CAPÍTULO VII – Controle Automático de Geração

CAPÍTULO 7 – CONTROLE AUTOMÁTICO DE GERAÇÃO
7.1 – Introdução
Em um sistema de energia elétrica, toda perturbação ou variação de carga repercute
sobre a frequência do sistema. No entanto, a frequência deve ser regulada no valor mais
estável possível, sendo sua constância um dos critérios de qualidade de fornecimento de
energia elétrica.
Com o crescimento da industrialização e conseqüente crescimento da malha elétrica,
tornou-se necessário a interligação dos diversos sistemas isolados existentes, com isso foi
necessário a padronização de frequência de operação ou nominal de 60 Hz (padrão
nacional).
Para que a frequência se mantenha constante é necessário que cada grupo de
produção seja dotado de um regulador de velocidade (frequência) possuindo um
“tacômetro” e permitindo corrigir com grande rapidez, variações na frequência do sistema,
isto é o que se conhece como “regulação primária”. Esta regulação para ser estável é
indispensável que cada regulador tenha uma certa “regulação” (estatismo) o qual tem dois
inconvenientes importantes:

Após a pertubação, a frequência do novo ponto de operação (funcionamento) não
é mais a frequência nominal, uma vez que o conjunto dos grupos tem ele próprio
uma certa “regulação”;

Se os reguladores não possuem todos ao mesma regulação, existem
“escorregamentos” progressivos de carga entre os grupos à cada pertubação.
Por outro lado, quando um sistema de energia elétrica no qual há uma pertubação
(variação de carga) é interligado com outros sistemas, estes últimos reagem igualmente por
sua regulação primária porque a frequência provoca as mesmas flutuações (oscilações)
sobre o conjunto dos sistemas interligados.
Consequentemente as trocas de potências contratuais (intercâmbio) com estes
sistemas não são mais respeitadas, o que tem conseqüências danosas, tanto no plano
econômico como na segurança, principalmente se as linhas de interligação não forem
equipados com relés de proteção wattimétricos, como é o caso do Sistema de Tucuruí.
Para anular todos estes inconvenientes, no caso de Tucuruí, sobrepõem-se a
regulação primária, uma outra regulação, integrada ao sistema de supervisão da rede.
Designa-se esta regulação de diversas maneiras:

Regulação de frequência;

Regulação suplementar;

Regulação secundária;

Teleregulagem;

Controle Automático de Geração (CAG).
O controle automático de geração de um sistema de potência se constitui
basicamente do controle “carga-frequência” e de regulação de velocidade e do controle de
excitação.
7.2 – Objetivos
Os objetivos do controle de carga-frequência e da regulação de velocidade são:

Manter a potência gerada igual à demanda de potência;

Manter a frequência do sistema constante e igual a frequência nominal (padrão –
60 Hz);

