Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Ele´trica Curso de Graduac¸a˜o em Engenharia Ele´trica INTRODUC¸A˜O AOS SISTEMAS DE ENERGIA ELE´TRICA Prof. R. S. Salgado Floriano´polis - SC 2012. Suma´rio 1 Sistemas Trifa´sicos 1 1.1 Introduc¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Conexa˜o Balanceada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia 13 2.1 Introduc¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Diagrama Unifilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3 O Sistema Por Unidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Selec¸a˜o dos valores base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.2 Base em Termos de Valores Trifa´sicos . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.3 Mudanc¸a de Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4 Ma´quinas S´ıncronas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.1 Circuitos Equivalentes e Diagramas Fasoriais . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.2 Controle de Poteˆncia da Ma´quina S´ıncrona . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.3 Curva de Capabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.4 Controle de Tensa˜o do Gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5 Transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5.1 Circuito Equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5.2 Autotransformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.5.3 Transformadores Trifa´sicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.5.4 Transformadores de Treˆs Enrolamentos . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.5.5 Transformadores Com Tap Varia´vel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.6 Linhas de transmissa˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.7 Cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.7.1 Modelo Exponencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.7.2 Modelo Polinomial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.8 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3 Operac¸a˜o das Linhas de Transmissa˜o 61 3.1 Introduc¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.2 Paraˆmetros das linhas de transmissa˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.3 Representac¸a˜o das linhas de transmissa˜o por um quadripolo . . . . . . . . 62 3.4 Equac¸o˜es diferenciais da linha de transmissa˜o . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.5 Transfereˆncia de Poteˆncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.6 Curvas PV e QV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.7 Linhas de transmissa˜o com perdas desprez´ıveis . . . . . . . . . . . . . . . . 76 ii SUMA´RIO 3.8 Fluxo de Poteˆncia em Linhas de Transmissa˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.9 Compensac¸a˜o de Linhas de Transmissa˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.10 Desempenho das linhas de transmissa˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.11 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4 Fluxo de Poteˆncia 101 4.1 Introduc¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2 Conceitos Ba´sicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.3 Equac¸o˜es Esta´ticas da Rede Ele´trica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.4 Formulac¸a˜o do Problema de Fluxo de Poteˆncia . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.5 Me´todos de Soluc¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.6 Ajustes e Controles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.7 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5 Ana´lise de Curto Circuito 137 5.1 Introduc¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.2 Curto-Circuito em Sistemas de Poteˆncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.3 Ma´quina S´ıncrona sob Curto-Circuito Trifa´sico . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.4 Curto-Circuito Trifa´sico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.5 Capacidade de Curto-Circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 5.6 Componentes Sime´tricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.7 Representac¸a˜o no Domı´nio de Sequ¨eˆncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 5.8 Faltas Assime´tricas num Gerador a` Vazio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 5.9 Ana´lise de Faltas Assime´tricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 5.10 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Cap´ıtulo 1 Sistemas Trifa´sicos 1.1 Introduc¸a˜o A teoria de sistemas trifa´sicos e´ usada no estudo da operac¸a˜o das redes de energia ele´trica em regime permanente. Os equipamentos utilizados na operac¸a˜o desses sistemas sa˜o na sua maioria trifa´sicos, o que facilita em muitos casos a aplicac¸a˜o da teoria apresentada neste cap´ıtulo. Sob condic¸o˜es de curto circuito assime´trico ou mesmo quando uma carga desequilibrada e´ suprida, as correntes e tenso˜es fasoriais sa˜o desbalanceadas, o que requer um esforc¸o computacional maior na sua determinac¸a˜o. As sec¸o˜es subsequ¨entes mostram os me´todos de soluc¸a˜o dos circuitos trifa´sicos, com eˆnfase na representac¸a˜o desses sistemas atrave´s da sua decomposic¸a˜o em Componentes Sime´tricos. 1 1.2 Conexa˜o Balanceada Carga conectada em Y A figura 1.1 mostra uma fonte de tensa˜o trifa´sica, conectada em Y , alimentando uma carga trifa´sica balanceada (ou equilibrada, sime´trica) conectada em Y . A fonte e´ suposta ideal e portanto a sua impedaˆncia e´ desprezada. As tenso˜es fase-neutro sa˜o balanceadas, ou seja, iguais em magnitude e defasadas de 1200. Considerando a sequ¨eˆncia de fase positiva (ou abc) e tomando o fasor Van como refereˆncia, as tenso˜es complexas sa˜o expressas por Van = Van∠00 = Vf∠00 Vbn = Vbn∠− 1200 = Vf∠− 1200 Vcn = Vcn∠1200 = Vf∠1200 onde Vf e´ a magnitude da tensa˜o fase-neutro. 1Alguns dos exerc´ıcios propostos no final deste cap´ıtulo foram baseados em [1] e [2]. 2 Cap´ıtulo 1: Sistemas Trifa´sicos + - Vcn + - Van - + Vbn Ic Ia Ib ZY ZY ZY n N Figura 1.1: Carga trifa´sica balanceada conectada em Y Do circuito da figura 1.1, as tenso˜es de linha (ou fase-fase) sa˜o dadas por Vab = Van −Vbn = Vf∠00 − Vf∠− 1200 = Vf (1∠00 − 1∠− 1200) = √ 3Vf∠300 Vbc = Vbn −Vcn = Vf∠− 1200 − Vf∠1200 = Vf (1∠− 1200 − 1∠1200) = √ 3Vf∠− 900 Vca = Vcn −Van = Vf∠1200 − Vf∠00 = Vf (1∠1200 − 1∠00) = √ 3Vf∠1500 Portanto, em sistemas trifa´sicos, balanceados, conectados em Y e com sequ¨eˆncia de fase positiva, Vab = √ 3Van∠300 Vbc = √ 3Vbn∠300 Vca = √ 3Vcn∠300 (1.1) isto e´, R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 3 • os fasores tensa˜o de linha possuem mo´dulo igual a √3 vezes a magnitude dos fasores tensa˜o fase-neutro (VL = √ 3Vf ); • os fasores tensa˜o de linha sa˜o adiantados de 300 em relac¸a˜o aos correspondentes fasores tensa˜o fase-neutro. Desde que as tenso˜es fase-fase formam um triaˆngulo que representa um caminho fechado, a sua soma e´ zero, mesmo para sistemas desbalanceados; isto e´, Vab +Vbc +Vca = 0 e de maneira ana´loga, Van +Vbn +Vcn = 0 A diferenc¸a de potencial entre os pontos neutros do gerador e da carga (figura 1.1) e´ Vn −VN = VnN = 0. As correntes de linha podem ser obtidas aplicando-se a lei da tenso˜esde Kirchhoff e supondo que a impedaˆncia de cada ramo da carga conectada em Y e´ ZY = ZY∠θ, o que resulta em Ia = Van ZY = Vf∠00 ZY∠θ = IL∠− θ Ib = Vbn ZY = Vf∠− 1200 ZY∠θ = IL∠− 1200 − θ Ic = Vcn ZY = Vf∠+ 1200 ZY∠θ = IL∠+ 1200 − θ onde IL = Vf ZY e´ a magnitude da corrente de linha. As correntes de linha do sistema trifa´sico mostrado na figura 1.1 sa˜o iguais em mag- nitude e defasadas de 1200 e por isso tambe´m sa˜o balanceadas. A corrente no neutro e´ dada por In = Ia + Ib + Ic e e´ nula para o circuito trifa´sico em questa˜o. Se o sistema e´ balanceado, a corrente no neutro e´ zero para qualquer valor de impedaˆncia variando desde curto-circuito ate´ circuito aberto. Se o sistema na˜o e´ balanceado, as correntes de linha na˜o sera˜o balanceadas e uma corrente na˜o nula flui entre os pontos n e N . 4 Cap´ıtulo 1: Sistemas Trifa´sicos A poteˆncia complexa em cada ramo da carga e´ dada por Sa = VanI ∗ a = VfIL∠θ Sb = VbnI ∗ b = Vf∠− 1200IL∠1200 + θ = VfIL∠θ Sc = VcnI ∗ c = Vf∠+ 1200IL∠− 1200 + θ = VfIL∠θ e a poteˆncia complexa trifa´sica e´ expressa como S3φ = Sa + Sb + Sc = 3VfIL∠θ = 3 VL√ 3 IL∠θ e portanto S3φ = √ 3VLIL∠θ (1.2) Carga conectada em ∆ A figura 1.2 mostra um sistema trifa´sico, com a fonte conectada em Y e a carga conectada em ∆. A carga e´ representada por uma impedaˆncia Z∆ = Z∆∠θ. Adotando-se a mesma sequ¨eˆncia de fases (positiva) e o mesmo fasor de refereˆncia angular (Van) do caso anterior, as correntes em cada ramo da conexa˜o ∆ sa˜o dadas por Iab = Vab Z∆ = √ 3Vf∠300 Z∆∠θ Ibc = Vbc Z∆ = √ 3Vf∠− 900 Z∆∠θ Ica = Vca Z∆ = √ 3Vf∠1500 Z∆∠θ Essas correntes sa˜o balanceadas para qualquer valor do aˆngulo da impedaˆncia Z∆ e possuem magnitude igual a If = √ 3Vf Z∆ . R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 5 + - Vcn + - Van - + Vbn Ic Ia Ib Z∆ Z∆ Z∆ Figura 1.2: Carga trifa´sica balanceada conectada em ∆ As correntes de linha sa˜o equilibradas e podem ser determinadas atrave´s da aplicac¸a˜o da lei das correntes de Kirchhoff; isto e´, Ia = Iab − Ica = √ 3If∠− θ Ib = Ibc − Iab = √ 3If∠− θ − 1200 Ic = Ica − Ibc = √ 3If∠− θ − 2400 ou, alternativamente, Ia = √ 3Iab∠− 300 Ib = √ 3Ibc∠− 300 Ic = √ 3Ica∠− 300 (1.3) Portanto, para uma carga balanceada conectada em ∆ e suprida com tenso˜es trifa´sicas balanceadas em sequ¨eˆncia de fase