Terminal Speed

1.4 Regulação electrónica

Tradicionalmente, os primeiros governadores mecânicos e mecânicos-hidráulicos, desempenharam a sua principal função de manter a segurança da unidade de forma fiável. O fornecimento de válvulas de paragem de emergência e de regulação em série proporcionou protecção contra a ocasional falha de uma válvula para responder ao seu sinal de controlo, enquanto que o modo de falha da disposição de detecção de erros de velocidade mecânica foi geralmente de deteriorar lentamente o desempenho em vez de falhar subitamente. Mesmo assim, o fornecimento de dois conjuntos de válvulas de vapor em série, com um conjunto operado directamente por um sistema de protecção separado, também negou o efeito de uma falha súbita. A fiabilidade dos sistemas de regulação mecânica não foi, portanto, monitorizada de perto no passado.

Antes de discutir a configuração dos sistemas de regulação electro-hidráulica corrente nas instalações modernas de turbinas, é necessário compreender o significado de fiabilidade neste contexto. A definição geral de fiabilidade é a probabilidade de alcançar com sucesso uma tarefa desejada, geralmente durante algum período de tempo especificado. Tomando a tarefa total dos sistemas de governo e protecção para evitar um excesso de velocidade perigoso, a probabilidade de sucesso nesta tarefa deve ser de tal ordem que nunca se encontre uma falha. Isto é conseguido fornecendo sistemas de regulação e protecção completamente independentes, utilizando diferentes hardware e diferentes técnicas de detecção de velocidade, operando por diferentes vias para os dois conjuntos de engrenagens de válvulas ligadas em série. Obviamente, a fiabilidade do regulador de velocidade deve ser tão elevada quanto possível para o conseguir e pode ser definida como a probabilidade de não exceder o setpoint de disparo de sobrevelocidade. No entanto, em qualquer sistema de regulação geral, a saída da posição da válvula tem três modos de falha. Uma válvula pode fechar, abrir ou manter-se na sua posição actual. É apenas quando um dos dois últimos ocorre e é seguido por um evento que leva a uma descarga repentina da turbina, por exemplo, a abertura do disjuntor numa turbina que acciona um gerador, que o disparo em excesso de velocidade é posto em funcionamento. Existe também a possibilidade, numa turbina desacoplada, de uma falha ocorrer através de uma procura excessiva de velocidade.

Falhas causadas pela abertura espúria da válvula podem ser concebidas para serem menos prováveis do que falhas que resultem no fecho da válvula. Por exemplo, a perda de abastecimento hidráulico ou eléctrico pode ser feita para fechar a válvula por uma mola de fecho ou por uma polarização eléctrica nula predefinida.

Na prática, o efeito mais provável na operação será uma falha causando uma redução de carga ou uma perda completa de carga. Vê-se pelo diagrama esquemático do bloco (Fig. 2.11) que uma única falha num canal de válvula pode causar o fecho de uma válvula, dando uma perda parcial de carga. Uma perda completa de carga exigiria uma falha na parte comum de processamento do regulador. Existem assim fortes razões para aumentar a fiabilidade desta parte do regulador, fornecendo redundância ou técnicas de monitorização. Estas são descritas mais adiante, nesta secção. A probabilidade de não se conseguir uma perda completa de carga é, portanto, outra característica importante do regulador.

Porque normalmente se emprega redundância ou monitorização, quando ocorrem falhas na parte comum de processamento do regulador, estas serão anunciadas ao operador para que a manutenção possa ser realizada. As avarias também podem ocorrer em canais de válvulas individuais causando apenas uma perda parcial de carga. Estas podem normalmente ser reparadas on-line sem interferir no funcionamento ou no registo em qualquer uma das definições anteriores de fiabilidade. Serão, no entanto, englobadas nas estatísticas globais de ‘tempo médio entre falhas’ para o regulador e serão obviamente importantes para o utilizador dos sistemas de regulação.

Figure 2.12 mostra um diagrama de blocos detalhado de um sistema de regulação típico. A principal característica de um sistema analógico é que cada função é executada por um conjunto discreto de componentes de circuito, cuja única tarefa é executar essa função convertendo sinais de entrada em sinais de saída cuja amplitude (em termos de tensão ou corrente) é directamente proporcional à função de transferência requerida. Esta característica é particularmente adequada à adopção de uma abordagem modular do hardware, onde uma função (ou um grupo de funções) é executada por um módulo e a saída (ou saídas) é passada para os módulos seguintes. Isto permite uma abordagem simples à detecção de falhas através da monitorização dos níveis de sinal.

