Agradecimentos
Agradecimentos
Esta dissertação de mestrado decorre de uma experiência única que passou pelo patamar
profissional, sem dúvida, mas pela componente humana também. Como tal, agradeço a
disponibilidade, acompanhamento atento e colaboração demonstrados por todos os
colaboradores, sem excepção, do Centro de Produção Cávado-Lima, nomeadamente,
Ao Engº Cipriano Serrenho, por ter tornado este estágio uma realidade e uma experiência,
para mim, sem precedentes.
Ao Engº Paulo Magalhães, pelo apoio, a partilha do saber, disponibilidade e amizade que
sempre me dispensou. O meu mais profundo agradecimento pelo contributo imprescindível na
realização desta dissertação.
Ao Engº Leite Marinho, pela ajuda, incentivo e sugestões ao longo deste trabalho.
Ao Engº Carvalho Magalhães, ao Engº Simão Fougo, ao Engº Ulisses Cabral e ao Engº Vitor
Soares, pelo seu apoio e amizade.
Ao Sr. Faria Vieira, pelo companheirismo e cooperação em diversos momentos da
realização do trabalho.
A todos os professores e colegas da Universidade do Minho, por me continuar a
acompanhar nesta jornada e por estimular o meu interesse pelo conhecimento e pela vida
académica, em especial,
Ao meu orientador, Professor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas por ter aceite
orientar esta tese e pelo seu espírito crítico que contribuíram significativamente para a qualidade
deste trabalho.
Aos meus pais José Moreira e Maria Cândida, aos meus dois irmãos, Victor e Sérgio, pelo
apoio e incentivo ao longo da vida.
À minha namorada Ana, pela paciência, compreensão e amor que me dedicou ao longo
deste trabalho.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
iii
iv
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Resumo
Resumo
O alternador síncrono trifásico integra na sua constituição dois elementos principais, o
estator, e no seu interior o rotor, sendo que, enquanto no primeiro se aloja o enrolamento do
induzido, no rotor encontra-se bobinado o enrolamento do indutor.
A excitação do alternador síncrono trifásico provém da corrente eléctrica indutora aplicada
ao rotor, denominada corrente de campo. O enrolamento indutor é percorrido por uma corrente
contínua, fornecida por uma fonte auxiliar, de modo a que ocorra a designada excitação. Esta
corrente cria o campo magnético principal, que dá origem a um fluxo magnético e finalmente a
um campo magnético (indução).
O sistema de excitação tem por objectivo facultar ao rotor do gerador uma corrente
contínua e controlá-la, necessitando para isso manter a tensão gerada pelo sistema constante,
alcançar a parte da potência reactiva apropriada entre geradores que funcionem em paralelo e
aperfeiçoar a estabilidade transitória às perturbações no sistema de potência. Tem ainda como
tarefas, prevenir uma sobrecarga térmica do gerador, evitar uma sub-excitação que poderá
originar uma perda de sincronismo, descarregar a energia armazenada no campo magnético do
gerador quando a máquina for desligada e reduzir as sobre tensões no circuito do rotor.
O sistema de excitação de um alternador síncrono trifásico garante desta forma a qualidade
do serviço fornecido aos consumidores da rede pública, isto é, evita variações no fornecimento
da energia eléctrica. Existem contudo vários sistemas de excitação para os alternadores
síncronos trifásicos presentes nos aproveitamentos hidroeléctricos, nomeadamente, o sistema de
excitação rotativo DC, o sistema de excitação rotativo AC e o sistema de excitação estático.
Este documento aborda mais detalhadamente o sistema de excitação estático, presente no
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada.
Palavras Chave - sistema de excitação, regulador de tensão, aproveitamento hidroeléctrico
de Caniçada
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
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Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Abstract
Abstract
The three-phase synchronous alternator integrates in its constitution two main elements, the
stator, and in its interior the rotor, being that, while in the first one it´s lodged the winding of the
induced one, in the rotor it´s coiled the winding of the inductor.
The excitation of the three-phase synchronous alternator comes from the applied inductive
electric chain to the rotor, called field current. The inductive winding is driven by a direct current,
supplied by an auxiliary source, so that the designated excitation occurs. This chain creates the
main magnetic field, that gives rise to a magnetic flow and finally to a magnetic field (induction).
The excitation system has for goal to provide the rotor of the generator a direct current and
to control it, requiring it to maintain constant voltage generated by the system, to reach the part
of the reactive power appropriate between generators that function in parallel and to improve the
transitory stability to the disturbances in the power system.
It still has as tasks, to prevent a thermal overload of the generator, to prevent a subexcitation causing loss of synchronism, to unload the energy stored in the magnetic field of the
generator when the machine is turned off and to reduce overvoltages in the circuit of the rotor.
The excitement system of a three-phase synchronous alternator thus ensure the quality of the
service supplied to the consumers of the public net, that is, it prevents variations in the supply of
the electric energy. There are however several excitation systems for three-phase synchronous
alternators found in hydroelectric power plants, such as, the DC rotative excitation system, the
AC rotative excitation system and the static excitation system.
This document discusses in more detail the static excitation system, which is present in
Caniçada hydroelectric power plant.
Keywords – Excitation system, voltage regulator, Caniçada hydroelectric power plant
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
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viii
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Índice
Índice
Agradecimentos ....................................................................................................................... iii
Resumo..................................................................................................................................... v
Abstract .................................................................................................................................. vii
Índice....................................................................................................................................... ix
Lista de Abreviaturas e Siglas ................................................................................................. xiii
Lista de Figuras ....................................................................................................................... xv
Lista de Tabelas..................................................................................................................... xvii
1-Introdução ............................................................................................................................. 1
1.1
Motivações do Trabalho ............................................................................................ 1
1.2
Objectivos da Dissertação .......................................................................................... 2
1.3
Organização da Tese .................................................................................................. 3
2-A Empresa no Contexto do Grupo EDP ................................................................................... 5
2.1 Modelo de Gestão do Grupo EDP .................................................................................... 5
2.2 Arquitectura Societária do Grupo EDP ............................................................................. 6
2.3 Estrutura Organizacional da EDP Produção ...................................................................... 7
2.4 EDP Produção – Direcção de Produção Hidráulica............................................................ 8
2.5 Organigrama do Centro de Produção Cávado-Lima ........................................................ 12
2.6 Desenvolvimento do Parque Electroprodutor ................................................................ 13
3-Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada ........................................................................ 15
3.1 Descrição ...................................................................................................................... 15
3.2 Caracterização dos principais elementos ....................................................................... 16
3.2.1 Barragem................................................................................................................ 16
3.2.2 Descarregador de superfície ................................................................................... 17
3.2.3 Descarga de fundo .................................................................................................. 19
3.2.4 Circuito hidráulico de adução e restituição ............................................................. 20
3.2.5 Tomada de água ..................................................................................................... 21
3.2.6 Conduta de carga.................................................................................................... 23
3.2.7 Chaminé de equilíbrio ............................................................................................. 24
3.2.8 Válvula de admissão ............................................................................................... 24
3.2.9 Comportas ensecadeiras da restituição................................................................... 26
3.2.10 Túnel de restituição .............................................................................................. 27
3.2.11 Turbina ................................................................................................................. 28
3.2.11.1 Roda .............................................................................................................. 32
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
ix
Índice
3.2.12 Chumaceira guia da turbina .................................................................................. 32
3.2.13 Chumaceira de impulso ........................................................................................ 33
3.2.14 Distribuição .......................................................................................................... 33
3.2.15 Linha de veios ....................................................................................................... 35
3.2.16 Junta de estanquicidade ....................................................................................... 35
3.2.17 Regulador de velocidade....................................................................................... 36
3.2.18 Câmara espiral e antedistribuidor ......................................................................... 38
3.2.19 Difusor.................................................................................................................. 38
3.2.20 Alternador ............................................................................................................ 38
3.2.20.1 Estator ........................................................................................................... 44
3.2.20.2 Rotor ............................................................................................................. 46
3.2.21 Excitação e regulação de tensão ........................................................................... 48
3.2.22 Refrigeração ......................................................................................................... 49
3.2.23 Chumaceiras ......................................................................................................... 50
3.2.24 Frenagem ............................................................................................................. 51
3.2.25 Subestação ........................................................................................................... 51
3.2.26 Transformadores de potência ............................................................................... 53
3.2.27 Transformadores de medida ................................................................................. 56
3.2.28 Seccionadores ...................................................................................................... 58
3.2.29 Disjuntores ........................................................................................................... 59
3.2.30 Equipamento electromecânico auxiliar ................................................................. 61
3.2.30.1 Refrigeração .................................................................................................. 61
3.2.30.2 Grupo Diesel .................................................................................................. 62
3.2.30.3 Serviços Auxiliares ......................................................................................... 63
4-Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos .................................................................... 65
4.1 Configurações típicas de sistemas de excitação ............................................................. 66
4.1.1 Sistema de excitação rotativo DC ............................................................................ 66
4.1.2 Sistema de excitação rotativo AC ............................................................................ 67
4.1.3 Sistema de excitação estático ................................................................................. 70
4.2 Considerações para a escolha do sistema de excitação .................................................. 71
5-Descrição Esquemática do Funcionamento do Disjuntor de Excitação .................................. 73
5.1 Fecho do disjuntor de excitação .................................................................................... 73
5.2 Abertura do disjuntor de excitação ................................................................................ 74
6-Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação ..................................................... 77
x
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Índice
6.1 Subdivisão do sistema de excitação ............................................................................... 78
6.1.1 Transformador de excitação ................................................................................... 78
6.1.2 Pré-excitação .......................................................................................................... 80
6.1.3 Conversor de Tiristores ........................................................................................... 81
6.1.3.1 Sistema de impulso de disparo ......................................................................... 84
Ponte de Tiristores ...................................................................................................... 85
Fusíveis de alta velocidade .......................................................................................... 86
Transformador de impulso de disparo ......................................................................... 86
Circuito – RC ................................................................................................................ 86
Unidade do ventilador ................................................................................................. 87
Equipamento de impulso de disparo............................................................................ 87
Transformador de sincronização .................................................................................. 87
Placa de circuito impresso para a geração de impulsos ................................................ 88
Placa de circuito impresso para a amplificação de impulso .......................................... 88
6.1.3.2 Equipamento de supervisão ............................................................................. 89
Ruptura de fusíveis ...................................................................................................... 89
6.1.4 Desexcitação .......................................................................................................... 90
6.1.4.1 Equipamento de desexcitação.......................................................................... 91
6.1.4.2 Tiristor de descarga constituição ...................................................................... 92
Unidade de disparo principal ....................................................................................... 93
Unidade de disparo redundante .................................................................................. 94
6.1.4.3 Resistência de descarga ................................................................................... 94
6.1.4.3 Protecção de sobre tensão de campo............................................................... 97
Princípio de operação .................................................................................................. 97
Unidade de disparo ..................................................................................................... 97
Unidade de supervisão ................................................................................................ 97
6.1.5 Regulador de tensão ............................................................................................... 98
7-Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição........................................ 101
7.1 Regulador automático de tensão (AVR) ....................................................................... 102
7.2 Regulador da corrente de campo (FCR)........................................................................ 103
7.3 Seguidores (Follow-up) ................................................................................................ 104
7.4 Adaptação do sinal analógico ...................................................................................... 104
Saídas analógicas....................................................................................................... 105
7.5 Regulação da potência reactiva ou regulação do factor de potência ............................ 105
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
xi
Índice
7.5.1 Regulação da potência reactiva ............................................................................ 106
7.5.2 Controlo do factor de potência ............................................................................. 106
7.6 Compensação activa e reactiva .................................................................................... 106
Compensação reactiva .............................................................................................. 106
7.7 Limitação sub-excitação .............................................................................................. 107
7.8 Limitação V/HZ ............................................................................................................ 109
7.8.1 Cronometragem continua ..................................................................................... 110
7.8.2 Tempo acumulado ................................................................................................ 110
7.9 Limitação da corrente de campo ................................................................................. 111
7.9.1 Limitação instantânea ........................................................................................... 112
7.9.2 Limitação por atraso ............................................................................................. 112
7.9.3 Limite da corrente de campo dependente da temperatura ................................... 113
7.10 Limitação da corrente do estator ............................................................................... 113
7.11 Estabilização do sistema de potência (PSS) ................................................................ 115
7.12 Cálculo da temperatura do rotor ............................................................................... 115
7.13 Medidas .................................................................................................................... 116
7.14 Protecções ................................................................................................................ 116
7.14.1 Protecções internas ............................................................................................ 116
7.14.1.1 Protecção contra a sobrecarga no circuito do rotor ...................................... 116
7.14.1.2 Protecção contra falha de fornecimento de energia AC ................................ 117
7.14.1.3 Protecção contra falha de condução de um tiristor medindo o “ripple” ........ 117
7.14.1.4 Protecção contra curto-circuito DC medindo o “ripple” ................................ 117
7.14.1.5 Protecção contra falta de ventilação ............................................................ 118
8- Conclusões e Trabalho Futuro ........................................................................................... 119
8.1 Conclusões .................................................................................................................. 119
8.2 Trabalho Futuro........................................................................................................... 121
Referências Bibliográficas: .................................................................................................... 123
Anexos .................................................................................................................................. 127
Valores nominais e requisitos funcionais do sistema de excitação ......................................... 127
xii
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Lista de Abreviaturas e Siglas
Lista de Abreviaturas e Siglas
Siglas e Símbolos (exemplos)
EDP
Energias de Portugal
P
Potência activa
PHCL Centro de Produção Cávado-Lima
Q
Potência reactiva
PRE
Produção em regime Especial
S
Potência aparente
PRO
Produção em regime Ordinário
Pm
Potência motriz
AVR
Automatic voltage regulator
Pr
Potência consumida
FCR
Field current regulator
r
Razão de transformação
PID
Proporcional integral derivativo
I/O
Entrada/Saída
f.e.m
Força electromotriz
A/D
Analógico/Digital
BOD
Díodo de corte
AC
Alternate Current
RAN
Regulado automático de nível
DC
Direct Current
SACA Serviços auxiliares corrente alternada
Vl
Tensão na linha
SACC Serviços auxiliares corrente contínua
Il
Corrente na linha
AT
Alta tensão
Vf
Tensão na fase
MT
Média tensão
If
Corrente na fase
TI
Transformador de intensidade
f
frequência
TT
Transformador de tensão
TP
Transformador de potência
DIGIPID Sistema digital de controlo de carga e regulação de velocidade
Unidades
V
Volt
º
Graus
A
Ampere
FP
Factor de potência
W
Watt
VAR
Volt-Ampere reactivo
VA
Volt-Ampere
rad/s Radianos por segundo
s
Segundo
Ω
Ohm
k
Kilo (103)
M
Mega (106)
T
Tesla
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
xiii
xiv
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Lista de Figuras
Lista de Figuras
Figura 1- Descrição esquemática da produção de energia ......................................................... 1
Figura 2- Arquitectura societária da EDP [1] .............................................................................. 5
Figura 3- Organograma da EDP Produção [1] ............................................................................. 7
Figura 4- Centros Produtores [1] ............................................................................................... 8
Figura 5- Centro de Produção Cávado-Lima [1] ........................................................................ 12
Figura 6- Novos empreendimentos Hidroeléctricos [1] ..................................................................... 13
Figura 7- Vista geral do Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada ....................................... 17
Figura 8- Descarregador de cheias........................................................................................... 18
Figura 9- Descarga de fundo [2] .............................................................................................. 20
Figura 10- Circuito hidráulico de adução e restituição [2] ........................................................ 21
Figura 11- Tomada de água [2] ................................................................................................ 22
Figura 12- Conduta de carga [2] .............................................................................................. 23
Figura 13- Válvula de admissão [3] .......................................................................................... 25
Figura 14- Comporta ensecadeira de restituição ..................................................................... 27
Figura 15- Túnel de restituição [2] ........................................................................................... 27
Figura 16- Turbina Pelton [3] ................................................................................................... 28
Figura 17- Turbina Kaplan [3] .................................................................................................. 29
Figura 18- Turbina Francis [3] .................................................................................................. 30
Figura 19- Diagrama de utilização das turbinas [3] .................................................................. 31
Figura 20- Roda Francis [3] ...................................................................................................... 32
Figura 21- Distribuidor ............................................................................................................ 34
Figura 22- Regulação de velocidade [4] ......................................................................................... 37
Figura 23- Curva de magnetização ............................................................................................... 39
Figura 24- Velocidade/ rotação ............................................................................................... 40
Figura 25- Esquema máquina síncrona .................................................................................... 40
Figura 26- Triângulo de potências ........................................................................................... 42
Figura 27- Alternador .............................................................................................................. 43
Figura 28- Sistema de excitação estático ................................................................................. 48
Figura 29- Subestação ............................................................................................................. 52
Figura 30- Transformador de potência .................................................................................... 53
Figura 31- Representação esquemática transformador [7] ...................................................... 55
Figura 32- Transformador de intensidade ................................................................................ 57
Figura 33- Transformador de medida de tensão ...................................................................... 58
Figura 34- Seccionadores ........................................................................................................ 59
Figura 35- Disjuntores ............................................................................................................. 60
Figura 36- Sistema de refrigeração .......................................................................................... 61
Figura 37- Grupo diesel ........................................................................................................... 62
Figura 38- Representação esquemática do funcionamento do grupo diesel............................. 63
Figura 39- Barramento serviços auxiliares ............................................................................... 64
Figura 40- Sistema de excitação básico [9] .............................................................................. 65
Figura 41- Sistema de excitação rotativo DC [10] ..................................................................... 66
Figura 42- Sistema de excitação rotativo AC com rectificador estático [9] ............................... 68
Figura 43- Sistema de excitação rotativo AC com rectificador rotativo (Brushless) [9].............. 69
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
xv
Lista de Figuras
Figura 44- Sistema de excitação estático ................................................................................. 70
Figura 45- Fecho do disjuntor de excitação ............................................................................. 73
Figura 46- Abertura do disjuntor de excitação................................................................................. 75
Figura 47- Representação esquemática sistema de excitação estático ..................................... 77
Figura 48- Transformador de potência .................................................................................... 79
Figura 49- Transformador de excitação ................................................................................... 79
Figura 50- Baterias da central .................................................................................................. 80
Figura 51- Pré-excitação .......................................................................................................... 81
Figura 52- Ponte de tiristores .................................................................................................. 82
Figura 53- Esquema de uma ponte de tiristores ...................................................................... 83
Figura 54- Tensão de saída [14] ............................................................................................... 84
Figura 55- Diagrama de blocos de um conversor de tiristores .................................................. 85
Figura 56- Tensões do transformador de sincronização ........................................................... 88
Figura 57- Diagrama de blocos de impulso de disparo ............................................................. 89
Figura 58- Diagrama de blocos do equipamento da desexcitação ............................................ 90
Figura 59- Disjuntor de campo ................................................................................................ 91
Figura 60- Tiristor de descarga ................................................................................................ 92
Figura 61- Principio de geração de impulsos de disparo do circuito de descarga do tiristor...... 93
Figura 62- Geração de impulsos de disparo do circuito de descarga do tiristor redundante ..... 94
Figura 63- Resistência de descarga .......................................................................................... 95
Figura 64- Característica corrente/tensão...................................................................................... 96
Figura 65- Unidade de supervisão de sobre tensão.................................................................. 98
Figura 66- Regulador de tensão ............................................................................................... 99
Figura 67- Função e estrutura do programa para excitação ............................................................ 100
Figura 68- Representação da curva de capabilidade do gerador síncrono [20] ....................... 101
Figura 69- Diagrama simplificado da regulação da corrente de campo e da tensão................ 103
Figura 70- Seguidor de tensão ............................................................................................... 105
Figura 71- Diagrama de blocos da limitação de sub-excitação......................................................... 108
Figura 72- Diagrama de blocos da limitação V/Hz .................................................................. 110
Figura 73- Diagrama de blocos da função de limitação da corrente de campo ....................... 112
Figura 74- Diagrama de blocos da limitação de corrente do estator ................................................. 114
xvi
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Lista de Tabelas
Lista de Tabelas
Tabela 1- Empresas de Produção da EDP em Portugal [1] .......................................................... 6
Tabela 2- Centrais hidroeléctricas PRO do Cávado-Lima [2] ..................................................... 10
Tabela 3- Centrais hidroeléctricas PRE do Cávado-Lima [2] ...................................................... 11
Tabela 4- Características técnicas da Barragem ....................................................................... 17
Tabela 5- Características técnicas do descarregador de superfície ........................................... 19
Tabela 6- Características técnicas da descarga de fundo .......................................................... 20
Tabela 7- Características técnicas do circuito hidráulico de adução e restituição ..................... 21
Tabela 8- Características técnicas da tomada de água ............................................................. 23
Tabela 9- Características técnicas da conduta de carga ........................................................... 24
Tabela 10- Características técnicas da válvula de admissão ..................................................... 26
Tabela 11- Características técnicas das comportas ensecadeiras da restituição ....................... 26
Tabela 12- Características técnicas do túnel de restituição ...................................................... 27
Tabela 13- Características técnicas da turbina ......................................................................... 31
Tabela 14- Características técnicas da roda ............................................................................. 32
Tabela 15- Características técnicas da chumaceira guia da turbina .......................................... 33
Tabela 16- Características técnicas da chumaceira de impulso ................................................ 33
Tabela 17- Características técnicas do distribuidor .................................................................. 35
Tabela 18- Características técnicas da linha de veios ............................................................... 35
Tabela 19- Características técnicas da junta de estanquicidade ............................................... 36
Tabela 20- Características técnicas do regulador de velocidade ............................................... 37
Tabela 21- Características técnicas da câmara espiral e antedistribuidor ................................. 38
Tabela 22- Características técnicas do alternador .................................................................... 44
Tabela 23- Características técnicas do estator ......................................................................... 45
Tabela 24- Características técnicas do rotor ............................................................................ 48
Tabela 25- Características técnicas da refrigeração ................................................................. 50
Tabela 26- Características técnicas das chumaceiras ............................................................... 50
Tabela 27- Características técnicas da frenagem ..................................................................... 51
Tabela 28- Características técnicas do transformador de potência .......................................... 56
Tabela 29- Características técnicas da refrigeração do equipamento auxiliar........................... 62
Tabela 30 - Valores nominais da máquina síncrona ............................................................... 127
Tabela 31- Conjunto de valores nominais do sistema de excitação ........................................ 128
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
xvii
xviii
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Introdução
Capítulo 1
1-Introdução
1.1 Motivações do Trabalho
A ameaça de esgotamento das reservas de combustíveis fósseis, a pressão dos resultados
económicos e as preocupações ambientais, levam a encarar a energia renovável como uma das
soluções para equilibrar o modelo de consumo existente e para combater as alterações
climáticas.
O grupo EDP encontra-se entre os grandes operadores europeus na construção de nova
geração hídrica no sector energético, contribuindo assim para as metas de produção de energia
com origem em fontes de energia renováveis. Desta forma obtém uma redução da dependência
energética do país, recorrendo a um recurso nacional, limpo, renovável e subaproveitado.
Os aproveitamentos hidroeléctricos são instalações nas quais se produz energia eléctrica a
partir da energia potencial das águas dos rios e lagos, como se verifica na figura1. A água retida
na albufeira é desviada através de um circuito hidráulico, mais ou menos extenso, normalmente
constituído por um túnel e/ou conduta forçada, para uma central, onde a água em movimento é
aproveitada para impulsionar as pás de uma turbina hidráulica, a qual, por sua vez, faz mover a
peça móvel de um alternador (rotor), cujo eixo está directamente acoplado ao da turbina.
Barragem
Energia
Hidráulica
Turbina
Energia
Mecânica
Alternador
Energia
Eléctrica
Figura 1- Descrição esquemática da produção de energia
A rotação imprimida pela turbina ao rotor e a circulação de correntes de excitação neste
equipamento provocam um fenómeno de indução que gera, na peça fixa do alternador (estator),
tensões eléctricas elevadas de média tensão.
A tensão de produção é elevada através de transformadores, para um nível de tensão mais
adequado ao transporte da energia eléctrica a grande distância. O conjunto constituído pelo
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
1
Introdução
circuito hidráulico, turbina, alternador e transformador é designado por grupo gerador
hidroeléctrico. Geralmente, cada central possui vários grupos hidroeléctricos.
A potência eléctrica (em kW) disponível num aproveitamento hidráulico em que é turbinado
um caudal Q (m3/s), numa altura de queda H (m), é dada por:
𝑃 =𝐾 ×𝑄 ×𝐻
(1)
em que k = 8 a 8,5 em função do rendimento das várias máquinas da instalação. A
hidroelectricidade é um recurso energético renovável, isto é, a sua fonte, a água, é teoricamente
inesgotável (circula na natureza em circuito fechado).
No alternador síncrono trifásico o fluxo magnético, imprescindível para o correcto
funcionamento da máquina, é criado através da passagem de uma corrente eléctrica nos
condutores do circuito indutor. A excitação do alternador síncrono trifásico é feita por uma
corrente eléctrica contínua, DC, criando assim um campo magnético indutor constante no tempo
e fixo no espaço.
A forma de onda do campo magnético que se elabora no entreferro da máquina – zona com
características magnéticas lineares em que a forma de onda do campo magnético coincide com
a forma de onda da força magnetomotriz – deverá ser sinusoidal para que a forma de onda da
força electromotriz não seja distorcida.
Sabendo que o alternador vai estar submetido a diversas variações da carga eléctrica,
torna-se necessário regular o valor da tensão interna do alternador síncrono trifásico, por
actuação nas tensões e correntes de alimentação do circuito de excitação.
A tarefa fundamental do regulador de tensão é manter constante a tensão aos terminais do
alternador dentro dos limites de um valor de referência. Também deve manter a estabilidade do
sistema em condições normais e quando surgirem perturbações transitórias na rede.
1.2 Objectivos da Dissertação
Esta dissertação tem como principais objectivos:

