ensaio com motor cc como gerador
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ENSAIO MOTOR CC COMO GERADORTRANSCRIPT
i
RESUMO
Neste trabalho é feita a montagem e simulação de um protótipo de uma linha de
transmissão. É apresentado um referencial teórico que contém o conhecimento
necessário para a compreensão do desenvolvimento do trabalho, da discussão dos
resultados e das conclusões a respeito do mesmo, a seguir é apresentado o
desenvolvimento detalhado do trabalho de forma a permitir a reprodução do trabalho
por qualquer pessoa interessada e finalmente é realizada a discussão dos resultados
obtidos. O objetivo geral do trabalho é realizar a simulação analógica e digital de um
modelo reduzido de linha de transmissão alimentando uma carga, em um extremo, a
partir de um gerador síncrono, no outro extremo. Para a concretização do objetivo desse
trabalho, o mesmo foi subdividido em etapas com objetivos específicos definidos. A
primeira etapa consiste em identificar o material necessário para modelar um protótipo
de linha de transmissão curta e média, a segunda etapa consiste em identificar o material
necessário para modelar a carga. A terceira etapa consiste em identificar as condições de
funcionamento do gerador síncrono, especificar como o gerador é colocado em
funcionamento, especificar quem atua como força motriz, como esta força motriz pode
ser controlada, identificar qual a fonte de excitação e como esta pode ser controlada. A
quarta etapa consiste em identificar os instrumentos de medição necessários e descrever
como estes instrumentos serão utilizados. Os materiais aqui relacionados estão
disponíveis no Laboratório de Máquinas Elétricas do Parque Tecnológico de Itaipu. A
quinta e última etapa consiste em montar e simular o modelo da linha de transmissão.
Os resultados obtidos nas simulações provaram que as equações que regem o
comportamento da máquina síncrona realmente funcionam, foi verificado também o
efeito da inserção ou retirada de carga sobre o sistema e consequentemente a
importância dos reguladores de tensão e de velocidade em um gerador síncrono, foi
verificado também o papel da barra infinita no sistema.
ii
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................... iv
LISTA DE TABELAS .................................................................................................... vi
1 INTRODUÇÃO........................................................................................................... 1
2 REFERENCIAL TEÓRICO........................................................................................ 3
2.1 Motor de Corrente Contínua................................................................................. 3
2.1.1 Circuito do Motor de Corrente Contínua................................................................ 4
2.2 Gerador Síncrono.................................................................................................. 5
2.2.1 Circuito do Gerador Síncrono................................................................................. 6
2.2.2 Limites de um Gerador Síncrono ............................................................................ 7
2.2.3 Velocidade Síncrona................................................................................................ 9
2.3 Equipamentos de Medidas........................................................................................ 11
2.3.1 Multímetro - Princípio de Funcionamento ............................................................ 11
2.3.2 Osciloscópio – Princípio de Funcionamento ........................................................ 12
2.3.3 Wattímetro – Princípio de Funcionamento ........................................................... 12
3 EQUIPAMENTOS ............................................................................................. 16
4 CONFIGURAÇÃO INICIAL............................................................................. 18
4.1 Modelagem de Linhas de Transmissão para Configuração Inicial........................... 19
4.2 Cargas para a Configuração Inicial .......................................................................... 20
4.3 Modelo Matemático da Configuração Inicial ........................................................... 21
4.3.1 Linha curta e motor trifásico................................................................................. 22
4.3.2 Linha curta e carga resistiva................................................................................. 24
4.3.3 Linha média com motor trifásico .......................................................................... 25
4.3.4 Linha média com carga resistiva .......................................................................... 27
4.3.5 Compensação em linha curta e motor trifásico..................................................... 28
4.3.6 Resumo dos resultados para utilização de um motor trifásico como carga ......... 29
4.3.7 Resumo dos resultados para utilização de uma carga puramente resistiva ......... 29
4.4 Simulações no PowerWorld e Analises para a Configuração Inicial ...................... 30
4.4.1 Modelo e simulação de linha curta e motor trifásico............................................ 31
4.4.2 Modelo e simulação de linha média e motor trifásico .......................................... 32
4.4.3 Modelo e simulação de linha curta e carga resistiva............................................ 33
4.4.4 Modelo e simulação de linha média e carga resistiva .......................................... 34
iii
4.4.5 Simulação de uma carga sem a linha de transmissão........................................... 35
4.5.6 Simulação de compensação – série em uma linha curta ligada a um motor ........ 36
5 CONFIGURAÇÃO NOVA UTILIZADA NA PRÁTICA EM LABORATÓRIO..... 37
5.1 Nova Configuração................................................................................................... 37
5.2 Justificativas ............................................................................................................. 38
5.3 Linhas de Transmissão para a Nova Configuração .................................................. 39
5.4 Cargas para a Simulação da Nova Configuração ..................................................... 42
5.5Ligações Realizadas na Prática.................................................................................. 43
5.5.1 Ligações do Motor CC .......................................................................................... 43
5.5.2 Ligações do Gerador Síncrono ............................................................................. 44
5.5.3 Ligações Motor CC e Gerador Síncrono .............................................................. 45
5.5.4 Equipamentos de Medidas..................................................................................... 47
5.6 Reatância Síncrona do Gerador ............................................................................... 52
5.7 Operação do Gerador................................................................................................ 57
5.7.1 Partida do Gerador ............................................................................................... 57
5.7.2 Parada do Gerador ............................................................................................... 57
5.8 Procedimentos para Realização da Simulação Prática ............................................. 58
5.9 Simulações e Análises com a Nova Configuração ................................................... 62
5.9.1 Simulação de queda de tensão na carga ............................................................... 62
5.9.2 Simulação de sobretensão na carga ...................................................................... 63
5.9.3 Simulações realizadas em laboratório .................................................................. 64
5.9.4 Simulações realizadas no software PowerWorld .................................................. 66
6 CONCLUSÃO............................................................................................................. 70
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Circuito do Motor CC . .................................................................................... 4
Figura 2 - Circuito do Gerador Síncrono.......................................................................... 6
Figura 3 - Diagrama Fasorial de um Gerador Síncrono. .................................................. 7
Figura 4 - Esquema de ligação para a utilização do método das lâmpadas ou montagem
de fogos pulsantes................................................................................................... 10
Figura 5 - Esquema de ligação cruzada para a utilização do método das lâmpadas ou
montagem de fogos girantes. .................................................................................. 11
Figura 6 - Desenho Bidimensional do Wattímetro......................................................... 13
Figura 7 - Ligação do Wattímetro no Circuito. .............................................................. 14
Figura 8 - Ligações Internas de um Wattímetro em um Circuito................................... 14
Figura 9 - Terminais de um Wattímetro com a Identificação dos Circuitos e da
Polaridade. .............................................................................................................. 15
Figura 10 - Medição de Potência Ativa em Circuitos Trifásicos Equilibrados. ............. 15
Figura 11 - Ligação para Medição de Potência Reativa com 3 Wattímetros. ................ 16
Figura 12 - Primero Sistema com Linha Curta............................................................... 18
Figura 13 - Primeiro Sistema com Linha Média. ........................................................... 18
Figura 14 - Linha Curta com Motor Trifásico. ............................................................... 21
Figura 15 - Linha Curta com Carga Resistiva. ............................................................... 21
Figura 16 - Linha Média com Motor Trifásico............................................................... 22
Figura 17 - Linha Média com Carga Resistiva............................................................... 22
Figura 18 - Motor em linha curta................................................................................... 32
Figura 19 - Motor em linha média.................................................................................. 33
Figura 20 - Carga resistiva em linha curta...................................................................... 34
Figura 21 - Carga resistiva em linha média. ................................................................... 35
Figura 22 - Perdas nulas na linha.................................................................................... 36
Figura 23 - Compensação capacitiva.............................................................................. 37
Figura 24 - Nova Configuração do Sistema. .................................................................. 38
Figura 25 - Linha curta e carga resistiva. ....................................................................... 40
Figura 26 - Linha Curta para Nova Configuração.......................................................... 41
Figura 27 - Linha Média para Nova Configuração......................................................... 41
Figura 28 - Modelo Completo para a Nova Configuração. ............................................ 42
Figura 29 - Carga para Nova Configuração. .................................................................. 42
v
Figura 30 - Ligação do Motor CC Realizada na Prática................................................. 44
Figura 31 - Ligação do Gerador Síncrono Realizada na Prática. ................................... 45
Figura 32 - Ligações do Motor CC – Gerador................................................................ 46
Figura 33 - Novas Ligações Motor CC - Gerador. ......................................................... 46
Figura 34 - Ligação do Multímetro para Medição de Tensão. ....................................... 48
Figura 35 - Ligação do Multímetro para Medição de Corrente...................................... 48
Figura 36 - Exemplo de medição de corrente com seus ângulos.................................... 49
Figura 37 - Analisador de Energia Monitorando a Saída do Gerador. ........................... 50
Figura 38 - Analisador de Energia Monitorando a Entrada da Barra de Carga.............. 51
Figura 39 - Analisador de Energia Monitorando a Carga. ............................................. 51
Figura 40 - Analisador de Energia Monitorando a Entrada da Rede.............................. 52
Figura 41 - Ensaio de Curto-Circuito do Gerador Síncrono........................................... 52
Figura 42 - Ensaio a Vazio do Gerador Síncrono........................................................... 53
Figura 43 - Curvas de Ensaio a Vazio e de Curto Circuto Realizados para um Gerador
de 2kVA da Marca Equacional............................................................................... 56
vi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Materiais Utilizados para Modelagem da Linha de Transmissão no
Configuração Inicial. .............................................................................................. 19
Tabela 2 - Carga: Motor 0,18 kW................................................................................... 29
Tabela 3 - Carga: Resistiva............................................................................................. 30
Tabela 4 - Materiais utilizados para modelagem posterior das linhas de transmissão. .. 40
Tabela 5 - Grandezas Monitoradas. ................................................................................ 47
Tabela 6 - Valores do Ensaio de Curto-Circuito Realizado em um Gerador de 2kVA,
Marca Equacional. .................................................................................................. 53
Tabela 7 - Valores do Ensaio a Vazio Realizado em um Gerador de 2kVA, Marca
Equacional. ............................................................................................................. 54
1
1 INTRODUÇÃO
As linhas de transmissão tem conectados aos seus terminais geralmente um gerador
em um extremo e uma carga em outro extremo. O comportamento da linha de transmissão
no sistema depende consequentemente da situação de operação em que os geradores e a
cargas se encontram, pretende-se com este trabalho analisar os diversos efeitos em uma
linha de transmissão incluída em um sistema de potência.
A máquina síncrona como um gerador de corrente alternada, governada por uma
turbina para converter energia mecânica em energia elétrica, é a maior fonte geradora de
potência elétrica do mundo todo (Stevenson, 1994), assim a compreensão do
funcionamento de um gerador síncrono, bem como da força motriz é importante antes de
analisarem-se sistemas de potência.
Numa central hidroelétrica de produção de energia, a máquina síncrona, quando
aplicada, é movida por uma turbina. A energia mecânica fornecida é transformada em
energia eléctrica que será posteriormente fornecida à rede elétrica para a satisfação de
consumidores. A idéia neste trabalho é precisamente a mesma. No entanto como não temos
turbina, fornecemos energia mecânica à máquina síncrona a partir de um motor cc que
funciona neste caso como turbina.
