Sistema de Excitação

Sistema de Excitação

Definição

Um sistema de excitação é um componente crucial em máquinas síncronas, encarregado de fornecer a corrente de campo necessária para o enrolamento do rotor. Em termos simples, ele é projetado para gerar fluxo magnético ao passar uma corrente elétrica pelo enrolamento de campo. As principais características que definem um sistema de excitação ideal incluem confiabilidade inabalável em todos os cenários operacionais, mecanismos de controle simples, facilidade de manutenção, estabilidade e resposta transitória rápida.

A magnitude da excitação exigida por uma máquina síncrona depende de vários fatores, nomeadamente a corrente de carga, o fator de potência da carga e a velocidade de rotação da máquina. Correntes de carga maiores, velocidades mais baixas e fatores de potência atrasados exigem um nível mais elevado de excitação no sistema.

Em um conjunto de excitação, cada alternador geralmente possui seu próprio excitador, que funciona como um gerador. Em um sistema de excitação centralizado, dois ou mais excitadores são empregados para fornecer energia à barra de distribuição. Embora essa abordagem centralizada seja econômica, uma falha no sistema pode ter um impacto prejudicial nos alternadores em operação na usina de energia.

Tipos de Sistema de Excitação

O sistema de excitação pode ser predominantemente categorizado em vários tipos, sendo os três mais significativos: Sistema de Excitação DC, Sistema de Excitação AC e Sistema de Excitação Estática. Além disso, existem subtipos, como o Sistema de Excitação do Rotor e o Sistema de Excitação sem Escovas, que serão detalhados abaixo.

Sistema de Excitação DC

O sistema de excitação DC compreende dois excitadores: um excitador principal e um excitador piloto. Um regulador automático de tensão (AVR) desempenha um papel fundamental neste sistema, ajustando a saída dos excitadores. Este ajuste visa controlar com precisão a tensão terminal de saída do alternador. A entrada do transformador de corrente para o AVR serve como uma proteção, garantindo que a corrente do alternador seja limitada durante condições de falha.

Quando o disjuntor de campo está na posição aberta, um resistor de descarga de campo é conectado em paralelo com o enrolamento de campo. Dada a natureza altamente indutiva do enrolamento de campo, este resistor é essencial para dissipar a energia armazenada, protegendo os componentes do sistema de danos potenciais devido às tensões induzidas.

Sistema de Excitação DC (Continuação)

Tanto o excitador principal quanto o excitador piloto podem ser alimentados de duas maneiras: diretamente pelo eixo principal da máquina síncrona ou independentemente por um motor externo. Os excitadores acionados diretamente são frequentemente a escolha preferida. Isso ocorre porque eles mantêm a integridade do sistema operacional da unidade, garantindo que o processo de excitação permaneça inalterado por interrupções externas.

O excitador principal geralmente tem uma tensão nominal de cerca de 400 volts, e sua capacidade é aproximadamente 0,5% da capacidade do alternador. No entanto, em turboalternadores, problemas com os excitadores são relativamente comuns. As altas velocidades de rotação dessas máquinas contribuem para um aumento do desgaste, tornando os excitadores mais propensos a falhas. Para resolver isso, são instalados excitadores acionados por motores separados como unidades de reserva, prontos para assumir em caso de qualquer malfuncionamento dos excitadores principais.

Sistema de Excitação AC

O sistema de excitação AC integra um alternador e uma ponte retificadora de tiristores, ambos acoplados diretamente ao eixo principal do alternador. O excitador principal dentro deste sistema pode operar em dois modos: autoexcitação, onde gera seu próprio campo magnético para produzir saída elétrica, ou excitação separada, que depende de uma fonte de energia externa para iniciar o processo de excitação. O sistema de excitação AC pode ser dividido em duas categorias distintas, cada uma com suas próprias características únicas, que serão exploradas com maior detalhe abaixo.

