SISTEMAS DE CONTROLE INTEGRADOS PARA EXCITAO DEGERADORES E REGULAO DE VELOCIDADE PARA TURBINAS

BASEADOS EM CLP

Joo Jos Marques Gonalvesjjmg@scepp.com.br

SCEPP LtdaWilson da Silva Jrwilson@scepp.com.br

SCEPP LtdaMarcelo Balbino

balbino@scepp.com.brSCEPP Ltda

Luciano Simes de Souzaluciano@scepp.com.br

SCEPP Ltda

AbstractThis work presents the application of programmable logic controllers (PLC) as integrated voltage andspeed control systems for generators and turbines. The conventional excitation and speed controlsystems are replaced by software routines in the same PLC CPU in wich the ancillary systemautomation software runs.

ResumoEste trabalho apresenta a aplicao de controladores lgicos programveis (CLP) como sistemas decontrole integrados de tenso e velocidade para geradores e turbinas. Os sistemas de excitao econtrole de velocidade convencionais so substitudos por rotinas de software e integrados na mesmaCPU. Esta CPU que normalmente estaria limitada apenas automao dos auxiliares do grupogerador, passa a executar todas as funes de controle reduzindo o nmero de componentes dosistema.

Palavras-chave : Sistemas de excitao, controle de velocidade, integrao, geradores, turbinas,CLP, IEC 61131-3.

1 INTRODUOControladores lgicos programveis (CLP) tm sido a soluo bvia para aplicaes industriais decontrole. Na aplicao de controle de turbinas e geradores, entretanto, tm sido praticamenteignorados. Existe um grande nmero de diferentes fabricantes de controladores lgicos programveisno mercado e a aceitao da norma IEC 61131-3 tem crescido nos ltimos anos. O surgimento cadavez maior de fabricantes de hardware que oferecem controladores em conformidade com a normatem aumentado a flexibilidade e a viabilidade do uso de CLPs em aplicaes de controle complexas,como o controle simultneo de turbinas e geradores, integrados na mesma CPU. A integrao dossistemas de excitao (regulao de tenso) e controle de velocidade tende a torn-los maisconfiveis que a soluo convencional. Nos sistemas convencionais, os controles de tenso evelocidade so realizados por controladores dedicados, separados para cada funo. Normalmente, ouso de CLPs fica restrito automao dos auxiliares da turbina. Com a separao dos sistemas emtrs partes (controle de tenso, velocidade e automao de auxiliares) existe um grande nmero decomponentes utilizados, o que reduz a confiabilidade do sistema como um todo. Com o uso de CLPspara integrar os controles de excitao e velocidade, e considerando a possibilidade de integrartambm a automao dos auxiliares, ocorre o compartilhamento de componentes na execuo dasvrias funes de controle e automao envolvidas na aplicao. H, portanto, uma reduo

significativa de componentes, principalmente de fontes de alimentao. Com menos componentes, aconfiabilidade do sistema integrado tende a ser maior. Controladores dedicados para turbinas egeradores tambm tendem a ser muito mais caros do que CLPs de uso geral. Isto se deve mais pormotivo da economia de escala que ocorre na produo de CLPs, que servem para todos os tipos deaplicaes na indstria, do que por alguma caracterstica superior dos controladores dedicados. Defato, nos dias de hoje, a maioria dos CLPs so tecnologicamente mais avanados do que algunscontroladores dedicados encontrados no mercado. Consequentemente, a integrao dos sistemasproporciona uma significativa reduo de custos de equipamentos, sem perda de desempenho. Ossistemas integrados tambm so fisicamente menores e requerem menos interligaes do que ossistemas convencionais. Assim, os custos de implantao e manuteno so reduzidos. Ao final destetrabalho, um sistema integrado ser apresentado. O sistema desenvolvido est funcionando com oauxlio de simuladores de turbina e gerador, e parte dele j se encontra em operao em umturbogerador real de 6,5 MVA.

2 SISTEMAS DE CONTROLE DE GRUPOS GERADORES DE ENERGIAOs sistemas de controle de grupos geradores so divididos em dois tipos : os controles de malhafechada (closed loop controller) e os controles de malha aberta (open loop controller). No primeirocaso esto os controles de tenso e velocidade. O sistema de automao dos auxiliares seenquadram no segundo grupo. A seguir, descrevemos cada um destes sistemas.

2.1 Sistema de controle de velocidadeO dipositivo que controla a velocidade ou a potncia de sada de uma turbina chamado degovernador [1].O governador um dipositivo que mede a rotao da turbina e controla sua fonte de energia (ex. :vazo de vapor ou gua) para manter um nvel de velocidade desejado e necessrio para suprirvariaes de carga.Um simples controlador proporcional pode ser usado como regulador de velocidade para uma turbina(figura 1). Este regulador ter um erro em regime permanente que no conveniente para a operaoisolada. Esta caracterstica, por outro lado, aproveitada por alguns reguladores para permitir aoperao do grupo gerador em paralelo com outras mquinas ou com a rede eltrica.