2
Compreender o funcionamento da EDP Produção (estrutura organizativa);
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Introdução

Enquadrar o aproveitamento hidroeléctrico na estrutura organizativa (indicadores
técnicos e de qualidade de serviço);

Identificar os diferentes sectores que fazem parte de uma central hidroeléctrica
(equipamentos, ligação entre eles e respectivas funções), assim como funções desses
mesmos sectores;

Especificar e aprofundar o conhecimento relativo aos sectores que serão alvo de
estudo (zona de produção);

Pesquisar sobre o estado da arte das diferentes abordagens, tipologias e
sistemas de excitação dos alternadores;

Caracterizar o sistema de excitação do alternador (sistema de excitação
estático);

Subdividir o sistema de excitação nos componentes principais;

Identificar os valores nominais e requisitos funcionais;

Especificar o funcionamento do controlo, protecção e da medição do sistema de
excitação;
1.3 Organização da Tese
Esta dissertação divide-se em nove capítulos. Cada capítulo descreve uma etapa diferente
da realização do trabalho. Desta forma, a dissertação encontra-se organizada da seguinte forma:
No capítulo introdutório é feita uma abordagem dos sistemas de excitação e das suas
aplicações. Deste modo fica a compreender-se melhor o contexto em que os sistemas de
excitação se inserem.
No segundo capítulo apresentam-se os principais objectivos, a sistematização e a
divulgação das matérias relevantes inerentes à forma como a EDP – Energias de Portugal, S.A.,
e o Grupo EDP está organizado, e ao funcionamento e caracterização dos seus órgãos de
governo e de gestão, explicitando os mecanismos de coordenação, a atribuição de
responsabilidades, bem como os princípios e políticas que enquadram as actividades e
operações desenvolvidas pelos negócios nas várias geografias onde o Grupo EDP está presente.
No capítulo três obtém-se uma compreensão e faz-se a descrição do funcionamento do
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada, bem como dos seus principais sectores e
respectivas funções.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
3
Introdução
Seguidamente, no capítulo quatro, é feito um resumo sobre os sistemas de excitação
existentes, elaborando uma descrição do estado da arte dos sistemas de excitação e a sua
implementação nas diversas máquinas. Refere-se também o sistema de excitação que se
enquadra melhor em cada máquina, e as vantagens desses mesmos sistemas.
O quinto capítulo é feita uma descrição esquemática do funcionamento do disjuntor de
excitação, nomeadamente do fecho e abertura, que irá desencadear o processo de excitação do
sistema de excitação ou a sua interrupção.
No capítulo seis apresenta-se o estudo detalhado da constituição dos equipamentos do
sistema de excitação do Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada, realçando as suas
características e funções desempenhadas.
No sétimo capítulo, são feitas considerações funcionais sobre controlo, protecção e
medição. Através do regulador de tensão (AVR) garante-se um funcionamento adequado do
sistema de excitação, dentro dos valores nominais.
Finalmente no capítulo oitavo, apresentam-se as principais conclusões relativamente ao
trabalho realizado.
4
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
A Empresa no Contexto do Grupo EDP
Capítulo 2
2-A Empresa no Contexto do Grupo EDP
2.1 Modelo de Gestão do Grupo EDP
A EDP Gestão da Produção de Energia S.A., adiante designada por EDP Produção, insere-se
no Grupo EDP – Energias de Portugal, S.A., apresentada na figura 2. Esta desenvolve a sua
actividade no sector energético, actuando em várias geografias e segmentos da cadeia de valor.
Electricidade (exclui EDP
Renováveis)
Gás
Outras
Participações
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
5
Portugal
Espanha
Renováveis
Portugal
Brasil
Espanha
Electricidade
Figura 2- Arquitectura societária da EDP [1]
A Empresa no Contexto do Grupo EDP
A EDP – Energias de Portugal S.A. assume a liderança do Grupo, enquanto “Empresa-Mãe”
ou Holding, cabendo-lhe o papel de:
 Proceder à definição da estratégia global conjunta;
 Coordenar a actuação das várias empresas;
 Assegurar a representação conjunta dos interesses comuns a todas as
empresas;
 Assegurar, globalmente, as funções comuns a todas as empresas, com vista à
obtenção de sinergias.
2.2 Arquitectura Societária do Grupo EDP
Em Portugal, a produção do Grupo EDP, como se pode verificar na tabela1, está
maioritariamente concentrada na EDP Produção – EDP Gestão da Produção de Energia, S.A.,
que compreende a totalidade das grandes centrais hidroeléctricas e termoeléctricas, as
pequenas hídricas e as duas centrais de co-geração das empresas SOPORGEN e ENERGIN, em
que possui uma participação maioritária.
A ENERNOVA, empresa integrada na NEO Energia do Grupo EDP, detém os parques eólicos
em Portugal.
Ainda na actividade de produção, a EDP detém uma participação de 50% na
BIOELÉCTRICA, empresa que se dedica ao desenvolvimento de centrais a Biomassa.
Na actividade de serviços, a EDP Produção engloba as empresas TERGEN e O&M Serviços,
que são especializadas nas áreas da Operação e Manutenção. [1]
Tabela 1- Empresas de Produção da EDP em Portugal [1]
Produção
Serviços
EDP Produção
O&M Serviços
SOPORGEN
TERGEN
ENERGIN
BIOELÉCTRICA
ENERNOVA
6
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
A Empresa no Contexto do Grupo EDP
2.3 Estrutura Organizacional da EDP Produção
A criação da EDP Produção, demonstrada na figura 3, representou mais um passo na
estratégia de reorganização do Grupo EDP para responder de uma forma adequada aos desafios
da liberalização do mercado da electricidade.
O modelo organizativo adoptado procura assegurar a melhoria dos níveis de serviço em
funções de apoio e potenciar a redução de custos a médio prazo por optimização das funções
comuns ao universo das empresas que integram a área de produção do Grupo EDP. Com essa
finalidade, a EDP Produção procura assegurar eficazmente as funções essenciais de: produção,
compra e venda, importação e exportação de energia resultante da exploração de instalações
próprias ou alheias, garantindo a evolução sustentada do sistema electroprodutor nacional. [1]
Figura 3- Organograma da EDP Produção [1]
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
7
A Empresa no Contexto do Grupo EDP
2.4 EDP Produção – Direcção de Produção Hidráulica
A direcção de Produção Hidráulica tem como missão garantir a optimização da gestão do
portfólio de activos hídricos, promovendo a exploração dos Centros de Produção de acordo com
critérios de operacionalidade e fiabilidade estabelecidos, maximizando resultados, cumprindo e
fazendo cumprir as normas de segurança e ambientais.
Os aproveitamentos hidroeléctricos da EDP Produção, representados na figura 4,
distribuem-se por três grandes Centros de Produção:
 Cávado-Lima;
 Douro;
 Tejo-Mondego.
Figura 4- Centros Produtores [1]
8
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
A Empresa no Contexto do Grupo EDP
O centro de Produção Cávado-Lima, com sede na Caniçada, compreende um conjunto de
18 centrais, representadas nas tabelas 2 e 3 (as barragens de Venda Nova e Paradela confluem
numa única central, Vila nova), 13 barragens e 36 grupos geradores, perfazendo uma potência
instalada no total de 1369,4 MW. Todas a centrais são operadas à distância pelo centro de
Telecomando das Centrais Hidroeléctricas situado em Bagaúste, Régua.
A produção de electricidade da EDP integra, de acordo com a actual classificação, centros
produtores nos dois segmentos existentes:

Produção em Regime Ordinário (PRO), quando a potência instalada é superior a 10MW;