positiva, • a magnitude das correntes de linha e´ igual a √3 vezes a magnitude das correntes nos ramos da conexa˜o ∆; • os fasores correntes de linha esta˜o atrasados de 300 em relac¸a˜o aos fasores corre- spondentes a`s correntes nas fases do ∆. No caso da carga equilibrada conectada em ∆, a poteˆncia complexa em cada fase e´ 6 Cap´ıtulo 1: Sistemas Trifa´sicos dada por Sab = VabI ∗ ab = VL∠300If∠− 300 + θ = VLIf∠θ Sbc = VbcI ∗ bc = VL∠− 900If∠+ 900 + θ = VLIf∠θ Sca = VcaI ∗ ca = VL∠1500If∠− 1500 + θ = VLIf∠θ e a poteˆncia complexa trifa´sica e´ expressa como S3φ = Sa + Sb + Sc = 3VfIL∠θ = 3 VL√ 3 IL∠θ e portanto S3φ = √ 3VLIL∠θ que e´ a mesma representada pela Eq. (1.2). Das equac¸o˜es deduzidas anteriormente, o mo´dulo da impedaˆncia da carga conectada em Y e´ dada por ZY = Vf√ 3If e da carga conectada em ∆ e´ expressa como Z∆ = √ 3Vf If Se as cargas conectadas em Y e ∆ sa˜o equivalentes, a combinac¸a˜o dessas equac¸o˜es fornece a relac¸a˜o ZY = Z∆ 3 Na soluc¸a˜o de circuitos trifa´sicos balanceados, apenas uma fase precisa ser analisada. As conexo˜es ∆ sa˜o convertidas em Y , com o neutro das cargas e dos geradores aterrados por um condutor de impedaˆncia infinita. Com este artif´ıcio, o circuito correspondente a uma fase e´ resolvido e as correntes e tenso˜es nas outras fases sa˜o iguais em magnitude a da fase em ana´lise e defasadas de 1200. R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 7 Ex. 1.1 Um alimentador trifa´sico, operando na tensa˜o de 380 V, supre uma carga bal- anceada conectada em ∆, constitu´ıda por treˆs impedaˆncias iguais a 24 + j18 Ω/fase. A linha que conecta a fonte e a carga tem uma impedaˆncia igual a Zl = 0, 087 + j0, 996 Ω/fase. Adote o fasor tensa˜o Vab como refereˆncia, a sequ¨eˆncia de fases positiva (abc) e determine: 1. os fasores corrente de linha e em cada fase do ∆; 2. as tenso˜es complexas nos terminais da carga e a queda de tensa˜o na linha de trans- missa˜o; 3. as poteˆncias complexas absorvida pela carga e fornecida pela fonte, a perda de poteˆncia ativa e reativa no sistema de transmissa˜o; 4. os fatores de poteˆncia com que operam a fonte e a carga; 5. o balanc¸o de poteˆncia do sistema trifa´sico; 6. o diagrama fasorial das correntes e tenso˜es; 7. o rendimento e a regulac¸a˜o do sistema de transmissa˜o; 8. a compensac¸a˜o reativa necessa´ria para tornar o fator de poteˆncia da carga 0,9 atrasado; 9. o valor da impedaˆncia por fase correspondente a compensac¸a˜o calculada no item anterior, supondo que a magnitude da tensa˜o na carga e´ mantida constante. 1.3 Exerc´ıcios 1.1 Um alternador trifa´sico com valores de placa 25 kVA, 380 volts, 60 Hz opera sob condic¸o˜es balanceadas, suprindo uma corrente de linha de 20A por fase, com fator de poteˆncia 0,8 atrasado e tensa˜o nominal. 1. Determinar o triaˆngulo de poteˆncias nesta condic¸a˜o de operac¸a˜o. 2. Determinar a impedaˆncia da carga por fase: • se a carga esta´ conectada em Y ; • se a carga esta´ conectada em ∆. 1.2 Considere duas cargas balanceadas, ambas conectadas em Y , uma absorvendo 10 kW a um fator de poteˆncia 0,8 atrasado e a outra absorvendo 15 kW a um fator de poteˆncia 0,9 atrasado. Estas cargas sa˜o conectadas em paralelo e supridas por uma fonte trifa´sica balanceada numa tensa˜o de 480 V. 1. Determine os fasores corrente na fonte. 2. Qual o fator de poteˆncia da carga total e da fonte sob essa condic¸a˜o de operac¸a˜o? 8 Cap´ıtulo 1: Sistemas Trifa´sicos 3. Se o neutro da carga e´ conectado ao neutro da fonte por um condutor de impedaˆncia nula, qual a corrente neste condutor? 1.3 Treˆs impedaˆncias iguais a 30∠300 Ω, conectadas em ∆, sa˜o supridas por uma fonte de tensa˜o trifa´sica balanceada de 220 V, atrave´s de treˆs condutores ideˆnticos com impedaˆncia 0,8+j0,6 Ω por fase. 1. Calcule a tensa˜o fase-fase nos terminais da carga; 2. Calcule a poteˆncia complexa total fornecida pela fonte e as perdas de poteˆncia nas linhas de transmissa˜o; 3. Repita os itens anteriores supondo que um banco de capacitores em ∆ com impedaˆncia de -60j S/fase esta´ conectado em paralelo com a carga. Quais as vantagens desta condic¸a˜o em termos de magnitude da tensa˜o na carga, correntes na rede trifa´sica e perdas no sistema de transmissa˜o? 1.4 Num sistema trifa´sico balanceado, dois geradores suprem uma carga atrave´s de duas linhas de transmissa˜o. A carga absorve 30 kW a um fator de poteˆncia 0,8 atrasado. As impedaˆncias das linhas de transmissa˜o entre os geradores G1 e G2 e a carga sa˜o respectivamente 1,4+j1,6 Ω/fase e 0,8+j1,0 Ω/fase. Se o gerador G1 supre 15 Kw a um fator de poteˆncia 0,8 atrasado e a uma tensa˜o de 460 V, determine: 1. a tensa˜o nos terminais da carga e nos terminais do gerador G2; 2. as poteˆncias ativa e reativa suprida pelo gerador G2; 3. as perdas de poteˆncia ativa e reativa nas linhas de transmissa˜o. 1.5 Os terminais de uma fonte trifa´sica sa˜o denotados por a, b e c. Entre qualquer par de terminais um volt´ımetro mede 115 V. Um resistor de 100 Ω e uma reataˆncia capacitiva de 100 Ω na frequ¨eˆncia da fonte esta˜o conectados em se´rie de a para b, com o resistor conectado em a. O ponto de conexa˜o desses elementos entre si e´ denotado por n. Determine geometricamente a leitura do volt´ımetro entre os terminais c e n, nas sequ¨encias de fasepositiva (abc) e negativa (acb). 1.6 Determine a corrente fornecida por uma linha de transmissa˜o trifa´sica, com impedaˆncia igual a 0,3+j1,0 Ω/fase, a um motor trifa´sico de 15 HP, operando a plena carga, com 90 % de rendimento, fator de poteˆncia de 80 % em atraso e tensa˜o de 440 V. Calcule a magnitude da tensa˜o e a poteˆncia complexa na entrada da linha de transmissa˜o, e a poteˆncia complexa absorvida pela mesma. (1 HP(horse power) = 745,7 watts.) 1.7 Uma carga ∆ equilibrada, composta de resisteˆncias de 15 Ω/fase, esta´ em paralelo com uma carga Y equilibrada com impedaˆncia de 8+j6 Ω/fase. O sistema de transmissa˜o que conecta as cargas a uma fonte trifa´sica de 110 V e´ constitu´ıdo por linhas de trans- missa˜o com impedaˆncia de 2+j5 Ω/fase. Determinar a corrente absorvida da fonte, a tensa˜o de linha no ponto correspondente a combinac¸a˜o das cargas e a poteˆncia complexa total (com o respectivo fator de poteˆncia) fornecida pelo gerador. R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 9 1.8 Uma planta industrial necessita instalar um compressor para recalcar a´gua de um poc¸o semi-artesiano. O compressor e´ alimentado por uma linha trifa´sica, conectada no secunda´rio do transformador da subestac¸a˜o de suprimento local. A tensa˜o no secunda´rio do transformador trifa´sico e´ de 220 V, a corrente absorvida pelo motor do compressor e´ de 100 A, com fator de poteˆncia 0,7 indutivo, e a linha trifa´sica tem uma impedaˆncia de 0,1 +j 0,05 Ω/fase. Determine: 1. os fasores das tenso˜es de fase e de linha no motor e no secunda´rio do transformador; 2. as poteˆncias ativa e reativa absorvidas pelo motor do compressor e fornecidas pelo secunda´rio do transformador; 3. a capacidade de um banco trifa´sico de capacitores que deve ser ligado em paralelo com o motor do compressor a fim de que o conjunto trabalhe com fator de poteˆncia 0,9 indutivo; 4. as poteˆncias ativa e reativa fornecidas pelo secunda´rio do transformador, nas condic¸o˜es de operac¸a˜o do item anterior, supondo que tensa˜o no conjunto compensac¸a˜o-carga permanece constante. 1.9 Uma carga trifa´sica absorve 250 kW com um fator de poteˆncia de 0,707 em atraso atrave´s de uma linha de transmissa˜o trifa´sica de 400 V. Esta carga esta´ conectada em paralelo com um banco trifa´sico de capacitores de 60 kVar. Determinar a corrente total fornecida pela fonte e o fator de poteˆncia resultante. Repita estes ca´lculos excluindo o banco de capacitores e compare os valores da corrente fornecida pela fonte. 1.10 Um motor trifa´sico absorve 20 kVA com fator de poteˆncia de 0,707 em atraso, de uma fonte de 220 V. Especifique os valores nominais (em kVar) de um banco trifa´sico de capacitores, necessa´rio para elevar o fator de poteˆncia do conjunto carga-banco a 0,90 em atraso. Determine a corrente de linha antes e depois da adic¸a˜o do banco de capacitores, supondo que a magnitude da tensa˜o da fonte permanece constante. 1.11 Um motor de induc¸a˜o trifa´sico requer 6 kW com o fator de poteˆncia 0,8 em atraso. Determinar os valores de um banco de capacitores conectados em Y de forma a produzir um fator de poteˆncia unita´rio no sistema, quando colocado em paralelo com o motor, num sistema balanceado de 250 V e frequ¨eˆncia de 60 Hz. 1.12 Um sistema trifa´sico balanceado de 450 V alimenta duas cargas conectadas em paralelo. A primeira esta´ conectada em Y e possui uma impedaˆncia de 20-j10 Ω/fase enquanto a segunda esta´ ligada em ∆ e possui impedaˆncia de 15+j30 Ω/fase. Determinar a corrente de linha, a poteˆncia fornecida a` cada carga e os fatores de poteˆncia individual e do conjunto de cargas. 1.13 Uma carga balanceada em ∆ e´ alimentada por um sistema trifa´sico de 240 V. A corrente de linha e´ 10 A. Um watt´ımetro com sua bobina de corrente em uma linha e sua bobina de tensa˜o entre as outras duas linhas registra a poteˆncia de 1500 W. Determinar a impedaˆncia da carga. 