BR112017020041B1

BR112017020041B1 - Sistema e método de controle para controle de acionamento de motor elétrico submersível

Info

Publication number: BR112017020041B1
Application number: BR112017020041-4A
Authority: BR
Inventors: Daniel ST-LAURENT; Thomas FERLAND; Samuel BOUCHARD; Denis OTTH; Donat PICRON
Original assignee: Franklin Empire
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2023-03-14
Also published as: US20180245565A1; RU2017136557A; EP3271572B1; MX2017011967A; CN107532564A; BR112017020041A2; US10605225B2; KR102179575B1; RU2017136557A3; NZ736542A; RU2702936C2; EP3271572A1; KR20180022632A; CA2980008C; EP3271572A4; WO2016145541A1; CA2980008A1; AU2016232959A1; CN107532564B; AU2016232959B2

Abstract

SISTEMA DE CONTROLE PARA CONTROLE DE ACIONAMENTO DE MOTOR ELÉTRICO SUBMERSÍVEL. É revelado um sistema e método para controlar a operação de um sistema de produção hidrelétrica compreendendo atuadores elétricos operativamente conectados em posições opostas de um anel de regulação para girar as palhetas diretrizes para uma posição desejada. O sistema recebe um único sinal de controle projetado para um sistema hidráulico compreendendo atuadores hidráulicos operativamente conectados a um único reservatório de fluido e configurados para trabalhar em conjunto para produzir movimento axiais simultâneos e opostos. O sistema compreende uma interface de controle adaptada para produzir novos sinais de controle, cada novo sinal sendo destinado a um atuador elétrico diferente para fazer com que os atuadores elétricos tenham movimentos axiais que são idênticos quanto à velocidade e em direções opostas para substancialmente imitar o movimento exato dos atuadores hidráulicos no anel de regulação. O sistema é configurado para introduzir um efeito de amortecimento para reduzir a aceleração e desaceleração súbitas, que são utilizadas propositalmente nos sistemas hidráulicos para superar o atrito e os efeitos estáticos.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] O presente pedido reivindica prioridade do pedido de patente americano provisório No 62/135327, depositado em 19 de março de 2015, cujo relatório descritivo é aqui incorporado a título de referência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO (a) Campo Técnico

[002] A presente matéria revelada refere-se de forma geral a turbinas hidráulicas.

(b) Técnica Anterior Relacionada

[003] As turbinas convencionais utilizadas para regular o fluxo de água na produção hidrelétrica são controladas por meio de motores hidráulicos à base de óleo para abrir e fechar as pás da turbina. Esses sistemas hidráulicos incluem contaminantes, tal como óleo hidráulico, nas linhas pressurizadas, bombas e reservatórios necessários para sustentar a operação do sistema. Esses contaminantes estão presentes em grandes quantidades, podendo chegar a até 30.000 litros em uma barragem média.

[004] A principal desvantagem associada a este tipo de motor é o vazamento de contaminantes, tal como óleo hidráulico, para a água.

[005] O vazamento de óleo em excesso ocorre durante operações normais, por exemplo, durante a manutenção, ou em operações normais devido à idade do sistema (alguns sistemas estão em operação há mais de 75 anos). Quando ocorre o vazamento, o óleo é liberado para o meio-ambiente, poluindo a nascente do rio.

[006] Além disso, falhas maiores do sistema (provocadas por detritos do rio passando através da filtragem a montante, fluxo de água irregular ou falha mecânica no sistema) podem provocar um grande contrafluxo de pressão, dessa forma submergindo toda a turbina e o sistema de controle de fluxo de turbina, e liberando quantidades consideráveis de óleo a partir do sistema hidráulico para o rio e causando graves danos ambientais.

[007] Portanto, persiste a necessidade de um sistema de produção hidrelétrica que seja ecologicamente correto e, ao mesmo tempo, submersível em substituição aos sistemas existentes.

SUMÁRIO

[008] O Pedido de Patente Internacional No PCT/CA2015/000253 de autoria e propriedade em comum com este pedido (o qual é aqui incorporado a título de referência em sua totalidade) descreve um sistema de produção hidrelétrica submersível livre de óleo, que substitui os atuadores hidráulicos existentes, que atua pistões por atuadores elétricos que abrem e fecham o anel de regulação da turbina por meio da rotação simultânea de um atuador elétrico no sentido horário e o outro no sentido anti-horário utilizando um conjunto de roscas / engrenagens.

[009] Entretanto, ao atualizar os sistemas de controle nas barragens existentes contendo turbinas que são controladas utilizando sistemas hidráulicos, existe a obrigação de controlar os atuadores elétricos do sistema livre de óleo usando o sinal de controle existente que é enviado ao sistema hidráulico de cada turbina. Este sinal de controle é enviado a partir de um sistema de controle central na instalação hidrelétrica para controlar cada turbina à medida que necessário baseado nas exigências de carregamento da rede elétrica, nos níveis de água na nascente do rio, e em outros fatores.

