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TÍTULO: DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE SIMULAÇÃO DINÂMICA DE TURBINA FRANCISPARA REGULAÇÃO DE VELOCIDADETÍTULO:

CATEGORIA: EM ANDAMENTOCATEGORIA:

ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURAÁREA:

SUBÁREA: ENGENHARIASSUBÁREA:

INSTITUIÇÃO: FACULDADE ENIACINSTITUIÇÃO:

AUTOR(ES): LEVI SOUZA SAMPAIO, SILAS SOARES SANTOSAUTOR(ES):

ORIENTADOR(ES): MARCONES CLEBER CLEBER BRITO DA SILVAORIENTADOR(ES):

TÍTULO PROVISÓRIO DO TCC: Desenvolvimento de um Sistema de Simulação Dinâmica de Turbina Francis Para Regulação de Velocidade Levi Souza Sampaio 236092011 Silas Soares Santos 319072011

1 Resumo – No sistema elétrico de potência, as cargas que estão conectadas aos diversos barramentos variam

constantemente, afetando o equilíbrio carga/geração. A energia cinética armazenada nos corpos girantes das

unidades geradoras tende a aumentar ou diminuir a rotação do conjunto durante a perturbação, o que alteraria

significativamente a frequência, se não fosse pelo regulador de velocidade. Este artigo tem por objetivo fornecer

ao meio acadêmico um sistema de simulação do funcionamento de usina hidrelétrica com ênfase na regulação de

velocidade em turbinas hidráulicas Francis. Esse simulador consiste em abordar diferentes condições de

operação do sistema e proporcionar ao usuário o controle das variáveis de processo: potência ativa, velocidade,

frequência e abertura do distribuidor, tudo por meio de interface gráfica. É demonstrado também o passo-a-passo

da confecção dos modelos no Matlab Simulink, a interface com o Arduino e o supervisório.

2 Introdução

Devido à alta demanda de energia do país, combinada com sua grande extensão territorial, produzir

energia elétrica com qualidade e confiabilidade desperta alguns desafios. O primeiro é gerar energia elétrica de

características técnicas aceitáveis, em termos mais específicos, uma frequência-padrão de 60 Hz, com variação

de ± 1%, distribuída em toda a rede de energia. Outro desafio está ligado à confiabilidade do sistema mecânico.

Para cumprir estes objetivos no projeto da máquina, é necessário definir uma frequência de rotação como ponto

ótimo de trabalho compatível com a rede que está interligada, e ainda projetar os componentes mecânicos que

suporte os esforços máximos a que são submetidos nos diversos regimes de trabalho.

James Watt, em meados do século XVII, criou o primeiro regulador de velocidade de uma máquina

motriz, tendo como principal objetivo melhorar o rendimento das máquinas a vapor da época. O conceito de Watt apesar de ser um modelo mecânico-hidráulico simples, resultou no aumento significativo da eficiência do

sistema em que foi introduzido, iniciando o controle da produção de energia das máquinas motrizes. Atualmente

a necessidade do regulador de velocidade nos sistemas produtores de energia é maior ainda, principalmente nas

grandes centrais, pois não só tem a finalidade primária de manter a frequência (mantendo assim o rendimento de

uma máquina independente da mesma), mas também de controlar a potência gerada (Souza, Fuchs, & Santos,

1983)

Para atender os requisitos operativos de frequência são utilizadas, normalmente, malhas de controle de

potência ativa – frequência (denominada usualmente como malha Pf, ou ainda, malha de controle de

carga/frequência). No projeto e operação desta malha, o problema da estabilidade dinâmica tem se mostrado de

crucial importância, sendo eu nesta esteira os ajustes adequados dos parâmetros dos sistemas de controle

permitem melhor desempenho para o sistema de potência.

3 OBJETIVOS

Este trabalho tem por objetivo fornecer ao meio industrial e acadêmico um sistema de simulação do

funcionamento de usina hidrelétrica com ênfase na regulação de velocidade em turbinas hidráulicas Francis. Esse

simulador consiste em abordar diferentes condições de operação do sistema e proporcionar ao usuário o controle

das variáveis como potência ativa tudo por meio de interface gráfica.

4 Metodologia

Para que esse simulador fosse desenvolvido, foram realizadas pesquisas sobre princípio da conservação de

energia, geração de energia e controle de velocidade. Também foram implementados os modelos matemáticos que compõem diferentes partes do sistema no MATLAB como o distribuidor hidráulico de uma turbina Francis e

seu eixo, e que através de um toolbox é descarregado a aplicação em um arduino que tem a função de receber

sinais de entrada e saída e abrigar as lógicas. Um controlador lógico programável é responsável por coletar e

enviar dados para o arduino e também serve como gateway para um sistema supervisório permitindo a

comunicação entra as partes. Com o sistema implementado o usuário pode entender o comportamento do

regulador de velocidade frente diferentes situações operacionais como o descarte de carga, bem como realizar

diferentes ajustes para o controle do sistema.