Figura 1 Regulador de velocidade proporcional

Com a adio de uma ao integral, teremos um regulador iscrono (figura 2). Num reguladoriscrono, a variao da abertura da vlvula de admisso da turbina s ser nula, quando a variaode velocidade (ou de freqncia do sistema) for nula. Este tipo de regulador s adequado para aoperao isolada.

+

-

Referncia

Velocidade

Demanda de posio

Figura 2 Regulador de velocidade iscrono

Alguns sistemas de controle de velocidade podem operar tanto no modo proporcional quanto no modoproporcional-integral (iscrono). A comutao entre os modos de controle feita conforme asnecessidades de operao.Outra forma de viabilizar a operao em paralelo introduzir no regulador iscrono, umarealimentao proporcional posio de vlvula (figura 3) para produzir uma caracterstica de quedade velocidade no controle (droop). Em alguns casos a medio da potncia ativa pode ser usada no

+

-

Referncia

Velocidade

Demanda de posio

lugar da posio de vlvula. O droop deve ser ligado para permitir a operao em paralelo com a rede(ou com outras mquinas) e desligado para a operao isolada.

K

+

-

Referncia

Velocidade

Demanda de posio

-

0

Operao em paralelo

Figura 3 Regulador de velocidade com modos iscrono e droop

Num regulador eletrnico, o sinal de demanda de posio de vlvula produzido deve ser convertidopor meio de um conversor eletro-hidrulico (figura 4) em uma presso de leo de controle.

Presso de leo

Presso de leode controle

Retorno

Sinal decontrole 4..20 mA

Fabricante : VoithTipo : E360

Figura 4 Conversor eltro-hidrulico

Neste exemplo, a presso de leo de controle deve ser amplificada com o auxlio de uma vlvulapiloto para posicionar as vlvulas de admisso de vapor de uma turbina (figura 5). Observe na figura5, que existe uma malha de controle de posio na prpria vlvula. Em algumas mquinas, estamalha de controle de posio deve ser feita no regulador eletrnico.

Vapor vivo

V3V2V1

Vlvulas de controle

Controle de posio

Atuador

Piloto

Pisto principal

Mola

Impulsespring

Realimentao

RetornoPresso de leo

2-4 bar = 0-100 % curso

presso de leode controle

Tempo de operao :

Abertura : 1 ... 5 sFechamento : 0.2 ... 0.5 s

Figura 5 Atuador pilotado para vlvulas de controle (AEG Kanis)

2.2 Sistema de excitaoOs sistemas de excitao [2] em uso atualmente podem ser divididos em dois grandes grupos (figura6) :

Excitatriz rotativa1-100 A

Excitatriz esttica100-10000 A

Figura 6 Sistemas de excitao com excitatriz rotativa e excitao esttica

- Com excitatriz rotativa, tambm conhecido por excitao indireta;- Sem excitatriz rotativa, conhecido por excitao direta ou esttica.

O primeiro grupo compreende as seguintes variaes de projeto :

A) Excitao Brushless : excitatriz AC com armadura trifsica e circuito de campo no estator. Acorrente retificada por diodos rotativos. No so necessrios anis coletores. Aplicao : parasistema de gerao de alta velocidade (n>1500 rpm), praticamente para todos os grupos de turbinas avapor e gs menores do que 100 MVA.B)Excitao com diodos estacionrios : excitatriz AC de projeto convencional. Retificador nocontrolado externo. Anis coletores necessrios para o campo da excitatriz e campo do rotorprincipal. Aplicao : para grandes turbogeradores.C)Excitatriz DC : usada em um grande nmero de instalaes existentes. No mais utilizadas emnovas instalaes.

No segundo grupo, a corrente do rotor do gerador sempre suprida diretamente por um retificadortiristorizado. Aplicao : hidrogeradores e grandes turbogeradores.O retificador tiristorizado de seis pulsos (figura 7a) o conversor mais comum entre os sistemas deexcitao. Para sistemas com excitatriz rotativa, a potncia do estgio de sada (conversor) de 20 a50 vezes menor do que para sistemas de excitao esttica. Nestes casos tambm comum o usode conversores recortadores de tenso (chopper). O chopper (figura 7b) particularmenteinteressante em projetos de modernizao de geradores com excitatriz DC, pois pode ser alimentadocom tenso DC derivada da armadura da excitariz, dispensando a instalao de um transformador deexcitao. O uso do chopper se restringe a sistemas de excitao de pequeno porte.

