Paralelismo e Sincronismo

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA ÊNFASE EM ELETROTÉCNICA LUCAS MENDES DE OLIVEIRA MARCOS CORDEIRO JUNIOR PAOLA MARIANI DA SILVA RENATO DAHER SIDNEI LEANDRO DA SILVA

PARALELISMO E SINCRONISMO

CURITIBA 2010

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SUMÁRIO

Conteúdo

1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 3 2. VANTAGENS DA OPERAÇÃO EM PARALELO .......................... ............. ......................... .......................... ................ 3 3. CONDIÇÕES PARA A OPERAÇÃO EM PARALELO .................................. ...................... ....................... ........... 6 ............. .. 8 4. SINCRONIZAÇÃO DOS GERADORES AO “BARRAMENTO INFINITO”............... 5. MODALIDADES DE SINCRONISMO .......................... ............. .......................... .......................... ......................... .................. ...... 9 6. MÉTODOS DE SINCRONISMO ......................... ............ .......................... .......................... .......................... ......................... ............ 10 Método I....................................................................................................... I ....................................................................................................... 11 Método II ...................................................................................................... 12 Método III ..................................................................................................... 13 Método IV..................................................................................................... IV..................................................................................................... 15 7. CONDIÇÕES PARA ACOPLAMENTO (COPEL) ......................... ............ ......................... ......................... ............. 16 8. MODELO DE SINCRONOSCÓPIO ........................ ........... .......................... .......................... .......................... ..................... ........ 20 9. REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 24











1. INTRODUÇÃO Nos dias atuais tem havido uma crescente demanda por um fornecimento de energia ininterrupto e de qualidade. Haja vista os avanços tecnológicos dos microprocessadores eletrônicos utilizados na fabricação de equipamentos para os mais diversos fins, tais como aparelhos de suporte a vida em hospitais, centrais telefônicas, computadores e instrumentos que controlam e/ou monitoram o trafego aéreo, usinas nucleares, entre outros, para os quais, por menor que seja a falta de energia, os possíveis danos, não apenas econômicos mas também sociais, seriam incalculáveis. Logo, é importantíssimo ter um sistema de energia confiável, e um dos mais confiáveis atualmente é o com geradores ligados em paralelo com a rede de energia elétrica da concess concessionária. ionária.

2. VANTAGENS DA OPERAÇÃO EM PARALELO

A origem da idéia de se utilizar geradores em paralelo foi a de conferir confiabilidade ao sistema, dividindo a potência alimentadora de um circuito entre várias fontes. Mas esta não é a única vantagem de utilizar mais de um gerador em paralelo. Esta forma de ligação é vantajosa sobre diversos pontos de vista, desde o econômico até o militar. Além disso, pode-se utilizar geradores em paralelo, em diversas aplicações, desde a alimentação de circuitos eletrônicos de grande importância, passando por cargas como hospitais e shoppings, e chegando até à alimentação de cidades inteiras, que utilizam a energia de diversas centrais de geração. De fato, a principal vantagem da operação em paralelo de geradores é, como foi citado acima, a confiabilidade que isto confere ao sistema











geração for dividida entre dois (ou mais) geradores de menor capacidade de fornecimento, mesmo que ocorra falta em um gerador, os consumidores continuaram sendo alimentados pela potência do(s) outro(s), evitando queda de energia. Por este motivo, vários hospitais, que possuem cargas importantes e que não podem ser interrompidas, i nterrompidas, utilizam sistema de geração própria. Outra vantagem da operação em paralelo é a maximização do rendimento das máquinas. Quando há uma única fonte de energia, o valor de sua capacidade nominal é fixo. Desta forma, quando a demanda da carga for baixa, a capacidade da fonte continuará sendo a nominal, caracterizando-se uma queda no rendimento da máquina. Se, por outro lado, forem utilizados diversos geradores operando em paralelo, alguns deles podem ser desligados do sistema durante determinados períodos em que a demanda da carga for reduzida. Assim, a capacidade nominal do grupo de geradores cai, mas é suficiente para alimentar a carga a qualquer momento, e o rendimento do mesmo é mantido em um nível satisfatório, melhorando, entre outras coisas, o seu fator de potência. A operação em paralelo também possibilita maior frequência em atividades de manutenção e verificação das máquinas, utilizando os equipamentos excedentes enquanto uma das máquinas estiver desligada. No caso de empresas e indústrias de grande porte, isso contribui para a redução das perdas financeiras ocorridas quando desligam-se as máquinas para manutenção, pois não há a necessidade de interromper-se completamente a produção. No caso de uma unidade consumidora onde é esperado um aumento na demanda de energia ao longo do tempo, adicionar geradores em paralelo com o instalado inicialmente é uma solução interessante, pois reduz o custo inicial da instalação. Se esta técnica não for utilizada, será necessário instalar um gerador com potência nominal superior à que é demanda inicialmente pelo sistema, este gerador operando praticamente a vazio, dependendo do período











