Desenvolvimento de Protótipo para
Condicionamento da Qualidade de Energia Elétrica
em Ramais de Baixa Tensão
A.H.Oliveira, LACTEC, C.G.Bianchin, LACTEC, E.A.Vendruscolo, Unicamp
Resumo-Este
artigo
apresenta
uma
estratégia
de
condicionamento da qualidade de energia elétrica em ramais
de baixa tensão, visando a melhoria do fator de potência de
cargas lineares e não lineares, a regulação da tensão fornecida
aos consumidores e a redução do conteúdo harmônico das
correntes de cargas não lineares. São apresentadas as
topologias empregadas no equipamento, simulações de
desempenho para diferentes situações de carga e resultados
experimentais. As melhorias nos parâmetros mais críticos,
após instalação de um protótipo pré-comercial de 7 kVA, são
expostas e analisadas.
Palavras-chave- Fator de Potência, Regulação de Tensão,
Potência Aparente, Qualidade de Energia, Distorção
Harmônica de Corrente.
I. INTRODUÇÃO
O presente projeto tem por finalidade a melhoria da
qualidade de energia elétrica fornecida pela concessionária,
em relação às taxas de distorção harmônica de tensão
fornecida e corrente drenada. O grande desenvolvimento da
tecnologia dos conversores estáticos e dos componentes
semicondutores possibilitaram o uso da eletrônica de
potência na conversão CA-CC de energia para várias
aplicações industriais. A utilização generalizada de
retificadores de potência tende a provocar distorção
harmônica das correntes drenadas da rede elétrica e,
consequentemente, um baixo fator de potência. A estas
correntes distorcidas, que representam uma nova forma de
poluição, estão associados interferências eletromagnéticas e
desperdício de energia nas linhas das empresas fornecedoras
de energia elétrica. Sendo assim, pesquisas têm sido feitas a
fim de produzir equipamentos mais eficientes e que
busquem minimizar estes problemas.
Ii
Vi
Figura 1 - Diagrama de blocos para definição do fator de
potência.
A equação que define o fator de potência é apresentada a
seguir:
Vief .Ii ( 1 )ef . cos θ ( 1 ) Ii ( 1 )ef
=
⋅ cos θ ( 1 ) (1)
FP =
Vief .Iief
Iief
onde:
Vief - Valor eficaz da tensão senoidal de entrada.
Ii(1)ef - Valor eficaz da componente fundamental da corrente
de entrada.
Iief - Valor eficaz da corrente de entrada.
(1) - Ângulo de deslocamento entre a tensão e a
componente fundamental da corrente de entrada.
Usualmente a corrente de entrada possui harmônicas.
Assim:
Ii ( t ) = Ii ( 1 ) +
Ii ( n ) (2)
∑
onde:
Ii(t) - Corrente de entrada.
∑ Ii(n) - Somatório das harmônicas de corrente.
Iief 2 = Ii ( 1 )ef 2 +
FP =
II. DESCRITIVO DO PROJETO
A seguir são apresentadas a definição do fator de potência
(FP) e algumas estratégias de pré-regulação da tensão de
saída e correção do fator de potência (1).
A figura 1 apresenta um diagrama de blocos com os
principais parâmetros para a obtenção da definição do fator
de potência.
A equação que define o fator de potência é apresentada a
seguir:
Vief .Ii ( 1 )ef . cos θ ( 1 ) Ii ( 1 )ef
=
⋅ cos θ ( 1 ) (1)
FP =
Vief .Iief
Iief
Este projeto foi contratado pela concessionária CELPA, Centrais
Elétricas do Pará, e desenvolvido no Instituto de Tecnologia para o
Desenvolvimento – LACTEC – Curitiba-PR.
CARGA
FONTE
∑I
2
Ii ( 1 )ef
Ii ( 1 )ef 2 +
∑
(3)
i ( n )ef
⋅ cos θ ( 1 )
Ii ( n )ef 2
(4)
A taxa de distorção harmônica (TDH) é definida por:
TDH =
∑I
i ( n )ef
Ii ( 1 )ef
2
(5)
Assim:
FP =
cos θ ( 1 )
1 + TDH 2
(6)
Portanto, fator de potência unitário significa:
- Deslocamento entre Vi e Ii(1) igual a zero;
- Ausência de harmônica de corrente de entrada.