Tenso AC Campo

(a)Retificador de seis pulsos totalmente controlado

Tenso AC ou DC Campo

(b)Conversor recortador de tenso : chopper

Figura 7 Sistemas de excitao com excitatriz rotativa e excitao esttica

O AVR a parte de sistema de excitao responsvel por suprir o sinal de controle correspondente diferena entre a referncia e o valor atual de tenso (realimentao). Este sinal de controle deveratuar nos circuitos de disparo do conversor de potncia.O regulador de tenso consiste essencialmente de um transdutor de tenso, um transdutor decorrente reativa (I sin j) ou potncia reativa, um compensador tipo avano-atraso (lead-lag), bemcomo um gerador de referncia de tenso. Todos os modernos reguladores de tenso tambmpossuem uma realimentao de frequncia para o limitador de sobre-fluxo (limitador V/Hz) e um sinalpara o soft-start. A medio de reativos feita para produzir uma caracterstica de queda de tensono regulador (droop). Esta caracterstica existe para garantir a operao do gerador em paralelo comum sistema de potncia ou com outros geradores (figura 8).

100 %

1 p.u.

Q

U

Figura 8 Caracterstica de queda de tenso (droop)

Uma funo de transferncia muito comum para o compensador do modo automtico aapresentada a seguir (figura 9 - Compensador de avano-atraso). O regulador PID pode serconsiderado um caso particular do compensador de avano-atraso. O compensador PID insere umplo na origem do plano s. O compensador de avano-atraso permite mover este plo para outraposio, o que favorece a estabilidade.

T 1=T AV 0V P

;T 2=T BV PV HF

; F s=U sE s

=V 01sT A1sT B1sT 11sT 2

Figura 9 Compensador avano-atraso

Onde :Vo - Ganho DCVp - Ganho proporcional Vhf - Ganho com altas frequncias TA - Constante de tempo integral TB - Constante de tempo diferencial

Representando na forma de diagrama de blocos tem-se (figura 10) :

1s

1s

1T B

V hfV P

1T A

1V 0

V P

++

-+

+

++ -

U

U1

E

Figura 10 Diagrama de blocos do compensador avano-atraso

A figura 11 mostra o diagrama de blocos simplificado de um gerador em vazio, com excitratriz rotativae excitao com conversor recortador de tenso e compensador avano-atraso.

-

+UGReferncia

Realimentao

RetificadorcontroladoPWMAvano-atraso

Conversor

Figura 11 Diagrama de blocos de um gerador com sistema de excitao

2.3 Sistema de automao dos auxiliaresUm grupo gerador depende de uma srie de sistemas auxiliares para poder operar. Estes sistemasauxiliares so responsveis por garantir o funcionamento dos sistemas de refrigerao, lubrificao,drenagem e outros. Cada um destes sistemas possui suas prprias caractersticas de operao queestaro diretamente relecionadas com as seqncias de partida, parada e operao em regimepermanente do grupo. As figuras 12, 13 e 14 mostram os esquemas simplificados de uma turbina avapor e um gerador com seus sistemas auxiliares.

G

M

M

M

Oil Tank

Oil Filter 2Oil Filter 1

Oil Cooler 2Oil Cooler 1

Emerg. OilPump

Aux. OilPump

Main OilPump

Oil TankHeater

Oil VapourFan

GENERATOROil flow for each bearing : 9.4 l/minTotal oil flow : 18.8 l/minOil temperature range : 40 - 50 oCRequired oil pressure at 40 oC at bearing : 35 kPa at orifice (incomming oil) : 200 kPa

GEAR-BOXOil flow :~320 l/min

Oil pressure :200 kpA

Emerg. StopValve

Sea water

Figura 12 Esquema de leo

T32 T51 T91

G

M

M

MM

M

Main Steam

Exhaust Steam

T12T11T10L04

L02

L01L03

Water

Water

Max. operation data130 kPa / 286 oC / 12,44 kg/s

Max. operation data4220 kPa / 424 oC / 12,44 kg/s

3

2

1

Max 25 T/h

Max. 56 T/h

M

A11 T21

L04 L03 L02 L01 T91 T51 T32 T21 T12 T10 T11T51M

A11

DRAINTANK

DRAINTANK

CONDENSATEACCUMULATOR

M

M

CONDENSATE TANK

Sea water

Gland steamcondenser

To atmosfereTo atmosfere

Exhauster

Turning gearPower : 15 kW

Input speed : 1450RPM

Output speed:226,5 RPM

Figura 13 Esquema de vapor e sistema de drenagem

G

Oil coolersystem

Sea Water

Generator coolerCooling water flowat 26 oC watertemp. : 20 m3/hWater press. drop

42 kPaMax. oper. press.

0.6 MPa

Gland steamcondenser

Figura 14 Esquema de gua

Estes esquemas so de uma mquina que opera desassistida e remotamente. A automao destessistemas auxiliares normalmente feita atravs de CLPs.

3 SOLUO CONVENCIONALO projeto convencional de um sistema completo de automao e controle de um grupo gerador teratualmente, necessariamente, um CLP para automatizar os auxiliares, um sistema de excitao e umsistema de controle de velocidade (figura 15).

