Na natureza, os rios possuem uma certa inclinação. A água flui ao longo do leito do rio sob a ação da gravidade. A água em grandes altitudes contém abundante energia potencial. Com o auxílio de estruturas hidráulicas e equipamentos eletromecânicos, a energia da água pode ser convertida em energia elétrica, ou seja, geração de energia hidrelétrica. O princípio da geração de energia hidrelétrica é a indução eletromagnética, isto é, quando um condutor corta as linhas de fluxo magnético em um campo magnético, ele gera corrente elétrica. Nesse processo, o "movimento" do condutor no campo magnético é obtido pelo impacto da água na turbina, convertendo a energia da água em energia mecânica rotacional; e o campo magnético é quase sempre formado pela corrente de excitação gerada pelo sistema de excitação que flui através do enrolamento do rotor do gerador, ou seja, o magnetismo é gerado pela eletricidade.
1. O que é o sistema de excitação? Para realizar a conversão de energia, o gerador síncrono necessita de um campo magnético CC, e a corrente CC que gera esse campo magnético é chamada de corrente de excitação do gerador. Geralmente, o processo de formação de um campo magnético no rotor do gerador, de acordo com o princípio da indução eletromagnética, é chamado de excitação. O sistema de excitação refere-se ao equipamento que fornece a corrente de excitação para o gerador síncrono. É uma parte importante do gerador síncrono. Geralmente, consiste em duas partes principais: a unidade de potência de excitação e o regulador de excitação. A unidade de potência de excitação fornece a corrente de excitação para o rotor do gerador síncrono, e o regulador de excitação controla a saída da unidade de potência de excitação de acordo com o sinal de entrada e os critérios de regulação definidos.
2. Função do sistema de excitação O sistema de excitação tem as seguintes funções principais: (1) Em condições normais de operação, ele fornece a corrente de excitação do gerador e ajusta essa corrente de acordo com a lei estabelecida, considerando a tensão nos terminais do gerador e as condições de carga, para manter a estabilidade da tensão. Por que a estabilidade da tensão pode ser mantida ajustando-se a corrente de excitação? Existe uma relação aproximada entre o potencial induzido (ou seja, o potencial de vazio) Ed do enrolamento do estator do gerador, a tensão nos terminais Ug, a corrente reativa de carga Ir do gerador e a reatância síncrona longitudinal Xd:
O potencial induzido Ed é proporcional ao fluxo magnético, e o fluxo magnético depende da magnitude da corrente de excitação. Quando a corrente de excitação permanece constante, o fluxo magnético e o potencial induzido Ed também permanecem constantes. A partir da fórmula acima, pode-se observar que a tensão terminal do gerador diminuirá com o aumento da corrente reativa. No entanto, para atender aos requisitos de qualidade de energia do usuário, a tensão terminal do gerador deve permanecer basicamente constante. Obviamente, a maneira de atingir esse requisito é ajustar a corrente de excitação do gerador conforme a corrente reativa Ir varia (ou seja, a carga varia). (2) De acordo com as condições de carga, a corrente de excitação é ajustada segundo uma regra preestabelecida para ajustar a potência reativa. Por que é necessário ajustar a potência reativa? Muitos equipamentos elétricos funcionam com base no princípio da indução eletromagnética, como transformadores, motores, máquinas de solda, etc. Todos eles dependem do estabelecimento de um campo magnético alternado para converter e transferir energia. A energia elétrica necessária para estabelecer um campo magnético alternado e o fluxo magnético induzido é chamada de potência reativa. Todos os equipamentos elétricos com bobinas eletromagnéticas consomem potência reativa para estabelecer um campo magnético. Sem potência reativa, o motor não gira, o transformador não consegue converter a tensão e muitos equipamentos elétricos não funcionam. Portanto, a potência reativa não é de forma alguma uma potência inútil. Em circunstâncias normais, os equipamentos elétricos não só obtêm potência ativa do gerador, como também precisam obter potência reativa dele. Se houver escassez de potência reativa na rede elétrica, os equipamentos elétricos não terão potência reativa suficiente para estabelecer um campo eletromagnético normal. Consequentemente, esses equipamentos não conseguem manter a operação nominal e a tensão nos terminais dos equipamentos elétricos cai, afetando assim o seu funcionamento normal. Portanto, é necessário ajustar a potência reativa de acordo com a carga real, e a potência reativa fornecida pelo gerador está relacionada à magnitude da corrente de excitação. O princípio específico não será detalhado aqui. (3) Quando ocorre um curto-circuito no sistema elétrico ou outros motivos causam uma queda acentuada na tensão nos terminais do gerador, o gerador pode ser excitado à força para melhorar o limite de estabilidade dinâmica do sistema elétrico e a precisão da ação de proteção do relé. (4) Quando ocorre sobretensão no gerador devido a cortes repentinos de carga e outros motivos, o gerador pode ser desmagnetizado à força para limitar o aumento excessivo da tensão nos terminais do gerador. (5) Melhora a estabilidade estática do sistema elétrico. (6) Quando ocorre um curto-circuito fase-fase dentro do gerador e em seus cabos de alimentação ou quando a tensão nos terminais do gerador está muito alta, a desmagnetização é realizada rapidamente para limitar a propagação do acidente. (7) A potência reativa dos geradores em paralelo pode ser distribuída de forma adequada.
