Sistema de Excitação e Regulação Digital de Tensão RG3 para

Sistema de Excitação e Regulação
Digital de Tensão RG3
para geradores síncronos
Características operacionais
„
„
„
„
„
„
„
„
Equipamento padrão
Confiabilidade
Elevada disponibilidade
Facilidades da tecnologia digital
Regulador
de
tensão
com
excelente
comportamento dinâmico
Sem manutenção
Grande flexibilidade
Desenho compacto com poucos componentes
Dimensões reduzidas
O RG3 é um sistema de excitação para geradores
síncronos com excitatriz sem escovas (diodos
rotativos) ou de corrente contínua. Dependendo da
corrente de campo, ele poderá ser conectado
diretamente às escovas do gerador (excitação
estática). Graças à sua elevada flexibilidade e ao
desenho modular, este sistema de excitação é
adequado para uso em usinas industriais e também
em hidro e termoelétricas de concessionárias de
energia. Suas características o tornam também
especialmente indicado para os casos de
modernização de plantas existentes.
A parte de potência compõe-se de uma ou duas
unidades “chopper” transistorizadas, que alimentam
o campo da excitatriz ou do gerador principal
(através de escovas, neste caso). Na configuração
padrão, a potência necessária para a excitação pode
ser suprida por um gerador auxiliar de ímã
permanente (PMG), por um transformador de
excitação conectado aos terminais do gerador ou
ainda pelos serviços auxiliares da planta, em C.A. ou
C.C. É possível também realizar uma alimentação
redundante da parte de potência, por exemplo,
através dos serviços auxiliares.
A grande versatilidade do equipamento padrão e a
pouca necessidade de espaço para o painel tornam o
RG3 especialmente indicado para modernização de
sistemas de excitação existentes. O projeto do
equipamento sempre leva em consideração as
especificações do cliente.
Projeto mecânico
O sistema de excitação RG3 é geralmente fornecido
num cubículo metálico padronizado, especialmente
desenvolvido para alojar componentes de regulação
e eletrônica de potência. O projeto modular e o
rápido acesso a todos os componentes facilitam
todas as operações de ajuste e otimização. Numa
execução típica, com redundância no regulador de
tensão, o cubículo tem as seguintes dimensões:
1000 x 800 x 2200 mm (L x P x A). Naturalmente,
as dimensões do equipamento podem variar de caso
para caso, no sentido de adaptar-se às condições de
um projeto específico, especialmente nos casos de
modernização.
Figura 1: Aspecto interno do cubículo.
2
possível também a combinação de diversos
alimentadores para se obter uma alimentação
redundante.
Componentes principais
Chopper transistorizado (1) para o canal principal e,
no caso de se ter redundância, um segundo chopper
transistorizado (2) para o segundo canal.
Regulador automático de tensão (3), para controle
da tensão nos terminais do gerador e regulador da
corrente de excitação (4), para o canal manual.
O sistema RG3 é adequado para todos os tipos de
configuração de geradores síncronos:
com excitatriz sem escovas (circuitos 1 e 2), com
excitatriz de corrente contínua (circuito 3) ou até
mesmo sem excitatriz, ou seja, com excitação
estática (circuito 4).
A energia E requerida para a alimentação do sistema
de excitação pode vir das baterias da planta ou
também dos serviços auxiliares em C.A. Na maioria
dos casos, porém, ela é suprida por um gerador
piloto de ímã permanente (PMG) (circuito 1) ou por
um transformador de excitação (circuitos 2 a 4). É
A desexcitação é realizada adicionalmente pela
resistência de descarga de campo integrante do
equipamento.
E
AUMENTA
DIMINUI
AVR
(Canal Automático)
S
3
1
4
2
ECR
(Canal Manual)
G
3~
AUMENTA
DIMINUI
E
E
G
3~
Trafo
de
excitação
Trafo
de
excitação
Trafo
de
excitação
G
3~
G
3~
G
3~
E
Circuito 4
S
G
=
PMG
E
S
S
Circuito 3
Circuito 1
Circuito 2
Figura 2: Componentes padronizados do RG3 e circuitos de alimentação possíveis.
3
S
„ Limitador da operação subexcitada (limitador de
subexcitação)
„ Limitador de ação lenta para a operação
sobreexcitada (limitador de sobreexcitação)
„ Limitador de ação lenta para a corrente do
estator (limitador de corrente estatórica)
Modo de operação
Reguladores digitais
Regulador automático de tensão (AVR)
O valor real da tensão terminal do gerador é
comparado com o valor de referência (setpoint)
ajustado pelo operador. O sinal resultante é
comparado com a saída do limitador da corrente de
excitação e conduzido à entrada do regulador
Proporcional-Integral (PI). O regulador PI, com
ganho e constante de tempo ajustáveis, fornece
um sinal de saída que é aplicado como setpoint de
corrente de excitação ao regulador subordinado de
corrente. A saída deste segundo regulador
comanda a geração de pulsos modulados em
freqüência, que ativam os transistores do estágio
de potência associado. A freqüência da modulação
é de 2,5 kHz. A corrente contínua flui através das
fases U e W do circuito de potência
transistorizado.