CLPSistema de excitao Controle de velocidade

TRIPPED

EMER TRIP

MPU #1OK

MPU #2OK

CPUOK

RMT SPDENABLED

OVERSPEEDTEST

LOWER

START

ALARMRESET

RAISEENABLED

RPM

TRIP CODES1- EXTERNA L2- NO SPEED3- OVERSPEED4- FRONT PANEL5- MODBUS

WARNING

- CONTROLLING DEVICE -TO PREVENT BODILY INJURYAND/OR PROPERTY DAMAGE,

READ INSTALLATION, OPERATIONAND SERVICE INSTRUCTIONS

- EXPLOSION H AZARD -DO NOT C ONNECT OR DISCONNECTWHILE CIRCUIT IS LIVE UNLESSAREA IS KNOWN TO BE NON-HAZARDOUS

- DANGER D'EXPLOSION -NE PAS RECCORDER NI DEBRANCHERTANT QUE L'INSTALLATION EST SOUS TENSION, SAUF EN CAS L'AMBIANCEEST DECIDEMENT NON DANGERUSE

- SE RVICE P ORT -

WAR NING

AVE RTISSEMENT

Figura 15 Principais componentes da soluo convencional

Na maioria das vezes, estes componentes so de fabricantes diferentes e tambm costumam serfornecidos por empresas diferentes. Em geral, a empresa que fornece a turbina tambm fornece oregulador de velocidade, o fabricante do gerador fornece o sistema de excitao e comum existiruma terceira empresa responsvel pela automao. A prtica mostra que a primeira dificuldade destafilosofia conseguir integrar esta engenharia feita separadamente por vrias empresas. Os trssistemas trocam sinais entre si e h a necessidade de um projeto de interligao. Os engenheirosresponsveis por cada parte do projeto muitas vezes ficam impossibilitados de otimizar seus sistemaspor no conhecer os reais requisitos que deve disponibilizar para os demais. comum ter sinais efunes duplicadas que acabam no sendo usadas. Outros componentes comuns como fontes dealimentao, transdutores, mini-disjuntores, etc. , poderiam ser compartilhados mas acabam sendomultiplicados. O resultado um sistema mais complicado e com mais componentes do que onecessrio.A confiabilidade do grupo gerador est diretamente relacionada com a sua disponibilidade para agerao de energia. A falha de qualquer um dos trs sistemas torna o grupo gerador indisponvel. Aprobabilidade de falha de cada sistema separadamente deve levar em considerao a probabilidadede falha de todos os demais componentes perifricos essenciais ao seu funcionamento, e que nopodem ser compartilhados com os outros dois sistemas.

4 SOLUO PROPOSTA : SISTEMA INTEGRADO NO CLPA capacidade de memria e processamento dos CLPs tem aumentado significativamente ao longodos anos, possibilitando o desenvolvimento de aplicaes cada vez mais complexas. A evoluo dohardware exigiu a utilizao de novas metodologias e tecnologias para programao de controladores.Em 1992, a IEC (International Electrotechnical Commission) publicou uma norma que tem sidoadotada cada vez mais pelos fabricantes de CLPs : a IEC 61131-3. Esta norma uniformiza a formacomo os sistemas de controle so interpretados, atravs da padronizao da programao. O uso danorma permite a programao estruturada em cinco linguagens diferentes simultaneamente. A grandemaioria dos produtos existentes no mercado de automao j faz uso da norma IEC 61131-3. O uso de CLPs em aplicaes de controle de turbinas e geradores j foi criticado no passado [3]. Asprincipais desvantagens citadas estavam relacionadas com a dificuldade de programao e limitaode velocidade. Apesar das crticas, existem vrios casos bem sucedidos de aplicaes de controle develocidade e de tenso [4], sempre separadas uma da outra. A evoluo do hardware e os recursosavanados de programao da IEC 61131-3 eliminaram completamente as desvantagens. A grandecapacidade dos CLPs atuais j suficiente para incorporar as funes de controle de turbina egerador alm de automatizar os sistemas auxiliares (figura 16) em uma mesma CPU.

TRIPPED

EMER TRIP

MPU #1OK

MPU #2OK

CPUOK

RMT SPDENABLED

OVERSPEEDTEST

LOWER

START

ALARMRESET

RAISEENABLED

RPM

TRIP CODES1- EXTERNAL2- NO SPEED3- OVERSPEED4- FRONT PANEL5- MODBUS

WARNING

- CONTROLLING DEVICE -TO PREVENT BODILY INJURYAND/OR PROPERTY DAMAGE,

READ INSTALLATION, OPERATIONAND SERVICE INSTRUCTIONS

- EXPLOSION HAZARD -DO NOT CONNECT OR DISCONNECTWHILE CIRCUIT IS LIVE UNLESSAREA IS KNOWN TO BE NON-HAZARDOUS

- DANGER D'EXPLOSION -NE PAS RECCORDER NI DEBRANCHERTAN T QUE L'INSTALLATION EST SOUS TENSION, SAUF EN CAS L'AMBIANCEEST DECI DEMENT NON DANGERUSE