Três tipos de máquinas síncronas são utilizadas em sistemas de energia elétrica:
geradores, motores e compensadores síncronos. Praticamente toda a potência ativa
consumida no sistema é gerada por meio de geradores síncronos. (Monticelli, 1999)
Com o objetivo de colocar o gerador em funcionamento, é realizado neste trabalho
um diagrama esquemático das ligações do conjunto motor CC - gerador síncrono, os passos
de partida e parada e curvas de capacidade de geração da máquina síncrona.
Foram definidas também neste trabalho as maneiras de controlar a velocidade do
eixo, a força motriz, a corrente de campo do gerador síncrono e tensão na saída do mesmo.
Este trabalho não prevê a regulação automática de tensão e velocidade do gerador síncrono,
e as cargas analisadas são cargas puramente resistivas.
A preparação do gerador síncrono para atuar como fonte de alimentação na
simulação de um protótipo de linha de transmissão, com e sem carga nos seus terminais,
2
exige a monitoração de algumas grandezas cruciais para a sua operação correta, a
importância do monitoramento para a ciência já era considerada há mais de cem anos.
“Quando você puder medir aquilo de que está falando e exprimir isso em
números, saberá algo sobre tal coisa. Enquanto você não puder exprimilo
em números, seu conhecimento é insatisfatório. Pode ser o início do
conhecimento, mas você terá avançado muito pouco em seus pensamentos,
em direção ao estágio da ciência”.
William Thompson, Lord Kelvin (1824,1907)
Para a operação correta do gerador síncrono e para a análise do protótipo da linha
de transmissão é necessário o conhecimento do valor da tensão, da intensidade de corrente
elétrica e também do valor da potência elétrica em vários pontos do sistema. Neste relatório
são descritos os instrumentos de medição necessários para obtenção dos valores de
corrente, tensão, ângulos e potências que serão utilizados na análise da simulação do
sistema.
Levando em consideração as variáveis citadas, são especificados os seguintes
instrumentos: multímetros, analisadores de energia e sincronoscópio. É apresentado um
referencial teórico que descreve o princípio de funcionamento de cada dispositivo, os
ajustes necessários para uma medição precisa bem como diagramas ilustrando as ligações
corretas de acordo com a variável a ser medida.
Esta simulação tem relação direta com as disciplinas de máquinas elétricas, introdução a
sistemas de energia elétrica, circuitos elétricos, geração e transmissão de energia elétrica, e
metrologia. Este trabalho é de interesse para qualquer área relacionada a sistemas de
potência, uma vez que oferece uma visão geral do comportamento de uma linha de
transmissão sobre situações diferentes de geração e de carga, bem como do fluxo de
potência através da linha.
3
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Motor de Corrente Contínua
Como fonte primária de energia tem-se o motor de corrente contínua
(indiretamente à rede elétrica), que é o responsável por fornecer o conjugado ao eixo do
gerador, ou seja, a velocidade. Fazendo uma analogia com uma usina hidrelétrica o motor
CC faz o papel da água que tende a girar o eixo do gerador, no caso a fonte de energia é a
energia potencial associada à altura da água no reservatório.
A força motriz, que rege o funcionamento do motor é tal como mostra a Equação
1.
BI.F ×= l (1)
em que os parâmetros da equação 1 são:
• F - Força no condutor;
• L - Comprimento ativo do condutor;
• I - Corrente que percorre o condutor;
• B - Campo magnético induzido no condutor.
A Equação 1 diz que o módulo da força atuante sobre um condutor é proporcional
ao comprimento ativo do condutor, à corrente que percorre o condutor e ao campo
magnético induzido, e tem sentido ortogonal ao campo e à corrente.
Como a excitação do motor CC e o comprimento dos condutores do enrolamento
de armadura são mantidos constantes, a única forma de controlar a velocidade do eixo é
através da corrente de armadura, ou seja, da saída variável de tensão da fonte CC,
obviamente quanto maior a tensão maior a velocidade do motor.
4
2.1.1 Circuito do Motor de Corrente Contínua
O circuito do motor CC é mostrado na Figura 1. Conforme a Figura 1 é visto que
o funcionamento do motor é explicado através da interação entre a excitação do
enrolamento de campo e da excitação do enrolamento de armadura.
Figura 1 - Circuito do Motor CC .
Como as duas excitações estão intimamente ligadas, para que haja a partida do
motor é necessário que antes de o motor possuir velocidade, haja um torque que aja como
um “freio” para o eixo do motor. Este torque é gerado através do campo induzido pela
corrente no enrolamento de campo, que por sua vez gera uma força magnética e assim, o
torque, de acordo com a Equação 1. Caso não haja corrente no enrolamento de campo, o
eixo do motor tenderá a ter uma velocidade crescente fazendo com que ocorra, por
exemplo, uma alta solicitação mecânica na máquina, afinal, no momento em que aplica – se
tensão nos terminais da armadura, para iniciar a rotação do motor, não existe fcem (força
contra eletromotriz), pois a velocidade é nula.
Tendo estabelecido corrente no enrolamento de campo, já é possível se aplicada
uma corrente no enrolamento de armadura obter – se velocidade no eixo do motor.
Analisando ainda a Figura 1 observa – se a resistência Rp e a resistência variável
Rc sendo que, ambas são utilizadas para excitação dos campos. A resistência variável Rc
fornece o controle sobre a corrente de campo do motor CC (esta deve ser igual a 0,4A),
permitindo variá – la como desejar. Já a resistência Rp foi colocada ali apenas para que
5
fosse energizada, já que dela depende a resistência variável Rp ligada aos terminais do
enrolamento de armadura.
A resistência Rp no circuito de armadura possibilita uma injeção de velocidade
gradativa no eixo do motor. O seu funcionamento se resume no fato de que quando está na
sua posição mínima possui resistência infinita (e corrente mínima no enrolamento de
armadura) e ao caminhar para sua máxima posição a resistência diminui e a tensão de
armadura aumenta, bem como a velocidade do eixo, ou seja, o reostato de partida limita a
corrente durante o período de partida. Esta resistência só assumirá sua máxima posição
(resistência mínima e velocidade no eixo) quando a resistência Rp do circuito de campo
estiver energizada, ou seja, essa configuração evita que haja tensão nos terminais da
armadura sem que esteja circulando corrente no enrolamento de campo, impedindo as
complicações já citadas.
Novamente fazendo analogia com uma hidrelétrica - onde a velocidade do eixo é
controlada pela quantidade de água que passa pela turbina, ou seja, pela abertura da entrada
de água - a fonte de tensão variável faz o papel dessa abertura da entrada de água.
2.2 Gerador Síncrono
O princípio de funcionamento do gerador síncrono é fundamentado basicamente
pela lei de Faraday, mostrada na Equação 2.
B.ve ×= l (2)
em que os parâmetros da Equação 2 são:
• e - Tensão induzida no condutor;
• l - Comprimento ativo do condutor;
• v - Velocidade do condutor;
• B - Campo magnético induzido sobre o condutor.
A lei de Faraday diz que o módulo da tensão induzida num condutor é proporcional
ao comprimento do condutor, à velocidade do condutor e ao campo magnético induzido
sobre o mesmo, e o sentido da tensão é ortogonal, portanto, como no nosso caso o
6
comprimento dos condutores é constante, pois a máquina já está construída, e a velocidade
é a velocidade síncrona, a única forma de controlar a tensão nos terminais do gerador é
através da corrente de campo, que é a responsável por gerar o campo magnético, quanto
maior a corrente de campo maior a tensão nos terminais do gerador.
2.2.1 Circuito do Gerador Síncrono
A Figura 2 apresenta o circuito equivalente do gerador síncrono com excitação
independente, que foi utilizado na simulação.
Figura 2 - Circuito do Gerador Síncrono.
A fonte de tensão variável é necessária para que se possa controlar a corrente de
campo, uma vez que não é possível variar a resistência de campo e que a fem gerada é
diretamente proporcional à corrente de campo, como é mostrado pela Equação 3.
2
.. 5 riLE
ω−= (3)
em que os parâmetros da Equação 3 são:
• E – valor eficaz da fem gerada;
• ω - velocidade do gerador;
• ri - corrente de campo (rotor).
A tensão gerada nos terminais é dada pela Equação 4.
7
sag xjIEV −= (4)
em que os parâmetros da Equação 4 são:
• gV - tensão nos terminais do gerador;
• aI - corrente de armadura;
• sx - reatância síncrona.
Percebe-se da Equação 4 que quando o gerador está girando á vazio a tensão nos
seus terminais é igual a fem, ou seja, EVg = .
O diagrama fasorial do gerador é apresentado na Figura 3.
Figura 3 - Diagrama Fasorial de um Gerador Síncrono.
2.2.2 Limites de um Gerador Síncrono
Em regimes uniformes de longa duração, o funcionamento da máquina com
freqüência e tensão nominais é condicionado por uma região de operação viável para o
gerador síncrono e esta região é dada pela curva de capacidade de geração da máquina. São
desenhados diagramas considerando os limites de aquecimento da armadura, de
aquecimento do enrolamento de campo, de potência primária, de estabilidade e de excitação
mínima. Combinando estes limites, ou seja, os diagramas formados pelos limites da
máquina, têm-se a curva de capacidade de geração da máquina síncrona. Cada limite da
máquina é descrito a seguir:
• Limite de aquecimento da armadura - O aquecimento dos enrolamentos por
perdas ôhmicas é dado pela corrente de armadura. A resistência da armadura é de suma
8
importância no comportamento térmico da máquina. O aquecimento máximo acontece
quando a corrente de armadura é máxima, o que significa uma potência aparente máxima.
• Limite de aquecimento do enrolamento de campo - O enrolamento de campo
também sofre sobreaquecimento devido perdas ôhmicas conforme a Equação 5.
2ff irP ×=Ω (5)
em que os parâmetros da Equação 5 são:
• rf – Resistência do enrolamento de campo;
• If – Corrente de campo.
• Limite de potência primária – Não devem ser excedidas limitações quanto à
potência mecânica, então não deve ser excedida a potência máxima que a máquina motriz
pode fornecer, pois existe um limite que o gerador pode receber da potência primária
(motor CC) dado pela Equação 6.
Ω×= TPMec (6)
em que os parâmetros da Equação 6 são:
• T – Torque;
• Ω – Velocidade angular dada pela Equação 7.
p
f××=Ω
π2 (7)
em que os parâmetros da Equação 7 são:
• f – freqüência da máquina (60Hz);
• p – número de pares de pólos da máquina.
Este limite é o valor máximo de potência ativa gerada pela máquina, em média a
energia elétrica fornecida ao sistema é igual à energia mecânica fornecida ao eixo menos as
perdas.
9
• Limite de estabilidade - O limite de estabilidade é dado pelo ângulo de
potência máximo permitido δmáx. Assim, a limitação natural é 90°, entretanto o ângulo
máximo varia com o nível de excitação do gerador.
• Limite de excitação mínima - A diminuição contínua da corrente de
excitação chega a um ponto no qual valor de pico de 90° é igual à própria margem imposta,
e a curva de P X δ começa a coincidir com o eixo das abscissas, assim existe um limite
mínimo adicional que deve ser imposto ao valor da corrente de excitação.
2.2.3 Velocidade Síncrona
Entrando em funcionamento o gerador síncrono, quando a velocidade do gerador
atingir a velocidade síncrona pode-se ouvir um ruído característico indicando o momento
em que o eixo dos pólos é alinhado com o campo girante. Entretanto, este ruído só pode ser
percebido quando no início do funcionamento do gerador existir uma defasagem entre o
eixo dos pólos e o campo girante.