A estratégia utilizada para a correção do fator de potência
é o emprego do conversor pré-regulador Boost, operando no
modo de condução contínuo. Convém salientar novamente
as principais características deste modo de operação:
Vantagens:
- Frequência de operação constante;
- A corrente de entrada não é descontínua, por isso introduz
na rede baixa interferência eletromagnética (EMI)e baixa
interferência de rádio frequência (RFI), reduzindo o filtro de
entrada;
- Tensão máxima da chave é igual a tensão de saída;
- Redução do valor de corrente de pico nos componentes do
conversor Boost em relação a condução descontínua;
- Tensão de saída maior que o nível CC retificado da linha,
proporcionando menores correntes nos componentes do
conversor CC-CC;
- Potência e controle possuem a mesma referência de terra,
assim o drive PWM não necessita de isolamento;
Desvantagens:
- Controle em condução contínua proporciona problemas
de estabilidade, o que não acontece em condução
descontínua;
- Modelagem mais complexa, pois os circuitos equivalentes
de potência e controle são não lineares;
- Dissipação em ambas as comutações.
harmônicos da corrente de carga, os quais produzem a
distorção na tensão observada nos resultados experimentais.
Figura 2. Forma de onda obtida na entrada do condicionador
de energia elétrica (CEE), para uma carga de
aproximadamente 4 kW.
A figura 1 apresenta o circuito simplificado do protótipo
proposto, onde uma célula boost é colocada entre o
retificador trifásico de onda completa (Ponte de Graetz) e o
inversor de potência trifásico.
Figura 3. Inversor PWM e lógica de controle.
Figura 1. Diagrama simplificado do circuito proposto.
Através de simulações, utilizando o software
SIMCAD/PSIM, obtém-se, para uma carga de
aproximadamente 4 kW, as formas de onda mostradas na
figura 2.
O inversor PWM, conectado após os terminas do “boost”,
utiliza modulação senoidal com injeção de 3a harmônica
para realizar os disparos das chaves. A figura 3 mostra a
lógica para disparo dos IGBT´s.
Caso ocorra algum colapso no inversor o sistema deverá
ser capaz de desconectá-lo e conectar a fonte diretamente a
carga, como será visto mais adiante. Conectado a saída do
inversor, foi colocado um filtro passa-baixas com freqüência
de corte em 251 Hz com o objetivo de eliminar o
chaveamento do inversor PWM. Este filtro é mostrado na
figura 4.
Junto à saída do filtro passa-baixas estão outros dois
conjuntos de filtros casados para eliminar os 3a e 5a
Figura 4. Filtro passa-baixas conectado na saída do inversor
A freqüência de ressonância para ambos os filtros casados
é calculada de acordo com a equação (7). Em RLC3, R = 1
Ω, L = 100 mH e C = 7,82 µF e a ressonância é 180 Hz.
Para o conjunto RLC5, tem-se R = 1 Ω, L = 100 mH e C =
2,82 µF resultando numa ressonância de 300 Hz.
Ambos os filtros, mostrados na figura 5, representam um
caminho de baixa impedância para estas duas freqüências,
de modo a eliminá-las do sistema.
1
f =
(7)
2.π . L.C
onde Lfi1=Lfi2=Lfi3=L e Cfi=C.
Figura 7. Tensões e corrente na saída do CEE.
A seguir serão apresentados alguns resultados obtidos em
laboratório, para cargas mencionadas anteriormente. As
formas de onda de tensão e corrente da figura 8 são
amostradas na entrada do condicionador de energia elétrica.
Figura 5. Filtro passa-baixas conectado na saída do inversor.
A carga é composta de dois motores de 0,5 CV, operando
com carga mecânica nominal, e de uma carga não-linear de
aproximadamente 2,5 kVA.
A carga não-linear é composta por uma ponte retificadora
não controlada com filtro capacitivo no lado CC, onde
Ccarga = 470 µF e o Rcarga = 80 Ω.
Caso ocorra algum defeito no inversor, de tal forma que o
mesmo deixe de suprir a carga, o sistema, por sua vez,
deverá acusar que o inversor falhou e um “bypass”
conectará diretamente a fonte à carga. Para isso, será
necessário utilizar dois conjuntos de relés de estado sólido
que conectam a rede e desconectam o inversor da carga.