- SERVICE PORT -

WARNING

AVERTISSEMENT

Sistema de excitao

Controle de velocidade

CLP

Incorporao de funes

Incorporao de funes

CLP + software de controle de velocidade,

controle de tenso e automao de auxiliares

Figura 16 Integrao de funes no CLP

Ao reunir todas as funes em um nico equipamento, consegue-se uma enorme reduo decomponentes e as interligaes fsicas entre os sistemas so eliminadas. Os controladores dedicadosso eliminados. A confiabilidade do sistema como um todo tende a aumentar com a reduo donmero de componentes que podem falhar e tornar a gerao de energia indisponvel. Em caso defalha, com menos componentes, a identificao do defeito tende a ser mais rpida e o tempo dereparo ser mais curto. O projeto do sistema de controle torna-se mais simples e de menor custo. Oscustos de manuteno e com peas sobressalentes tambm so drasticamente reduzidos. Com osistema integrado, o projeto ser desenvolvido por uma nica equipe de engenharia e tende a sermais racional, minimizando interfaces.

4.1 Biblioteca de controlePara que um CLP pudesse incorporar as funes dos sistemas de controle de velocidade e tenso, foinecessrio escrever uma biblioteca de controle usando apenas as funes bsicas da IEC 61131-3.Evitou-se o uso de biblitecas proprietrias de controle de um determinado fabricante de CLP paragarantir a portabilidade do software para vrias plataformas de hardware. Na biblioteca desenvolvida,atualmente com cerca de 40 POUs (program organization units), so encontrados desde blocossimples, como integradores e reguladores PID at blocos altamente especializados, como o bloco departida automtica de turbina a vapor e o bloco de modo automtico do sistema de excitao, porexemplo. Em todos os blocos, foram utilizados apenas clculos com inteiros. Apenas os tipos devariveis INT, DINT e BOOL foram utilizados. O uso apenas de clculos com inteiros proporcionouuma excelente otimizao da carga de CPU, o que foi um fator importante na viabilizao daintegrao de todas as funes de controle necessrias.

4.2 Programas de aplicaoDois programas de aplicao independentes foram escritos utilizando os blocos da biblioteca decontrole desenvolvida. Um programa para o controle de velocidade e outro para o sistema deexcitao. Os programas podem ser usados isoladamente caso uma das funes no sejanecessria.Os dois programas esto sendo executados em tarefas com tempo de ciclo de 10 ms.

4.2.1 Sistema de controle de velocidadeO programa de controle de velocidade foi escrito inicialmente para controlar uma turbina a vapor.Outros tipos de mquinas primrias tambm podem ser controladas, porm cada uma possui suasparticularidades que devem ser consideradas na estratgia de controle.O programa foi escrito para usar dois sinais de realimentao de velocidade. Estes sinais passam porum bloco de superviso que produz sinalizaes digitais para diversos nveis de velocidade, alm defazer uma proteo diferencial de sondas de velocidade. O sinal de velocidade mais alto selecionado para o controle. H tambm uma proteo contra perda de realimentao. Esta funo deproteo precisa ser inibida para permitir a partida da mquina quando a mesma est completamenteparada. Foi escrito um bloco para inibir esta proteo durante o arranque inicial da turbina, o qual realizado com a superviso de limitadores.

O sinal de referncia gerado por um bloco que define uma faixa de controle de velocidade, um nvelmximo para o teste de sobrevelocidade e duas taxas de variao de velocidade. Este bloco possuientradas especiais para permitir que seja controlado por sinais de referncia externos. Estes sinais dereferncia externos podem ser originados de controladores superimpostos ou de blocos de partidaautomtica. O bloco de gerao de referncia suficiente para uma partida manual.O regulador de velocidade do tipo PI. Para que este controlador possa ser usado em operao emparalelo com outras mquinas ou com a concessionria de energia eltrica, h um bloco para habilitara caracterstica de queda de velocidade (droop). Este bloco insere uma influncia do sinal dedemanda de posio de vlvula no ponto de soma da malha de controle (Figura 3). Quando este bloco ativado ou desativado, ocorre uma correo automtica no valor de referncia para compensar odroop.Dois blocos de partida automtica diferentes foram desenvolvidos. O mais simples do tipo idle/ratede estabelece dois patamares de velocidade e duas taxas de acelerao. O primeiro patamarestabelece um nvel de velocidade reduzida (idle) no qual a mquina deve permanecer durante algumtempo durante o aquecimento. O segundo patamar a velocidade nominal da mquina (rated). Estetipo de partida adequado para turbinas de pequeno porte e para motores diesel.O bloco de partida mais sofisticado permite a programao de uma curva de partida da turbina a frio eoutra a quente. Estas curvas so fornecidas pelo fabricante da turbina. O bloco desenvolvido permitea parametrizao de dois patamares de velocidade intermedirios para o aquecimento da turbina. Ostempos de permanncia nestes patamares so parametrizveis. Trs taxas de acelerao podem serparametrizadas para cada curva. At duas faixas de velocidades crticas podem ser parametrizadascom taxas de acelerao prprias. Este bloco seleciona a curva mais adequada a partir da contagemdo tempo que a mquina ficou inoperante. So definidos limites de tempo para definir se a mquinaest quente ou fria. Caso a mquina tenha que partir, o tempo desde o ltimo desarme seja maior doque o tempo em que se considera que a turbina ainda est completamente aquecida e menor que otempo para considerar a turbina fria, o bloco interpolar uma curva intermediria.No caso de aplicaes de gerao trmica industrial, o programa ainda possui controles auxiliarespara controlar variveis de processo afetadas pela carga da turbina.