Existem algumas formas de certificar-se que o gerador está na velocidade
síncrona. Abaixo estão descritas algumas formas de verificação da velocidade síncrona
através da comparação da freqüência do gerador com a freqüência da rede:
• Para chegar à velocidade síncrona, no caso dos geradores, acionados por
uma máquina motriz, pode-se levar o grupo motor-gerador a uma velocidade próxima da de
sincronismo, e então, comparar sua freqüência com a freqüência da rede através do método
das lâmpadas descrito na Figura 4.
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Figura 4 - Esquema de ligação para a utilização do método das lâmpadas ou montagem de
fogos pulsantes.
Se as freqüências forem diferentes, as tensões têm movimento relativo e a tensão
nos terminais das lâmpadas varia entre zero e o dobro da tensão com uma freqüência igual à
diferença entre as duas freqüências (da rede e da máquina síncrona). O tempo de brilho das
lâmpadas, ou o período é o inverso da diferença entre as duas freqüências. Assim, quando o
período do brilho das lâmpadas for grande (alguns segundos), as freqüências da rede e da
máquina síncrona estão bastante próximas e a máquina síncrona esta na sua velocidade de
sincronismo.
• Uma outra montagem para utilizar o método das lâmpadas é fazer uma
ligação cruzada como a mostrada na Figura 5. Esta montagem costuma ser mais utilizada.
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Figura 5 - Esquema de ligação cruzada para a utilização do método das lâmpadas ou
montagem de fogos girantes.
Nesta nova configuração, as lâmpadas acendem-se e apagam-se com uma
frequência igual à diferença entre as duas freqüências, mas não simultaneamente.
Acendem-se sucessivamente, sendo o sentido da sucessão dependente do sentido da
diferença das freqüências. No instante em que a lâmpada que liga terminais
correspondentes (lâmpada do meio) está apagada, sendo nessa altura iguais os fluxos
luminosos das outras duas lâmpadas, as duas freqüências são aproximadamente iguais.
Finalmente, uma última forma de deixar o gerador na velocidade síncrona
comparando as freqüências do gerador e da rede é usando um sincronoscópio. O
sincronoscópio é um instrumento de medida com um ponteiro que indica a defasagem entre
duas tensões, o período do movimento do ponteiro é o inverso da diferença entre as duas
freqüências, então quando o movimento do ponteiro for lento as freqüências estão próximas
e o gerador esta na velocidade síncrona.
2.2 Equipamentos de Medidas
2.2.1 Multímetro - Princípio de Funcionamento
O multímetro é um instrumento de medida multifuncional que congrega, entre
outras, as funções de voltímetro e de amperímetro. Multímetros digitais são instrumentos
que fornecem, como saída, uma exibição numérica normalmente através das propriedades
dos mostradores de cristais líquidos. O multímetro normalmente tem suas funções e escalas
selecionadas mediante uma chave (ligada a um grande botão no meio do aparelho).
Mediante o acionamento do botão central, que pode assumir diversas posições,
você tem que escolher aquela que convém para a medição desejada. Ao dirigir este botão
para a grandeza V, na escala de 20 V, por exemplo, este valor será a tensão máxima (DC)
que poderá ser medida.
Para leituras de tensões alternadas (AC), deve-se selecionar a grandeza V através
do botão central.
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Para efetuar a leitura de alguma grandeza, devemos colocar um fio no terminal
marcado com V ou Ω ou mA e outro no terminal marcado com COM (comum).
2.2.2 Osciloscópio – Princípio de Funcionamento
O osciloscópio é um instrumento que permite observar numa tela plana uma
diferença de potencial em função do tempo, ou em função de uma outra ddp, esta diferença
de potencial é lida a partir da posição de uma mancha luminosa numa tela retangular
graduada, ele é composto basicamente de um tubo de raios catódicos (TRC) com tela
fluorescente e de circuitos eletrônicos que atuam sobre o feixe de elétrons.
A mancha luminosa resulta do impacto do feixe de elétrons do TRC no material
fluorescente presente na tela, os elétrons do feixe, devido ao baixo valor da sua massa e por
serem partículas carregadas, podem ser facilmente acelerados e defletidos pela ação de um
campo elétrico ou magnético, essa deflexão varia em função da ddp medida.
O feixe de elétrons é defletido em um eixo de coordenadas similar ao cartesiano, o
eixo x corresponde ao feixe de elétrons com velocidade constante e o eixo y é defletido
como resposta a um sinal de entrada, este processo permite obter através do osciloscópio
valores instantâneos de sinais elétricos rápidos, a medição de tensões e correntes elétricas, e
ainda freqüências e diferenças de fase de oscilações, com respostas da ordem de
microsegundos.
Assim, resumidamente o osciloscópio é um instrumento de medida que permite
visualizar em tempo real a amplitude de um sinal elétrico variável no tempo. Ele é de todos
os instrumentos o de maior utilidade e complexidade, devido à possibilidade de associar à
medição a dimensão do tempo.
2.2.3 Wattímetro – Princípio de Funcionamento
Para medir potência o equipamento precisa considerar a defasagem entre a tensão
e a corrente. Assim, o wattímetro eletrodinâmico baseia-se na interação entre as correntes
elétricas que atravessam duas bobinas, sendo uma bobina fixa e outra móvel. A corrente
que percorre a bobina fixa é proporcional a corrente dos condutores que está sendo feita a
13
medição, enquanto que a corrente que percorre a bobina móvel é proporcional a tensão
entre os dois condutores. A bobina fixa cria um campo magnético também proporcional às
correntes dos condutores e no interior do campo deslocam-se os condutores da bobina
móvel, nesses condutores desenvolvem-se forças mecânicas que dão origem a um binário
que é proporcional ao produtor instantâneo da corrente e da tensão. Entretanto, devido a um
binário de inércia, o wattímetro indica o valor médio dos impulsos da potência. As duas
bobinas são apresentadas na Figura 6.
Figura 6 - Desenho Bidimensional do Wattímetro.
Sendo que na Figura 4 as letras representadas são:
• Bc – Bobina fixa constituída de duas meias bobinas idênticas, bobina de
corrente;
• Bp – Bobina móvel onde o ponteiro fica preso, bobina de potencial;
• ip – Corrente que percorre a bobina de potencial;
• ic – Corrente que percorre a bobina de corrente;
• θp – Ângulo de desvio do conjunto móvel na posição de equilíbrio.
È possível aumentar a gama de valores de potência que pode ser medido em um
wattímetro. Para aumentar o valor da tensão que pode ser medida, utilizam-se resistências
em série no circuito de tensão e para aumentar o valor da corrente que pode ser medida,
utilizam-se resistências em paralelo com a bobina da corrente.
14
2.2.3.1 Como Medir Potência Ativa e Reativa com o Wattímetro
O wattímetro é usado para medir potência elétrica fornecida ou dissipada em
circuitos AC e DC, mas pelas suas características construtivas, o wattímetro ainda pode ser
usado para medir tensão e corrente. Este instrumento de medição faz o produto da tensão e
da corrente em um determinado lugar do circuito, por isso liga-se em série e em paralelo ao
mesmo tempo. Dois terminais do wattímetro são ligados em paralelo com o elemento do
circuito para medir a tensão e dois terminais são ligados em série para medir a corrente.
Esta ligação é representada na Figura 7 e as ligações internas estão representadas na Figura
8.
Figura 7 - Ligação do Wattímetro no Circuito.
Figura 8 - Ligações Internas de um Wattímetro em um Circuito.
Antes da ligação do wattímetro é necessária a observação dos valores máximos de
corrente e tensão suportados pelo equipamento (pelas bobinas de tensão e de corrente do
wattímetro). É comum nos wattímetros os terminais de corrente ter uma seção maior que os
15
terminas de tensão, sendo possível diferenciá-los. Para considerar a polaridade nas ligações
os terminais de entrada das bobinas de corrente e de tensão estão nos wattímetros marcados
com um * (asterisco) ou um ± (mais ou menos) como pode-se ver na Figura 9.
Figura 9 - Terminais de um Wattímetro com a Identificação dos Circuitos e da Polaridade.
2.2.3.2 Monitorando Potência ativa
Para fases equilibradas o valor das correntes e das tensões são iguais em todas as
fases, então basta fazer a medição de potência ativa medida em uma fase e multiplicar o
valor por 3 para ter-se o valor da potência ativa trifásica total do circuito, como é mostrado
na Figura 10 e na Equação 5.
WP ×= 3 (5)
Figura 10 - Medição de Potência Ativa em Circuitos Trifásicos Equilibrados.
2.2.3.3 Monitorando Potência reativa
Para medir a potência reativa em um circuito trifásico não se utiliza o neutro e
pode-se usar 3 (circuitos equilibrados ou não) ou 2 wattímetros (circuitos equilibrados).
Usando 2 wattímetros as ligações devem ser feitas conforme a Figura 11 e considerar a
potência total reativa no circuito como a subtração das indicações dos wattímetros
16
multiplicada por raiz de três, como mostra a Equação 6., mas este método só pode ser
utilizado para circuitos equilibrados.
( )213 WWQ −×= (6)
Figura 11 - Ligação para Medição de Potência Reativa com 3 Wattímetros.
3 EQUIPAMENTOS
Os equipamentos que estão disponíveis para a realização deste trabalho estão
dispostos nesta fase.
Máquina C.C.:
• Marca: Equacional
• Tipo EGC1-4
• Tensão=220 V
• Corrente=1,2 A para motor e 9,1A para gerador
• 2 kW, 1800 rpm, Isol. F
• Campo: V=220 V, I=0,3A
Máquina Síncrona:
• Marca: Equacional
17
• Máquina Síncrona Tipo EGT1-6A
• V=127/220/254/440 V
• 2 kVA, fp= 0,8, 60 Hz, Isol. F, 1800 rpm, 3 Fases.
• Campo: V=220 V, I=0,3A.
• Gerador de pólos salientes, 4 pólos.
Painel de Carga:
• Marca: Equacional
• 30 Cargas Resistivas: 500 Ω, 100 W
• 30 Cargas Indutivas: 1,2 H
• 30 Cargas Capacitivas: 5 µF, 220 V
• 3 grupos contendo 10 componentes em série cada.
Equipamentos de auxílio para o motor e o gerador:
• 1 Reostato de Campo para gerador variável de 0 a 100 Ω
• 1 Reostato de partida para motor C.C.
• 1 Fonte Controlada de Tensão para a corrente de campo do motor C.C.
• 1 Fonte Controlada de Tensão para a armadura da máquina C.C.
• 1 Fonte de Tensão Fixa para o campo do gerador síncrono.
• Cabos para ligação.
Reostato de Partida:
• Marca: Equacional
• Tipo: RO-4
• V-lig: 220V
• I=9,1 A máx
• 2 kW
Dispositivo de Sincronização
• 2 Disjuntores
• 2 Conjuntos de Lâmpadas
• 1 Botoeira para sincronização
18
• 1 Contator Siemens
• 1 Relé Térmico
4 CONFIGURAÇÃO INICIAL
Inicialmente o objetivo foi analisar um sistema de duas barras com uma barra de
geração e outra de carga ligadas através de uma linha de transmissão curta e média como
mostram as Figuras 12 e 13. Para este sistema inicial foram modeladas as linhas, dois tipos
de carga e também foram feitas simulações utilizando o software PowerWorld.