Produção em Regime Especial (PRE), nos restantes casos.
A Produção em Regime Ordinário integra as centrais da EDP Produção anteriormente em
regime vinculado e aquelas que já actuavam no mercado liberalizado. A venda da electricidade é
realizada no mercado liberalizado (organizado) ou mediante contratos bilaterais.
De toda a potência instalada no Regime Ordinário o Parque EDP representa 85%, onde as
centrais hidroeléctricas e termoeléctricas ocupam 52,0% e 48,0%, respectivamente.
O parque Electroprodutor do Grupo EDP em regime Ordinário dispõe de uma potência
instalada de 8812 MW totalmente integrada nas centrais da EDP Produção.
A potência instalada do Parque Hidroeléctrico é de 4578,3 MW, distribuída por 35 centrais,
sendo 14 a fio-de-água e 21 de albufeira, 6 das quais estão equipadas com bombagem.
Estes aproveitamentos, em termos geográficos, situam-se, à excepção da Central de
Alqueva, nas zonas mais montanhosas e com maior pluviosidade no Norte e Centro do País.
As centrais termoeléctricas PRO totalizam uma potência de 4233,6 MW, tendo havido um
decréscimo de potência máxima disponível nos grupos da Central de Sines (12 MW), devido à
instalação de equipamentos de dessulfuração. [1]
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
9
A Empresa no Contexto do Grupo EDP
Potência líquida
933,8
630,0
Lima
1922
Fio-de-
5/5/10/10
4
7,5
44,1
máxima (MW)
2
(GWh)
125,0
média anual
Produtibilidade
Albufeira
(m3/s)
Nº de grupos
nominal por grupo
1992
Caudal útil
Entrada em
Lima
Tipo de
Curso de água
Alto
serviço
Centrais
aproveitamento
Tabela 2- Centrais hidroeléctricas PRO do Cávado-Lima [2]
Lindoso
Lindoso
água
Touvedo
Lima
1993
Albufeira
100,0
1
66,8
22,0
Alto
Rabagão 1964
Albufeira
26,4
2
85,3
68,0
Rabagão 1951
Albufeira
8,0
3
383,9
90,0
Paradela
Cávado
1956
Albufeira
16,4
1
256,7
54,0
Frades (1)
Rabagão 2005
Albufeira
25,0
2
220,0
191,4
Salamonde
Cávado
Albufeira
21,0
2
231,2
42,0
Vilarinho
Homem
2
189,0
125,0
2
337,4
62,0
21
2711,6
1328,5
Rabagão (1)
Vila Nova
Venda
Nova
1953
Albufeira
das Furnas
Grupo 1
1972
18,7
Grupo 2 (1)
1987
20,2
Caniçada
Cávado-
Cávado
1954
Albufeira
34,0
-Lima
A Produção em Regime Especial compreende a produção de electricidade com incentivos à
utilização de recursos endógenos e renováveis (hídrica, eólica, resíduos sólidos urbanos e
florestais) ou a produção combinada de calor e electricidade. A energia produzida é adquirida a
preço regulado pelo comercializador de último recurso, nas condições estabelecidas na
legislação.
10
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
A Empresa no Contexto do Grupo EDP
No Regime Especial, o parque EDP atingiu uma quota de cerca de 19% da potência
instalada, com a seguinte contribuição, parques eólicos (65,6%), centrais de co-geração a gás
natural (13,2%), centrais hidroeléctricas (18,6%) e centrais a biomassa florestal (2,6%).
Em regime especial o Grupo EDP em Portugal integra um conjunto de centros
electroprodutores com uma potência instalada de 843 MW, incluem-se neste regime as centrais
mini-hídricas da EDP Produção, os Parques eólicos da ENERNOVA, as centrais a biomassa da
BIOELÉCTRICA e as centrais de co-geração da ENERGIN e SOPORGEN. [1]
12,0
1
25,7
7,0
0,8
1
2,9
0,9
35,0/50,0
2
22,3
4,9
água
Labruja
Mestre
1992
Fio-deágua
Penide
Cávado
1951
Fio-deágua
Guilhofrei
Ave
1939
Albufeira
8,0/7,6
2
11,0
4,0
Ermal
Ave
1937
Albufeira
10,0/7,3
2
29,0
10,0
Ponte
Ave
1942
Albufeira
12,0
1
8,0
2,8
Senhora do Ave
1945
Albufeira
12,2/7,5
2
19,0
8,8
1995
Fio-de-
1,1/2,2
2
5,2
1,1
10,0
2
3,8
0,9
Esperança
Porto
Cefra
Ouro
água
Caniços
Ave
1946
Fio-deágua
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
11
máxima (MW)
Potência líquida
média anual (GWh)
Produtibilidade
Fio-de-
Nº de grupos
Tipo de
1974
por grupo (m3/s)
Entrada em serviço
Coura
Caudal útil nominal
Curso de água
France
aproveitamento
Centrais
Tabela 3- Centrais hidroeléctricas PRE do Cávado-Lima [2]
A Empresa no Contexto do Grupo EDP
2.5 Organigrama do Centro de Produção Cávado-Lima
A hierarquia do Centro de Produção Cávado-Lima obedece ao organigrama da figura 5.
Toda a actividade desenvolvida No PHCL é liderada e coordenada pelo Director do Centro de
Produção, Eng. Cipriano Serrenho, sendo este secundado dentro da macroestrutura local pelos
seguintes colaboradores:
 Eng. Leite Marinho – Subdirector do Centro de Produção;
 Eng. Paulo Magalhães – Chefe de departamento / Manutenção Eléctrica;
 Eng. Carvalho Magalhães – Chefe de departamento / Manutenção Mecânica;
 Eng. Afonso Rodrigues – Chefe de departamento / Observação e Construção
Civil.
Figura 5- Centro de Produção Cávado-Lima [1]
12
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
A Empresa no Contexto do Grupo EDP
2.6 Desenvolvimento do Parque Electroprodutor
O grupo EDP tem em curso um plano ambicioso de renovação e expansão do seu
parque produtor a nível nacional, com grande incremento da capacidade instalada na produção
hidroeléctrica, em ciclos combinados, parques eólicos e outras tecnologias, que permitirão
alterar substancialmente o actual mix da produção em Portugal, com a consequente diminuição
de emissões atmosféricas e aumento da eficiência energética global. [1]
Em 2008 houve uma evolução extremamente positiva dos diversos projectos, apresentados
na figura 6, nomeadamente na construção dos Reforços de Potência de Picote, de Bemposta e
de Alqueva, todos com entrada em serviço prevista para o final de 2011.
Na componente hidroeléctrica, foi atribuída por concurso público à EDP Produção
“concessão” dos Aproveitamentos de Foz Tua, Fridão e Alvito, e foi emitida a Licença de
Produção do Baixo Sabor, tendo sido adjudicada à Empreitada Geral de Construção.
Figura 6- Novos empreendimentos Hidroeléctricos [1]
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
13
A Empresa no Contexto do Grupo EDP
14
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Capítulo 3
3-Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
3.1 Descrição
O aproveitamento hidroeléctrico de Caniçada situa-se no vale hidrográfica do Cávado, sendo
o último da “cascata” da bacia do Cávado. É composto por uma albufeira, que não é mais do
que um grande depósito formado artificialmente fechando um vale através de um dique ou
barragem e no qual se armazenam as águas de um rio com o objectivo de as utilizar na
regularização de caudais, na irrigação, no abastecimento de água, na produção de energia
eléctrica, etc.
A albufeira iniciou o seu enchimento em Outubro de 1954, prolongando-se até Abril de
1955 data de conclusão, após ter atingido a cota de 162.00 m. [2]
As centrais hidroeléctricas existentes, são integradas em aproveitamentos a fio de água ou
de albufeira, dependendo das características locais.
Aproveitamentos a fio de água - caracterizam-se pelo facto de o reservatório criado pela
barragem ter uma duração de enchimento, com o caudal médio anual, inferior a 100 h.
Localizam-se normalmente em cursos de água de declive pouco acentuado e em que os caudais
disponíveis são elevados.
A reduzida capacidade de armazenamento destes aproveitamentos impõe que as afluências
sejam lançadas quase instantaneamente para jusante, seja por turbinamento seja por
descarregamento, isto é, o regime do rio não é alterado de modo significativo pelo
aproveitamento.
Aproveitamento de albufeira - nestes aproveitamentos, a relação capacidade do
reservatório/caudal médio é superior a 100 h. Graças à elevada capacidade de armazenamento
de que dispõem, permitem reter a água que aflui nos meses mais húmidos para posterior
turbinamento na época seca. Em alguns casos, este efeito regularizador do regime do rio,
permite, inclusive, constituir reservas de energia para anos secos, ou controle de cheias.
Devido às suas características de reserva, só funcionam quando necessário e, muitas vezes,
em horário de ponta, isto é, em períodos de elevado consumo de electricidade.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
15
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
São habitualmente implantadas nos rios das regiões montanhosas, pelo que a maioria dos
aproveitamentos de albufeira em Portugal se situa no norte e centro do País, onde se inclui o de
Caniçada.
Dispõe também de uma central subterrânea, nas proximidades da barragem, onde estão
alocados os dois grupos geradores com uma potência individual de 34 MVA. A central
subterrânea, com uma dimensão de 40 m de comprimento, 18 m de largura e 30 m de altura,
está localizada numa caverna escavada a aproximadamente 50 m abaixo do leito do rio, na
margem direita a jusante da barragem. O acesso a caverna (sala de máquinas), à cota de 50,90
m, a partir do átrio de montagem, é assegurado por um poço de 134 m de profundidade e 8 m
de diâmetro, salvaguardando uma saída de emergência para o exterior, através da galeria
inclinada que serviu de ataque à escavação da caverna, que desemboca no exterior na margem
direita do rio, a jusante da barragem.
Adjacente ao átrio de montagem, encontra-se o edifício de comando, constituído por dois
pisos, no qual está inserida: a sala de comando que permite uma visão completa da subestação,
a aparelhagem de contagem, os painéis e repartidores de aparelhagem, os sistemas de
alimentação de serviços auxiliares, o grupo diesel de emergência e também as oficinas.
Imediatamente a seguir, encontra-se a subestação, que para além de alojar os dois
transformadores principais, de 32MVA cada um, a respectiva aparelhagem de corte, protecção e
manobra e o equipamento de telecomunicações, ela tem ainda as sete linhas a 150kV, sobre
barramento duplo, com conjugação inter-barras, e uma linha a 15kV, que a tornam num
importante nó de trânsito de energia na região norte. [2]
3.2 Caracterização dos principais elementos
3.2.1 Barragem
A barragem de betão, ilustrada na figura 7 e descrita na tabela 4, do tipo abóbada delgada,
com dupla curvatura, uma altura de 76 m e um coroamento que se desenvolve por 276 m,
estabelece a ligação entre as duas margens da albufeira. Importa também referir que a maioria
das barragens se enquadra neste tipo, devido ao profundo conhecimento dos parâmetros de
16
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
esforços e deslocamentos instalados assim como das medidas a tomar para um óptimo
desempenho e funcionamento, encerrando por isso um risco de ruptura muitíssimo reduzido. [2]
Figura 7- Vista geral do Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Tabela 4- Características técnicas da Barragem
Características Técnicas
Tipo
Abóbada delgada
Cota do coroamento (m)
Altura máxima acima das fundações (m)
Desenvolvimento do coroamento (m)
163,00
76
246
3.2.2 Descarregador de superfície
O descarregador de cheias tem como função o controlo do nível da água da albufeira
quando existem caudais de água afluentes excedentários. Este encontra-se situado na parte
central e superior da barragem, representado na figura 8 e descrita na tabela 5, e é constituído
por quatro aberturas rectangulares vedadas por comportas do tipo Stoney, à cota de 153,80 m e
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
17
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
com a dimensão de 9 m x 4,5 m. Permite a descarga da água em lâmina livre a jusante da
barragem, sobre um tapete de betão e um açude com soleira à cota de 102 m, isto para formar
um colchão de água capaz de melhorar a dissipação da energia do referido caudal que protege a
rocha do leito do rio e a parte inferior das margens. A capacidade máxima de vazão do
descarregador de cheias é de 1700 m3 / s, podendo o comando das comportas ser efectuado no
modo automático ou por um operador em modo manual.
Figura 8- Descarregador de cheias
O comando automático é feito através de um autómato de regulação de nível da albufeira,
designado de “RAN”. O regulador automático de nível, “RAN”, exerce a sua regulação por
intermédio dos órgãos específicos de segurança da barragem, usualmente designados por
descarregadores de cheias.
O comando manual, realizado por ordem de um operador, pode ser efectuado à distância
ou no local, através das opções:
 Centro de Telecomando na Régua, (distância);
 Central de Caniçada, Sala de Comando, (distância);
 Barragem de Caniçada, (local);
18
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
 Barragem de Caniçada por manivela, (local).
Caso falhe a energia eléctrica, as comportas dos descarregadores estão providas de um
sistema de abertura/fecho mecânico por manivela, o qual, quando utilizado, impossibilita o
comando eléctrico. A cota máxima permitida é de 162 m durante o Verão e de 160 m durante o
Inverno, sendo ultrapassada a cota de referência, inicia-se o lançamento para jusante de um
caudal necessário para baixar a cota para o nível estabelecido.
Tabela 5- Características técnicas do descarregador de superfície
Características Técnicas
Número de comportas do descarregador de cheias
Tipo de comportas do descarregador de cheias
4
Stoney
Dimensões das comportas do descarregador de cheias (mxm)
9x4,5
Capacidade total de vazão do descarregador de cheias (m 3/s)
1700
3.2.3 Descarga de fundo
A descarga de fundo, apresentada na figura 9 e descrita na tabela 6, é um órgão hidráulico
que permite o esvaziamento da albufeira. Encontra-se situado no troço central (soco) da
barragem à cota de 94 m, com uma capacidade total de vazão de 142 m 3 /s. É composto por:
uma galeria de carga, com um diâmetro de 2,6 m e 21 m de comprimento, uma válvula
dispersora a jusante, que efectua a regularização e por uma comporta a montante, do tipo
lagarta, manobrada por servomotor a óleo, que contém a dupla finalidade de permitir a
manutenção e protecção da válvula dispersora caso exista alguma irregularidade. A válvula
utilizada é do tipo jacto oco, que, como o nome indica, cria um jacto em forma de cone oco,
divergindo muito rapidamente. Este jacto desintegra-se em contacto com o ar circundante e
transforma-se em gotículas mais ou menos fixas, caindo como chuva sobre uma área
relativamente grande, sendo praticamente auto destrutor. Devido ao seu padrão de construção, a
descarga de fundo não consegue funcionar afogada, pelo que não deve ser utilizada em
simultâneo com o descarregador de cheias. O comando destes órgãos é efectuado manualmente
no local, no posto de manobra. Em caso de falha da energia eléctrica, a válvula dispersora está
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
19
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
guarnecida de um sistema de abertura/fecho mecânico por manivela, o qual, quando utilizado,
impossibilita o comando eléctrico.
Figura 9- Descarga de fundo [2]
Tabela 6- Características técnicas da descarga de fundo
Características Técnicas
Número de válvulas da descarga de fundo
Tipo de válvula da descarga de fundo
Capacidade total de vazão da descarga de fundo (m 3/s)
Diâmetro nominal da válvula (m)
1
Jacto oco
142
2,6
3.2.4 Circuito hidráulico de adução e restituição
O circuito hidráulico, comum aos dois grupos, é constituído pela tomada de água, pela
conduta de carga, e pelo túnel de restituição. No circuito hidráulico de adução, a água é
encaminhada desde a tomada de água até à turbina, por sua vez, no circuito hidráulico de
restituição, a água turbinada é encaminhada desde a turbina até à restituição para o rio. Estes
20
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
circuitos hidráulicos, representados na figura 10 e descritos na tabela 7, têm comprimentos
totais de 244 m e 7482 m, respectivamente.
Figura 10- Circuito hidráulico de adução e restituição [2]
Tabela 7- Características técnicas do circuito hidráulico de adução e restituição
Características Técnicas
Comprimento do circuito de adução (m)
Comprimento do circuito da restituição (m)
244
7500
3.2.5 Tomada de água
A tomada de água, apresentada na figura 11 e descrita na tabela 8, é a estrutura destinada
a captar a água da albufeira, situada na margem direita, a montante da barragem, à cota de
108,4 m. A abertura ou fecho da entrada de água é efectuada por uma comporta em metal de
lagartas, denominada comporta da tomada de água, manobrada por um servomotor a óleo. A
comporta de lagarta é dotada, nas laterais do tabuleiro, de cadeias fechadas de rolos,
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
21
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
denominados lagartas. Estas deslocam-se livremente no plano vertical, girando em torno das
vigas cabeceiras.
O baixo coeficiente de atrito dos rolos e a sua alta capacidade de carga recomendam o uso
deste tipo de comportas em instalações a grande profundidade e fecho por gravidade. A
comporta tem uma importância vital no que diz respeito à segurança da central, pois, em caso
de uma paragem de emergência (inundação da central ou outra anomalia), é fechada
automaticamente.
Uma outra vertente da importância da comporta é permitir a manutenção das válvulas de
admissão à turbina.
Figura 11- Tomada de água [2]
Para evitar a entrada de elementos sólidos (ramos, etc.), que são arrastados pelas águas
podendo causar danos nos grupos geradores, existe a montante da comporta uma grade de
betão e uma grelha metálica. Esta última é móvel, sendo possível trazê-la à superfície para
remover os corpos sólidos nela depositados. O comando da comporta e da grade é feito a partir
duma torre com um passadiço de ligação ao coroamento da barragem, todavia, a manobra de
fecho da comporta também poderá ser efectuada à distância, a partir do edifício comando ou da
caverna.
22
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Tabela 8- Características técnicas da tomada de água
Características Técnicas
Número de comportas da tomada de água
Tipo da comporta da tomada de água
1
Lagarta
Grelha de betão
Fixa
Grelha metálica
Móvel
3.2.6 Conduta de carga
A conduta de carga, representada na figura 12 e descrita na tabela 9, é constituída por uma
galeria com um declive acentuado, tem como função conduzir o caudal até a central subterrânea
para posteriormente ser turbinado. Esta encontra-se aberta directamente sobre o granito, com
190 m de extensão, é constituída por 2 troços. O primeiro com 141 m de comprimento, um
diâmetro de 4,95 m e uma inclinação de 29%, e os restantes 49 m de comprimento, um
diâmetro de 3,9 m e uma inclinação de 85,4%. Na parte final a conduta bifurca-se em dois
troços metálicos (ramais) de alimentação às turbinas, com cerca de 54 m de comprimento, os
troços a montante e a jusante da válvula têm um diâmetro de 2,8 e 2,1 respectivamente. Cada
troço está dotado de uma válvula de admissão do tipo esférica, manobrada por um servomotor a
água.
Figura 12- Conduta de carga [2]
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
23
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Tabela 9- Características técnicas da conduta de carga
Características Técnicas
Comprimento da conduta (m)
Número das condutas
190
1
3.2.7 Chaminé de equilíbrio
As chaminés de equilíbrio são instalações destinadas a amortecer as oscilações transitórias
da pressão no circuito hidráulico, mantendo em limites toleráveis as sobrepressões e depressões
nas condutas ocasionadas por manobras intencionais ou não, como por exemplo o fecho rápido
(total ou parcial) do distribuidor. Este fecho pode originar um fenómeno designado golpe de
aríete, que não é mais do que uma onda de pressão seguida de uma depressão, que vão
percorrendo a conduta sucessivamente.
A sua estrutura em forma de reservatório, aberta na parte superior, é situada no trajecto a
jusante das turbinas.
No caso da abertura das turbinas, a chaminé actua amenizando os efeitos da sobrepressão
aplicados às condutas, no caso inverso, quando se dá o fecho das turbinas, produz-se uma
subpressão nas condutas e a chaminé actua na forma de reservatório, alimentando as condutas.
Desta forma evita-se que o circuito hidráulico e equipamento sejam afectados pelos efeitos da
depressão. Quando se originam estas diferenças de pressão, o nível de água passa a oscilar
entre a chaminé e as condutas, de forma a diminuir a amplitude das oscilações até praticamente
à nulidade.
3.2.8 Válvula de admissão
A válvula de admissão é um dispositivo de segurança, que têm como finalidade abrir ou
fechar a admissão da água à turbina. A válvula de admissão é do tipo esférico, como se pode
verificar na figura 13, com um diâmetro de 2,6 m. Cada válvula é constituída por dois meioscorpos e um obturador em aço fundido, apresentada na tabela 10, girando o último sobre duas
chumaceiras de bronze.
24
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
O accionamento é feito por um servomotor de água, que é posto em pressão, num ou
noutro sentido, por um distribuidor. Este é accionado por um pequeno servo-motor, alimentado
pelo óleo sob pressão do depósito do circuito de regulação da turbina.
A abertura é precedida pelo estabelecimento do equilíbrio das pressões a montante e a
jusante, através dum bypass cuja válvula de manobra é accionada por um pequeno servomotor
a óleo. Contando a partir do momento em que fica estabelecido o referido equilíbrio, a duração
da operação não excede os dois minutos. O fecho, sendo o mais rápido possível, não ocasionará
sobrepressões superiores a 25% da queda máxima de carga.
A estanquicidade é assegurada por um dispositivo automático, constituído por um anel
móvel de bronze e por uma sede de igual material fixada sobre o obturador a jusante que
encostam sob pressão da própria água. Este dispositivo entra automaticamente em compressão
e descompressão com a manobra da válvula. Um segundo dispositivo, de estanquicidade a
montante do obturador e com comando manual, funciona como protecção de recurso.
Figura 13- Válvula de admissão [3]
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
25
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Tabela 10- Características técnicas da válvula de admissão
Características Técnicas
Tipo de válvula
Número de válvulas
Esférica
2 (uma por grupo)
Diâmetro nominal da válvula (m)
2,1
Pressão de comando da válvula (bar)
20
Órgão de manobra
Servomotor
3.2.9 Comportas ensecadeiras da restituição
A comporta ensecadeira, apresentada na figura 14 e descrita na tabela 11, tem como
função isolar o retorno da água do túnel de fuga para a turbina. A jusante de cada grupo existe
uma comporta ensecadeira da turbina, do tipo Adufa, manobrada por um servomotor hidráulico.
Estas comportas têm unicamente comando local ou actuação de inundação da central, ordem
impulsional emitida à distância, sinal processado independente do autómato.
A comporta ensecadeira da turbina só poderá ser manobrada em águas equilibradas, com o
grupo gerador parado e a válvula de guarda fechada.
Tabela 11- Características técnicas das comportas ensecadeiras da restituição
Características Técnicas
Tipo de comporta ensecadeira
Número de comportas ensecadeiras
Órgão de manobra
26
Adufa
2 (uma por grupo)
Servomotor
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Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Figura 14- Comporta ensecadeira de restituição
3.2.10 Túnel de restituição
A água turbinada é recolhida por um canal que a restitui ao leito natural do curso de água. O
túnel de restituição, apresentado na figura 15 e descrito na tabela 12, foi durante diversos anos
a maior obra deste género do país, é escavado directamente sobre o granito. Com uma extensão
total de 7482 m e um diâmetro médio de 6,8 m, termina a jusante com um descarregador em
betão com crista.
Tabela 12- Características técnicas do túnel de restituição
Características Técnicas
Comprimento do túnel (m)
7482
Diâmetro da escavação (m)
6,8
Figura 15- Túnel de restituição [2]
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27
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
3.2.11 Turbina
As turbinas hidráulicas são máquinas que têm como finalidade converter a energia hidráulica
(cinética, resultante da potencial gravítica) de um fluxo de água em energia mecânica, a qual,
por sua vez, irá accionar o alternador, cujo eixo está directamente acoplado ao da turbina.
Podem ser organizadas em turbinas de acção, como é o caso das turbinas Pelton, e de
reacção, como por exemplo as turbinas Francis e Kaplan. A escolha da turbina é crucial para se
obter o melhor rendimento possível, devendo a sua escolha ser executada consoante a potência,
a queda de água e o caudal turbinado.
Caso se trate de uma turbina Pelton, como se pode verificar na figura 16, designada turbina
de acção, a água em carga nas condutas forçadas é distribuída pelas tubeiras até aos injectores,
de onde sai em forma de jacto, accionando directamente, sob forte pressão, as pás (em forma
de concha dupla da roda móvel). Estas turbinas podem ser de eixo vertical ou horizontal, e são
utilizadas em aproveitamentos caracterizados por uma grande queda e baixo caudal. Têm
também uma característica de rotação reduzida e um rendimento máximo na ordem dos 93%.
Em Portugal existem modelos destas turbinas nas centrais de Vila Nova, Tabuaço e Santa Luzia.
[3]
Figura 16- Turbina Pelton [3]
28
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Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Já dentro das turbinas de reacção, a turbina Kaplan diferencia-se da turbina Francis por
apresentar um número inferior de pás (quatro ou cinco), em forma de hélice normalmente de
eixo vertical, e com uma inclinação regulável, que deriva de um mecanismo de orientação
controlado pelo regulador da turbina, como se pode ver na figura 17. Trata-se de um
equipamento apropriado para os aproveitamentos de fio de água, de baixa queda e elevado
caudal, como por exemplo os de Touvedo, Carrapatelo, Régua, Valeira, Pocinho, Fratel e Belver.
Nos aproveitamentos onde se verifique uma baixa queda, instalam-se habitualmente os
chamados grupos Bolbo, constituídos no essencial por uma cuba em forma de Bolbo, em que a
água flui em seu redor, totalmente submersa na água, o que acarreta que o equipamento
contenha uma vedação melhorada, onde se alojam a turbina tipo Kaplan de eixo horizontal e o
alternador. Encontra-se este tipo de grupos nas centrais hidroeléctricas de Belver, CrestumaLever e Raiva. [3]
Figura 17- Turbina Kaplan [3]
Em Caniçada, as turbinas hidráulicas são do tipo Francis de eixo vertical, onde a câmara de
entrada da máquina hidráulica é uma voluta em forma de espiral que encaminha a água para o
distribuidor, sendo posteriormente direccionada da periferia para o eixo da turbina, caindo
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
29
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
posteriormente sobre as pás da roda, originando a sua rotação por um fenómeno de reacção.
Este tipo de turbina trabalha imersa na água que, depois de actuar sobre a roda, se escoa pelo
difusor, paralelamente ao eixo de rotação, como se pode verificar na figura 18 e posteriormente
descrita na tabela 13.
Figura 18- Turbina Francis [3]
A turbina Francis é usualmente instalada em aproveitamentos de média ou baixa queda e
têm um rendimento máximo mais elevado, velocidades maiores e menores dimensões,
comparativamente as Pelton.
Na figura 19, pode-se verificar a situação que melhor se adapta a cada turbina, tratando-se
de informação que é normalmente facultada pelo fabricante, de forma a facilitar a selecção da
turbina consoante as características do aproveitamento.
30
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Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Figura 19- Diagrama de utilização das turbinas [3]
Tabela 13- Características técnicas da turbina
Características Técnicas
Tipo de roda
Número de rodas
Francis vertical
2 (uma por grupo)
Potência nominal (kw)
31000
Velocidade nominal (r.p.m.)
300
Queda útil nominal (m)
104
Caudal máximo turbinável (m3/s)
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68
31
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
3.2.11.1 Roda
A roda da turbina Francis, representada na figura 20 e descrita na tabela 14, é fabricada
em aço inoxidável e é constituída por 13 pás fixas e encurvadas.
Figura 20- Roda Francis [3]
Tabela 14- Características técnicas da roda
Características Técnicas
Tipo de pás
Número de pás
Diâmetro de saída da roda (m)
Fixas
13
2,1
3.2.12 Chumaceira guia da turbina
A chumaceira guia da turbina situa-se na parte superior ao acoplamento turbina-veio, tendo
como função manter a verticalidade do veio, absorvendo também os esforços radiais do veio
provenientes da rotação da turbina. A chumaceira contém uma refrigeração hidrodinâmica,
composta por dois meios corpos com serpentinas de refrigeração embutidas, descritas na tabela
32
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Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
15, pelas quais é feita a permutação do calor causado pela fricção entre as partes móveis (metal
da chumaceira e veio da turbina), sendo revestidos a metal anti-fricção.
Tabela 15- Características técnicas da chumaceira guia da turbina
Características Técnicas
Tipo de chumaceira
Casquilho (bipartida)
Diâmetro nominal da chumaceira (mm)
Material base da chumaceira
850
Aço vazado (com metal anti-fricção)
3.2.13 Chumaceira de impulso
A chumaceira de impulso situa-se na parte superior do alternador, tendo como objectivo
servir de apoio à parte móvel (absorve os esforços axiais transmitidos pelo grupo).
Perpendicularmente ao eixo do veio, estão aplicados oito patins axiais independentes, descritos
na tabela 16, envolvidos numa grande quantidade de óleo refrigerado através de uma serpentina
por onde circula água. Efectua-se assim a permutação do calor dissipado pela fricção do óleo
nos segmentos.
Tabela 16- Características técnicas da chumaceira de impulso
Características Técnicas
Tipo de chumaceira
Dimensões do segemento da chumaceira (mm)
Material base da chumaceira de impulso
Pivot
225x185x75
Aço vazado (com metal anti-fricção)
3.2.14 Distribuição
O distribuidor é o dispositivo capaz de regular o caudal que entra na roda motriz através
do controlo das pás directrizes (20 pás). A regulação da posição das directrizes é efectuada por
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
33
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
meio do anel de distribuição a elas acoplado e respectiva cadeia cinemática (biela/manivela) de
interligação individual. O anel de distribuição é accionado por dois servomotores óleo-hidráulicos
de duplo efeito, que operam em sentidos opostos de modo a gerarem um binário, como se pode
verificar na figura 21 e descritos na tabela 17. Estes são comandados pelo regulador de
velocidade da turbina DIGIPID.
Figura 21- Distribuidor
O distribuidor, além de fazer a vedação da água proveniente da espiral quando está aberta,
permite também a regulação da potência ou da velocidade do grupo.
Cada uma das directrizes move-se sobre um pivô, de tal forma que na posição de fechado,
se encostam duas a duas, não permitindo a passagem da água. Na posição de totalmente
aberto ficam quase paralelas entre si. As bielas que ligam as pás directrizes possuem uma zona
de colocação de um fusível, de modo que, se durante a manobra de fecho do distribuidor um
corpo estranho ficar preso entre as duas pás, estes serão submetidos a um esforço anormal e
partem, evitando eventuais danos nas pás directrizes e na cadeia cinemática de manobra do
distribuidor.
34
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Tabela 17- Características técnicas do distribuidor
Características Técnicas
Tipo de pás directrizes
Reguláveis
Número de pás directrizes
20
Dimensões da pá directriz (mm)
Material base
520x459
Aço vazado (Munhão – aço cromado)
3.2.15 Linha de veios
O grupo gerador possui dois veios (rotor e turbina), descritos na tabela 18, sendo o veio
do rotor acoplado à flange superior do veio da turbina, ficando assim unidos.
O veio permite transmitir o binário motor, tendo também o objectivo de suportar os esforços
axiais (impulso hidráulico sobre a roda) e o peso das partes girantes.
Tabela 18- Características técnicas da linha de veios
Características Técnicas
Dimensão total do veio do rotor (mm)
6,785
Dimensão total do veio da turbina (mm)
Material base
Aço (Ac 50.11)
3.2.16 Junta de estanquicidade
A junta de estanquicidade destina-se a conseguir a vedação da água pela parte superior
da roda da turbina, evitando a sua entrada através da folga existente entre o veio da turbina e a
estrutura fixa da câmara espiral.
A junta de estanqueidade é do tipo radial, apresentada na tabela 19, com anéis de carvão
que funcionam contra um aro de desgaste em aço inoxidável, montado no veio da turbina, em
cima da roda desta, superiormente à flange de acoplamento do veio à roda.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
35
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Tabela 19- Características técnicas da junta de estanquicidade
Características Técnicas
Tipo de junta
Radial
Pressão máxima da água de refrigeração
≈ 4 bar
Material base dos anéis da junta
Carvão
Material base do aro de desgaste
Aço inoxidável
3.2.17 Regulador de velocidade
A necessidade da regulação de velocidade tem por objectivo assegurar a constante
frequência da rede. A regulação é baseada no princípio:

Quando a potência motriz (Pm) é igual á potência consumida (Pr), a frequência da rede
é constante;

