UMinho | 2011
de TSC e de Cargas Elétricas para
Nuno Miguel Figueira Manuel Desenvolvimento
Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Nuno Miguel Figueira Manuel
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas
para Estudo de Problemas de Qualidade de
Energia Elétrica
Novembro de 2011
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Nuno Miguel Figueira Manuel
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas
para Estudo de Problemas de Qualidade de
Energia Elétrica
Tese de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de
Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor João Luiz Afonso
Novembro de 2011
À minha mãe Júlia Filomena Van-Dúnem.
À Maria José Garcia de La Iglesia.
Agradecimentos
Gostaria de começar por apresentar os meus sinceros agradecimentos ao meu
orientador Doutor João Luiz Afonso, pela exigência e incentivo demonstrado durante a
realização do trabalho de dissertação.
Aos Investigadores do Laboratório de Eletrónica de Potência da Universidade do
Minho, Doutor Henrique Gonçalves, Eng.º Bruno Exposto, Eng.º Delfim Pedrosa, Eng.º
Vítor Monteiro e ao Eng.º Gabriel Pinto, agradeço pelo apoio sempre demonstrado,
pelas críticas e sugestões que enriqueceram ainda mais o trabalho de dissertação.
Aos meus amigos, Acácio Crespo, Pedro Lafuente, Manuel Romeu e à Sofia
Azevedo, os meus sinceros agradecimentos pelas primeiras revisões feitas ao texto.
Aos técnicos das oficinas do Departamento de Engenharia Eletrónica Industrial,
ao Senhor Joel Almeida quero agradecer pela disponibilidade e simpatia sempre
demonstradas e ao Senhor Carlos Torres agradeço pelas ajudas prestadas no
desenvolvimento das placas de circuito impresso.
A todos os professores do Departamento de Engenharia Eletrónica da
Universidade do Minho, agradeço pela partilha de conhecimentos e pelo fato de terem
ajudado a cumprir um sonho.
Ao Instituto Português de Apoio ao Desenvolvimento, agradeço pelos apoios
financeiros com base na bolsa de estudos que usufruí durante os 5 anos.
A Microchip, a Texas Instruments e a Analog Device, agradeço pelas amostras de
componentes que têm vindo a disponibilizar de forma grátis aos estudantes que
pretendem desenvolver protótipos.
Aos meus colegas de curso, Sérgio Gonçalves, Nilton Lopes, Pedro Portela,
Delfim Pinto, Martinho Fernando, Nuno Teixeira, Samira Helena, Amândio Barbosa,
João Elias Jesus e Mauro Luís Domingos da Silva, agradeço pela amizade e pela
partilha de conhecimento que tivemos ao longo de todo curso.
Por último, mas não menos importante, quero expressar os meus mais sinceros
agradecimentos à família Van-Dúnem, pela ajuda prestada em todos os momentos da
minha vida, em especial o meu tio Jerónimo António Figueira.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
iii
Resumo
A compensação da potência reativa no sistema elétrico assume uma importância
crescente, face ao imperativo de se utilizar ao máximo a capacidade de transmissão das
linhas e dos transformadores [1]. No que diz respeito ao consumidor industrial, a
compensação da potência reativa representa uma gestão adequada da potência
contratada.
Os equipamentos clássicos para compensação da potência reativa são os bancos
de condensadores [2][3]. Devido aos problemas de Qualidade de Energia Elétrica,
comummente, os harmónicos de corrente e de tensão, a compensação da potência
reativa com base em bancos de condensadores provoca distorção harmónica na tensão e
na corrente e transitórios de comutação na tensão.
O Thyristor Switched Capacitor (TSC) é um equipamento de Eletrónica de
Potência do tipo FACTS capaz de compensar a potência reativa indutiva. Nesta
dissertação, desenvolveu-se um Thyristor Switched Capacitor com três níveis de
compensação/módulos. Os estudos realizados foram minuciosos no sentido de
melhorarem a resposta dinâmica do equipamento e mitigar a corrente de inrush que
ocorre quando os condensadores são ligados à rede elétrica.
O sistema de controlo implementado mede o valor da tensão e da corrente no
sistema elétrico e calcula a potência ativa, o fator de potência e a potência reativa
necessária para corrigir o fator de potência para a unidade, ou para valores superiores a
0,93, valor limite aceite na legislação em vigor em Portugal.
As cargas elétricas para estudo de problemas de Qualidade de Energia Elétrica são
equipamentos de apoio utilizados em Laboratórios de Investigação e Desenvolvimento
em Eletrónica de Potência. O objetivo destas cargas é provocarem distorções na tensão e
na corrente nas fases. Neste caso as cargas desenvolvidas serão utilizadas em teste de
Filtros Ativos de Potência e Monitorizadores de Qualidade de Energia Elétrica.
Nesta dissertação começou-se por os problemas de Qualidade de Energia Elétrica,
que mais contribuem para degradação do sistema Elétrico e passando de seguida ao
estudo do Thyristor Switched Capacitor e das cargas elétricas para estudo de problemas
de Qualidade de Energia Elétrica.
Palavras-Chave: TSC (Thyristor Switched Capacitor), Cargas de Teste,
Compensação do fator de potência, Qualidade da Energia Elétrica, Correção do fator de
potência, Controlo Digital baseado em Microcontrolador.
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Nuno Miguel Figueira Manuel
v
Abstract
The reactive power compensation in the electrical system is an important issue
due to the necessity of using the maximum transmission capacity of lines and
transformers. Regarding the industrial consumer, the reactive power compensation is a
suitable contracted power management.
The most common equipments for reactive power compensation are Capacitors
Banks. Due to Power Quality problems, such as current and voltage harmonics, the
reactive power compensation based on Capacitors Banks can cause harmonics in current
and voltage and also voltage transients.
The Thyristor Switched Capacitor is type of FACTS (Flexible AC Transmission
Systems) equipment capable to compensate inductive reactive power. In this thesis it
was developed a Thyristor Switched Capacitor with three levels of
compensation/modules. Studies were carried out in order to improve the dynamic
response of the equipment and to mitigate the inrush current that occurs when the
capacitors are switched to the mains.
The implemented control system measures the voltage and current in the electrical
system and calculates the active power, power factor and reactive power needed to
compensate the power factor to unit or to above 0.93, the reference value in
Portuguese’s legislation.
Electrical loads for study of Power Quality problems are support equipments used
in Research and Development Laboratories for Power Electronics. The purpose of these
loads is to cause current and voltage harmonics in the studied electric grid. In this case
loads will be used for testing Active Power Filters and Power Quality Monitoring
equipments.
In this dissertation, it is first presented, in Chapter 2, the Power Quality problems
with most influence in electrical system degradation. The remaining chapters deal with
the Thyristor Switched Capacitor and the Electrical loads to study Power Quality
Problems.
Keywords: TSC (Thyristor Switched Capacitor), Power Factor Correction, Test
Loads, Power Quality, Digital Controller on Microcontroller.
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Nuno Miguel Figueira Manuel
vii
Índice
Resumo ................................................................................................................................................. v
Abstract .............................................................................................................................................. vii
Lista de Figuras ................................................................................................................................... xi
Lista de Tabelas ................................................................................................................................ xvii
Lista de Abreviaturas ........................................................................................................................ xix
CAPÍTULO 1
Introdução ............................................................................................................... 1
1.1.1.
Identificação do Problema .............................................................................................. 1
1.2. Enquadramento ......................................................................................................................... 2
1.3. Motivações ............................................................................................................................... 3
1.4. Objetivos do Trabalho ............................................................................................................... 3
1.5. Organização da Dissertação....................................................................................................... 4
CAPÍTULO 2
Qualidade da Energia Elétrica ................................................................................ 5
2.1. Introdução................................................................................................................................. 5
2.2. Cargas Elétricas ........................................................................................................................ 6
2.2.1.
Cargas Elétricas Não Lineares ........................................................................................ 7
2.2.2.
Cargas Elétricas Lineares ............................................................................................... 8
2.3. Problemas de Qualidade de Energia Elétrica ............................................................................ 11
2.3.1.
Variações da Tensão de Curta Duração ......................................................................... 11
2.3.2.
Variações da Tensão de Longa Duração ........................................................................ 13
2.3.1.
Desequilíbrio das Tensões ............................................................................................ 14
Legenda: 15
2.3.1.
Distorção da Forma de Onda ........................................................................................ 15
2.3.2.
Transitório ................................................................................................................... 19
2.4. Fator de Potência .................................................................................................................... 20
2.4.1.
Displacement Power Factor ......................................................................................... 21
2.4.2.
