Sincronização de Geradores CC: Boas Práticas para Operação em Paralelo e Compartilhamento de Carga

Operação em Paralelo de Geradores CC – Condições, Vantagens e Compartilhamento de Carga

Em uma rede de sistema de potência, a energia é fornecida por vários geradores conectados em uma rede interligada. Em vez de usar um único gerador grande, vários geradores CC ou CA de menor porte são operados em paralelo.

Às vezes, os geradores CC são usados como usina de reserva. Em algumas condições, nem sempre é possível ter um gerador que atenda aos requisitos de carga. Portanto, para atender à demanda, mais de uma unidade de geradores CC são conectados em paralelo.

Atualmente, a operação em paralelo de geradores CC é amplamente utilizada na rede para obter as vantagens abaixo.

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Vantagens da Operação em Paralelo de Geradores CC

As vantagens da operação em paralelo estão listadas abaixo.

Continuidade do Fornecimento

A continuidade do fornecimento é um requisito primordial. Se uma usina consiste em uma única unidade geradora, não é possível atender a este requisito. Porque se a única unidade estiver em manutenção ou em falha, toda a usina para de atender à demanda de carga. Portanto, se a usina usar um maior número de geradores em vez de uma única unidade, ela pode operar de forma mais confiável. A maioria dos clientes (como hospitais, fábricas, etc.) necessita de fornecimento ininterrupto de energia.

Melhor Eficiência

Em usinas, os geradores são projetados para operar em carga total. E atingem eficiência máxima em carga total. Mas a demanda de potência não é constante. Ela flutua entre a demanda de pico durante o dia e a demanda mínima durante a noite. Portanto, é econômico usar um gerador pequeno durante a noite e um grande durante o dia. Se a demanda aumenta, ambos os geradores são conectados em paralelo para atender à alta demanda eficientemente.

Fácil Manutenção e Reparo

O gerador requer manutenção periódica para longa vida e operação eficiente. Durante a manutenção, deve haver outro gerador para atender à carga. Portanto, é fácil manter os geradores. E também, se ocorrer uma falha, levará tempo para voltar à operação. Nesta condição, outro gerador pode ser usado para atender à demanda de carga.

Flexibilidade

A conexão em paralelo dos geradores oferece maior flexibilidade comparada a um único gerador grande. Vários geradores pequenos podem ser conectados juntos e localizados em diferentes locais. O gerador grande único precisa de mais espaço. Em vez disso, um maior número de geradores são instalados em diferentes locais.

Custo-Efetivo

O custo da energia elétrica é reduzido se os geradores sempre operarem em carga total. Quando a demanda de carga é alta, um maior número de geradores são conectados em paralelo. E quando a demanda é baixa, um menor número de geradores são conectados. Os outros geradores permanecem em espera. Portanto, todos os geradores operam sob condições de carga total, o que reduz o custo da energia elétrica.

Fácil Expansão

A demanda de eletricidade aumenta dia a dia. Portanto, ao construir uma usina, sempre se mantém espaço para expansão futura. Em vez de construir uma usina inteira, é fácil adicionar mais geradores e conectá-los em paralelo para atingir maior demanda de potência.

Devido a estas vantagens, a operação em paralelo do gerador é amplamente utilizada. Como sabemos, os geradores CC são classificados em três tipos:

• Gerador CC shunt
• Gerador CC série
• Gerador CC composto

Há diferença na conexão do enrolamento de armadura e campo em cada tipo de gerador. Portanto, aqui discutimos como conectar cada tipo de gerador em paralelo.

Operação em Paralelo de Gerador CC Shunt

Para conectar dois geradores em paralelo, seus terminais positivo e negativo devem ser conectados aos terminais positivo e negativo da barra de distribuição. A barra é uma barra de cobre pesada e seus terminais atuam como terminais de toda a usina.

O diagrama de conexão da operação em paralelo do gerador CC shunt é mostrado na figura abaixo.

Aqui, a armadura do gerador 1 é conectada através da barra de distribuição e usada para suprir a carga. Agora, precisamos conectar o gerador 2 a este sistema. Para isso, precisamos conectar o gerador 2 com a mesma polaridade. Caso contrário, ocorrerá um curto-circuito grave resultando em danos permanentes nos geradores.

Antes de conectar o gerador 2, a chave S está aberta. Um voltímetro é conectado através da chave. Primeiro, a armadura do gerador 2 é acelerada até a velocidade nominal. A excitação do gerador 2 é alterada até que o voltímetro mostre leitura zero. Quando mostra zero, significa que a tensão de terminal é a mesma da tensão da barra ou do gerador 1.

Portanto, após fechar a chave S, o gerador 2 é conectado em paralelo com o gerador 1. Mas o gerador 2 não está assumindo nenhuma carga. Porque a FEM induzida do gerador 2 é a mesma da tensão da barra. Então, não há corrente fluindo na mesma diferença de potencial. Nesta condição, o gerador 2 é conhecido como gerador flutuante no sistema.

A FEM induzida do novo gerador deve ser maior que a tensão da barra. Nesta condição, o gerador 2 entrega a carga. A corrente fornecida pelo gerador 2 é:

Onde:

• Rₐ = Resistência do circuito de armadura
• E = FEM induzida
• V = Tensão da barra de distribuição

A FEM induzida de um novo gerador pode ser controlada controlando o campo. E controlando a FEM induzida, podemos controlar a participação na carga.