4.2.2 Sistema de excitaoO programa escrito para o sistema de excitao possui as seguintes caractersticas principais :

-Regulador automtico de tenso (AVR) com funo de transferncia com compensao emavano-atraso;

-Valores de referncia digitais gerados internamente;-Funo soft-start;-Compensao de corrente reativa para operao em paralelo (droop);-Limitador V/Hz;-Limitador de mxima corrente de excitao;-Limitador de reativos (sub-excitao);-Comando do circuito de escorvamento externo;-Regulador de corrente de excitao (FCR) com funo de transferncia com compensao

em atraso;-Atualizao automtica das referncias dos modos de operao inativos (controle seguidor),

para permitir a comutao suave para qualquer modo de operao (manual ou automtico);-Funo teste de degrau integrada.

O programa est estruturado da seguinte forma :-Condicionamento dos sinais de realimentao analgicos :

-Tenso somada influncia da parcela reativa da corrente;-Potncia reativa;-Freqncia;-Corrente de excitao;

-Bloco do modo automtico;-Bloco do modo manual;-Bloco do controle seguidor;-Bloco de comando da pr-excitao;-Lgicas complementares.

O bloco do modo automtico inclui os limitadores de sub e sobre-excitao. Todos os sinais derealimentao analgicos so usados por este bloco.

O bloco do modo manual um regulador de corrente de excitao. Este bloco depende apenas darealimentao de corrente de excitao para funcionar. O modo manual assim chamado por exigir aao do operador para regular a tenso dos terminais do gerador. Este modo de operao somente utilizado em ensaios ou no caso de impossibilidade de operar pelo modo automtico.O bloco do controle seguidor o responsvel pela comparao dos sinais de controle gerados pelosmodos de operao e regular a sada do modo de operao inativo alterando sua referncia.O bloco de comando da pr-excitao permite que se faam ajustes independentes para a partida daexcitao tanto em modo automtico quanto em modo manual.O sinal de controle enviado para uma sada analgica para comandar o estgio de potncia.A figura 17 apresenta um diagrama de blocos simplificado do sistema de excitao com ostransdutores das realimentaes, o CLP e estgio de potncia.

G

exCLP

U.Isin

Q

f

IE

PWM

Chopper

Shunt

Transdutores

Transformador de excitao

Excitatriz brushless

TP

TC

Figura 17 Diagrama de blocos simplificado do sistema de excitao

4.2.3 SimuladoresUm simulador de turbina a vapor e um simulador de mquina sncrona foram escritos para poderfechar as malhas de controle internamente no CLP. Os simuladores so executados em doisprogramas diferentes que rodam em uma tarefa de simulao com tempo de ciclo de 10 ms. Osimuladores so executados na mesma CPU que os programas de controle. Os modelos utilizadosso simplificados e linearizados, suficientes para reproduzir o comportamento dinmico das mquinasem vazio e com carga. Os simuladores foram essenciais para a depurao das rotinas de controle.

4.3 Plataforma de hardware e mdulos especiaisO CLP utilizado foi o Advant Controller AC31 da ABB. Este CLP utiliza o PSE (Program SupportEnvironment) da 3S-Software : CoDeSys. A 3S-Software uma software-house que fornece oCoDeSys para vrios fabricantes de controladores. A 3S-Software e seus clientes, formaram umaorganizao internacional chamada CoDeSys Automation Alliance. Como as bibliotecas proporietriasda ABB no foram usadas, o software desenvolvido pode ser utilizado diretamente em qualquer CLPfabricado pelos membros da Automation Alliance.A CPU escolhida foi a 07KT97 (figura 18) que tem as seguintes caractersticas tcnicas:Memria de programao : 480 kbyteMemria de dados : 256 kbyteTempo de ciclo para 1 kbyte com valores 65% binrios e 35% palavras : 0,22 ms