[0010] A obrigação de adaptar e utilizar o sinal de controle existente se deve a diversos fatores, inclusive, mas não se atendo a estes: - Testes: quando o novo sistema submersível livre de óleo precisa ser testado, um sistema de controle hidráulico à base de óleo existente é removido para ser substituído pelo sistema de produção hidrelétrica livre de óleo discutido anteriormente. Portanto, é imperativo que o novo sistema seja compatível com os sinais de controle existentes, especialmente de forma que o controle se baseie na resposta de diversas turbinas na barragem ao mesmo tempo de modo a controlar a produção da eletricidade. - Demanda constante por eletricidade e fluxo constante de água através do rio/barragem: Outro fator que dita a necessidade de adaptar e utilizar os sistemas de controle existentes é que é impossível remover todos os sistemas de controle hidráulicos à base de óleo da barragem devido à demanda contínua por eletricidade, e devido ao fluxo contínuo de água no rio/barragem. Portanto, os sistemas de controle associados a cada turbina precisam ser substituídos um a um enquanto as outras turbinas na barragem estão funcionando. - Outros fatores: Existem muitos outros fatores que ditam o uso dos sinais de controle existentes, incluindo, sem a isto se restringir, os custos associados à troca de todos os sistemas de controle de produção de eletricidade e dos sistemas centrais de controle etc.

[0011] Em um aspecto, propõe-se um sistema para controle da operação de um sistema atuador elétrico de uma turbina hidrelétrica em um ambiente de controle hidráulico no qual sinais de controle são gerados para atuadores hidráulicos, o sistema atuador elétrico compreendendo um primeiro e segundo atuadores elétricos operativamente conectados em posições opostas a um anel de regulação, o sistema compreendendo: uma interface de controle configurada para receber um sinal de controle hidráulico e processar o sinal de controle hidráulico para gerar um primeiro sinal de controle para controlar o movimento do primeiro atuador elétrico, e um segundo sinal de controle para controlar o movimento do segundo atuador elétrico; em que o primeiro e segundo sinais de controle fazem com que o primeiro e segundo atuadores elétricos tenham movimentos axiais que são idênticos quanto à velocidade e contrários quanto às direções para girar o anel de regulação para uma posição desejada, imitando assim o movimento dos atuadores hidráulicos.

[0012] Em outro aspecto, propõe-se um método para implantação de um sistema atuador elétrico de uma turbina hidrelétrica em um ambiente de controle hidráulico, o sistema atuador elétrico compreendendo um primeiro e segundo atuadores elétricos operativamente conectados em posições opostas a um anel de regulação, o sistema compreendendo: receber e processar um único sinal de controle hidráulico projetado para um atuador hidráulico; gerar, baseado no sinal de controle hidráulico recebido, um primeiro sinal de controle para controlar o movimento do primeiro atuador elétrico, e um segundo sinal de controle para controlar o movimento do segundo atuador elétrico; e o primeiro e segundo sinais de controle fazendo com que o primeiro e segundo atuadores elétricos tenham movimentos axiais que são idênticos quanto à velocidade e contrários quanto às direções para girar o anel de regulação para uma posição desejada.

[0013] Em um aspecto adicional, propõe-se um sistema para implantação de um sistema atuador elétrico de uma turbina hidrelétrica em um ambiente de controle hidráulico, o sistema compreendendo: uma interface de controle configurada para receber um sinal de controle hidráulico gerado para atuadores hidráulicos e processar o sinal de controle hidráulico para gerar um primeiro sinal de controle para controlar o movimento de um primeiro atuador elétrico, e um segundo sinal de controle para controlar o movimento de um segundo atuador elétrico; o primeiro e segundo atuadores elétricos sendo operativamente conectados em posições opostas a um anel de regulação que está conectado a palhetas diretrizes da turbina. O primeiro e segundo sinais de controle fazem com que o primeiro e segundo atuadores elétricos tenham movimentos axiais que são idênticos quanto à velocidade e contrários quanto às direções para girar o anel de regulação para uma posição desejada, imitando substancialmente o movimento exato dos atuadores hidráulicos em resposta ao sinal de controle hidráulico.

[0014] Os aspectos e vantagens da matéria aqui revelada se tornarão mais claros à luz da descrição detalhada seguinte das concretizações escolhidas, conforme ilustradas nas figuras acompanhantes. Como será compreendido, a presente matéria revelada e reivindicada é passível de modificações sob vários aspectos, tudo isto sem se afastar do escopo das reivindicações. Por conseguinte, os desenhos e a descrição deverão ser considerados como ilustrativos em sua natureza, e não como restritivos, e o escopo completo da presente matéria é apresentado nas reivindicações.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

[0015] Características, aspectos e vantagens adicionais da presente revelação se tornarão aparentes a partir da descrição detalhada seguinte, considerada em combinação com os desenhos anexos, nos quais:

[0016] As Figuras 1a e 1b são ilustrações em 3D ilustrando o ambiente de operação de um sistema de produção hidrelétrica submersível, de acordo com uma concretização;

[0017] A Figura 2 é uma foto que ilustra os atuadores conectados a uma turbina em uma implementação na vida real, de acordo com uma concretização;