3. Classificação dos sistemas de excitação De acordo com a forma como o gerador obtém a corrente de excitação (ou seja, o método de alimentação da fonte de energia de excitação), o sistema de excitação pode ser dividido em excitação externa e autoexcitação: a corrente de excitação obtida de outras fontes de energia é chamada de excitação externa; a corrente de excitação obtida do próprio gerador é chamada de autoexcitação. De acordo com o método de retificação, pode ser dividido em excitação rotativa e excitação estática. O sistema de excitação estática não possui uma máquina de excitação especial. Se obtiver a energia de excitação do próprio gerador, é chamado de excitação estática autoexcitada. A excitação estática autoexcitada pode ser dividida em excitação autoparalela e excitação autocomposta.
O método de excitação mais comum é a excitação estática em paralelo, conforme ilustrado na figura abaixo. A energia de excitação é obtida através de um transformador retificador conectado à saída do gerador, que, após retificação, fornece a corrente de excitação ao gerador.
Diagrama de fiação do sistema de excitação de retificador estático com excitação autoparalela
O sistema de excitação estática autoparalela consiste principalmente nas seguintes partes: transformador de excitação, retificador, dispositivo de desmagnetização, controlador de regulação e dispositivo de proteção contra sobretensão. Essas cinco partes executam, respectivamente, as seguintes funções:
(1) Transformador de excitação: Reduz a tensão na extremidade da máquina para uma tensão compatível com o retificador.
(2) Retificador: É o componente principal de todo o sistema. Um circuito de ponte trifásico totalmente controlado é frequentemente usado para completar a tarefa de conversão de CA para CC.
(3) Dispositivo de desmagnetização: O dispositivo de desmagnetização consiste em duas partes, nomeadamente o interruptor de desmagnetização e o resistor de desmagnetização. Este dispositivo é responsável pela rápida desmagnetização da unidade em caso de acidente.
(4) Controlador de regulação: O dispositivo de controle do sistema de excitação altera a corrente de excitação controlando o ângulo de condução do tiristor do dispositivo retificador para obter o efeito de regular a potência reativa e a tensão do gerador.
(5) Proteção contra sobretensão: Quando o circuito do rotor do gerador apresenta sobretensão, o circuito é ligado para consumir a energia da sobretensão, limitar o valor da sobretensão e proteger o enrolamento do rotor do gerador e seus equipamentos conectados.
As vantagens do sistema de excitação estática autoparalela são: estrutura simples, menos equipamentos, baixo investimento e menor necessidade de manutenção. A desvantagem é que, quando o gerador ou o sistema entra em curto-circuito, a corrente de excitação desaparece ou cai drasticamente, enquanto que, nesse caso, a corrente de excitação deveria ser aumentada significativamente (ou seja, excitação forçada). No entanto, considerando que as grandes unidades modernas utilizam, em sua maioria, barramentos fechados e que as redes de alta tensão são geralmente equipadas com proteção rápida e alta confiabilidade, o número de unidades que utilizam esse método de excitação está aumentando, sendo também o método de excitação recomendado por normas e especificações. 4. Frenagem elétrica da unidade Quando a unidade é descarregada e desligada, parte da energia mecânica é armazenada devido à enorme inércia rotacional do rotor. Essa energia só pode ser completamente frenada após ser convertida em energia térmica de atrito do mancal de encosto, do mancal guia e do ar. Como a perda por atrito do ar é proporcional ao quadrado da velocidade linear da circunferência, a velocidade do rotor cai muito rapidamente no início e, em seguida, permanece em marcha lenta por um longo período em baixa velocidade. Quando a unidade opera por um longo período em baixa velocidade, a bucha de encosto pode queimar devido à incapacidade de se estabelecer a película de óleo entre a placa do espelho sob a cabeça de encosto e a bucha do rolamento. Por esse motivo, durante o processo de desligamento, quando a velocidade da unidade cai para um determinado valor especificado, o sistema de frenagem da unidade precisa ser acionado. A frenagem da unidade divide-se em frenagem elétrica, frenagem mecânica e frenagem combinada. A frenagem elétrica consiste em curto-circuitar o estator do gerador trifásico na saída da máquina após o gerador ser desacoplado e desmagnetizado, e aguardar que a velocidade da unidade caia para cerca de 50% a 60% da velocidade nominal. Através de uma série de operações lógicas, a potência de frenagem é fornecida e o regulador de excitação alterna para o modo de frenagem elétrica, adicionando corrente de excitação ao enrolamento do rotor do gerador. Como o gerador está girando, o estator induz uma corrente de curto-circuito sob a ação do campo magnético do rotor. O torque eletromagnético gerado é oposto à direção inercial do rotor, desempenhando a função de frenagem. No processo de implementação da frenagem elétrica, é necessário fornecer energia externa para a alimentação do freio, o que está intimamente relacionado à estrutura do circuito principal do sistema de excitação. Diversas maneiras de obter a alimentação para a excitação do freio elétrico são mostradas na figura abaixo.
