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Francisco João Di Mase Galvão Junior

Dissertação submetida ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica

Área de Concentração: Sistemas Elétricos de Potência Orientador: Prof. Dr. Délvio Franco Bernardes

Agosto de 2007 Itajubá - MG

O principal objetivo deste trabalho de dissertação é apresentar o desenvolvimento de um regulador automático de tensão para sistemas de excitação brushless.

O gerador síncrono com sistema de excitação brushless é uma solução atrativa para problemas relacionados ao resfriamento dos anéis coletores. A excitação brushless elimina a necessidade de escovas, comutadores e anéis coletores. Para tal, um campo estático contínuo induz tensão trifásica alternada na armadura rotativa da excitatriz. A armadura está instalada no eixo do gerador e conectada a uma ponte retificadora trifásica rotativa. Deste modo, a tensão contínua de saída da ponte é aplicada ao campo do gerador síncrono.

O regulador automático foi desenvolvido com a mais avançada tecnologia de microcontroador associado a um controlador lógico programável. A eletrônica de potência está fundamentada na tecnologia do semicondutor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). O circuito de potência da excitação está explicado e o sinal PWM do circuito de controle está analisado.

A operação do sistema de excitação brushless de geradores síncronos conectados no sistema está apresentada. Todos os modos de operação do regulador estão criteriosamente explicados e analisados. Vários ensaios foram realizados no regulador e os resultados estão apresentados ao longo do trabalho.

Uma metodologia para monitoramento dos diodos também é apresentada neste trabalho de dissertação. Este monitoramento é necessário em excitatrizes brushless e somente pode ser realizado indiretamente, porque a ponte de diodos faz parte do rotor. Desta maneira, um software para a realização deste monitoramento é proposto.

The main objective of this dissertation is to present the development of an automatic voltage regulator for brushless excitation system.

The brushless excitation of synchronous machine is an attractive solution for problems related to slip rings cooling. The brushless excitation eliminates the need for brushes, a commutator and slip rings. For this, exciter stationary DC field induces AC three-phase voltage into the rotating exciter armature. This armature is attached to generator shaft and connected to a rotating three-phase bridge rectifier. The DC voltage of the rotating rectifier is applied to the field of the synchronous generator.

The automatic regulator was developed with most advanced microcontroller technology together with Programable Logical Controller (PLC). The power electronics part is fitted with an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) semicondutor. The power circuit for the excitation is explained and the signal of the PWM chopper circuit is analyzed.

The operation of the brushless excitation system of synchronous generator is presented. All the operating modes of the regulator are careffuly explained. Many tests were realized and the results are presented in this work.

A methodology for Diode Monitoring is also presented in this dissertation. This monitoring is needed in brushless excitation and can only be done indirectly, because the diode bridge is part of the rotor. In this way, a software for this monitoring is proposed.

Lista de Figuras9
Lista de Tabelas1
Lista de Abreviaturas e Símbolos12
1. INTRODUÇÃO2
1.1 Considerações Iniciais2
1.2 Contribuição3
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA6
2.1 Considerações Iniciais6
2.2 Evolução do Sistema de Excitação6
2.3 Regulador Automático de Tensão7
2.4 Considerações Finais9
3. SISTEMA DE EXCITAÇÃO BRUSHLESS1
3.1 Considerações Iniciais1
3.2 Descrição do Sistema1
3.3 Componentes Principais Do Sistema de Excitação Brushless13
3.3.1 Transformador de Excitação13
3.3.2 Ponte Retificadora Trifásica Não-Controlada14
3.3.3 Sistema de Medição15
3.3.4 Sistema de Regulação de Tensão17
3.4 Considerações Finais18
4. DESENVOLVIMENTO DO REGULADOR DE TENSÃO20
4.1 Considerações Iniciais20
4.2 Controle Direto da Corrente de Campo (CIE)21
4.3 Controle da Tensão do Terminal do Gerador (CV)25
4.4 Controle da Potência Reativa Trocada com a Rede (CAR)27
4.5 Atribuições do Controlador Lógico Programável28
4.6 Atribuições do Microcontrolador Programável (MC)29
4.7 Driver de Gatilhamento32
4.8 Lógica de Operação do Regulador34
4.9 Controle PID38
4.10 Considerações Finais41
5. ENSAIOS4
5.1 Ensaios Laboratoriais4
5.1.1 Resultados dos Ensaios no Modo de Operação CIE45
5.1.2 Resultados dos Ensaios no Modo de Operação CV50
5.1.3 Resultados dos Ensaios no Modo de Operação CAR54
5.2 Ensaios de Campo59
5.2.1 Comissionamento do Sistema de Regulação de Tensão63
5.3 Considerações Finais6
6. MONITORAMENTO DOS DIODOS ROTATIVOS68
6.1 Metodologia Aplicada68
6.2 Resultados das Simulações70
6.4 Considerações Finais78
7. CONCLUSÃO81
Figura 1 - Sistema de excitação brushless12
Figura 2 - Sistema de alimentação do campo da excitatriz14
Figura 3 - Sistema de realimentação de tensão16
Figura 4 - Sistema de realimentação de potência reativa17
Figura 5 - Faixa de valores de tensão na saída do Hall21
Figura 6 - Circuito condicionador de sinal2
Figura 7 – Sinal de realimentação de corrente23
Figura 8 - Suportabilidade térmica da excitatriz24
Figura 9 - Sinal de realimentação de tensão26
Figura 10 - Sinal de realimentação de potência reativa27
Figura 1 - Representação CLP / IHM29
Figura 12 - Forma de onda da tensão de saída do IGBT – valor intermediário30
Figura 13 - Forma de onda da tensão de saída do IGBT – valor mínimo31
Figura 14 - Forma de onda da corrente no circuito indutivo31
Figura 15 - Circuito de gatilhamento do IGBT32
Figura 16 - Representação do IGBT3
Figura 17 - Aplicação do diodo de free-wheeling3
Figura 18 - Forma de onda da tensão anodo-catodo do diodo de free-wheeling34
Figura 19 - Fluxograma de funcionamento do regulador de tensão35
Figura 20 - Esquema de ligações do regulador de tensão37
Figura 21 - Malha de controle40
Figura 2 - Tela do programa de supervisão implementado41
Figura 23 - Diagrama funcional42
Figura 24 - Comportamento do sinal de controle de corrente46
Figura 25 - Comportamento estável da corrente47