[0018] A Figura 3a ilustra o controle das turbinas utilizando os sistemas hidráulicos convencionais;

[0019] A Figura 3b ilustra o controle das turbinas utilizando os atuadores elétricos de acordo com as presentes concretizações;

[0020] A Figura 4a ilustra um exemplo de um sinal de controle de velocidade enviado a um sistema de controle hidráulico para controlar a operação de uma determinada turbina;

[0021] A Figura 4b ilustra um exemplo de um sinal de controle de velocidade emitido pelo EDMCS aos atuadores elétricos em resposta ao sinal de velocidade ilustrado na Figura 4a que era destinado a um sistema hidráulico;

[0022] A Figura 5 ilustra um diagrama de blocos exemplificativo de um EDMCS de acordo com uma concretização;

[0023] A Figura 5a ilustra uma configuração exemplificativa de um mecanismo de falha quando o A/D de uma das unidades falha;

[0024] A Figura 6a é uma vista em perspectiva frontal de um EDMCS de acordo com uma concretização;

[0025] A Figura 6b é uma vista traseira do EDMCS da Figura 6a; e

[0026] A Figura 7 é um fluxograma de um método para implantação de um sistema atuador elétrico de uma turbina hidrelétrica em um ambiente de controle hidráulico.

[0027] Será observado que, por todos os desenhos anexos, aspectos similares são identificados por numerais de referência similares.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0028] As concretizações descrevem um sistema e método para implantação de um sistema atuador elétrico em um sistema de produção hidrelétrica controlado utilizando um ambiente de controle hidráulico. O sistema é configurado para operar um sistema de produção hidrelétrica compreendendo atuadores elétricos operativamente conectados em posições opostas de um anel de regulação para girar as palhetas diretrizes para uma posição desejada. O sistema recebe um único sinal de controle projetado para um sistema hidráulico compreendendo atuadores hidráulicos. Os atuadores hidráulicos são operativamente conectados a um único reservatório de fluido e configurados para produzir movimentos axiais simultâneos e opostos. O sistema é configurado para processar o único sinal de controle para produzir novos sinais de controle, cada novo sinal sendo destinado a um atuador elétrico diferente para fazer os atuadores elétricos girarem à mesma velocidade e em direções opostas para substancialmente imitarem o movimento exato dos atuadores hidráulicos para o anel de regulação, por exemplo, causando substancialmente a mesma abertura/fechamento das palhetas diretrizes. O sistema é configurado para modificar o sinal para proteger as engrenagens por meio da introdução de um efeito de amortecimento projetado para reduzir a aceleração e desaceleração súbitas que são utilizadas propositalmente nos sistemas hidráulicos para superar o atrito e os efeitos estáticos e para aumentar a capacidade de resposta. Um mecanismo de proteção contra falhas também é descrito para assegurar a operação apropriada dos diferentes componentes durante operações normais e em casos de urgências.

[0029] Como discutido acima, o Pedido de Patente Internacional No PCT/CA2015/000253 de autoria e propriedade em comum com este pedido descreve um atuador de acionamento de motor elétrico submersível para controlar a operação da turbina em uma instalação de geração hidrelétrica. O atuador de acionamento de motor elétrico substitui os atuadores hidráulicos existentes de modo a evitar o vazamento de óleo na alimentação do rio no caso de circunstâncias operacionais extraordinárias. Em uma concretização, o atuador de acionamento de motor elétrico inclui dois atuadores, um em cada lado do anel de regulação da turbina nas posições a montante e a jusante. Os dois atuadores deverão trabalhar em conjunto para desempenhar suas funções regulares. Exemplos são ilustrados a seguir com relação às Figuras 1a e 1b.

[0030] As Figuras 1a e 1b são ilustrações em 3D ilustrando o ambiente de operação de um sistema de produção hidrelétrica submersível, de acordo com uma concretização.

[0031] Como ilustrado nas Figuras 1a e 1b, o ambiente de operação pode incluir módulos não submersíveis incluindo um módulo transformador, um módulo de alimentação de energia automatizado, um módulo de painel de controle e um sistema de arrefecimento. O sistema de produção hidrelétrico submersível compreende uma turbina submersível 130 e um sistema atuador de controle elétrico de turbina submersível 134. Como mostra a Figura 1b, a turbina 130 pode ser disposta em uma estrutura de alojamento (abaixo dos componentes e módulos não submersíveis) para controlar a geração de energia a partir da água recebida circulando através da turbina 130.

[0032] A Figura 2 é uma foto que ilustra os atuadores conectados a uma turbina em uma implementação na vida real. Vale mencionar que o tamanho do diâmetro do atuador é de aproximadamente 2 a 4 pés (61 a 122 cm) por toda sua extensão de movimento, e o diâmetro da turbina é de aproximadamente 12 pés (3,65 m) Isto serve apenas para fins de ilustração, uma vez que as turbinas e atuadores podem variar de tamanho dependendo da capacidade de produção da usina hidrelétrica.

