Para o fornecimento da corrente de campo dos turbogeradores é necessário um sistema de excitação. Estes sistemas, comumente formados por dispositivos de eletrônica de potência, controlam o campo rotórico das máquinas síncronas. Nesse sentido, além do controle da corrente de campo, os sistemas de excitação auxiliam na estabilidade angular do gerador, no despacho de potência reativa e no controle de tensão terminal da máquina (quando o gerador é operado isolado da rede).
As excitatrizes brushless, utilizam o fenômeno físico da indução eletromagnética para transferir energia para o campo da máquina. Basicamente, elas podem conter uma excitatriz piloto ou simplesmente são compostas pelo bloco principal de excitação, conforme pode ser visualizado nos esquemáticos das Figuras 1 e 2.
Conforme pode ser visto na Figura 1, a excitatriz convencional utiliza um sinal de tensão advindo da saída do estator do turbogerador o qual é processado por uma ponte retificadora controlada a tiristores. Com este sistema é possível controlar a tensão imposta nos enrolamentos da excitatriz e consequentemente a corrente de excitação. O controlador AVR (Automatic Voltage Regulator) é o responsável por controlar a tensão terminal do gerador ou o despacho de potência reativa (quando o gerador está conectado à rede), ele monitora as variáveis de interesse para controle assim manipula o ângulo de disparo dos tiristores (Há a possibilidade de utilização de IGBTs ao invés dos tiristores), variando a corrente de excitação. Adicionalmente para este sistema, quando o gerador é conectado a uma rede elétrica isolada, como por exemplo um sistema de cogeração, no instante da partida do turbogerador não há nenhum sinal de tensão em seus terminais, dessa forma, não é possível realizar sua auto excitação, porém, é comum a utilização de um circuito de morçagem o qual tem como objetivo realizar a excitação inicial da máquina através de um banco de baterias, por exemplo. Após a excitação inicial, ficará disponível sinais de tensão na saída do gerador e assim o circuito de morçagem pode ser aberto e a excitatriz funcionará normalmente.
Em relação ao sistema demonstrado na Figura 2, não é preciso a utilização de um circuito de morçagem, já que é empregado uma excitatriz auxiliar, a qual é um pequeno gerador CA de imãs permanentes. Assim, quando o gerador é acionado pela turbina, haverá uma indução de tensão no enrolamento de armadura da excitatriz piloto, consequentemente o controlador AVR realizará o disparo dos tiristores de forma a processar a energia vinda da excitatriz piloto para a excitatriz principal, controlando assim a corrente de excitação. É válido ressaltar que o número de polos da excitatriz piloto geralmente é maior que o número de polos do gerador principal, logo, para um turbogerador de 2 polos, 3600 rpm geralmente emprega-se uma excitatriz de 4 polos, ou seja, a tensão gerada pela excitatriz piloto possui uma frequência de 120 Hz, este artifício é utilizado com o objetivo de se reduzir o ripple de tensão após a retificação pela ponte tiristorizada fornecendo assim uma tensão mais contínua para a excitatriz principal. Além disso, em comparação com a excitatriz convencional, a excitatriz brushless com excitatriz piloto possui um tempo de resposta mais lento, devido à dinâmica eletromecânica do gerador de imãs permanentes.
Após o processamento de energia pela ponte tiristorizada, ocorrerá a indução de tensões alternadas no circuito de armadura da excitatriz principal do gerador. Entretanto, no circuito de campo do gerador é necessária uma tensão e corrente contínua, assim, são utilizados diodos rotativos montados sobre o eixo do turbogerador. Estes diodos farão a conversão da energia CA, induzida no circuito de armadura da excitatriz, em energia CC a qual fluirá pelo enrolamento de campo do turbogerador. Na Figura 3, é possível visualizar o eixo da excitatriz de um sistema brushless com excitatriz piloto.
Os diodos rotativos são utilizados em conjunto com um circuito RC paralelo e um fusível, estes elementos tem como objetivo equalizar a tensão nos diodos, em caso de operação assíncrona e proteger o circuito de campo, caso algum diodo queime. Vale ressaltar que o retificador rotativo é composto por um número maior de células do que o necessário, de forma a garantir a operação do sistema de excitação mesmo que algumas células queimem. Na Figura 4, é possível visualizar com mais detalhes o anel de retificação rotativo empregado neste tipo de excitação. Cada diodo é acoplado em um dissipador de calor de forma a evitar seu sobreaquecimento.
Os diodos rotativos são ligados conforme o circuito elétrico da Figura 5.
Além das funções apresentadas anteriormente, os sistemas de excitação de turbogeradores contém algumas proteções, entre elas estão: proteção de sobre e sub corrente do estator, proteção de sobrecarga do gerador, proteção diferencial do gerador, proteção de falta fase terra estator e rotor, proteção de carga desbalanceada, proteção contra inversão de fluxo de potência ativa, proteção contra perda de excitação, proteção de falta interna e proteção de frequência.
Assim, os sistemas de excitação são de extrema importância para o funcionamento adequado do turbogerador, já que além de executar funções básicas como controle de tensão e despacho de reativo, fornecem proteção adicional para a máquina síncrona.
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Discente de Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá - Campus Itabira e técnico em Automação Industrial pelo SENAI. Possuo experiência na área de manutenção elétrica com ênfase em manutenção de máquinas elétricas, instrumentação industrial e conversores estáticos. Atualmente desenvolvo trabalhos de pesquisa relacionados à conversores estáticos integrados com dispositivos de armazenamento e emulação de inércia virtual através de máquinas síncronas virtuais.