Manter as potências de intercâmbio constantes e iguais as potências de
intercâmbio programadas.
O controle automático de geração necessita de informações da regulação primária.
Existem várias possibilidades para se efetuar uma regulação secundária. O tipo de
regulação escolhida para o Sistema de Tucuruí é uma regulação centralizada com
transmissão de ordem de regulação sob forma de nível.
CAPÍTULO 8 – CONTROLE CARGA X FREQÜÊNCIA
8.1 – Introdução
Existem pelo menos três razões pelas quais devemos manter as flutuações da
freqüência de um sistema dentro de limites rigorosos:
1. A maioria dos tipos de motores de corrente alternada gira com velocidades diretamente
relacionadas com a freqüência.
2. É usado um grande número de relógios que operam eletricamente. Tais relógios são
todos acionados por motores síncronos e sua exatidão é uma fração não apenas do erro
da freqüência mas realmente da integral desse erro.
3. O funcionamento global de um sistema de potência pode ser mais efetivamente
controlado se mantivermos o erro de freqüência dentro de limites rigorosos.
A primeira das razões acima não impõe, em particular, restrições muito severas às
flutuações de freqüência. A maioria das cargas acionadas por motores de corrente
alternada, provavelmente, não é sensível a flutuação da ordem de  2 HZ.
As duas outras razões são as mais importantes. Variações incomuns na freqüência
de um sistema são uma indicação de que há algo errado com ele.
Quando o sistema fica “doente”, os indicadores de freqüência funcionam como
“termômetros clínicos”. Reduzindo as flutuações normais de freqüência a uma débil
ondulação, somos capazes de detectar perturbações de freqüência, segundo uma falta em
seus estágios iniciais. Nos sistemas modernos, a constância da freqüência é normalmente
mantida nos limites de  0,05 Hz.
8.2 – Mecanismo carga x freqüência
Uma variação de freqüência no sistema ocorre, fundamentalmente, quando do
restabelecimento entre geração e consumo (demanda), isto é; quando há alguma variação
na carga do sistema. Então, acrescentando ou diminuindo carga no sistema provoca-se um
aumento ou diminuição da corrente solicitada aos geradores, isto internamente nos
geradores implica em um aumento ou diminuição do conjugado eletromecânico da
máquina geradora (o que pode ser interpretado como uma força eletromagnética maior, ou
menor, entre o rotor e o estator, dificultando, ou facilitando, a rotação normal da máquina).
Para sobrepor o conjugado eletromecânico é necessário, mantendo-se a carga, que a fonte
primária de energia (térmica ou hidráulica) seja aumentada ou diminuída fazendo com que
a máquina geradora volte a ter a mesma velocidade que tinha antes do desbalanceamento.
Resumindo, um desbalanceamento na energia pode ser mensurado pelo desvio da
freqüência e então realimentado para equilibrar novamente o sistema.
8.3 – Influência das variações de freqüência no sistema elétrico de potência
Como o desvio de freqüência, faz-se necessário que este seja mantido dentro de
intervalos bem restritos para que o sistema funcione de maneira adequada. Existem vários
outros motivos pelos quais o desvio de freqüência tenha de ser mínimo, enumera-se alguns,
a seguir:
1. Introduz superposição de ondas de tensão com diferença de freqüência: batimentos,
oscilações;
2. Em sistemas interligados, se uma área está gerando na freqüência f1 e a outra na
freqüência f2, ocorrerá a geração de harmônicas que influenciaram diretamente nos
instrumentos de medição/proteção;
3. Interferência de uma área de geração em outra que pode compor problemas de excesso
de desgaste (fadiga de máquina) ou conseqüências danosas (freqüências subsíncronas
no gerador);
4. Os sistemas interligados funcionam sob condições de “assistência mútua” o que é uma
das grandes vantagens sobre os sistemas isolados, entretanto, ela deixa de ser uma
vantagem para ser um problema se o sincronismo nos for capaz de acompanhar a
dinâmica do sistema.
5. Conseqüências danosas para equipamentos eletrônicos (computadores, televisores,
radares, etc.).
CAPITULO 9 - REGULADORES DE VELOCIDADE
9.1 - Considerações preliminares
Com o surgimento de consumidores com cargas especiais, houve a necessidade de
se fornecer energia elétrica de boa qualidade, para que as mesmas tivessem um bom
desempenho. Este requisito é satisfeito quando a tensão e a freqüência do sistema de
geração (corrente alternada) são mantidos em seus valores nominais ou próximos deles e o
sinal de alimentação (comercial) seja uma senoide pura (não apresente harmônicos) .
O dispositivo utilizado para manter a velocidade ou frequência dentro do valor
nominal ou padrão em um valor pré-determinado é o regulador de velocidade. O controle
é feito através de variações de potência ativa das máquinas motrizes (primária) do sistema