Figura 12 - Primero Sistema com Linha Curta
Figura 13 - Primeiro Sistema com Linha Média.
19
4.1 Modelagem de Linhas de Transmissão para Configuração Inicial
A intenção inicialmente era de implementar duas linhas de transmissão, uma
curta e uma média, estando estas conectadas ao gerador, porém com valores um pouco
diferentes daqueles realmente implementados.
A modelagem teria inicialmente 8 indutores para a linha curta, estando estes em
paralelo, e 2 para a linha média, também em paralelo.
Na modelagem inicial da Linha Curta teríamos uma impedância na linha de
transmissão de z = 0,024 + j0,56 Ω/km para uma linha de 80 km. Para a modelagem de
Linha Média teríamos uma impedância na linha de transmissão de z = 0,0092 + j0,22 Ω/km
e uma admitância de y = j4,098x10-6 S/km para uma linha de 230 km.
Para simular a resistência na linha de transmissão não foram considerados
resistores, mas foram considerados as resistências internas dos indutores de
aproximadamente 19 Ω.
Os materiais utilizados para modelar tanto a linha de transmissão curta quanto a
média estão relacionados na Tabela 1. Como pode ser visto na Tabela 1, para obter-se o
valor de reatância indutiva necessária, serão ligados vários indutores em paralelo, e para
obter-se o valor de reatância capacitiva necessário, serão ligados vários capacitores em
série.
Tabela 1 - Materiais Utilizados para Modelagem da Linha de Transmissão no Configuração
Inicial.
Série Paralelo Total Série Paralelo TotalIndutor 0 10 (45,24Ω) 10 0 9 (50,26Ω) 9Resistor 0 0 0 0 0 0Capacitor 0 2 (1061,032Ω) 2
Linha Curta / Fase Linha Média / Fase
20
4.2 Cargas para a Configuração Inicial
A princípio havia sido cogitada a idéia de se utilizar como carga um motor de
indução trifásico tipo gaiola cujas características estão listadas abaixo:
• Marca: WEG;
• Potência: 0,18 kW;
• Fator de Potência: 0.50 / 0.80;
• Velocidade: 1730 rpm;
• Fator de serviço: 1;
• Isol: B;
• Tensão: 220 V;
• Rendimento: 53.5;
• Corrente nominal: 1.77 / 1.46;
• Ip/In=6.
Porém o uso deste motor como carga foi descartado na configuração montada em
laboratório devido ao fato de a fonte de tensão apresentar problema, o que não permitia a
geração de corrente suficiente para partir o motor.
A outra carga utilizada na configuração inicial seria uma carga trifásica
puramente resistiva utilizando o reostato:
21
• Marca: Eletel;
• Tipo: EPA1-2;
• Tensão de ligação: 77-Y;
• Potência=2 kW.
4.3 Modelo Matemático da Configuração Inicial
As Figuras 14, 15, 16 e 17 ilustram os modelos utilizados para as simulações.
Figura 14 - Linha Curta com Motor Trifásico.
Figura 15 - Linha Curta com Carga Resistiva.
22
Figura 16 - Linha Média com Motor Trifásico.
Figura 17 - Linha Média com Carga Resistiva.
4.3.1 Linha curta e motor trifásico
Foi considerada uma linha de transmissão com as seguintes características:
• Impedância da linha = kmkmjZlt 80/)56,0024,0( ×Ω+=
• Ω+= )8,4492,1( jZlt
Considerando-se uma tensão na carga de:
• Vr= o0127∠ V
e a partir das seguintes características do motor:
• Pmotor =0,18 kW
• fp=0,8 atr
• o87,36=ϕ
Tem-se a potência para o motor como:
S= o87,368,0
18,0∠ kVA (6)
S= 0,225 o87,36∠ kVA (7)
e a corrente demandada por ele:
23
Ir= o
o
87,365905,02203
87,36225
3
3−∠=
×
∠=
×
∗∗
LLV
S φ A (8)
Então, através da Equação 9, podemos calcular a tensão no extremo gerador:
Vs = Vr + IL x Z lt (9)
Vs= 145,23 o11,8∠ V (10)
Observamos que ocorre uma queda de 14,35% na tensão, o que implica na
necessidade de se fazer compensação.
As potências ativa e reativa fornecidas pelo gerador a carga antes da compensação
podem ser calculadas pelas Equações 11 e 12, respectivamente:
Pkm= gkm |Vk| 2 - gkm |Vk| |Vm| cos(δ km) – bkm |Vk| |Vm| sen(δ km) (11)
Qkm= -bkm |Vk| 2 - gkm |Vk| |Vm| sen(δ km) + bkm |Vk| |Vm| cos(δ km) (12)
sendo que:
• Vk = Vs
• Vm = Vr
A partir dos dados da linha obtemos:
•
Sbb
Sgg
Sjz
y
km
km
0223,0
0010,0
)0223,00010,0(1
12
12
12
−==
==
−==
Tendo o ângulo de Vs igual a 8,11°, ou seja δ 12 = 8,11 o , usando as Equações 11
e 12, calculamos as seguintes potências fornecidas pelo gerador:
• P12=60,8566W P123Φ=182,5698W
• Q12 = 874,9365 VAR Q123Φ=2624,8095W
24
As seguintes potências foram calculadas para a carga:
• P21= -60,1554 W P213Φ=-180,4662W
• Q21 = -28,7847 VAR Q213Φ= -86,3541 VAR
Então, as perdas na linha podem ser expressas da forma a seguir:
• Perdas ativas na linha = PL = P12 + P21 = 0,7012 W
• Perdas reativas na linha = QL = Q12 + Q21 = 846,1518 VAR
Tomando-se a potência na carga, Sb 3Φ = 2kVA e a tensão na carga Vb= 220 Vll
como valores base, podemos expressar os resultados obtidos em valores pu.
• Vr= puo01∠
• Vs= puo11,81434,1 ∠
• P12= 0,09128 pu
• Q12= 1,3124 pu
• P21= -0,09023 pu
• Q21= -0,0432 pu
4.3.2 Linha curta e carga resistiva
Considerando-se uma carga resistiva de 250 Ω , e tomando-se os valores
estipulados para a simulação de linha curta como:
• Impedância da linha = Ω+= )8,4492,1( jZlt
• Tensão na carga =Vr= o0220∠ V
Podemos calcular o valor da tensão no extremo gerador:
• Vs= 225,1668 o0836,10∠ V
Tomando-se como base os seguintes valores para a potência e tensão:
25
• Sb= 2 kVA
• Vb=220 V
Calculamos os valores da impedância e corrente de base:
• Zb= 24,2 Ω e Ib= 5,249A
• Vr= puo01∠
E com isso podemos transformar o valor da tensão no extremo gerador para
valores em pu:
• Vs = puo0836,100235,1 ∠ .
4.3.3 Linha média com motor trifásico
Foi considerada uma linha de transmissão com as seguintes características:
• Impedância da linha = kmjZlt 230)22,00092,0( ×+= ;
• Ω+= )6,50116,2( jZlt ;
• kmSjysh /10098,4 6−×= , ou Sj 610942 −×=Υ .
Para a carga foi considerado:
• Vr= Vo0220∠ ;
• P=0,18 kW;
• fp=0,8 atr;
• o87,36=ϕ .
A corrente demandada pela carga então pode ser calculada pela Equação 13.
Ir = o
o
87,365905,022,03
87,368,0
18,0
3
3−∠=
×
∠
=
×
∗
∗
LLV
S φ A (13)
26
Através dos dados da linha de transmissão, podemos calcular os parâmetros de
quadripolo, representados pelas Equações 13, 14 e 15.
A= D =
Υ+
21
Zlt (13)
B= Z (14)
B= Ω∠ o6,8764,50
C= Y
Υ+
41
Zlt (15)
C= So90103077,9 4 ∠× −
Com estes parâmetros, podemos calcular, através das Equações 16 e 17 os valores
da tensão e corrente no extremo gerador:
Vs = AVr + BIr (16)
Is = CVr + DIr (17)
VVs oooo 25,976,14487,365905,0.6,8764,50127.0585,0976,0 ∠=−∠∠+∠=
AIs oooo 2,26514,087,365905,0.0585,0976,0127.90103077,9 4 −∠=−∠∠+∠×= −
Tomando-se como base os valores da potência e tensão na carga, Sb= 2 kVA e
Vb=220V, chegamos aos valores base para impedância e corrente:
• Zb= 24,2 Ω ;
• Ib= 5,249ª
o0585,0976,0 ∠=A
27
Então:
• Zlt pu= 0,0874+ j 2,091;
• Ypu=0,0000389;
• Vr= puo01∠ ;
• Vs= puo25,914,1 ∠ ;
• Is= puo2,260979,0 −∠ .
Utilizando as Equações 11 e 12, podemos chegar aos seguintes valores para a
potência fornecida pelo extremo gerador:
• P12= 60,61 W
• Q12= 43,15 VAR
4.3.4 Linha média com carga resistiva
Para a carga de 250 Ω , foi considerada uma tensão Vr= Vo0220∠ .
Através das Equações 13, 14 e 15, foram calculados os parâmetros do quadripolo:
• A= D = o0585,0976,02
1 ∠=
Υ+
Zlt
• B= Z = Ω∠ o6,8764,50
• C= Y
Υ+
41
Zlt= So90103077,9 4 ∠× −
A corrente demandada pela carga pode ser calculada da seguinte forma:
• IR = o00968,0 ∠=
L
R
Z
Vpu = 0,508 A
Utilizando-se as Equações 16 e 17 obtemos:
LLLN VVVs °∠=∠=∠∠+∠= 67,1113,22167,11669,1270508,0.6,8764,50127.0585,0976,0 oooo
AIs oooo 465,135098,00508,0.0585,0976,0127.90103077,9 4 ∠=∠∠+∠×= −
28
E tomando-se como valores base Sb= 2 kVA e Vb=220 V, então Zb= 24,2 Ω e
Ib= 5,249A, temos que:
• Zlt pu= 0,0874+ j 2,091;
• Ypu=0,0000389;
• Vr= puo01∠ ;
• Vs= puo67,11005,1 ∠ ;
• Is= puo465,130971,0 ∠ .
4.3.5 Compensação em linha curta e motor trifásico
Utilizando-se a compensação com capacitância série:
• 14,523= 5905,0.92,1 22Xc+
A reatância capacitiva necessária é Xc= 24,5 Ω , o que implica numa capacitância
de:
• C= Fµπ
1085,24.60.2
1=
Com isso, a reatância da linha de transmissão será:
• Xlt nova= 20,3 Ω
A nova tensão na saída do gerador será:
• Vs= VllV oo 77,35024,234ln77,339,135 ∠=∠
Com a compensação diminuiu-se a queda na linha para 6,61% e as novas potências
fornecidas pelo gerador são:
• Z12nova = 1,92+ j 20,3 Ω ;
• g12= 0,00462 S;
• b12= -0,0488 S;
29
• P12= 60,42W;
• Q12= 52,03 VAR.
4.3.6 Resumo dos resultados para utilização de um motor trifásico como carga
A Tabela 2 relaciona os resultados obtidos para os dois tipos de linha e para o
motor trifásico na carga.
Tabela 2 - Carga: Motor 0,18 kW.