FIG. 2.12. Diagrama de blocos detalhado de um sistema de governo de um canal

Um sistema de três canais pode ser feito para satisfazer os requisitos de fiabilidade estabelecidos para os sistemas de governo. Se ocorrer uma falha num canal, faz com que a saída desse canal se desvie dos outros dois canais. São incorporados circuitos de detecção, além dos três canais de processamento, para identificar canais falhados e para os desligar antes que possam contribuir com uma saída errónea. Como os circuitos de detecção determinam a saída com base nos canais que funcionam correctamente, são frequentemente denominados “circuitos de votação maioritária”. A figura 2.13 mostra o diagrama de blocos da figura 2.12 dividido em três canais paralelos independentes. A parte central de processamento do regulador termina onde as três saídas de cada rede de linearização são monitorizadas pelos circuitos finais de classificação maioritária associados aos servos das válvulas de vapor. Estes circuitos são extremamente simples e, portanto, fiáveis. Têm a característica de que para pequenas discrepâncias nos sinais de entrada, o sinal de saída é a média das entradas enquanto que, para grandes discrepâncias, o modo de acção torna-se o de um selector mediano.

FIG. 2.13. Diagrama de blocos de um sistema de governo de três canais

Será notado a partir do diagrama que o descarregador de pressão de escape é isolado do caminho do sinal principal por um sistema de voto maioritário triplex. Uma vez que as falhas do transdutor são um factor importante na fiabilidade do sistema, isto dá uma medida adicional de protecção para o regulador básico que continuará a funcionar como um sistema completo de três canais.

Cada servoamplificador de válvula é ostensivamente monocanal e a configuração precisa está estreitamente associada ao sistema hidráulico utilizado para amplificar os sinais electrónicos em forças suficientemente grandes para posicionar as válvulas de vapor. A variedade de configurações utilizadas é descrita na secção 1.5 deste capítulo. De momento, é de notar que é fornecido um grau de auto-monitorização para que uma válvula defeituosa, relé hidráulico ou servoamplificador se identifique ao operador e aplique um sinal de fecho à válvula. A monitorização entre válvulas é realizada em alguns governadores, uma vez que é habitual que todas as válvulas de um tipo (por exemplo, as válvulas governadoras HP) tenham a mesma abertura percentual, dentro de limites. No entanto, esta forma de monitorização deve ser vetada durante os testes de carga das válvulas em que apenas uma válvula de um conjunto é fechada em qualquer altura.

Having agora delineou a estrutura básica de um sistema de regulação analógico de três canais, é agora apropriado examinar mais detalhadamente alguns dos blocos funcionais mostrados na Fig 2.12. O fornecimento de detectores de velocidade separados de gama estreita e de gama larga decorre da exigência (para uma turbina que accione um gerador) de controlo preciso na frequência da rede.

O detector de velocidade de gama estreita utiliza as características de um circuito sintonizado ou técnicas de temporização de impulsos para determinar o desvio da velocidade de referência correspondente à frequência nominal da rede. O circuito do detector fornece uma conversão linear de frequência para tensão apenas numa gama limitada. A razão para fornecer um sinal separado de gama estreita é que, ao utilizar tais técnicas, é possível obter uma melhor precisão a longo prazo. Contudo, nenhuma das técnicas funcionará correctamente quando houver um desvio substancial (por exemplo, > 10%) da frequência de referência. No circuito sintonizado, isto deve-se a uma perda de linearidade longe do ponto nulo, na medida em que erros grosseiros no sentido da saída ocorrerão em frequências sub-harmónicas. O circuito temporizador mede o tempo para que um número de dentes numa roda sensível à velocidade passe pelo detector e compara isto com uma referência temporal precisa e fixa. O número de dentes que passam numa rotação da roda e o número de dentes tomados para efeitos de medição são determinados de modo a proporcionar um compromisso entre a precisão da medição (quanto mais dentes, melhor) e uma resposta transitória adequada, particularmente do sinal de aceleração derivado (quanto mais medições por segundo, melhor). A precisão com que os dentes são cortados na roda e a combinação de detector de velocidade e circuito de disparo para registar a passagem dos dentes são também considerados cuidadosamente na concepção.

alguns dos últimos governadores empregam uma técnica de temporização de impulsos para a detecção da velocidade com auto-ranging para determinar o número óptimo de dentes que devem ser temporizados. Isto dá uma gama adequada do sinal de velocidade ao longo de todo o regime de funcionamento da turbina, desde aproximadamente a velocidade do barramento até à gama de sobrevelocidade.