Inconvenientes do Baixo Fator de Potência ................................................................... 22
2.5. Consequências dos Problemas de Qualidade de Energia Elétrica .............................................. 23
2.5.1.
Efeitos dos Harmónicos de Tensão e de Corrente .......................................................... 23
2.5.2.
Equipamentos para Compensação de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica ........ 24
2.6. Normas de Qualidade de Energia Elétrica ................................................................................ 25
2.6.1.
Recomendação IEEE 519 - 1992................................................................................... 26
2.6.2.
Norma Europeia EN50160 - 2007 ................................................................................. 28
2.7. Conclusão ............................................................................................................................... 28
CAPÍTULO 3
Equipamentos para Compensação da Potência Reativa ....................................... 31
3.1. Introdução............................................................................................................................... 31
3.2. Compensador Síncrono ........................................................................................................... 32
3.3. Bancos de Condensadores ....................................................................................................... 34
3.4. Filtro Ativo de Potência Paralelo ............................................................................................. 35
3.5. Compensadores FACTS (Flexible AC Transmission System) do tipo Paralelo........................... 36
3.5.1.
STATCOM .................................................................................................................. 36
3.5.2.
Thyristor-Controlled Reactor ....................................................................................... 37
3.5.3.
Thyristor Switched Capacitor ....................................................................................... 40
3.5.4.
Estado da arte do Thyristor Switched Capacitor ............................................................ 41
3.5.5.
Thyristor Switched Capacitor Implementado ................................................................ 43
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
ix
Índice
3.6. Conclusão ............................................................................................................................... 50
CAPÍTULO 4
Simulações do Thyristor Switched Capacitor e de Cargas Elétricas para Estudo de
Problemas de Qualidade de Energia Elétrica .................................................................................... 53
4.1. Introdução............................................................................................................................... 53
4.2. Modelo de Simulação do Andar de Potência do Thyristor Switched Capacitor ......................... 55
4.2.1.
Estratégia de Controlo .................................................................................................. 56
4.3. Resultado das Simulações ....................................................................................................... 62
4.3.1.
Operação do Thyristor Switched Capacitor ................................................................... 62
4.3.2.
Thyristor Switched Capacitor e Carga Linear Equilibrada em Estrela ............................ 63
4.3.3.
Thyristor Switched Capacitor em Sistema Elétrico com Harmónicos na corrente e
Carga Linear Equilibrada conectada em Estrela ............................................................................ 64
4.3.4.
Thyristor Switched Capacitor e Carga Linear e Carga não Linear em Estrela
Desequilibrada ............................................................................................................................ 65
4.3.5.
Thyristor Switched Capacitor e Carga Indutiva Equilibrada em Triângulo ..................... 68
4.3.6.
Thyristor Switched Capacitor e Carga Indutiva Desequilibrada em Triângulo................ 69
4.3.7.
Thyristor Switched Capacitor vs Banco de Condensadores com Filtro Passivo .............. 72
4.4. Cargas de Teste para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica ........................... 75
4.5. Conclusões ............................................................................................................................. 82
CAPÍTULO 5
Implementação do Thyristor Switched Capacitor .................................................. 85
5.1. Introdução............................................................................................................................... 85
5.2. Diagrama de Blocos do Thyristor Switched Capacitor ............................................................. 85
5.2.1.
Constituição dos Módulos do Thyristor Switched Capacitor .......................................... 86
5.3. Sistema de Controlo ................................................................................................................ 88
Unidade de Processamento Central (UPC) ................................................................................... 88
Caraterísticas do Microcontrolador .............................................................................................. 88
Caraterísticas dos Periféricos Analógicos do Microcontrolador .................................................... 88
5.3.1.
Software Utilizado para Programar o Microcontrolador ................................................. 90
5.3.2.
Tarefas Executadas pelo Microcontrolador.................................................................... 90
5.4. Circuito de Medição de Tensões e Correntes............................................................................ 93
5.5. Circuito de Condicionamento de Sinal ..................................................................................... 95
5.6. Circuito de Comando .............................................................................................................. 99
Conclusão ...................................................................................................................................... 101
CAPÍTULO 6
Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de
Problemas de Qualidade de Energia Elétrica .................................................................................. 103
6.1. Introdução............................................................................................................................. 103
6.2. Resultados Experimentais do TSC a Compensar a Potência Reativa ....................................... 104
6.3. Resultados Experimentais ..................................................................................................... 104
6.3.1.
Carga Indutiva A Conectada ao Sistema Elétrico......................................................... 105
6.3.2.
Carga Indutiva B Conectada ao Sistema Elétrico ......................................................... 106
6.3.3.
Carga Indutiva C Conectada ao Sistema Elétrico ......................................................... 107
6.4. Ensaio do TSC com Tensão de Alimentado de 200 V ............................................................ 108
6.5. Resultados Experimentais das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE................. 108
6.6. Conclusão ............................................................................................................................. 111
CAPÍTULO 7
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro ....................................................... 113
7.1. Conclusões ........................................................................................................................... 113
7.2. Trabalho Futuro .................................................................................................................... 115
Referências ....................................................................................................................................... 117
x
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Nuno Miguel Figueira Manuel
Lista de Figuras
Figura 2.1 - Exemplo da forma de onda da tensão e da corrente no sistema elétrico de baixa tensão,
no caso ideal........................................................................................................................................... 6
Figura 2.2 - Tipos de equipamentos eletrónicos cada vez mais usados em ambientes residenciais e de
escritório que provocam problemas de QEE. ........................................................................................... 7
Figura 2.3 - Retificador trifásico não controlado com Filtro Capacitivo e Carga RL. ................................ 7
Figura 2.4 - Formas de ondas da tensão e corrente na entrada de um retificador trifásico. ......................... 8
Figura 2.5 - Exemplo da forma de onda da tensão e da corrente aos terminais de uma carga elétrica
puramente resistiva. ................................................................................................................................ 9
Figura 2.6 - Exemplo da forma de onda da tensão e da corrente aos terminais de uma carga elétrica
puramente capacitiva. ............................................................................................................................. 9
Figura 2.7 - Exemplo da forma de onda da tensão e da corrente aos terminais de uma carga elétrica
puramente indutiva. .............................................................................................................................. 10
Figura 2.8 - Tipos de cargas elétricas lineares........................................................................................ 10
Figura 2.9 - Exemplo do modelo equivalente da estrutura da linha de transporte de energia elétrica........ 11
Figura 2.10 - Exemplo de um Swell devido ao desligar de um banco de condensadores. ......................... 12
Figura 2.11 - Exemplo de um Sag causado por um motor elétrico. ......................................................... 12
Figura 2.12 - Exemplo da interrupção momentânea no sistema provocada por falha no sistema de
alimentação. ......................................................................................................................................... 13
Figura 2.13 - Exemplo do desequilíbrio das tensões no sistema elétrico. ................................................ 14
Figura 2.14 - Distorção harmónica de um sinal na presença do
,
e
harmónico............................ 16
Figura 2.15 - Diagrama fasorial correspondente a sequência dos harmónicos. ........................................ 16
Figura 2.16 - Exemplo de Notches na tensão do sistema elétrico devido à comutação de um
retificador trifásico a tirístor com carga indutiva. ................................................................................... 18
Figura 2.17- Exemplo de um ruído de 10 kHz sobreposto ao sinal de tensão no sistema elétrico. ............ 19
Figura 2.18 - (a) Exemplo de Transitório impulsivo na tensão devido a uma descarga atmosférica;
(b) Transitório oscilatório na tensão devido a comutação de cargas indutivas e banco de
condensadores. ..................................................................................................................................... 19
Figura 2.19 - Triângulo de potência, definição do ângulo de fase e sentido de rotação dos fasores. ......... 21
Figura 2.20 - Retificador monofásico não controlado com PFC. ............................................................ 22
Figura 2.21 - Cargas não lineares e carga linear conectadas ao mesmo barramento. ................................ 25
Figura 3.1 - Esquema de compensação da potência reativa. ................................................................... 31
Figura 3.2 - Circuito equivalente de uma das fases do compensador síncrono......................................... 32
Figura 3.3 - Diagrama fasorial do modelo equivalente do compensador síncrono. .................................. 32
Figura 3.4 - Digrama de blocos do sistema de excitação e regulação da tensão do compensador
síncrono [8]. ......................................................................................................................................... 33