Linha Curta Linha Média
Zlt Ω+ )8,4492,1( j Ω+ )6,50116,2( j
Ysh Sj 610942 −×
Vs 145,23 o11,8∠ V
Vo25,976,144 ∠
Vr 127 o0∠ V
Vo0220∠
Vs compens o77,339,135 ∠
P12 60,8566W 60,61 W
Q12 874,9365 VAR 43,15 VAR
P12 compens 60,42W
Q12 compens 52,03 VAR
δ 12
8,11 o o25,9
δ 12 compens 3,77 o
4.3.7 Resumo dos resultados para utilização de uma carga puramente resistiva
30
A Tabela 3 relaciona os resultados obtidos para os dois tipos de linha e para a
carga puramente resistiva.
Tabela 3 - Carga: Resistiva.
Linha Curta Linha Média
Zlt Ω+ )8,4492,1( j Ω+ )6,50116,2( j
Ysh Sj 610942 −×
Vs 225,1668 o0836,10∠ V
Vo67,1113,221 ∠
Vr 220 o0∠ V
Vo0220∠
P12 194,48 W 194,65 W
Q12 34,45 VAR -6,33 VAR
P21 -193,63W -193,6W
Q21 0 0
δ 12 10,08º 11,67º
4.4 Simulações no PowerWorld e Analises para a Configuração Inicial
Foram realizadas seis simulações no software PowerWorld em situações de carga
e linha diferentes para o caso da configuração inicial.
O simulador PowerWorld não permite fixar uma tensão em uma barra que não
seja de geração, por isso, nos casos simulados utilizou – se como valor de base a tensão na
barra de geração (calculado manualmente para cada caso simulado) e a potência nominal do
gerador, mas o módulo da tensão na barra de carga é sempre 220 V e o ângulo é sempre
zero.
31
Nas simulações apresentadas o fluxo de potência ativa é representado pelas setas
verdes e o fluxo de potência reativo é representado pelas setas azuis, cujos tamanhos são
proporcionais aos valores do fluxo.
Os valores de potência que o gerador fornece à carga e às perdas na linha estão
expostos nas simulações, assim como as tensões e os ângulos nas barras do sistema.
As tensões e potência são apresentadas em termos de valores de linha e
multiplicadas por um fator de 103.
4.4.1 Modelo e simulação de linha curta e motor trifásico
Para simulação no PowerWorld foram utilizadas as seguinte bases:
• Vb – 251,574V (tensão de base);
• Sb – 2kVA (potência de base).
Fazendo com que os valores em pu do modelo sejam:
• Zlt – 0,0607 + j1,4157 pu (impedância na linha de transmissão);
• Vt - 1∠8,11° pu (tensão nos terminais do gerador);
• Vr – 0,87∠0° pu (tensão nos terminais da carga).
A Figura 18 mostra a simulação de um gerador transmitindo potência através de
uma linha de transmissão curta (80 km) para um motor (2 kVA).
Para que o gerador mantenha a carga com a tensão nominal ele gera uma tensão
linha-neutro de 145,23 V e ângulo de 8,11º e supre a potência da carga e da linha com
potência ativa de 181,93W e potência reativa de 175,14 VAR.
Se diminuirmos a potência observamos que deverá haver um decréscimo na tensão
gerada, no ângulo, na corrente e conseqüentemente na potência ativa mandada pelo
gerador. Um aumento na potência, resultaria em um aumento da tensão gerada, do ângulo,
corrente e potência fornecida pelo gerador.
32
Figura 18 - Motor em linha curta.
4.4.2 Modelo e simulação de linha média e motor trifásico
Para simulação no PowerWorld foram utilizadas as seguinte bases:
• Vb – 250,737V;
• Sb – 2kVA.
Fazendo com que os valores em pu do modelo sejam:
• Zlt – 0,0673 + j1,6097 pu;
• Ylt – 0,02961 pu (admitância shunt na linha);
• Vt - 1∠9,2528° pu;
• Vr – 0,877∠0° pu.
A Figura 19 mostra a simulação de um gerador transmitindo potência através de
uma linha de transmissão média (230 km) para um motor (2 kVA).
As mesmas considerações do caso anterior são observadas, com uma tensão de
250,737 V e ângulo de 9,25º,e percebe-se que há uma diminuição de reativos mandados
pelo gerador, já que as impedâncias shunt são consideradas e contribuem para o suprimento
de reativos da carga e da linha.
33
Figura 19 - Motor em linha média.
4.4.3 Modelo e simulação de linha curta e carga resistiva
Para simulação no PowerWorld foram utilizadas as seguinte bases:
• Vb – 225,167V;
• Sb – 2kVA.
Fazendo com que os valores em pu do modelo sejam:
• Zlt – 0,0757 + j1,767 pu;
• Vt - 1∠10,084° pu;
• Vr – 0,977∠0° pu.
A Figura 20 mostra a simulação de um gerador transmitindo potência através de
uma linha de transmissão curta (80 km) para uma carga puramente resistiva (250 Ω).
Analisando-se o fluxo de potência, podemos perceber na figura que a carga não
consome reativos pelo fato de ser puramente resistiva, mas o gerador fornece potência
reativa que é consumida pela linha.
Em termos de controle da tensão na carga, para uma carga de 250 Ω e uma linha
curta, o gerador deve fornecer uma tensão de 225,167 V e ângulo de 10,08º para que a
34
carga possua uma tensão fixa de 220 V com ângulo 0 e potência nominal. Se caso fosse
utilizado uma carga de potência menor, o gerador diminuiria a tensão, ângulo e potência
enviada, a corrente através do circuito diminuiria, sendo que a tensão na carga
permaneceria constante. Caso contrário, a tensão e ângulo gerados, a corrente e potência
fornecidos pelo gerador aumentariam.
Figura 20 - Carga resistiva em linha curta.
4.4.4 Modelo e simulação de linha média e carga resistiva
Para simulação no PowerWorld foram utilizadas as seguinte bases:
• Vb – 221,13V;
• Sb – 2kVA.
Fazendo com que os valores em pu do modelo sejam:
• Zlt – 0,0866 + j2,0696 pu;
• Ylt – 0,,02303 pu;
• Vt - 1∠11,672° pu;
• Vr – 0,995∠0° pu.
A Figura 21 mostra a simulação de um gerador transmitindo potência através de
uma linha de transmissão média (230 km) para uma carga puramente resistiva (250 Ω).
35
Neste caso, temos o mesmo comportamento da simulação anterior, com tensão
gerada de 221,13 V com ângulo de 11,67º, e pelo fato de que a linha fornece reativos
devido às impedâncias shunt.
Figura 21 - Carga resistiva em linha média.
4.4.5 Simulação de uma carga sem a linha de transmissão
A Figura 22 mostra a simulação de um gerador transmitindo potência para um
motor considerando a linha de transmissão com perdas nulas.
A linha de transmissão presente na simulação é apenas para ilustração já que
apresenta impedância igual a zero.
Como já era esperado, a mesma tensão da carga é gerada no gerador (220 V),
afinal o gerador não precisa suprir as perdas na linha já que elas não existem.
36
Figura 22 - Perdas nulas na linha.
4.5.6 Simulação de compensação – série em uma linha curta ligada a um motor
A Figura 23 mostra a simulação de um gerador transmitindo potência através de
uma linha de transmissão curta considerando uma compensação capacitiva para diminuir a
queda de tensão, melhorando a regulação de tensão do caso da simulação de um motor em
linha curta.
Como está mostrado, com a compensação série, além do decréscimo de perdas na
linha, houve também uma diminuição de reativos fornecidos pelo gerador e do ângulo da
tensão gerada.
37
Figura 23 - Compensação capacitiva.
5 CONFIGURAÇÃO NOVA UTILIZADA NA PRÁTICA EM LABORATÓRIO
5.1 Nova Configuração
Com o intuito de simular a atuação de um gerador alimentando uma carga através
de uma linha de transmissão, estando ainda sincronizado com a rede, propomos alguns
modelos para a configuração da rede, como o modelo no qual a rede ficaria em paralelo ao
gerador, porém na mesma barra, e a carga estaria ao final da linha de transmissão. Esta
idéia foi descartada por que neste caso não teríamos o controle da tensão nos terminais do
gerador, estando esta sempre no mesmo valor da rede, e havíamos optado por utilizar isto
como uma variável manipulada para efetuar o controle da tensão na carga para mante-la
sempre no valor de 1 pu – simulando casos de variações reais de tensão na barra de carga.
Outro modelo sugerido foi o de colocar-se então a rede em paralelo com a carga,
estando esta ao final da linha de transmissão que estaria ligada ao gerador. Porém esta idéia
logo foi descartada pois percebemos pelas simulações que neste caso não teríamos controle
algum sobre a carga, pois esta seria inteiramente alimentada pela rede.
38
O modelo escolhido então para as simulações foi o de conectar a carga após uma
linha de transmissão curta, ao gerador, e a rede seria conectada ao sistema após uma outra
linha de transmissão um pouco maior, para que não causasse tanta influência. A
configuração escolhida para as simulações está representada pela Figura 24.
Figura 24 - Nova Configuração do Sistema.
Esta nova configuração foi modelada utilizando apenas cargas resistivas, simulada
através do software PowerWorld e também foi simulada na prática no Laboratório de
Máquinas Elétricas utilizando os equipamentos já descritos neste trabalho.
5.2 Justificativas
Tendo em mente a implementação do caso escolhido, buscamos situações reais em
que este caso pudesse ser utilizado e descobrimos que a nossa configuração assemelha-se
muito a configuração da geração distribuída de energia, a qual tem como principal objetivo,
substituir o modelo do 'regime concentrador' que durante muitos anos vigorou no Brasil e
era baseado na construção de megabarragens, localizadas em regiões distantes dos centros
consumidores, necessitando de extensas e caras linhas de transmissão.
A ‘energia distribuída’ é a geração de energia em locais próximos aos centros
consumidores e não abrange apenas a geração hidráulica (PCH e UHE), mas inclui
39
também, as usinas térmicas de toda espécie, energia eólica e solar. Com este modelo,
reduzem-se os problemas de estabilidade e as perdas de energia que ocorrem na
transmissão.
Além das vantagens da regionalização da geração de energia, esta configuração traz
ainda desenvolvimento socio-econômico para a região onde é instalada, atraindo novos
empreendimentos e gerando milhares de empregos e renda para o município que passa a ter
uma receita a título de royalties, além de outros impostos. No caso de hidrelétricas, de um
modo geral, estes empreendimentos têm a característica de um empreendimento múltiplo,
pois, além de gerar energia para a região, permite a regularização do rios no período de
secas e, ainda, possibilita o uso do lago das barragens para programas de piscicultura,
turismo e lazer.
Encontramos também alguns exemplos de empreendimentos como as hidrelétricas
de Irapé (CEMIG, M.G.) com potência de 360 MW e Itapebi (COELBA, BA), com 450
MW, ambas localizadas sobre o rio Jequitinhonha, que são uma mostra definitiva de como
a energia distribuída pode ter um relevante cunho social. Estas duas UHEs contribuem de
forma decisiva para a redenção do Vale do Jequitinhonha - também chamado de “Vale da
Pobreza”. Pode-se citar também a UHE de Santa Clara (investimento privado da Queiroz
Galvão), implantada no rio Mucuri (municípios de Nanuque – MG, Serra dos Aymorés –
MG e Mucuri – BA) com potência de 60 MW e linha de transmissão de 20,3 km de
extensão, conectando-se a subestação de Nanuque, de propriedade da CEMIG, a qual vem
trazendo desenvolvimento e renda para a região, além de ter importantes ações para aquelas
cidades na área ambiental.