Para se analisar o efeito dos filtros de 3a e 5a harmônicas,
na figura 6 é apresentada a FFT das seguintes formas de
ondas: Vabcarga e Vacarga, Iafonte, Iamotor e Ianl (ver
figura 1). É possível observar que Iafonte, Iamotor e Ianl
apresentam componentes significativas nas 3a e 5a
harmônicas. Contudo, nenhuma destas componentes é
observada no espectro da tensão na carga. A figura 7 mostra
um “zoom” de Vafonte, Vabfonte e Iafonte no domínio do
tempo, onde é possível perceber que não existem distorções
na tensão da carga.
Figura 6. Transformada Rápida de Fourier para valores
nominais de tensão e carga.
Figura 8. Tensão e corrente na entrada de uma das fases do
condicionador de energia elétrica.
A figura 9 apresenta as formas de onda de corrente e
tensão na saída do CEE, ou seja, na entrada do possível
consumidor.
Figura 9. Tensão e corrente na saída de uma das fases do
condicionador de energia elétrica.
A figura 10 apresenta o diagrama em blocos do circuito
completo do CEE. Para coordenação da atuação das
proteções do protótipo foi utilizado um microcontrolador
PIC16C77, cujo fluxograma simplificado é mostrado na
figura 11.
CELPA - Ananindeua Padaria - (04/09/2001) Av.Zacarias de Assunção,
189
Fase:C
Tipo de carga: 1
modeladora (~1 CV)
CEE:
conectado
Relé
SSR_1
ON
RB5
RB6
RA0 RA1 RA2 RA3
Detecção de seq.
de fases
RB3
Placa de controle baseada no
microcontrolador PIC16C77 RB4
OFF
RB0 RB1 RA4 RB7 RA5 RB2
F
Reator de
Entrada
OUT
R
RST
INVERSOR
Reator de
Carga
Relé
SSR_2
Carga:
Motor
+
Retificador
Link CC
Reator CC
Figura 12. Tensão e corrente na entrada do condicionador de
energia elétrica.
Capacitores de Filtro
Conversor Boost
IV.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Figura 10. Diagrama em blocos completo do CEE.
[1]
Iniciar
Rotina principal
1
INTerrupções
Prioridade
2
3
[2]
"Trip"
OFF
ON
[3]
Figura 11. Fluxograma simplificado do programa
implementado no PIC16C77.
Conforme especificado previamente, eventuais falhas
de operação do inversor trifásico não podem acarretar o
corte do suprimento de energia à carga. Atendendo a este
item foram ensaiados diversas situaçõesr elativas ao sistema
de "bypass". Um relé de estado sólido (SSR), controlado
através de um microcontrolador, compõe o sistema de
"bypass". O critério de acionamento de tal relé é
estabelecido de acordo com os sinais de proteção e comando
disponíveis no inversor.
III. RESULTADOS DE CAMPO
A seguir serão apresentados os resultados obtidos em
campo, onde o CEE foi submetido a uma instalação
residencial/comercial. O local, definido pela concessionária
CELPA, atendia à especificação de potência máxima
instalada de 7 kVA, conforme solicitado previamente..
No local, situado no município de Ananindeua,
Av.Zacarias de Assunção no 189, apresenta-se uma padaria,
onde foram feitas diversas tomadas de medições, com
diferentes
configurações
de
motores
ligados
simultâneamente. A figura 11 a presenta as formas de onda
obtidas na entrada do condicionador de energia elétrica,
onde percebe-se um elevado fator de potência . A potência
aparente para esta situação era da ordem de !,1 kVA
A.H.de Oliveira, D.C.Martins e I.Barbi, “Retificador
Trifásico com Elevado Fator de Potência utilizando o
Conversor CC-CC SEPIC no Modo de Condução
Contínua”,
dissertação de mestrado, INEP,
Florianópolis-SC, dezembro/1996.
C.G.Bianchin e J.A.Pomílio, “Pré-reguladores de
Fator de Potência alimentando Cargas Resistivas”,
dissertação de mestrado, Unicamp, Campinas-SP,
outubro/1997.
E.A.Vendruscolo e J.A.Pomílio, “Estudo e
implementação de Estratégia para Minimização de
Sobretensões Produzidas por Inversores PWM em
Sistemasde Acionamento de Motores Elétricos com
Cabos
Longos.