Figura 3.5- Compensador síncrono com sistema de excitação estático.................................................... 34
Figura 3.6 - Exemplo de um banco de condensadores conectado em estrela para compensação global
de potência reativa. ............................................................................................................................... 35
Figura 3.7 - Esquema unifilar de um filtro ativo paralelo monofásico..................................................... 36
Figura 3.8 - Representação do diagrama de bloco do STATCOM monofásico. ....................................... 37
Figura 3.9 - Representação gráfica do fluxo de potência reativa injetada ou absorvida pelo
STATCOM. ......................................................................................................................................... 37
Figura 3.10 - Esquema unifilar monofásico do TCR. ............................................................................. 38
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xi
Lista de Figuras
Figura 3.11 - Configura aos 12 pulsos do TCR (Thyristor- Controlled Reactor). .................................... 39
Figura 3.12 - (a) Topologia básica do TSC que não permite filtragem de harmónico de corrente; (b)
Topologia com filtro passa baixo LC para filtragem de harmónico de corrente. ...................................... 40
Figura 3.13 - SVC trifásico com potência nominal de 350 MVAr em funcionamento desde 2008 na
Austrália [45]. ...................................................................................................................................... 42
Figura 3.14 - SVC trifásico com potência nominal de 500 MVAr em funcionamento desde 1995 no
Brasil [45]. ........................................................................................................................................... 42
Figura 3.15 - Thyristor Switched Capacitor trifásico com potência nominal de 300 MVAr em
funcionamento desde 2006 nos Estados Unidos da América [45]. .......................................................... 43
Figura 3.16 - Thyristor Switched Capacitor com potência nominal de 300 MVAr em funcionamento
desde Agosto de 2011 numa central a carvão no Canadá [45]. ............................................................... 43
Figura 3.17 - Esquema elétrico do Thyristor Switched Capacitor (TSC) Implementado. ......................... 44
Figura 3.18 - Algoritmo de controlo do cálculo da potência reativa a injeta no sistema elétrico. ............. 45
Figura 3.19 - Algoritmo de controlo da estratégia de comutação dos módulos do TSC. .......................... 46
Figura 3.20 - Característica tensão v corrente do Thyristor Switched Capacitor. .................................... 47
Figura 3.21 - Modelo equivalente do Thyristor Switched Capacitor considerando o semicondutor (k)
como ideal. ........................................................................................................................................... 48
Figura 3.22- Lugar das raízes do sistema dinâmico do TSC para C =33
, R = 0.2 ῼ e L = 0.1 mH. ... 50
Figura 3.23 - Diagrama de Bode correspondente aos pares de pólo do sistema. ...................................... 50
Figura 4.1 - Ambiente de programação em linguagem C do PSIM que permite desenvolver
algoritmos de controlo digital................................................................................................................ 54
Figura 4.2 - Ambiente de desenvolvimento do PSIM versão 9.1. ........................................................... 55
Figura 4.3 - Simulação do andar de potência do Thyristor Switched Capacitor em paralelo com uma
carga elétrica indutiva. .......................................................................................................................... 56
Figura 4.4 - Amplitude da corrente oscilatória para diferentes valores de n e para diferentes valores
da tensão inicial no condensador [40]. ................................................................................................... 57
Figura 4.5 - Estratégia de comutação dos módulos de TSC no pico da tensão da rede elétrica [40]. ........ 58
Figura 4.6 - Circuito de sample and hold implementado no PSIM para parte de controlo do circuito
de condicionamento de sinal e ADC...................................................................................................... 59
Figura 4.7 - Microcontrolador com 5 entradas e 9 saídas desenvolvido no PSIM com base no bloco C
para implementação do sistema de controlo do Thyristor Switched Capacito. ........................................ 59
Figura 4.8 - Circuito de enable dos módulos do Thyristor Switched Capacitor e detetor de passagem
por zero implementados no PSIM para a parte de controlo. .................................................................... 60
Figura 4.9 - Sistema de controlo da potência reativa simulada com base em blocos matemáticos. ........... 60
Figura 4.10 - Simulação da estratégia de comutação com base em dispositivos analógicos com
sensores de tensão e de corrente e com detetor da passagem por zero. .................................................... 61
Figura 4.11 - Forma de onda da corrente injetada na rede elétrica pelo Thyristor Switched Capacitor. .... 62
Figura 4.12 - Amplitude e frequência do harmónico na corrente que o Thyristor Switched Capacitor
injeta no sistema elétrico. ...................................................................................................................... 62
Figura 4.13 - Forma de onda da tensão na rede e corrente injetada no sistema elétrico pelo Thyristor
Switched Capacitor. ............................................................................................................................. 63
Figura 4.14 - Desfasamento entre a tensão e a corrente provocado por uma carga indutiva. .................... 63
Figura 4.15 - Compensação do fator de potência de carga indutiva com o Thyristor Switched
Capacitor. ............................................................................................................................................ 64
Figura 4.16 - Forma de onda da tensão e da corrente num sistema elétrico com carga indutiva e
retificador trifásico com filtro capacitivo. .............................................................................................. 65
Figura 4.17 - Forma de onda da tensão e da corrente depois da compensação da potência reativa no
sistema elétrico com carga não linear e carga indutiva. .......................................................................... 65
xii
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Lista de Figuras
Figura 4.18 - Exemplo da compensação individual da potência reativa num sistema trifásico
desequilibrado: forma de onda da tensão e da corrente após a compensação da potência reativa da
carga indutiva conectada na fase a. ....................................................................................................... 66
Figura 4.19 - Exemplo de sistemas trifásico desequilibrado: forma de onda da tensão e da corrente na
fase b que alimenta uma carga não linear. ............................................................................................. 67
Figura 4.20 - Exemplo de sistemas trifásico desequilibrado: forma de onda da tensão e da corrente na
fase c que alimenta uma carga resistiva. ................................................................................................ 67
Figura 4.21 - Amplitude e frequência dos harmónicos de corrente no neutro de um sistema trifásico
em estrela desequilibrado, com carga indutiva e carga não linear. .......................................................... 67
Figura 4.22 - Modelo de simulação do Thyristor Switched Capacitor e carga indutiva equilibrada em
triângulo. .............................................................................................................................................. 68
Figura 4.23 - Formas de onda da tensão e da corrente na fase no sistema elétrico trifásico com carga
indutiva e carga não linear conectados em triângulo. ............................................................................. 69
Figura 4.24 - Thyristor Switched Capacitor e carga indutiva equilibrada conectada em triângulo:
exemplo da forma de onda da tensão e da corrente na fase depois da compensação da potência
reativa. ................................................................................................................................................. 69
Figura 4.25 - Exemplo de sistema elétrico trifásico com carga linear em triângulo desequilibrada:
tensão e corrente na fase a. ................................................................................................................... 70
Figura 4.26 -. Exemplo de sistema elétrico trifásico com carga linear em triângulo desequilibrada:
tensão e corrente na fase b. ................................................................................................................... 70
Figura 4.27 - Exemplo de sistema elétrico trifásico com carga linear em triângulo desequilibrada:
tensão e corrente na fase c..................................................................................................................... 71
Figura 4.28 - Compensação da potência reativa no sistema elétrico trifásico desequilibrado em
triângulo com carga linear: forma de onda da tensão e da corrente na fase a depois da compensação. ..... 71
Figura 4.29 - Compensação da potência reativa no sistema elétrico trifásico desequilibrado em
triângulo com carga linear: forma de onda da tensão e da corrente na fase b depois da compensação. ..... 72
Figura 4.30 - Compensação da potência reativa no sistema elétrico trifásico desequilibrado em
triângulo com carga linear: forma de onda da tensão e da corrente na fase c depois da compensação. ..... 72
Figura 4.31 - Modelo simulado do Thyristor Switched Capacitor em paralelo com bancos de
condensadores e filtro passivo para compensação da potência reativa de uma carga indutiva e de uma
carga não linear, em estrela. .................................................................................................................. 73
Figura 4.32 - Desfasamento entre a tensão e a corrente na fase a provocado por uma carga indutiva e
um retificador trifásico com filtro capacitivo e carga resistiva, ambos conectados em estrela. ................. 73
Figura 4.33 - Amplitude e fase dos harmónicos de corrente que a carga não linear injeta no sistema
elétrico. ................................................................................................................................................ 74
Figura 4.34 - Compensação da potência reativa com banco de condensadores sem filtro passivo:
tensão e corrente na fase. ...................................................................................................................... 74
Figura 4.35 - Compensação da potência reativa com banco de condensadores com filtro passivo, para
filtragem do 5º harmónico: tensão e corrente na fase. ............................................................................ 75
Figura 4.36 - Mitigação dos harmónicos de corrente com base em filtros passivo: amplitude e
frequência da fundamental, 5º e 7º harmónicos. ..................................................................................... 75
Figura 4.37 - Exemplo de uma bancada de teste para estudo de problemas de qualidade de energia
elétrica. Tipos de cargas utilizadas para provocarem distorções nas tensões e nas correntes. ................... 76
Figura 4.38 - Formas de ondas da corrente e da tensão no lado CA do retificador monofásico não
controlado com filtro capacitivo. Parâmetros da simulação: R = 27 Ω; C = 1500 F; resistência de
pré-carga de 502 Ω. .............................................................................................................................. 77
Figura 4.39 - (a) Formas de onda da corrente e da tensão no lado CA do retificador trifásico não
controlado com filtro capacitivo; (b) Amplitude e frequência dos harmónicos de corrente do lado
CA; (c) Amplitude e frequência dos harmónicos de tensão do lado CA. Parâmetros da simulação
R = 52 Ω e C = 1 F. ............................................................................................................................ 78