Figura 18 CPU ABB Advant Controller AC31 07KT97

Da mesma linha desta CPU, existe outra mais rpida e com mais capacidade de memria. Os testesdemonstraram que a 07KT97 suficiente para a grande maioria das aplicaes prticas. Como osoftware foi desenvolvido usando apenas as funes bsicas da IEC 61131-3, tambm possvelexecut-lo em outros CLPs que usem PSEs que no sejam o CoDeSys, havendo, entretanto, anecessidade de redigit-lo.A aplicao do sistema de excitao exigiu o desenvolvimento de dois mdulos de hardware. Oprimeiro foi um transdutor para a realimentao do modo automtico (figura 19). Os testesdemonstraram a necessidade de ter um transdutor rpido e que, de preferncia, no precisasse dealimentao auxiliar. O transdutor desenvolvido totalmente passivo (figura 20) e produz um sinal desada proporcional tenso de sada do gerador e parcela de corrente reativa do estator, ou seja, osinal de sada proporcional a U x K x I.sin j. Para conseguir uma constante de tempo de transduoreduzida usando apenas componentes passivos, a sada deste transdutor praticamente no filtrada.Este sinal bastante ruidoso tratado por software com um bloco de filtro passa baixa de terceiraordem (figura 21). Desta forma, a constante de tempo de transduo ficou menor que 30 ms.

Figura 19 Transdutor de realimentao do modo automtico do sistema de excitao

110 V

220 V

0 V 0 V

6 V

12 V

115 V

T

S

3

2

~

~

~

+

-

3,9 k

0,47 56 k

20

19

1

110 V

220 V

0 V 0 V

6 V

12 V

R

115 V

5 A

1 A

0 0

30 mA

126

3

1 10

7

10

K1A

8

L

9

K5A 200 4 W

22 k

39 k

Figura 20 Esquema do transdutor de realimentao do modo automtico

1T 1 1T 1

1T 1

2

+-

+

-

+

- E U

Figura 21 Diagrama de blocos do filtro passa baixa de terceira ordem

Alm do transdutor, foi necessrio desenvolver um mdulo de potncia. O conversor escolhido foi umchopper por ser o mais verstil para sistemas de excitao indireta. possvel aliment-lo com tensoalternada trifsica ou monofsica e tambm com corrente contnua. A alimentao com correntecontnua restrita s mquinas com excitatriz DC. O mdulo de potncia (figura 22) inclui, alm dochopper, uma ponte de diodos para o circuito de escorvamento e uma ponte de diodos para permitir aoperao em paralelo de duas fontes de alimentao de 24 Vcc. A aplicao do sistema de excitaorequer que sejam usadas duas fontes, sendo que uma delas deve ser alimentada pelo sistema auxiliarde corrente contnua e a outra alimentada com corrente alternada, de preferncia originada o maisprximo possvel dos terminais do gerador.Caractersticas tcnicas do mdulo de potncia desenvolvido:

-Corrente nominal : 15 Acc-Corrente mxima : 25 Acc durante 10 s-Mxima tenso de entrada (valores de pico): 250 Vcc/ 185 Vca(3)/ 277 Vca(1)-Alimentao auxiliar : 24 Vcc

Estas caractersticas so suficientes para atender as necessidades de praticamente todos osgeradores com excitao indireta existentes.

Figura 22 Mdulo de potncia

4.4 Giga de testes e sistema supervisrioO desenvolvimento de software foi feito com o auxlio de uma giga de testes (figura 23) que foicontruda para facilitar a simulao de sinais externos. A giga tambm foi preparada para ser usadaem testes reais de campo. A giga pode ser provisoriamente instalada para controlar uma mquina. Elafoi usada nos testes do sistema de controle de velocidade que foram feitos numa pequena turbina avapor de 1500 kW.

Figura 23 Giga de testes

A giga de testes tambm serviu como plataforma de desenvolvimento de um sistema supervisriopara os simuladores de turbina e gerador.O sistema supervisrio reproduz as telas de comando e superviso de uma central termeltrica.

Figura 24 Tela de operao

A figura 24 mostra a tela de operao do sistema supervisrio. Na simulao, a concessionria ideal(barramento infinito) e h uma barra de gerao com cargas locais. Na tela da figura 24, oturbogerador aparece em operao alimentando as cargas locais e exportando energia. o casotpico de instalaes industriais de cogerao. As prximas telas mostram uma seqncia de partida de um turbogerador.

Figura 25 Rampa de partida automtica da turbina

Na tela da figura 25, aparece a curva de partida da turbina a vapor passando por duas faixas develocidades crticas.

Figura 26 Partida do sistema de excitao em modo automtico

A tela da figura 26 mostra o gerador sendo excitado no modo automtico aps a partida da turbina.Com a turbina em velocidade nominal e com o gerador excitado, o prximo passo alimentar ascargas.

Figura 27 Impactos de carga em operao isolada

A tela da figura 27 mostra a resposta da turbina a impactos de carga. O gerador est alimentando abarra de gerao local e o disjuntor da concessionria est aberto. Na figura 27 pode-se ver a curvade capacidade do gerador com o respectivo ponto de operao.