Um exemplo a ser seguido pelas prefeituras é o de Poços de Caldas, no sul de
Minas, que através do Departamento Municipal de Eletricidade, gera através de 4 PCHs
uma potência de 24 MW que supre 52% das necessidades da cidade, sendo que este
percentual aumentará, pois em breve entrará outra PCH que gerará 7,8 MW.
5.3 Linhas de Transmissão para a Nova Configuração
Devido aos motivos já expostos, a configuração dos elementos para a modelagem
das linhas de transmissão tiveram que ser modificados.
40
Como dissemos, a configuração anterior reduzia em muito a influência da rede no
nosso sistema, o que não era desejado, pois o a função da rede seria a de manter a
freqüência de toda a configuração no valor de 60 Hz, e no caso de uma variação na
freqüência do sistema pela colocação de uma carga, isto não estava acontecendo, o que em
sistemas reais pode levar a instabilidade.
A Tabela 4 contém os novos parâmetros para a configuração que elimina o
problema da instabilidade.
Tabela 4 - Materiais utilizados para modelagem posterior das linhas de transmissão.
Série Paralelo Total Série Paralelo TotalIndutor 0 6 (75,4Ω) 10 0 4 (113,1Ω) 9Resistor 0 0 0 0 0 0Capacitor 0 2 (1061,032Ω) 2
Linha Curta / Fase Linha Média / Fase
Com a nova configuração dos elementos para a modelagem das linhas, foram
esquematizadas as novas representações dos modelos do sistema para a simulação digital
do sistema no software PowerWorld. As figuras abaixo demonstram os novos modelos,
considerando-se somente cargas resistivas.
Figura 25 - Linha curta e carga resistiva.
A Representação por fase da linha curta esta mostrada na Figura 26.
41
Figura 26 - Linha Curta para Nova Configuração.
A representação por fase da linha média esta mostrada na Figura 27.
Figura 27 - Linha Média para Nova Configuração.
O modelo matemático completo implementado pode ser mostrado pela Figura 28,
com a representação das linhas curta e média com seus respectivos valores, com a carga e
o gerador em sincronismo com a rede.
42
Figura 28 - Modelo Completo para a Nova Configuração.
5.4 Cargas para a Simulação da Nova Configuração
Optou-se nesta nova configuração em mudar a carga para resistores do painel de
carga do laboratório, onde cada elemento apresenta uma resistência de 500 Ohms. O
esquema de ligação da carga pode ser visto na Figura 29.
Figura 29 - Carga para Nova Configuração.
43
Foram utilizados 2 disjuntores para realizar a automatização do sistema, atuando
simplesmente como chaves para ligar ou desligar as cargas, o que eliminou o risco de se
cometer erros ao se trocarem cabos de lugar para modificar o estado das cargas. Esses
disjuntores estão representados na figura pelas chaves S1 e S2.
Durante a simulação:
• Inicialmente, S1 e S2 se encontravam abertas, portanto o circuito estava sem
carga.
• Depois é fechada S1, ligando 2 resistores em paralelo como carga (Req=250
Ohms), resultando em uma corrente IA = 0,51 A.
• Por último, S2 também é fechada, adicionando mais 3 resistores em paralelo,
totalizando 5 (Req = 100 Ohms), resultando em uma corrente IA= 1,27 A.
5.5 Ligações Realizadas na Prática
As ligações realizadas na prática para simular a linha de transmissão curta, a linha
de transmissão média e a carga foram mostradas anteriormente. Mostra-se então, nesta
parte como foram ligados o motor CC simulando a turbina do gerador e o próprio gerador
síncrono.
5.5.1 Ligações do Motor CC
De acordo com dificuldades encontradas no laboratório (falta de fonte variável de
corrente contínua), a configuração realizada usa a fonte fixa para o campo e para a
armadura conforme é mostrado na Figura 30. Na Figura 30 também esta a localização de
todos os instrumentos de medição utilizados para monitorar grandezas de interesse.
44
Figura 30 - Ligação do Motor CC Realizada na Prática.
A ligação mostrada na Figura 30 implica em algumas mudanças de controle. A
tensão na armadura não é mais variável, fazendo com que o controle de velocidade no eixo
do motor ou também o controle da potência ativa fornecida pelo gerador seja então,
controlada pela variação (mínima) da corrente de campo do motor CC. Esta atitude não é
correta, mas a variação que é realizada na corrente de campo do motor é mínima, não
acarretando problemas a nenhum dos componentes do sistema.
Como pode ser obervado na Figura 30, foi colocado um voltímetro em paralelo
com a saída da fonte fixa para identificação do funcionamento da fonte. Ainda na Figura
28, é mostrada a ligação de um amperímetro em série com o campo do motor CC, cuja
finalidade é acompanhar os valores da corrente do enrolamento de campo do motor, a qual
não pode ser zerada para que não ocorra danos no sistema (velocidade demasiadamente
grande) e não pode ser muito alta devido ao limite de aquecimento do enrolamento.
5.5.2 Ligações do Gerador Síncrono
A Figura 31 exibe o diagrama de conexões do gerador síncrono.
45
Figura 31 - Ligação do Gerador Síncrono Realizada na Prática.
O Multímetro 1, que aparece na Figura 31, está ligado como amperímetro e está
medindo a corrente de campo do gerador. É importante monitorar e controlar esta corrente
de modo a que ela não ultrapasse o limite máximo de corrente suportado pelo enrolamento
de campo.
O analisador de energia, mostrado na Figura 31, está medindo duas grandezas, no
par de terminais 1 ele está medindo a corrente de armadura do gerador, e no par de
terminais 2 ele está medindo a tensão fase neutro na saída do gerador. Estas grandezas são
medidas para que o analisador de energia possa calcular a potência gerada pelo gerador nos
seus terminais, esta potência está sendo monitorada para fins de análise.
5.5.3 Ligações Motor CC e Gerador Síncrono
Para o correto funcionamento do gerador síncrono as ligações do motor CC e do
gerador síncrono devem ser feitas conforme é demonstrado na Figura 32, através uma fonte
fixa e uma variável, de um reostato de partida e de um reostato de campo.
46
Figura 32 - Ligações do Motor CC – Gerador.
A nova configuração de ligação (alternativa devido falta de fonte) entre o motor
CC e o gerador síncrono é apresentada na Figura 33.
Figura 33 - Novas Ligações Motor CC - Gerador.
47
5.5.4 Equipamentos de Medidas
Na Tabela 5 são expostos todas as variáveis que pretendiam-se medir e todos os
equipamentos que pretendiam-se utilizar para realizar o objetivo do trabalho geral.
Lembrando que não foram utilizados os osciloscópios.
Tabela 5 - Grandezas Monitoradas.
5.5.4.1 O que e como será medido com o multímetro
O multímetro digital é o equipamento usado para medir os módulos das tensões e
correntes presentes no sistema a ser simulado.
Para a monitoração do módulo das tensões no extremo gerador e extremo receptor
(carga), o multímetro será ligado em paralelo a esses terminais como mostra a Figura 34.
Grandeza Sím bolo Unidade de Medida I nst rum ento de Medição
Tensão no Gerador Vg V - volt Mult ímetro (Volt ímetro)Ângulo da Tensão no Gerador ° - graus OsciloscópioCorrente no Gerador Ig A - ampere Mult ímetro (Amperímetro)Ângulo da Corrente no Gerador ° - graus OsciloscópioPotência At iva no Gerador Pg W - wat t Analisador de EnergiaPotência Reat iva no Gerador Qg Var - volt - ampere reat ivo Analisador de EnergiaFator de Potência no Gerador adimensional Analisador de EnergiaFreqüência do gerador Fg H - hertz FrequencímetroTensão no Receptor Vr V - volt Mult ímetro (Volt ímetro)Corrente no Receptor Ir A - ampere Mult ímetro (Amperímetro)Ângulo da Corrente no Receptor ° - graus OsciloscópioPotência At iva no Recptor Pr W - wat t Analisador de EnergiaPotência Reat iva no Recptor Qr Var - volt - ampere reat ivo Analisador de EnergiaFator de Potência no Recptor adimensional Analisador de EnergiaCorrente na linha I A - ampere Mult ímetro (Amperímetro)
48
Figura 34 - Ligação do Multímetro para Medição de Tensão.
Para a monitoração do módulo das correntes na carga e das correntes de campo
(no motor cc para a partida e no gerador síncrono para o controle da tensão gerada), o
multímetro será ligado em série com o circuito a ser medido como mostra a Figura 35.
Figura 35 - Ligação do Multímetro para Medição de Corrente.
Tanto para as tensões quanto para as correntes, os módulos são iguais para as três
fases, ocorrendo apenas uma defasagem de 120° entre elas, devido às cargas estarem
equilibradas.
5.5.4.2 O que e como será medido com o osciloscópio
O osciloscópio poderia ser utilizado para monitorar tensões no sistema caso o
número de multímetros disponíveis e funcionando corretamente fosse insuficiente, mas não
foi preciso. Seria útil também para medir a diferença angular entre tensão e corrente, mas
foi decidido usar o analisador de energia para isso devido a maior praticidade. Mais uma
função que o osciloscópio poderia vir a desempenhar seria a de monitorar a freqüência nos
49
terminais do gerador, mas resolvemos utilizar um frequencímetro, também devido aos
resultados serem mais práticos.
A utilidade real do osciloscópio seria para encontrar a defasagem da tensão entre
as barras do sistema. Esta defasagem poderia ser encontrada utilizando um canal do
osciloscópio para a tensão em uma barra e o outro canal para a tensão na outra barra.
A Figura 36 construída no Scilab mostra a tela do osciloscópio, com as divisões.
Figura 36 - Exemplo de medição de corrente com seus ângulos.
Na Figura 36 a curva preta representa o sinal de tensão em uma barra e a curva
verde o sinal de tensão na outra barra. Para se medir o ângulo de defasagem entre as barras
observa-se quantas divisões horizontais representam um ciclo completo (360°), observam-
se em quantas divisões horizontais os dois sinais estão defasados, e utilizando uma regra de
três simples é possível determinar a defasagem. Se for o caso pode-se até utilizar uma
régua. Salienta-se que para esta medição é necessário que os dois sinais tenham mesma
freqüência de oscilação.
Salienta-se que apesar da importância de conhecer a defasagem entre as barras do
sistema esta monitoração não foi realizada na prática.
50
5.5.4.3 O que e como será medido com o analisador de energia.
Os analisadores de energia foram adicionados ao trabalho devido a sua praticidade
no uso e também pelo fato de apresentar vários resultados simultaneamente. No trabalho
eles foram utilizados para monitorar as potências ativa e reativa, as tensões e correntes e o
ângulo do fator de potência. Foram utilizados quatro analisadores, são eles:
• Aquele que monitora as potências de saída do gerador, suas ligações podem
ser vistas na Figura 37, onde os fios em vermelho são os que funcionam como amperímetro
e os azuis são os que funcionam como voltímetro.
Figura 37 - Analisador de Energia Monitorando a Saída do Gerador.
• Aquele que monitora as potências de entrada na barra de carga através da
linha curta. Suas ligações podem ser vistas na Figura 38.