Se a potência motriz diferente da potência consumida, a frequência da rede varia,
segundo uma lei dependente da inércia da rede.
Para uma carga dada, a potência absorvida pela rede aumenta com a sua frequência (esta
variação define o coeficiente de auto regulação da rede).
A potência motriz dum grupo depende do débito de água aplicada. A potência absorvida
depende da carga que está ligada à rede, a carga é essencialmente variável em função do
tempo. Pode-se assim modular o débito de água quando se age sobre a abertura do distribuidor
hidráulico, como se pode verificar na figura 22, quer quando solicitado um aumento de potência,
em que o regulador determina a abertura do distribuidor para aumentar o débito de água, ou no
sentido inverso, se a potência pedida pela rede diminuir ligeiramente (diminuição do consumo),
o regulador, descrito na tabela 20, actua no sentido do fecho do distribuidor, diminuindo assim o
débito de água e consequentemente a potência motriz.
Pode-se também medir o erro da frequência (ou da potência) comparando este com o valor
de referência. Estas duas grandezas evoluem no mesmo sentido, mas não estão ligadas por
relações lineares. A regulação dos grupos hidráulicos necessita pois de um equipamento
complexo, para assegurar a estabilidade das redes.
36
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
A estrutura funcional base do regulador (DIGIPID) é estruturada num andar regulador de
velocidade que elabora a referência de posição, em função da velocidade do grupo e da
referência da abertura por meio dum regulador PID, e comporta também um andar de potência,
que posiciona o órgão regulado por meio duma cadeia hidráulica (accionador, válvula de
distribuição, servomotor). [4]
Regulador de velocidade
Acção
derivada
Acção
integral
-+
Taquimetro
Posicionadores
Acção
proporcional
Referência
f0
+
+
+
+
+
-
Actuador
Distribuidor
Estatismo
Referência
abertura
Adaptação
Servomotor
Turbina
Alternador
Rede
Figura 22- Regulação de velocidade [4]
A variação da posição do distribuidor é feita através da injecção de óleo que, depois de
passar pelo circuito óleo – hidráulico de comando, vai actuar sobre os servomotores de manobra
do distribuidor.
Tabela 20- Características técnicas do regulador de velocidade
Características Técnicas
Tipo de regulador
Rapid
Pressão de regulação (nominal)
Tipo de servomotores de comando
20 bar
Duplo efeito
Material de servomotores de comando
Órgão de regulação
2
Actuador (NEYRPIC)
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37
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
3.2.18 Câmara espiral e antedistribuidor
A câmara espiral tem por função conseguir uma velocidade constante da água em toda a
periferia da roda, evitando assim vibrações e perdas de carga. A conduta tem uma forma
circular, cuja secção transversal se vai reduzindo no sentido do fluxo do caudal que ataca a roda
da turbina. Esta câmara interiormente é composta por pás fixas, descritas na tabela 21,
orientadas de modo a enviarem a água ao distribuidor. Estas pás são designadas de
antedirectrizes ou pré-directrizes (antedistribuidor).
Tabela 21- Características técnicas da câmara espiral e antedistribuidor
Características Técnicas
Material base da câmara espiral
Tipo de pás do antedistribuidor
Chapa de aço
Fixas
Número de pás do antedistribuidor
10
3.2.19 Difusor
O difusor é constituído por um cone e um cotovelo de aspiração totalmente blindados. Serve
de ligação entre a roda motriz e o túnel de fuga e tem como finalidade conseguir a máxima
recuperação de energia cinética, correspondente à velocidade de descarga da água à saída da
roda motriz.
3.2.20 Alternador
Os alternadores hidroeléctricos são máquinas eléctricas rotativas que transformam a
energia mecânica gerada na turbina em energia eléctrica, sob a forma de f.e.m. variáveis no
tempo, que produzem sistemas de tensões e correntes.
𝑒 = 𝑉 ×𝐵 ×𝑙
38
(2)
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Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
e = força electromotriz
v = velocidade de rotação
B = densidade do fluxo magnético
I = comprimento do condutor
O enrolamento induzido sede das f.e.m. (força electromotriz) está colocado sobre a parte
fixa, o estator. Os pólos excitados pela corrente contínua fornecida pelo sistema de excitação são
colocados na parte rotativa da máquina, o rotor.
A amplitude da f.e.m. induzida nas fases do estator é obtida através da relação: [5]
𝐸𝑓 =
(3)
2 × 𝑁𝑝 × 𝐾𝑝 × 𝐾𝑑 × 𝜃 × 𝑓
Ef = força electromotriz
Kp = constante que varia de acordo com a montagem dos enrolamentos da máquina
Kd = constante que varia de acordo com a montagem dos enrolamentos da máquina
Np = número de espiras do enrolamento de uma fase
f = frequência
Ф = fluxo magnético
A força electromotriz, Ef, é proporcional ao fluxo magnético, produzido pela corrente de
excitação, e à velocidade, como se pode observar na curva de magnetização, representada na
figura 23, da máquina síncrona. [5]
Ef
n = nr = const
Iexc
Figura 23- Curva de magnetização
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39
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Chama-se máquina síncrona a uma máquina cuja velocidade de rotação n está ligada à
frequência da rede, f pela relação:
(4)
𝑓 =𝑝 ×𝑛
em que p é o numero de par de pólos.
Para uma dada frequência nominal da rede (50Hz) e através da escolha do número de par
de pólos (p), obtemos as seguintes velocidades de rotação (n), apresentadas na figura 24 :
n (rot/min)
|
1500
1000
750
600
500
420
300
p
|
2
3
4
5
6
7
10
Figura 24- Velocidade/ rotação
Vamos observar na figura 25 o modelo equivalente de uma máquina síncrona ligada a uma
rede de potência infinita. [5]
XS
Lf
Ra
Fluxo
Ia
Ef
If
Vt
Estator( Armadura)
Rotor( Campo)
Figura 25- Esquema máquina síncrona
Xs = resistência síncrona (Ω);
40
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Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Ef = força electromotriz;
Ra = resistência da armadura;
Vt = tensão aos terminais;
Ia = corrente da aramadura.
As máquinas síncronas são reversíveis e, por esta razão, tanto podem funcionar como
geradores ou como motores.
Caso a máquina síncrona opere como gerador obtemos:
𝐸𝑓 = 𝑉𝑡 + 𝐼𝑎 (𝑅𝑎 + 𝑗 𝑋𝑠 )
(5)
Como Xs » Ra, para o cálculo das correntes pode desprezar-se a resistência da armadura,
embora o mesmo não se possa aplicar caso se esteja a calcular as perdas da máquina ou do
rendimento. Assim, tem-se aproximadamente: [5]
𝐸𝑓 = 𝑉𝑡 + 𝐼𝑎 × 𝑗 𝑋𝑠
(6)
Caso a máquina síncrona opere como motor obtemos:
𝐸𝑓 = 𝑉𝑡 – 𝐼𝑎 (𝑅𝑎 + 𝑗 𝑋𝑠)
(7)
Desconsiderando a resistência da armadura, tem-se:
𝐸𝑓 = 𝑉𝑡 – 𝐼𝑎 × 𝑗 𝑋𝑠
(8)
Num sistema eléctrico existem três tipos de potências, representadas na figura 26, sendo
elas potência activa, reactiva e aparente.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
41
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
S
Q
Ф
P
Figura 26- Triângulo de potências
S = potência aparente (VA);
P = potência activa (W);
Q = potência reactiva (VAr);
Ф = ângulo que determina o factor de potência.
A potência absorvida pelo elemento resistência óhmica do receptor é denominada potência
activa ou potência real. Representa-se pela letra P e exprime-se em W, podendo ser calculada
em função de R e I.
𝑃 = 3 × 𝑅 × 𝐼2
(9)
Através do aumento do débito da turbina, a corrente de carga e a energia activa aumentam,
dado que houve um aumento da energia mecânica fornecida à turbina.
Ao produto UC * IL, em que UC= tensão composta e IL= corrente na linha, chama-se potência
aparente. A potência aparente representa-se pela letra S e exprime-se em VA.
𝑆 = 3 × 𝑈𝐶 × 𝐼𝐿
(10)
Da mesma forma que R determina a potência activa, o elemento “reactância”, X, da bobina
dá lugar à potência reactiva. Representa-se pela letra Q e exprime-se em VAr.
𝑄 = 3 × 𝑋 × 𝐼2
42
(11)
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Apesar de não ser consumida, a energia reactiva circula na rede. Este facto torna-se um
inconveniente, pois obriga a dimensionar os componentes para correntes superiores as
necessárias. Por esta razão, os fornecedores de energia eléctrica (EDP) penalizam os
consumidores cujos receptores (motores e outros elementos indutivos) provocam a circulação
duma excessiva “quantidade” de energia reactiva.
Através do aumento da excitação, a força electromotriz gerada no alternador tem tendência
para aumentar na mesma proporção, porém, verifica-se que neste caso há uma componente
reactiva da corrente fornecida pelo alternador à rede.
Do mesmo modo, diminuindo a excitação, a força electromotriz gerada nas bobinas do
induzido do alternador tem tendência para diminuir proporcionalmente, verificando-se que uma
componente reactiva da corrente é fornecida pela rede ao alternador.
O meio, ou o espaço, entre o estator e o rotor que vai permitir o movimento chama-se
entreferro.
Os alternadores hidráulicos em que as velocidades são relativamente baixas têm os pólos
salientes, sendo os mais importantes de eixo vertical, como se verifica em Caniçada,
representado na figura 27 e descrito na tabela 22. Distinguem-se dois tipos principais: o
alternador suspenso, no qual a chumaceira de impulso está acima do rotor, e o alternador
apoiado, no qual esse apoio situa-se abaixo do rotor.
Figura 27- Alternador
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
43
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Como tal, são constituídos por órgãos com funções mecânicas, eléctricas e magnéticas, ou
um misto de funções electromecânicas e electromagnéticas
Tabela 22- Características técnicas do alternador
Características Técnicas
Potência aparente nominal (MVA)
Tensão nominal (kV)
34
10,25
Frequência nominal (HZ)
50
Factor potência nominal
0,95
3.2.20.1 Estator
O estator, descrito na tabela 23, é constituído essencialmente por: [6]
 Carcaça
Normalmente constituída por elementos de aço laminado, ligados por meio de soldadura
electro-arco, com forma de envelope circular ou poligonal. Dependendo do seu diâmetro, pode-se
normalmente encontrar-se dividida em duas, quatro ou seis partes, e comporta no seu interior
diversas nervuras e sectores de coroas circulares, que lhe conferem a rigidificação necessária. A
coroa superior com os braços suporta e fixa normalmente a cruzeta e a chumaceira superior.
As coroas intermédias suportam o núcleo estatórico, sendo a inferior de assentamento
directo, ou através de sapatas nas placas de base seladas e ancoradas no betão.
Na carcaça é montado o sistema de guiamento do núcleo estatórico, constituído por
barras-guia dispostas axialmente, fixadas por parafusos e posicionadas por cavilhas.
 Núcleo estatórico
Constituído por um empilhamento de segmentos de chapa magnética, de alta
permeabilidade, com baixo coeficiente de histerese e grande resistividade. Os segmentos são
envernizados a quente, nas duas faces, com uma pintura de verniz isolante. O empilhamento
fica dividido em pacotes, separados por espaçadores, constituindo-se deste modo os canais de
ventilação.
44
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
O sistema de aperto das chapas é assegurado por meio dos segmentos e placas de aperto,
onde são soldados dedos em aço magnético que pressionam a chapa magnética através de
tirantes em aço.
O esforço da compressão transmite-se assim a toda a altura dos dentes e da coroa que
formam os segmentos de chapa.
O núcleo estatórico das máquinas grandes pode apresentar juntas, duas ou mais, isoladas
a cartão. Actualmente já se constroem núcleos sem juntas.
O espaço que fica entre dois dentes vizinhos é designado por ranhura.
 Enrolamento estatórico
Constituído pelo conjunto das bobinas ou de barras, que se encontram distribuídas pelas
ranhuras do núcleo estatórico. Em cada ranhura há duas barras ou dois lados ou ramos de
bobinas separados por um intercalar. Na ranhura o conjunto é apertado por meio de bandas de
enchimento e calços. Cada barra ou bobina é constituída por um conjunto de condutores
elementares isolados entre si e convenientemente transpostos em toda a altura do circuito
magnético. O isolamento exterior do conjunto constitui o isolamento principal do enrolamento.
O enrolamento, que pode ser do tipo imbricado ou ondulado, encontra-se dividido em três
circuitos eléctricos distintos que constituem as fases do alternador. Cada fase pode ter uma,
duas ou mais vias. Saem da carcaça os três terminais de neutro que se ligam em estrela e os
três terminais de fase que se ligam ao barramento de saída do alternador.
Tabela 23- Características técnicas do estator
Características Técnicas
Diâmetros exterior/interior do estator (mm)
5400/4000
Altura do estator (mm)
Tipo de enrolamento estatórico
1555
Imbricado
Classe de isolamento do enrolamento estatórico
F
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
45
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
3.2.20.2 Rotor
O rotor, descrito na tabela 24, é constituído essencialmente por: [6]
 Veio
O veio dos alternadores é feito em aço forjado. Nas suas extremidades possuem os
chamados pratos de acoplamento para aperto de outros veios, da excitatriz, intermédios ou da
turbina. Os veios podem ser furados a toda a altura para permitirem a passagem de certos
órgãos.
 Cruzeta
A cruzeta é construída em aço e possui os seus braços soldados directamente ao veio.
Estes braços prolongam-se por placas, nas quais são fresadas as ranhuras para as chavetas
destinadas à fixação da jante.
 Jante
A jante rotórica é formada por anéis maciços, ou em chapas de aço, apertadas por
parafusos e enchavetados a quente sobre a cruzeta. A superfície exterior da jante possui
ranhuras em forma de “cauda de andorinha” para a fixação dos pólos.
A roda polar possui ainda, na parte inferior, uma pista de frenagem, munida de uma
superfície de atrito formada por diversos segmentos, capaz de dissipar o calor desenvolvido
durante a frenagem.
 Pólos
Um pólo é composto pelo núcleo, parte onde encaixa a bobina, e pela expansão polar, parte
mais larga com uma face ligeiramente arredondada do lado do entreferro. Normalmente é
construído em chapas de pequena espessura, cortadas em prensa, empilhadas e apertadas por
meio de pernos, entre cabeças em aço forjado.
Uma bobina é constituída por uma série de espiras enroladas helicoidalmente e
convenientemente isoladas entre si por uma ou mais camadas de papel isolante muito fino
polimerizável a quente.
Hoje em dia já se fabricam espiras com elementos rectangulares brasados a prata nas
extremidades, com a vantagem da secção ser perfeitamente regular.
46
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Devido ao tratamento térmico e à qualidade do papel, a bobina isolada constitui um
conjunto totalmente rígido.
O isolamento da bobina à massa é assegurado por colares isolantes, situados nos extremos
da bobina, e por acessórios isolantes de travamento, que se posicionam entre o núcleo e a
bobina. Por vezes o próprio núcleo é encamisado por uma bandagem ou cilindro isolante.
Para a fixação da bobina ao núcleo podem ainda ser utilizados colares de ferro.
Os pólos são solidamente fixados à jante rotórica por meio de chavetas e contra chavetas.
Para aproximar a forma das f.e.m. desenvolvidas no enrolamento estatórico de uma
sinusóide, a expansão polar tem um raio tal que, o entreferro das pontas polares é 1,5 a 2 vezes
maior que o entreferro no meio do pólo.
Os alternadores de pólos salientes comportam muitas vezes um enrolamento amortecedor,
para amortecer as oscilações do rotor devidas aos fenómenos transitórios e facilitar os regimes
de funcionamento assimétricos devido ao desequilíbrio de carga.
O enrolamento amortecedor é constituído por tirantes em cobre que atravessam axialmente
expansões polares que são soldados nos topos a um anel também em cobre formando uma
espécie de gaiola. Os anéis de pólos diferentes são geralmente interligados em toda a periferia
do rotor, quer em cima quer em baixo, constituindo-se assim um enrolamento amortecedor
fechado. Caso isso não se verifique o enrolamento denomina-se aberto.
O mesmo objectivo é conseguido em algumas máquinas com pólos maciços.
Os pólos são solidamente fixados à jante rotórica por uma ou mais “caudas de andorinha”
apertadas por chavetas e contra chavetas.
 Enrolamento rotórico
O enrolamento rotórico é constituído pelo conjunto das bobinas polares, que se encontram
todas electricamente ligadas em série. Apesar das bobinas serem quase todas iguais, as ligações
interpolares estabelecem-se de forma a conseguir-se sempre que a um pólo norte suceda um
pólo sul.
A ligação da excitação, ou barramento de excitação, é fixado por meio de acessórios
isolantes por cima da jante e da cruzeta até ao veio e, geralmente, passa depois pelo interior do
veio para a ligação aos anéis colectores.
Entre os pólos montados utilizam-se normalmente uma ou mais cunhas interpolares. A
função destas cunhas é essencialmente a de impedir a deformação tangencial, permitindo a
dilatação radial das bobinas pelo calor desenvolvido pela corrente de excitação.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
47
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
 Anéis colectores
Na parte superior do veio do alternador dos grupos verticais encontram-se os dois anéis
colectores em aço forjado. Estes anéis encontram-se totalmente isolados entre si e do tambor de
fixação ao veio.
Na superfície exterior dos anéis deslizam as escovas de carvão colocadas no porta-escovas,
estabelecendo-se desta forma a ligação da corrente contínua proveniente do disjuntor de campo.
Tabela 24- Características técnicas do rotor
Características Técnicas
Número de pólos do rotor
14
Diâmetros exterior do rotor (mm)
3650
Classe de isolamento do rotor
F
3.2.21 Excitação e regulação de tensão
O sistema de excitação, presente na figura 28, irá ser descrito posteriormente no capítulo 6,
dado que se trata do tema central da dissertação.
Figura 28- Sistema de excitação estático
48
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
3.2.22 Refrigeração
A partir do projecto de construção do alternador, incluindo o cálculo eléctrico das
perdas, conhecem-se as quantidades de energia calorífica a dissipar e por conseguinte
determina-se a potência de refrigeração necessária para as condições mais desfavoráveis de
aquecimento. É necessário que o valor da temperatura não ultrapasse os parâmetros
previamente estabelecidos e que esteja de acordo com as performances dos materiais, pois
poder-se-ia pôr em perigo a duração da máquina, ou porventura, a sua destruição.
Os alternadores estão dotados de um sistema de ventilação, descrito na tabela 25, que
pode ser conseguido por dois ventiladores situados de ambos os lados da roda polar,
constituídos normalmente por segmentos com alhetas em aço fixadas sobre a jante rotórica.
Pelo movimento do rotor e acção dos ventiladores dão-se diferenças de pressão no interior da
máquina que provocam correntes de circulação dependentes da forma do circuito de
refrigeração.
Segundo a direcção do ar que banha as peças aquecidas da máquina, distingue-se o
sistema de ventilação radial e axial.
A ventilação pode ser realizada em circuito fechado ou circuito aberto; no primeiro caso, o
mesmo volume de ar realiza repetidamente o mesmo ciclo, enquanto no segundo, o ar de
arrefecimento é renovado.
Nas máquinas hidráulicas de grande potência, o sistema mais usado é o de ventilação
radial em circuito fechado. O ar é aspirado pela parte superior e inferior do alternador, passa
pelos canais da máquina onde é aquecido, atravessa os refrigeradores que se encontram
distribuídos na periferia da carcaça e é arrefecido, para entrar novamente na máquina.
Os refrigeradores são alimentados por um circuito aberto de água fria filtrada, de grande
caudal.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
49
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Tabela 25- Características técnicas da refrigeração
Características Técnicas
Caudal de água de refrigeração (l/s)
46,8
Pressão da água de refrigeração (bar)
≈4
Número de refrigeradores (por grupo)
6x2
Material de base dos refrigeradores
Tipo de ventilação
Aço/latão (tubos alhetados)
Forçada em circuito fechado
3.2.23 Chumaceiras
No alternador existem duas chumaceiras que são denominadas por chumaceiras guia
inferior e superior, apresentadas na tabela 26. Conforme o nome indica, encontram-se
localizadas na parte inferior e superior do veio do rotor respectivamente. A sua função é a de
manter a verticalidade do veio do rotor. Elas são constituídas essencialmente por uma cuba de
óleo e por um casquilho revestido a metal anti-fricção, sendo esse óleo refrigerado através de
uma serpentina com água, pela qual é feita a permutação do calor causado pela fricção entre as
partes estáticas (chumaceira) e móveis (veio).
Tabela 26- Características técnicas das chumaceiras
Características Técnicas
Tipo de chumaceira
Material base da chumaceira
Casquilho bipartido
Aço (com metal anti-fricção)
Diâmetro nominal da chumaceira guia superior (mm)
500,45
Diâmetro nominal da chumaceira guia inferior (mm)
630,50
50
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
3.2.24 Frenagem
O funcionamento prolongado do grupo em baixa velocidade de rotação pode provocar a
ruptura da película de óleo da chumaceira de impulso, sujeitando esta ao perigo de gripagem.
Para evitar esta situação, na paragem dos grupos, quando a velocidade chega a cerca de
30% do valor nominal, actua o sistema de frenagem. Este é composto por um conjunto de
macacos hidráulicos, descritos na tabela 27, que por acção de ar comprimido, fazem com que
os seus calços em ferôdo, empurrados pelos seus êmbolos, provoquem atrito sobre os
segmentos da pista de frenagem montados na jante rotórica.
Os macacos hidráulicos podem ainda efectuar o levantamento e suspensão de algumas
dezenas de mm do rotor, para acções de manutenção. Para o efeito, os macacos estão providos
de uma outra câmara para funcionar sob pressão de óleo.
A frenagem é comandada automaticamente por relés durante a paragem, ou, manualmente
através da frenagem de emergência.
A instalação dispõe de protecção destinada a impedir o arranque do grupo, no caso a
frenagem estar aplicada.
Tabela 27- Características técnicas da frenagem
Características Técnicas
Pressão de frenagem (bar)
20 (frenagem a óleo)
Número de macacos
3
3.2.25 Subestação
Para realizar o transporte da energia produzida por uma central para os sistemas e
linhas diversos é necessário modificar os níveis de tensão e corrente através de uma subestação
de transformação, representada na figura 29 e descrita na tabela 28.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
51
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Figura 29- Subestação
Existem ainda outros tipos de subestações, tais como, subestação de distribuição ou de
seccionamento de energia por regiões de consumo e subestações que permitem a interligação
de centrais.
A subestação que existe na central de Caniçada é de transformação e interligação. Está
instalada ao ar livre e, através dos transformadores que recebem a energia dos alternadores,
elevam-se as tensões para os valores desejados, reduzindo assim o efeito Joule e
consequentemente as secções dos condutores e os custos de transporte.
𝑃 = 𝑅 × 𝐼2
(12)
Posteriormente, na fase de utilização, empregam-se outros transformadores para baixar as
tensões para os valores convenientes, obtendo desta forma um transporte económico da
energia. [7]
A ligação entre os alternadores (situados na caverna) e os transformadores (na subestação
exterior) está realizada em barramentos de cobre de perfil rectangular, instalados ao longo de
uma galeria vertical de 134 m de profundidade. Estas barras são interrompidas na proximidade
52
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
do transformador, onde foi instalado um disjuntor de alternador (de corte em SF6). Na
subestação exterior, anexa ao edifício de comando e composta por dois barramentos, estão
instaladas as linhas de entrada/saída e o ramo de conjugação dos barramentos.
A nível de aparelhagem é constituída pelos transformadores de potência (TP), os
transformadores de intensidade (TI), os transformadores de tensão (TT), toda a aparelhagem de
corte (disjuntores de corte em SF6), seccionamento (seccionadores) e equipamento de
protecção (pára-raios).
3.2.26 Transformadores de potência
Um transformador é uma máquina eléctrica estática que transforma os valores de
correntes e tensões alternadas, representado na figura 30. De facto, uma das maiores vantagens
da transmissão e distribuição em formas alternadas, é a facilidade com que uma tensão
alternada pode ser aumentada ou diminuída num transformador. As perdas nos transformadores
costumam ser geralmente baixas, o que torna a sua eficiência bastante alta. Têm também uma
durabilidade elevada e são bastante estáveis.
Figura 30- Transformador de potência
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
53
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
O princípio de funcionamento dos transformadores baseia-se nos fenómenos de indução
electromagnética que a passagem da corrente alternada que o alimenta provoca, em virtude de
atravessar uma bobina com um núcleo de permeabilidade magnética elevada, originando uma
força electromotriz E1 no primário e E2 no secundário, representada na figura 31, directamente
proporcional ao número de espiras dos respectivos enrolamentos, acoplados magneticamente,
obtendo assim a razão de transformação ou relação entre espiras: [7]
𝐸1 =
2𝜋
𝐸2 =
2𝜋
𝐸1
𝐸2
=
2
2
𝑁1
𝑁2
× 𝐵𝑚 × 𝑁1 × 𝑓 × 𝑆
(13)
× 𝐵𝑚 × 𝑁2 × 𝑓 × 𝑆
(14)
=𝑟
(15)
E1 e E2 = f.e.m induzidas;
Bm = indução máxima;
f = frequência;
S = secção do núcleo.
Segundo a lei de Faraday as tensões são dadas por:
𝑈1
𝑈2
=
𝑁1
(16)
𝑁2
Segundo a lei de Ampere, obtem-se:
𝐼1 × 𝑁1 = 𝐼2 × 𝑁2
54
(17)
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Linhas
Magnéticas
Núcleo de Ferro
Bobina
Primário
Bobina
Secundário
Figura 31- Representação esquemática transformador [7]
A energia eléctrica fornecida pelas centrais geradoras é produzida, distribuída e utilizada
principalmente em sistemas trifásicos.
Os enrolamentos, de cobre electrolítico, do primário e secundário do transformador
trifásico, estão ligados no modo triângulo – estrela (Dy).
Ligação
Tensão da linha
Corrente da linha
Potência (VA)
Y (Estrela)
VL = VF * √3
IL = IF
S = 3 * VF * IF
∆ (Triângulo)
VL = VF
IL = IF * √3
S = √3 * VL * IL
Para transformar as características de tensão e intensidade de corrente dum sistema
trifásico utilizamos um transformador trifásico. Esta é responsável por elevar a tensão de
produção do grupo de 10 kV para 150 kV, sendo do tipo em banho de óleo para montagem
exterior, com refrigeração por circulação forçada, através de radiadores tubulares arrefecidos por
ventiladores.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
55
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Tabela 28- Características técnicas do transformador de potência
Características Técnicas
Fabricante
SIEMENS S.A. – FM
Potência nominal
35 MVA
Tensão de AT estipulada
158 kV
Tensão de BT estipulada
10,25 kV
Razão de transformação
10,25 / 158 kV
Símbolo de ligações
Tipo de transformador
Montagem
YNd5
Trifásico de colunas
Exterior
3.2.27 Transformadores de medida
Nas instalações AT/MT não é possível ligar um circuito AT directamente à aparelhagem
de medida, contagem e protecção, devido aos elevados valores de tensão e intensidade.
Os transformadores de medida são portanto, aparelhos utilizados para efectuarem a
separação da alta tensão dos circuitos e aparelhagem de medida, protecção, e contagem e, por
outro lado, reduzirem as grandezas a medir para valores convenientes e uniformizados,
compatíveis com os aparelhos de medida ou protecções existentes.
Assim, havendo necessidade de medir e utilizar correntes, ter-se-á de recorrer a
transformadores de intensidade, representado na figura 32, com o lado primário em série nos
respectivos circuitos, enquanto que o seu secundário, fechado sobre a aparelhagem de medida e
isolado do primário, dará uma relação da corrente que passa nesse circuito num dado momento.
56
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Figura 32- Transformador de intensidade
De igual forma, para medir a tensão entre dois pontos desses circuitos AT, recorre-se a um
transformador de tensão, representado na figura 33, com o seu enrolamento primário ligado
entre esses pontos, enquanto que o seu secundário indicará a relação do valor, ou fracção, da
tensão aplicada ao primário.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
57
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Figura 33- Transformador de medida de tensão
As potências aparentes de consumo da aparelhagem e respectivos circuitos, ligados aos
secundários dos transformadores de intensidade e tensão, designam-se por carga secundária, e
o seu valor vem especificado em VA.
Em termos de condições eléctricas de funcionamento, o transformador de intensidade
trabalha quase em regime de curto-circuito, e o transformador de tensão, praticamente em
regime vazio.
3.2.28 Seccionadores
Os seccionadores, representados na figura 34, são dispositivos sem poder de corte,
utilizados para fechar ou abrir de uma forma bem visível um circuito, quando não percorrido por
58
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
uma corrente eléctrica, e o seu principal objectivo é isolar um conjunto de aparelhos ou uma
secção de uma linha.
Figura 34- Seccionadores
Os seccionadores devem ter um poder de isolamento suficiente, para isso montam-se