10 Cap´ıtulo 1: Sistemas Trifa´sicos 1.14 Duas cargas trifa´sicas associadas em paralelo sa˜o supridas por uma fonte atrave´s de um sistema de transmissa˜o de impedaˆncia igual a 0,1+j1,0 Ω/fase. A primeira carga e´ um motor de 7,5 kW, fornecendo a sua poteˆncia nominal, numa tensa˜o de 440 V, com rendimento de 90% e fator de poteˆncia 0,8 em atraso. A segunda carga e´ representada por treˆs impedaˆncias de 20,0+j50,0 Ω, conectadas em ∆. Calcular: 1. a corrente de linha qua alimenta a carga total; 2. o valor da tensa˜o na fonte; 3. as perdas de poteˆncia ativa e reativa (por fase) na linha de transmissa˜o; 4. a poteˆncia complexa fornecida pela fonte com o correspondente fator de poteˆncia; 5. o diagrama fasorial das correntes e tenso˜es na carga total. 1.15 Um gerador trifa´sico operando na tensa˜o de 380 volts supre, atrave´s de uma linha de transmissa˜o com impedaˆncia 0,1 + j1,0 Ω/fase, uma carga trifa´sica que absorve uma corrente de 50 Ampe´res com fator de poteˆncia 0,8 em atraso. Supondo sequ¨eˆncia de fases positiva e tomando o fasor tensa˜o fase-neutro na fase a da carga como refereˆncia, determinar: 1. os fasores tensa˜o de fase e de linha na carga e no gerador; 2. as poteˆncias ativa e reativa na carga e no gerador; 3. a impedaˆncia por fase de uma conexa˜o ∆, que associada em paralelo com a carga torna unita´rio o fator de poteˆncia desta; 4. a magnitude da corrente fornecida pelo gerador apo´s a adic¸a˜o da compensac¸a˜o reativa, supondo constante a magnitude da tensa˜o do gerador. 1.16 Duas cargas trifa´sicas conectadas em paralelo sa˜o supridas por um gerador s´ıncrono, com bobinas da armadura conectadas em Y e reataˆncia s´ıncrona de 0,5 Ω/fase, atrave´s de uma linha de transmissa˜o de impedaˆncia 0,5 + j0,5 Ω/fase. A tensa˜o interna do gerador e´ 380 V. A carga 1 consiste de treˆs impedaˆncias de 6,0 + j9,0 Ω conectadas em ∆ e a carga 2 e´ composta de treˆs admitaˆncias de 0,12+j0,16 S conectadas em Y. Supondo sequ¨eˆncia de fases positiva e adotando o fasor tensa˜o Vab como refereˆncia, determinar: 1. os fasores corrente na linha de transmissa˜o; 2. a poteˆncia complexa suprida a` carga; 3. a perda de poteˆncia complexa na linha de transmissa˜o; 4. o fator de poteˆncia com que opera cada uma das cargas, a carga total e o gerador s´ıncrono; 5. os fasores corrente em cada fase da carga conectada em ∆. R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 11 1.17 Num sistema trifa´sico, um gerador s´ıncrono com valores de placa: 200 MVA, 16 kV, bobinas da armadura conectadas em Y com reataˆncia s´ıncrona de 3 Ω/fase e fator de poteˆncia 0,8 atrasado, supre uma carga trifa´sica, na tensa˜o nominal, atrave´s de um sistema de transmissa˜o de impedaˆncia desprez´ıvel. A carga consome 100 MVA com fator de poteˆncia 0,8 em avanc¸o. Adotando a sequ¨eˆncia de fases positiva e o fasor Van como refereˆncia, calcular: 1. o triaˆngulo de poteˆncia da carga; 2. os fasores corrente de linha que suprem a carga; 3. a impedaˆncia por fase correspondente a` carga, supondo esta conectada em ∆; 4. a poteˆncia complexa fornecida pelo gerador com o correspondente fator de poteˆncia; 5. o diagrama fasorial das correntes e tenso˜es trifa´sicas na sa´ıda do gerador s´ıncrono; 6. a compensac¸a˜o reativa necessa´ria pata tornar o fator de poteˆncia da carga compen- sada igual a 0,95 adiantado. 12 Cap´ıtulo 1: Sistemas Trifa´sicos Cap´ıtulo 2 Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia 2.1 Introduc¸a˜o Em estudos de redes ele´tricas em regime permanente, os sistemas trifa´sicos equilibrados sa˜o modelados analiticamente pelo diagrama de impedaˆncias de uma fase do circuito Y equivalente. Cada elemento constituinte do diagrama unifilar e´ representado por um cir- cuito monofa´sico de sequ¨eˆncia positiva, com os paraˆmetros e varia´veis da rede ele´trica expressos no sistema por unidade. Este cap´ıtulo mostra como este circuito e´ determi- nado. Para esta finalidade, treˆs aspectos fundamentais sa˜o apresentados.O primeiro e´ o diagrama unifilar, que fornece uma ide´ia sobre a estrutura e a conexa˜o dos componentes do sistema, e a` partir do qual e´ poss´ıvel determinar o diagrama de impedaˆncias. O se- gundo e´ a representac¸a˜o do diagrama de impedaˆncias no sistema por unidade, o qual tem por objetivo facilitar os ca´lculos de correntes e tenso˜es no circuito ele´trico. O terceiro e´ a modelagem anal´ıtica dos componentes da rede ele´trica em termos de elementos de circuitos. Isto permite obter um modelo do sistema de poteˆncia em termos de equac¸o˜es obtidas aplicando-se as leis de circuitos ele´tricos, cuja soluc¸a˜o fornece os subs´ıdios para a ana´lise da rede ele´trica. 2.2 Diagrama Unifilar O diagrama unifilar e´ um tipo de representac¸a˜o dos sistemas de poteˆncia que fornece de maneira concisa as informac¸o˜es significativas sobre o mesmo. Os padro˜es utilizados para este tipo de representac¸a˜o foram institu´ıdos pela ANSI (American National Standards Institute) e pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers). Alguns dos principais s´ımbolos utilizados para construir o diagrama unifilar sa˜o mostrados na tabela 2.1. A figura 2.2 apresenta um exemplo de diagrama unifilar no qual os ı´ndices 1 e 2 situados sobre as linhas verticais indicam as duas barras do sistema. As bobinas da armadura dos geradores G1, G2 e G3 esta˜o conectadas em Y com o neutro aterrado atrave´s das impedaˆncias Zng1 , Zng2 e Zng3 . Os geradores G1 e G2 e a carga 1 esta˜o conectados ao mesmo barramento e portanto sujeitos a mesma tensa˜o. De maneira ana´loga, o gerador 14 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia Maquina rotativa Transformador de dois enrolamentos Transformador de treˆs enrolamentos Disjuntor Transformador de corrente ou Transformador de potencial A V Fus´ıvel Disjuntor a ar Conexa˜o Delta Conexa˜o Y sem aterramento Conexa˜o Y Zn aterrado com Zn Conexao Y solidamente aterrado Amper´ımetro Volt´ımetro Figura 2.1: Diagrama unifilar - Principais s´ımbolos 1 2 Carga 1 G2 G1 T1 LT T2 G3 Carga 2 Zng2 Zng1 Zng3 Figura 2.2: Diagrama unifilar - Exemplo G3 impo˜e a tensa˜o na barra 2, a` qual esta´ conectada a carga 2. Supondo que a linha de transmissa˜o que conecta os transformadores T1 e T2 e´ de comprimento me´dio, o circuito monofa´sico equivalente ao diagrama unifilar mostrado na figura 2.2 e´ determinado lembrando que a magnitude da corrente de magnetizac¸a˜o dos transformadores de grande porte e´ insignificante em relac¸a˜o a` magnitude da corrente nominal (em geral menor do R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 15 que 5 %) e portanto o ramo transversal do transformador e´ desprezado. Ale´m disso, a impedaˆncia de aterramento dos geradores conectados em Y na˜o e´ inclu´ıda, pois sob condic¸o˜es de operac¸a˜o balanceada em regime permanente a corrente que flui do neutro dos geradores para a terra e´ nula. 2.3 O Sistema Por Unidade Uma quantidade no sistema por unidade (pu) e´ definida como a raza˜o entre o valor real da grandeza e o valor base da mesma grandeza selecionado como refereˆncia; isto e´ Quantidade em p.u. = V alor real (volts, amps, ohms, watts, ...) V alor base (volts, amps, ohms, volt− ampe`re, ...) Com relac¸a˜o a esta definic¸a˜o, os seguintes aspectos devem ser observados: • a quantidade em pu e´ adimensional; • o valor base e´ sempre um nu´mero real; • o aˆngulo de uma quantidade em pu e´ sempre o mesmo da quantidade verdadeira; • valor percentual = Valor p.u.× 100. 2.3.1 Selec¸a˜o dos valores base A escolha dos valores base e´ feita considerando um elemento gene´rico de circuito, no qual quatro quantidades inter-relacionadas (tensa˜o, corrente, impedaˆncia e poteˆncia) definem a referida especificac¸a˜o. O seguinte procedimento e´ adotado: 1. dois valores base (entre tensa˜o, corrente, impedaˆncia e poteˆncia) sa˜o arbitrariamente selecionados num determinado ponto do sistema; 2. os outros dois valores base sa˜o calculados utilizando-se as relac¸o˜es entre tensa˜o, corrente, impedaˆncia e poteˆncia num circuito monofa´sico. Por exemplo, se a tensa˜o e a poteˆncia sa˜o escolhidas como grandezas base (Vb e Sb), enta˜o os valores de corrente base e impedaˆncia base sa˜o calculados por Ib = Sb Vb Zb = Vb Ib ou Zb = V 2b Sb Isto permite interpretar a impedaˆncia base Zb como um elemento de circuito monofa´sico, o qual submetido a uma tensa˜o base de valor Vb fornecera´ uma corrente base de valor Ib e uma poteˆncia base igual a Sb. E´ importante ressaltar que a quantidade adotada como base para o ca´lculo de ambas, poteˆncias ativa e reativa, no sistema por unidade e´ a poteˆncia aparente base, isto e´, Pb1φ = Qb1φ = Sb1φ expressa em volt-ampe`re (VA). 16 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia De maneira ana´loga, a quantidade adotada como base para o ca´lculo de ambas, re- sisteˆncia e reataˆncia, no sistema por unidade e´ a impedaˆncia base, isto e´, Rb = Xb = Zb expressa em ohms (Ω); e a admitaˆncia base e´ dada por Yb = 1 Zb e expressa em Siemens (S). 