REGULADORES DE VELOCIDADE DE GRUPO GERADORES

1. INTRODUÇÃO

Os controladores de tensão e freqüência têm por objetivo manter o sistema no estado normal de operação através do controle de tensão nas barras terminais e da freqüência dos geradores. O controle da freqüência em especial é importante desde que a freqüência é uma medida do balanço e potência ativa do sistema. Se a carga do sistema cresce e a potência gerada não aumenta, a diferença de potência é obtida da energia cinética das máquinas e a freqüência decresce. Portanto a igualdade entre carga e geração é necessária para a operação estável e a freqüência é uma medida de desbalanço. Além disso, é uma exigência de muitas cargas a manutenção de variações da freqüência entre limites estreitos, por exemplo, o desempenho da maioria dos motores de corrente alternada industriais é função da freqüência.

Assim, essa é o principal objetivo da utilização dos reguladores de velocidade, pois ao controlar o torque entregue pelas máquinas aos geradores, controla-se a potência ativa e conseqüentemente a freqüência.

2. FUNÇÃO PRINCIPAL

A principal função de um sistema de controle da velocidade é controlar a velocidade pelo ajuste do suprimento de potência ao gerador. Em outras palavras, o regulador de velocidade deve acompanhar a variação de velocidade do gerador durante todo o tempo e em qualquer condição de carga, agindo no sentido de mantê-la na condição especificada. Em conseqüência disso, pode-se dizer que o regulador de velocidade também controla a potência ativa gerada, desde que esta é dependente da potência (ou do torque) de acionamento imprimido pela máquina primária no eixo do gerador.

Em adição à sua principal função de controle da potência de acionamento do gerador, o regulador de velocidade é também encarregado da correta distribuição de potência entre geradores síncronos operando em paralelo e estabelecimento de condições de partida e parada.

3. ESTATISMO

O estatismo representa a lei da variação de freqüência em relação à correspondente variação de carga ou potência consumida. Esta característica é uma realimentação e implica alterar a referência de velocidade em função da carga da unidade. Valores típicos de estatismo ficam entre 3% e 8%. No Brasil esta é usualmente fixada em 5%. Isto significa que para carregar um gerador desde vazio até plena carga (100% de mudança de carga) haverá uma queda de velocidade de 5%, supondo a característica linear. Isso pode ser verificado na figura abaixo.

Figura 1: Característica do estatismo de um gerador.

A introdução do estatismo significa transformar o controlador de velocidade num controlador de freqüência que contribui para a regulação de freqüência do sistema. Em momentos de estabilidade da freqüência da barra, o termo velocidade é conhecido. O erro de velocidade que alimenta o controlador é determinado pela referência de velocidade e pela carga da unidade ponderada pelo estatismo. Dessa maneira, a referência de velocidade passa a determinar a potência elétrica fornecida ao sistema. Por outro lado, para uma referência de velocidade determinada, uma variação na freqüência do sistema produz um erro na saída do ponto de soma. O controlador irá compensar este erro corrigindo a carga da unidade, até que a diferença entre a referência de velocidade e a freqüência do sistema seja anulada.

Porém, para uma turbina hidráulica, um regulador com uma simples característica de estatismo permanente seria insatisfatório. As turbinas hidráulicas têm uma resposta peculiar devida à inércia da água: a queda de pressão resultante da abertura do distribuidor provoca uma variação negativa de potência da turbina. Para controle estável, um estatismo transitório é necessário. Isto é conseguido através da redução do ganho transitório. O resultado é um regulador que exibe um alto estatismo (baixo ganho) para desvios rápidos de velocidade, e o normal baixo estatismo (alto ganho) em regime permanente. Abaixo se pode verificar o diagrama de blocos de um sistema com estatismo.

Figura 2: Controle de carga com estatismo.

Além disso, o estatismo é essencial para garantir a distribuição eqüitativa da carga entre as unidades geradoras quando operados em paralelo.

A operação em paralelo define a prática de operar dois ou mais geradores alimentando uma mesma carga. O controle preciso de velocidade é requerido desde que seja necessário casar a velocidade e o deslocamento elétrico de fase de uma unidade que está entrando em operação com aqueles que já estão suprindo potência.

A figura 3 ilustra o caso de 2 máquinas suprindo uma carga comum. Como as duas máquinas estão operando na mesma velocidade, é obvio que as máquinas primárias irão compartilhar desigualmente a carga total. Para garantir um compartilhamento igual de carga em proporção às especificações nominais das máquinas, a característica de cada máquina e seu regulador devem ser idênticas.

Figura 3: Diagrama esquemático para 2 máquinas operando em paralelo com características de estatismo diferentes suprindo carga comum.

Com regulação de velocidade convencional normal, é essencial que as máquinas primárias e reguladores de todas unidades, ou pelo menos uma unidade, de um sistema interligado opere com um estatismo. Quando uma máquina opera sem estatismo, ela usa uma característica chamada de “isócrona”, conforme mostra a figura 4.

Figura 4: Característica isócrona de uma unidade geradora.

Para explicar a diferença operativa entre as duas características citadas, considere, por exemplo, um sistema constituído de duas unidades, uma operando com estatismo e a outra operando com característica isócrona. Isto está ilustrado na figura 5.

Figura 5: Diagrama de 2 máquinas operando em paralelo sendo uma com estatismo e a outra isócrona.

Desde que a unidade isócrona opera numa mesma velocidade para todas as cargas para um dado ajuste de velocidade, e quando a demanda de carga varia, a segunda unidade, que opera com estatismo, porém acoplada à primeira unidade, somente pode operar em um valor de velocidade. Portanto, a segunda unidade com estatismo deve operar em uma única velocidade