Regulador automático do fator de potência (cos φ)
ou da potência reativa do gerador
O regulador de cos φ (ou potência reativa)
compara o valor real do fator de potência (ou da
potência reativa) com o valor desejado de cos φ
(ou da potência reativa), ajustado pelo operador.
Em caso de diferenças entre o valor real e o
desejado, o ajustador de referência de tensão é
ajustado automaticamente até que o desvio entre o
valor real e o valor desejado seja zerado. Se o
gerador passar para o modo ilha ou desconectar-se
do sistema (modo a vazio), o regulador de cos φ
(ou potência reativa) desliga-se automaticamente,
voltando a operar o regulador automático de
tensão.
Regulador
Manual)
da
corrente
de
excitação
Figura 3: As unidades transistorizadas (choppers).
Opções
„ Limitador V/Hz (limitador tensão/freqüência ou
de sobrefluxo)
„ Monitor de falha em diodos rotativos da
excitatriz sem escovas
„ Regulador de fator de potência (cos φ) ou da
potência reativa do ponto de conexão com a
rede
„ Controle conjunto da potência reativa de vários
geradores
(Canal
Este regulador de característica P recebe um sinal
de setpoint que é comparado com o valor real da
corrente de campo. O sinal de saída controla,
então, por modulação em freqüência, o estágio de
comando dos transistores de potência.
Modo comissionamento
Em geral, o regulador automático de tensão está
sempre selecionado, mesmo durante os processos
de partida e parada do gerador.
A eletrônica de controle e regulação do sistema de
excitação inclui todos os recursos necessários para
a execução das seguintes funções:
O regulador da corrente de excitação (Canal
Manual)
permite
o
registro
das
curvas
características
do
gerador
durante
o
comissionamento e testes da máquina, bem como
operação do gerador em curto-circuito para ajuste
e teste dos relés de proteção. Além disso, se
ocorrerem falhas no regulador automático de
tensão, o canal manual permite que o gerador
continue sendo excitado, isto é, ele garante
continuidade da operação.
„ Regulação da tensão do gerador
„ Regulação da corrente de campo (corrente de
saída da unidade chopper)
„ Limitador rápido da corrente de campo (“field
forcing limiter”)
4
Follow-up automático
O valor de setpoint da corrente de campo é
continuamente atualizado durante a operação do
regulador automático de tensão, fator de potência
ou potência reativa, assegurando, desta forma,
uma rápida e suave comutação automática para
manual na ocorrência de uma falha. Uma
comutação automática ocorre quando atuarem
certos fusíveis ou disjuntores de proteção ou ainda
em caso de falhas no regulador automático.
Limitadores
Na operação de um gerador síncrono, é necessário
observar as combinações possíveis de potência
ativa e reativa, conforme definido em seu diagrama
de capabilidade.
Na figura 4 a seguir, o trecho LMO representa o
limite para a faixa subexcitada, ou seja, o limite de
estabilidade.
O trecho OP é o limite definido pela elevação da
temperatura do estator.
O trecho PQ é o limite ditado pela elevação da
temperatura do rotor.
Características similares com fluxo reverso de
potência ativa aplicam-se também para a caso de o
gerador operar como motor.
Potência
ativa
O
O limitador de sobreexcitação assegura que, na
faixa de sobreexcitação, o ponto de operação
sempre se mantenha dentro da seção do diagrama
limitada pelo trecho PQ. Como resposta a quedas
de tensão causadas pela elevação da demanda de
potência reativa, chaveio de disjuntores ou faltas
na rede, o regulador de tensão eleva o nível da
excitação no sentido de manter constante a tensão
terminal. O limitador de sobreexcitação atua,
então, como uma medida de proteção contra
sobrecarga térmica do enrolamento rotórico.
O limitador de sobreexcitação permite, por um
período limitado de tempo, valores de corrente de
excitação entre a máxima corrente de excitação
continuamente admissível no rotor e a corrente de
teto do sistema de excitação, de forma que o
gerador possa sustentar o sistema como resposta
a quedas de tensão de curta duração.
O limitador da máxima corrente de excitação (field
forcing limiter), em contrapartida, tem a tarefa de
limitar a corrente de excitação no valor máximo
(corrente de teto), o mais rápido possível.