Para turbinas onde existe um detector de gama estreita, deve ser fornecido um circuito separado de detecção de velocidade de gama larga. Normalmente, isto compreende um circuito de bomba de díodo, dando uma conversão linear de frequência para tensão numa gama necessária desde a velocidade de barramento até à velocidade síncrona máxima. Os sistemas de regulação de grande alcance podem funcionar para controlar o funcionamento por meio das válvulas de regulação ou das válvulas de paragem HP. O arranque das válvulas de regulação tem a vantagem de que a caixa de vapor HP pode ser “aquecida” antes da admissão de vapor na turbina, mas este arranjo requer um controlo muito sensível em pequenas aberturas de válvulas, a fim de proporcionar um aumento suave da velocidade. O controlo das válvulas de paragem HP permite a utilização de uma válvula piloto incorporada para o controlo do vapor na fase de arranque. Uma vez que esta tem uma característica de menor ganho da posição da válvula/fluxo de vapor, a sensibilidade requerida do controlador de posição da válvula é menos crítica.

Assim, como no caso do regulador de gama estreita, estes requisitos são convenientemente executados por um potenciómetro motorizado devidamente controlado pelo operador. A prática mais recente emprega o equivalente electrónico do potenciómetro motorizado (mostrado na Fig 2.14).

FIG. 2.14. Ponto de regulação de velocidade digital – diagrama de blocos

O controlo de velocidade no terminal do operador fornece uma entrada para dois comparadores de sinal C1 e C2, cuja outra entrada é equivalente à velocidade exigida. Se não houver diferença entre estes dois comparadores de velocidade, nenhum dos osciladores é activado e o contador mantém a sua contagem existente, dando o sinal de procura definido na saída do conversor digital para analógico (DAC). Se o operador exigir uma velocidade terminal superior, o comparador apropriado activa o seu oscilador associado para aumentar a contagem até a saída do DAC atingir a velocidade terminal seleccionada pelo operador. O efeito é que a saída do DAC é aumentada até atingir a velocidade terminal, sendo a taxa de aumento proporcional à frequência do oscilador, definida pelo controlo da taxa de aceleração que também se encontra na secretária do operador. Embora tipicamente haja uma escolha de cinco taxas de aceleração, o oscilador “inferior” é normalmente fixado para dar uma única diminuição rápida da taxa de velocidade.

A velocidade exigida é comparada com a velocidade medida no amplificador de erro de velocidade, cujo ganho é definido de modo a que se obtenha uma alteração de 10% na posição da válvula para cerca de 1% de alteração no erro de velocidade da turbina. Isto implica um ganho menor do laço do que a queda normal de 4% do regulador de gama estreita, dando uma grande margem de estabilidade. O amplificador de erro de velocidade actua através dos controladores de válvulas de paragem ou de regulação para dar um controlo preciso da velocidade real da turbina àquela seleccionada pelo operador. Uma vez que o gerador da turbina permanece dessincronizado durante o arranque, a carga é leve e com pressões de vapor quase normais apenas uma pequena proporção da abertura total da válvula é necessária para atingir a velocidade de arranque. Muitas vezes é aplicado um limite de demanda de vapor durante o arranque e se este limite for ultrapassado o operador é alertado para uma possível falha.

Dois tipos de dispositivo sensor de velocidade são de uso comum, ambos empregando a detecção sem contacto da rotação de uma roda dentada directamente encaixada no eixo principal da turbina. Por razões de segurança, a roda dentada é montada na extremidade HP da máquina de modo que, no caso improvável de uma falha no eixo ou no acoplamento, a perda repentina do torque de carga seria detectada pela sobrevelocidade da extremidade HP da máquina e o regulador agiria para fechar todas as válvulas de vapor da turbina.