Sistema de Excitação com Tiristores Rotativos

Como ilustrado na figura anexa, o sistema de excitação com tiristores rotativos apresenta uma seção rotativa claramente definida, delimitada por uma linha tracejada. Este sistema compreende um excitador AC, um campo estacionário e um armadura rotativo. A saída do excitador AC passa por retificação através de um circuito de ponte retificadora de tiristores de onda completa. Esta saída convertida em corrente contínua é então fornecida ao enrolamento de campo do alternador principal, permitindo a geração do campo magnético necessário para a operação do alternador.

No sistema de excitação com tiristores rotativos, o enrolamento de campo do alternador também é alimentado por meio de um circuito retificador adicional. O excitador consegue estabelecer sua tensão aproveitando o fluxo magnético residual. A unidade de fornecimento de energia, em conjunto com o mecanismo de controle do retificador, gera sinais de disparo controlados com precisão. No modo de operação automático, o sinal de tensão do alternador é primeiro médio e depois comparado diretamente com o valor de ajuste de tensão definido pelo operador. Por outro lado, no modo de operação manual, a corrente de excitação do alternador é comparada com uma referência de tensão ajustada manualmente.

Sistema de Excitação sem Escovas

O sistema de excitação sem escovas é representado na figura abaixo, com seus componentes rotativos claramente encapsulados em um retângulo de linha tracejada. Este sistema sofisticado compreende um alternador, um retificador, um excitador principal e um gerador alternador de ímãs permanentes. Tanto o excitador principal quanto o excitador piloto são acionados pelo eixo principal da máquina. O excitador principal possui um campo estacionário e um armadura rotativo. A saída do armadura rotativo é conectada diretamente, através de retificadores de silício, ao enrolamento de campo do alternador principal, assegurando uma transferência sem costuras e sem escovas de energia elétrica para fins de excitação.

O excitador piloto é um gerador de ímãs permanentes acionado por eixo. Ele possui ímãs permanentes rotativos fixados no eixo e um armadura estacionário trifásico. Este armadura fornece energia ao campo do excitador principal por meio de retificadores de silício, contribuindo para a excitação do alternador principal. Além disso, em outra configuração, o excitador piloto, ainda um gerador de ímãs permanentes acionado por eixo, usa pontes de tiristores trifásicas de onda completa controladas por fase para alimentar o excitador principal.

O sistema de excitação sem escovas oferece várias vantagens notáveis. Ao eliminar o uso de comutadores, coletadores e escovas, reduz significativamente as necessidades de manutenção. Ele também possui uma constante de tempo muito curta, com um tempo de resposta inferior a 0,1 segundos. Esta constante de tempo curta melhora o desempenho dinâmico de pequenos sinais do sistema, permitindo que ele responda mais rapidamente e com maior precisão a pequenas perturbações elétricas. Além disso, simplifica a integração de sinais de estabilização adicionais do sistema de energia, cruciais para manter a estabilidade da rede.

Sistema de Excitação Estática

No sistema de excitação estática, o fornecimento de energia é derivado diretamente do alternador. Isso é alcançado através de um transformador de redução trifásico estrela/triângulo. O enrolamento primário deste transformador está ligado à barra do alternador, enquanto o enrolamento secundário serve a múltiplas funções. Ele fornece energia ao retificador, que converte a corrente alternada em corrente contínua para fins de excitação. Além disso, fornece energia elétrica ao circuito de controle da rede e a outros equipamentos elétricos associados, garantindo o funcionamento sem emendas do sistema de excitação e controle completo.

O sistema de excitação estática possui um tempo de resposta impressionantemente curto, permitindo reagir rapidamente a mudanças nas condições elétricas. Esta capacidade de resposta rápida, por sua vez, confere um desempenho dinâmico excelente, permitindo que o sistema mantenha a operação estável mesmo sob cargas flutuantes e demandas elétricas variáveis.

Uma das principais vantagens deste sistema reside em sua capacidade de reduzir significativamente os custos operacionais. Ao eliminar os excitadores tradicionais, elimina-se as perdas de arrasto—energia dissipada devido ao atrito entre as partes móveis e o ar circundante. Além disso, sem a necessidade de manutenção regular dos enrolamentos dos excitadores, as despesas de manutenção são substancialmente reduzidas. Essas características de economia de custos tornam o sistema de excitação estática uma opção economicamente atraente para uma ampla variedade de aplicações.