651166358-UNIDADE-5-Controle-de-tensao-no-gerador-sincrono

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GERAÇÃO DE 
ENERGIA ELÉTRICA 
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
 > Definir o papel de um sistema de controle de tensão no gerador síncrono.
 > Descrever a ação de controle na tensão terminal do gerador. 
 > Apresentar exemplos de sistemas de controle de tensão no gerador síncrono. 
Introdução
A maior parte do sistema interligado nacional (SIN) é baseada em sistemas de 
geração hidrelétrica, uma fonte de energia limpa, que possui a queda d’água 
como fonte de energia, a turbina como máquina primária e o gerador síncrono 
como unidade de geração de energia elétrica. Dessa forma, as máquinas síncronas 
formam a base do sistema de geração de energia elétrica brasileiro (EMPRESA DE 
PESQUISA ENERGÉTICA, 2020).
Em um sistema de geração, o controle da frequência e da tensão geradas é de 
grande relevância, uma vez que implica questões de qualidade de energia fornecida. 
Manter o controle e a estabilidade dessas variáveis faz parte do gerenciamento 
do sistema (OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO, 2020a). Entender como 
essas variáveis se comportam e se interacionam é muito importante para um 
engenheiro e o exercício de suas atividades.
Neste capítulo, você vai estudar o controle de tensão em um gerador síncrono, 
entender a ação do controle nos níveis de tensão terminal do gerador e ver exem-
plos de sistemas de controle de tensão no gerador síncrono.
Controle de tensão 
no gerador síncrono
Miguel Francisco da Silveira
Tensão no gerador síncrono
Máquinas elétricas de corrente alternada são classifi cadas entre máquinas 
síncronas e máquinas assíncronas, ou de indução. As máquinas assíncronas 
são muito utilizadas como motores industriais, enquanto as síncronas podem 
operar como motores ou geradores, dependendo da excitação de campo. 
A classifi cação entre assíncrona e síncrona é dada pelo comportamento das 
velocidades dos campos magnéticos e da velocidade angular do rotor, sendo 
uma máquina síncrona quando a velocidade dos campos magnéticos está em 
sincronia com a velocidade do rotor, a velocidade síncrona. Nas máquinas 
assíncronas, existe um escorregamento entre essas variáveis, a velocidade 
angular mecânica do rotor será menor que a velocidade dos campos mag-
néticos (FITZGERALD; KINGSLEY JUNIOR; UMANS, 2006).
O gerador síncrono ainda pode ser classificado em razão de suas caracte-
rísticas construtivas, em relação às características mecânicas do rotor como 
sendo de polos lisos ou polos salientes. Tipicamente geradores que operam 
em baixa rotação, como os geradores para hidrelétricas, são do tipo polos 
salientes, e os geradores de alta rotação, como as termoelétricas, são do tipo 
de polos lisos (FITZGERALD; KINGSLEY JUNIOR; UMANS, 2006).
Na Figura 1, podemos ver a representação com corte interno de um gerador 
síncrono de polos salientes.
Figura 1. Representação com corte interno de um gerador síncrono de polos salientes.
Fonte: Adaptada de Kundur (1994).
Controle de tensão no gerador síncrono2
Na Figura 1, é possível observar o rotor, de polos salientes, e o respectivo 
enrolamento de campo no rotor, enrolamento este que será responsável por 
formar um eletroímã, e consequentemente um campo magnético, para a geração 
de energia elétrica nos enrolamentos de armadura. Os enrolamentos trifásicos 
de armadura também estão apresentados na Figura 1, no estator, como fases 
A, B e C. O entreferro, os eixos magnéticos de cada fase e os eixos direto e em 
quadratura do rotor também são trazidos na Figura 1 (KUNDUR, 1994).
Um gerador síncrono é modelado em um circuito elétrico para análise e 
entendimento das características e dos comportamentos elétricos. A Figura 
2 traz essa representação, sendo um modelo por fase. As demais fases são 
análogas, com defasagem de 120° entre cada uma.
Figura 2. Modelagem simplificada de um gerador síncrono, por fase.
Os elementos da Figura 2 são a tensão gerada (Êaf), a reatância síncrona (Xs), 
a resistência de armadura (Ra) e a tensão terminal (Va). Entretanto, para que haja 
geração de energia elétrica, é necessário que exista giro do rotor e corrente no 
enrolamento de campo (FITZGERALD; KINGSLEY JUNIOR; UMANS, 2006).