O primeiro tipo de dispositivo sensor de velocidade é o pick-up magnético mostrado na Figura 2.15. A bobina sensora é enrolada à volta da haste que direcciona o campo magnético do íman permanente para a roda dentada. É gerada uma voltagem sempre que o campo magnético é perturbado.

FIG. 2.15. Dispositivo de detecção da velocidade de recolha magnética

Se um dente na roda for oposto à peça do poste, o campo magnético é concentrado pelo dente. Na ausência de um dente, o campo é menos concentrado. A passagem de dentes na roda através do poste faz com que o fluxo que liga a bobina varie e gere uma tensão, que é de forma de onda quase sinusoidal a velocidades normais de funcionamento. Contudo, a baixas velocidades, a forma de onda será mais distorcida e abaixo de algum limiar bem definido, a saída da sonda será inadequada. Isto é aceitável para fins governativos, uma vez que as verificações de integridade da velocidade são incorporadas desde uma fase inicial da corrida. A amplitude da tensão de saída da sonda depende da definição do intervalo, que deve ser verificada em relação às recomendações do fabricante da turbina durante as revisões. Em geral, um sistema de regulação analógico triplicado requer três sondas; contudo, é frequentemente instalada uma sonda sobresselente, que pode ser substituída por uma sonda avariada por ligação manual enquanto em linha.

O segundo tipo de dispositivo sensor de velocidade é o transdutor de proximidade que consiste numa sonda ligada a uma unidade oscilador-demodulador por um cabo de extensão de interligação. A vantagem deste sistema é que pode detectar a passagem de dentes até à velocidade zero, o que pode ser importante em aplicações que exijam uma baixa velocidade de barramento. O equipamento é, porém, mais complexo e depende da utilização de cabos de interconexão especialmente aparados entre as duas unidades. O princípio de funcionamento é que um sinal de radiofrequência é gerado pelo oscilador e irradiado na região da ponta da sonda. Como este campo electromagnético é interceptado pela roda dentada, são geradas correntes parasitas no material e dependendo da presença ou não de um dente, ocorre uma perda variável de energia na força do sinal de retorno que é sentida pelo desmodulador.

Uma característica da maioria dos reguladores electrónicos é que exercem um controlo individual sobre cada válvula de controlo de vapor na turbina, em resposta a um sinal global de procura de vapor. Isto permite o teste em carga de válvulas individuais e também a monitorização de falhas com a capacidade de fechar uma válvula em caso de falha. É feita aqui uma menção especial às características do laço de posição da válvula e à sua importância para se conseguir o controlo desejado da carga da turbina.

Dadas condições constantes de entrada de vapor, a potência de saída de uma turbina é uma função linear do fluxo de vapor que passa pelo ponto sem carga a uma pequena percentagem do fluxo máximo de vapor. Esta característica é conhecida como a linha Willans e é mostrada na Fig. 2.16 (a). Na turbina de condensação convencional utilizada para accionar um gerador de energia, a queda de pressão através da turbina é também directamente proporcional ao fluxo de vapor que a atravessa.

FIG. 2.16. Características típicas do fluxo de vapor/carga/válvula

A característica desejada é, portanto, que a entrada de demanda de vapor para o controlador de posição da válvula deve ter uma relação linear com o fluxo de vapor. Contudo, as características inerentes ao desenho da válvula são não lineares, pelo que deve ser introduzida uma função de linearização da válvula no regulador para restaurar a linearidade requerida. Em particular, a relação área/fluxo de vapor da válvula é não linear para valores de relação de pressão (através da válvula) inferiores ao valor crítico. Ver Kearton, página 628 e a característica típica é mostrada na Fig. 2.16 (b). Dependendo da forma da válvula, haverá também uma relação não linear entre o elevador da válvula e a área da válvula, dando a característica mostrada na Fig 2.16 (c). Para linearizar estes dois efeitos, a demanda de vapor é moldada por circuitos de linearização para dar uma característica da forma mostrada na Fig 2.16 (d). Efeitos adicionais de versos resultantes do arranjo de alavanca que impulsiona o pick-off de posição da válvula também podem ser incluídos na compensação.

p>Cada controlador de válvula individual tem sinais de demanda de vapor de válvula de três canais como entrada. A sua função é tomar um voto maioritário destes sinais para formar uma demanda de sinal, fornecer linearização e fornecer controlo de posição da válvula de vapor da turbina, utilizando o sinal derivado de um transdutor de posição de válvula como feedback. Além disso, a monitorização do funcionamento do eleitor maioritário e das falhas da servo-válvula ou do transdutor de posição é realizada, com a capacidade de desligamento automático em caso de perda do controlo preciso da posição da válvula.

