Máquinas hidráulicas

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Responsável: André Francisco
Valor: 3,0
Como controlar a velocidade de uma turbina hidráulica?
O regulador de velocidade na turbina hidráulica atua na velocidade e na potência ativa fornecida ao gerador e por fim ao sistema elétrico, que no caso do Brasil necessita operar em 60hz. 
O regulador atua no circuito hidráulico do distribuidor da turbina no caso das turbinas Francis e Kaplan, e no bico injetor no caso de turbinas Pelton, ele regula ao volume de água que entra na turbina onde a energia hidráulica é convertida em energia mecânica. 
Em hidrelétricas que utilizam turbinas Francis, a velocidade da turbina é controlada utilizando óleo sob pressão que sai da válvula distribuidora e chega aos servomotores, estes acionam simultaniamente um anel de regulação e este aciona todo o conjunto de bielas que mudam a direção das palhetas móveis do distribuidor abrido-as ou fechando-as.
Quais os equipamentos usados para esta finalidade?
Os reguladores de velocidade são divididos em três componentes principais: Circuito Hidráulico; Elétrico e Eletrônico.
Circuito Hidráulico: Fornece e acumula óleo pressurizado para acionar as válvulas do distribuidor da turbina. O circuito hidráulico gerencia o óleo e o movimento das válvulas diretrizes, essas válvulas direcionam o fluxo de óleo para os servos motores atuando no comando. 
O circuito hidráulico é comoposto pelos seguintes componentes:
Reservatório de óleo: Acumulador de òleo, local onde são instaladas as motobombas e válvulas do circuito de bombeamento 
Motobombas: Bomba de fuso, fornece vazão e pressão ao comando da movimentação do distribuidor.
Valvulas de retenção: Não permite reorno do óleo para o reservatório.
Valvulas comutadoras: Direciona o fluxo de óleo entre o reservatório de óleo e o trocador de calor.
Valvulas de descarga: É uma válvula de segurança, que é abreta em caso de exesso de pressão. 
Trocadores de Calor: Utilizado para resfriar o óleo. 
Acumulador de òleo e ar: Utilizado em situações de segurança, com ele é possível comandar o distribuidor em caso de queda de energia. 
Compressor de ar: Repõe a pressão do ar consumida no tanque. 
Válvulas de Intermitência: Controla a pressão no tanque de óleo.
Vaçvulade isolamento: Utilizada quando a turbina esta parada, ela isola parte do circuito hidráulico que aciona o distribuidor.
Sistema de regulação: Movimenta o distribuidor, utilizado o óleo pressurizado. 
Válvula distribuidora: após receber o sinal do atuador ela executa os comando hidráulicos de fechamento e abertura das pás através do servo motor. 
Bobina de imersão: Trandutor eletro-hidráulico, após receber o sinal do regulador de velocidade emite um comando para abrir ou fechar as pás.
Filtro de óleo: evita que impurezas chegem à bobina de imersão. 
Êmbolo de travamento mecânico: Em caso de rejeição de carga, controle da frequência da tensão elétrica o êmbolo trava a válvula distribuidora na posição fechada. 
Vàlvula de Segurança: Em casos de emergência o distribuidor pode ser fechado imediatamente através da válvula de segurança.
Válvula de comando de emergência: Comanda o movimento da da válvula de emergência 
Válvula de bloqueio: Trava e destrava as palhetas diretrizes ligadas às válvula distribuidora.
Servomotores: São os motores que geram movimento ao aro de regulação. 
Aro de regulação: Transmite movimento do servo motor para os bicos injetores ou palhetas diretrizes
Dispositivo de sobrevelocidade: atua em conjunto com a válvula de emergência, caso a rotação atinge numero acima do limite é acionada e direciona o óleo sob pressão para ajustar a velocidade. 
Redutor de pressão: Reduzir a presão disponível ao atuador; 
Transdutores de posição: Garante a estabilidade e qualidade do sistema.
Bomba do mancal escora: Mancais aconcionam os movimentos mecânicos dos eixos, a bomba do mancal fornece suporte axial ao rotor da turbina.
 
 
Circuito Elétrico: São os acionadores dos elementos hidráulicos como motores e fonte de alimentação, também indicadores de processo como nível de óleo e pressão.
Controle do compressor de ar
Controle do grupo moto bomba 
Controle do acumulador de ar-óleo
Nível de óleo do acumulador 
Posição da válvula de isolamento
Pressão de óleo no regulador 
Acionamento das moto bombas
Circuito Eletrônico: Emite sinais eletrônicos para os atuadores, informando a necessidade fechamento e abertura das palhetas diretrizes ou bicos injetores.
 No circuito eletrônico que são verificados:
 
Verificar o erro de velocidade agregado ao sistema;
 Fornecer características de estatismo; 
 Controle da potência ativa disponível ao sistema elétrico;
 Ajuste do valor de referência;
 Característica PID do compensador.
 
Principais componentes eletrônicos do circuito
 
Controlador Lógico programável (CLP): Executa a lógica da programação, enviando sisnais para os atuadores;
Interface humano-máquina: Realiza a comunicação do homem e a máquina atrés de tela de inteface; assim é possível fazer a supervisão das grandezas associadas à turbina como alarmes, velocidade, abertura do distribuidor, rotação, etc;
Fonte de alimentação: 
Trandutores de posição do distribuidor: dispositivo que atua como sonar indicando a posição do distribuidor; 
Transdutores de potência: Capta sinais de tensão e corrente e consegue gerar de 2 à 10V, sendo possível controlar a potência ativa demandada.
Relés: 
Interface de comunicação serial 
Disjuntores 
Componentes para interface de sinais 
Dispositivo de seleção do tipo de controle 
Dispositivo de ajuste dos valores de referência (potência frequência, abertura do distribuidor e rotação da turbina).
 
Esquema de controle turbina Francis
Para controlar a velocidade de uma turbina usa-se uma válvula proporcional (como mostra na imagem abaixo) ou um regulador de pressão unido a um sensor de leitura ótico para medir a rotação (anel fechado). 
 
 
Como se comporta o rendimento da turbina quando está velocidade é controlada?
Otimizar o rendimento da turbina, evitando desgastes desnecessários do equipamento e controlando o fluxo do fluido ao longo do processo. Pesquisar no google.
 
No Sistema Elétrico Brasileiro o estatismo é ajustado em 5% em todos reguladores, o que significa uma variação de 3 Hz (5% de 60Hz) na frequência do sistema, provoca uma variação de 100% na potência ativa gerada. Normalmente a variação é da ordem de décimos de Hz o que permite uma ação efetiva dos reguladores de velocidade. Variação da ordem de 3 Hz correspondente à carga total do sistema e consequentemente conduz a um Black-out (FUTIKAMI et al., 2003). Se a frequência da máquina estabilizar em 59,7 Hz houve uma perda de geração de 20% e automaticamente cada unidade terá que gerar uma potência adicional de 20%. Se a frequência estabilizar em 60,3 Hz ocorre um excesso de geração de 20% e cada unidade geradora terá que reduzir em 20% o valor de sua potência ativa. O valor de 5% para ajuste de regulação de velocidade e estatismo é dado pela ONS para todos os reguladores de velocidade interligados no sistema elétrico nacional (FUTIKAMI et al., 2003).
 
- https://nupet.daelt.ct.utfpr.edu.br/tcc/engenharia/doc-equipe/2012_1_05/2012_1_05_monografia.pdf