[0033] Em uma concretização, o controle dos atuadores 134a e 134b é feito usando um sistema de controle de motor de acionamento elétrico (EDMCS) que pode ser disposto dentro do painel de controle para assegurar o controle apropriado dos dois atuadores 134. Em uma concretização, o EDMCS (também conhecido como interface de controle) é usado como uma interface entre o sinal de controle existente enviado pelo sistema de controle central 140 na usina (e que é projetado para um ambiente de controle hidráulico) e os atuadores elétricos 134. Um exemplo é apresentado com referências às Figuras 3a e 3b.

[0034] A Figura 3a ilustra o controle das turbinas utilizando os sistemas hidráulicos convencionais. Como ilustrado na Figura 3a, um sistema de controle central 140 se comunica com cada turbina 130-1 a 130-n na barragem para controlar a abertura e o fechamento das pás na turbina para regular o fluxo de água e, dessa forma, a velocidade e produção de eletricidade de cada turbina individual. Um sensor de posição 133 (ilustrado na Figura 1) é disposto em cada turbina 130 para relatar a posição das lâminas de volta ao sistema de controle central 140 (o sensor de posição 133 é tipicamente disposto no anel de regulação ao qual as pás estão conectadas). O sistema de controle central usa a informação recebida do sensor de posição 133 para determinar a velocidade e a duração do sinal enviado ao sistema de controle hidráulico.

[0035] Referindo-se de volta à Figura 3a, o sistema de controle central 140 compreende um controlador central 142, que determina uma quantidade geral de eletricidade necessária baseado na demanda da rede elétrica, no nível d’água e em outros fatores, etc., como discutido acima, e um módulo de controle de velocidade 143 associado a cada turbina 130 que é configurado para determinar a abertura e o fechamento da turbina 130 associada na barragem com base nas instruções do controlador central 142 associado, por exemplo, causando a abertura de uma primeira turbina 130 para uma capacidade total e/ou abrindo uma segunda à capacidade de 90% enquanto fecha uma terceira completamente etc. Evidentemente, o módulo de controle de velocidade também pode ser configurado manualmente para o fechamento de uma determinada turbina para manutenção ou similares. O módulo de controle de velocidade 144 envia um sinal de controle para cada turbina 130. O sinal de controle é um sinal de velocidade que determina a velocidade e a duração dos movimentos dos atuadores hidráulicos existentes.

[0036] Os atuadores hidráulicos existentes atuam como pistões que transformam a pressão do óleo em um movimento axial de modo a abrir/fechar o anel de regulação 136 ao qual as pás (também conhecidas como palhetas diretrizes) são conectadas. Por exemplo, caso sejam recebidas instruções, a partir do controlador 142, para controlar a produção de todas as turbinas 130 na barragem à capacidade total, o módulo de controle de velocidade 144 irá determinar, com base na posição atual de cada turbina, a velocidade, direção de movimento e duração de movimento do atuador hidráulico de modo a girar as pás dessa turbina a partir de uma posição existente para uma posição totalmente aberta.

[0037] Nas turbinas típicas, o módulo de controle de velocidade envia um sinal de 4 a 20 mA para cada turbina de modo a gerenciar a abertura e o fechamento dessa turbina. A 12 mA, a instrução para o sistema de controle hidráulico 146 é para manter os atuadores hidráulicos na posição atual. A partir de 12,1 a 14 mA, as instruções são para o primeiro atuador (também conhecido como a montante) empurrar e o segundo atuador (também conhecido como a jusante) puxar, simultaneamente, de modo a abrir a turbina. A partir de 9 a 11,9 mA, os atuadores deverão fazer o contrário (primeiro o atuador puxa e o segundo atuador empurra de modo a fechar a turbina). Os sistemas hidráulicos geralmente operam usando uma válvula de oscilação pulsante dentro das linhas hidráulicas para superar o atrito estático criado dentro das muitas válvulas de sinal hidráulico no sistema original. Em uma concretização, utiliza-se menos de 1 mA de oscilação de modo a fornecer o pulso necessário para superar o atrito estático. Tal oscilação é necessária nos sistemas hidráulicos, mas causa grandes danos e reduz a vida útil das engrenagens associadas aos atuadores elétricos 134.

[0038] O desafio do EDMCS está em sua função como um sistema completamente implantado dentro de um sistema de controle de instalação geral existente que gerencia múltiplas turbinas, conforme necessário, baseado nas necessidades de carregamento da rede elétrica, nos níveis de água na nascente do rio e em outros fatores. Em outras palavras, o principal desafio relacionado à funcionalidade do EDMCS é que o comportamento dos sistemas hidráulicos é completamente diferente em relação ao de um sistema elétrico. Portanto, os sinais de controle existentes enviados pelo sistema de controle central 140 na instalação, que são projetados para controlar sistemas hidráulicos, não podem ser usados para controlar os atuadores elétricos 134. O EDMCS é configurado para receber o sinal de controle existente e transformá-lo para uso com um atuador elétrico.