de geração, indicando a correlação que deve sempre ser levada em conta entre as grandezas
P (potência ativa) e velocidade (freqüência).
Os primeiros êxitos nas tentativas de regularização do movimento de máquinas
industriais devem-se a James Watt, com os aperfeiçoamentos que introduziu na máquina a
vapor, tais como o regulador de força centrífuga e o mecanismo de comando da gaveta de
distribuição de vapor, o volante e o “indicador de Watt”.
As turbinas hidráulicas primitivas eram reguladas manualmente. Com o decorrer do
tempo e a aplicação das turbinas no acionamento de geradores elétricos, fez-se necessário
automatizar a regularização, de modo que a turbina pudesse responder adequadamente à
potência demandada pela rede de consumo de energia.
Inicialmente, os dispositivos eram puramente mecânicos. A necessidade de esforços
consideráveis obrigaram ao emprego de servomecanismos amplificadores hidráulicos
comandados por um mecanismo sensível à variação da velocidade, que é o regulador
propriamente dito.
O avanço da tecnologia elétrica e eletrônica e a utilização de métodos matemáticos
aplicados à teoria do controle automático possibilitaram a introdução de reguladores
elétricos e, presentemente, de reguladores eletrônicos.
9.2 - Natureza da questão
As turbinas hidráulicas acionam os geradores elétricos que alimentam os sistemas
de geração e transmissão de energia elétrica.
O consumo de energia varia de forma aleatória. A variação de carga é tanto menor
quanto maior for o número de consumidores, mais diversificados forem esses
consumidores e maior a potência instalada, pois nesses casos a experiência mostra que
ocorre uma certa compensação natural nas variações da demanda .
A primeira exigência feita ao sistema gerador é que, funcionando em regime
normal de operação, não sofra alterações consideráveis na sua velocidade quando ocorram
variações no consumo de energia. Além disso, é preciso atender a situação extrema de
rejeição de carga causada por faltas que desliguem as chaves principais e cortem
totalmente o suprimento de energia à rede elétrica. Devem existir na central de geração
dispositivos que automaticamente mantenham constante a velocidade média da turbina,
independentemente da carga demandada, e que, no caso de variação brusca de parte
considerável do consumo, ou rejeição total de carga, atuem rapidamente, impedindo que a
velocidade da turbina “dispare” (sobre-velocidade síncrona).
9.3 - Tipos de reguladores
Os principais tipos de reguladores de velocidade usados nas turbinas das máquinas
síncronas estão citados a seguir.
9.3.1 - Regulador Isócrono
Mantém a mesma velocidade para qualquer que seja a demanda, ou seja, o erro de
velocidade (frequência) em regime permanente é nulo. Entretanto, não é utilizado em
sistemas operando em paralelo com várias unidades geradoras, devido à necessidade da
divisão adequada de cargas (geração) entre as mesmas.
9.3.2 - Regulador com Queda de Velocidade
Apresenta uma mudança de velocidade dependendo da carga, ou seja, apresenta
erro de velocidade (frequência) em regime permanente, o qual permite distribuir as
variações de carga (geração) entre as várias unidades geradoras operando em paralelo de
forma adequada, o que não é possível com o regulador isócrono.
O erro de regime permanente é o preço que se paga por ter uma regulação mais
rápida, estável e bem distribuída entre as máquinas.
9.3.3 - Regulador com Compensação de Queda Transitória
Devido às características peculiares de resposta das turbinas hidráulicas, os
reguladores de velocidade não podem atuar muito rapidamente pois isso pode implicar em
pressões excessivas na tubulação, ou mesmo causar instabilidade.
Esses reguladores apresentam duas realimentações: uma que determina a regulação
em regime permanente, ou a variação de velocidade para uma variação de carga; e uma que
determina a regulação transitória, similar a uma regulação “provisória”, ou seja, uma
variação de velocidade que prevalece durante o início do regime transitório.
CAPÍTULO 10 – CONTROLE DE TENSÃO
10.1 – Introdução
Assim como a constância da freqüência do sistema é a nossa melhor garantia de que
o balanço da potência ativa está sendo mantido no sistema, também um perfil constante de
tensão de barra garante que o equilíbrio está sendo mantido, entre a potência reativa
produzida e consumida. Sempre que o módulo de uma dada tensão de barra sofrer
variações, isso significará que o balanço de Q não está sendo mantido na barra em questão.
10.2 – Controle da tensão
Praticamente todos os equipamentos usados em um sistema de potência são
projetados para funcionar em um dado nível de tensão, a tensão nominal ou tensão de
placa. Se a tensão do sistema afastar-se desse valor, o desempenho desses equipamentos,
