63ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 8. Engenharia Elétrica

SIMULAÇÃO DO COMPORTAMENTO DA VELOCIDADE DE UMA TURBINA HIDRÁULICA E SINCRONISMO DE GERADORES UTILIZANDO O SOFTWARE MATLAB

Victor Silva de Freitas 1 Sebastião da Silva Oliveira Junior 1 Felipe Santos de Alencar 1 Noemy Pereira de Souza 1 Rodrigo Oliveira de Miranda 1 Orlando Fonseca Silva 2

1. Programa de Educação Tutorial de Eng. Elétrica, FEE, ITEC, UFPA 2. Prof. Dr./Tutor do PET de Eng. Elétrica, FEE, ITEC, UFPA

INTRODUÇÃO:

A geração de energia elétrica através de uma turbina hidráulica é dada através da conversão de energia mecânica em energia elétrica. A força da água impulsiona a rotação de uma turbina que transfere esse movimento a um gerador, este, por sua vez produz tensão e corrente senoidais a uma freqüência de 60 Hz. É necessário um regulador de velocidade para manter a rotação constante. Dependendo da demanda de energia, pode ocorrer a atuação de geradores em paralelo, que, por sua vez, devem ter suas velocidades sincronizadas. Para isso, os reguladores precisam incorporar uma característica denominada droop, isto é, “inclinação”, exercendo uma realimentação para garantir uma mudança de velocidade nominal assim que a carga aumenta. No Brasil, esta taxa é de 5%. Com influência direta da constante Tw (water starting time) como fator da construção de turbinas, pode-se analisar o comportamento de resposta do sistema. O objetivo da pesquisa é simular no software MATLAB a resposta da velocidade de uma turbina dada uma entrada e uma carga, variando a constante Tw e, visualizando e comparando qualitativamente as respostas de velocidade e as freqüências nos diagramas de Bode, para que se possa conceber o sincronismo entre as máquinas a partir de um droop de velocidade.

METODOLOGIA:

Para a produção da pesquisa, o regulador de velocidade, a turbina e o gerador foram simulados a partir de linhas de comando no sofware MATLAB a partir dos seus modelos matemáticos disponíveis na literatura. Constantes mecânicas, como a de inércia, foram empregues nos modelos da turbina e do gerador, com o intuito de simular as resistências de uma da unidade geradora. Os parâmetros de constantes de tempo e as características de droop também foram obtidos da bibliografia consultada, e dentro destas, apenas variando duas: as chamadas Tw e G (ganho em p.u.), para a obtenção dos resultados mais favoráveis no acionamento do gerador com a turbina hidráulica. As respostas do sistema foram obtidas para uma excitação padrão, do tipo degrau, e analisadas partir dos gráficos gerados na simulação. Tais gráficos correspondem à comparação das respostas da velocidade linear e do diagrama de Bode (amplitude e fase) para dois valores da constante Tw, com o objetivo de uma melhor visualização da diferença nos períodos transitórios, da magnitude e da defasagem entre os sinais de saída.

RESULTADOS:

O desenvolvimento do sistema, em linhas de comando do software MATLAB, foi estabelecido em blocos representativos de cada função de transferência, no domínio da freqüência, que são os blocos de referência à carga não nula, do sistema de controle, da turbina e do gerador, ligados em série, com realimentação em malha fechada e, como entrada, um sinal degrau unitário. Então, a simulação a partir da variação de Tw (0.07 s e 0.05 s) com um ganho estável G = 1 (p.u.), permitiu observar a diferença destas constantes de tempo peculiares de cada turbina, principalmente nas condições do tempo de estabilização, porém com valores semelhantes de sobre-sinal, com a importância de transpor a inércia. O valor de 0.05 s foi o que melhor que se enquadrou e valores superiores a 0.07s não tiveram resultados satisfatórios. Quando simulado para outros valores de ganho, 20 % acima do valor nominal, ocorreu instabilidade do sistema. Os valores de droop para o sincronismo de turbinas também foi cumprido, com o valor da velocidade em 95 % do valor nominal e o diagrama de Bode mostrou que na freqüência de 60 Hz não há defasagem entre as velocidades, garantindo sincronismo.

CONCLUSÃO:

A partir dos dados obtidos nas simulações realizadas, é possível perceber que os valores de Tw devem ser estabelecidos próximos a 0,05 s, pois foram os que produziram as melhores respostas em termos de tempo de estabilização para um ganho nominal (G = 1 p.u.) A observação do diagrama Bode também evidenciou a possibilidade de sincronismo, entre duas turbinas com constantes Tw diferentes, para a produção de rotação e uma freqüência de 60 Hz. Tal situação é favorável a que os dois geradores possam suprir uma carga comum, situação comparável aos sistemas de geração de energia em grades hidroelétricas, o que comprova a veracidade do sistema estudado e a obtenção de resultados satisfatórios, baseados nas referências consultadas.

Palavras-chave: Turbinas, Reguladores de Velocidade, Sincronização.