51
Figura 38 - Analisador de Energia Monitorando a Entrada da Barra de Carga.
• Aquele que monitora as potências consumidas pela carga. Suas ligações
podem ser vistas na Figura 39.
Figura 39 - Analisador de Energia Monitorando a Carga.
• Aquele que monitora as potências que entram ou saem da rede. Suas ligações
são apresentadas na Figura 40.
52
Figura 40 - Analisador de Energia Monitorando a Entrada da Rede.
5.6 Reatância Síncrona do Gerador
Para encontrar a reatância síncrona de um gerador são necessários dois ensaios, o
ensaio de curto-circuito e a vazio, mostrados nas Figuras 41 e 42, respectivamente.
Figura 41 - Ensaio de Curto-Circuito do Gerador Síncrono.
53
Figura 42 - Ensaio a Vazio do Gerador Síncrono.
No ensaio de curto-circuito, as três fases da armadura do gerador são curto-
circuitadas, um amperímetro é colocado em umas das fases da armadura para monitorar a
corrente de armadura e outro é colocado na saída da fonte variável para monitorar a
corrente de campo. A corrente de campo é gradativamente aumentada através de uma fonte
variável até o valor da corrente nominal de armadura, e os valores de corrente de armadura
são observados. Assim, com as medições retiradas do ensaio de curto-circuito é levantada
uma curva de corrente de campo por corrente de armadura em curto.
Realizando este ensaio no gerador de 2kVA disponível no Laboratório foram
obtidas as leituras que estão na Tabela 6. Com os dados da Tabela 6 foi levantada a curva
em azul mostrada na Figura 43.
Tabela 6 - Valores do Ensaio de Curto-Circuito Realizado em um Gerador de 2kVA, Marca
Equacional.
54
Corrente de Cam po [ A]Corrente de Arm adura em Curto [ A]
0,026 0,550,04 0,777
0,057 1,030,07 1,230,09 1,33
0,111 1,850,128 2,130,15 2,46
0,171 2,80,19 3,09
0,212 3,420,233 3,750,254 4,090,273 4,370,29 4,650,3 4,8
0,31 4,940,319 5,08
Ensaio de Curto Circuito
No ensaio a vazio, as três fases da armadura do gerador ficam abertas, um
voltímetro é colocado entre as fases da armadura para monitorar a tensão de armadura e um
amperímetro é colocado na saída da fonte variável para monitorar a corrente de campo. A
corrente de campo é gradativamente aumentada através de uma fonte variável até o valor da
tensão nominal de armadura e os valores de tensão de armadura são observados. Assim,
com as medições retiradas do ensaio a vazio é levantada uma curva de corrente de campo
por tensão armadura.
Realizando este ensaio no gerador de 2kVA disponível no Laboratório foram
obtidas as leituras que estão na Tabela 7. Com os dados da Tabela 7 foi levantada a curva
em vermelho mostrada na Figura 43.
Tabela 7 - Valores do Ensaio a Vazio Realizado em um Gerador de 2kVA, Marca
Equacional.
55
Corrente de Campo [A] Tensão de Armadura [V]
0,023 28,50,045 50,40,064 700,082 870,107 109,50,123 123,50,143 137,60,164 151,50,189 167,30,204 1760,22 184,20,241 193,90,261 2030,28 2090,302 2170,32 2230,341 2290,361 2340,383 2400,4 243
0,42 2480,44 2530,46 2560,47 2590,48 2610,494 2630,505 266
Ensaio a Vazio
No ensaio a vazio foram obtidos mais pontos para o levantamento do gráfico,
então para que o gráfico do ensaio a vazio e do ensaio de curto-circuito tenham um mesmo
eixo das abscissas os valores que faltaram na Tabela 6 foram obtidos através do equação da
reta, a qual obteve elevada correlação.
56
Figura 43 - Curvas de Ensaio a Vazio e de Curto Circuto Realizados para um Gerador de
2kVA da Marca Equacional.
A reatância síncrona do gerador é definida como a relação entre a tensão a vazio e
a corrente de curto circuito para a mesma corrente de excitação (campo). O valor
correspondente à tensão nominal coincide com o inverso da relação de curto circuito –
SCR.
A SCR saturado é dada pela Equação 17 e é a relação da corrente de campo
correspondente a tensão nominal na curva do ensaio a vazio da máquina com a corrente de
campo correspondente a corrente nominal de armadura no ensaio de curto.
Ik
IfNLSCR = (17)
Ensaios da Máquina Síncrona
y = 15,596x + 0,1147
0
0,10,20,30,40,50,6
0,70,80,9
11,11,2
1,31,41,51,61,71,81,9
22,12,2
2,32,42,52,62,72,8
2,93
3,13,23,33,43,53,63,73,8
3,94
4,14,24,34,4
4,54,64,74,84,9
55,15,25,35,4
5,55,65,75,85,9
6
6,16,26,36,46,5
6,66,76,86,9
77,1
7,27,37,47,57,6
7,77,87,9
88,1
8,28,38,4
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09 0,1
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
0,17
0,18
0,19 0,2
0,21
0,22
0,23
0,24
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29 0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39 0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46
0,47
0,48
0,49 0,5
0,51
0,52
0,53
0,54
Corrente de Campo [A]
Co
rren
te d
e A
rma
du
ra [
A]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
Te
nsã
o d
e F
ase
[V
]
Ensaio de Curto-Circuito Ensaio a Vazio Polinômio (Ensaio a Vazio) Linear (Ensaio de Curto-Circuito)
In=5,24
Vn=127
IfNL=0,302 Ik=0,33
Curva de Ensaio a Vazio
Reta do Ensaio de Curto-Circuito
Entreferro
y = 470,34x + 9,78
Ife=0,25
57
A SCR não saturado é dada pela Equação 18 e é a relação da corrente de campo
correspondente a tensão nominal no entreferro da máquina com a corrente de campo
correspondente a corrente nominal de armadura no ensaio de curto.
Ik
IfeSCR = (18)
Assim, o valor encontrada para a reatância síncrona do gerador considerando a
SCR saturada foi de 1,9027pu e considerando a SCR não saturada foi de 1,32pu.
5.7 Operação do Gerador
5.7.1 Partida do Gerador
Para a partida do gerador deve ser obedecida uma seqüência de passos que garanta a
operação segura do sistema, de forma a evitar danos aos equipamentos e aos operadores. Os
passos para a partida do gerador estão listados abaixo:
1. Alimentar a fonte de corrente contínua com 2 fases da rede;
2. Ajustar o reostato de campo para que se tenha uma corrente de
aproximadamente 400 mA no enrolamento de campo do motor CC, utilizando a saída fixa
de 220 V da fonte CC;
3. Diminuir lentamente a resistência do reostato de partida de modo a alimentar
a armadura do motor CC dando início à rotação do eixo, pois a excitação do mesmo já
ocorreu no passo 2;
4. Aumentar a saída variável da fonte CC até atingir a tensão nominal nos
terminais do gerador síncrono, e aumentar o reostato de campo até que a velocidade esteja
próxima da velocidade síncrona.
5.7.2 Parada do Gerador
58
Tão importante quanto saber partir é saber como parar o gerador, pois uma operação
errada pode causar a atuação da proteção ou até mesmo danificar o sistema, como, por
exemplo a retirada do campo do motor CC com o conjunto em operação, que tende a
acelerar o motor até que a proteção atue.
Os passos abaixo proporcionam um desligamento suave do conjunto:
1. Retirar o gerador de sincronismo;
2. Retirar a corrente de campo do gerador diminuindo totalmente a saída
variável de tensão da fonte CC;
3. Aumentar o reostato de partida até que o motor cc pare;
4. Diminuir a corrente de campo do motor CC.
5.8 Procedimentos para Realização da Simulação Prática
Antes de se fazer qualquer tipo de simulação, devemos definir alguns pontos
importantes necessários para o funcionamento correto da simulação posterior:
Definição do que será feito – quais casos serão simulados e por que;
Identificar equipamentos que serão necessários e verificar seu
correto funcionamento;
No caso da impossibilidade de uso de algum dos equipamentos
necessários, tentar encontrar solução alternativa – seja pelo conserto do mesmo, ou por
sua substituição por um equipamento semelhante;
Identificar limites operativos dos equipamentos a serem utilizados e
também avaliar quais deles são críticos;
Identificar aparelhos de medição existentes no laboratório que
poderão ser utilizados, onde serão utilizados – quais as grandezas em que se há interesse
de medir o seu valor ou nos equipamentos em que se deseja monitorar sua saída, seja para
59
não exceder limites operativos ou para que seja feito o controle de alguma variável de
acordo com a grandeza medida – e de que forma serão conectados ao sistema.
Aspectos de segurança imprescindíveis a serem realizados:
1. Colocar o painel de cargas próximo ao conjunto motor – gerador.
2. Colocar instrumentos de medição próximos do equipamento ou ponto
que eles irão monitorar.
3. Separar cabos por tamanho.
4. Verificar, sempre que necessário, se os equipamentos estão
energizados – procedimento de extrema importância quando há necessidade de realizar
alguma alteração nas ligações.
Antes de iniciar as ligações, deve-se sempre verificar o correto uso dos
equipamentos, para que não ocorra nenhum imprevisto:
Verificações e ajustes:
1. Verificar correto ajuste dos multímetros a serem utilizados – se estão
no ajuste para medir tensão ou corrente, conforme a definição feita anteriormente;
2. Ajustar reostato de partida que será ligado a armadura do motor CC
para que ele esteja no valor máximo de sua resistência.
3. Ajustar reostato de campo que será ligado ao campo do motor CC
para deixá-lo no valor mínimo de sua resistência.
4. Verificar correto funcionamento das fontes.
5. Verificar estado dos disjuntores no mecanismo de sincronismo.
Qualquer ligação a ser realizada deve ser efetuada tendo-se como base um estudo
prévio para o conhecimento do equipamento. Devem-se utilizar diagramas esquemáticos
das ligações para que estas possam ser posteriormente conferidas.
Após terem sido efetuadas todas estas etapas, pode-se partir para os procedimentos
de ligação, obviamente tendo estes sidos cuidadosamente planejados anteriormente.
60
Procedimentos para a partida, considerando-se os equipamentos
disponíveis no laboratório de máquinas elétricas:
1. Aumentar o valor da resistência do reostato de campo para limitar a
corrente de campo do motor CC em 400 mA;
2. Diminuir aos poucos o valor da resistência do reostato de partida até
que ele trave em seu valor mínimo.
3. Como a armadura do motor CC já estará sendo alimentada pela fonte
fixa, o valor da corrente de armadura estará sendo em partes limitado pelo reostato de
partida, sendo assim, ao diminuir o valor da resistência do reostato, o eixo do motor
começará a girar.
4. Alimentar o campo do gerador síncrono com a tensão variável.
5. Monitorar a freqüência da tensão gerada nos terminais do gerador
síncrono.
6. Aumentar o valor da fonte variável que alimenta a armadura do
motor CC até que a freqüência da tensão gerada pelo gerador síncrono esteja em 60 Hz.
7. Aumentar a fonte de tensão variável que alimenta o campo do
gerador síncrono até que a tensão gerada esteja em 127 V.
Procedimentos para o sincronismo, considerando-se os
equipamentos disponíveis atualmente no laboratório de máquinas elétricas:
1. Verificar a seqüência de fases da tensão gerada pelo gerador síncrono
para certificar-se de que é a mesma que a da rede:
- Se as lâmpadas de um mesmo conjunto estiverem apagando e
acendendo todas juntas, a seqüência estará correta;
- Caso contrário, devem-se inverter duas fases do gerador
síncrono.