O controle da tensão gerada, para que o gerador opere dentro das espe-
cificações estabelecidas, ficará a cargo do controlador de tensão, conhecido 
como regulador de tensão (RT) ou regulador automático de tensão (AVR, do 
inglês automatic voltage regulator) (FINCH et al., 1991).
A tensão é controlada pelo regulador de tensão que atua no en-
rolamento de campo do gerador. A velocidade é controlada pelo 
regulador de velocidade, ou governador, que tipicamente atua na turbina, na 
máquina primária, e não diretamente no gerador síncrono.
Controle de tensão no gerador síncrono 3
Os controladores de velocidade e tensão têm papel de destaque em um 
sistema de geração, pois refletem em parâmetros de qualidade de energia. 
O submódulo 2.9 — Requisitos mínimos de qualidade de energia elétrica 
para acesso ou integração à rede básica — do Operador Nacional do Sistema 
Elétrico (ONS), que trata de questões de qualidade de energia elétrica (QEE), 
estabelece como 0,1 Hz (para mais ou para menos) a máxima variação ins-
tantânea de frequência aceitável devido a variações de carga. O submódulo 
9.7, que trata dos indicadores de QEE da rede básica, estabelece os níveis de 
tensão adequadas em regime permanente para os diferentes níveis de tensão 
nominal (OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO, 2020a).
As faixas adequadas, precárias e críticas são representadas na Figura 3.
Figura 3. Classificação da tensão de atendimento, ou tensão de leitura (TL), em regime 
permanente, em função da tensão nominal (TN) para barramentos sob responsabilidade de 
concessionárias de transmissão, em referência à tensão contratada (TC).
Fonte: Operador Nacional do Sistema Elétrico (2020a, p. 8).
Cabe ao regulador de tensão, junto com os demais sistemas de controle, 
atuar nos geradores síncronos para que os níveis de qualidade de energia sejam 
atendidos. O regulador automático de tensão possui um papel relevante sobre 
o desempenho do gerador síncrono, tanto em operações isoladas quanto em 
operações integradas, sendo apenas o regulador de velocidade insuficiente para 
controlar e regular as variações de carga no caso de o gerador não trabalhar 
em paralelo com um barramento infinito (AZZOUZ; ELASSAL; ELSEDAWI, 1997).
Controle de tensão no gerador síncrono4
Controle de tensão terminal
A tensão terminal do gerador síncrono é a tensão entregue ao sistema, li-
teralmente a tensão nos terminais externos do gerador, já descontadas 
todas as perdas por impedâncias internas. É, portanto, a tensão de interesse 
(FITZGERALD; KINGSLEY JUNIOR; UMANS, 2006).
Considerando o modelo simplificado do gerador síncrono apresentado 
na Figura 2, e por meio de simples análise de circuito, se deduz a tensão nos 
terminais (Va) do gerador síncrono de acordo com a Equação (1).
 (1)
A reatância de síncrona (Xs) e a resistência de armadura (Ra) fazem parte 
dos parâmetros construtivos da máquina, portanto não podem ser controla-
dos durante a operação do gerador. A corrente de armadura (Ia) será função 
da potência disponibilizada ou da corrente demandada pela carga. Sendo 
assim, o controle da tensão terminal deverá atuar sobre a tensão gerada (Êaf) 
(FITZGERALD; KINGSLEY JUNIOR; UMANS, 2006).
A Figura 4 apresenta um diagrama fasorial das tensões em um gerador 
síncrono de polos lisos, onde Va é apresentado como Vϕ.
Figura 4. Diagrama fasorial de um gerador síncrono.
Fonte: Chapman (2013, p. 205).
Na Figura 4, é possível verificar a tensão terminal (Vϕ), a tensão gerada (Ea), 
o ângulo de carga entre elas (δ) e os fasores de queda de tensão na reatância 
de síncrona (jXsIa) e na resistência de armadura (IaRa).
A tensão gerada, por sua vez, é função da corrente de campo e da frequ-
ência, conforme a Equação (2).
 (2)
Na Equação (2) constam as seguintes variáveis: 
Controle de tensão no gerador síncrono 5
  Eaf = tensão gerada [V];
  If = corrente de campo [A]; Laf = impedância mútua entre campo e armadura [H];
  ωe = velocidade angular elétrica [rad/s].
Laf é dependente das características construtivas do gerador e não pode 
ser controlado na operação da máquina. As variáveis de controle da tensão 
gerada são, portanto, a corrente de campo (If) e a frequência elétrica (fe) 
(FITZGERALD; KINGSLEY JUNIOR; UMANS, 2006).