bem como que expectativa de vida, reduzem. Por exemplo, o conjugado de um motor de
indução é proporcional ao quadrado da tensão aplicada; o fluxo luminoso de uma lâmpada
varia fortemente com a tensão etc.
São, portanto, fortes, os motivos que deve-se levar a controlar o nível da tensão em
um sistema de potência. Entretanto, não há necessidade e controlá-lo, mantendo-o entre
estreitos limites, como no caso da freqüência. Existem padrões industriais que fixam as
variações toleráveis da tensão da rede, em valores relativamente amplos. Na maioria das
situações práticas, tolera-se maiores perfis de tensão no sistema de transmissão, durante as
horas de baixa carga, do que nas horas de ponta. Mudando a relação de transformação nos
transformadores mais importantes, pode-se compensar esse perfil variável da tensão
primária e manter a tensão secundária constante, nos níveis do consumidor.
Essas mudanças nos taps dos transformadores podem ser feitas tanto manual como
automaticamente.
10.3 - Reguladores de tensão
Inicialmente, os geradores funcionavam com excitação de tensão constante e
qualquer alteração neste valor era feito manualmente. Consequentemente, a tensão nos
seus terminais, após uma variação na carga, levava tempo considerável para ser reajustada,
acarretando sérios problemas ao consumidor.
O controle da tensão nos terminais dos geradores, e ao longo do sistema de
transmissão, é uma função importante na operação de um sistema elétrico e necessária de
forma a garantir a possibilidade de fornecimento de energia aos consumidores, com a
tensão de alimentação se mantendo dentro de uma faixa estreita, envolvendo o valor
nominal especificado para os equipamentos elétricos. Esse controle está relacionado com o
balanço de potência reativa no sistema. Um desequilíbrio entre a potência reativa gerada e
a demanda reativa, resulta em uma variação na tensão da barra. Por análise de sensibilidade
mostra-se que esse desvio é maior na barra em que o desequilíbrio ocorre.
A função de controle da tensão terminal para operação em regime permanente dos
geradores em uma usina elétrica é realizada pelo sistema de excitação, que deve fornecer
corrente contínua ao enrolamento de campo para produzir uma tensão interna de excitação
coerente com a tensão terminal desejada, e com os despachos de potência reativa exigida
pelo sistema elétrico.
Os dispositivos automáticos que controlam a tensão terminal dos geradores são
denominados de Reguladores Automáticos de Tensão (RAT).
CAPÍTULO 11 - MODELOS UTILIZADOS NA ANÁLISE E CONTROLE DE
SISTEMAS ELÉTRICOS
11.1 - Introdução
O Engenheiro de controle pode aplicar seus conhecimentos em diversas áreas,
bastando para tal que o sistema de interesse tenha um modelo matemático determinado,
que reflita o seu comportamento para estímulos externos. Com o modelo matemático o
objetivo da engenharia de controle é fazer um sistema adverso responder a certas
condições de maneira especificada pelo usuário. Para tal ele tem que desenvolver técnicas
e ferramentas necessárias à implementação de leis de controle. Isto, via de regra, é feito
pela análise e tratamento das entradas e saídas do sistema, o que implica no uso ou não de
sensores e realimentações, ganhos e outras funções, dependendo do caso e interesse.
No caso do desvio de frequência, o elemento controlado seria a máquina motriz, e
no caso de desvio de tensão o elemento controlado seria a fonte de excitação do gerador.
Este capítulo trata das funções de transferências, nos moldes usáveis pelo
engenheiro de controle (através da transformada se Laplace) a partir do comportamento
físico do sistema, e depois as suas conexões e os seus comportamentos simulados.
11.2 - Sistema de geração de energia
Uma configuração mínima de um sistema de geração de grandes blocos de energia,
tem implementado basicamente:
 Energia primária;
 Máquina primária ou motriz (turbina);
 Máquina elétrica (gerador síncrono);
 Controle da geração (tensão e velocidade ou frequência).
11.2.1 - Modelamento da máquina motriz
11.2.1.1 - Turbina hidráulica
Um modelo simplificado é mostrado na figura abaixo.
nível de montante
tomada d’água / vertedouro
reservatório
gerador
conduto forçado
turbina
barragem
Pmec s  
nível de jusante
canal de fuga
1  Tw .s
Gs 
1
1  Tw .s
2
Gs   variação do “fator” proporcional à abertura das comportas [pu]
Pmec  variação da potência mecânica da turbina [pu]
Tw  constante de tempo da turbina [0.5 a 4 Seg.]
Tw 
L. o
g.H o
L  comprimento da tubulação forçada [m]
ovelocidade da água no ponto de operação [m/s]
gaceleração da gravidade [m/s2]
Hodiferença de nível a montante (NM)e nível a jusante (NJ) no ponto de operação
[m]
O modelo da turbina foi linearizado com as seguintes restrições:

Paredes inelásticas;

Líquido não compreensível;

Perdas nulas;

Válido apenas para pequenas variações na abertura da comporta.
Resposta no domínio do tempo, supondo uma variação brusca na abertura da
comporta.
2
 .t 

Tw
Pmec t   G.1  3.e



G s  
[pu]
G
s
Pm(t)
G
t
-2G
11.2.1.2 - Turbina térmica sem reaquecimento
Pmec s  
X e s  
1
.X e s 
1  s.Ts
X e
s
Resposta no domínio do tempo:
1
 .t 

Ts 

[pu]
Pmec t   X e . 1  e




X e  variação na posição da válvula da admissão de vapor (pu)
Ts  constante de tempo da turbina (0.2 a 0.3 s)
Pm(t)
A
t
Obs.: Supõe-se que a pressão do vapor de alimentação se mantém essencialmente
constante.
11.2.1.3 - Turbina térmica com reaquecimento
Pmec s 
X e s 

1.  .c.TR .s
1.  .s.Ts 1.  .s.TR 
TR constante de3 tempo do reaquecedor [5 a 7 Seg.].
cpercentual desenvolvida pela turbina de alta pressão [0.25 a 0.5 pu].
Para X e s  
X e
s
Pm(t)
1-C
C
t
11.3 – Dinâmica do gerador/turbina
f s  
1
Pmec. s   Pe s 
Ms


pu.MW
M  2 H constante de tempo de inércia  seg .
pu.rad . / seg .

Pes  variação de carga (pu)
f s  variação da frequência do sistema (pu)
H constante de tempo de inércia (seg.)
Pe(s)
Pmec.(s)
+
-
1
MS
f(s)
11.4 - Dinâmica da carga
Pe s   Ps   D.f s 
D  coeficiente de amortecimento da carga (pu).
D
P
(MW/Hz.)
f
Ps   variação de carga do sistema (independe da freqüência).
Usando álgebra de blocos e aplicando o teorema da superposição:
PL
Pm
+
-
1
MS  D
f
11.5 - Acoplamento elétrico entre sistemas (sistemas interligados)
P12 s  
T
f1 s   f 2 s 
s
P12  potência de interligação (Tie-Line) (pu)
 pu.MW

.377
T  coeficiente de torque sincronizante 
 rad .

f1 e f 2 variação de frequência nos sistemas (1) e (2) (pu).
11.6 - Reguladores de velocidade
11.6.1 - Isócrono (Integral)
Y s   
K
.f s 
s
K  ganho do regulador;
Y s   variação na abertura da “válvula” de admissão de vapor ou água para a
turbina.
11.6.2 - Com queda de velocidade
Y s   
f s 
R1  sTG 
R  “regulação” de velocidade devida a ação do regulador (depende das
características físicas do regulador) [Hz/MW], [pu.Hz/pu.MW], [pu].
TG  constante de tempo do regulador [Seg.]
11.6.3 - Com queda de velocidade transitória
Y s   
1  sTr 
r 

R1  s Tr 1  sTG 
R 

f s 
r  regulação “transitória”.
rTr
 constante de tempo “transitória”.
R