Investigação de estratégias de controle digital para regulação de velocidade e emulação da dinâmica de turbinas hidráulicas, com implementação e testes experimentais em uma micromáquina de 10 KVA

Devido não ser comum o estudo de sistemas de potência em plantas reais como usinas hidrelétricas por causa dos riscos e custos que envolvem sua operação, dá-se preferência pela realização computacional de modelos matemáticos desse tipo de planta na resolução de problemas, desenvolvimento de novas tecnologias e formação de recursos humanos. No entanto, modelos realizados computacionalmente não proveem a experiência, visual, auditiva e tátil que um modelo físico real pode oferecer. Portanto, neste trabalho, apresenta-se a descrição e a modelagem de um sistema de geração em escala reduzida de 10kVA, que é um sistema físico real, composto por um motor CC, um gerador síncrono e transformadores, chamado também de sistema micromáquina, o qual faz parte da infraestrutura do Laboratório de Engenharia Elétrica da UFPA. Para este sistema, por intermédio deste trabalho de mestrado e do trabalho de mestrado de Moraes (2011), foram desenvolvido subsistemas eletrônicos e computacionais de acionamento, automação e controle para operá-lo de forma segura resultando em uma excelente plataforma didática para dar suporte às pesquisas em dinâmica e controle de sistemas de potência, bem como o desenvolvimento de trabalhos acadêmicos e de ensino. Nesse mesmo contexto, é apresentada uma proposta de técnica de emulação de turbina hidráulica, tendo como base o controle de potência aplicado ao motor CC do sistema micromáquina. Tal técnica foi desenvolvida principalmente com o propósito de dar suporte ao estudo e desenvolvimento de técnicas de regulação de velocidade de turbinas hidráulicas. Consequentemente, também é apresenta uma proposta de um regulador de velocidade digital para turbinas hidráulicas baseado na estrutura canônica RST de controle digital, cujos parâmetros são projetados por duas técnicas de projeto estudadas neste trabalho: o método de alocação polinomial de polos e o projeto de compensadores por atraso de fase pelo método de resposta em frequência para sistemas discretos. Logo para comprovar a eficácia das ferramentas de hardware, software e teóricas desenvolvidas neste trabalho, resultados de experimentos realizados no sistema micromáquina são apresentados e analisados.

ABSTRACT: Due to the study of power systems in real plants as a hydroelectric power plant it’s not common because the risks and costs involving their operation, it is preferred to conduct computational mathematical models of this system solving problems and developing new technologies. However, computer-realized models do not provide the visible, audible and tactile experience that a real physical model can offer. Therefore, in this work, it is presented a description and modeling of a micro-generation system of 10kVA, which is a real physical system, composed of a DC motor, a synchronous generator and transformers, also called micromachine system, which makes part of the infrastructure of the Laboratory of Electrical Engineering at UFPA. For this system, through this work and the Moraes’ work (2011), were developed electronic subsystems and computer drives, automation and control to operate it safely and to support research in control of power systems, as well as the development of academic work. In this same context, it is proposed an emulation technique of the dynamic of a hydraulic turbine controlling by the power applied to DC motor micromachine system, which was developed mainly for the purpose of supporting the study and development of techniques of speed regulation for hydraulic turbines. It also will present a proposal for a digital speed governor for hydraulic turbines based on the canonical structure RST digital control, whose parameters are designed by two techniques studied in this work. And to prove the effectiveness of tools for hardware, software and theory developed in this work, results of experiments performed at the micromachine system will be presented and analyzed.