O limitador da corrente estatórica assegura a
limitação temporizada em pontos do diagrama
definidos pelo trecho NOP. A função principal do
limitador de corrente estatórica é evitar
sobreaquecimento do enrolamento estatórico, que
pode ser causado por elevada potência reativa
associada a elevada potência ativa. O limitador da
corrente estatórica permite, então, valores altos de
corrente de excitação por períodos limitados de
tempo, de forma que o gerador possa sustentar
temporariamente o sistema.
P Máxima potência
N
da turbina
Potência
ativa
O
M
Subexcitado
Sobreexcitado
N
L
Máxima potência da turbina
Q
Potência reativa
Figura 4: Diagrama de capabilidade típico de uma
máquina síncrona operando como gerador.
O limitador de subexcitação corrige a potência
reativa elevando a tensão da máquina o quanto for
necessário para assegurar que, no caso de uma
excursão para além do trecho característico LMO,
o ponto de operação do gerador retorne para a
linha limite, antes que a máquina seja desligada
pelo relé de perda de excitação (Função ANSI 40).
M
Potência reativa
L
Figura 5: Limitação da mínima excitação.
medida em que acelera a subida da corrente de
campo.
Tempo [s]
A corrente de saída da unidade chopper associada
ao canal manual é limitada pelo máximo valor do
ajustador de referência (setpoint) deste canal.
40
A corrente de saída do chopper do canal
automático é influenciada pelo limite de integração
do regulador PI. Esta variável de referência
corresponde à tensão que fornece a corrente de
campo requerida.
30
Limitação de
sobreexcitação
20
10
Limitação subordinada
da corrente de excitação
1,0 1,1
1,2
1,3 1,4
Corrente de excitação IE
Tensão de excitação UE
1
Corrente de
excitação IF
[p.u.]
IEmax
Figura 6: Limitação de sobreexcitação e da máxima
corrente de excitação.
2
IE
IEN
IEO
Controle Automático
UE
Tempo [s]
Todas as condições operacionais do sistema de
excitação são supervisionadas e devidamente
sinalizadas.
A rotina de monitoração interna disponibiliza os
seguintes sinais na forma de contatos livres de
potencial:
Figura 7: Comando do chopper transistorizado para
fornecer uma alta tensão de saída, a fim de obter
uma resposta mais rápida da excitação.
„ Falha grave do sistema (TRIP)
„ Falha no canal automático com comutação para
o canal manual
„ Alarme agrupado, gerado por diversos sinais de
falha interna que causam bloqueio de uma nova
partida.
UE
IE
IEO
IEN
IEmax
1
Adicionalmente, os seguintes sinais de estado
operacional estão também disponíveis para
indicação externa:
2
Excitação está ligada
Excitação está desligada
Canal Automático selecionado
Canal Manual selecionado
Regulador de Cos φ (ou de MVAr) está
selecionado
„ Limitadores estão atuando
„
„
„
„
„
Sobreexcitação e limitador da máxima
corrente de excitação
Quando comandado para a sua máxima saída, a
unidade chopper fornece uma tensão bem maior do
que aquela necessária, aplicando no campo da
excitatriz a sua corrente de teto. Esta sobretensão
temporária no enrolamento de campo encurta
consideravelmente o tempo requerido para a
recuperação da tensão terminal do gerador, na
6
= Tensão de saída do chopper
(corresponde à tensão de excitação)
= Corrente de saída do chopper
(corresponde à corrente de excitação)
= Corrente de excitação a vazio
= Corrente de excitação nominal
= Corrente de teto
= Corrente de saída sem o limitador de
corrente de teto
= Corrente de saída sem a sobretensão
temporária
Circuito de potência
Desexcitação
O circuito de potência é composto de choppers
transistorizados, que fornecem a corrente de
excitação necessária a partir de um circuito
intermediário de tensão contínua (link DC).
A tensão de excitação necessária é ajustada
através da variação da relação pulso/pausa; a
resistência do circuito de campo faz, então, a
corrente de campo variar correspondentemente. A
corrente de excitação é medida no estágio de saída
do chopper e aplicada como valor real ao regulador
subordinado da corrente de excitação.
É necessária a desexcitação do gerador síncrono
em processos de parada programada ou quando
atua alguma proteção do gerador ou transformador
da unidade. Com isso, é feito o bloqueio do
chopper transistorizado. A energia magnética
acumulada no enrolamento de campo é forçada a
retornar ao link DC através de diodos no estágio
transistorizado. Isto assegura uma desexcitação
muito rápida do gerador.
Controle do chopper
P
Entrada
L1
L2
L3
N
Ajustador (chopper)
Alisamento
Retificador
Saída
Figura 8: Circuito de potência transistorizado.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ 220 V
0
- 220 V
_
_
Positivo
_
_
_
Zero
_
_
_
_
Negativo
Figura 9: Tensão de saída do chopper como função dos pulsos de comando.