Figura 4.40 - (a) Tensão e corrente no lado CA do retificador controlado com carga resistiva; (b)
amplitude e frequência dos harmónicos de corrente no lado CA. Parâmetros da simulação R = 52 Ω e
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Lista de Figuras
ângulo de condução
. ............................................................................................................... 79
Figura 4.41 - (a) Tensão e corrente no lado CA do retificador trifásico controlado com carga LR; (b)
Amplitudes e frequências dos harmónicos de corrente do lado CA. Parâmetros da simulação:
R = 52 Ω;L = 0,1 mH;
............................................................................................................. 80
Figura 4.42 - Forma de onda da corrente injetada pelo Thyristor Controlled Reactor para diferentes
valores do ângulo de disparo: (a)
; (b)
; (c)
; (d)
. Parâmetros
da simulação: L = 10 mH. ..................................................................................................................... 81
Figura 4.43 - Exemplo da amplitude e das frequência dos harmónicos de corrente que o TCR injeta
na rede elétrica: (a) Harmónicos de corrente para
. (b) harmónicos de corrente para
. .................................................................................................................................................... 82
Figura 5.1 - Diagrama de bloco do Thyristor Switched Capacitor com os sinais de controlo
representados........................................................................................................................................ 86
Figura 5.2 - (a) Pinout do tirístor usado na constituição dos módulos; (b) Gráfico da variação da
corrente nominal em função da temperatura. ......................................................................................... 86
Figura 5.3 - (a) Esquema elétrico do optoacoplador MOC3052; (b) Curva da corrente de gate
normalizada [59]. ................................................................................................................................. 87
Figura 5.4 - Aspeto final de um dos módulos de Thyristor Switched Capacitor desenvolvido. ................ 88
Figura 5.5- Representação do diagrama de bloco do PIC32MXX512L utilizado para desenvolver o
Sistema de Controlo [61]. ..................................................................................................................... 89
Figura 5.6 - Placa de desenvolvimento da Microchip PIC32MXX512L, utilizada para desenvolver o
Sistema de Controlo. ............................................................................................................................ 90
Figura 5.7 - Ambiente de desenvolvimento de código em linguagem C e em linguagem assembler do
MPLAB versão 8.6. ............................................................................................................................... 90
Figura 5.8 - Representação gráfica passo a passo das rotinas do software de controlo desenvolvido
no PIC32MXX512L. ............................................................................................................................. 92
Figura 5.9 - Fluxograma do algoritmo da deteção da passagem por zero da tensão implementado por
software. .............................................................................................................................................. 93
Figura 5.10 - Sensor de corrente de efeito Hall LA 55 – fotografia e respetivo esquema de ligação. ........ 94
Figura 5.11 - Sensor de tensão de efeito Hall e respetivo esquema de ligação......................................... 95
Figura 5.12 - Circuito de offset implementado para garantir que os sinais de tensão e corrente a
entrada do ADC variam entre o máximo e o mínimo admissível. ........................................................... 96
Figura 5.13 - Representação do diagrama de blocos da eliminação do offset por software....................... 96
Figura 5.14 - Exemplo da forma de onda da tensão à saída do sensor e a entrada do circuito de ADC. .... 97
Figura 5.15 - Circuito detetor da passagem por zero da tensão implementado com o comparador
LM339. ................................................................................................................................................ 97
Figura 5.16 - Formas de onda da tensão à entrada e à saída do circuito detetor de zero. .......................... 98
Figura 5.17 - Circuitos de condicionamento de sinal desenvolvido para sistemas trifásicos com
detetor de zero por hardware. ............................................................................................................... 98
Figura 5.18 - Fonte de alimentação de corrente contínua para alimentação do circuito de
condicionamento de sinal e do circuito de medições de tensões e correntes. ........................................... 99
Figura 5.19 - Aspeto final da fonte de tensão contínua utilizada para alimentar os circuitos de
condicionamento de sinal. ..................................................................................................................... 99
Figura 5.20 - Circuito de comando com ajuste do tempo da duração do pulso. ..................................... 100
Figura 5.21 - Diagrama de blocos do sistema de comando e representação dos sinais de gates à saída
do microcontrolador. .......................................................................................................................... 100
Figura 6.1 - Bancada de trabalho e ambiente de desenvolvimento do TSC e das cargas RL utilizadas
para realizar os ensaios. ...................................................................................................................... 103
Figura 6.2 - Indutâncias utilizadas para compor os três tipos de cargas RL utilizadas durante a fase
dos ensaios. ........................................................................................................................................ 104
xiv
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Lista de Figuras
Figura 6.3 - Desfasamento entre a tensão e a corrente no sistema elétrico provocado pela carga A. ...... 105
Figura 6.4 - Forma de onda da tensão e da corrente na rede quando estão conectadas a carga A e o
TSC. .................................................................................................................................................. 105
Figura 6.5 - Desfasamento entre a tensão e a corrente no sistema elétrico provocado pela carga B. ....... 106
Figura 6.6 - Forma de onda da tensão e da corrente na rede quando estão conectadas o TSC e a carga
B. ....................................................................................................................................................... 106
Figura 6.7 - Desfasamento entre a tensão e a corrente no sistema elétrico provocado pela carga C. ....... 107
Figura 6.8 - Forma de onda da tensão e da corrente na rede elétrica quando conectados o TSC e a
carga C. .............................................................................................................................................. 107
Figura 6.9 - Forma de onda da tensão e da corrente no sistema elétrico depois da compensação da
potência reativa com o TSC alimentado a 200 V. ................................................................................ 108
Figura 6.10 - (a) Forma de onda da tensão na fase quando a corrente é nula, (b) valor do THD e da
amplitude dos harmónicos da tensão. .................................................................................................. 108
Figura 6.11 - (a) Forma de onda da tensão quando conectado um retificador monofásico com filtro
capacitivo e carga resistiva; (b) Forma de onda da corrente absorvida pelo retificador monofásico
com filtro capacitivo e carga resistiva.................................................................................................. 109
Figura 6.12 - Forma de onda da tensão e da corrente no lado CA do retificador monofásico e ponte
completa com filtro capacitivo e carga resistiva. .................................................................................. 109
Figura 6.13 - Valor do THD e da amplitude dos harmónicos da tensão provocados por um retificador
com filtro capacitivo. (b) Valor do THD e da amplitude dos harmónicos da corrente absorvida pelo
retificador........................................................................................................................................... 110
Figura 6.14 - Valor da potência ativa, da potência aparente, da potência reativa, do fator e do ângulo
de desfasamento entre a tensão e a corrente, associados ao retificador com filtro capacitivo. ................ 110
Figura 6.15 - (a) Forma de onda da corrente na entrada do retificador com carga RL. (b) Forma de
onda da tensão e da corrente na entrada do retificador. ........................................................................ 110
Figura 6.16 - (a) Valor do THD e da amplitude dos harmónicos da tensão provocado por um
retificador monofásico com carga RL; (b) Valor do THD e da amplitude dos harmónicos da corrente. . 111
Figura 6.17 - Valor da potência ativa, da potência aparente, da potência reativa, do fator de potência
e do desfasamento entre a tensão e a corrente, associados ao retificador monofásico e carga RL........... 111
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
xv
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Tipos de variações de tensão [21]. ..................................................................................... 14
Tabela 2.2 - Variação da secção do condutor em função do fator de potência. ........................................ 23
Tabela 2.3 - Dispositivos para compensação de problemas de Qualidade de Energia Elétrica. ................ 24
Tabela 2.4 - Principias Normas de Qualidade de Energia Elétrica. ......................................................... 26
Tabela 2.5 Bases para os limites dos harmónicos de corrente [35]. ......................................................... 27
Tabela 2.6 - Limite para distorção da tensão no PCC [35]. ..................................................................... 27
Tabela 2.7 - Limite da Distorção da Corrente em sistemas de distribuição de 120 V até 69 kV [35]. ....... 28
Tabela 4.1 - Ângulos de comutação dos módulos do Thyristor Switched Capacitor de acordo o tipo
da configuração: Estrela ou Triângulo. .................................................................................................. 68
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
xvii
Lista de Abreviaturas
ADC
Analogic to Digital Converter
BTN
Baixa Tensão Nominal
CA
Corrente Alternada
CC
Corrente Contínua
CSI
Current Source Inverter
CI
Circuito Integrado
CLP
Controlador Lógico Programável
DAC
Digital to Analog Converter
DPF
Displacement Power Factor
ERSE
Entidade Regulador dos Serviços Energéticos
FACTS
Flexible AC Transmission Systems
FAP
Filtro Ativo de Potência Paralelo
PFC
Power Factor Correction
FAS
Filtro Ativo de Potência Série
FP
Fator de Potência
GEPE
Grupo de Eletrónica de Potência e Energia
IEC
International Electrotechnical Commission
IEEE
Institute of Electrical and Electronic Engineers
LCD
Liquid Crystal Display
MATLAB
Software Desenvolvido pela “Math Works Corp”
MAT
Muito Alta Tensão
MCU
Microcontroller unity
MT
Média Tensão
MVAr
Mega Volte Ampere Reativo “
PC
Computador
PCB
Printed Circuit Board
PCC
Point of Commom Coupling
PWM
Pulse Width Modulation
QEE
Qualidade de Energia Elétrica
SEE
Sistema Elétrico de Energia
STATCOM
Static Synchronous Compensator
Watts”
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
xix
Lista de Abreviaturas
SVC
Static Var Compensator
TCR
Thyristor-Controlled Reactor
TDD
Total Demand Distortion
THD
Total Harmonic Distortion
TSC
Thyristor Switched Capacitor
UC
Unidade Curricular
UE
União Europeia
UPS
Uninterruptible Power Supply
UPQC
Unified Power Quality Conditioner
xx
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
CAPÍTULO 1
Introdução
O presente capítulo tem como objetivo fazer uma breve introdução a todo o
trabalho desenvolvido ao longo desta dissertação. Primeiro apresentam-se algumas
considerações sobre o tema e seguidamente o respetivo enquadramento, as motivações e
os objetivos deste trabalho enquanto projeto inserido e desenvolvido no Grupo de
Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho.