A velocidade angular e a frequência elétrica são relacionadas de acordo 
com a Equação (3).
 (3)
A quantidade de polos do gerador e a velocidade de giro do rotor (n) e a 
quantidade de polos do gerador vão definir a frequência elétrica, conforme 
a Equação (4).
 (4)
O número de polos trata-se de uma característica construtiva de cada 
máquina e não pode ser controlado, dessa forma a frequência da tensão gerada 
dependerá única e exclusivamente da velocidade de rotação do rotor (n), ou 
seja, do conjugado da fonte primária. Na Equação (4), n é dado em rotações 
por minuto (rpm) (FITZGERALD; KINGSLEY JUNIOR; UMANS, 2006).
A frequência elétrica do sistema elétrico brasileiro é estabelecida 
em 60 Hz conforme os procedimentos de rede do Operador Nacional 
do Sistema Elétrico (2020b).
A tensão terminal e a corrente fornecida, o torque, ou conjugado, irão 
resultar na potência reativa e na potência ativa gerada, dados de extrema 
relevância em um sistema de geração (CHAPMAN, 2013).
Em resumo, há duas variáveis de controle em um gerador síncrono, que 
são a corrente de campo e a velocidade angular do eixo, as quais vão atuar 
sobre as quatro variáveis de saída (ELGERD, 1976):
Controle de tensão no gerador síncrono6
  Pg = potência ativa gerada [W];
  Qg = potência reativa gerada [VAr];
  Va = tensão de armadura [V];
  f = frequência da tensão gerada [Hz].
Essas afirmações são aplicáveis aos geradores que operam de forma 
isolada, conforme o apresentado na Figura 5.
Figura 5. Gerador alimentando carga de forma isolada.
Fonte: Chapman (2013, p. 214).
O gerador da Figura 5 alimenta diretamente uma carga, sem operação em 
paralelo com outro gerador nem de forma interligada ao SIN.
O SIN, assim como qualquer outro grande sistema de geração interligado, 
formará um sistema robusto que estabelecerá os padrões de frequência e 
de tensão, o que é comumente chamado de barramento infinito. Conforme 
Chapman (2013, p. 233):
Um barramento infinito é um sistema de potência tão grande que sua tensão e 
sua frequência não variam, independente de quanta potência ativa ou reativa é 
retirada ou fornecida ao sistema.
A Figura 6 mostra a representação da ligação de um gerador síncrono ao 
barramento infinito.
Figura 6. Gerador síncrono operando em paralelo ao barramento infinito.
Fonte: Chapman (2013, p. 234).
Controle de tensão no gerador síncrono 7
O gerador conectado ao barramento infinito, conforme a Figura 6, adotará 
a frequência e a tensão terminal do barramento infinito. Portanto, ao gerador 
ser conectado a um barramento infinito, após sua sincronização, as variações 
no torque da máquina primária ou na corrente de campo não mais ocasionarão 
alterações na frequência e na tensão terminal, respectivamente, pois estas 
serão mantidas com os mesmos valores do barramento, devido à sua grande 
inércia. Essas alterações então afetarão as potências reativas e ativas, dei-
xando, assim, o sistema com apenas duas variáveis de saída (ELGERD, 1976).
Para que um gerador possa ser conectado a um barramento infinito, 
ou simplesmente em paralelo a outro gerador, certas condições devem ser 
atendidas. Elas são chamadas de condições de sincronismo, pois representam 
o sincronismo do gerador com o barramento infinito. De acordo com Elgerd 
(1976), os critérios a seguir, entre o gerador e o barramento infinito, devem 
ser satisfeitos para que ocorra a conexão ao sistema:
a) possuir a mesma frequência e a mesma sequência de fase;
b) possuir o mesmo módulo de tensão;
c) tensões deverão estar em fase, sem diferença angular entre a tensão 
da rede e do gerador.
A condição a) é atingida por controle da velocidade angular da máquina pri-
mária; b) é obtido por meio de alterações da corrente de campo do gerador; e c) 
por meio da correta ligação das fases do gerador com o barramento infinito.
Essas condições estão ilustradas na Figura 7.
Figura 7. Condições de sincronismo.
Controle de tensão no gerador síncrono8
Na Figura 7, UR, US e UT são as tensões de fase do barramento, e UU, UV e 
UW são as tensões terminais do gerador. A tensão em fase, sem diferença de 
tensão entre gerador e barramento, ocorrerá quando ΔU (diferença de tensão) 
for zero, ou muito próximo a zero (ELGERD, 1976).