Lista de Figuras Figura 26 - Comportamento do sinal de corrente frente a um degrau negativo no valor de referência.

48
Figura 27 - Resposta mediante à elevação de 70% no valor do ganho proporcional49
Figura 28 - Resposta mediante a elevação de 90% no valor do ganho proporcional50
Figura 29 – Comportamento do sinal de tensão51
Figura 30 - Comportamento da tensão na partida direta do MIT52
Figura 31 - Comportamento do sinal de tensão mediante alteração do ganho53

Figura 32 - Comportamento do sinal de tensão frente a um degrau negativo no valor de referência.

54

Figura 3 - Comportamento da potência reativa indutiva mediante um degrau positivo da referência.

5

Figura 34 - Comportamento da potência reativa indutiva mediante um degrau negativo da

referência56
Figura 35 - Passagem de potência reativa indutiva para capacitiva57

Figura 36 - Comportamento da potência reativa indutiva mediante uma alteração na faixa de

tolerância58
Figura 37 - Unidade Geradora – PCH Luiz Dias60

Figura 38 - Comportamento da potência reativa mediante um degrau negativo da referência........60

Figura 40 - Passagem de potência reativa indutiva para capacitiva62
Figura 41 – Análise da estabilidade da potência reativa63
Figura 42 - Sistema modelado71
Figura 43 - Formas de onda da tensão e corrente – Simulação 172
Figura 4 – Representação da condição de defeito da simulação 273
Figura 45 – Formas de onda da tensão e corrente – Simulação 273
Figura 46 – Representação da condição de defeito da simulação 374
Figura 47 – Formas de onda da tensão e corrente – Simulação 374
Figura 48 – Representação da condição de defeito da simulação 475
Figura 49 – Formas de onda da tensão e corrente – Simulação 475
Figura 50 – Variação da corrente em função dos defeitos dos diodos7
Tabela 6.1 – Valores médios referentes à simulação 173
Tabela 6.2 – Valores médios referentes à simulação 274
Tabela 6.3 – Valores médios referentes à simulação 375
Tabela 6.4 – Valores médios referentes à simulação 476

Lista de Abreviaturas e Símbolos

CLP Controlador Lógico Programável. PWM Pulse Width Modulation. IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor.

LE Campo da Excitratriz (parte estática).

IE Corrente no Campo da Excitatriz.

B3F Bobina Trifásica (parte rotativa).

PRD Ponte Trifásica Rotativa a Diodos.

LG Campo do Gerador Principal.

VT Tensão Terminal do Gerador.

VCEIL Tensão de Ceiling.

Vd Tensão DC na Saída da Ponte Retificadora.

TP Transformador de Potencial. PD Ponte de Diodos. TC Transformador de Corrente. PID Proporcional Integral Derivativo. MC Microcontrolador Programável. CIE Controle Direto da Corrente de Campo. CV Controle da Tensão do Terminal do Gerador. CAR Controle da Potência Reativa Trocada com a Rede. UG Unidade Geradora. IHM Interface Homem Máquina. MIT Motor de Indução Trifásico.

CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais.

RQI Relação entre a Potência Reativa e a Corrente de Campo da Excitatriz.

RVI Relação entre a Tensão do Gerador e a Corrente do Campo da Excitatriz.

ONS Operador Nacional de Sistema.

1. INTRODUÇÃO

1.1 Considerações Iniciais

Esta dissertação de mestrado, submetida ao Instituto de Sistemas Elétricos e Energia da Universidade Federal de Itajubá, tem por objetivo apresentar as etapas do desenvolvimento do protótipo de um regulador de tensão para geradores síncronos com sistemas de excitação brushless.

funcionamento

Inicialmente, de modo a facilitar o entendimento a respeito do funcionamento do regulador desenvolvido, serão apresentadas as principais características do sistema de excitação brushless, bem como as características operacionais dos equipamentos envolvidos no seu

Uma vez mostrado o funcionamento deste sistema de excitação, tanto com o sistema de geração hidrelétrica operando isoladamente quanto em paralelo com a rede, o trabalho passa a discorrer a respeito forma de operação do regulador automático de tensão, enfatizando as funções a ele atribuídas. É importante ressaltar que as funções não se limitam apenas ao controle da tensão elétrica no ponto de acoplamento da unidade geradora, uma vez que a comunicação com os dispositivos de proteção do gerador e o seu comportamento dinâmico frente à ocorrência de uma falha no sistema elétrico são aspectos que também devem ser devidamente considerados.

A tecnologia de controle implementada no regulador de tensão está apresentada, mostrando inclusive as equações matemáticas que regem o seu comportamento dinâmico. Um outro aspecto importante a ser considerado é a aplicação da tecnologia de MICROCONTROLADORES (MC) em conjunto com Controlador Lógico Programável (CLP). O sistema eletrônico empregado na atuação no regulador está fundamentado na modulação PWM da tensão de excitação através da ação do semi-condutor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Por se tratar de um desenvolvimento que irá resultar na construção de um protótipo, resultados de ensaios laboratoriais e de campo são apresentados, contribuindo para a validação do equipamento.

Este capítulo tem por finalidade apresentar uma metodologia para identificação de defeitos nos diodos da ponte retificadora (seis diodos) rotativa do sistema de excitação brushless. A principal motivação para o desenvolvimento desta metodologia está relacionada ao relato, por parte dos fabricantes de geradores síncronos, do crescente aumento na ocorrência de defeitos nestes dispositivos, que pode resultar em diversas adversidades operacionais no gerador, por exemplo, redução na eficiência do sistema de excitação.

Os ensaios foram realizados no laboratório do Instituto de Sistemas Elétricos e Energia da Universidade Federal de Itajubá (ISEE / UNIFEI) e na Pequena Central Hidrelétrica Luiz Dias, localizada no município de Itajubá, MG.

1.2 Contribuição

Ao se apresentar o desenvolvimento em questão, a abordagem detalhada do sistema de excitação brushless se fez necessária, apresentando desde as suas características elétricas até o seu comportamento frente a uma situação real de operação. Assim, naturalmente este trabalho expõe todas as particularidades deste sistema, proporcionando ao leitor a oportunidade de tomar conhecimento ou de fazer uma releitura a respeito deste assunto.

Dento deste contexto, vale ressaltar também que neste trabalho há uma grande diversidade de tópicos relacionados à Engenharia Elétrica, mostrando as características inerentes aos sistemas elétricos de potência, eletrônicos e de controle, envolvidos na regulação de tensão de centrais hidrelétricas de energia de pequeno porte.

Outra importante contribuição deste trabalho é a comprovação dos benefícios que são obtidos quando universidades trabalham em conjunto com indústrias do setor privado. O

desenvolvimento a ser apresentado nesta dissertação é resultado de uma parceria entre a Universidade Federal de Itajubá e a ALSTOM Hydro Energia Brasil. Este trabalho resultou no desenvolvimento de um protótipo de regulador de tensão para sistemas de excitação brushless, o qual foi testado e validado através de ensaios laboratoriais e de campo. Estas parcerias deveriam ser mais incentivadas, uma vez que a indústria pode fortalecer o seu desenvolvimento tecnológico através da mão de obra e da estrutura oferecidas pela universidade. Em contrapartida, a universidade pode aumentar a quantidade de alunos pesquisadores bolsistas de graduação e pós-graduação, bem como fortalecer o corpo de pesquisadores docentes.

Este trabalho englobou os diversos conceitos que fazem parte do projeto de um regulador de tensão para máquinas com sistema de excitação brushless, possibilitando ao leitor um entendimento completo a respeito do funcionamento deste sistema.

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