1.1.1. Identificação do Problema
O consumo de energia elétrica tem aumentado de forma contínua ao longo dos
anos, sendo que, grande parte da energia produzida mundialmente deriva de fontes não
renováveis. Esta situação tem condicionado o desenvolvimento do setor energético, com
novas diretivas e preocupações económicas e ambientais. Neste contexto, a eficiência
energética assume uma importância crucial quer a nível da produção quer do consumo.
A maior parte das indústrias utilizam um elevado número de cargas elétricas que
necessitam de potência reativa indutiva para funcionar, situação que no contexto
económico e de eficiência energética leva a maior consumo de energia devido ao
aumento das perdas nas linhas pelo maior valor da corrente nas linhas.
O trânsito de potência reativa representa uma preocupação para a Entidade
Reguladora dos Serviços Energético (ERSE) e para o consumidor final para se alcançar
uma gestão adequada. Neste sentido, a ERSE passou a penalizar os consumidores
industriais pelo consumo de potência reativa indutiva nas horas fora de vazio, sempre
que o fator de potência for inferior a 0,93, ou seja, sempre que existir um desfasamento
maior que 21,8 entre a tensão e a corrente na respectiva fase.
O regime relativo à faturação da potência reativa foi aprovado pela ERSE através
do Despacho n.º 18 413-A/2001, de 1 de Setembro de 2001. Esse regime prevê que a
energia reativa integre a faturação das tarifas de uso das redes de transporte e de
distribuição dos respetivos operadores de rede. A energia reativa objeto de faturação
corresponde à energia reativa indutiva que, nas horas fora de vazio, exceda 40 % do
total da energia ativa transitada, no mês a que a fatura diz respeito. A totalidade da
energia reativa capacitiva medida nas horas de vazio pode igualmente ser objeto de
faturação pelos operadores das redes [4].
A compensação da potência reativa indutiva pode ser feita com base em
equipamentos de Eletrónica de potência, com equipamentos do tipo FACTS (Flexible
AC Transmission Systems) [5], e através de bancos de condensadores. Porém, os
problemas de Qualidade de Energia Elétrica que as cargas não lineares têm vindo a
introduzir no sistema elétrico, em particular, os harmónicos de corrente que por sua vez
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Eléctricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
1
Capítulo 1 – Introdução
introduzem harmónicos na tensão do sistema, influenciam cada vez mais a seleção do
tipo de equipamento de compensação a utilizar para compensação da potência reativa.
Segundo [6], a forma clássica da compensação de potência reativa, com base em
banco de condensadores, deve ser feita quando a tensão e a corrente no sistema elétrico
forem sinusoidais, pois o recurso a banco de condensadores pode provocar ressonâncias
no sistema elétrico na presença de harmónicos de corrente, concorrendo para a sua
amplificação. Assim sendo, os equipamentos do tipo FACTS e os Filtros Ativos
Paralelos, são cada vez mais utilizados na compensação de potência reativa.
Nesta dissertação, desenvolveu-se um Thyristor Switched Capacitor (TSC) e
cargas elétricas para estudo de problemas de Qualidade de Energia Elétrica (QEE).
1.2. Enquadramento
Os problemas de Qualidade de Energia Elétrica que as cargas não lineares
provocam no sistema elétrico, como a distorção da forma de onda da tensão e da
corrente, não devem ser descurados. Os harmónicos provocam problemas a curto e a
longo prazo aos equipamentos nos pontos de consumo, bem como nos equipamentos
associados à rede elétrica, tipicamente nos transformadores, onde o aquecimento
excessivo que os harmónicos de corrente provocam reduz o tempo de vida útil dos
equipamentos [7].
O Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho,
tem vindo a desenvolver equipamentos e soluções para a resolução de problemas de
Qualidade de Energia Elétrica. No âmbito do projeto SINUS, um dos projetos do GEPE,
foram desenvolvidos Filtros Ativos Paralelos e Monitorizadores de Energia Elétrica.
No intuito de manterem esta linha de investigação e desenvolvimento, o GEPE
pretende desenvolver um Thyristor Switched Capacitor e cargas elétricas para estudo de
problemas de Qualidade de Energia Elétrica. Este trabalho será desenvolvido no âmbito
desta dissertação de Mestrado Integrado, para obtenção do grau de Mestre.
As cargas elétricas para estudo de problemas de Qualidade de Energia Elétrica são
equipamentos de Eletrónica de Potência que provocam distorção na forma de onda da
tensão e da corrente nas fases do sistema elétrico. O desenvolvimento destas cargas
permite observar, sempre que necessário, a resposta dos Filtros Ativos e dos
Monitorizadores de Qualidade de Energia Elétrica, desenvolvidos no âmbito de outros
projetos, de forma rápida, segura e sem a necessidade de se recorrer a instalações
exteriores que apresentem condições para realização dos testes.
O Thyristor Switched Capacitor (TSC) é um equipamento de Eletrónica de
Potência do tipo FACTS capaz de compensar a potência reativa indutiva. A combinação
do TSC com os equipamentos de Eletrónica de Potência utilizados para mitigar os
harmónicos de tensão, nomeadamente o Filtro Ativo Série e o Condicionador Unificado
de Qualidade de Energia Elétrica (UPQC- Unified Power Quality Conditioner), mostra2
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 1 – Introdução
se mais vantajosa, uma vez que a distorção harmónica na tensão compromete o correto
funcionamento do TSC.
1.3. Motivações
O interesse primordial neste trabalho surge como uma consequência do programa
do governo que visa aumentar a eficiência enérgica do país, e reduzir as emissões de
dióxido de carbono que resultam da produção de energia elétrica.
O TSC e as cargas elétricas para estudo de problemas de Qualidade de Energia
Elétrica foram desenvolvidos com intuito de servirem como equipamentos de teste,
utilizados na investigação e desenvolvimento de equipamentos de Eletrónica de
Potência. Nomeadamente, de Filtros Ativos e de Monitorizadores de Qualidade de
Energia Elétrica.
Outra motivação consiste em desenvolver um TSC capaz de compensar a potência
reativa para diferentes valores, em especial a parte do sistema de controlo, e software,
capaz de calcular as potências no sistema elétrico e implementar a estratégia de
comutação.