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5 Desenvolvimento

Para simulação é considerado a seguinte equação:

P = Tm ∗ ωr

Onde:

P = Potência ativa em W

Tm = Torque em Nm

wr = A rotação em rad/s

Observa-se que a potência gerada é diretamente proporcional ao torque e a rotação da turbina, portanto,

fatores desejados para a manutenção da frequência que a velocidade ou “wr” permaneça constante, com

alteração apenas do torque “Tm”. O princípio da conservação de energia estabelece que a quantidade de energia demandada no sistema,

incluindo as perdas, deve ser igual a quantidade de energia gerada. No sistema elétrico de potência as cargas

estão ligadas aos diversos barramentos variam em tempo real, e o estado de equilíbrio carga/geração é sempre

alterado. Isto obriga o constante restabelecimento do estado de equilíbrio, que é exercido através de sistemas de

controle. (Helmo Lemos, 2002)

Portanto o objetivo elementar do regulador de velocidade é manter a rotação constante para quaisquer

variações de carga no sistema. Quando o sistema de geração supre uma carga isolada, os reguladores de

velocidade atuam para controle da rotação com a variação da carga. Todavia para operação em sincronismo com

outras fontes geradoras a velocidade é imposta pelo sistema, devido sua robustez, portanto nessa situação a

malha de controle atua para controlar a potência, desde que não ocorra distúrbios na rede. A malha de controle do regulador de velocidade calcula a abertura necessária para manter a velocidade

ou potência desejada naturbina. Este comando é informado para a parte hidráulica através da chamada “interface

eletro-hidráulica”. O componente principal desta interface é a válvula proporcional. A abertura e fechamento dos

servomotores são comandos preferencialmente através dos sinais de corrente de 4 a 20mA ou alternativamente,

na tensão entre -10V a +10V.

Sabendo que a potência gerada é diretamente proporcional ao torque e a rotação da turbina chega-se à conclusão

que a turbina é modelada e simulada conforme equação a seguir:

Onde: Pmec = Potência mecânica no eixo da turbina em (p.u);

At= coeficiente de transformação entre potência do gerador e da turbina;

ℎ = Altura de queda líquida do reservatório em (p.u);

q = Vazão em (p.u);

qnoload = Vazão necessária para suprir as perdas da turbina a vazio em (p.u); Da = Coeficiente de perdas de rendimento por desvio da velocidade (“water turbine

damping”);

G = Abertura do distribuidor em (p.u);

ω = Rotação em (p.u)

∆ω= Desvio da rotação nominal em (p.u)

6 Resultados preliminares Com resultado na figura 1 é apresentada a modelagem do protótipo e software simulador de usina e regulador de

velocidade.

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Figura 1 - Modelo simulador de turbina

Na figura 2, é a apresentada a modelagem da turbina não ideal.

Figura 2 (Diagrama de blocos turbina não ideal)

Com a implementação do simulador junto às malhas de controle, foram feitos ensaios de modo a avaliar

o comportamento dinâmico do conjunto em diversas formas. Os valores utilizados para a simulação o controle

foram os seguinte:

KP = Ganho proporcional = 2.778

KI = Ganho integral = 12.611

KD = Ganho derivativo = 8.4088

Figura 3 - Ensaio de Rejeição de Carga x Desvio de Velocidade

Conforme a figura 3 a sobre-velocidade ocasionada pelo descarte de carga é proporcional à base de

carga que o gerador alimenta e o tempo de acomodação e retorno à estabilidade é cerca de vinte segundos.

7 – Fontes Consultadas

Helmo Lemos. (2002). Operação de Turbinas Hidráulicas e Reguladores de Velocidade. Apostila Técnica,

FUPAI - Fundação de Pesquisa e Assessoramento a Indústria, Itajubá.

Mataix, C. (1984). Turbomaquinas Hidraulicas. Madrid: ICAI.

Mazzorana, R. H. (2008). Modelagem Dinâmica via Fluxo de Potência de Reguladores de Velocidade em Usinas

Hidrelétricas. Dissertação, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.

The Institute of Electrical and Electronic Engineers, Inc. (2013). Dynamic Models for Turbine-Governors in

Power System Studies. TECHNICAL REPORT, IEEE, IEEE Power & Energy Society.

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01/09/2016 EniacVirtual Declaração de Matrícula

http://perseu1.eniac.com.br/lewebweb/secretaria/declaracaoMatriculaCN/declaracaoMatriculaFaculdade.jsf?cid=2 1/1

DECLARAÇÃO DE MATRÍCULA

Declaramos para os devidos fins que LEVI SOUZA SAMPAIO éaluno(a) regularmente matriculado(a) no 10º período do curso deEngenharia de Controle e Automação , período letivo 20162F nestaInstituição de Ensino Superior, com matrícula no. 236092011.

O horário das aulas é das 18:00h às 20:30h de segunda à sextafeira eaos sábados das 7h50 às 12h10. A carga horária total do curso é de 4600horas. Com duração de 10 semestres letivos.

Informamos ainda, que o curso de Engenharia de Controle eAutomação tem Reconhecimento pela Portaria SERES Nº 605 de19/11/2013 D.O.U. de 20/11/2013.

Guarulhos, 01 de Setembro de 2016

Fernanda de Oliveira Henrique Secretária Geral

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01/09/2016 EniacVirtual Declaração de Matrícula

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DECLARAÇÃO DE MATRÍCULA

Declaramos para os devidos fins que SILAS SOARES SANTOS éaluno(a) regularmente matriculado(a) no 10º período do curso deEngenharia de Controle e Automação , período letivo 20162F nestaInstituição de Ensino Superior, com matrícula no. 319072011.

O horário das aulas é das 18:00h às 20:30h de segunda à sextafeira eaos sábados das 7h50 às 12h10. A carga horária total do curso é de 4600horas. Com duração de 10 semestres letivos.

Informamos ainda, que o curso de Engenharia de Controle eAutomação tem Reconhecimento pela Portaria SERES Nº 605 de19/11/2013 D.O.U. de 20/11/2013.

Guarulhos, 01 de Setembro de 2016

Fernanda de Oliveira Henrique Secretária Geral

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