Há ainda um fator físico que corrobora com as vantagens da operação em paralelo. Nos dias atuais, a demanda por energia elétrica assume valores astronômicos, principalmente em regiões urbanas. Na maioria dos casos, tanto a física como a economia, não permitem a instalação de um único gerador que seja capaz de suprir toda a demanda de tais áreas. No entanto, empregandose vários geradores em paralelo, as potências nominais dos mesmos se somam, constituindo um total capaz de alimentar uma carga de grande porte como a citada acima. Por todos estes motivos, a utilização de geradores em paralelo é aconselhável em algumas situações. No entanto, para que ela seja, de fato, lucrativa, ela deve ser planejada para caracterizar o melhor funcionamento possível. Como regra geral, utiliza-se utili za-se uma unidade geradora de maior potência, que seja suficiente para alimentar por si só a demanda mínima da área ao longo de um período determinado, e aplica-se outros geradores, de menor capacidade, para suprir os períodos de demanda mais alta. Quando a demanda da área aumenta, passando a exceder a potência nominal do gerador principal, pode-se instalar outro gerador de maior importância, que permanecerá ligado a todo momento, juntamente com o gerador principal, de modo a suprirem em conjunto a demanda mínima da carga alimentada. Há ainda algumas desvantagens no uso de geradores em paralelo. Por serem utilizados vários geradores, ou seja, mais carcaças, mais enrolamentos e mais núcleos, o espaço ocupado pelo maquinário em paralelo é maior do que se fosse utilizado apenas um gerador. Outro problema acarretado pela operação em paralelo, é o aumento na corrente de curtocircuito, que implicam em maior gasto com proteção dos equipamentos. Por fim, devem ser atendidas ainda, ainda , as condições de paralelismo.











3. CONDIÇÕES PARA A OPERAÇÃO EM PARALELO P ARALELO

Apesar de vantajosa, a ligação em paralelo não pode ser executada arbitrariamente. Algumas condições, chamadas condições de paralelismo, referentes à operação e às especificações dos geradores, devem ser observadas, sob pena de problemas na tensão gerada, e danos aos geradores, condutores, barramentos e equipamentos equipamentos alimentados. Por motivos óbvios, a primeira condição a ser respeitada, é que a tensão de geração de todos os geradores ligados em paralelo deve ser a mesma. Se esta condição não for respeitada, será gerada uma corrente de circulação entre os geradores, que danifica os mesmos, queimando enrolamentos, causando superaquecimento, superaquecimento, e reduzindo a vida útil dos equipamentos como um todo. Para o caso de geradores ger adores trifásicos, a sequência de fases na ligação dos geradores com o barramento alimentado deve ser a mesma para cada um deles. Caso esta condição não seja respeitada, cada fase do barramento terá uma tensão nominal diferente das outras, o que causará curto-circuito, podendo inclusive queimar os geradores em paralelo. Outro critério que deve ser respeitado é o da frequência. Se as frequências de geração dos geradores (que são determinadas por características construtivas), não forem iguais, a onda gerada no barramento não terá características senoidais, e ainda terá picos de tensão duas vezes maiores do que os das ondas nos geradores. Um exemplo está ilustrado na figura a seguir:













Diferença de potencial entre geradores com frequências diferentes. (Fonte: Winplot)

Há ainda uma condição de paralelismo referente aos ângulos de











Diferença de potencial entre geradores com diferença de fase. (Fonte: Winplot)

A sincronização de geradores surgiu como uma alternativa para modelar o sistema de geração de modo a torná-lo concordante com algumas das condições de paralelismo.











Um gerador não pode simplesmente ser conectado a um sistema, no qual já existem outros geradores síncronos conectados e trabalhando de forma a fornecer potência elétrica às cargas conectadas a esse sistema. Para conectar um gerador a um sistema de barramento infinito, é necessário seguir e atender aos requisitos da sincronização, que, de acordo com Jordão (1980, p. 102), são: impor ao novo gerador as mesmas tensões eficazes e a mesma sequência de fases do sistema externo, e impor ao novo gerador as mesmas tensões instantâneas em cada par de terminais te rminais a serem interligados. Podem-se citar os métodos das lâmpadas e do sincronoscópio para a sincronização de geradores; porém, neste trabalho será abordado apenas o segundo método citado. Uma solução é usar um instrumento denominado sincronoscópio, que é constituído de um ponteiro girante e uma posição fixa para indicar o momento preciso da sincronização; o ponteiro girante indica se o gerador a ser sincronizado está mais lento ou mais rápido que os demais geradores; quando a posição desse ponteiro girante coincide com a posição fixa própria do sincronoscópio, a chave que faz o paralelismo é fechada.