A nível pessoal, a oportunidade de dissertar na área da Eletrónica de Potência, tem
a vantagem de ser uma das áreas do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrónica
Industrial e Computadores que abarca grande parte das disciplinas ministradas ao longo
do curso, e essencialmente as seguintes unidades curriculares (UC): Instrumentação e
Medidas, Eletrónica de Potência; Microcontroladores, Processamento de Sinal,
Eletrónica I e II, e Controlo Automático.
1.4. Objetivos do Trabalho
Para implementar o Thyristor Switched Capacitor e as Cargas Elétricas é
imprescindível que se cumpram os seguintes objetivos:

Desenvolvimento de simulações computacionais, com recurso ao PSIM,
com diversas cargas que causam e que são suscetíveis a problemas de




Qualidade de Energia Elétrica. Simulação de cargas de teste e instalações
que emulem a maioria dos problemas de Qualidade de Energia Elétrica.
Simulações da operação de Thyristor Switched Capacitor.
Implementação das Cargas Elétricas tendo em conta os estudos e as
simulações computacionais efetuadas.
Desenvolvimento do Sistema de Controlo do Thyristor Switched
Capacitor.
Desenvolvimento do Andar de Potência do Thyristor Switched Capacitor.
Teste do Thyristor Switched como único elemento de compensação na
instalação.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
3
Capítulo 1 – Introdução
1.5. Organização da Dissertação
Esta Dissertação de Mestrado Integrado está organizada da seguinte forma:
No Capítulo 1, denominada Introdução, estão descritas as situações relevantes que
serviram como base para elaboração desta dissertação, nomeadamente: os problemas de
Qualidade de Energia Elétrica, motivações do trabalho, enquadramento e os objetivos
devidamente enquadrados nos projetos do GEPE.
No Capítulo 2, com nome Problemas de Qualidade de Energia Elétrica, se
apresentam os principais problemas de qualidade de energia, que mais contribuem para
degradação dos sistemas elétricos.
No Capítulo 3 apresentam-se os equipamentos comummente utilizados para
compensação da potência reativa, e é feito uma breve descrição do estado da arte do
Thyristor Switched Capacitor (TSC). No final deste capítulo, faz-se um estudo sobre a
configuração do TSC implementado.
No Capítulo 4 são apresentadas diversas simulações computacionais do TSC e das
cargas elétricas para teste de problemas de Qualidade de Energia Elétrica.
No Capítulo 5 apresenta-se a implementação do andar de potência do TSC, o
sistema de controlo, o circuito de comutação dos tirístores, o circuito de
condicionamento de sinal e o circuito de medições de tensões e de correntes.
No Capítulo 6, referente aos resultados obtidos, são apresentados resultados
experimentais que monstram o funcionamento e desempenho do sistema de controlo do
Thyristor Switched Capacitor, que foi implementado no âmbito desta dissertação.
No Capítulo 7, referente as conclusões gerais e trabalhos futuro, são apresentados
os aspetos mais relevantes registados ao longo desta dissertação, e são apontados alguns
trabalhos futuros que visam otimizar o sistema de controlo e aumentar a diversidade das
cargas elétricas para estudo de problemas de Qualidade de Energia Elétrica.
4
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
CAPÍTULO 2
Qualidade da Energia Elétrica
Neste capítulo, são abordados de forma pormenorizada os problemas de
Qualidade de Energia Elétrica (QEE) que mais influenciam a degradação do Sistema de
Energia Elétrica (SEE). Considerando o estado da arte, serão apresentados alguns dos
equipamentos usados para solucionar problemas de Qualidade de Energia Elétrica. A
Qualidade da Energia Elétrica, dada a importância dos sistemas elétricos e dos
benefícios da eletrificação, representa um vetor dominante no funcionamento das
instituições e da sociedade no geral. Neste contexto, encontra-se juridicamente
documentada com normas e decretos nacionais e internacionais.
Comummente as normas e recomendações do Institute of Electrical and
Electronic Engineers (IEEE) são as mais referenciadas. No final será apresentada a
norma europeia EN 50160-2007 e a recomendação IEEE 519-1992.
2.1. Introdução
Conforme a bibliografia consultada verificou-se que a definição de Qualidade de
Energia Elétrica ou Power Quality, como é popular na literatura inglesa, não é
totalmente uniforme, partindo do princípio que a definição de Power Quality varia
segundo o autor e o tipo de consumidor final. Por exemplo, a Qualidade de Energia
Elétrica que o consumidor doméstico diz ser ótima, pode não corresponder aos padrões
qualitativos para o consumidor industrial. Porém, dentre as diversas definição de QEE
que se consultou, de modo abrangente, a Qualidade de Energia Elétrica pode ser
definida como: “qualquer perturbação na tensão, corrente ou frequência que
comprometa o correto funcionamento dos equipamentos conectados à rede” [6]. Logo, a
produção e comercialização da energia elétrica por ser um dos setores de maior impacto
na sociedade, deve cumprir com os padrões de qualidade que visam proteger o
consumidor e o produtor. Sendo assim, há uma série de normas nacionais e
internacionais que visam assegurar que a energia elétrica seja entregue ao consumidor
final de modo seguro e dentro dos padrões que delimitam a sua qualidade. Como
principais objetivos, de acordo com [8][9] é possível destacar:

Fornecer a potência contratada.

Manter a tensão nominal do sistema estável ou com uma variação que não
ultrapasse os
do valor nominal e com forma de onda sinusoidal.
Manter a frequência do sistema estável ou com uma variação que não ultrapasse
os
do valor nominal.


Respeitar as normais ambientais

Assegurar elevada fiabilidade do SEE.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Eléctricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
5
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Por exemplo, a tensão no sistema elétrico de baixa tensão deve ter forma de onda
sinusoidal, como representada na Figura 2.1. Porém, devidos a problemas de QEE
torna-se difícil assegurar que a tensão no sistema elétrico se mantenha sinusoidal [6].
Figura 2.1 - Exemplo da forma de onda da tensão e da corrente no sistema elétrico de baixa tensão, no
caso ideal.
2.2. Cargas Elétricas
Com os progressos da Eletrónica de Potência, após quatro décadas de evolução
tecnológica [8], tornou-se possível desenvolver diversos tipos de dispositivos
eletrónicos que melhoraram a performance de certos equipamentos de uso doméstico e
industrial [11]. Como por exemplo, com base nos dispositivos de Eletrónica de
Potência, é possível substituir o circuito de alimentação dos equipamentos elétricos,
como fontes lineares e transformadores de baixa frequência, 50 Hz no geral, por fontes
de alimentação comutadas [12][13]. Uma vez que as fontes comutadas apresentam
elevada eficiência energética e dimensões reduzidas, são cada vez mais usadas em:
televisores; computadores pessoais (PC); aspiradores robotizados; lâmpadas de baixo
consumo; impressoras e em diversos equipamentos eletrónicos [14][15]. A par das
fontes comutadas, outros dispositivos desenvolvidos com base em Eletrónica de
Potência, como variadores de velocidade e carregadores de baterias, também são usados
em equipamentos eletrónicos. Por exemplo, o variador de velocidade é usado em
máquinas de lavar e o carregador de baterias em computadores portáteis. É de realçar
que o desenvolvimento destes dispositivos provocou uma mudança de paradigma no
modelo comportamental das cargas elétricas em geral. Dessa forma surgiu uma nova
nomenclatura que está associada a algumas cargas elétricas desenvolvidas com base nos
semicondutores de potência, exemplo disso é a fonte comutada comummente observada
como uma carga elétrica não linear. A definição e descrição do que é a carga elétrica
não linear serão apresentadas ainda neste capítulo. De modo a diferenciar o tipo de
cargas elétricas conectadas ao sistema elétrico, as cargas elétricas podem ser divididas
em duas categorias: cargas lineares e cargas não lineares. Apesar da importância dos
equipamentos representados na Figura 2.2 estes provocam problemas de QEE no
6
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
sistema elétrico devido a serem cargas não lineares [1][16].
Figura 2.2 - Tipos de equipamentos eletrónicos cada vez mais usados em ambientes residenciais e de
escritório que provocam problemas de QEE.
2.2.1.
Cargas Elétricas Não Lineares
Quando uma carga elétrica submetida a uma tensão sinusoidal absorver uma
corrente não sinusoidal, esta, é classificada como carga não linear. Um exemplo disso é
o retificador com filtro capacitivo [2]. O retificador é um circuito eletrónico capaz de
converter uma tensão alternada (CA) (comummente sinusoidal) em contínua (CC).
Podendo ser do tipo controlado, utilizando tirístores ou não controlado utilizando
díodos. Na Figura 2.3 encontra-se representado o esquema básico do retificador trifásico
não controlado com filtro capacitivo na saída e carga RL.