[0039] A Figura 3b ilustra o controle das turbinas utilizando os atuadores elétricos de acordo com as presentes concretizações. Assumimos, na Figura 3b, que a turbina 1301 tenha sido modernizada para utilizar atuadores elétricos 134 em vez dos hidráulicos que são usados para controlar as outras turbinas 130-2 a 130-n. Como mostra a Figura 3b, o EDMCS 148 recebe o sinal de controle convencional que é destinado aos atuadores hidráulicos e transforma este sinal em um novo sinal que é destinado para controlar o sistema atuador elétrico 134 da turbina 130-1. Uma linha de urgência 143 pode ser proporcionada entre a estação de controle central 140 e cada unidade de controle hidráulico 146 e o EDMCS 148, contornando o módulo de controle de velocidade 144, de modo a causar o fechamento imediato da turbina 130 em situações de urgência, tal como mau funcionamento do módulo de controle de velocidade 144 ou de qualquer um dos Módulos de Conversão de Analógico para Digital 152.

Desafios

[0040] Como discutido anteriormente, o principal desafio do EDMCS reside em sua função como um sistema elétrico completamente readaptado dentro de uma instalação geral existente que é projetada para gerenciar múltiplas turbinas que são controladas usando sistemas hidráulicos, ao passo que o comportamento dos sistemas hidráulicos é completamente diferente em relação ao dos elétricos.

[0041] Um dos principais desafios que impede que os sinais de controle existentes sejam adequados para uso com os atuadores elétricos consiste no fato de que suas alterações de intensidade acentuadas causam falha prematura nas engrenagens dos atuadores elétricos. Particularmente, os sistemas hidráulicos tendem a possuir uma tensão superficial inicial maior a ser superada devido à interface selo de óleo - pistão, ao passo que um torque máximo do motor elétrico ocorre à velocidade = 0 RPM (para motores de ímã permanente, tal como o utilizado nesta configuração). De modo similar, o efeito de amortecimento natural do óleo comprimido no sistema hidráulico amortece o efeito abrupto do atuador quando ele começa a se mover ou parar, enquanto a versão elétrica não possui tal benefício de amortecimento. Devido à tolerância nas roscas do atuador no sistema de motor elétrico, a aceleração e desaceleração do atuador conforme instruídas pelo sensor de velocidade da instalação causariam estalidos e trepidação, e, assim, desgaste prematuro nas engrenagens, acarretando problemas de manutenção que exigiriam maior frequência de substituição da rosca provocados pelo efeito de trepidação no início e na parada do atuador. Um exemplo é ilustrado com relação às Figuras 4a e 4b.

[0042] A Figura 4a ilustra um exemplo do sinal de controle de velocidade enviado a um sistema de controle hidráulico para controlar a operação da turbina associada. Como mostra a Figura 4, na zona A, a intensidade está a 12 mA para manter a posição atual. Na zona B, a intensidade aumentou de 12 mA para 14 mA de modo a abrir a turbina, e então, na zona C, as instruções são para manter a posição atual. Na zona D, as instruções são para fechar a turbina e a intensidade caiu de 12 mA para 9 mA, causando o fechamento súbito da turbina. Tais alterações de intensidade acentuadas são aceitáveis nos sistemas hidráulicos 146. De fato, elas são necessárias, especialmente para iniciar o movimento e superar o atrito estático, e podem até mesmo se tornar maiores para superar o atrito estático. Entretanto, os motores elétricos possuem um torque máximo a zero RPM e a alteração súbita da intensidade causará trepidação nas engrenagens e irá reduzir sua durabilidade.

[0043] De modo a controlar os atuadores elétricos e ao mesmo tempo reduzir o efeito de trepidação sobre as engrenagens devido à alteração súbita na intensidade do sinal de controle de velocidade existente, o EDMCS 148 é configurado para transformar o sinal de controle de velocidade recebido a partir do módulo de controle de velocidade 144 em um novo sinal de controle que é adequado para os atuadores elétricos 134 e para introduzir um efeito de amortecimento em cada alteração de velocidade (e intensidade) que é exigida dos atuadores elétricos de modo a evitar / reduzir a trepidação sobre as engrenagens.

[0044] A Figura 4b ilustra um exemplo de um sinal de controle de velocidade emitido pelo EDMCS aos atuadores elétricos em resposta ao sinal de velocidade ilustrado na Figura 4a que era destinado a um sistema hidráulico. Como ilustrado na Figura 4b, o sinal de controle enviado aos atuadores elétricos inclui zonas de amortecimento que introduzem gradualmente o movimento sobre os atuadores elétricos. Por exemplo, as transições entre as zonas A e B são súbitas na Figura 4a de modo a superar o atrito estático no sistema hidráulico. Em contrapartida, a zona correspondente na Figura 4a começa com uma intensidade baixa que aumenta gradualmente de modo a reduzir o torque e introduzir suavemente o movimento sobre as engrenagens de modo a evitar estalidos e trepidações, que são causados principalmente pelo movimento súbito em torque elevado e pela tolerância nas engrenagens.

[0045] O mesmo se aplica ao movimento de parada entre as zonas B e C, pelo qual a intensidade diminui da velocidade máxima à parada total imediatamente nos sistemas hidráulicos. A elasticidade na vedação e nas juntas reduz o impacto nos sistemas hidráulicos. Entretanto, de modo que a parada não afete as engrenagens nos atuadores elétricos, o EDMC 148 reduz gradualmente a intensidade do sinal de controle de velocidade de modo a reduzir o efeito de trepidação e estalido sobre as engrenagens.