1.4.1 Processamento digital

Dois tipos de processamento digital são empregados nos mais recentes sistemas de regulação para máquinas CEGB. Ambos fornecem medições altamente precisas da velocidade da turbina e têm funções precisas, tais como características de linearização da válvula de vapor, residentes no software para precisão e facilidade de instalação.

Um tipo utiliza a configuração triplex, modular redundante muito semelhante à anteriormente mostrada na Fig 2.13. Cada canal usa um processador combinado e um módulo de memória que é um elemento independente de velocidade de computação por direito próprio. O módulo também inclui todas as características integradas para permitir a sua utilização no sistema triplex. Ligações de bus paralelas são utilizadas para a comunicação com periféricos, enquanto ligações em série seguras fornecem comunicação inter-canal para fins de harmonização de canais e detecção de falhas.

Como com um regulador analógico, a votação por maioria ‘2 em 3’ é realizada em pontos-chave do sistema. As variáveis de controlo são introduzidas por meio de setpoints que podem ser aumentados ou diminuídos pelo utilizador. Setpoints de alta prioridade, tais como os setpoints de velocidade e carga, estão disponíveis para o operador através de acesso directo ao processador. Setpoints de prioridade mais baixos, que alteram as características de controlo (p. ex., variação de estatismo), são acedidos através de uma ligação de comunicações em série ao processador de interface. Modificadores de controlo, tais como descarregamento por vácuo, são enviados para os canais a partir do processador da interface através de ligações em série. A temporização do sistema, a sincronização entre canais e o processo de monitorização de falhas são escolhidos para se adequarem às necessidades de resposta transiente adequada e para permitir um funcionamento anormal, tal como o funcionamento com um canal defeituoso e a subsequente reposição do canal.

As com o regulador analógico, os amplificadores de válvulas individuais aceitam as três saídas de canal de velocidade triplex em forma analógica e processam-nas para accionar as bobinas da servo-válvula em cada válvula de vapor.

O segundo tipo de regulador que emprega processamento digital utiliza uma configuração completamente diferente. Para cada válvula de vapor é fornecido um regulador de velocidade básico de canal único em separado. A este nível, denominado regulador de nível base (BLG), existe uma elevada integridade devido à redundância múltipla e verificações de erro incorporadas que iniciam o fecho da válvula de vapor relacionada em caso de falha do canal da válvula.

No nível de controlo superior (UCL), um único processador de unidade fornece todas as outras funções necessárias num sistema de governo. Todas as interfaces com o operador e a instalação, excepto os sinais básicos ligados directamente ao BLG, são processados pela UCL. Os comandos de saída da UCL para alterar a velocidade, carga ou modo de operação entram em vigor através da BLG, mas apenas se cumprirem os critérios de aceitabilidade armazenados a nível de base. Esta forma de regulador digital é apresentada esquematicamente na Fig 2.17.

FIG. 2.17. Microgovernor – diagrama de blocos

O hardware e software BLG são totalmente padrão para todas as aplicações enquanto que, na UCL, o hardware é um minicomputador padrão, mas o software incorpora todas as funções e parâmetros especiais para a aplicação. Uma característica particular do desenho é a capacidade da UCL de fornecer comunicações ao operador através de um painel de visualização de vários caracteres. Isto permite ao operador a prontidão interactiva de cada modo de operação e permite-lhe ver a resposta às suas acções. Além disso, são fornecidos detalhes precisos de qualquer alarme de falha do governador que possa ocorrer. O operador pode também seleccionar formas particulares de visualização, por exemplo, para facilitar o funcionamento da turbina.

O canal BLG inclui todo o hardware e vias de sinal desde o bus-sinal da sonda de velocidade até à servo-válvula electro-hidráulica da sua válvula de vapor associada. Além de validar as entradas de dados da UCL, o BLG incorpora extensas instalações de auto-verificação. No caso de uma falha, a válvula de vapor é fechada por um meio independente através do seu próprio hardware de vigilância à prova de falhas.