R
A
B
Filtro
Capacitivo
C
L
Figura 2.3 - Retificador trifásico não controlado com Filtro Capacitivo e Carga RL.
Apesar dos equipamentos eletrónicos serem conectados diretamente à rede
elétrica, eles são, na sua maioria, circuitos de corrente contínua com retificadores na
entrada. Televisores, Computadores, lâmpadas fluorescentes com balastro eletrónico,
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
7
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
variadores de velocidade para motores CA e para motores DC, e todos os equipamentos
de escritório (impressoras, fotocopiadoras, faxes, etc.), são alguns dos equipamentos
que possuem retificadores na entrada [17].
Neste sentido, o efeito que as cargas não lineares como as anteriormente citadas
provocam na tensão e corrente da rede podem ser observadas na Figura 2.4. A distorção
que a corrente não sinusoidal provoca na tensão poderá ser desprezada para cargas não
lineares de baixo consumo. Como por exemplo, o consumo de corrente não sinusoidal
que deriva de uma residência é relativamente baixo para provocar grandes distorções na
tensão na rede, mas o efeito cumulativo de várias residências com este tipo de cargas
não pode ser desprezado [8][18]. Sendo que, quanto maior for a corrente não sinusoidal
absorvida maior é a distorção que provoca na tensão.
Figura 2.4 - Formas de ondas da tensão e corrente na entrada de um retificador trifásico.
2.2.2.
Cargas Elétricas Lineares
A Carga elétrica linear apresenta um comportamento elétrico diferente da carga
não linear, uma vez que, a forma de onda da corrente é igual à da tensão que lhe é
aplicada. Se for aplicada uma tensão sinusoidal, aos terminais de uma resistência,
bobina ou condensador, a corrente absorvida também será sinusoidal.
O problema de QEE que está associado à carga linear deve-se a alteração do fator
de potência (FP) para valores abaixo da unidade, na presença de carga linear indutiva
ou capacitiva. Uma vez que neste item apenas apresentam-se os tipos de cargas
elétricas, o FP será abordado de forma detalhada no item 2.4, onde serão apresentados
os problemas de QEE em pormenor. A carga linear mais usada nos pontos de consumo
é indutiva, sendo na sua grande maioria motores elétricos. As formas de onda da tensão
e da corrente aos terminais da carga linear indutiva, capacitiva e resistiva estão
representadas na Figura 2.5, na Figura 2.6 e na Figura 2.7. As cargas elétricas
idealmente devem apresentar um comportamento elétrico similar ao das cargas
resistivas, ou seja, forma de onda sinusoidal e desfasamento nulo entre a tensão e a
corrente. No Capítulo 3 apresentam-se alguns equipamentos de compensação de
potência reativa, que visam compensar o desfasamento entre a tensão e a corrente no
8
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
sistema elétrico, no intuito de tornar as cargas lineares (indutivas e capacitivas) e as não
lineares equivalentes à carga resistiva, do ponto de vista do sistema elétrico.
Figura 2.5 - Exemplo da forma de onda da tensão e da corrente aos terminais de uma carga elétrica
puramente resistiva.
Figura 2.6 - Exemplo da forma de onda da tensão e da corrente aos terminais de uma carga elétrica
puramente capacitiva.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
9
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Figura 2.7 - Exemplo da forma de onda da tensão e da corrente aos terminais de uma carga elétrica
puramente indutiva.
Na Figura 2.8. encontram-se representados os símbolos e expressões matemáticas
associadas às cargas elétricas lineares. As equações lineares (2.1), (2.2) e (2.3)
representam as equações de base das cargas lineares. Segundo as equações de base
associadas às tensões e correntes na carga linear, estas, absorvem corrente distorcida
quando a tensão também está distorcida.
Cargas Eléctricas
Lineares
Condensador
Resistência
Corrente na resistência
Equação 2.1
Corrente no condensador
Equação 2.2
Bobina
Tensão na Bobina
Equação 2.3
Figura 2.8 - Tipos de cargas elétricas lineares.
(2.1)
(2.2)
(2.3)
10
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
2.3. Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Uma linha elétrica de corrente alternada (CA) pode ser modelizada
essencialmente por resistências, reatância indutiva e capacitiva. As impedâncias de linha
são distribuídas uniformemente ao logo da linha [19]. Uma vez que as impedâncias da
linha não são nulas, a própria estrutura da rede elétrica é suscetível a problemas de QEE
[20]. Como por exemplo, harmónicos de tensão, cavas e desequilíbrio das tensões, que
são problemas de Qualidade de Energia Elétrica que ocorrem devido à queda de tensão
nas impedâncias de linha. Na Figura 2.9 pode-se observar um modelo equivalente de
uma rede elétrica.
Figura 2.9 - Exemplo do modelo equivalente da estrutura da linha de transporte de energia elétrica.
Os consumidores industriais, devido às potências de operação e os tipos de
equipamentos que usam, são na maioria das vezes as fontes dos problemas de QEE. Por
exemplo, os bancos de condensadores que são usados nas indústrias são suscetíveis a
subtensões e sobretensões [12][16]. Os problemas de QEE descrevem a alteração da
forma de onda da tensão e da corrente na presença de fenómenos eletromagnéticos no
SEE (sistema elétrico de energia) [3]. A frequência de oscilação, a duração do
fenómeno a cada período da rede e a deformação que a onda sofre, caracteriza o tipo de
problema de QEE.
2.3.1.
Variações da Tensão de Curta Duração
As variações da tensão são dos problemas de QEE que mais afetam o
funcionamento dos equipamentos nos pontos de consumo. As variações de tensão
encontram-se divididas em dois tipos: variações de longa duração e variações de curta
duração. A seguir são apresentadas as variações de tensão de curta duração.
A sobretensão de curta duração ou Swell como é conhecido na literatura inglesa, é
um aumento indesejado do valor RMS (Root Mean Square) da tensão nominal do
sistema, que poderá ir de 110 a 180 % acima do valor eficaz nominal. A duração deste
fenómeno varia entre 0,5 período da rede e 1 minuto [12]. O Swell geralmente ocorre
devido a comutação incorreta de certas cargas ou dispositivos de manobras, como
interruptores e disjuntores de linha. Por exemplo, o desligar de um banco de
condensadores pode causar o Swell [21]. Em algumas bibliografias é utilizado o termo
momentary overvoltage como sinónimo de Swell.
Na Figura 2.10 encontra-se representado o exemplo da forma de onda para um
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11
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Swell.
Figura 2.10 - Exemplo de um Swell devido ao desligar de um banco de condensadores.
As Cavas (Sag) são variações da tensão que ocorrem quando o valor da tensão
nominal do sistema baixa para 10 a 90 %, do valor nominal num curto intervalo de
tempo [12][22]. Como se pode observar na Figura 2.11 o Sag pode ter uma duração que
vai de meio período a um minuto. Este tipo de problema de QEE pode ocorrer devido à
comutação de cargas elétricas de grande consumo, como por exemplo, motores
elétricos1 com arranque direto ou bancos de condensadores [6][12]. O IEC
(International Electromecaminal Commission) define este tipo de problema de QEE
como dip [21]. Porém, ambos os termos são utilizados na literatura. Na Figura 2.11
pode observar-se a variação de tensão do tipo Sag.
Figura 2.11 - Exemplo de um Sag causado por um motor elétrico.
1
Nas regras técnicas das instalações elétricas de baixa tensão, de 11 de Setembro de 2006, pode
consultar-se na secção 553.2 – As limitações das perturbações devido ao arranque dos motores elétrico.
12
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
A interrupção de curta duração é uma redução a 10 % ou menos do valor nominal
RMS da tensão do sistema elétrico, durante um intervalo de tempo inferior a 3 períodos
da rede ou 60 segundos [2]. A Figura 2.12 representa uma interrupção de curta duração
no sistema. As interrupções podem derivar de falhas no sistema elétrico ou de avarias
nos equipamentos. A interrupção de curta duração, que tem origem no sistema elétrico,
é habitualmente precedida por Sag [21].
Figura 2.12 - Exemplo da interrupção momentânea no sistema provocada por falha no sistema de
alimentação.
2.3.2.
Variações da Tensão de Longa Duração
A diferença existente entre às variações de tensão de curta duração e de longa
duração, está no intervalo de tempo que o fenómeno demora a estabilizar. As variações
de tensão de longa duração acontecem por períodos superiores a um minuto e são
classificadas como: sobretensões, subtensões e interrupções de longa duração.