geralmente sobre isoladores de apoio adequados à tensão de serviço. Os seus contactos devem
estar construídos de tal modo a que a parte móvel (faca) tenha tendência a abrir com a força
gravítica.
3.2.29 Disjuntores
Os disjuntores, apresentados na figura 35, são dispositivos com poder de corte. Na
interrupção da energia eléctrica gera-se, quase sempre, um arco eléctrico, que varia consoante a
potência, provocando um desgaste da zona onde se efectua o contacto.
Para extinguir o arco eléctrico existem vários processos baseados na rapidez de manobra e
em dispositivos que asseguram a desionização do trajecto do arco. Para esse efeito a
subestação é equipada com disjuntores de hexafluoreto de enxofre (SF 6), que se trata de um gás
com propriedades únicas no que diz respeito a isolar e extinguir o arco. O SF 6 é um gás não
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
59
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
inflamável, incolor, não nocivo, que contém uma estrutura molecular simétrica. Por se encontrar
num sistema isolado é também isento de qualquer humidade. As propriedades isolantes do SF6
variam relativamente com a pressão exercida, sendo consideravelmente superiores aos meios
isolantes tradicionalmente mais utilizados (óleo mineral e o ar comprimido). [8]
No caso particular de Caniçada os disjuntores de SF 6 são de pressão única, encontrando-se
o gás num sistema selado com pressão única de 5,2 bar. O diferencial de pressão,
imprescindível em meios gasosos para formar um fluxo de gás sobre o arco, é alcançado
formando-se uma sobrepressão transitória durante a operação de abertura dos contactos.
Podem ser manobrados por ordem manual ou automaticamente, através de relés de protecção.
Figura 35- Disjuntores
60
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
3.2.30 Equipamento electromecânico auxiliar
3.2.30.1 Refrigeração
A instalação de refrigeração das chumaceiras, alternadores e reservatórios de óleo sob
pressão é alimentada pela conduta hidráulica de adução, com interposição dum reservatório de
51,9 m3 adjacente ao poço à cota 87,3 m, representado na figura 36 e descrito na tabela 29. O
reservatório dispõe de uma tubagem de alimentação proveniente, a montante, da válvula esférica
de um grupo. Existe no entanto um circuito redundante de alimentação, ligado directamente à
conduta hidráulica de adução, que integra uma válvula redutora de pressão, estabelecendo desta
forma o caudal de água necessário aos grupos através do controlo da pressão no circuito
colector.
Figura 36- Sistema de refrigeração
O retorno da água faz-se por gravidade, através de um colector comum aos dois grupos ao
longo do poço e da galeria de ventilação da câmara de equilíbrio, na qual é lançada.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
61
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Tabela 29- Características técnicas da refrigeração do equipamento auxiliar
Características Técnicas
Caudal de água de refrigeração total
≈ 63 l/s (1300 l/s por grupo)
Pressão da água de refrigeração
≈ 4 bar
3.2.30.2 Grupo Diesel
É um grupo gerador de motor a diesel, como se pode verificar na figura 37, de 344 kVA,
com sistema de controlo, utilizado como recurso para alimentação dos serviços essenciais.
Figura 37- Grupo diesel
A falha de corrente alternada no barramento dos serviços auxiliares não essenciais, de 0,4
kV durante cerca de 8 segundos, provoca a abertura dos disjuntores de acoplamento (a1 e a2)
do edifício e caverna. O grupo Diesel entra em funcionamento, fechando o disjuntor (a5),
alimentando assim os serviços auxiliares essenciais, representado na figura 38.
62
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Serv. Aux. Essenciais
Edificio
0.4KV
X
a2
400A
Serv. Aux. não essenciais
Edificio
350A
200A
X
Serv. Aux. essenciais
Caverna
a5
X
Serv. Aux. não essenciais
Caverna
a1
250A
GS
3
334kVA
Diesel
Figura 38- Representação esquemática do funcionamento do grupo diesel
Com o restabelecimento de corrente alternada ao barramento dos serviços auxiliares não
essenciais, o disjuntor (a5) abre, e fecham-se os disjuntores de acoplamento (a1 e a2).
3.2.30.3 Serviços Auxiliares
Na central de Caniçada, que integra o edifício e a caverna, existe um barramento para os
serviços auxiliares de 0,4 kV, subdividido em dois barramentos, classificados de essenciais e não
essenciais, estando acoplados por um disjuntor, designado por disjuntor de acoplamento,
representado na figura 39. A alimentação normal dos serviços auxiliares de corrente alternada
(SACA) é possível a partir das derivações do barramento de produção (a 10,25 kV), conjugado
por dois transformadores de 800 kVA, 10/0,4 kV, que funcionam em complementaridade de
tensões, ou de uma linha exterior (do distribuidor público de energia, a 15 kV) intermediada por
dois transformadores de 630 kVA, 15/0,4 kV.
Como recurso, existe um grupo gerador de motor a diesel, de 344 kVA, que fornece uma
ordem de abertura aos disjuntores de acoplamento para alimentação dos serviços essenciais.
A rede geral de corrente contínua da central é alimentada a partir de uma bateria alcalina
de 220 VDC, montada em regime flutuante, com dois carregadores em hot stand-by, sendo o
controlo destes efectuado por um autómato SAIA.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
63
Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Nesta central, ao nível das alimentações em DC dos automatismos (24V), já se encontra
efectuada a separação de fontes de alimentação por grupos geradores e gerais, sendo o controlo
de cada um dos sistemas efectuado por um autómato SAIA.
150KV
D1
V
15KV
D2
VI
Programas
III
II
10.25KV I
IV
D5
D10
D20
34MVA
Gr1
TR5
15/0.4KV
630kVA
TR4
10.25/0.4KV
800KVA
TR6
15/0.4KV
630kVA
DA21
D30
D40
D50
D60
ST21
ST11
10.25KV
D4
D3
TR3
10.25/0.4KV
800KVA
DA11
D6
TR2
32MVA
TR1
32MVA
10.25KV
34MVA
Gr2
Serv. Aux. Essenciais
Edificio
0.4KV
X
a2
400A
Serv. Aux. não essenciais
Edificio
350A
200A
X
Serv. Aux. essenciais
Caverna
a5
X
Serv. Aux. não essenciais
Caverna
a1
250A
GS
3
334kVA
Diesel
Figura 39- Barramento serviços auxiliares
64
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos
Capítulo 4
4-Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos
Neste capítulo iremos dar ênfase às diferentes tipologias dos sistemas de excitação dos
alternadores, que não passa de uma pesquisa sobre o estado da arte das diferentes abordagens.
Um exemplo de um sistema de excitação largamente utilizado na década de sessenta era
constituído por uma excitatriz, que na maioria dos casos era um gerador de corrente contínua
montado no eixo do gerador. Uma parte integrante do sistema, também ela muito importante, é
o regulador de tensão, que nesse sistema estava encarregue a um operador.
Presentemente, o regulador de tensão observa a tensão de saída do gerador e, caso se
justifique, inicia a correcção da tensão gerada e da potência reactiva através da variação do
controlo da excitatriz, sendo que, a velocidade de acção do regulador é um ponto importante e
crucial na estabilidade do sistema de potência. Por último, mas não menos importante, existe o
bloco designado por ” Controlos Auxiliares” que inclui variadas funções, tais como, adição de
amortecimento ao sistema de controlo, estabelecimento de limites de sobre e sub-excitação,
compensação da componente reactiva da corrente, etc. [9]
A figura 40 mostra o diagrama de blocos de um sistema de excitação típico.
Binário da
Turbina
Tensão e Corrente de Saída
Gerador
Fonte de
Energia p /
Excitatriz
Controlos
Auxiliares
Excitatriz
Regulador de
Tensão
Figura 40- Sistema de excitação básico [9]
Na actualidade, a preocupação com a rapidez, a manutenção e a rentabilidade económica
levou à adopção de novos sistemas, deixando de parte os sistemas clássicos.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
65
Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos
4.1 Configurações típicas de sistemas de excitação
A classificação dos diversos tipos de sistema de excitação considera a existência de três
grupos fundamentais: o sistema de excitação rotativo DC, o sistema de excitação rotativo AC e o
sistema de excitação estático.
4.1.1 Sistema de excitação rotativo DC
O sistema de excitação rotativo DC da figura 41 baseia-se no sistema clássico, em que a
excitatriz principal consiste numa máquina eléctrica de corrente contínua funcionando como
gerador (dínamo). Através dos colectores, do circuito de controlo e anéis, fornece-se a corrente
contínua para o rotor da máquina. Este tipo de excitatriz poderá ser accionado por um motor ou
pelo eixo gerador síncrono. [9]
Excitatriz
Principal
Excitatriz
Piloto
Máq.
Sínc.
+
Motor
Série
-
Figura 41- Sistema de excitação rotativo DC [10]
66
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos
O regulador de tensão do sistema detecta o nível de tensão, compara-o com uma referência
e, se necessário, actua na excitatriz por meio de um reóstato para efectuar o controlo da
excitação da máquina principal. Com o aperfeiçoamento dos sistemas, em certos casos, a
excitatriz principal, ao invés de ser auto-excitada, passou a ser alimentada por uma excitatriz
piloto (excitatriz auxiliar), relativamente mais pequena que a excitatriz principal. Ambas são
acopladas ao veio do alternador (no lado oposto à turbina), evitando-se assim o uso de qualquer
fonte de alimentação externa. Desta forma, o controlo de campo da excitatriz passou a ser
independente da sua tensão de saída, conseguindo-se assim diminuir o tempo de resposta do
sistema. [9]
Com o incremento da potência nominal das máquinas síncronas o uso do sistema de
excitação de corrente contínua começou a mostrar algumas desvantagens, tais como:
o Elevadas correntes de excitação com uma baixa tensão, necessitando de
diversas escovas, o que se traduzia numa elevada manutenção;
o Problemas inerentes ao comutador, libertando este arcos eléctricos durante
abruptas variações de carga;
o Contrariedades no acoplamento de enormes maquinas DC ao eixo do gerador,
que podem rodar a velocidades elevadas como no caso dos turbo geradores.
Como tal tornou-se necessário colmatar estas dificuldades, intensificando-se assim o estudo
de um sistema de excitação usando uma excitatriz de corrente alternada e rectificadores.
4.1.2 Sistema de excitação rotativo AC
No sistema de excitação AC a corrente é produzida por um gerador de corrente alternada
(excitatriz principal), sendo a corrente alternada posteriormente transformada em corrente
contínua para alimentar o campo do gerador (campo indutor) através de rectificadores de
potência, que podem ser controlados ou não controlados. Caso sejam rectificadores não
controlados, o controlo do sistema é efectuado a partir de uma ou mais bobines de campo da
excitatriz AC.
O gerador de corrente alternada encontra-se normalmente acoplado no mesmo eixo que o
gerador principal.
Dependendo da combinação dos rectificadores, do método utilizado para o controlo da
saída da excitatriz e da fonte de excitação utilizada, pode-se catalogar os sistemas de excitação
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
67
Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos
AC em dois tipos básicos: o sistema de excitação AC com rectificação estática, onde os díodos
não se encontram acoplados ao eixo do rotor, e o sistema de excitação AC com rectificação
rotativa, onde os díodos rodam com a mesma velocidade do rotor (Brushless). [10]
Caso se trate de um rectificador estático, como se pode verificar na figura 42, a
alimentação provém do gerador de corrente alternada (excitatriz), sendo posteriormente
rectificada através de uma ponte de tiristores estática que controla a excitação da excitatriz
principal, fornecendo assim a corrente contínua para o campo do gerador principal através de
escovas e anéis colectores.
Gerador a íman
permanente
Excitatriz
piloto
Ponte Rectif .
a Tiristores
Gerador
Excitatriz
Principal
Rectificador
Circuito de
Disparo dos
Tiristores
Controlo
Manual de
Excitação
Rectificador
de excitação
T .P .
Estágio de
Accionamento do
Reg . Auton . de
Tensão
Figura 42- Sistema de excitação rotativo AC com rectificador estático [9]
O sistema de rectificação estática está em desuso, embora elimine o colector e escovas
associados à excitatriz de corrente contínua, ainda tem o inconveniente de conter os anéis
deslizantes do gerador, que também apresentam problemas de manutenção.
Como os sistemas de excitação a gerador de corrente contínua, ou com excitatrizes de
corrente alternada com rectificadores estáticos, necessitam de transferir a corrente de excitação
de um equipamento (excitatriz corrente contínua, rectificador) para o campo do gerador, através
de anéis colectores e escovas que se tornava uma desvantagem com o aumento nominal dos
geradores, tornou-se necessário encontrar uma alternativa para contrariar o problema.
68
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos
Para solucionar o problema, projectou-se um sistema que eliminasse em definitivo os anéis
colectores e as escovas a eles associados (Brushless), presente na figura 43. Neste caso o
rectificador rotativo é colocado no eixo comum ao gerador principal juntamente com a excitatriz
de corrente alternada, com um circuito indutor estatórico e com um circuito induzido rotórico. O
controlo da tensão de saída do gerador mantém-se constante através de um regulador de
tensão. O regulador monitoriza a tensão de saída e alimenta o campo do excitador com a
corrente necessária para gerar tensão alternada, que, após ser rectificada pelo rectificador
rotativo, alimenta o campo gerador. [10]
Excitatriz
A. C .
Gerador a íman
Permanente
Eixo
Rectif .
Rotativo
Rotor
Gerador
Sincrono
Estator
Amplificação
Estator
Controlo
Manual
Regulador de
Tensão
Figura 43- Sistema de excitação rotativo AC com rectificador rotativo (Brushless) [9]
Como principal desvantagem para o sistema residia o facto de as elevadas forças
centrífugas a que os rectificadores e respectivos dispositivos de protecção eram sujeitos.
Contudo, um outro inconveniente associado a esta tecnologia que teria de ser ultrapassado era a
capacidade das excitatrizes de corrente alternada fornecerem a mesma tensão, que as
excitatrizes de corrente contínua com uma constante de tempo baixa. Com o desenvolvimento da
tecnologia a semicondutores, alcançou-se a meta de fabricar rectificadores capazes de aguentar
os esforços rotacionais com uma constante de tempo reduzida, pois também foi possível a
utilização de frequências mais elevadas. [9]
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
69
Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos
4.1.3 Sistema de excitação estático
Num sistema de excitação estático, cujo diagrama de blocos se mostra na figura 44, a
corrente necessária para alimentar o campo indutor é proveniente da própria tensão gerada no
alternador. Através de um transformador de potência retira-se a energia necessária, do
barramento de produção, e que posteriormente será rectificada numa ponte de tiristores
electronicamente controlada e conduzida através de duas escovas, instaladas sobre anéis até ao
campo do alternador. Para dar inicio ao processo de excitação do campo (pré-excitação), o
sistema necessita de energia que provém da energia remanescente do entreferro do alternador e
também de baterias da central.
O regulador de tensão presente no sistema detecta o nível de tensão de saída do alternador
e alimenta o campo com corrente contínua, necessária para manter constante a tensão aos
terminais, para qualquer tipo de carga ou factor de potência.
Estator
Rotor
Gerad .
TC
TT
Regulador de
Tensão
TP
Ponte
Rectificadora
a tiristores
Figura 44- Sistema de excitação estático
O sistema de excitação estático tem diversas vantagens em relação ao rotativo,
nomeadamente no que diz respeito a diminuição do tempo de resposta na regulação, pois actua
directamente no campo do alternador, reduzindo assim o comprimento total da unidade pois
deixam de ser necessárias as excitatrizes principal ou piloto, mas têm também um inconveniente
derivado ao fluxo de corrente ser controlado por impulsos dos tiristores, que introduzem
deformações na corrente, distorcendo assim a tensão gerada pelo alternador. [10]
70
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos
4.2 Considerações para a escolha do sistema de excitação
A escolha mais apropriada depende do tipo de instalação alvo pois, existem diversas
aplicações para diversas utilizações.
Começando por analisar o sistema de excitação rotativo DC, cada vez menos em utilização
devido ao elevado número de paragens para manutenção e aos desgastes mecânicos,
principalmente nas escovas. É portanto um sistema que não se deve utilizar para qualquer nova
instalação, quer numa central hidroeléctrica, quer numa central térmica. Contudo, caso seja
necessário um aumento de potência em geradores que já contenham este sistema, pode ser
viável manter-se a excitação rotativa DC, trocando-se alguns componentes essenciais, como por
exemplo substituir o regulador de tensão por um micro processado com uma excitatriz estática
de pequena potência (excitatriz piloto) para alimentar o campo da excitatriz rotativa de corrente
contínua.
Um sistema mais eficaz é o sistema de excitação rotativo AC (Brushless), com aplicações
em geradores de alta rotação, nomeadamente em centrais térmicas. Já em relação às centrais
hidráulicas novas ou em aumento de potência, o sistema Brushless só se torna viável quando a
corrente de campo não é demasiado elevada. Isto acontece porque se pode inflacionar
demasiado o custo e também o peso do conjunto sistema de excitação e rotor. No entanto
contém inúmeras características favoráveis, tais como:
o Não necessita de escovas e anéis;
o Não injecta interferências geradas por mau contacto;
o Não introduz deformações na tensão da rede, a forma de onda é sinusoidal;
o Tem manutenção reduzida, precisando apenas de cuidados na lubrificação dos
rolamentos;
o Também permite facilmente o controlo manual.
Quanto ao sistema de excitação estático, este fornece e controla directamente a corrente de
enrolamento de campo através de um rectificador tiristorizado controlado por um Regulador
Automático de Tensão (AVR) micro processado ou analógico, sem necessidade de mecanismos
intermediários tais como excitatrizes de corrente contínua ou de corrente alternada existentes
nos sistemas rotativos. O sistema de excitação estático poderá ser aplicado em centrais
hidroeléctricas ou em centrais termoeléctricas, pois tem várias vantagens tais como:
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
71
Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos
o Possibilidade de reduzir o tempo de resposta de recuperação da tensão do
conjunto gerador e sistema de excitação, dado que não existe uma componente
(excitatriz Brushless) de atraso na malha de excitação;
o Permite a medição de temperatura no rotor através da variação da resistência
de campo, pois o sistema de excitação contém informações em tempo real da corrente e
também da tensão do rotor. Assim sendo, é possível supervisionar a resistência do
enrolamento do campo que é directamente proporcional à temperatura do rotor;
o Implementação da protecção de falha à terra do rotor, que apenas é possível
com o acesso do enrolamento do rotor, como acontece no sistema de excitação estática;
o Aumento da capacidade de controlo de oscilações (tensão e potência), através
da introdução de um sinal suplementar;
o Caso seja necessário proceder a manutenção, esta pode ser efectuada com a
máquina em funcionamento, no caso do sistema de excitação com redundância em
pontos críticos;
o Permite a modificação de parâmetros que influenciem a resposta do sistema
com o gerador em serviço, no caso de conter um regulador micro processado;
o Proporciona um incremento na facilidade de aquisição de dados para o sistema
de protecção e supervisão, como por exemplo, a detecção de falha à terra no sistema
indutor.
De todo os sistemas apresentados, a escolha assenta habitualmente em dois, sendo eles o
sistema de excitação rotativo AC com rectificadores rotativos (Brushless) e o sistema de
excitação estática. O primeiro, é mais indicado para turbo geradores de grande porte (centrais
térmicas e nucleares), devido a não necessitarem de uma resposta rápida destes sistemas, que
normalmente estão situados próximo dos centros de carga, e também devido à necessidade de
uma corrente de excitação elevada, dado o menor número de espiras no enrolamento de campo,
quando comparado com o gerador de pólos salientes, e da maior corrente de excitação em
função das reactâncias síncronas serem relativamente maiores. Em relação ao sistema de
excitação estático, pelo seu baixo custo monetário e bom desempenho, aparece praticamente
em todas as novas instalações. [10]
72
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Descrição Esquemática do Funcionamento do Disjuntor de Excitação
Capítulo 5
5-Descrição Esquemática do Funcionamento do Disjuntor de Excitação
5.1 Fecho do disjuntor de excitação
Neste capítulo vão ser especificadas as circunstâncias necessárias para que o sistema de
excitação entre em funcionamento. É imprescindível que todas as condições necessárias ao
correcto funcionamento sejam executadas, nomeadamente a selecção do modo de regulação
(AVR ou FCR), e não menos importante, que, a velocidade do gerador se encontre a 90-95% da
velocidade nominal do mesmo. Verificados esses pontos, damos início ao fecho do disjuntor de
campo, que está representado na figura 45, responsável por permitir a passagem da corrente
contínua necessária para alimentar o campo do gerador (campo indutor), desencadeando todo o
processo de excitação.
+ 220 V
d6
Aut
+ 220V
S1
Manual
K 01
K 02
Secc . Terra
Aberto
Disj . Alt.
Inserido
RV
R19
K602
K502
- 220 V
Ordens
de
Desligar
Velocidade > 90%
Grupo fora da
rede
K04
Q 01
AVR 70
ON
Pos .Disj .Exc.
- 220 V
Figura 45- Fecho do disjuntor de excitação
Se a ordem for efectuada pelo Autómato de Grupo (Secontic), o disjuntor d6 vai fechar,
excitando assim o relé K502, desde que as condições preliminares para o fecho estejam a ser
cumpridas, nomeadamente, o seccionador terra tem que se encontrar aberto e o disjuntor do
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
73
Descrição Esquemática do Funcionamento do Disjuntor de Excitação
alternador inserido. A outra possibilidade para a excitação do K502 é através do operador, Sala
de Comando, operando no comutador S1.
Prosseguindo na analise observamos que o K502 irá excitar o K04, ligando desta forma a
excitação, desde que, novamente, todas as condições de operabilidade estejam em
conformidade, mais concretamente, a não existência de ordens para desligar disjuntor de
excitação (K01 e K02), a velocidade do grupo gerador superior a 90% da velocidade nominal e o
grupo estar fora da rede.
5.2 Abertura do disjuntor de excitação
Da mesma forma, quando solicitada a paragem, temos pré-definidos procedimentos que
teremos que respeitar, independentemente do modo de regulação. Antes que a velocidade desça
de 90% do valor nominal, é necessário proceder-se à abertura do disjuntor de excitação, e
consequente interrupção da corrente contínua.
A abertura do disjuntor de excitação pode ser efectuada através de quatro formas distintas,
como se pode verificar na figura 46. A primeira resulta da recolha de várias ordens disparo
provenientes de alguns órgãos de protecções da instalação, excitando assim o relé RDE. Outra
forma é através de uma ordem de abertura manual, desde que esteja ressalvado uma das duas
opções, ou a abertura do disjuntor de grupo (DG) ou então a abertura do disjuntor do alternador
(DA), sendo que a abertura de um dos disjuntores, significa que o grupo está fora da rede.
Também ocorre a abertura do disjuntor caso ocorra uma manobra falsa, mais
concretamente o fecho do seccionador terra do alternador ou a extracção do disjuntor do
alternador (DA). Uma última forma é a abertura ser efectuada pelo autómato de grupo, relé
(d19). Todas as ordens estudadas provocam a abertura do disjuntor de excitação, de uma forma
normal ou por uma abertura de recurso, excitando o relé K501.
Caso a excitação seja desligada normalmente, tem que ser cumprido o requisito do grupo
estar fora da rede, encontrando-se o relé K09 desexcitado, permitindo assim a excitação do relé
K01 e a consequente abertura do disjuntor da excitação. A abertura do disjuntor de excitação
ocorre automaticamente se caso a velocidade seja menor que 80% da velocidade nominal
(RV=R17), ou ocorra algum disparo das protecções internas (K21.1), ou nas protecções internas
(K01 e K03). Outra forma de alcançar o mesmo objectivo é através da abertura manual pelo
comutador na sala de comando (S25).
74
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Descrição Esquemática do Funcionamento do Disjuntor de Excitação
Se o disjuntor de excitação for aberto por uma situação de recurso, o relé (K501) vai ser
excitado e desde que o grupo esteja fora da rede e o relé correspondente desexcitado (K602), vai
provocar uma excitação no relé (K02), provocando a abertura do disjuntor de excitação. A
abertura do disjuntor de excitação ocorre também de uma forma automaticamente caso a
velocidade seja menor que 80% da velocidade nominal (RV=R17) ou ocorra algum disparo das
protecções internas (K21.1), ou nas protecções internas (K02 e K03).
+220
+ 220
Ordens de
Disparo da
Instalação
Manual
RDE
Sec .
DA
Terra
Aberto
Fechado
DG
Aberto
RDE
DE
Abrir
Normal
- 220
DA
d 19
Extraido Automatico
K 501
Abertura
Recurso
+220
+220
DE
Abrir
Protecção
K 21.1
AVR 13
OFF/ON
+220
RV
R17
Protecção
Velocidade
< 80%
K01
AVR 118
Gr Rede
K 01
- 220
K 09
K03
K 501
Protecções
internas
AVR 123
K 602
K 02
K 21.1
RV
R 17
+ 220
Velocidade
< 80%
K 02
AVR118
Gr Rede
K 03
Protecções
internas
AVR 123
- 220
- 220
Figura 46- Abertura do disjuntor de excitação
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
75
76
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
Capítulo 6
6-Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
Neste capítulo vai ser abordada a organização do sistema de excitação estático, analisando
os seus elementos fundamentais.
As instalações de excitação para os diversos domínios das máquinas síncronas de pólos
salientes são hoje em dia realizadas na maior parte das vezes numa configuração estática. Para
este efeito, utilizamos órgãos de regulação a tiristores com montagens diferentes de alimentação
e regulação.
Os alternadores accionados por turbinas hidráulicas, que estão ligados a um vasto sistema
de distribuição, impõem que a tensão da roda polar passe da sua tensão máxima positiva ao
valor de tensão máxima negativa praticamente sem atraso. Para executarmos este requisito é
necessário um sistema estático equipado com um rectificador totalmente comandado, sendo a
dimensão da instalação determinada pelas características do alternador a alimentar, tendo
sempre em consideração as exigências da rede de distribuição.
O sistema de excitação estático do tipo FMTB 811 consiste no circuito principal ligado ao
enrolamento rotórico, comando e dispositivos de vigilância. Pode ser subdividido em partes
funcionais conforme se pode verificar na figura 47.
Regulador de
Tensão
U
#
G
Figura 47- Representação esquemática sistema de excitação estático
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
77
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
6.1 Subdivisão do sistema de excitação
O sistema de excitação estático é subdividido basicamente em seis subsistemas:
1) Transformador de excitação
2) Pré-excitação
3) Conversor de tiristores
4) Desexcitação
5) Regulador de tensão
6) Controlo, protecção e medição
6.1.1 Transformador de excitação
O transformador de excitação encontra-se conectado ao barramento de produção do grupo
gerador, como se pode verificar na figura 48. Tem por função fornecer e adaptar a fonte de
tensão ao conversor de tiristores e isolar o barramento de produção do campo rotórico e do
enrolamento estatórico. A tensão secundária do transformador é predefinida de acordo com o
valor estipulado pela tensão de pico exigida pelo conversor de tiristores. Já a corrente prevista
para o transformador é determinada pela corrente de campo contínua máxima da máquina
síncrona.
A construção do transformador pode ser de dois tipos, em ambiente líquido isolante ou a
seco, dependendo das condições da instalação. No caso concreto, o transformador de excitação
é isolado com resina sintética reforçado a fibra de vidro. Ambos os enrolamentos (primário e
secundário), são de cobre electrolítico e revestidos em separado. O corpo do enrolamento tem o
formato de dois cilindros ocos inseridos dentro um do outro, com um canal de ventilação entre
os dois. [7]
78
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
Figura 48- Transformador de potência
Quanto à ligação, o transformador é do tipo Dy11 como se pode verificar na figura 49, com
uma razão de transformação 10250/291 V. Podem utilizar-se três transformadores monofásicos
com os núcleos magnéticos acoplados ou então, um transformador trifásico, como no caso
presente. A ligação é protegida por fusíveis para limitar a corrente de curto-circuito, mas também
poderia ser feita através de um relé de protecção de máximo de intensidade ligada a Ti`s no
circuito primário.
R
S
T
G
Figura 49- Transformador de excitação
Em algumas situações poderá não ser preciso um transformador de excitação, como por
exemplo nos seguintes casos:
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
79
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação

A ponte rectificadora seja alimentada através de uma máquina eléctrica auxiliar trifásica
com a tensão de saída compatível com a tensão de excitação da máquina principal;

No caso concreto de uma excitação “brushless”, cuja energia para alimentar a ponte
rectificadora provém geralmente dos serviços auxiliares AC, DC ou baterias;

Em sistemas de excitação que contenham excitatrizes rotativas DC (principal mais
auxiliares). [10]
6.1.2 Pré-excitação
A grande maioria das máquinas síncronas tem uma baixa tensão remanescente, portanto,
no processo de arranque da máquina, deve-se criar uma corrente de excitação autónoma da
tensão do barramento de produção do alternador, durante alguns segundos suficientes para se
garantir o disparo do conversor de tiristores. [11]
A energia necessária para alimentar o arranque pode ser proveniente dos serviços auxiliares
AC, ou das baterias da central, podendo mesmo, dependendo das propriedades das fontes,
estas serem utilizadas em conjunto de uma forma redundante.
Caso se opte por utilizar as baterias da central como se verifica na figura 50, a sua conexão
deverá ser feita via resistências e díodo de bloqueio que limitam a corrente.
Figura 50- Baterias da central
80
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
O fecho do disjuntor de excitação ordena a entrada em serviço do contactor de préexcitação que permite a alimentação do circuito indutor, por intermédio da bateria, cuja acção é
limitada por contactos temporizados do relé, como se pode verificar na figura 51.
O valor da pré-excitação é cerca de 38 A durante 5 segundos.
A unidade de pré-excitação é automaticamente desligada após o tempo predefinido.
Quando se trata de máquinas de pequena ou média potência, é economicamente mais
vantajoso a corrente de excitação inicial ser obtida da indução remanescente, embora não seja
muito fiável, devido à possibilidade de em caso de uma não utilização prolongada, ou de uma
manutenção, se poder perder indução remanescente, sendo portanto necessário criar meios
para recuperar essa mesma indução.
Se estiver na presença de motores ou máquinas em que a alimentação do sistema de
excitação provenha de um circuito independente, o circuito de pré-excitação não é necessário.
+
R16
R17
R18
R19
F21
R12
R13
R14
R15
V11
F22
Figura 51- Pré-excitação
6.1.3 Conversor de Tiristores
Um conversor de tiristores é uma unidade operativa constituída por pontes de
semicondutores em número adequado, ligadas em paralelo e usadas para a conversão da
energia eléctrica, como se pode observar na figura 52. É responsável por realizar a conexão
entre uma fonte AC e uma carga DC, isto é, converte uma tensão AC em DC. Existem no entanto
várias vertentes de rectificação, e, de acordo com a conjugação, obtém-se diferentes ripples,
tensão média e eficiência na sua saída.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
81
-
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
Os circuitos rectificadores podem ser divididos em dois grandes grupos, os de meia onda ou
uma via, e os de onda completa ou de duas vias. Vamos dar especial importância, aos
rectificadores de onda completa, devido à sua utilização no sistema de excitação. Os
rectificadores de onda completa, são a junção de dois rectificadores de meia-onda ligados em
série,em que um transporta a corrente até a carga, e ou outro faz o retorno para a entrada AC. A
designação onda completa deriva de que, em cada fase na entrada, a corrente tem dois
sentidos, com valor médio nulo, daí provém também a designação duas vias.
A ligação mais usada num conjunto de tiristores para a excitação de grandes máquinas
síncronas é a de 6 impulsos, 2 vias, totalmente controlada, isto é, o rectificador apenas contém
tiristores. Dessa forma, o valor médio da tensão na carga pode ser controlado de acordo com o
ângulo de disparo dos tiristores, desde um valor positivo até um valor negativo. Esse facto
caracteriza esses rectificadores como conversores bidireccionais, pois o fluxo de potência ora vai
no sentido da entrada para a carga, ora da carga para a rede. Uma montagem com este tipo de
ligação pode fornecer corrente contínua tanto com tensões positivas como negativas. [12]
Figura 52- Ponte de tiristores
82
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
Para um tiristor entrar em condução é requerido um impulso de disparo na entrada da gate.
Estes impulsos são injectados periodicamente aos tiristores situados na ponte de tiristores,
representada na figura 53.
Quando o fluxo da energia é dirigido do lado AC para o DC a ponte de tiristores opera como
rectificador. Quando o fluxo é dirigido na direcção oposta esta actua como inversor.
+
3.3
3 .1
3.4
3. 2
_
Figura 53- Esquema de uma ponte de tiristores
A característica estática de um conversor de tiristores de 6 impulsos, 2 vias de ligação é
dada pela relação: [13]
𝑈 = 𝑈𝑑𝑖𝑜 × (cos 𝛼 − 0,5 × 𝑥𝑡 × 𝐼𝑑 𝐼𝑑𝑛 ) − 2 × 𝑈𝑡𝑕
(18)
𝑈𝑑𝑖𝑜 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝐷𝐶 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑠𝑒𝑚 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 1,35 × 𝑈𝐴𝐶
(19)
Sendo,
U= Tensão de saída DC do conversor de tiristores
UAC= Tensão de alimentação do conversor de tiristores
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
83
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
α = Ângulo de disparo dos impulsos
xt= Impedância de curto-circuito do transformador de excitação
Id= Corrente DC actual
Idn= Corrente DC nominal do transformador de excitação
Uth= Queda de tensão tiristor
6.1.3.1 Sistema de impulso de disparo
A tensão de saída da ponte de tiristores, assim como a corrente de excitação da máquina
síncrona, são reguladas através da alteração do ângulo de disparo dos tiristores. O tempo de
disparo de um tiristor é controlado através do regulador de tensão ou do regulador do campo de
corrente.
O objectivo do sistema de impulsos de disparo é o de gerar e aplicar os impulsos de disparo
na unidade de tiristores no instante correcto.
Por razões técnicas, a gama de controlo do conversor, isto é, a mais pequena e maior
mudança de fase é limitada. αmin= 10 º e αmax= 150º.
O objectivo do sistema de impulso de disparo, como ligação num sistema de controlo, é o
de converter o sinal de controlo em impulsos com uma determinada variação de fase, para que
a tensão de saída do conversor, representada na figura 54, seja proporcional ao sinal de controlo
proveniente do regulador de tensão.
Uma unidade de impulso de disparo pode ser dividida funcionalmente num gerador de
ângulo de disparo e num gerador de impulso de disparo. O gerador de ângulo de disparo define
o instante no período em que cada ramo de tiristor deverá começar a conduzir a corrente, o que
ocorre através da comparação do sinal DC com um sinal sinusoidal de fase adequada. [13]
Figura 54- Tensão de saída [14]
84
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
A tensão de saída, e assim, a corrente de saída de uma montagem de tiristores, pode ser
considerada como uma componente DC com um ripple. A componente DC e os harmónicos
dependem da mudança de fase do impulso de disparo.
Devido à larga indutância do enrolamento de campo da máquina síncrona os harmónicos
do campo de corrente são insignificantes em toda a faixa de operação do conversor.
No início, e durante as condições de falha de rede que causam baixa tensão, um dispositivo
auxiliar garante que o conversor de tiristores opera como um rectificador não controlado, isto é,
comporta-se como um díodo. Este apenas rectifica a tensão, não se conseguindo controlar o
ângulo de disparo do tiristor, devido à insuficiente tensão aos terminais.
Ponte de Tiristores
O tiristor é um dispositivo semicondutor com características biestáveis, que pode ser
alterado do estado OFF para o ON numa direcção. Este tem três ligações, ânodo, cátodo e gate.
Quando não existe um impulso na gate proveniente do regulador de tensão, o tiristor bloqueia o
fluxo de corrente em ambas as direcções, o tiristor encontra-se no estado OFF, com uma tensão
positiva no ânodo e negativa no cátodo, bloqueando assim a tensão. Se o tiristor for accionado
por um impulso na gate ele passa ao estado ON e a corrente percorre-o. A passagem da
corrente dá-se desde que a tensão seja positiva. Quando a corrente se anula o tiristor voltará ao
estado off, e bloqueia a passagem de corrente no sentido inverso do bloqueio.
Devido às perdas no tiristor este tem que ser montado num dissipador de calor para
melhorar o arrefecimento, como se pode verificar na figura 55. [15]
A3
U
E
M
A5
Figura 55- Diagrama de blocos de um conversor de tiristores
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
85
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
-U ponte de tiristores
-A3 equipamento do impulso de disparo
-E unidade de arrefecimento, (ventilação)
-A5 unidade de supervisão
Fusíveis de alta velocidade
Os fusíveis de fusão rápida dos tiristores, com características adequadas de
corrente/tempo, são utilizados para proteger os tiristores durante um curto-circuito nos terminais
DC da montagem e para isolar um tiristor defeituoso, protegendo assim os outros tiristores das
elevadas correntes que podem surgir. Os fusíveis de alta velocidade não podem ser considerados
órgãos de protecção em caso de sobrecarga. [16]
Transformador de impulso de disparo
O objectivo do transformador do impulso de disparo é transmitir os impulsos de disparo da
unidade de impulso para o tiristor, assim como, isolar galvanicamente os circuitos de controlo
dos circuitos principais.
Circuito – RC
Os circuitos RC (snubbers), ligados em paralelo sobre o ânodo e o cátodo de cada tiristor,
fornecem uma protecção contra valores excessivos de (dv/dt) e sobretensões transitórias.
Este circuito contém uma dupla finalidade: [16]
 Proteger o componente (tiristor) contra a sobretensão que aparece aos seus
terminais durante a passagem do estado condutor ao bloqueio, sob a acção da
eliminação rápida da corrente inversa;
 Proteger o componente de possíveis variações bruscas da tensão aplicada por
uma fonte externa, que pode provocar disparos intempestivos ou a sua destruição.
86
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
Em ambos os casos o efeito do circuito R-C depende da indutância presente no circuito.
Quando o valor da indutância efectivamente presente no circuito for insuficiente, deve
acrescentar-se uma bobina (componente activo face ao circuito RC de protecção, saturando
para correntes elevadas quando o tiristor se encontra em condução), em série com o tiristor.
Unidade do ventilador
Os tiristores são arrefecidos através de um ventilador comandado através de um contactor e
protegido por um disjuntor de protecção ao motor.
O ar de arrefecimento é fornecido através das aberturas de ventilação do cubículo. As
aberturas de ventilação podem conter filtros de forma a prevenir a entrada de pó nos cubículos.
Equipamento de impulso de disparo
O equipamento de impulso de disparo consiste em:
o
Um transformador de sincronização;
o
Uma placa de circuito impresso para a geração de impulsos;
o
Uma placa de circuito impresso para a amplificação de impulsos.
Transformador de sincronização
Este transformador realiza a transformação da tensão trifásica para hexafásica, através de
um transformador trifásico, onde os pontos médios dos enrolamentos secundários se encontram
ligados entre si. Cada enrolamento secundário fornece duas tensões em oposição de fase,
formando assim seis grandezas sinusoidais com o mesmo valor eficaz e desfasadas entre si 60º,
como se pode verificar na figura 56. Os sistemas hexafásicos aplicam-se no fornecimento dos
impulsos aos rectificadores (tiristores), com vantagem sobre os trifásicos pois a corrente obtida
terá menos ondulação. Tensões com a posição correcta de fase são assim obtidas para cada
tiristor na unidade geradora de impulso.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
87
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
Figura 56- Tensões do transformador de sincronização
Placa de circuito impresso para a geração de impulsos
O sinal de controlo de entrada do regulador é comparado com a tensão das 6 fases do
transformador sincronizador e transformado em impulsos de disparo com uma mudança de fase
adequada no que diz respeito à tensão de alimentação.
A unidade é fornecida com “inputs” (entradas) para o início de impulso de disparo contínuo
para os tiristores, e bloqueamento dos impulsos de disparo para os tiristores.
Placa de circuito impresso para a amplificação de impulso
Com tiristores acima de uma determinada potência, como no caso presente, os impulsos
de disparo têm que ser amplificados, isto para garantir um seguro desencadeamento dos
tiristores. Esta amplificação é realizada pelo amplificador de impulsos de disparo, como se pode
verificar na figura 57.
88
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
4.1
6
4.2
3
4.3
6
6
Figura 57- Diagrama de blocos de impulso de disparo
6.1.3.2 Equipamento de supervisão
Um detector de nível (unidade de baixa tensão de disparo) detecta a tensão de fornecimento
das 3 fases. Numa fase inicial e durante uma falha de rede, condições em que a tensão se
encontra abaixo de um limite fixo, o gerador de impulsos de disparo não funcionará
devidamente.
O circuito de fornecimento de baixa tensão entra em acção e fornece impulsos de disparo
contínuos nos seis canais de saída. O nível operacional é definido para aproximadamente 20% do
nível de tensão nominal. Mudando a resistência fixada nos terminais permite outros níveis
operacionais.
Ruptura de fusíveis
A ruptura de fusíveis e outras falhas, que fazem com que o tiristor não conduza corrente,
são detectadas pela medição da amplitude dos harmónicos da corrente. A corrente é medida no
lado AC do conversor de tiristor.
Falha do ventilador
A falha no ventilador é detectada através da detecção de falta de pressão de ar fornecida
pelo ventilador ou de sobrecarga térmica no motor do ventilador.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
89
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
6.1.4 Desexcitação
Medidas especiais têm que ser tomadas quando se interrompe a corrente DC e se
descarrega a energia armazenada do enrolamento de campo de uma máquina síncrona,
representado na figura 58, caso contrário, aparecerão tensões elevadas que poderão danificar o
equipamento de excitação e o enrolamento do rotor (indutor).
Tensões elevadas de campo poderão também surgir devido a falhas de correntes induzidas
no rotor pelas correntes existentes no estator. Estas falhas de corrente aparecem principalmente
quando existe uma falha externa na fonte de alimentação, por esta razão, torna-se necessária
uma protecção contra sobre tensões no circuito de campo.
+
DC
TSC
TD
EI
RD
-
Figura 58- Diagrama de blocos do equipamento da desexcitação
DC- disjuntor de campo
TD- tiristor de descarga
RD- resistência de descarga
TSC- tiristor sobre tensões de campo
EI- enrolamento indutor (campo)
90
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
6.1.4.1 Equipamento de desexcitação
A desexcitação é composta por um disjuntor de campo conectado ao circuito DC situado
entre a ponte de tiristores e o enrolamento indutor, e por um circuito de descarga que contém
um tiristor electronicamente controlado. Ao abrir o disjuntor, vai-se interromper a corrente de
excitação, e o tiristor vai receber um impulso de disparo para comutar a corrente do
enrolamento de campo, para o circuito de descarga, sendo toda a energia contida no
enrolamento de campo descarregada através do circuito de descarga.
Disjuntor de campo
O disjuntor de campo, representado na figura 59, é o componente mais vulnerável do
equipamento de desexcitação, pois quando se abre o circuito para interromper a tensão e a
corrente de excitação DC, provoca-se um grande desgaste no disjuntor dado que não existe
passagem por zero como na tensão AC.
Figura 59- Disjuntor de campo
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
91
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
O disjuntor de campo tem de ser capaz de abrir a corrente de campo máxima que possa
aparecer (IMax), à potência de recuperação máxima, que surge caso ocorra um curto-circuito
trifásico nos terminais do gerador quando está na carga máxima. [17]
(20)
𝑃𝑀𝑎𝑥 = 𝑈𝑀𝑎𝑥 × 𝐼𝑀𝑎𝑥
6.1.4.2 Tiristor de descarga constituição
Os tiristores utilizados são componentes standard e do mesmo tipo dos tiristores presentes
no rectificador de tiristores, como se pode verificar na figura 60. Devido às perdas, os tiristores
acima de uma determinada potência têm de ser montados juntamente com um dissipador para
melhorar o arrefecimento.
Figura 60- Tiristor de descarga
92
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
O tiristor é dimensionado para o valor máximo da corrente de campo que possa ocorrer
durante uma desexcitação (IMAX). A corrente decresce até zero durante o tempo de descarga t D. O
pico máximo de tensão do tiristor (U DRM e URRM) tem de ser pelo menos 2,5 vezes maior que o pico
nominal de tensão.
Unidade de disparo principal
Os impulsos para a unidade de disparo principal, representada na figura 61, são fornecidos
por um transformador de impulsos, um gerador de impulsos e, em alguns casos, um
amplificador.
O objectivo do transformador de impulsos é transmitir os impulsos do disparo para o tiristor
de descarga, e também isolar galvanicamente o circuito de controlo dos circuitos principais.
O circuito para o gerador de impulsos (DSTS 101) é o mesmo que gera os impulsos para o
rectificador de tiristores. Além das saídas para os seis tiristores presentes na ponte de tiristores
existe também uma saída para o tiristor de descarga. Esta saída é activada ligeiramente antes de
abrirem os contactos do disjuntor de campo para garantir que o campo não fique em circuito
aberto.
Para tiristores a partir de uma determinada potência, torna-se necessário amplificar os
impulsos provenientes do gerador de impulsos para o sistema de disparo do tiristor.
+
Sinal de
controlo
DC
Gerador de
impulsos Amplificador
Transformador
impulsos
TD
EI
RD
-
Figura 61- Principio de geração de impulsos de disparo do circuito de descarga do tiristor
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
93
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
Unidade de disparo redundante
A unidade de disparo redundante, como se pode verificar na figura 62, opera a partir da
sobre tensão no enrolamento de campo, que ocorre quando a unidade de disparo normal
contém alguma irregularidade, provocando assim o corte da corrente por parte do disjuntor de
campo. A unidade de disparo redundante funciona também como protecção contra sobre tensão
de campo com polaridades negativas.
O nível de disparo será definido pela tensão de corte do BOD (díodo de corte). O BOD é um
semicondutor que pode ser equiparado com um tiristor sem a conexão da gate. Quando a
tensão sobre o BOD atinge a tensão de corte, muda o estado de off para on. A saída do BOD é
conectada com a gate do tiristor de descarga. A tensão do BOD tem de ser escolhida de forma a
proteger o circuito da máquina, bem como o tiristor de descarga, e deverá ser sempre superior à
tensão de pico fornecido pelo sistema de excitação de forma a evitar falsos disparos. [15]
+
DC
Sinal de
controlo
BOD
TD
EI
-
Transformador
impulsos
RD
Figura 62- Geração de impulsos de disparo do circuito de descarga do tiristor redundante
A energia necessária para os impulsos da unidade de disparo redundante é retirada do
próprio enrolamento de campo, deste modo o circuito de disparo redundante é uma unidade
segura que opera sem qualquer tipo de energia auxiliar.
6.1.4.3 Resistência de descarga
O circuito de descarga é equipado por uma resistência de descarga, representada na figura
63, conectada em série com o tiristor de descarga para uma rápida desexcitação do
94
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
enrolamento de campo. Torna-se imprescindível uma rápida desexcitação caso ocorra um curtocircuito interno na máquina, prevenindo-se assim uma extensão dos estragos no enrolamento do
estator, ou caso exista uma diminuição rápida de carga reduzindo rapidamente as sobre tensões
no estator.
Figura 63- Resistência de descarga
As resistências de descarga são constituídas por carboneto-silício. Este material tem como
característica uma tensão/corrente não linear, assim como uma excelente capacidade de
absorção de energia, representada na figura 64. A característica não linear tem como vantagem
reduzir o tempo de descarga do enrolamento de campo para aproximadamente 5 vezes quando
comparado com uma resistência de descarga linear. [18]
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
95
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
I
U
Figura 64- Característica corrente/tensão
A curva característica de uma resistência de carboneto-silício é dada pela seguinte relação:
[18]
𝑈 = 𝐾 × 𝐼𝑎
(21)
Onde,
U = queda de tensão através da resistência
I = corrente que passa na resistência
K = constante de resistência, por determinar
a = exponencial resistência, para carboneto-silício tem o valor típico de 0,35-0,4
A constante K da resistência é determinada individualmente para cada caso, sendo
preferencialmente o mais alto possível por forma a diminuir o tempo de descarga do
enrolamento de campo. O seu valor máximo é definido também pelo disjuntor de campo ou pelo
enrolamento de campo.
A resistência tem que ser projectada para dissipar a energia contida no enrolamento de
campo no pior caso de uma desexcitação.
96
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
6.1.4.3 Protecção de sobre tensão de campo
O equipamento de excitação pode conter uma protecção contra sobre tensões de campo
(crowbar), incluído no sistema. O objectivo da protecção é prevenir tensões excessivas no
circuito de campo, que poderiam surgir no rectificador de tiristores caso ocorra algum problema
como uma sincronização incorrecta ou então uma perda de sincronismo.
Princípio de operação
A protecção de sobre tensão consiste num tiristor conectado em anti-paralelo com o tiristor
de descarga, e em série com a resistência de descarga. O tiristor dispara quando a unidade de
supervisão detecta que a tensão aos terminais do enrolamento de campo excede o nível de
protecção escolhido pelo sistema de disparo, descarregando toda a energia de campo na
resistência de descarga, protegendo assim o enrolamento de campo. A resistência limita a
corrente através da protecção, sendo esta dimensionada para que a queda de tensão não
exceda o nível de protecção, mesmo em caso de ocorrer uma corrente de campo induzida
máxima.
Unidade de disparo
O sistema de disparo da protecção de sobre tensão de campo é do mesmo tipo da unidade
de disparo redundante do tiristor de descarga, um circuito BOD.
Unidade de supervisão
A unidade de supervisão, apresentada na figura 65, detecta a tensão aos terminais da
resistência de descarga, que aparece quando existe um disparo no tiristor de sobre tensão de
campo, ou no caso de acontecer um curto-circuito na descarga.
A unidade de supervisão apenas detecta tensões com polaridade positiva, não sendo
sensível a tensões negativas. Sobre tensões de campo negativas aparecem no máximo meio
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
97
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
ciclo, e desaparecem através do fornecimento de tensão positiva pelo conversor de tiristores,
também poderá aparecer numa desexcitação normal embora não seja uma situação alarmante.
+
DC
Acoplador
Óptico
-
Sinal
Sobretensão
campo
TSC
EI
RD
Figura 65- Unidade de supervisão de sobre tensão
O componente principal da unidade de supervisão é o acoplador óptico, usado para isolar
galvanicamente o circuito principal e os circuitos de controlo. Em sistemas de excitação estáticos
a saída do sinal do acoplador óptico é conectada ao AVR, para o retardamento de fase
temporário do conversor de tiristores.
6.1.5 Regulador de tensão
O regulador de tensão HPC480, faz parte da configuração do sistema de excitação e tem
por base o “Advant Controller” 110 (AC110), que se trata de uma estação de processos
programáveis incluída na família “Advant” ABB. A programação das aplicações do regulador é
feita em tempo real através do uso de blocos de funções das linguagens de programação da
“Advant” ABB. A programação é efectuada por microprocessadores, que executam as funções
de controlo necessárias ao sistema de excitação. [19]
O equipamento é montado num armário, sendo constituído basicamente por um
processador, memórias, comunicação e unidades de adaptação, como se pode verificar na
figura 66. O sistema de adaptação do computador para os sinais do processo consiste em sinais
de harmonização de informação e blocos terminais. O sistema digital de I/O é isolado por
acopladores ópticos ou contactos de relés livres de potencial. Os sistemas de I/O analógicos
98
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
incluem circuitos de harmonização de sinal e conversores A/D e D/A, provindo os sinais de
transdutores externos ao AC110. A selecção entre sinais de tensão e corrente é realizada por
parâmetros na lógica de aplicação juntamente com a gama de medida.
Figura 66- Regulador de tensão
O regulador de tensão, como se pode observar na figura 67, integra fundamentalmente na
sua constituição o modo de regulação (AVR ou FCR) e um conjunto de funções de limitação
(PSS, Lim. Subexc., Lim. Cor. Rotor, etc.), que iremos observar posteriormente com maior
detalhe. Posteriormente os sinais de saída do regulador de tensão irão ser aplicados na ponte de
tiristores.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
99
Constituição dos Equipamentos do Sistema de Excitação
Transdutores
Us ,Is If,
Prot . vig .
HPC 480
Regulador de
Tensão
Alarme
Ind .
Ordens
Ref .
M
M
C
Tensão linha
P.F. reg.
Reg . var
Ref.
Lim . cor. rotor
Comp . temp .
Comp . activa
G
Lim. subexc .
Comp . reactiva
Lim . cor .est .
PSS
Lim.V/ Hz
Ampli .
impulsos
AVR
Gerador
impulsos
Seguidor
Ref.
FCR
Calc . temp .
Figura 67- Função e estrutura do programa para excitação
A aplicação do programa é construída sobre um número de secções do mesmo, cujo
conteúdo da função tem diferentes prioridades. Às secções do programa para a regulação e
limitação, foram-lhes atribuídas as prioridades mais elevadas.
100
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
Capítulo 7
7-Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
Neste capítulo vão ser descritas as diversas funções de protecção e controlo do regulador
de tensão, necessárias para o correcto funcionamento do sistema de excitação. Essas funções
devem ser adaptadas e coordenadas com outras medidas de controlo e protecção, já presentes
no sistema de potência, de forma a permitir uma manobra segura dos equipamentos dentro de
uma ampla gama de condições de operação. As funções de controlo não interferem no sinal de
saída da excitação dentro dos parâmetros normais de operação. Estas apenas actuam em
condições severas para a máquina, caso seja forçada a operar fora dos limites pré-definidos. A
actuação dos limitadores visa alterar o sinal de saída da excitação da máquina, alcançando um
ponto seguro de operação. É importante salientar que com o advento dos reguladores
microprocessados, providos de elevada flexibilidade, abre-se uma faixa ainda maior no que diz
respeito às possibilidades de emprego de novas filosofias de controlo e protecção. Nos pontos
seguintes estão apresentadas as funções de controlo, protecção e respectivas medidas do
sistema de excitação. Podemos verificar na figura 68 uma representação simplificada de uma
curva de capabilidade de um gerador síncrono. Os diversos limites, que formam a curva de
capabilidade, delimitam a região operativa do gerador.
Figura 68- Representação da curva de capabilidade do gerador síncrono [20]
AB – Limitação da corrente de campo;
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
101
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
BC, DE – Limitação da corrente do estator;
CD – Limitação pela máquina primária (turbina);
EF, FG – Limitação de sub-excitação.
7.1 Regulador automático de tensão (AVR)
O regulador de tensão integra módulos de controlo que recebem sinais analógicos e digitais
para serem processados, proporcionando um sinal de saída no valor desejado. Todo o algoritmo
e as demais funções do regulador são realizados pelo microprocessador.
A principal tarefa do regulador de tensão é manter a tensão de saída da máquina síncrona
constante, independentemente das condições de carga, em relação a um valor de referência.
Como tarefas secundárias o regulador de tensão é responsável por:

Proporcionar uma boa estabilidade em regime permanente;

Melhorar a estabilidade em regime transitória caso ocorram distúrbios na linha de
energia;

Distribuição da potência reactiva e activa na operação em paralelo de várias máquinas.
O algoritmo de controlo é efectuado por uma malha de regulação PI, sendo P a componente
proporcional que equivale à amplitude do sinal de controlo e I a componente integral que
compensa o erro em regime permanente, como se pode verificar na figura 69.
Devido á linguagem simples de programação, o algoritmo de controlo pode ser mudado
facilmente se for necessário, por exemplo para tipo PID, sendo D a componente diferencial que
responde rapidamente aos transitórios na tensão de saída do alternador. Esta componente é
utilizada em sistemas com excitatriz, processando-se através de um sinal de estabilização
proveniente da corrente de campo da excitatriz, cuja derivada do sinal de erro é adicionado
através de um derivador. [10]
A regulação deve ser realizada sem deixar que as correntes de campo e do estator
ultrapassem determinados valores limite mais do que um determinado tempo. Devido a estas
circunstâncias a função do regulador de tensão contém um seleccionador de “min/max” que
permite a activação do limitador de sobrecarga, prevenindo desta forma paragens dispendiosas
causadas pelo disparo do relé de protecção da máquina.
102
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
A função do regulador assegura uma elevada exactidão no estado estacionário durante toda
a acção integral.
AVR
Valor
referência
Valor real
I
+
MIN
/
MAX
P
+
D
Adaptação Sinal
Sobre tensão campo
Retardamento fase
AVR / FCR
Valor
referência
Corrente de campo
FCR
I
+
P
&
>
+
Figura 69- Diagrama simplificado da regulação da corrente de campo e da tensão
Na aplicação a regulação da corrente de campo foi integrada na função para regulação da
tensão, usando o mesmo integrador.
O sinal de erro, que indica a diferença entre o valor de referência e o valor real da tensão do
estator, é amplificado num amplificador proporcional. O sinal de erro amplificado é comparado
num selector de mínimo e máximo com sinais provenientes das funções de limitação. O sinal de
saída do selector é integrado.
O sinal de saída da função de regulação da tensão (AVR) é adaptado ao sistema de
excitação na função de adaptação de sinal e retardamento de fase. Quando se comuta para FCR
os parâmetros do integrador são alterados.
7.2 Regulador da corrente de campo (FCR)
A tarefa do regulador de corrente de campo é manter a corrente de campo da máquina
síncrona constante independentemente das mudanças de carga da máquina. A regulação da
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
103
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
corrente de campo é usada como um controlo manual da corrente de excitação, através da
actuação directa de um operador, durante por exemplo testes de gerador. Adicionalmente, serve
como “backup” para a regulação da tensão em falhas dos circuitos de medida da tensão do
estator. O diagrama simplificado que mostra o princípio do funcionamento do regulador é
mostrado na figura 69.
Para realizar a exigência de controlo manual é necessário um anel de controlo para
sistemas de excitação que retiram a alimentação aos terminais do gerador. A malha de
regulação é PI.
O sinal de erro, resultante da diferença entre o valor de referência e o valor real da corrente
de campo, é amplificado num amplificador proporcional. O sinal de saída do amplificador é
processado por um integrador, sendo posteriormente adaptado ao sistema de excitação na
função para adaptação do sinal e retardamento de fase. A regulação da corrente de campo foi
implementada na função para regulação da tensão e usa o mesmo integrador. [10]
7.3 Seguidores (Follow-up)
Quando co-existem dois ou mais modos de controlo, o sistema necessita de circuitos
denominados seguidores. Estes circuitos são utilizados para a comutação de um canal de
controlo para outro, sem quaisquer perturbações na grandeza controlada, garantindo que os dois
canais estão sempre no mesmo estado. As possibilidades de comutação existentes são a
comutação do regulador automático de tensão para o manual ou vice-versa, bem como do
regulador de tensão para o regulador de potência reactiva (ou de cos α) e vice-versa.
7.4 Adaptação do sinal analógico
A corrente, tensão do gerador, frequência, corrente de campo, etc., são conectadas a
transdutores externos ao AC110. Os sinais de saída dos transdutores estão conectados às
entradas analógicas do AC110 e o dimensionamento é efectuado no microprocessador, sendo
que, todos os valores são representados no sistema de unidade pu - sistema de unidades
arbitrário, que possibilita a comparação de grandezas de natureza idêntica, ajudando à sua
definição em termos de magnitude.
104
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
Saídas analógicas
Os sinais de controlo são manipulados por uma função de adaptação do sinal que tem
como tarefa adaptar o sinal de saída da regulação ao equipamento de impulso de disparo do
sistema de excitação. A função é também responsável pelas tarefas de limitação do sinal de
saída e retardamento de fase temporário na ocorrência de falhas.
O diagrama simplificado da figura 69 mostra o princípio de funcionamento.
Os sinais de saída provenientes das funções de regulação da corrente de campo e tensão
são seleccionados através de um interruptor. A adaptação de sinal é obtida através da selecção
de uma constante para uma amplificação proporcional. [21]
7.5 Regulação da potência reactiva ou regulação do factor de potência
A função da regulação da potência reactiva, ou regulação do factor de potência, consiste em
definir o valor referência para a função AVR, sendo esta definição feita de maneira relativamente
lenta. Quando seleccionada esta opção, a principal função do regulador de tensão, manter a
tensão constante aos terminais independentemente da variação da carga, não será mais
executada, assumindo a tensão os valores impostos pelas condições de operação da rede.
Aproveita-se assim uma das principais características da máquina síncrona, que é o de poder
regular a potência reactiva e o factor de potência. Um diagrama simplificado mostra o princípio
de funcionamento na figura 70.
Valor referência
Valor real
Incrementar
-
Decrementar
Figura 70- Seguidor de tensão
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
105
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
7.5.1 Regulação da potência reactiva
Esta função é utilizada para manter constante a potência reactiva. A regulação da potência
reactiva é feita utilizando um controlador “tri-state”, que controla a função de rampa do AVR,
sendo activada quando o sinal de erro, que se trata da diferença entre o valor de referencia e o
valor real, é maior ou menor que o valor limite presente. Os sinais incrementar/decrementar
para a rampa cessam apenas quando o sinal de erro se encontra dentro do valor limite.
7.5.2 Controlo do factor de potência
A função é utilizada para manter o factor de potência constante. A regulação do factor de
potência é efectuada usando um controlador “tri-state”. O valor de referência para o controlo do
factor de potência é dado pela tan α. O valor da tan α é multiplicado pela potência activa (P),
obtendo uma potência reactiva Q = U I sen α, enviando assim um valor de referência para a
função controlo de potência reactiva. Desta forma obtém-se o controlo do factor de potência
através da variação da potência reactiva. A desconexão do controlo do factor de potência é
conseguida ordenando outro modo de regulação, por exemplo, regulação da tensão.
7.6 Compensação activa e reactiva
A compensação activa é utilizada para compensar as quedas de tensão resistivas das linhas
de transporte de energia causadas pela componente de corrente activa. Quando existe um
aumento da potência activa, é adicionado um sinal de compensação à referência da tensão,
conservando-se assim, dentro de certos limites, a tensão da linha constante.
Compensação reactiva
A função de compensação reactiva pode ser usada para três objectivos. Um dos objectivos
é o de compensar a tensão na transmissão, por exemplo, nos transformadores causadores da
componente reactiva, para isso é usada a compensação positiva. Quando existe um aumento da
106
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
potência reactiva, junta-se um sinal de compensação à referência da tensão, obtendo-se assim o
grau de compensação necessário.
A compensação negativa é usada para os restantes dois objectivos, um dos quais é
assegurar a repartição estável da potência reactiva entre geradores que trabalhem em paralelo.
O outro, é compensar as fortes mudanças da carga reactiva da máquina síncrona quando a
tensão da rede varia. Isto consegue-se diminuindo a referência da tensão, enquanto se aumenta
a componente reactiva da corrente. A compensação negativa que a máquina tem sobre a
correcção da tensão da linha é reduzida.
7.7 Limitação sub-excitação
A função da limitação instantânea é evitar a perda de sincronismo da máquina na
sub-excitação, garantindo que o sistema de excitação fornece uma corrente de excitação mínima
que assegure a região de estabilidade do gerador, isto é, uma diminuição da corrente de campo
traduz-se numa redução do binário nominal de sincronismo da máquina, cujo coeficiente de
potência na sincronização é dado por: [20]
𝐾=
𝐸𝑞 ×𝑉𝑡
𝑋𝑒𝑞
× cos 𝛿 =
𝑋 𝑎𝑑 ×𝑖𝑓𝑑 ×𝑉𝑡
𝑋𝑒𝑞
× cos 𝛿
(22)
Onde,
Eq – tensão proporcional à corrente de campo;
Vt – tensão aos terminais;
Xeq – reactância equivalente a partir dos terminais da máquina;
𝛿 - ângulo de carga da máquina.
Numa eventualidade de surgirem altas tensões na rede, devido a grandes cargas
capacitivas, o limitador ao invés de a compensar diminuindo a excitação, provoca um rápido
aumento da corrente de excitação sem ter em consideração a tensão aos terminais do gerador,
até se obter a linha do limite de estabilidade. A actuação do limitador deverá evitar a actuação
do relé de perda de excitação. A função tem um significado especial nos turbo-geradores que
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
107
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
devido à sua concepção são particularmente sensíveis à perda de sincronismo e ao
sobreaquecimento dos terminais do estator.
Um diagrama de blocos simplificado demonstra o princípio da função é mostrado na figura
71.
LSE
Ip
Ip(1/r)
Bloquear
Indicação
&
Iq
Iq(1/x)
Limitação sinal
AVR
I
+
P
MIN
MAX
+
Figura 71- Diagrama de blocos da limitação de sub-excitação
Quando o sinal de erro, que se trata da diferença entre o valor limite estabelecido e o valor
actual, se torna negativo, a função de limitação é desbloqueada através de um comparador. A
limitação actua via o selector máximo da função de regulação da tensão, que compara os sinais
de entrada e dá prioridade ao valor mais alto. Quando o sinal de erro se torna positivo, o sinal
para a regulação de tensão tem prioridade novamente. [22]
Na aplicação do programa, é possível escolher a função de limitador, o diagrama de
corrente,
𝑃
𝐼𝑝 = 𝑈 , 𝐼𝑞 = 𝑄/𝑈
(23)
ou o diagrama de admissão,
1 𝑟 = 𝑃 𝑈2 , 1/𝑥 = 𝑄/𝑈2
108
(24)
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
O diagrama de corrente é utilizado quando há necessidade de selectividade na medida da
corrente nas protecções de perda de excitação. O diagrama de admissão é usado para uma
melhor limitação, para evitar perda de sincronismo nas variações de tensão da linha.
7.8 Limitação V/HZ
Alterando a frequência da tensão de alimentação do alternador, a sua velocidade de rotação
pode ser alterada. No entanto, quando se reduz a frequência, a impedância do circuito eléctrico
também se reduz, resultando num valor de corrente mais alto exigido pelo motor e num valor de
fluxo também mais alto.
A tensão produzida por uma bobina é directamente proporcional ao fluxo e à frequência
como se verifica na equação: [20]
𝑉 = 4,44 × 𝑓 × 𝐾 × 𝑁 × 𝜑
(25)
Onde,
V – tensão aos terminais;
f – frequência;
K – factor de distribuição;
N – número de espiras;
𝜑 – fluxo.
Então, tem-se:
𝜑 = 𝑉 4,44 × 𝑓 × 𝐾 × 𝑁
(26)
A tarefa da função de limitação é reduzir a tensão do estator nas frequências baixas numa
razão de proporcionalidade para proteger a máquina e outros equipamentos contra a saturação
magnética (sobre fluxo). Um diagrama de blocos demonstra o princípio de funcionamento na
figura 72.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
109
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
Bloquear
Tensão
estator
Indicação
S
R
Frequência
U
f
(Umax )
AVR
MIN
+
P
MIN
/
MAX
I
+
Figura 72- Diagrama de blocos da limitação V/Hz
Quando o sinal de erro, resultante da relação da tensão de saída dividida pela frequência,
se torna positivo (sobrecarga), dois temporizadores são activados. Quando um dos circuitos de
tempo definidos for expirado, a função de limitação é desbloqueada. O limitador actua via um
selector mínimo. [22]
7.8.1 Cronometragem continua
Se ocorrer uma sobrecarga, um temporizador é activado. Este desbloqueia a função de
controlo quando o tempo de atraso definido for expirado. A condição para a função ser activada
é que a sobrecarga dure mais que o tempo de atraso admissível pré-definido. O tempo prédefinido não deve exceder nenhum tempo de atraso de um relé de protecção.
7.8.2 Tempo acumulado
Numa condição de sobrecarga, uma função de contagem baseada num integrador é
activada. A sua função e velocidade de contagem são controladas pela dimensão e sinal de erro.
Através do uso de diferentes constantes de integração, incrementa-se ou decrementa-se, o
110
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
tempo de atraso para as acções pode ser adaptado para uma utilização máxima do gerador e
itens conectados.
A acção da função de limitação é controlada por um selector mínimo que compara os sinais
de entrada e dá prioridade ao valor mais baixo. Quando o sinal de erro se torna positivo é dada
novamente prioridade à regulação da tensão.
7.9 Limitação da corrente de campo
O limitador da corrente de campo, tem como finalidade proteger o gerador contra
sobreaquecimentos, resultantes de sobrecorrentes prolongadas no circuito indutor. Dependendo
da capacidade de sobrecarga admissível no enrolamento de campo, definida pelo fabricante, a
função de limitação, após certo tempo, actua no regulador de tensão de forma a reduzir a
corrente de campo para os valores nominais.
A função da limitação da corrente de campo é efectuada através de duas vertentes distintas
de limitação. A primeira, designada limitação instantânea previne a sobrecarga do conversor de
tiristores do equipamento de excitação, o qual tem uma constante de tempo térmica muito curta.
O conversor de tiristores é protegido através da limitação instantânea da corrente de saída. A
segunda, denominada limitação por atraso, tem como finalidade prevenir uma eventual
sobrecarga térmica no enrolamento de campo da máquina síncrona, e em parte, a de proteger o
conversor acima mencionado da sobrecarga térmica. A função de limitação contém funções
lógicas que previnem sobrecargas repetidas durante um certo tempo de ajuste (tempo de
recuperação). Um diagrama em bloco simplificado é mostrado na figura 73 com o princípio da
função de limitação de corrente de campo. [20]
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
111
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
Selecção
Bloquear
Limit 3
Limit 2
Corrente Limit1
campo
Indicação
S
R
-
>
1
-
Valor referência limite
AVR
+
I
P
MIN
MAX
+
Figura 73- Diagrama de blocos da função de limitação da corrente de campo
7.9.1 Limitação instantânea
Quando no sinal de erro, a diferença entre o valor limite definido (limite1) e o valor real, se
torna negativo a função de regulação é desbloqueada via um comparador. O limitador actua via
um selector mínimo da função de regulação da tensão, que compara os sinais de entrada e dá
prioridade ao nível mais baixo. Quando o sinal de erro é positivo é dada novamente prioridade ao
sinal para a regulação da tensão. A função de limitação é bloqueada quando o valor para o sinal
de erro excede o limite presente. No entanto, a condição para o reset é que o tempo de
recuperação estipulado tenha expirado.
7.9.2 Limitação por atraso
Quando o sinal de erro, a diferença entre o valor limite definido (limite2/3) e o valor actual
da corrente de campo, se torna negativo, dois circuitos de tempo são activados, quando um dos
limites de tempo definidos expira, o valor limite mais baixo da função de limitação instantânea é
conectado e a função de regulação é desbloqueada. Dois princípios independentes de
112
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
cronometragem são incluídos. Uma vez que as funções se complementam uma à outra, o tempo
de atraso correcto pode ser obtido até mesmo durante sobrecargas temporárias.
7.9.3 Limite da corrente de campo dependente da temperatura
A compensação da temperatura é obtida através da adição de um sinal de corrente ao nível
limite para atrasos na limitação da corrente de campo. O sinal de corrente é proporcional às
mudanças de temperatura. O sinal de temperatura é obtido via um elemento térmico (PT100)
que detecta a temperatura do ar de arrefecimento. [22]
7.10 Limitação da corrente do estator
A tarefa da função de limitação de atraso é a de prevenir sobrecarga térmica no
enrolamento do estator. A função contém lógica que previne sobrecargas repetidas durante um
certo tempo ajustável (tempo de recuperação). O diagrama em bloco simplificado da figura 74
mostra o princípio da função.
O limitador de corrente do estator é regulado tendo em conta a sobrecarga contínua
admissível pelos circuitos do estator da máquina. O limitador actua através do AVR, já que a
infracção do limite de corrente da armadura não é um fenómeno que necessite de intervenção
imediata. Sendo a regulação efectuada através da geração ou absorção da potência reactiva pelo
gerador, que implica um aumento ou redução da tensão interna da máquina. [20]
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
113
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
6)
SCL
iq
ip
Iq<0
1)
-
3)
Iq>0
Bloquear
Iq>0+
>
Iq<0Limit 1
Limit 2
&
Bloquear
-
&
2)
&
Bloquear
S
R
4)
AVR
+
I
P
MIN
MAX
5)
+