2.3.2 Base em Termos de Valores Trifa´sicos Em sistemas trifa´sicos, os valores base sa˜o expressos geralmente em termos de quantidades trifa´sicas, isto e´, poteˆncia trifa´sica, tensa˜o de linha e corrente de linha. Ale´m disso, as impedaˆncias conectadas em ∆ sa˜o convertidas para a conexa˜o Y equivalente. Denotando • Sb1φ: a poteˆncia base do circuito monofa´sico; • Vbf : a tensa˜o base do circuito monofa´sico (fase-neutro); • Sb3φ: a poteˆncia base do circuito trifa´sico; • VbL: a tensa˜o base do circuito trifa´sico (fase-fase ou de linha); e lembrando que em sistemas trifa´sicos equilibrados Sb3φ = 3Sb1φ VbL = √ 3Vbf as seguintes relac¸o˜es podem ser estabelecidas: Ib = Sb1φ Vbf = Sb3φ/3 VbL/ √ 3 = Sb3φ√ 3VbL Zb = Vbf Ib = VbL/ √ 3 Sb3φ/ √ 3VbL = V 2bL Sb3φ Num sistema de poteˆncia trifa´sico, as seguintes regras sa˜o adotadas para a especificac¸a˜o das quantidades base: 1. o valor de poteˆncia aparente trifa´sica base Sb3φ e´ o mesmo ao longo de todo o sistema; 2. a relac¸a˜o entre as tenso˜es de linha base nos lados do transformador e´ igual aquela entre os valores nominais da tensa˜o do transformador, ou seja, a tensa˜o de linha base passa atrave´s do transformador trifa´sico segundo a sua relac¸a˜o nominal de tenso˜es de linha. R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 17 Ex. 2.1 Considere dois geradores trifa´sicos suprindo, atrave´s de linhas de transmissa˜o trifa´sicas separadas, duas cargas trifa´sicas balanceadas conectadas no mesmo ponto. A carga 1, conectada em Y, absorve 20 kW operando com fator de poteˆncia 0,8 atrasado e a carga 2, conectada em ∆, absorve 12 kVA operando com fator de poteˆncia 0,9 adiantado. Ha´ ainda uma terceira carga de 15 kW, resistiva e ligada em Y, conectada diretamente aos terminais do gerador 2. A impedaˆncia da linha de transmissa˜o entre o gerador 1 e a carga e´ 1,4 +j1,6 Ω/fase, e da linha de transmissa˜o entre o gerador 2 e a carga e´ 0,8 +j1,0 Ω/fase. O gerador 1 supre 20 kW a um fator de poteˆncia 0,8 atrasado, numa tensa˜o terminal de 460 V. Suponha que a poteˆncia das treˆs cargas seja independente da tensa˜o de alimentac¸a˜o. Empregando o sistema por unidade e tomando como valores base 25 kVA e 460 V no gerador 1, determinar: 1. o diagrama de impedaˆncias no sistema por unidade na base mencionada; 2. a corrente da carga 1, em pu e em ampe´res; 3. a tensa˜o nos terminais do gerador 2, em pu e em volts; 4. a poteˆncia aparente suprida pelo gerador 2, em pu e em kVA; 5. o valor da reataˆncia em pu e em Ω/fase de uma carga de compensac¸a˜o reativa necessa´ria para tornar unita´rio o fator de poteˆncia do equivalente das cargas 1 e 2. 2.3.3 Mudanc¸a de Base Em geral, os equipamentos dos sistemas de poteˆncia apresentamna sua placa o valor per- centual da impedaˆncia, calculada com base nos valores nominais do pro´prio equipamento. Desde que os componentes do sistema de energia ele´trica possuem valores nominais difer- entes, para se fazer ca´lculos no sistema por unidade e´ necessa´rio referir todas as grandezas a uma base comum. Para efetuar esta mudanc¸a de base, suponha que a impedaˆncia do equipamento (em pu) seja expressa como Zpub antiga = Zreal Zb antiga = Zreal Sb antiga V 2b antiga e que e´ necessa´rio referir este valor a uma nova base, tal que Zpub nova = Z realSb nova V 2b nova A combinac¸a˜o dessas duas u´ltimas equac¸o˜es fornece Zpub nova = Z pu b antiga ( Sb nova Sb antiga )( Vb antiga Vb nova )2 que e´ a relac¸a˜o utilizada para efetuar a mudanc¸a de base requerida. Observe que, no caso dos transformadores a relac¸a˜o ( Vb antiga Vb nova ) deve ser calculada com valores base correspondentes a um mesmo lado do transformador. Ex. 2.2 A placa de um transformador monofa´sico de dois enrolamentos apresenta os seguintes valores: 50 MVA; 13,8/69 kV; 20 %. Calcular a reataˆncia deste equipamento no sistema por unidade, na base de 100 MVA e 13,2 kV no lado de BT. 18 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia 2.4 Ma´quinas S´ıncronas 2.4.1 Circuitos Equivalentes e Diagramas Fasoriais Gerador S´ıncrono Estes equipamentos podem absorver ou gerar poteˆncia reativa, funcionando como ger- adores (Pg > 0), motores (Pg < 0) ou compensadores (Pg ≈ 0), superexcitados (Qg > 0) ou subexcitados (Qg < O). Os limites de gerac¸a˜o e absorc¸a˜o de poteˆncia reativa sa˜o determinados com aux´ılio da curva de capabilidade da ma´quina. A capacidade de suprir poteˆncia reativa e´ determinada atrave´s da raza˜o de curto-circuito do equipamento (igual ao inverso da reataˆncia s´ıncrona). O circuito monofa´sico equivalente da ma´quina s´ıncrona funcionando como um gerador e´ mostrado na figura 2.3. G Zs = jXs + E - + V - I Figura 2.3: Circuito equivalente do gerador s´ıncrono As equac¸o˜es que representam a gerac¸a˜o de poteˆncia sa˜o obtidas supondo-se as tenso˜es terminal V = V ∠00 e de excitac¸a˜o E = E∠δ, e separando-se as partes real e imagina´ria do produto S = VI∗. Isto fornece as poteˆncias ativa e reativa liberadas pelo gerador, as quais sa˜o expressas respectivamente por Pg = V E Xs sen δ Qg = V Xs (E cos δ − V ) onde δ e´ denominado aˆngulo de carga da ma´quina s´ıncrona. Os diagramas fasoriais do gerador s´ıncrono sub-excitado e sobre-excitado sa˜o mostra- dos nas figuras 2.4 e 2.5. Motor S´ıncrono O circuito equivalente do motor s´ıncrono e´ mostrado na figura 2.6, e os correspondentes diagramas fasoriais para os casos de sub-excitac¸a˜o e sobre-excitac¸a˜o sa˜o representados nas figuras 2.7 e 2.8. R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 19 φ δ E IjXd V I Figura 2.4: Gerador s´ıncrono superexcitado - diagrama fasorial E IjXd V δ φ I Figura 2.5: Gerador s´ıncrono subexcitado - diagrama fasorial G Zs = jXs + E - + V - I Figura 2.6: Circuito equivalente do motor s´ıncrono Compensadores S´ıncronos Quando a ma´quina s´ıncrona opera como um Compensador S´ıncrono, a poteˆncia ativa suprida e´ aproximadamente zero (em raza˜o das perdas internas), sendo fornecida apenas poteˆncia reativa (capacitiva ou indutiva). Este modo de funcionamento e´ o mesmo de um motor s´ıncrono operando sem carga mecaˆnica. Dependendo da corrente de excitac¸a˜o, o dispositivo pode gerar ou absorver poteˆncia reativa. Desde que as perdas neste tipo de dispositivo sa˜o considera´veis, se comparadas a`s dos Capacitores Esta´ticos, o fator de 20 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia φ δ V IjXd E I Figura 2.7: Motor s´ıncrono subexcitado - diagrama fasorial V IjXd E δ φ I Figura 2.8: Motor s´ıncrono superexcitado - diagrama fasorial poteˆncia com que operam os compensadores s´ıncronos na˜o e´ exatamente igual a zero. No caso da operac¸a˜o em conjunto com os reguladores de tensa˜o, os compensadores s´ıncronos podem automaticamente funcionar superexcitados (sob condic¸a˜o de carga pesada) ou subexcitados (sob condic¸o˜es de carga leve). I φ E jXdI V Figura 2.9: Compensador s´ıncrono subexcitado Os diagramas fasoriais da ma´quina s´ıncrona operando como compensador sa˜o mostra- dos nas figuras 2.9 e 2.10. A principal vantagem do compensador s´ıncrono e´ a sua flexi- bilidade de operac¸a˜o. A gerac¸a˜o de poteˆncia reativa pode variar continuamente de uma maneira simples (pore´m mais lenta do que a dos Compensadores Esta´ticos), modificando- se a tensa˜o de excitac¸a˜o da ma´quina s´ıncrona. A desvantagem deste tipo de operac¸a˜o R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 21 jXdIφ I V E Figura 2.10: Compensador s´ıncrono superexcitado e´ que em geral o equipamento esta´ situado longe dos pontos de consumo e necessita de elementos de transporte para atingir a demanda, ocasionando perda de poteˆncia. 2.4.2 Controle de Poteˆncia da Ma´quina S´ıncrona Sistemas de controle automa´tico sa˜o frequ¨entemente utilizados na monitorac¸a˜o da operac¸a˜o das redes ele´tricas. A figura 2.11 mostra os dois controles ba´sicos de um gerador com turbina a vapor; isto e´, o regulador de tensa˜o e o governador de velocidade. Valvula de vapor Do gerador de vapor Para o condensador Turbina a vapor Pm ωm Governador de velocidade Pref Excita- triz If + - Efd Gerador tensao Regula- dor de Filtro Retificador Transformador de potencial Pe, Vt Figura 2.11: Controles Pf e QV O governador de velocidade da turbina ajusta a posic¸a˜o da va´lvula de vapor para controlar a poteˆncia mecaˆnica de sa´ıda da turbina (Pm). Quando o n´ıvel da poteˆncia de refereˆncia (Pref ) aumenta (ou diminui) o governador de velocidade abre (ou fecha) mais a va´lvula que controla a injec¸a˜o de poteˆncia mecaˆnica no eixo da turbina. O governador de velocidade tambe´m monitora a velocidade angular do rotor ωm, a qual e´ utilizada como 22 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia sinal de realimentac¸a˜o para controlar a poteˆncia mecaˆnica de entrada e ele´trica de sa´ıda. Considerando-se as perdas desprez´ıveis, • se Pm > Pe, a velocidade angular ωm aumenta e o governador de velocidade fecha mais a va´lvula para reduzir a poteˆncia mecaˆnica de entrada; • se Pm < Pe, a velocidade angular ωm decresce e o governador de velocidade abre mais a va´lvula para aumentar a poteˆncia mecaˆnica de entrada; O regulador de tensa˜o ajusta a poteˆncia ele´trica de sa´ıda do sistema de excitac¸a˜o, visando controlar a magnitude da tensa˜o terminal do gerador (Vt). Quando a tensa˜o de refereˆncia (Vref ) aumenta (ou diminui), a tensa˜o de sa´ıda do gerador deve se elevar (ou decrescer) por efeito da tensa˜o de excitac¸a˜o (Efd) aplicada nas bobinas de campo do gerador s´ıncrono. Um transformador de potencial e um retificador monitoram a tensa˜o terminal (Vt), a qual e´ utilizada como sinal de realimentac¸a˜o no regulador de tensa˜o. Se a tensa˜o terminal decresce, o regulador de tensa˜o aumenta a sua tensa˜o (Vr), de forma a elevar a tensa˜o de excitac¸a˜o (Efd) e a tensa˜o terminal (Vt). 