Um experimento didático interessante e que remete aos controles manuais 
existentes no início das operações dos sistemas interligados é a técnica do fogo 
girante. Nessa técnica, são utilizadas lâmpadas entre as fases do gerador e do 
barramento infinito. Deve-se observar as lâmpadas acenderem e apagarem 
para poder atuar sobre a velocidade de giro do rotor e sobre a tensão terminal, 
através da corrente de campo, ajustando assim a frequência e a amplitude da 
tensão gerada, e realizar o acoplamento do gerador ao barramento no momento 
correto, quando as lâmpadas apagarem, demonstrando então que não há 
diferença de potencial entre o gerador e o sistema (ELGERD, 1976).
A Figura 8 apresenta o esquema de ligação considerando a técnica do 
fogo girante.
Figura 8. Ligação do gerador ao sistema.
Fonte: Adaptada de Elgerd (1976).
No entanto, a operação prática não utiliza métodos manuais, a verificação 
eletrônica de sincronismo é precisa e coíbe manobras arriscadas que pode-
riam trazer enorme risco ao gerador e aos operadores. Para os equipamentos 
comerciais, existe uma função de verificação de sincronismo já estabelecida, 
Controle de tensão no gerador síncrono 9
que atuará sobre o disjuntor que faz o acoplamento entre o gerador e o barra-
mento infinito. De acordo com o American National Standards Institute (ANSI), 
a função “25” é relativa aos relés de verificação de sincronismo (SCHWEITZER 
ENGINEERING LABORATORIES, 2020).
O RT, ou AVR, como já dito, é o equipamento responsável pela excitação 
dos geradores síncronos, atuando diretamente na corrente de campo. Quando 
o gerador está operando a vazio, ele é responsável por ajustar a tensão de 
saída para o nível desejado, e quando o gerador está trabalhando interligado 
a um barramento infinito, o regulador é responsável pelo controle de potência 
reativa e pela estabilidade da máquina (FINCH et al., 1991).
As excitatrizes com escovas eram os primeiros sistemas de excitação 
de campo. Atualmente, o sistema de excitação, controlado pelo 
regulador de tensão, é totalmente baseado em eletrônica de potência e sistemas 
de controle com malhas realimentadas, com consequente controle preciso da 
corrente de campo.
Um sistema de controle de tensão (RT) irá monitorar as variáveis de tensão 
terminal, de tensão de barramento, frequência e corrente de armadura e irá 
atuar sobre a corrente de campo (If) por meio de um sistema de controle, 
operando em malha fechada, que, por sua vez, irá atuar no sistema de excita-
ção eletrônico. Já um controlador de velocidade irá monitorar essas mesmas 
variáveis e atuará sobre a máquina primária, controlando a sua velocidade 
de rotação de forma mecânica (CHAPMAN, 2013).
A Figura 9 representa esse esquema de atuação.
Figura 9. Ligação do gerador ao sistema.
Controle de tensão no gerador síncrono10
Na Figura 9, é possível observar as variáveis de entrada do bloco de con-
trole e suas variáveis de saída, para atuação na corrente de campo e na 
velocidade de rotação.
Sistema de controle de tensão do gerador 
na prática
O controle da tensão, ou da potência reativa, é então baseado na ação dos 
blocos de controle do regulador de tensão (RT), ou AVR, que irá atuar sobre a 
corrente de campo. A Figura 10 apresenta essa representação, com o princípio 
de atuação de um RT.
Figura 10. Representação básica de um RT.
Fonte: Adaptada de Benmouyal (2007).
Na Figura 10, observa-se,ainda, a opção de utilização de regulador ma-
nual, em vez do regulador automático com blocos de controle. Essa opção 
não é recomendada devido às chances de falhas causadas pelo operador 
(BENMOUYAL, 2007).
Controle de tensão no gerador síncrono 11
Entretanto, as técnicas de controle empregadas nas malhas de controle 
podem variar de acordo com cada fabricante desses equipamentos. Existem, 
inclusive, padrões matemáticos de teste de estabilidade para os controles dos 
AVR. O padrão IEEE Std 421.5-2016 – Prática Recomendada IEEE para Modelos 
de Sistema de Excitação para Estudos de Estabilidade de Sistema de Potência 
(tradução livre de “IEEE Recommended Practice for Excitation System Models 
for Power System Stability Studies”) traz esses modelos matemáticos para 
os estudos e simulações dos sistemas de excitação e controle associados, 
incluindo os AVRs e controles suplementares como estabilizadores do sis-
tema de potência (PSS, do inglês power system stabilizers) (IEEE STANDARDS 
ASSOCIATION, 2016).