Operação em Paralelo de Gerador CC Composto

O diagrama de conexão de dois geradores compostos conectados em paralelo é mostrado na figura abaixo.

O gerador composto tem características crescentes. Portanto, na ausência de dispositivos corretivos, a operação em paralelo de geradores CC compostos é instável. No momento da partida, cada gerador assume a mesma participação na carga. Por algum motivo, se a corrente passando pelo enrolamento de campo série do gerador 1 aumenta, isso fortalece ainda mais seu campo. Isso resulta em elevação de sua FEM gerada e ele assume mais carga.

Nesta operação, assumimos que a carga é constante. Portanto, a participação do gerador 2 é reduzida, enfraquecendo seu campo série. Isso resulta na queda de sua carga. Este efeito é cumulativo. Após algum tempo, o gerador 1 assume toda a carga. E o gerador 2 opera como motor. Nesta condição, o disjuntor de um dos geradores disparará e parará esta operação.

Para tornar esta operação estável, precisamos usar algum dispositivo corretivo com este sistema. Nesta operação em paralelo, a barra equalizadora é conectada à extremidade da armadura dos enrolamentos série. A barra equalizadora é um condutor de baixa resistência. É usada para tornar a operação de geradores sobre-compostos e nivel-compostos estável.

Por exemplo, o gerador 1 começa a assumir mais participação na carga. E sua corrente de campo série aumenta. Agora, esta corrente aumentada passa pelo enrolamento de campo série do gerador 1 e parcialmente pelo enrolamento de campo série do gerador 2. Portanto, ambos os geradores são afetados da mesma maneira. Dessa forma, o gerador 1 não pode assumir toda a carga e o gerador 2 não pode perder toda sua carga.

Para manter a operação em paralelo adequada e igual participação na carga, a regulação de ambos os geradores deve ser a mesma e a resistência do campo série deve ser inversamente proporcional às potências nominais dos geradores.

Operação em Paralelo de Gerador CC Série

O diagrama de conexão da operação em paralelo de dois geradores CC série é mostrado na figura abaixo.

Aqui, consideramos ambos os geradores idênticos e assumindo a mesma participação na carga. Mas por algum motivo, a FEM induzida do gerador 1 aumenta (E1 > E2). Nesta condição, a corrente do gerador I1 é maior que I2. Isso resulta no fortalecimento do campo série do gerador 1. E no enfraquecimento do campo série do gerador 2.

Este é um processo cumulativo. Então, no final, toda a carga será assumida pelo gerador 1 e o gerador 2 operará como motor. Similar ao motor composto, este problema será resolvido usando uma barra equalizadora. E devido a isso, as duas máquinas passam correntes aproximadamente iguais para a carga.

Compartilhamento de Carga de Gerador CC

O gerador CC shunt tem características levemente decrescentes. Portanto, é o gerador mais adequado para operação em paralelo estável. Se um gerador assume mais ou menos carga, devido à sua tendência de restaurar a divisão original de carga, ambos os geradores imediatamente assumem o compartilhamento adequado.

Em condição de falha, um gerador sai de serviço e seu campo é enfraquecido. Nesta condição, o campo série do outro gerador é aumentado. Assim, o disjuntor abre e o gerador com falha é removido do sistema. Este método de remoção e conexão do gerador torna o sistema confiável e ajuda a prevenir choques e distúrbios súbitos no motor principal e no sistema.

A característica de tensão do gerador shunt é mostrada na figura abaixo.

Da característica acima, para a mesma tensão de terminal V, o gerador 1 entrega corrente I1 e o gerador 2 entrega corrente I2. O gerador 1 tem característica mais decrescente e entrega menos corrente. Ambos os geradores dividirão a carga igualmente em todos os pontos se suas características forem similares e tiverem a mesma queda de tensão de vazio a carga total.

Se dois geradores de diferentes potências kVA são conectados em paralelo, a carga é compartilhada de acordo com suas potências. Suas características externas plotadas em termos de porcentagem de corrente de carga total devem ser idênticas como mostrado na figura abaixo.

Por exemplo, um gerador de 100 kVA e outro de 200 kVA conectados em paralelo com carga de 240 kW. Nesta condição, o primeiro gerador compartilhará 80 kW, e o segundo compartilhará 160 kW.

A característica combinada de operação pode ser desenhada se conhecermos a característica individual de cada gerador. A corrente fornecida por cada gerador pode ser encontrada na figura a seguir.

Os resultados acima podem ser encontrados por cálculo simples em vez de representação gráfica se o gerador tiver linha reta. Agora, calculamos a parcela de compartilhamento de carga que tem tensão de vazio desigual.

• E₁, E₂ = Tensão de vazio de dois geradores
• R₁, R₂ = Resistência de armadura
• V = tensão de terminal comum

Da equação acima, vemos que a tensão da barra pode ser mantida constante aumentando Φ₂ ou N₂ ou reduzindo N₁ ou Φ₁. N₂ e N₁ são alterados mudando a velocidade dos motores de acionamento e Φ₁ e Φ₂ podem ser controlados usando resistências de campo shunt.