[0046] O outro desafio que o EDMCS enfrenta é o fato de que os sistemas hidráulicos existentes recebem um sinal de controle que é traduzido em uma pressão hidráulica em um reservatório hidráulico, permitindo que os dois atuadores hidráulicos se movam simultaneamente sem a necessidade de um sistema de controle separado para cada atuador. Esses atuadores hidráulicos atuam como pistões que transformam a pressão do óleo em um movimento axial de modo a abrir/fechar o anel de regulação ao qual as pás são conectadas, pelo que a pressão positiva aplicada a um pistão é igual à pressão negativa aplicada ao outro pistão, causando movimentos simultâneos e opostos dos atuadores hidráulicos.

[0047] Este não é o caso nos atuadores elétricos, tais como os descritos no Pedido de Patente Internacional no PCT/CA2015/000253 de autoria e propriedade em comum com este pedido. Esses atuadores precisam ser controlados separadamente de modo a assegurar o movimento apropriado. Além disso, um mecanismo sofisticado contra falha do sistema precisa ser implementado a fim de tomar as medidas necessárias no caso de falha em um ou mais dos componentes, de modo a evitar danos adicionais aos componentes mecânicos e elétricos adjacentes do sistema de produção hidrelétrica.

[0048] A Figura 5 ilustra um diagrama de blocos exemplificativo de um EDMCS de acordo com uma concretização, e a Figura 5a ilustra uma configuração ilustrativa de um mecanismo de falha quando o A/D de uma das unidades falha. A Figura 6a é uma vista em perspectiva frontal de um EDMCS de acordo com uma concretização; e a Figura 6b é uma vista traseira do EDMCS da Figura 6a.

[0049] Como ilustrado na Figura 5, o EDMCS inclui duas unidades de controle 150, uma primeira unidade de controle 150a associada ao primeiro atuador 134a (também chamado de atuador a montante) e uma segunda unidade de controle 150b associada ao segundo atuador 134b (também chamado de atuador a jusante). As instruções fornecidas a ambas as unidades 150a e 150b são exatamente as mesmas, assim como a saída fornecida por cada uma dessas unidades 150, com exceção à inversão do campo elétrico no sistema de acionamento de um dos atuadores para fazer os motores girarem em direções opostas. Isto é importante, uma vez que os atuadores 134 precisam operar à mesma velocidade, mas em direções diferentes, de modo a abrir e fechar o anel de regulação. Assim sendo, para evitar repetições, somente será apresentada aqui a operação de uma dessas unidades 150.

[0050] Referindo-se novamente à Figura 5, cada unidade de controle 150 inclui um conversor A/D 152 configurado para receber o sinal de controle quadrado exemplificado na Figura 4a que se destina ao atuador hidráulico e para transformar esse sinal em um formato digital. O conversor A/D 152a converte o sinal do sensor de velocidade analógico (4 a 20 mA) em um formato digital para processamento no módulo de Controle de Movimento 154a. A versão digital do sinal é recebida no módulo de controle de movimento 154. O módulo de controle de movimento 154a representa o processador que, baseado nas entradas do sensor de velocidade da usina, decide se irá girar o atuador no sentido horário ou anti-horário e a duração da rotação, de modo a girar as pás ou palhetas diretrizes de uma forma que limite os atuadores hidráulicos.

[0051] Em outras palavras, o sistema atuador elétrico deverá responder ao sinal de controle hidráulico substancialmente da mesma maneira que o sistema atuador hidráulico, para evitar qualquer alteração na estação de controle central. O módulo de controle de movimento 154 é o módulo de inteligência que controla o movimento do atuador associado 134. O módulo de controle de movimento 154a é configurado para processar o sinal recebido e amortecer o sinal conforme exemplificado na Figura 4b de modo a reduzir a trepidação sobre as engrenagens e reduzir arestas acentuadas que causam aceleração e/ou desaceleração súbita que danificam as engrenagens associadas aos atuadores. A unidade de controle 150a inclui um módulo de controle de acionamento 156a e um sistema de acionamento 160a. O módulo de controle de acionamento 156a atua como uma interface que traduz a saída de sinal do controle de movimento em um sinal que o sistema de acionamento é capaz de entender. O sistema de acionamento 160a é um módulo que acompanha o motor elétrico, e inclui um amplificador de potência interno que permite uma tomada de corrente suficiente para operar o motor da maneira requerida pelo controle de movimento 154a.

[0052] Em uma concretização, cada unidade de controle 150 pode similarmente compreender um sistema de controle de segurança dedicado 155a cuja função é gerenciar todas as intervenções de segurança que podem ocorrer devido à operação extraordinária dos atuadores de turbina. Quando necessário, o sistema de controle de segurança 155 anula o Módulo de Controle de Movimento 154 e envia um sinal de segurança (por exemplo, limitando a velocidade do atuador ou o fechamento automático segundo o protocolo de segurança exigido) ao Controle de Acionamento 156 (através do Módulo de Controle de Movimento 154), que deverá cancelar o sinal do Módulo de Controle de Movimento 154, e atuar conforme instruído pelo módulo de controle de segurança 155. Este sistema de controle de segurança 155 opera com uma chave 165 similar ao sistema de gerenciamento redundante 164 no caso de falha de um ou mais dos enlaces de comunicação entre os módulos.