A Figura 11 mostra um dos modelos presentes no IEEE 421.5-2-16, apenas 
para ilustração.
Figura 11. Sistema de excitação modelado, padrão DC2C.
Fonte: Adaptada de IEEE Standards Association (2016).
O bloco da Figura 11 traz como saída EFD, que será a tensão aplicada no 
enrolamento de campo, alterando consequentemente a corrente de campo.
Controle de tensão no gerador síncrono12
O controle da tensão terminal, ou da potência reativa disponibilizada, 
por meio do controle da corrente de campo pode se dar de diversas for-
mas. Comercialmente pode ser utilizados blocos de controle tradicionais, 
como o PID (proporcional, integral, derivativo). A Figura 12 apresenta um 
exemplo de uso prático de um bloco de controle da corrente de campo 
utilizado em um AVR.
Figura 12. Modelo de controle de corrente de campo de um AVR.
Fonte: Adaptada de Automatronic (2010).
 O mesmo regulador de tensão (RT ou AVR) da Figura 12 também controlará 
a potência reativa (Q) do gerador síncrono por meio da ação sobre a corrente 
de campo. De mesmo modo, um bloco PID pode ser utilizado nesta malha de 
controle, conforme demonstrado na Figura 13.
Figura 13. Modelo de controle de reativos de um AVR.
Fonte: Adaptada de Automatronic (2010).
Controle de tensão no gerador síncrono 13
Os blocos de controle que operam o RT sempre deverão considerar as 
curvas de capabilidade do gerador síncrono sob controle, visto que 
essa curva define os limites operacionais do gerador e os limites de estabilidade 
em regime desse gerador.
Outras técnicas de controle podem ser utilizadas, como a phase locked 
loop (PLL) para o controle de um gerador conectado à rede, que se mostrou 
muito efetivo para sistemas desbalanceados (RODRIGUEZ et al., 2007). Diver-
sas outras técnicas são utilizadas, ou estudadas, e irão depender de cada 
aplicação específica.
Além disto, existem diversos equipamentos comerciais que realizam a 
função de RT de forma isolada ou de forma integrada com outras. O bloco 
de controle representado previamente na Figura 9 já apresenta o controle 
de tensão e velocidade em um único bloco, o que pode ocorrer na prática, 
com sistemas que integram RT e ARV em um único sistema.
O regulador ARVTI 2000, da empresa Automatronic, integra os regu-
ladores de velocidade e tensão, distintos, com comunicação interna 
entre eles, de modo que os dois possam controlar e monitorar a todo o instante. 
Após o ciclo de partida da máquina, ambos os reguladores operam em conjunto 
para que os níveis desejados possam ser alcançados, permitindo operação 
do gerador de modo paralelo, interligado ao SIN ou de forma independente 
(AUTOMATRONIC, 2010). Além deste, existem inúmeros outros fabricantes que 
oferecem soluções similares.
Ainda de forma comercial, e com foco em sistemas de geração de pequeno 
porte, a integração de funções pode ocorrer ainda com outro tipo de sistemas, 
como equipamentos que integram sistemas de proteção com os reguladores.
O relé 700GT da SEL é dedicado às aplicações de geração distribuída, 
possuindo, assim, funções de proteção e de controle para o lado do 
gerador e para o lado da concessionária. Esses relés permitem, ainda, que sejam 
executadas lógicas adicionais para o controle da unidade geradora, bem como 
funções específicas como o sincronismo automático (Figura 14).
Controle de tensão no gerador síncrono14
Figura 14. Ligação do relé multifunção ao sistema.
Fonte: Adaptada de Schweitzer Engineering Laboratories (2018).
Portanto, fica evidente o papel e a importância do AVR na operação e na 
estabilidade do gerador síncrono, tanto na etapa de sincronização desse 
gerador quanto na operação com carga alimentada diretamente ou conectada 
ao barramento infinito. As alterações no valor da corrente de campo (If) irão 
gerar alterações no valor da tensão terminal caso esteja operando de forma 
isolada, ou na potência reativa caso o gerador síncrono esteja operando de 
forma interligada ao barramento infinito; os blocos de controle empregados 
são parte de destaque nesse contexto.
Referências
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Controle de tensão no gerador síncrono16
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Controle de tensão no gerador síncrono 17