1 Conforme mencionado anteriormente, quando a ma´quina s´ıncrona esta´ conectada a uma barra infinita a sua tensa˜o terminal e a sua frequ¨eˆncia permanecem inalteradas. Entretanto, duas das suas varia´veis, a corrente de excitac¸a˜o e o torque de entrada no eixo, podem ainda ser controladas. A variac¸a˜o da corrente de campo, referida como controle do sistema de excitac¸a˜o, e´ utilizada no funcionamento da ma´quina tanto como gerador quanto como motor, para controlar a poteˆncia reativa da mesma. Por outro lado, desde que a velocidade angular do eixo da ma´quinae´ constante, a u´nica maneira de variar a poteˆncia ativa de sa´ıda e´ atrave´s do controle do torque imposto no eixo pela ma´quina prima´ria no caso do gerador e pela carga mecaˆnica no caso do motor. Controle de poteˆncia reativa Considere um gerador suprindo poteˆncia ativa, tal que o aˆngulo entre a tensa˜o terminal e a forc¸a eletromotriz interna da ma´quina e´ δ. Suponha ainda, que para a ana´lise do controle de poteˆncia reativa mostrada a seguir, a resisteˆncia da armadura e´ desprezada. A poteˆncia complexa liberada nos terminais do gerador e´ dada por S = P + jQ = VI∗a = V Ia(cos θ + j sin θ) tal que P = V Ia cos θ Q = V Ia sin θ (2.1) Note que, desde que o aˆngulo θ e´ numericamente positivo, a poteˆncia reativa liberada pela ma´quina e´ positiva para cargas com fator de poteˆncia atrasado. Se a poteˆncia ativa de sa´ıda (P ) e´ mantida constante a uma tensa˜o terminal (V ) constante, a ana´lise da Eq. 1O texto a seguir e´ baseado nas refereˆncias [1, 3, 4]. R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 23 (2.1) mostra que a quantidade Ia cos θ tambe´m permanece constante. Nessas condic¸o˜es, a magnitude da forc¸a eletromotriz interna (Ef ) varia proporcionalmente conforme a corrente cont´ınua de excitac¸a˜o do campo (If ) se modifica, de forma a manter a quantidade Ia cos θ constante. LG de Ef constante Ef IaXd cos θ LG de Ia cte δ θ jIaXd IaXd sin θ Vt Ia Ia cos θ Ef IaXd sin θ IaXd cos θ jIaXd Vt Ia θ δ o Figura 2.12: Controle de poteˆncia reativa A condic¸a˜o de excitac¸a˜o normal da ma´quina e´ definida como aquela na qual Ef cos δ = V e a ma´quina s´ıncrona e´ considerada estar superexcitada ou subexcitada conforme Ef cos δ > V ou Ef cos δ < V , respectivamente. Quando a ma´quina esta´ superexcitada, ela supre poteˆncia reativa atrave´s dos seus terminais, tal que sob o ponto de vista do sistema ela age como um capacitor. A parte superior da figura 2.12 ilustra esta situac¸a˜o. Nesta figura a sigla LG denota lugar geome´trico. A parte inferior da figura 2.12 mostra o diagrama fasorial de um gerador subexcitado, suprindo a mesma quantidade de poteˆncia ativa que a do caso anterior. Neste caso, o gerador absorve poteˆncia ativa do sistema e portanto atua como um indutor. Resumindo, geradores e motores s´ıncronos superexcitados suprem poteˆncia reativa, agindo como capacitores sob o ponto de vista do sistema ao qual a ma´quina s´ıncrona esta´ 24 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia conectada, enquanto que geradores e motores s´ıncronos subexcitados absorvem poteˆncia reativa do sistema, atuando como indutores. Controle da poteˆncia ativa O controle de poteˆncia ativa e´ realizado atrave´s da va´lvula que monitora a quantidade de vapor ou a´gua que entra na turbina (ma´quina prima´ria) acoplada ao eixo da ma´quina s´ıncrona. O aumento da poteˆncia mecaˆnica de entrada no gerador resulta num correspon- dente aumento da velocidade angular do rotor e, se a corrente de excitac¸a˜o do campo (If ) (e portanto a forc¸a eletromotriz interna (Ef )) for mantida constante, o aˆngulo de carga ou poteˆncia (δ) entre a tensa˜o terminal (V ) e a forc¸a eletromotriz interna (Ef ) tambe´m crescera´. O aumento do aˆngulo de carga implica numa quantidade maior da grandeza V Ia cos θ, conforme pode ser observado na figura 2.12. Um gerador com maior aˆngulo de poteˆncia requer um torque de entrada maior e naturalmente libera maior quantidade de poteˆncia ativa ao sistema. Um racioc´ınio ana´logo se aplica ao funcionamento da ma´quina s´ıncrona como motor. Ex. 2.3 Considere um gerador s´ıncrono com valores nominais 635 MVA, fator de poteˆncia 0,90 atrasado, 3600 rpm, 24 kV e reataˆncia s´ıncrona 1,7241 pu conectado a uma barra infinita. Se esta ma´quina esta´ suprindo uma corrente de 0,8 pu com fator de poteˆncia 0,9 atrasado a uma tensa˜o terminal de 1,0 pu, determine a magnitude e o aˆngulo da tensa˜o interna do gerador e as poteˆncias ativa e reativa supridas a barra infinita. Se a poteˆncia ativa de sa´ıda do gerador permanece constante, pore´m a sua excitac¸a˜o e´ (a) reduzida em 20 % e (b)aumentada em 20 %, determine o aˆngulo de carga e a poteˆncia reativa suprida pelo gerador. 2.4.3 Curva de Capabilidade A curva de capabilidade ou carta de poteˆncia e´ um diagrama que mostra todas as condic¸o˜es de operac¸a˜o normal de uma ma´quina s´ıncrona de rotor cil´ındrico conectada a uma barra infinita. Este diagrama e´ de extrema utilizada para operadores de sistema de poteˆncia durante a fase de planejamento da operac¸a˜o da ma´quina s´ıncrona como gerador. A curva de capabilidade e´ determinada supondo-se que o gerador opera com tensa˜o terminal fixa e que a resisteˆncia da armadura e´ desprez´ıvel. A construc¸a˜o do diagrama pode ser sumarizada nas etapas descritas a seguir. • Determine o diagrama fasorial da ma´quina s´ıncrona tomando a tensa˜o terminal como refereˆncia, conforme mostrado na parte superior da figura 2.12. A rotac¸a˜o deste diagrama resulta no gra´fico apresentado na figura 2.13, o qual mostra cinco lugares geome´tricos passando pelo ponto de operac¸a˜o m. Estes lugares geome´tricos, correspondentes a cinco modos de operac¸a˜o poss´ıveis, em cada um dos quais um paraˆmetro do gerador mantido constante, sa˜o descritos a seguir. • Corrente de excitac¸a˜o constante: o c´ırculo representando a excitac¸a˜o constante e´ centrado no ponto n e possui raio n − m, igual a magnitude da tensa˜o interna R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 25 Q (a) P = cte (e) cos θ = cte (b) Q = cte IaXd cos θ r q IaXd sin θ jIaXd (c) Ef = cte (d) Ia = cte cos θatrasado cos θadiantado P Ef θ θ δ Vt o n m p Ia Figura 2.13: Diagrama fasorial obtido pela rotac¸a˜o do diagrama da figura 2.12 da ma´quina. Esta pode ser mantida constante ajustando-se convenientemente a corrente cont´ınua (If ) na bobina do campo, de acordo com a equac¸a˜o Ef = ωMfIf√ 2 onde Mf representa o valor ma´ximo da func¸a˜o que relaciona a indutaˆncia mu´tua entre a bobina de campo (f) e cada uma das bobinas do estator. • Magnitude da corrente da armadura constante: o lugar geome´trico desses pontos e´ um c´ırculo centrado no ponto o e com raio o−m, proporcional a um valor fixo da corrente de armadura. Desde que a tensa˜o terminal e´ suposta constante, os pontos de operac¸a˜o representados neste c´ırculo correspondem a uma poteˆncia aparente de sa´ıda com magnitude constante; • Poteˆncia ativa de sa´ıda constante: a poteˆncia ativa de sa´ıda e´ expressa como P = V Ia cos θ, e portanto o lugar geome´trico obtido com esta poteˆncia mantida constante e´ o segmento de reta vertical m− p, com comprimento igual a XdIa cos θ. Note que a poteˆncia de sa´ıda do gerador e´ sempre positiva, independentemente do seu fator de poteˆncia; • Fator de poteˆncia constante: a poteˆncia reativa de sa´ıda e´ expressa como Q = V Ia sin θ, sendo o aˆngulo θ positivo para a operac¸a˜o com o fator de poteˆncia 26 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia atrasado. De maneira ana´loga a` poteˆncia ativa de sa´ıda, o segmento de reta hori- zontal q −m, com magnitude igual a XdIa sin θ representa o lugar geome´trico dos pontos de operac¸a˜o para os quais a poteˆncia reativa de sa´ıda e´ constante. No caso da operac¸a˜o com fator de poteˆncia unita´rio, a poteˆncia reativa de sa´ıda do gerador e´ nula, correspondendo aos pontos no segmento de reta horizontal o−p. Para operac¸a˜o com fator de poteˆncia atrasado (adiantado) a poteˆncia reativa de sa´ıda e´ positiva (negativa) e os pontos de operac¸a˜o esta˜o situados nos semi-planos localizados acima (abaixo) da linha o− p; • A linha radial o − m e´ o lugar geome´trico dos pontos de operac¸a˜o para os quais o aˆngulo do fator de poteˆncia θ e´ constante. Na figura 2.13, o aˆngulo θ repre- senta a condic¸a˜ona qual o gerador s´ıncrono supre uma carga com fator de poteˆncia atrasado. No caso do fator de poteˆncia unita´rio (θ = 00), os pontos de operac¸a˜o sa˜o representados ao longo do eixo horizontal o− p. O semi plano situado acima do eixo horizontal corresponde a cargas com fator de poteˆncia adiantado. O diagrama da figura 2.13 se torna mais u´til quando os eixos sa˜o escalonados para indicar as poteˆncias ativa e reativa de sa´ıda do gerador. O re-arranjo das equac¸o˜es Pg = V Ef Xd sin δ Qg = V Xd (Ef cos δ − V ) fornece Pg = V Ef Xd sin δ ( Qg + V 2 Xd ) = EfV Xd cos δ A soma dos quadrados das duas u´ltimas equac¸o˜es resulta na expressa˜o P 2g + ( Qg + V 2 Xd )2 = ( V Ef Xd sin δ )2 + ( EfV Xd cos δ )2 = ( EfV Xd )2 ( sin2 δ + cos2 δ ) = ( EfV Xd )2 a qual representa geometricamente um c´ırculo de raio ( EfV Xd ) centrado no ponto ( 0;−V 2 Xd ) . Este c´ırculo pode ser obtido multiplicando-se cada fasor da figura 2.13 pela raza˜o ( V Xd ) , o que significa o escalonamento dos eixos mostrado na figura 2.14. R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 27 Q (a) P = cte (e) cos θ = cte (b) Q = cte V Ia cos θ r q V Ia sin θ IaV (c) EfV Xd = cte (d) IaV = cte cos θ atrasado cos θ adiantado P EfV Xd θ θ δ V 2t Xd o n m p Ia Figura 2.14: Diagrama fasorial obtido pelo escalonamento do diagrama da figura 2.13 O diagrama de carregamento da ma´quina s´ıncrona mostrado na figura 2.14 torna- se mais pra´tico quando se considera a corrente ma´xima (perdas I2R) que pode circular nas bobinas da armadura e do campo e tambe´m os limites da ma´quina prima´ria e o aquecimento do nu´cleo da armadura. A figura 2.15 mostra a curva de capabilidade de um gerador s´ıncrono com valores nominais 635 MVA, 24 kV, fator de poteˆncia 0,9 e reataˆncia s´ıncrona 172,41 %. Na figura 2.15, o ponto m