Relação pulso/pausa variável.
Freqüência de chaveio: cerca de 2,5 kHz.
Tensões de saída excessivamente elevadas são evitadas por meio de varistores conectados em paralelo.
7
Valores reais podem ser monitorados on line e os
parâmetros, alterados facilmente selecionando-os
na lista de parâmetros. Para facilitar ainda mais a
parametrização, é possível escolher entre a lista
completa de parâmetros, listas pré-definidas ou
ainda definidas pelo usuário, com apenas os
parâmetros associados a determinadas funções
(p.ex. entrada e saída, limitadores, etc.).
Ferramentas de Software
A ferramenta de Software amigável Drive Monitor,
fornecida com o sistema de excitação, permite um
comissionamento muito fácil do RG3. Por meio de
uma interface serial, o regulador conecta-se a um
PC para ser configurado de forma bastante
simples.
A qualquer momento é possível ler e transferir do
regulador para o PC o conjunto atual de
parâmetros, facilitando, assim, a documentação do
sistema.
Configuração amigável
O software Drive Monitor para Windows® permite
a completa parametrização do equipamento.
Figura 10: O software Drive Monitor para comissionamento e diagnósticos é extremamente amigável.
8
A função de oscilografia TRACE possui as
seguintes características:
Função TRACE
A função TRACE é um aplicativo para oscilografias
incluído no Drive Monitor que permite a
visualização de dados registrados na forma de
oscilogramas. Pode-se também salvar os dados
num arquivo na memória do sistema e recuperá-los
mais tarde. É possível, além disso, exportar tais
dados para outros aplicativos do Windows®, como
processadores de texto (MS Word®) e planilhas
eletrônicas (MS EXCEL®).
„ Monitoração de até 8 sinais analógicos.
„ Monitoração de 16 sinais digitais por sinal
analógico não usado (p.ex. 32 sinais digitais e
6 sinais analógicos).
„ Tempo máximo de registro de 280 s com uma
taxa máxima de amostragem de 280 ms ou 1,4
s com taxa de amostragem de 1,4 ms.
„ Taxa de amostragem livremente ajustável entre
1,4 e 280 ms em passos de 1,4 ms.
„ O registro de faltas é automaticamente iniciado
na ocorrência de falhas ou eventos de trigger
programados (disparados por sinais digitais
p.ex. falhas ou comparação de sinais
analógicos com um valor pré-definido, usando
as condições <, >, = e <>).
„ Condição de pré-trigger ajustável entre 0%
(sem pré-trigger, apenas futuro) e 100%
(apenas passado, sem futuro).
Figura 11: O aplicativo TRACE contido no Drive Monitor é uma ferramenta muito útil para testes e
diagnósticos, possuindo, além disso, uma interface muito amigável com outros aplicativos do Windows®.
9
Assim, é muito fácil implementar dentro do RG3
mesmo as funções adicionais mais complexas
definidas pelos clientes em suas Especificações
Técnicas. Pacotes completos de software
padronizados estão disponíveis para funções e
aplicações que são frequentemente exigidas.
Configurando com o D7-ES
O complexo regulador de tensão, com seus
cálculos e limitadores, bem como as funções de
controle e intertravamento estão integrados no
módulo eletrônico microprocessado T400. Este
módulo é configurado com a ferramenta gráfica
D7-ES, para Windows®.
A figura abaixo mostra um exemplo de estrutura
de software e a seleção de funções disponíveis em
uma biblioteca de blocos funcionais.
Figura 12: Exemplo da programação do regulador de tensão, feita com a ferramenta D7-ES.
10
Dados técnicos principais
Sistema de Excitação RG3
Tensão auxiliar até 250 VDC
das baterias da planta
Para comando dos contatores de potência
Consumo:
< 100 W continuamente
< 200 W por curto tempo
Para alimentação dos circuitos de regulação e controle
(24 V DC)
Consumo:
< 200 W continuamente
(O equipamento pode ser fornecido também com fonte
de 24 VDC interna.)
Transformadores de medição
Transformadores de potencial: conectados às 3 fases do
gerador
Consumo:
< 5 VA por fase; tensões secundárias de
100 a 120 V
Transformadores de corrente: são necessárias 2 fases
(L1 e L3)
Consumo:
< 3 VA (mais perdas na cablagem);
correntes secundárias de 1 ou 5 A
Normas e padrões
O sistema de excitação RG3 é dimensionado, projetado e
fabricado conforme as normas internacionais IEC, EN,
DIN, VDE e IEEE 421 bem como atende ao submódulo
3.8 do ONS.
11
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Edição: Junho de 2007
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