Figura 74- Diagrama de blocos da limitação de corrente do estator
1- Componente reactiva da corrente;
2 - Corrente estator;
3 - Sinal para componente da componente de corrente activa elevado;
4 – Indicação;
5 - Sinal de controlo;
6 - Corrente activa.
Quando o sinal de erro, que se trata da diferença entre o valor limite definido (limite1/2) e o
valor real da corrente do estator, se torna negativo, dois circuitos de tempo são activados.
Quando um dos presentes tempos expira, a função de limitação é desbloqueada. As condições
para a implementação da função, são que a tensão do estator deve ser superior a 80% da tensão
nominal e que a componente reactiva da corrente deve ser maior ou igual ao valor limite préestabelecido. O limitador é activado via o selector de função máximo ou mínimo. [22]
114
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
7.11 Estabilização do sistema de potência (PSS)
Os estabilizadores introduzem amortecimento nas oscilações do sistema. Essas oscilações
electromecânicas do rotor podem ser atenuadas através do controlo da corrente de excitação. A
frequência com que um gerador oscila contra a rede é da ordem de 0,3 a 2,0 Hz. O
amortecimento electromecânico do gerador pode ser aumentado utilizando um método
conveniente para variar a corrente do rotor, através da adição de um sinal à frequência de
oscilação e uma mudança de fase apropriada (regulação do ângulo de disparo) à função de
regulação da tensão. O método de geração ABB utiliza a potência activa da máquina como um
sinal de entrada. Uma mudança de fase apropriada é obtida misturando dois sinais nas
proporções correctas. Um deles, o sinal de aceleração, é proporcional, e em fase com a
mudança da potência activa. O outro, o sinal de erro de velocidade, é obtido através da
integração com uma constante de tempo apropriada do sinal de aceleração. O método
pressupõe que o binário da turbina é constante na frequência da oscilação, o que é
normalmente o caso.
Sinais amortecidos baseados na aceleração e velocidade são processados num filtro de
passa banda de forma a obter a mudança de fase requerida numa certa frequência oscilatória.
A lógica para o bloqueamento temporário da função é activada pelo sinal para uma
mudança ordenada do binário da turbina. O PSS também é bloqueado quando existe um sinal
para abrir o disjuntor do gerador e quando existe uma baixa potência activa. [20]
7.12 Cálculo da temperatura do rotor
A função para calcular a temperatura do rotor tem como objectivo uma supervisão contínua
da temperatura do enrolamento de campo da máquina síncrona. A temperatura real no
enrolamento de campo é calculada usando as características de resistência/temperatura do
material condutor. Através da comparação da resistência real do enrolamento de campo com o
valor de resistência a uma temperatura conhecida, a temperatura do enrolamento de campo
pode ser calculada. A resistência do enrolamento de campo é obtida através do coeficiente da
tensão de campo/corrente de campo.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
115
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
7.13 Medidas
Para facilitar testes e a entrada em serviço, o equipamento de excitação contém dois pontos
de medida protegidos por fusíveis. O objectivo é o de medir a tensão de excitação por shunt,
através de um transdutor que é um dispositivo que converte uma forma de energia noutra forma
de energia, mais concretamente recebe uma tensão e transforma-a numa corrente. O transdutor
varia entre 4-20mA, que corresponde a uma tensão de 0-300V.
7.14 Protecções
As protecções podem ser divididas em dois grupos distintos que se designam por:
protecções internas e protecções externas, no entanto apenas se dará ênfase às internas.
7.14.1 Protecções internas
O equipamento contém as seguintes protecções internas:
1) Protecção contra a sobrecarga no circuito do rotor;
2) Protecção contra falha de fornecimento de energia AC;
3) Protecção contra falha de condução de um tiristor medindo o “ ripple”;
4) Protecção contra curto-circuito DC medindo o “ripple”;
5) Protecção contra falta de ventilação.
7.14.1.1 Protecção contra a sobrecarga no circuito do rotor
O circuito rotórico, compreendendo o transformador de excitação, o conversor de tiristores,
o disjuntor de campo e o enrolamento do gerador são protegidos contra sobrecargas por uma
constante de tempo atrasada da protecção de máxima corrente. Um pequeno sinal de
sobrecarga arranca a protecção.
116
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
7.14.1.2 Protecção contra falha de fornecimento de energia AC
Uma falha na tensão de alimentação, por exemplo uma interrupção numa fase, acarreta um
ripple na corrente com uma frequência cerca de duas vezes superior a frequência de
alimentação AC.
7.14.1.3 Protecção contra falha de condução de um tiristor medindo o “ripple”
Uma falha nos impulsos de disparo num ramo do conversor de tiristores gera um ripple na
corrente com a mesma frequência que a frequência de alimentação AC. Esta corrente é medida
com Ti`s no lado AC do rectificador de tiristores, e será detectada através de uma protecção
sensível a baixas frequências.
A protecção inicia uma mudança para o conjunto redundante de tiristores, caso estes se
encontrem incluídos na montagem. Caso contrário a protecção envia um sinal de disparo para o
AVR.
7.14.1.4 Protecção contra curto-circuito DC medindo o “ripple”
A amplitude do ripple da corrente inerente depende da indutância do enrolamento de
campo, do ângulo de disparo dos tiristores bem como do sistema de desexcitação aplicado. Se o
sistema de desexcitação compreender um circuito de descarga com tiristores controlados, a
influência no ripple da corrente é eliminada.
Se a indutância do circuito de campo for alterada por exemplo através de um curto-circuito
no enrolamento de campo e o modo de operação ser o de regulação da corrente de campo ou a
limitação da corrente de campo, o nível de corrente médio mantém-se no nível definido mas a
amplitude do ripple de corrente inerente aumenta. A frequência do primeiro harmónico do ripple
de corrente é seis vezes maior que a frequência de alimentação.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
117
Considerações Funcionais sobre Controlo, Protecção e Medição
7.14.1.5 Protecção contra falta de ventilação
Caso ocorra uma sobrecarga térmica, ou um curto-circuito na alimentação do ventilador,
será sinalizada uma falha no sistema de refrigeração.
Em sistemas com redundância de ventiladores, irá desencadear-se um sinal de alarme e
alterar para o ventilador que estava em reserva. Deste modo o desempenho do equipamento de
excitação não é afectado por uma única falha no sistema de refrigeração. Quando apenas está
presente um ventilador a protecção iniciará um sinal de erro.
118
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Conclusões e Trabalho Futuro
Capítulo 8
8- Conclusões e Trabalho Futuro
8.1 Conclusões
O principal objectivo desta dissertação consistia na descrição objectiva e esclarecedora do
sistema de excitação estático do alternador do Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada, como
me foi proposto pelo director e subdirector do Centro de Produção Cávado-Lima. Este tema foi
assim escolhido pois tratava-se de uma área de elevado interesse, ainda não explorada, que
devido a esse facto estava entregue a uma empresa exterior.
Numa fase inicial elaborou-se um estudo comparativo dos diversos sistemas de excitação e
técnicas de controlo dos sistemas, analisando as vantagens e desvantagens de cada um,
justificando-se a opção por o sistema de excitação estático.
O que distingue o sistema de excitação estático dos restantes é o facto do tempo de
actuação ser reduzido na regulação, dado que este actua directamente na corrente de campo do
alternador, evitando desta forma o uso de excitatrizes. Esta circunstância traduz-se numa
significativa baixa de preço e num elevado desempenho, sendo um sistema que se aplica em
praticamente todas as novas instalações.
O sistema de excitação estático apresenta no entanto algumas desvantagens, sendo o mais
grave o facto da corrente de excitação ser controlada por impulsos dos tiristores, que introduzem
deformações na corrente, distorcendo assim a tensão gerada pelo alternador.
Após o estudo comparativo, procedeu-se ao levantamento completo dos componentes
integrados no sistema. Analisando exaustivamente a função que cada um desempenhava e
compreendendo o seu funcionamento.
O estudo elaborado incidiu numa primeira fase na componente de electrónica de potência,
que consiste no circuito principal ligado ao enrolamento rotórico.
O transformador de excitação, cuja corrente de campo contínua máxima é determinada pela
máquina síncrona, adapta a fonte de tensão (barramento de produção) ao valor estipulado pela
tensão de pico exigida do conversor de tiristores.
Pré-excitação ocorre no processo de arranque da máquina (após o fecho do disjuntor de
campo), devido à baixa tensão remanescente, é necessário criar uma corrente de excitação
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
119
Conclusões e Trabalho Futuro
independente da tensão do barramento de produção do alternador, para se obter o disparo do
conversor de tiristores. A energia provém das baterias da central, através de resistências e díodo
de bloqueio que limitam a corrente
Um conversor de tiristores é constituído por pontes de semicondutores, ligadas em paralelo
e usadas para a conversão da energia eléctrica. Quando o fluxo da energia é dirigido do lado AC
para o DC a ponte de tiristores opera como rectificador. Utiliza uma ligação de 6 impulsos, 2
vias, totalmente controlada (constituída apenas por tiristores). O valor médio da tensão de saída
pode ser controlado de acordo com o ângulo de disparo dos tiristores, desde um valor positivo
até um valor negativo. Para um tiristor entrar em condução é requerido um impulso de disparo
na entrada da gate, proveniente do AVR ou do FCR.
A desexcitação é um processo necessário para descarregar a energia armazenada no
enrolamento de campo, o mais rapidamente possível, evitando danos caso apareçam sobre
tensões. Integra um disjuntor de campo, responsável pela abertura do circuito e respectiva
corrente de excitação. Contém também um circuito de descarga, constituído por um tiristor
electronicamente controlado, e uma resistência de descarga. Aquando da abertura do disjuntor,
o tiristor recebe um impulso de disparo, entrando em condução, comutando a corrente do
enrolamento de campo, para o circuito de descarga
A etapa seguinte recaiu sobre o regulador de tensão (AVR), que abrange todas as funções
de controlo necessárias aos sistemas de excitação, implementadas para assegurar um correcto
funcionamento do alternador, mais preciso e seguro, dentro dos parâmetros nominais.
Através de um microprocessador presente no AVR é possível executar as tarefas de
regulação de um modo extremamente eficaz. A principal tarefa do regulador de tensão é manter
a tensão de saída da máquina síncrona constante, independentemente das condições de carga,
em relação a um valor de referência. O algoritmo de controlo é efectuado por uma malha de
regulação PI.
No caso de testes do gerador, pode-se optar pelo regulador da corrente de campo (FCR),
que mantém a corrente de campo da máquina síncrona constante independentemente das
mudanças de carga da máquina, de uma forma manual, através de um operador.
Findo o estudo sobre a constituição do sistema de excitação, efectuou-se uma acção de
formação sobre o tema abordado para todos colaboradores provenientes das várias centrais do
Centro de Produção Cávado-Lima, que foi repetida no Aproveitamento Hidroeléctrico do Alto
Lindoso, dada a impossibilidade dos formandos se deslocarem. A formação teve como objectivo
120
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Conclusões e Trabalho Futuro
elucidar os colaboradores e torná-los capazes da detecção e resolução de possíveis problemas,
minimizando as paragens do alternador e respectivas perdas financeiras. Preencheu-se assim
uma lacuna, pois trata-se de uma área que, como referido anteriormente, está subjacente a uma
empresa exterior.
Fazendo uma análise global sobre todo o trabalho realizado, pode-se concluir que foram
atingidos os principais objectivos propostos.
As dificuldades surgidas foram sendo ultrapassadas, com a ajuda de uma equipa de
trabalho dinâmica, que sempre prestou o auxílio necessário. Foi, por isso, um período motivante
e de extrema importância para a consolidação dos conhecimentos e para a aquisição de uma
noção de profissionalismo.
8.2 Trabalho Futuro
Dado que se tratou de um ano de extrema pluviosidade, não se conseguiu apresentar
resultados experimentais, pois esta traduziu-se num elevado efluente, tendo atingido a albufeira
a capacidade máxima. Desta forma, não foi possível efectuar-se uma paragem da máquina
síncrona, visto que acarretaria prejuízos elevadíssimos para a empresa. Os testes a nível do
alternador e sistema de excitação são encarados contudo como uma oportunidade de trabalho
futura.
Realizar o estudo detalhado dos restantes sistemas de excitação presentes na PHCL seria
também um dos objectivos futuros.
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
121
122
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Referências Bibliográficas:
[1] EDP
“Manual de Organização”
EDP Gestão da Produção de Energia, 2008
[2] Companhia Portuguesa de Produção de Electricidade, S.A.
“Caniçada - Vilarinho das Furnas - Salamonde”
Imagens & Obras, Lda.
[3] GEC ALSTHOM
“Turbinas Francis, Kaplan, Pelton”
NEYRPIC, 2005
[4] Universidade Católica do Rio de Janeiro
“Cadernos da PUC - RJ., Edição 20”
Universidade do Texas, 1974
[5] Stephen J. Chapman
“Electric Machinery Fundamentals”
McGraw-Hill,Second Edition 1991
ISBN 0-07-010914-1
[6] Manuel Vaz Guedes
“O Alternador Síncrono Trifásico
nos Pequenos Aproveitamentos Hidroeléctricos ”
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 1994
[7] James H. Harlow
“Electric Power Transformer Engineering”
CRC Press LLC, 2004
ISBN 0-8493-1704-5
[8] Luces M. Faulkenberry, Walter Coffer
“Electrical Power Distribution and Transmission”
Prentice-Hall, 1991
ISBN 0-13-249947-9
[9] Antonio J.A. Simões Costa, Aguinaldo S. e Silva
“Sistema de excitação de Geradores Síncronos”
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
123
Florianópolis, 2000
[10] Comité Nacional Brasileiro de Produção e Transmissão de Energia Eléctrica
“Guia para Especificação de
Sistemas de Excitação”
FT, 1998
[11] Fitzgerald, A., E., Kingsley, Charles, Kusko, Alexander,
“Máquinas elétricas”
Brasil, 1975.
[12] Ton Mouthaan
“Semiconductor Devices Explained”
John Wiley & Sons Ltd, 1999
ISBN 0-471-98854-5
[13] Ned Mohan; Tore M. Underland; William P. Robbins
“Power Electronics
Converters, Applications, and Design”
John Wiley & Sons Ltd, 1989
ISBN 0-471-50537-4
[14] Programa Prof2000
www.prof2000.ptuserslpaTirístores.ppt Consultado em Janeiro de 2010
[15] Francis Labrique, João José Esteves Santana
“Electrónica de Potência”
Fundação Calouste Gulbenkian, 1991
ISBN 972-31-0534-9
[16] Cyril W. Lander
“Electrónica Industrial
Teoria e Aplicações”
Mcgraw-Hill, 1988
[17] J. R. Cogdell
“Foundations of Electrical engineering”
Prentice Hall, Second edition 1996
ISBN 0-13-092701-5
[18] PCP da Silva
124
Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada
Repositório Aberto
repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/12989/2/Texto%20integral.pdf
Consultado
em
Outubro de 2009
[19] ABB em Portugal
http://www.abb.pt/ Consultado em Outubro de 2009
[20] Júlio César Marques da Silva
“Aspectos de Protecção e Controle
Do Gerados Síncrono Subexcitado”
Tese de Mestrado, Universidade Católica Minas Gerais, 2002
[21] Eugene R. Hnatek
“A users Handbook of D/A and A/D Converters”
John Wiley & Sons Ltd, 1976
ISBN 0-471-40109-9
[22] William J. Palm III
“Control Systems Engineering”
John Wiley & Sons Ltd, 1986
ISBN 0-13-249947-9
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Anexos
Valores nominais e requisitos funcionais do sistema de excitação
A tabela 30 contém os parâmetros da máquina que devem constar na especificação do
sistema de excitação. Estes parâmetros devem ser facultados pelo fabricante da máquina
síncrona, ou então pela entidade que a adquiriu, para efectuar a interacção entre o sistema de
excitação e a máquina.
Tabela 30 - Valores nominais da máquina síncrona
Grandeza
Valores Nominais Máquina Síncrona
Potência Nominal (kVA)
34
Tensão Nominal (kV)
10,25
Corrente Nominal (A)
1800
Cos Ф Nominal
0,85
Velocidade Nominal (rpm)
300
Nº de Fases
3
Frequência Nominal (HZ)
50
A tabela 31 contém os valores nominais e demais parâmetros do sistema de excitação,
sendo os valores pré-definidos pela entidade que adquiriu o sistema de excitação, e outros
definidos pelo fabricante da máquina síncrona ou integrados nas especificações do sistema
tendo em vista os dados da máquina síncrona.
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Tabela 31- Conjunto de valores nominais do sistema de excitação
Grandeza
Sistema de Excitação Estático
Tensão Nominal (V)
205
Corrente Nominal (A)
615
Tensão Nominal Unidade do Ventilador (V)
230
Corrente Nominal Unidade do Ventilador (A)
2,45
IFOL (A)
378
UFOL (V dc)
94,5
IFO (A dc)
400
Kp
20
Ti (s)
1,5
U Max Resistência Descarga (V dc)
870
I Max Resistência Descarga (A dc)
1682
Q Max Resistência Descarga (KJ)
449
Tensão BOD Unidade de Disparo Redundante
1000
na Desexcitação (V dc)
Tensão BOD Protecção da sobre tensão de
1200
campo na Desexcitação (V dc)
Tensão Nominal Unidade do Ventilador (V)
230
Corrente Nominal Unidade do Ventilador (A)
2,45
Razão de Transformação da Tensão do
10250/290
Transformador Excitação (V)
Razão de Transformação da Corrente do
16,33/577,3
Transformador Excitação (A)
Razão de Transformação da Tensão do
291/380
Transformador de Sincronização (V)
Corrente Pré-excitação (A dc) 5 seg.
40
Tensão Pré-excitação (V dc) 5 seg.
220
IFOL - Corrente de campo necessária para obter a tensão de saída nominal quando está
sem carga e a velocidade nominal;
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UFOL – Tensão de campo necessária
IFO – Corrente de campo
Ti – Tempo integral
Kp – Ganho proporcional
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