[0053] As funções da unidade de controle 150b são exatamente as mesmas, exceto que o controle de acionamento e o sistema de controle de acionamento 150b causam a rotação do atuador 134b em uma direção oposta ao atuador 134a.

[0054] Como mostra a Figura 5, uma chave 164 é disposta entre as duas unidades de controle 150a e 150b. Em uma concretização, a chave 164 opera um anel de redundância que interroga os diferentes módulos nas unidades de controle para assegurar o funcionamento apropriado e intervém em casos de mau funcionamento do anel de comunicação. Por exemplo, se o A/D 152a parar de funcionar, a chave forneceria ao controle de movimento 154a a saída do A/D 154b, como exemplificado na Figura 5a.

[0055] Um alerta/aviso pode ser enviado ao operador para alertá-lo sem causar uma interrupção da turbina.

[0056] No entanto, no caso de qualquer mau funcionamento no controle de acionamento 156a ou no sistema de acionamento 160a, a chave 164 irá ativar uma interrupção elétrica no motor 134a (não ilustrado), fazendo o motor 134a girar em roda livre. Neste caso, o atuador 134b irá operar no modo normal, causando o fechamento de toda a turbina de uma maneira mecânica automática (de modo que quando um motor funciona, e o outro não, o fechamento ocorrerá automaticamente). Um alarme é enviado à estação de controle central 140 para alertar o operador da situação.

[0057] Um Módulo de Bateria Primário 170a e 170b é proporcionado para cada uma das Unidades de Controle 150a e 150b, o qual fornece energia suficiente aos atuadores para atuarem em situações de urgência. Em um exemplo de implementação não limitante, cada módulo de bateria é configurado para alimentar o atuador associado para executar pelo menos 3 ciclos de abertura/fechamento no caso de falta de energia na instalação. Um módulo de bateria de reserva secundário 171 pode ser proporcionado no caso de um dos Módulos de Bateria Primários falhar. Sistemas de Gerenciamento de Bateria 172a e 172b podem ser proporcionados, em uma concretização, para assegurar que quaisquer falhas nos Módulos de Bateria Primários sejam detectadas e que o requisito de energia, no caso de falta de energia da instalação, seja suprido tanto pelo Módulo de Bateria Primário operacional quanto pelo Módulo de Bateria de Reserva Secundário. Em uma concretização, o Módulo de Bateria de Reserva Secundário 171 pode ser configurado para incluir seu próprio Sistema de Gerenciamento de Bateria 173 para similarmente assegurar que qualquer falha no Módulo de Bateria de Reserva Secundário seja detectada.

[0058] A Figura 7 é um fluxograma de um método 300 para implantação de um sistema atuador elétrico de uma turbina hidrelétrica em um ambiente de controle hidráulico. O sistema atuador elétrico compreende um primeiro e segundo atuadores elétricos operativamente conectados em posições opostas a um anel de regulação. O método começa na etapa 310, com o recebimento e processamento de um único sinal de controle hidráulico designado para um atuador hidráulico. Na etapa 320, o método compreende gerar, com base no sinal de controle hidráulico recebido, um primeiro sinal de controle para controlar o movimento do primeiro atuador elétrico, e um segundo sinal de controle para controlar o movimento do segundo atuador elétrico. Na etapa 330, o primeiro e segundo sinais de controle fazem com que o primeiro e segundo atuadores elétricos tenham movimentos axiais que são idênticos quanto à velocidade e contrários quanto às direções para girar o anel de regulação para uma posição desejada.

[0059] Embora as concretizações preferidas tenham sido descritas anteriormente e ilustradas nos desenhos acompanhantes, será evidente aos versados na técnica que poderão ser feitas modificações sem se afastar desta invenção. Tais modificações são consideradas como possíveis variantes compreendidas no escopo desta invenção.

Claims

1. Sistema para readaptar um sistema atuador elétrico de uma turbina hidrelétrica (130) em um ambiente de controle hidráulico, o sistema caracterizado por compreender: - uma interface de controle configurada para receber um sinal de controle hidráulico gerado para atuadores hidráulicos e processar o sinal de controle hidráulico para gerar um primeiro sinal de controle para controlar o movimento de um primeiro atuador elétrico (134a), e um segundo sinal de controle para controlar o movimento de um segundo atuador elétrico (134b); - o primeiro e segundo atuadores elétricos (134a, 134b) sendo operacionalmente conectados em posições opostas a um anel de regulação (136) que está conectado a portões fixos rotativos da turbina (130); em que - o primeiro e segundo sinais de controle fazem com que os primeiro e segundo atuadores elétricos (134a, 134b) tenham movimentos axiais que são idênticos quanto à velocidade e contrários quanto às direções para girar o anel de regulação (136) para uma posição desejada, imitando assim o movimento dos atuadores hidráulicos em resposta ao sinal de controle hidráulico.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a interface de controle é configurada para introduzir um efeito de amortecimento sobre o primeiro e segundo sinais de controle para reduzir um efeito de alterações de intensidade acentuadas do sinal de controle hidráulico sobre as engrenagens dos atuadores elétricos (134a, 134b).