corresponde ao valor nominal de poteˆncia aparente do gerador com fator de poteˆncia nominal atrasado (635 MVA com cos θ = 0, 9 atrasado). O projeto da ma´quina deve prever um valor de corrente de campo suficiente para que a ma´quina s´ıncrona possa operar superexcitada no ponto m. O limite da corrente de campo e´ determinado segundo o arcom−r. A capacidade do gerador para liberar poteˆncia reativa ao sistema e´ portanto reduzida. Na verdade, a saturac¸a˜o da ma´quina faz decrescer o valor da reataˆncia s´ıncrona e por esta raza˜o os fabricantes fornecem curvas que se iniciam nos limites de aquecimento do campo teo´ricos descritos anteriormente. A imagem do ponto m e´ o ponto m ′ , de operac¸a˜o na regia˜o de sub-excitac¸a˜o. Os ope- radores do sistema de poteˆncia evitam operar a ma´quina s´ıncrona na regia˜o subexcitada da curva de capabilidade por razo˜es de estabilidade do sistema em regime permanente e de sobre-aquecimento da ma´quina. Quando a ma´quina opera na regia˜o de sub-excitac¸a˜o, as correntes parasitas induzidas pelo sistema no ferro da armadura e o aquecimento por efeito Joule aumentam. Para 28 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia 0,8 r 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 n limite de aquecimento do campo cos θ = 0, 80 cos θ = 0, 90 cos θ = 0, 95 cos θ = 1, 0 cos θ = 0, 95 cos θ = 0, 90 limite de subexcitac¸a˜o circulo de 100 % de excitac¸a˜o m ′ m MS superexcitada MS subexcitada limite de aquecimento da armadura Poteˆncia reativa Poteˆncia ativa 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 θ δ Figura 2.15: Curva de capabilidade do gerador do exemplo 2.3 limitar este aquecimento os fabricantes fornecem curvas espec´ıficas de capabilidade e re- comendam os limites dentro dos quais se pode operar a ma´quina. Para se obter os valores de poteˆncia ativa e poteˆncia reativa supridas pelo gerador num ponto de operac¸a˜o atrave´s do uso da figura 2.15, os valores por unidade dessas grandezas obtidos no diagrama devem ser multiplicados pelo valor base de poteˆncia aparente da ma´quina, o qual no caso e´ o valor nominal de 635 MVA. A distaˆncia n−m representa o valor por unidade da poteˆncia aparente expressa pela quantidade EfV Xd no ponto de operac¸a˜o m. Isto permite calcular o valor por unidade da tensa˜o interna da ma´quina na base da sua tensa˜o nominal (no caso 24 kV) multiplicando o comprimento n−m pela raza˜o Xd V expressa em pu. Note que a curva de capabilidade e´ determinada segundo a condic¸a˜o de operac¸a˜o com a tensa˜o terminal mantida constante no seu valor nominal; isto e´, V = 1, 0 pu e portanto o produto envolve apena a reataˆncia s´ıncrona da ma´quina Xd. Se a tensa˜o terminal da ma´quina na˜o e´ 1,0 pu, enta˜o o valor 1 Xd , atribu´ıdo a` distaˆncia 0, 0−n na figura 2.15, deve ser corrigido para V 2 Xd expresso no sistema por unidade. Esta mudanc¸a altera o escalonamento da figura 2.15 pelo fator V 2, de tal forma que as poteˆncias R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 29 ativa e reativa obtidas atrave´s do diagrama devem ser primeiro multiplicadas pelo fator V 2 e posteriormente pela poteˆncia aparente base para fornecer os valores efetivos de poteˆncia ativa e reativa da operac¸a˜o. Ex. 2.4 Considere que o diagrama de capabilidade de um gerador s´ıncrono trifa´sico com valores nominais 635 MVA, 24 kV, fator de poteˆncia 0,9 e reataˆncia s´ıncrona 172,41 %, 3600 rpm e´ aquele mostrado na figura 2.15. Se o gerador esta´ fornecendo 458,47 MW e 114,62 Mvar numa tensa˜o de 22,8 kV a uma barra infinita, • calcular a tensa˜o interna da ma´quina utilizando o circuito equivalente; • calcular a tensa˜o interna da ma´quina utilizando o diagrama de capabilidade. 2.4.4 Controle de Tensa˜o do Gerador Numa unidade geradora, a excitatriz e´ o dispositivo que libera poteˆncia em corrente cont´ınua para as bobinas de campo do rotor da ma´quina s´ıncrona. Nos geradores antigos a excitatriz consistia de um gerador de corrente cont´ınua, tal que a poteˆncia em corrente cont´ınua era transferida ao rotor atrave´s de ane´is de escorregamento e escovas coletoras. Nos geradores modernos, excitatrizes esta´ticas ou sem escova sa˜o geralmente utilizadas. Neste caso, a poteˆncia em corrente alternada e´ obtida diretamente dos terminais do ger- ador ou de uma estac¸a˜o de servic¸o externa. Esta poteˆncia e´ enta˜o retificada via tiristores e transferida ao rotor via ane´is de escorregamento e escovas coletoras. No caso dos sistemas de excitac¸a˜o sem escova, a poteˆncia e´ obtida de um gerador s´ıncrono invertido, cujas bobinas trifa´sicas da armadura esta˜o localizadas no rotor do gerador principal e cujas bobinas de campo esta˜o localizadas no estator. A poteˆncia em corrente alternada das bobinas da armadura e´ retificada atrave´s de diodos acoplados no rotor e e´ transferida diretamente a`s bobinas de campo, sem a necessidade de ane´is ou escovas coletoras. A figura 2.16 apresenta um diagrama de blocos simplificado do controle de tensa˜o do gerador. As na˜o linearidades devidas a saturac¸a˜o e os limites na sa´ıda da excitatriz na˜o sa˜o considerados. 1 (1 + Trs) Ke (1 + Tes) Kcs (1 + Tcs) Vref - Vt + ∆V Regulador de tensao Excitatriz Gerador Compensador Estabilizador VtEfd + - Vr Figura 2.16: Controle de tensa˜o do gerador s´ıncrono A tensa˜o terminal do gerador (Vt) e´ comparada com a tensa˜o de refereˆncia (Vref ) para fornecer o sinal de erro de magnitude da tensa˜o (∆V ), o qual e´ convenientemente 30 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia aplicado no regulador. O bloco 1 (1 + sTr) representa o retardo de tempo, sendo Tr a sua constante de tempo. Se um degrau unita´rio e´ aplicado na entrada deste bloco, a sa´ıda tende exponencialmente a` unidade com uma constante de tempo Tr. Desprezandoo efeito do estabilizador, a tensa˜o de sa´ıda do regulador de tensa˜o (Vr) e´ aplicada na excitatriz, representada pelo bloco Ke (1 + sTe) . A sa´ıda da excitatriz e´ a tensa˜o de campo (Efd), aplicada nas bobinas de campo do gerador e atuando no sentido de ajustar a sua tensa˜o terminal. As equac¸o˜es que representam o gerador, relacionando a sua tensa˜o terminal (Vt) a`s variac¸o˜es na tensa˜o do enrolamento de campo (Efd), podem ser derivadas das equac¸o˜es gerais das ma´quinas s´ıncronas. O compensador estabilizador, utilizado para melhorar a resposta dinaˆmica do excitador atrave´s da reduc¸a˜o do overshoot, e´ representado pelo bloco Kcs (1 + sTc) , que funciona como um filtro a` primeira derivada. A entrada deste bloco e´ a tensa˜o de excitac¸a˜o (Efd) e a sua sa´ıda e´ o sinal (de realimentac¸a˜o) estabilizador, o qual e´ subtra´ıdo da tensa˜o do regulador Vr. Diagramas como o da figura 2.16 sa˜o utilizados para a simulac¸a˜o digital do controle de tensa˜o do gerador em programas de estabilidade transito´ria. Na pra´tica, excitadores de alto ganho e resposta ra´pida fornecem variac¸o˜es de elevada magnitude e ra´pidas na tensa˜o de campo Efd durante a ocorreˆncia de curto circuito nos terminais do gerador, de maneira a melhorar a estabilidade transito´ria apo´s a eliminac¸a˜o da falta. As equac¸o˜es representadas no diagrama de blocos podem ser usadas para a determinac¸a˜o da resposta transito´ria do controle de tensa˜o do gerador. Ex. 2.5 Um gerador s´ıncrono trifa´sico de 30 MVA, 17,32 kV, fator de poteˆncia 0,8 atrasado, 60 Hz, resisteˆncia da armadura desprez´ıvel e reataˆncia s´ıncrona de 5 Ω/fase, opera conectado diretamente a uma barra infinita. Determine: • a tensa˜o de excitac¸a˜o por fase, em kV, e o aˆngulo de carga para a operac¸a˜o sob 90 % de sua capacidade nominal, com fator de poteˆncia 0,9 atrasado; • a tensa˜o de excitac¸a˜o mı´nima, em kV, abaixo da qual o gerador perderia o sincro- nismo operando sob poteˆncia ativa nominal. 2.5 Transformadores As principais caracter´ısticas do transformador sa˜o: 1. os enrolamentos possuem resisteˆncia, a`s quais esta˜o associadas perdas de poteˆncia ativa; 2. a permeabilidade do nu´cleo e´ finita e portanto uma corrente de magnetizac¸a˜o e´ necessa´ria para manter o fluxo magne´tico no nu´cleo; 3. o fluxo magne´tico na˜o esta´ inteiramente confinado ao nu´cleo; 4. existem perdas de poteˆncia ativa e de poteˆncia reativa no nu´cleo. R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 31 permeabilidade µc comprimento me´dio lc sec¸a˜o transversal Ac I1 V1 I2 V2 Bobina 1 Bobina 2 N1 N2 + − + − φc Figura 2.17: Diagrama unifilar - Exemplo Na figura 2.17, a forc¸a magnetomotriz que produz o fluxo magne´tico no nu´cleo e´ dada por N1I1 −N2I2 = <cφc tal que re-agrupando os termos desta equac¸a˜o obte´m-se I1 = <cφc N1 + N2 N1 I2 (2.2) O primeiro termo da Eq. (2.2) e´ denominado corrente de excitac¸a˜o e representa a parcela da corrente I1 necessa´ria para produzir o fluxo φc no nu´cleo. Esta corrente existe mesmo com os terminais do secunda´rio em circuito aberto, pois um fluxo magne´tico no nu´cleo e´ necessa´rio para induzir a tensa˜o nas bobinas do secunda´rio. O segundo termo e´ a componente da carga da corrente fornecida ao terminal prima´rio, o qual e´ zero na operac¸a˜o do transformador a` vazio. Esta corrente cresce a` medida em que a carga e´ adicionada ao terminal secunda´rio do transformador, tornando-se muito mais elevada do que a corrente de excitac¸a˜o. Desta forma, mesmo para um transformador real sob condic¸o˜es de carga pode-se escrever I1 I2 ≈ N2 N1 A corrente de excitac¸a˜o, denotada Iφ, e´ composta de duas componentes, uma repre- sentando a parcela necessa´ria para a magnetizac¸a˜o do nu´cleo (denotada Im) e a outra responsa´vel pelas perdas de poteˆncia ativa no nu´cleo (denotada Ic). Isto e´ expresso ana- liticamente por Iφ = Im + Ic A corrente que supre as perdas no nu´cleo tambe´m e´ composta de duas parcelas, uma relacionada a`s perdas por correntes parasitas (de Focault) e outra relacionada a`s perdas por histerese. 