Curva de capabilidade de turbogeradores

Uma das principais aplicações de sistemas térmicos com a utilização de turbinas a vapor é a geração de eletricidade. Para a execução da conversão de energia térmica em eletricidade são empregados geradores elétricos denominados turbogeradores. Estes equipamentos atuam na conversão da energia mecânica fornecida pela turbina em energia elétrica, entretanto para a correta e segura operação deste equipamento faz-se necessário conhecer e aplicar a sua curva de capabilidade.

A curva de capabilidade ou curva de capacidade de um turbogerador é uma curva no plano PQ (potência ativa, potência reativa) que destaca os limites operacionais do equipamento. A confecção desta curva é iniciada pela análise do diagrama fasorial da máquina síncrona a qual é acionada pela turbina, conforme Figura 1.

Onde, Ef é a tensão induzida no estator devido à corrente de excitação rotórica, Vt é a tensão da barra onde a máquina está conectada, Ia é a corrente nominal de armadura que percorre o estator da máquina, Xs é a reatância síncrona do gerador, δ é o ângulo de carga do gerador e θ é o seu ângulo do fator de potência. Sabendo-se que o diagrama fasorial da Figura 1, é composto por tensões, exceto Ia, ao se multiplicar os fasores desta grandeza pela constante Vt/Xs são obtidas as potências da máquina, já que de forma generalizada potência elétrica é o produto da tensão pela corrente. Assim é obtido o diagrama fasorial de potências no plano PQ, conforme Figura 2.

A partir deste diagrama, pode-se traçar a curva de capabilidade de um turbogerador genérico. Nesse sentido, a primeira curva determina o limite térmico do enrolamento estatórico do gerador, determinada por sua potência aparente, dada por VtIa e traçada a partir do ponto P1, demonstrado na Figura 3.

O próximo limite aplicado ao gerador corresponde ao limite térmico do enrolamento de campo, determinado pela máxima corrente de excitação permissível. Para obtenção deste limite, deve-se consultar a placa de identificação da máquina, obtendo assim, a máxima corrente de excitação permitida, posteriormente com a curva do ensaio de circuito aberto da máquina deve-se obter a tensão induzida correspondente. Multiplicando-se esta tensão pela constante já definida anteriormente, obtém-se uma nova curva limite, traçada a partir do ponto P2, conforme Figura 4. 

Outro limite imposto à máquina, refere-se à corrente mínima de excitação. Normalmente, considera-se valores para corrente mínima de excitação em torno de 10% da nominal. Com este valor, deve-se consultar a curva do ensaio de circuito aberto da máquina e encontrar a nova tensão induzida correspondente a essa corrente de campo. Multiplica-se essa tensão pela constante apresentada anteriormente e traça-se a curva a partir do ponto P2, evidenciado na Figura 5. Este limite determina a mínima corrente de excitação que a máquina pode receber, pois correntes muito baixas enfraquecem o acoplamento magnético entre o rotor e estator da máquina, consequentemente o ângulo de carga aumenta o que pode acarretar a instabilidade do gerador.

Em seguida, é traçado o limite de estabilidade da máquina primária, demonstrado na Figura 6. Este limite é imposto de forma que o gerador não solicite 100% da potência da turbina. É comum um limitante de 90% da potência da máquina primária em relação ao gerador. A curva que indica este limite é traçada de forma perpendicular ao eixo da potência ativa e é representada por uma reta.

Por fim, o último limite imposto ao gerador é o de estabilidade prática. Este limite é obtido traçando-se uma reta auxiliar de forma perpendicular ao ponto P2. A seguir, é marcado o ponto de intersecção da curva do limite de enrolamento de campo com a reta auxiliar. Por fim, repete-se o procedimento aplicado para obtenção do limite térmico do rotor diminuindo a corrente de excitação, de forma que para cada curva traçada, deve ser construída outra reta auxiliar e marcado o ponto de intersecção, obtendo-se assim a curva demonstrada na Figura 7. Este limite sinaliza a área operacional da máquina síncrona de instabilidade, a qual se operada nela ocorrerá a perda de sincronismo do gerador com a rede elétrica.

Dessa forma, a curva de capabilidade é obtida através da intersecção de todos os limites impostos ao gerador, conforme demonstrado na Figura 8.

Portanto, a partir desta curva é possível obter os pontos seguros para operação do turbogerador no que se diz respeito ao despacho de potência ativa e reativa. É importante, a obediência destes limites para que seja realizada uma operação correta e segura da máquina.