5. MODALIDADES DE SINCRONISMO O objetivo principal da sincronizacão e alcançar um estado de coerência entre propriedades de interesse dos sistemas em questão. Contudo, existem algumas propriedades que são muito utilizadas como indicativas de condição síncrona. Devido a isso, tais propriedades caracterizam algumas modalidades de sincronismo.











Sincronismo de frequência (Rosenblum et al., 1996): acontecendo

sincronismo de fase, as frequências também estarão sincronizadas, devido a relação existente em fase e frequência, qual seja a frequência e a variação temporal da fase. Contudo o contrário não é verdadeiro. Sincronismo com atraso de tempo (Rosenblum et al., 1997): caracterizado quando os estados são idênticos a menos de uma defasagem de tempo fixo.

6. MÉTODOS DE SINCRONISMO Os métodos de sincronismo podem ser classificados como métodos em malha fechada (Deckmann ( Deckmann et alli , 2003; Karimi-Ghartemani e Iravani, Ir avani, 2004; Lee et alli , 1999; Sasso et alli , 2002) ou em malha aberta (Camargo e Pinheiro, 2006; Kennel et alli , 2003; Marques, 1998; Svensson, 2001). Nos métodos em malha fechada, o ângulo de sincronismo é obtido através de uma estrutura em malha fechada para sincronizar o valor estimado do ângulo de fase com seu valor real. Por outro lado, métodos de sincronismo sincronismo em malha mal ha aberta são simples, uma vez que eles não usam sensores mecânicos mecânicos ou métodos de estimação de posição ou velocidade. O ângulo de sincronismo, ou o vetor normalizado de sincronismo, é obtido diretamente das tensões alternadas (Marques, 1998; Svensson, 2001) ou das tensões estimadas (Kennel et alli , 2003). Uma vez que geradores de indução com rotor em gaiola de esquilo são economicamente economicamente recomendados para aplicações de baixa potência em locais l ocais isolados (Simões











Método I Para sistemas trifásicos a três fios, um vetor de sincronismo pode ser obtido a partir da medição de apenas duas tensões de linha (Marques, 1998). Usualmente, conversores PWM são analisados e controlados a partir de quantidades de fase (Camargo e Pinheiro, 2006); então, o vetor de tensões de linha, vl, é transformado em um vetor de tensões de fase, vf . Considerando que a soma das tensões de fase é zero zer o para sistemas a três fios, então:

Além disso, as tensões t ensões de fase são transformadas em coordenadas













Um vetor normalizado de sincronismo pode ser obtido dividindo V AlfaBeta por sua norma, isto é:











evitar esta distorção, o vetor das tensões de fase (v ( vf ) é filtrado por filtros passa-banda (BPF – Band-Pass Filters ) sintonizados na freqüência fundamental, como mostrado na figura a seguir. Para estes casos, os filtros passa-banda devem possuir ganho unitário e não podem defasar os sinais filtrados na freqüência fr eqüência fundamental. fundamental.

Diagrama de blocos do método de sincronismo II.

Método III Cargas desequilibradas podem produzir tensões desbalanceadas nos











onde “a” é o operador de defasagem de 120º, representado r epresentado pelo seguinte número imaginário:

Então, para obter o vetor das tensões de sequência positiva no sistema de coordenadas alfabeta, deve-se pré-multiplicar tanto a parte real quanto a parte imaginária da matriz de sequência positiva pela matriz de transformação Talfabeta, Talfabeta, de tal forma que:

Para implementar o operador j pode-se empregar um conjunto de filtros passa-tudo (APF – All-Pass Filters ) de 1ª ordem, como mostrado na figura a seguir, na página 15, projetados para possuir ganho unitário e defasagem de 90° na frequência fundamental (Lee et alli , 1999; Karimi-Ghartemani e Iravani, valfabeta+ é dado 2004). Então, de acordo com a figura da página 15, o vetor valfabeta+











Um vetor de sincronismo normalizado valfabeta+n valfabeta+n pode ser obtido valfabeta+, obtido a partir de (12), pela sua norma Euclidiana (7). ao dividir valfabeta+, valfabeta+n são os sinais cosseno e Novamente, os componentes do vetor valfabeta+n seno necessários para sincronizar o inversor PWM.

Diagrama de blocos do método de sincronismo III.