32 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia A histerese ocorre porque uma variac¸a˜o c´ıclica do fluxo no interior do nu´cleo resulta em energia dissipada em forma de calor. Este efeito pode ser reduzido utilizando-se ligas de ac¸o para construir o nu´cleo. As correntes parasitas sa˜o induzidas no interior do nu´cleo perpendicularmente ao fluxo magne´tico. Elas podem ser reduzidas construindo-se o nu´cleo com laˆminas de uma liga de ac¸o. Conforme visto anteriormente, segundo a lei de Faraday, E1 = N1(jω)φc (2.3) isto e´, a tensa˜o E1 esta´ adiantada do fluxo magne´tico φc de 90 0. Lembrando que Nφ = λ = Li, no nu´cleo N1φc = LmIm onde Lm e´ a indutaˆncia do nu´cleo e Im e´ a corrente que percorre a indutaˆncia do nu´cleo. A Eq. (2.3) e´ re-escrita como E1 = N1(jω)φc = jωLmIm = jXmIm onde Im e´ a corrente de magnetizac¸a˜o que produz o fluxo no nu´cleo e Xm e´ a reataˆncia de magnetizac¸a˜o do nu´cleo. A u´ltima equac¸a˜o pode tambe´m ser obtida combinando as equac¸o˜es (2.2) e (2.3). Isto fornece I1 = <c N1 (−jE1 N1ω ) + N2 N1 I2 = −j<cE1 N21ω + N2 N1 I2 = Im + I ′ 2 onde Im e I ′ 2 representam respectivamente as correntes de excitac¸a˜o e de carga, esta u´ltima referida ao prime´rio. A ana´lise da equac¸a˜o Im = −j <c N21ω E1 revela que Im esta´ atrasada de 90 0 em relac¸a˜o a E1, sendo portanto a quantidade Bm =<c N21ω interpretada como uma susceptaˆncia que representa o efeito indutivo no nu´cleo. As perdas por histerese e correntes parasitas sa˜o representadas por um ramo shunt adicional contendo uma resisteˆncia (ou condutaˆncia) Rc = 1 Gc , atrave´s da qual circula uma corrente de perda Ic. Essas considerac¸o˜es conduzem ao circuito equivalente mostrado na figura 2.18, o qual inclui as correntes de magnetizac¸a˜o e de perdas no nu´cleo. Nesta figura, I ′ 1 e´ a componente R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 33 da carga na corrente fornecida ao prima´rio do transformador e Rc e´ a resisteˆncia shunt que representa as perdas por histerese e correntes parasitas. Os paraˆmetros R1, X1, R2 e X2 sa˜o denominados paraˆmetros longitudinais enquanto Rc e Xm sa˜o chamados paraˆmetros transversais. jX1 Rc jXm R2jX2 + − E1 + − E2 a : 1 Transformador ideal Iφ ImIc + − V1 R1 + V2 − I2I1 I ′ 1 Figura 2.18: Transformador monofa´sico de dois enrolamentos Observe que o circuito equivalente e´ determinado de forma a satisfazer as leis de Kirchhoff. As impedaˆncias de dispersa˜o dos enrolamentos R1, X1, R ′ 2 e X ′ 2 representam as perdas Joule e a indutaˆncia pro´pria das bobinas do prima´rio e secunda´rio. A admitaˆncia do nu´cleo Ym = 1 Rc + 1 jXm = Gc − jBm representa as perdas no nu´cleo e a poteˆncia reativa necessa´ria para magnetizar o nu´cleo. Portanto, se uma tensa˜o alternada e´ aplicada nos terminais do enrolamento prima´rio de um transformador real, com o terminal secunda´rio em circuito aberto, surge uma pequena corrente de regime Iφ (corrente de excitac¸a˜o). Esta corrente e´ responsa´vel pelo estabelecimento de um fluxo alternado no circuito magne´tico, pois neste caso a relutaˆncia na˜o e´ zero, necessitando-se assim de uma forc¸a-magnetomotriz na˜o nula para estabelecer este fluxo. 2.5.1 Circuito Equivalente O circuito equivalente do transformador monofa´sico obtido eliminando-se o transformador ideal e´ mostrado na figura 2.19. Neste caso, os paraˆmetros R2 e X2 esta˜o referidos ao lado 1. No que diz respeito aos transformadores utilizados em sistemas de poteˆncia, observa-se que: • em geral a corrente de excitac¸a˜o e´ aproximadamente 5 % da corrente nominal tal que,a menos que a corrente de excitac¸a˜o seja de particular interesse, costuma-se desprezar Iφ; 34 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia + − V1 I1 R1 jX1 Rc jXm jX ′ 2 R ′ 2 I ′ 2 + V ′ 2 − Figura 2.19: Transformador monofa´sico de dois enrolamentos • transformadores de grande porte, com poteˆncia aparente nominal maior do que 500 kVA, possuem enrolamentos com as resisteˆncias desprez´ıveis quando comparadas com as reataˆncias de dispersa˜o, e portanto essas resisteˆncias podem ser desprezadas. Isto possibilita utilizar os circuitos equivalentes mostrados nas figuras 2.20 e 2.21. Nesses circuitos, os paraˆmetros do transformador referidos ao lado 1 sa˜o dados por Req = R1 + ( N1 N2 )2 R2 Xeq = X1 + ( N1 N2 )2 X2 sem a inclusa˜o do ramo de magnetizac¸a˜o. Ex. 2.6 Uma carga de 15 kW com fator de poteˆncia 0,8 atrasado, e´ suprida na tensa˜o de 110 V por um transformador monofa´sico de dois enrolamentos com valores nominais 20 kVA, 480/120 V, 60 Hz e impedaˆncia equivalente referida ao lado de baixa tensa˜o de 0,0525 ∠78, 130 Ω. Determine: • a tensa˜o, a corrente, a poteˆncia aparente e o fator de poteˆncia na entrada no trans- formador; • o rendimento e a regulac¸a˜o do transformador operando nesta condic¸a˜o. Os valores base de tensa˜o e corrente nos dois lados do transformador monofa´sico esta˜o relacionadas da mesma forma que os valores nominais dessas quantidades, isto e´, VbAT VbBT = VnomAT VnomBT IbAT IbBT = InomAT InomBT Por esta raza˜o, o sistema por unidade apresenta as seguintes vantagens: R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 35 Req Xeq + − V1 + − V ′ 2 I1 I ′ 2 Req = R1 +R ′ 2 Xeq = X1 +X ′ 2 Figura 2.20: Circuito equivalente do transformador para estudos em sistemas de poteˆncia Xeq + − V1 + − V ′ 2 I1 I ′ 2 Xeq = X1 +X ′ 2 Figura 2.21: Circuito equivalente do transformador para estudos em sistemas de poteˆncia 1. as impedaˆncias e admitaˆncias do transformador expressas em pu na˜o se modificam quando referidas aos lados de alta tensa˜o ou de baixa tensa˜o, evitando-se desta forma os erros de ca´lculos provenientes de se referir as grandezas a um lado ou ao outro do transformador; 2. os fabricantes de equipamentos especificam as impedaˆncias das ma´quinas e trans- formadores nos sistemas por unidade ou percentual, adotando como base os valores nominais do equipamento. 2.5.2 Autotransformadores Conforme verificado previamente, num transformador convencional como aquele repre- sentado na figura 2.22 as bobinas sa˜o acopladas apenas magneticamente, via fluxo mu´tuo no nu´cleo. O autotransformador e´ um dispositivo no qual as bobinas esta˜o acopladas ele´trica e magneticamente. Isto representa a principal diferenc¸a entre este tipo de equipamento e o 36 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia + − V1 + − V2 a : 1 I1 I2 Figura 2.22: Transformador de dois enrolamentos transformador convencional. As figuras 2.23 e 2.24 ilustram duas poss´ıveis estruturas de um autotransformador monofa´sico constru´ıdo a` partir do transformador convencional da figura 2.22. Por causa da conexa˜o ele´trica entre os enrolamentos, o autotransformador possui uma eficieˆncia maior do que a do transformador convencional. A corrente de excitac¸a˜o e´ mais baixa e o seu custo e´ mais reduzido (se a relac¸a˜o de transformac¸a˜o na˜o e´ demasiadamente elevada). Uma desvantagem dos autotransformadores e´ que, devido a conexa˜o ele´trica dos en- rolamentos, as sobretenso˜es transito´rias passam mais facilmente atrave´s do autotransfor- mador. A selec¸a˜o das quantidades base no autotransformador e´ feita da mesma forma que no transformador convencional. A poteˆncia aparente base e´ a mesma em ambos os lados do autotransformador e a relac¸a˜o entre as tenso˜es base e´ igual a`quela entre as tenso˜es nominais. O valor da impedaˆncia de um transformador convencional em unidades reais conectado como autotransformador na˜o se modifica por efeito desta conexa˜o. Pore´m, desde que os valores nominais do autotransformador e do transformador convencional sa˜o distintos, as impedaˆncias destes equipamentos expressas em pu tambe´m sera˜o diferentes. O valor da impedaˆncia de dispersa˜o (em unidades reais) a ser dividido pelo valor base deve ser o mesmo em ambos os casos, ou seja, aquele que seria determinado no ensaio de curto circuito em ambos os transformadores. Note que no caso do autotransformador, este ensaio pode ser feito apenas atrave´s de um lado do equipamento, aquele que fornece o mesmo valor de impedaˆncia que o ensaio do transformador convencional. Ex. 2.7 No ensaio de curto circuito para um transformador monofa´sico de dois enrola- mentos, com valores de placa 10 kVA, 2500/115 V, 60 Hz, foram medidas as seguintes grandezas: 93 watts, 162 V e 4 A. Determine: 1. os valores de placa de um autotransformador com relac¸a˜o de transformac¸a˜o 2500/2615 V, constru´ıdo a` partir deste transformador monofa´sico. 2. o circuito equivalente do transformador e do autotransformador no sistema por unidade, adotando como base os valores nominais desses equipamentos; R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 37 + − + − V1 V2 I1 I2 I1 + I2 + − V1 +V2 Figura 2.23: Estrutura ba´sica do autotransformador (a) + − V1 V2I2 + − − + I1 I1 − I2 −V1 +V2 Figura 2.24: Estrutura ba´sica do autotransformador (b) 3. a tensa˜o, a corrente, a poteˆncia aparente na entrada e as perdas de poteˆncia ativa e reativa (em pu e em unidades reais) quando cada um deste equipamentos supre uma carga nominal com fator de poteˆncia 0,8 atrasado, na tensa˜o nominal nos respectivos lados de alta tensa˜o. 2.5.3 Transformadores Trifa´sicos Um banco