5 EXEMPLO DE APLICAO PRTICAO sistema desenvolvido est implantado parcialmente em um turbogerador. A turbina deste grupoainda no foi modernizada e tem um regulador de velocidade hidrulico. O sistema de excitao foimodernizado com a soluo proposta neste trabalho. A modernizao do sistema de controle develocidade e a automao completa do turbogerador dever ser feita em outras etapas.O gerador (figura 28) possui os seguintes dados :

-Fabricante : BBC-Potncia aparente : 6,5 MVA-Tenso nominal : 13800 V-Corrente nominal : 272 A-Freqncia : 60 Hz-Tenso de excitao : 51 Vcc-Corrente de excitao : 4,8 Acc

Figura 28 Turbogerador BBC 6,5 MVA

Como a modernizao dos sistemas de controle desta mquina est sendo feita em etapas, parte dosistema existente teve que ser preservada. Por este motivo, foi feito um trabalho de levantamento decampo para avaliar o espao fsico disponvel no interior dos armrios eltricos existentes e projetadauma placa de montagem com os novos equipamentos (figura 29).

-V1

-T1

-R1

-R2

-R3

SCEPP

-G1 -G2 -N1

-U2 -U3-U1 -U4

-K3 -K4 -K5 -K6 -K7 -K8 -K9-Q3-Q2-Q1-K1-Y1

190

mm

135

mm

150

mm

100

mm

CANALETA 30X80 mm

CANALETA 30X80 mm

CANALETA 30X80 mm

CA

NA

LETA

30X

80 m

m

CA

NA

LETA

30X

80 m

m

CANALETA 30X80 mm

545 mm

1000

mm

-K2

Figura 29 Placa de montagem do sistema de excitao

O novo sistema foi testado em laboratrio (figura 30). As realimentaes foram simuladas com oauxlio de uma mala de calibrao trifsica e o mdulo de potncia foi testado alimentando umpequeno reator. O reator simulava o campo do gerador e um autotransformador variador de tenso foiusado para simular o transformador de excitao. Desta forma foi possvel partir o sistema no modomanual. O controlador seguidor atuava sobre a referncia do modo automtico (que estava inativo)para regular sua sada de acordo com os sinais injetados com a mala de calibrao. Assim, apenascom estes recursos foi possvel testar todas as malhas de controle. Os testes de laboratrio foram umfator importante para reduzir o tempo de comissionamento que aconteceu sem surpresas.

Figura 30 Testes de laboratrio

Praticamente no havia espao disponvel. O sistema de excitao antigo estava montado na porta doarmrio e seu espao no pode ser aproveitado. O novo sistema foi acomodado no espao que antesera ocupado apenas pelos componentes auxiliares do sistema de excitao antigo (figura 31a).

(a) Antes da modernizao (b) Depois da modernizaoFigura 31 Modernizao do sistema de excitao

O resultado final da montagem pode ser visto na figura 31b. O novo sistema foi montado e colocadoem servio em apenas 6 dias de trabalho no campo. O CLP que est fazendo apenas a funo deexcitao poder integrar as funes de controle de velocidade e automao de auxiliares nasprximas etapas de modernizao.

6 CONCLUSOOs resultados dos testes do software desenvolvido com os simuladores demonstraram a viabilidadetcnica da soluo proposta. A carga de CPU durante a execuo dos programas dos controladorescom os simuladores ficou em torno de 78% quando usamos uma CPU 07KT97. Nos testes com umaCPU 07KT98, a carga de CPU caiu para apenas 18%. Considerando-se que os programas dossimuladores consomem boa parte da capacidade da CPU e que eles no so usados nas aplicaesreais, conclui-se que o CLP usado neste trabalho tem capacidade para integrar todas as funes decontrole e automao de uma turbina e um gerador.O uso de CLPs como sistemas de controle de tenso e velocidade tambm reduz significativamenteos custos de projetos de sistemas de automao e controle de grupos geradores. A soluo integradagera projetos mais racionais, de menor tamanho fsico, com menos componentes e, portanto, maisconfiveis.

AGRADECIMENTOSAgradecemos Elekeiroz S.A. pelo apoio, pela confiana na tecnologia desenvolvida pelos autores epor ter criado a oportunidade da instalao definitiva de um sistema em seu turbogerador.Agradecemos Usina Bertolo de Pirangi/SP, por ter gentilmente emprestado sua turbina Z50M paraos testes prticos do sistema de controle de velocidade.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS[1]Governing Fundamentals, Woodward Governor Company, Manual 25195, TA-442[2]IEEE Std 421.2 - Generally Accepted Value of Indexes Characterizing Good Feedback ControlSystem Performance.[3]ROSAUER, BOB. PLC for Turbine Control Systems, Woodward's TechTalk Series, 83408, 1994.[4]SOUSA, C.V.; SOUZA, L.S.; CALSAN, M. Desenvolvimento de um Regulador de Tenso Automtico Digital aPartir de um PLC, TD Escola Federal de Engenharia de Itajub, Julho de 1998.

DADOS DOS AUTORESJoo Jos Marques GonalvesSCEPP LtdaR. Dona Primitiva Vianco 930, sala 306 - Jardim Agu06016-008 Osasco SP Telefone: (11) 3683-6563

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