Método IV Outro método de sincronismo, chamado neste trabalho de método IV, pode ser usado para obter sinais de sincronismo sincronismo com baixa bai xa distorção harmônica total (THD – Total Harmonic Distortion ), ), mesmo com distorções











De forma similar ao método III, os sinais de sincronismo são obtidos a partir do vetor das componentes de sequência positiva das tensões de fase filtradas, e, portanto, por tanto, as tensões de sequência negativa causadas por cargas desequilibradas e distorções harmônicas produzidas por cargas não lineares não aumentarão a THD dos sinais de sincronismo. sincronismo.

Diagrama de blocos do método de sincronismo IV.













4) A subestação e a tensão de conexão serão definidas pela COPEL, que fará estudos para a integração da usina do Acessante de Geração ao seu sistema, visando determinar qual subestação em que obter-se-á a melhor condição de conexão, sem que esta traga prejuízos ao sistema sistema ou aos seus consumidores. 5) A operação em paralelo de Acessantes de Geração será analisada caso a caso pela COPEL, devido à diversidade de instalações de geração, transmissão e distribuição existentes, de forma a resguardar os componentes do sistema elétrico, bem como a qualidade e confiabilidade do fornecimento de energia elétrica. 6) A operação em paralelo não deverá resultar em problemas técnicos de











adequados para a supervisão das condições de sincronismo de forma a possibilitar o fechamento do paralelo entre o Acessante de Geração e a COPEL. 11) A instalação de equipamentos equipamentos que possibilitem o religamento automático da linha de conexão será definida, se necessário, de forma a atender aos requisitos técnicos da COPEL. 12) Nos casos em que a tensão de conexão seja 13,8 kV, os enrolamentos dos transformadores do Acessante de Geração conectados nessa tensão deverão ser, conforme o caso, triângulo tri ângulo ou estrela isolada, com aterramento por meio de resistor, de forma a garantir Ro < Xco. Para os demais níveis de tensão, as conexões dos transformadores deverão ser sempre sempre em estrela estrel a com neutro











15) Em função do porte das instalações do Acessante de Geração, a COPEL reserva o direito de exigir a instalação de equipamentos adicionais como relés de frequência, registradores de perturbação, oscilógrafos, esquemas esquemas especiais de proteção, medição de controle de tensão para o barramento de conexão e de potência ativa, reativa, e corrente para a linha de conexão, etc. 16) O sistema de medição para faturamento deverá atender a ETC 3.09 Especificação Técnica para Sistema de Medição para Pequenas Centrais Elétricas, e será instalado no ponto de conexão. Havendo necessidade, será exigido a instalação de um canal de comunicação para fins de aquisição remota dos dados da medição para faturamento. 17) Em função da potência instalada do Acessante de Geração, a COPEL











provocar variações súbitas de tensão superiores a 5% da tensão nominal no ponto de conexão, observado ainda o limite imposto pela fórmula do item 13. 20) Contingências nas instalações do Acessante de Geração não poderão ocasionar, no ponto de conexão, tensões inferiores aos valores a seguir, onde a tensão base é a tensão nominal do ponto de conexão: - 69 kV e 138 kV - 0,925 pu; - 13,8 kV e 34,5 kV - 0,913 pu. 21) No caso da ocorrência de valores inferiores a estes limites, o Acessante de Geração será considerado em emergência, e a conexão será aberta. 22) O fator de potência nominal dos geradores será definido pela COPEL











Indicação por 20 LEDs vermelhos para defasagem angular e 3 LEDs verdes para escorregamento (diferença de frequência). Utilizado em rede monofásica ou trifásica. Sinais de entrada isolados i solados óticamente. Tamanho frontal 144x144mm 144x144mm Aplicação Instrumento indicador de sincronismo para instalação em coluna de sincronismo de grupo-geradores, quadro elétrico principal de navios, etc. Funcionamento Quando houver diferença de frequência, os 20 LEDs vermelhos acenderão























Grau de proteção: alojamento: IP 50. Terminais: IP 00. Posição de montagem: qualquer. Fixação: suporte com parafuso. Conexão: terminais com trava e parafuso . Condições climáticas: Temperatura ambiente: 0…60 º C











9. REFERÊNCIAS ABB. CATÁLOGO SINCRONOSCÓPIO DIGITAL SD 144. 144. 2002.

CAMACHO, Carlos Alexandre Pereira. Utilização da Técnica de Otimização Simétrica no











WEG Equipamentos Elétricos S.A.. Geradores Síncronos Linha G Plus - Manual de Instalação, Operação e Manutenção . Disponível em: . Acesso em: 03 dez. 2010.

Paralelismo e Sincronismo

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