Existem diversas maneiras de obter a fonte de alimentação para a excitação do freio elétrico.
Na primeira forma, o dispositivo de excitação utiliza um método de fiação de excitação em paralelo. Quando ocorre um curto-circuito na extremidade da máquina, o transformador de excitação fica sem energia. A alimentação para o freio provém de um transformador de freio dedicado, que por sua vez está conectado à rede elétrica da usina. Como mencionado anteriormente, a maioria dos projetos hidrelétricos utiliza um sistema de excitação com retificador estático em paralelo, sendo mais econômico o uso de uma ponte retificadora para o sistema de excitação e o sistema de freio elétrico. Portanto, este método de obtenção da alimentação para o freio elétrico é o mais comum. O fluxo de trabalho do freio elétrico neste método é o seguinte:
(1) O disjuntor do circuito de saída da unidade é aberto e o sistema é desacoplado.
(2) O enrolamento do rotor é desmagnetizado.
(3) O interruptor de potência no lado secundário do transformador de excitação é aberto.
(4) O interruptor de curto-circuito do freio elétrico da unidade está fechado.
(5) O interruptor de alimentação no lado secundário do transformador de freio elétrico está fechado.
(6) O tiristor da ponte retificadora é acionado para conduzir e a unidade entra no estado de freio elétrico.
(7) Quando a velocidade da unidade for zero, o freio elétrico é liberado (se a frenagem combinada for utilizada, quando a velocidade atingir 5% a 10% da velocidade nominal, a frenagem mecânica será aplicada). 5. Sistema de excitação inteligente. Uma usina hidrelétrica inteligente refere-se a uma usina hidrelétrica ou grupo de usinas hidrelétricas com digitalização de informações, redes de comunicação, padronização integrada, interação comercial, otimização de operação e tomada de decisão inteligente. As usinas hidrelétricas inteligentes são divididas verticalmente em camada de processo, camada de unidade e camada de controle da estação, utilizando uma estrutura de 3 camadas e 2 redes: rede da camada de processo (rede GOOSE, rede SV) e rede da camada de controle da estação (rede MMS). As usinas hidrelétricas inteligentes necessitam de suporte de equipamentos inteligentes. Como sistema de controle central do conjunto gerador da turbina hidráulica, o desenvolvimento tecnológico do sistema de excitação desempenha um importante papel de suporte na construção de usinas hidrelétricas inteligentes.
Em usinas hidrelétricas inteligentes, além de executar tarefas básicas como partida e parada do grupo gerador da turbina, aumento e redução da potência reativa e desligamento de emergência, o sistema de excitação também deve atender às funções de modelagem e comunicação de dados da norma IEC 61850 e suportar a comunicação com a rede da camada de controle da usina (rede MMS) e a rede da camada de processo (redes GOOSE e SV). O dispositivo do sistema de excitação é disposto na camada de unidade da estrutura do sistema da usina hidrelétrica inteligente, enquanto a unidade de integração, o terminal inteligente, a unidade de controle auxiliar e outros dispositivos ou equipamentos inteligentes são dispostos na camada de processo. A estrutura do sistema é mostrada na figura abaixo.
Sistema de excitação inteligente
O computador central da camada de controle da usina hidrelétrica inteligente atende aos requisitos da norma de comunicação IEC61850 e envia o sinal do sistema de excitação para o computador central do sistema de monitoramento através da rede MMS. O sistema de excitação inteligente deve ser capaz de se conectar com as redes GOOSE e SV para coletar dados na camada de processo. A camada de processo exige que os dados de saída dos TC, TP e componentes locais estejam todos em formato digital. Os TC e TP são conectados à unidade de fusão (os transformadores eletrônicos são conectados por cabos de fibra óptica e os transformadores eletromagnéticos por cabos). Após a digitalização dos dados de corrente e tensão, eles são conectados à rede SV por meio de cabos de fibra óptica. Os componentes locais devem ser conectados ao terminal inteligente por meio de cabos, e os sinais analógicos ou de comutação são convertidos em sinais digitais e transmitidos para a rede GOOSE também por meio de cabos de fibra óptica. Atualmente, o sistema de excitação possui basicamente a função de comunicação com a rede MMS da camada de controle da usina e com a rede GOOSE/SV da camada de processo. Além de atender à interação de informações em rede da norma de comunicação IEC61850, o sistema de excitação inteligente também deve possuir monitoramento online abrangente, diagnóstico inteligente de falhas e facilidade de operação, teste e manutenção. O desempenho e a eficácia da aplicação do dispositivo de excitação inteligente totalmente funcional precisam ser testados em futuras aplicações práticas de engenharia.
Data da publicação: 09/10/2024
