguintes áreas: Tecnologia de instalação elétrica Eletropneumática, hidráulica Engenharia eletrotécnica Metrologia Energias renováveis Tecnologia de refrigeração e ar condicionado Eletrónica de potência, máquinas elétricas, engenharia de acionamentos Microcomputadores Fundamentos da eletrotecnia e eletrónica Tecnologia de automação Tecnologia de comunicação Tecnologia automóvel Engenharia de controlo e automação Sistemas laboratoriais Solicite informações detalhadas através das vias de contacto referidas acima. Os nossos colaboradores terão todo o gosto em ajudá-lo! Para mais informações sobre os nossos produtos, consulte: www.lucas-nuelle.com 107 Lucas-Nülle Ref.ª n.º: P9147 Engenharia eletrotécnica E2 - 06/13-3PT (Printed in Germany) Sujeito a alterações técnicas. Lucas-Nülle GmbH Siemensstraße 2 · D-50170 Kerpen-Sindorf Telefone: +49 2273 567-0 · Fax: +49 2273 567-39 www.lucas-nuelle.com · [email protected]
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