2. Se a freqüência da tensão gerada for aproximadamente a mesma que
a da rede, a velocidade em que os conjuntos de lâmpadas acendem e apagam será muito
pequena.
61
3. Quando o conjunto de lâmpadas do lado esquerdo – o qual em cada
lâmpada são conectadas duas fases do gerador - estiver totalmente aceso e o conjunto de
lâmpadas do lado direito – o qual em cada lâmpada são conectadas duas fases da linha curta
de transmissão – estiver totalmente apagado, e estando a freqüência, módulo da tensão e
fase da tensão gerada iguais as da rede, pode-se fechar o sincronismo pressionando o botão
verde que energizará a bobina do contator que colocará o gerador em paralelo com a rede.
Simulação dos casos planejados:
1. Analisar as simulações digitais no software PowerWorld e os
resultados esperados da simulação analógica.
2. Colocar a carga no sistema.
3. Monitorar constantemente todas as variáveis envolvidas.
4. Analisar a variação da potencia ativa gerada e potencia reativa gerada
devido ao:
- Aumento da corrente de campo – aumento da tensão de saída da
fonte variável ligada ao campo do gerador síncrono;
- Aumento do torque através da diminuição da corrente de campo do
motor CC, através do reostato de campo.
5. Verificar a consistência dos resultados obtidos através da comparação
com a simulação digital e através de diagramas fasoriais.
6. Realizar compensações série e verificar a melhoria no fator de
potência. – comparar com os resultados esperados.
7. Realizar caso de carga leve para verificação da sobretensão na barra
de carga e comparar com os resultados esperados.
62
5.9 Simulações e Análises com a Nova Configuração
Os resultados da simulação para cada situação foram organizados sobre a
representação monofásica do sistema, para cada caso os valores medidos pelos
equipamentos de medição foram colocados sobre seu respectivo ponto de medição no
circuito monofásico.
5.9.1 Simulação de queda de tensão na carga
Com o objetivo de demonstrar uma queda de tensão na barra de carga, aumenta-se
a carga (ligação do disjuntor), segundo a configuração representada pela Ilustração 5.
Figura 44 - Aumento de Carga.
Como a potência fornecida pelo gerador não é alterada com o aumento de carga, a
corrente aumentará e assim, a tensão na carga diminuirá.
O diagrama fasorial da Ilustração 6 para linhas curtas mostra que um aumento na
corrente sem que haja um aumento na tensão gerada implica em uma diminuição da tensão
na barra de carga.
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Figura 45 - Diagrama Fasorial de Queda de Tensão.
5.9.2 Simulação de sobretensão na carga
A configuração da Figura 41 mostra uma diminuição de carga para demonstração
de uma sobretensão na barra de carga.
Figura 46 - Diminuição de Carga.
Neste caso, com a diminuição da carga e potência inalterada, observa – se uma
diminuição da corrente e aumento da tensão.
No diagrama fasorial de linhas curtas da Figura 42 vê – se claramente que um
decréscimo da corrente acarreta em um aumento na tensão da barra da carga.
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Figura 47 - Diagrama Fasorial de Sobretensão.
5.9.3 Simulações realizadas em laboratório
A primeira simulação realizada foi a inserção de duas cargas resistivas de Ω500 em
paralelo e o posterior ajuste da tensão na barra de carga para 1 pu, através da fem do
gerador, e o aumento da potência ativa entregue pelo gerador até que este alimentasse a
carga por conta própria sem o auxilio do resto do sistema, ajuste feito através do torque no
eixo do gerador, o resultado desta simulação está apresentado na Figura 43.
Figura 48 - Simulação Feita em Laboratório Utilizando a Primeira Carga (Carga Leve).
Pode ser observado que quase toda a potência consumida pela carga, cerca de 0,09
pu, é fornecida pelo gerador, que fornece 0,0855, a pequena parcela restante é suprida pela
barra infinita, cerca de 0,006 pu.
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A segunda simulação realizada é a inserção de mais três cargas resistivas de Ω500
em paralelo com as já presentes no sistema, simulando assim uma carga pesada. O
resultado desta simulação é apresentado na Figura 44.
Figura 49 - Simulação Feita em Laboratório Utilizando a Primeira Carga (Carga Leve).
Como o gerador não está gerando potência suficiente para alimentar a carga, a barra
infinita é responsável pela maior parte da potência fornecida a carga neste instante, porém
como pode ser visto as perdas reativas na linha entre a carga e a barra infinita são bem
grandes, uma vez que o gerador, os elementos shunt da linha e a barra infinita injetam
reativos no sistema para alimentar estas perdas, deve-se então aumentar a potência gerada
pelo gerador até que este alimente a carga sem o auxílio da barra infinita para diminuir
estas perdas. Observou-se também uma queda de tensão na barra de carga.
A simulação 3 consiste neste ajuste da potência gerada do gerador para alimentar
carga sem o auxílio da barra infinita, o resultado desta simulação é apresentado na
ilustração 45.
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Figura 50 - Ajuste da potência gerada do gerador para carga pesada
Percebe-se após este ajuste que o gerador e a barra infinita passaram a consumir
reativos e o gerador está agora fornecendo a potência para a carga e enviando o excedente
para a barra infinita.
5.9.4 Simulações realizadas no software PowerWorld
Figura 51 - Simulação no PowerWorld sem Carga.
A Figura 46 mostra a simulação realizada no PowerWorld do sistema de três
barras montado no laboratório. Neste momento a barra de carga (barra 1) esta sem carga.
Como a linha média entre as barras 1 e 2 possui um shunt capacitivo muito elevado, estes
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elementos capacitivos praticamente suprem as perdas nas linhas e ainda mandam potência
reativa para o gerador e para a rede (representada pela barra slack). Este comportamento
também foi observado na prática em laboratório.
Figura 52 - Simulação no PowerWorld para Carga Leve e no Momento do Fechamento do
Disjuntor.
A Figura 48 mostra a simulação no momento em que o disjuntor é fechado, ou
seja que é colocada uma carga leve de 0,5080A de corrente na barra 1. Percebe-se que a
tensão na barra de carga cai de 1pu para 0,992pu. Para que a barra de carga seja mantida em
1pu de tensão deve-se realizar um controle de potência reativa no gerador da barra 3 e para
que o gerador da barra 3 alimente de fato a carga, deve-se realizar um controle de potência
ativa neste gerador. O comportamento do sistema mostrado na Figura 48 também pode ser
observado na prática.
Figura 53 - Simulação no PowerWorld para Carga Leve.
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A Ilustração 48 mostra o efeito do controle da potência ativa e reativa do gerador
da barra 3 fazendo com que a rede pare de fornecer potência ativa para a carga, suprindo
apenas as perdas ativas nas linhas de transmissão e deixando a tensão na barra de carga 1pu
de tensão.
Quando a carga na barra 1 torna-se pesada, com uma corrente de 1,27A, a tensão
nesta barra volta cair e a rede volta a suprir a maior parte da carga, como mostra a Figura
49. A Figura 50 mostra como fica o sistema depois de realizados os controles necessários
no gerador da barra 3.
Figura 54 - Simulação no PowerWorld para Carga Pesada e no Momento de Fechamento do
Disjuntor.
Figura 55 - Simulação no PowerWorld para Carga Pesada.
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Figura 56 - Simulação no PowerWorld para Carga Pesada e Consumo de Reativos
Quando a barra de carga consome potência reativa, como é o caso da simulação
mostrada na Ilustração 51, é interessante notar a sobretensão que ocorre na barra de carga
no momento em que a carga diminui, como mostra a Ilustração 52.
Figura 57 - Simulação no PowerWorld para um Caso de Sobretensão.
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6 CONCLUSÃO
Uma característica geral deste trabalho é a multidisciplinariedade, pois abrange
assuntos relacionados principalmente com Máquinas Elétricas, Acionamentos, Eletricidade
Industrial, Circuitos Elétricos e Introdução a Sistemas de Energia Elétrica e Metrologia. Ele
estimula a criatividade e possibilita a aplicação dos conhecimentos adquiridos.
Houve a necessidade de adaptações para obter-se uma impedância coerente com
valores de linhas de transmissão aproveitando os materiais existentes.
Neste trabalho obteve-se um diagrama esquemático com a interligação dos
componentes do conjunto motor – gerador, a partida e parada foram efetuadas com êxito.
Foi possível ajustar a tensão nos terminais do gerador, para controlar a tensão na barra de
carga, e foi possível ajustar a velocidade para que estivesse próxima da velocidade
síncrona.
Este trabalho proporcionou um melhor entendimento da geração de energia elétrica
em uma usina hidrelétrica através dos conceitos aplicados a um sistema menor. As
ferramentas utilizadas foram o conjunto motor – gerador, as fontes de tensão, reostatos,
multímetros e cabos existentes no laboratório de máquinas elétricas do PTI.
A tarefa de medir alguma grandeza exigiu atenção no ajuste correto dos
equipamentos e na forma em que foram inseridos no circuito, pois um instrumento de
medição mal ajustado mediria qualquer coisa sem significado e um instrumento inserido de
forma errada no circuito pode causar danos aos equipamentos. A realização deste trabalho
proporcionou um entendimento essencial das características dos equipamentos de medição,
das calibrações e de suas ligações.
Foi montado o protótipo de uma linha de transmissão curta e de uma linha de
transmissão média, e inseridos um gerador síncrono e cargas de acordo com a configuração
do sistema, além de ser feito o sincronismo.
Obteve-se um melhor entendimento da contribuição da barra infinita para o sistema
de potência, dos efeitos da variação de carga no sistema bem como da verificação de alguns
conhecimentos teóricos que não tinham sido vistos em prática.
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Para a melhoria da estrutura do laboratório de máquinas elétricas, onde foram
realizadas as simulações, seria bom a disponibilidade de manuais com informações a
respeito dos equipamentos, principalmente os de medição.
Apesar dos pequenos problemas que encontramos para a realização das simulações,
o laboratório é muito bem estruturado, com uma quantidade boa de equipamentos e muito
útil para praticar o conhecimento adquirido em todo o curso.
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7 REFERÊNCIAS
[1] GUEDES, Manuel V. Laboratório de Máquinas Elétricas – Sistemas Trifásicos – Medidas de Potência. Disponível na Internet em http://paginas.fe.up.pt/maquel/TLME/LME_2Watt.pdf. Acessado em 14 de Maio de 2007. [2] UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA. Aula 7 – Potência Monofásica e Fator de Potência. Disponível na Internet em http://www.labspot.ufsc.br/circuitos1/aula07m.pdf. Acessdo em 15 de Maio de 2007. [1] MONTICELLI, A; GARCIA, A. Introdução a Sistemas de Energia Elétrica. Editora
da Unicamp, 1999.
[2] STEVENSON JR, W. D. Elements of Power System Analysis. Editora McGraw Hill,
2ª Edição, 1962.
[3] KOSOW, Irving L. Máquinas elétricas e transformadores. São Paulo, Editora Globo,
2005.
[4] IST – Instituto Superior Técnico. Capítulo 2 – Máquinas Síncronas. Disponível na
Interneteem http://www.alfa.ist.utl.pt/~gdm/CEE-CAP%202.pdf. Acessado em 05 de maio
de 2005.
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