3. Sistema, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que a interface de controle compreende uma primeira unidade de controle (150a) dedicada ao primeiro atuador elétrico (134a) e uma segunda unidade de controle (150b) dedicada ao segundo atuador elétrico (134b), o primeiro e segundo atuadores elétricos (134a, 134b) sendo idênticos e sendo adaptados para receber o mesmo sinal de controle hidráulico para produzir o primeiro e segundo sinais de controle, respectivamente.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por adicionalmente compreender um interruptor redundante (164) entre a primeira unidade de controle (150a) e a segunda unidade de controle (150b) para anular uma saída de um componente disfuncional em uma das unidades de controle (150a, 150b) com uma saída de um componente na outra unidade de controle (150a, 150b).

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por adicionalmente compreender: - uma reserva de bateria primária (170a, 170b) dedicada a cada unidade de controle (150a, 150b); - uma reserva de bateria secundária (171) configurada para respaldar pelo menos uma das reservas de bateria primárias (170a, 170b), e - um módulo de gerenciamento de bateria (172a, 172b) operativamente conectado entre a reserva de bateria primária (170a, 170b) de cada unidade de controle (150a, 150b) e a reserva de bateria secundária (171) para gerenciar a provisão de energia elétrica a cada unidade de controle (150a, 150b) no caso de urgências.

6. Método para implantação de um sistema atuador elétrico de uma turbina hidrelétrica em um ambiente de controle hidráulico, o sistema atuador elétrico compreendendo um primeiro e segundo atuadores elétricos (134a, 134b) operativamente conectados em posições opostas a um anel de regulação (136), dado conforme a reivindicação 1, o método sendo caracterizado por: - receber e processar um único sinal de controle hidráulico designado para um atuador hidráulico; - gerar, com base no sinal de controle hidráulico recebido, um primeiro sinal de controle para controlar o movimento do primeiro atuador elétrico (134a), e um segundo sinal de controle para controlar o movimento do segundo atuador elétrico (134b); - o primeiro e segundo sinais de controle fazendo com que o primeiro e segundo atuadores elétricos (134a, 134b) tenham movimentos axiais que são idênticos quanto à velocidade e contrários quanto às direções para girar o anel de regulação (136) para uma posição desejada.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por adicionalmente compreender introduzir um efeito de amortecimento sobre o primeiro e segundo sinais de controle para reduzir um efeito de alterações de intensidade acentuadas do sinal de controle hidráulico sobre as engrenagens dos atuadores elétricos (134a, 134b).

8. Método, de acordo com as reivindicações 6 e 7, caracterizado por adicionalmente controlar cada atuador elétrico (134a, 134b) utilizando uma unidade de controle dedicada (150a, 150b), em que uma primeira unidade de controle (150a) gera o primeiro sinal de controle e uma segunda unidade de controle (150b) gera o segundo sinal de controle.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por adicionalmente proporcionar um primeiro interruptor redundante (164) entre a primeira unidade de controle (150a) e a segunda unidade de controle (150b) para sobrepor uma saída de um componente disfuncional em uma das unidades de controle (150a, 150b) com uma saída de um componente correspondente na outra unidade de controle (150a, 150b).

10. Método, de acordo com as reivindicações 8 e 9, caracterizado por adicionalmente proporcionar, em cada unidade de controle (150a, 150b), um módulo de controle de segurança (155a, 155b) adaptado para sobrepor um respectivo sinal de controle enviado a um respectivo atuador para forçar uma abertura/fechamento da turbina (130) em uma situação de urgência.

11. Método, de acordo com as reivindicações 9 e 10, caraterizado por adicionalmente proporcionar um segundo interruptor redundante (165) entre os módulos de controle de segurança (155a, 155b) da primeira e da segunda unidade de controle (150a, 150b) para sobrepor uma saída de um módulo de controle de segurança disfuncional (155a, 155b) em uma das unidades de controle (150a, 150b) com uma saída do outro módulo de controle de segurança (155a, 155b) na outra unidade de controle (150a, 150b).

12. Método, de acordo com as reivindicações 8, 9, 10 e 11, caracterizado por adicionalmente compreender a provisão de: -uma reserva de bateria primária (170a, 170b) dedicada a cada unidade de controle (150a, 150b); -umareserva de bateria secundária (171) configurada para respaldar pelo menos uma das reservas de bateria primárias (170a, 170b), e -um módulo de gerenciamento de bateria (172a, 172b) operativamente conectado entre a reserva de bateria primária (170a, 170b) de cada unidade de controle (150a, 150b) e a reserva de bateria secundária (171) para gerenciar a provisão de energia elétrica a cada unidade de controle (150a, 150b) no caso de urgências.