trifa´sico de transformadores e´ constitu´ıdo alternativamente • pela conexa˜o de treˆs transformadores monofa´sicos ideˆnticos; • pela conexa˜o adequada de um mı´nimo de seis bobinas iguais dispostas num mesmo 38 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia nu´cleo. Cada um dos lados do banco trifa´sico pode ser conectado em Y ou em ∆, conforme ilustra as figuras 2.25 e 2.26. a b c b ′ a ′ c ′ n A B C A ′ B ′ C ′ Y Y N Figura 2.25: Conexo˜es do transformador trifa´sico (a) A placa do banco trifa´sico deve apresentar os valores nominais de: • poteˆncia aparente trifa´sica; • valores nume´ricos das tenso˜es de linha com os correspondentes tipos de ligac¸a˜o (Y ou ∆); • valor da impedaˆncia (no sistema por unidade ou no sistema percentual). O circuito equivalente de um transformador trifa´sico apresenta as seguintes caracte- r´ısticas: 1. Nas conexo˜es ∆∆ e Y Y, as bobinas sa˜o rotuladas de tal maneira que na˜o ha´ de- fasagem angular entre as grandezas dos lados de AT e BT . O circuito equivalente e´ portanto semelhante ao do transformador monofa´sico convencional. R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 39 a b c b ′ a ′ c ′ n A B C A ′ B ′ C ′ Y ∆ Figura 2.26: Conexo˜es do transformador trifa´sico (b) 2. Nas conexo˜es ∆Y e Y∆, um deslocamento de fase e´ inclu´ıdo no diagrama de sequ¨eˆncia positiva. De acordo com a Norma Te´cnica, as tenso˜es e correntes no lado de AT de um transformador Y∆ (de sequ¨eˆncia positiva ou abc) esta˜o adiantadas de 300 das suas correspondentes grandezas do lado de BT . No caso da sequ¨eˆncia negativa (ou cba), as correntes e tenso˜es do lado de BT esta˜o adiantadas em relac¸a˜o as correspondentes grandezas do lado de AT por 300. O circuito equivalente (ou de sequ¨eˆncia positiva) dos transformadores trifa´sicos com conexa˜o Y-∆ e´ mostrado na figura 2.27. Note que neste tipo de conexa˜o o deslocamento angular de 300 deve ser levadoem considerac¸a˜o. A selec¸a˜o de quantidades base para transformadores trifa´sicos e´ feita atrave´s do seguinte procedimento: 1. Uma poteˆncia aparente trifa´sica base e´ selecionada para ambos os lados (alta tensa˜o e baixa tensa˜o) do transformador; 2. A relac¸a˜o entre as tenso˜es-base nos dois lados do transformador e´ igual a relac¸a˜o entre as tenso˜es nominais de linha. Ex. 2.8 Treˆs transformadores monofa´sicos devem ser conectados para formar um banco trifa´sico, com o lado de baixa tensa˜o em Y e o lado de alta tensa˜o em ∆. A placa de cada 40 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia Req Xeq + − V1 I1 Req = R1 +R ′ 2 Xeq = X1 +X ′ 2 I ′ 2 + − V ′ 2 AT BT ej30 0 : 1, 0 Transformador Defasador Figura 2.27: Circuito de sequ¨eˆncia positiva - conexa˜o Y-∆ transformador monofa´sico indica os valores 50 MVA, 13,8/138 kV, 0,381 Ω referida ao lado de baixa tensa˜o. Determinar o circuito equivalente do banco trifa´sico no sistema por unidade. 2.5.4 Transformadores de Treˆs Enrolamentos O transformador monofa´sico de treˆs enrolamentos consiste em treˆs bobinas dispostas sobre um mesmo nu´cleo. Os terminais dessas bobinas sa˜o denotados por BT (baixa tensa˜o), MT (me´dia tensa˜o) e AT (alta tensa˜o) (ou 1, 2 e 3 (prima´rio, secunda´rio e tercia´rio)), de acordo com os seus valores nominais. Sua principal vantagem e´ a opc¸a˜o de dois valores de tensa˜o na sua sa´ıda. Em geral, os valores nominais deste tipo de transformador sa˜o dados individualmente para cada bobina; isto e´, bobina 1 : Snom1 Vnom1 bobina 2 : Snom2 Vnom2 bobina 3 : Snom3 Vnom3 na˜o sendo os valores nominais de poteˆncia aparente necessariamente iguais. O diagrama de um transformador monofa´sico de treˆs enrolamentos e´ mostrado na figura 2.28. Supondo ideal este transformador, as seguintes relac¸o˜es sa˜o estabelecidas: N1I1 = N2I2 +N3I3 V1 N1 = V2 N2 = V3 N3 A figura 2.29 mostra o circuito monofa´sico equivalente do transformador de treˆs en- rolamentos. Desde que as bobinas esta˜o dispostas sobre um mesmo nu´cleo, apenas um ramo de magnetizac¸a˜o e´ inclu´ıdo na representac¸a˜o do circuito monofa´sico. Os paraˆmetros deste ramo sa˜o determinados via ensaio de circuito aberto. O circuito equivalente de um transformador de treˆs enrolamentos utilizado em estudos de sistemas de poteˆncia e´ mostrado na figura 2.30. Neste circuito, sa˜o inclu´ıdos apenas os R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 41 + − V1 + V2 − + V3− I1 I2 I3N1 N2 N3 Figura 2.28: Transformador monofa´sico de treˆs enrolamentos R1 jX1 Rc jXm R ′ 2 jX ′ 2 R ′ 3 jX ′ 3 + V1 − + V ′ 3 + − − V ′ 2 Figura 2.29: Transformador monofa´sico de treˆs enrolamentos = circuito equivalente (a) 42 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia Z1 + V1 − Z ′ 2 Z ′ 3 + V3 − − V2 + Figura 2.30: Transformador monofa´sico de treˆs enrolamentos circuito equivalente (b) ramos correspondentes a`s impedaˆncias dos enrolamentos. Os paraˆmetros correspondentes sa˜o calculados atrave´s do ensaio de curto-circuito, efetuando-se as seguintes medidas: • Z12: impedaˆncia de dispersa˜o medida do enrolamento 1 com a bobina 2 curtocir- cuitada e a bobina 3 em circuito aberto; da figura 2.30, Z12 = Z1 + Z2 • Z13: impedaˆncia de dispersa˜o medida do enrolamento 1 com a bobina 3 curtocir- cuitada e a bobina 2 em circuito aberto; da figura 2.30, Z13 = Z1 + Z3 • Z23: impedaˆncia de dispersa˜o medida do enrolamento 2 com a bobina 3 curtocir- cuitada e a bobina 1 em circuito aberto; da figura 2.30, Z23 = Z2 + Z3 Das u´ltimas treˆs equac¸o˜es, Z1 = 1 2 (Z12 + Z13 − Z23) Z2 = 1 2 (Z12 + Z23 − Z13) Z3 = 1 2 (Z13 + Z23 − Z12) Estas equac¸o˜es sa˜o utilizadas para o ca´lculo das impedaˆncias Z1, Z2, e Z3, do circuito equivalente do transformador de treˆs enrolamentos, a` partir das medidas obtidas nos testes de curto-circuito, Z12, Z13, e Z23. Note que para efetuar a soma indicada nessas equac¸o˜es, Z12, Z13, e Z23 devem estar referidas ao mesmo lado do transformador. Transformadores monofa´sicos ideˆnticos de treˆs enrolamentos tambe´m podem ser conec- tados para formar um banco trifa´sico. O circuito equivalente do bando trifa´sico e´ seme- lhante ao do transformador monofa´sico de treˆs enrolamentos. No caso das conexo˜es Y −∆, o deslocamento de fase (de 300) deve ser inclu´ıdo no modelo. R. S. Salgado UFSC-EEL-Labspot 43 A selec¸a˜o das quantidades base para o transformador monofa´sico de treˆs enrolamentos e´ feita atrave´s do seguinte procedimento: • uma base comum de poteˆncia aparente Sb e´ selecionada para todos os terminais; • as tenso˜es VbAT , VbMT e VbBT sa˜o selecionadas de acordo com as relac¸o˜es nominais de tensa˜o do transformador. Ex. 2.9 Os valores nominais de um transformador monofa´sico de treˆs enrolamentos e os resultados do ensaio de curto circuito neste transformador sa˜o mostrados nas tabelas 2.1 e 2.2. Enrolamento Tensa˜o nominal Poteˆncia nominal Prima´rio 79674 V 10000 kV A Secunda´rio 24000 V 5000 kV A Tercia´rio 6600 V 5000 kV A Tabela 2.1: Transformador de 3 enrolamentos - valores nominais Ensaio Enrolamento Enrolamento Tensa˜o Corrente no No. excitado curto-circuitado aplicada enrolamento excitado 1 Prima´rio Secunda´rio 5000 V 125,52 A 2 Prima´rio Tercia´rio 15000 V 125,52 A 3 Secunda´rio Tercia´rio 2000 V 208,33 A Tabela 2.2: Transformador de 3 enrolamentos - ensaio de curto circuito 1. Determine o circuito equivalente do transformador no sistema por unidade, na base 10 MVA e tenso˜es nominais; 2. Treˆs destes transformadores sa˜o conectados em Y(AT)/∆(MT)/∆(BT). Os termi- nais de alta tensa˜o sa˜o ligados a um barramento de 138 kV. Calcule em pu e em unidades reais a corrente de curto circuito e a tensa˜o de regime permanente nos enrolamentos secunda´rios do banco trifa´sico, se um curto circuito trifa´sico so´lido ocorre nos terminais dos enrolamentos tercia´rios, com 138 kV mantidos nos termi- nais dos enrolamentos prima´rios; 3. Com relac¸a˜o ao item anterior, determine a tensa˜o nos terminais do enrolamento se- cunda´rio e as correntes de linha nos terminais dos enrolamentos prima´rio e tercia´rio em unidades reais. 44 Cap´ıtulo 2: Representac¸a˜o dos Sistemas de Poteˆncia 2.5.5 Transformadores Com Tap Varia´vel 2 Os transformadores reguladores (ou com tap varia´vel) sa˜o geralmente utilizados para controlar a magnitude (ajustes de ±10% e a fase (ajustes de ±3 graus) da tensa˜o. Sob certas condic¸o˜es, esses transformadores tambe´m sa˜o utilizados para controlar os fluxos de poteˆncia ativa e reativa. Para controlar a magnitude da tensa˜o, sa˜o utilizados basica- mente os taps do transformador enquanto que para monitorar o fluxo de poteˆncia ativa e´ necessa´rio que conexo˜es adicionais sejam feitas, de forma a modificar a defasagem entre os fasores tensa˜o nos terminais do equipamento. No caso do controle da magnitude da tensa˜o, um dos lados do transformador possui uma bobina com taps, utilizados para variar o nu´mero de espiras, o que permite modificar a relac¸a˜o de transformac¸a˜o das tenso˜es. A figura 2.31 mostra o esquema de um equipamento deste tipo, com relac¸a˜o nominal de tenso˜es 220 V/380 V. Os taps esta˜o no lado de 380 V, para ajustar a magnitude da tensa˜o em ±10% do valor nominal, em passos de 5 %. 1,1 1,05 1,00 0,95 0,90 Taps 220 V 0, 9× 380V 380 V 1, 1× 380V Figura 2.31: Transformadores com tap varia´vel - diagrama esquema´tico Os Transformadores com Comutac¸a˜o sob Carga (Load Tap Changing (LTC) ou Tap Changing Under Load (TCUL)) permitem o ajuste do tap enquanto o transformador esta´ energizado. A variac¸a˜o do tap e´ operada por servo-motores comandados por rele´s ajustados
Compartilhar