Considerando que a principal diferença entre as variações de tensão de longa e
curta duração está no tempo associado à estabilização do evento, não será necessário
duplicar as formas de onda que estão associadas as variações de longa duração. Na
Tabela 2.1 encontram-se listados os problemas de Qualidade de Energia Elétrica que
estão relacionados com a variação da tensão e o intervalo de tempo que o evento poderá
durar.
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13
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Tabela 2.1 - Tipos de variações de tensão [21].
2.3.1.
Evento
Duração
Swell
0.5 – 30 Ciclos
Sobretensão
>1min
Sag
0.5 – 30 Ciclos
Subtensão
>1min
Interrupção momentânea
0.5 – 30 Ciclos
Interrupção de longa duração
>1min
Desequilíbrio das Tensões
O desequilíbrio das tensões é definido como o desvio máximo da média da tensão
nas três fases do Sistema Elétrico de Energia (SEE), expresso em percentagem [6]. A
má distribuição de cargas monofásicas no SEE trifásico provoca o desequilíbrio da
corrente nas fases. Na Figura 2.13 apresenta-se um exemplo do desequilíbrio das
tensões no sistema elétrico.
Figura 2.13 - Exemplo do desequilíbrio das tensões no sistema elétrico.
O desequilíbrio de tensão não deve ser descurado, uma vez que provoca
problemas aos equipamentos, no caso dos motores elétrico provoca o aparecimento de
campo girante de sequência negativa e aumento da temperatura em máquinas e
transformadores. O desequilíbrio de tensão pode ser compensado com base em
equipamentos de Eletrónica de Potência, como por exemplo, Filtro Ativo Série (FAS),
UPQC (Condicionador Unificado de Qualidade de Energia Elétrica), UPS online.
A diferença de tensão ou corrente nas fases desequilibradas pode ser
numericamente determinada utilizando o método das componentes simétricas. Este
método analítico foi desenvolvido em 1918 por D.L Fortescue. O teorema de Fortescue
permite decompor sistemas trifásicos desequilibrados em n sistemas trifásicos
equilibrados. Na prática, quando aplicado o teorema de Fortescue, obtém-se três
14
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Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
sistemas trifásicos equilibrados, e de sequências diferentes: negativas, positivas e zero
ou homopolar. A equação matricial (2.4) é usada para calcular as componentes
simétricas das tensões desequilibradas, e a equação (2.5) é usada no cálculo das
correntes.
(2.4)
(2.5)
Legenda:
- componente simétrica da tensão de sequência zero,
- componente simétrica da tensão de sequencia positiva,
- componente simétrica da tensão de sequencia negativa,
=
.
2.3.1.
Distorção da Forma de Onda
A distorção da forma de onda da tensão e da corrente no sistema elétrico, ou
Waveform Distortion, como é geralmente tratada na literatura, está intrinsecamente
relacionada em cinco problemas de QEE:

Valor Médio (ou Offset DC na literatura inglesa),



Harmónicos,
Interharmónicos,
Microcortes (Notching),

Ruído eletromagnético.
A distorção da forma de onda da corrente, que geralmente tem origem nos pontos
de consumo, devido às cargas não lineares, degrada à forma de onda da tensão na rede.
Neste item, dentre os cinco problemas de QEE que provocam distorções nas
formas de onda da tensão e da corrente, apenas serão focados os harmónicos, o ruído
eletromagnético e os microcortes.
Segundo o teorema de Joseph Fourier, qualquer função periódica,
, pode ser
representada através de uma soma infinita de senos e cossenos, adicionada a uma
constante. A expressão matemática que traduz o teorema de Fourier é a equação (2.6).
(2.6)
A frequência de qualquer termo trigonométrico, da série de Fourier é um múltiplo
inteiro da frequência fundamental, ou harmónico da fundamental. Como por exemplo,
um retificador com filtro capacitivo absorve corrente com o 3º, 5º e 7º harmónicos,
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15
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
(pares além de outros de frequência impares) ponderando apenas os três primeiros
harmónicos ímpares. Considerando a função periódica da equação (2.7), e assumindo
que se trata da corrente fundamental, ou primeiro harmónico da seria de Fourier, os três
primeiros múltiplos ímpares ou harmónicos da série de Fourier são:
(2.7)
(2.8)
(2.9)
(2.10)
Na Figura 2.14 é possível observar um exemplo da distorção harmónica que os
três primeiros harmónicos de ordem ímpar provocam na forma de onda da corrente.
Figura 2.14 - Distorção harmónica de um sinal na presença do
,
e
harmónico.
Na Figura 2.15 encontram-se representadas as sequências dos harmónicos na
forma fasorial. É de salientar, que os harmónicos de tensão surgem devido à queda de
tensão que os harmónicos de corrente causam nas impedâncias de linha.
Vc
Vb
Va
Vb
Va
Va
Vc
Sequência positiva
Sequência zero
Vb
Sequência negativa
Vc
Figura 2.15 - Diagrama fasorial correspondente a sequência dos harmónicos.
Legenda:
- Componente fundamental do sinal que representa a parte do sinal que tem
frequência igual a 50 Hz (frequência nominal da rede elétrica em Portugal).
16
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Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
- Representa o harmónico múltiplo de três de mais baixa ordem. Os harmónicos
múltiplos de três são de sequência zero e somam-se no neutro em sistemas trifásicos
conectados em estrela.
- O quinto harmónico é de sequência positiva, e em sistemas equilibrados anulam-se.
- O sétimo harmónico é de sequência negativa e também em sistemas trifásicos
equilibrados anulam-se.
A distorção harmónica total ou Total Harmonic Distortion (THD) como é
designado na literatura, mede o nível de conteúdo harmónico do sinal. A THD da
corrente é calculada através da equação (2.11).
(2.11)
Legenda:
-Número de harmónicos presentes no sinal.
– Índice dos harmónicos.
-Representa o primeiro harmónico ou componente fundamenta do sinal.
-Representa o enésimo harmónico.
A recomendação IEEE 519-1992 define um novo termo para QEE que está
relacionado com o nível de distorção harmónica, Total Demand Distortion (TDD), este
termo é equivalente ao THD com a principal diferença, que o valor da distorção é dado
em percentagem da corrente harmónica da carga no instante de leitura [6].
A seguir listam-se alguns dispositivos e equipamentos que se comportam como
cargas não lineares introduzindo harmónicos na rede:

Forno a arco,



Variadores de velocidade,
Aparelho de soldadura,
Aparelhos de aquecimento por indução,

Lâmpada fluorescente de balastro eletrónico e de descarga.
Os harmónicos de corrente e de tensão podem ser mitigados com base em
equipamentos de Eletrónica de Potência como: FAP (Filtro Ativo Paralelo), FAS (Filtro
Ativo SÉRIE), UPQC (Condicionador Unificado de Qualidade de Energia Elétrica) e
UPS online [23][24]. Também os filtros passivos ( ) desenvolvidos com bobinas e
condensadores, quando sintonizados na frequência do harmónico, criam um caminho de
baixa impedância para o harmónico de corrente que se deseja filtrar. Deste modo, o
harmónico de corrente não é injetado na rede elétrica. O transformador de isolamento
também é capaz de isolar os harmónicos de corrente do sistema elétrico. Quando as
cargas são conectadas em triângulo é bloqueada a passagem dos harmónicos de corrente
de sequência zero à rede elétrica.
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17
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Dentre os dispositivos usados para filtragem dos harmónicos de corrente, o mais
económico é o filtro passivo. Este equipamento quando comparado com os demais,
apresenta a vantagem de não necessitar de uma unidade de controlo ou de um sistema
de controlo microprocessado. Porém, os Filtros Ativos de Potência têm a vantagem de
serem capazes de compensar em simultâneo vários problemas de QEE: harmónicos de
corrente ou de tensão, desequilíbrio de corrente ou de tensão, fator de potência.
Microcortes (nocthes) são perturbações periódicas na tensão do sistema, que
ocorrem devido à comutação de cargas elétricas não lineares, como por exemplo o
retificador controlado [21][14]. Sendo que, os notches ocorrem continuamente, podendo
ser caracterizados através do espectro harmónico da tensão. Na Figura 2.16 encontra-se
representado o efeito do notch na tensão, que resultou da comutação de uma carga não
linear do tipo retificador trifásico controlado, com carga indutiva na saída.
O notching provoca harmónico na tensão da carga e reduz o valor médio da tensão
aos terminais da mesma [3][25]. Este pode ser compensado através de filtros ativos FAS
e UPQC.
Figura 2.16 - Exemplo de Notches na tensão do sistema elétrico devido à comutação de um retificador
trifásico a tirístor com carga indutiva.
O ruído eletromagnético é um sinal elétrico indesejado com conteúdo espetral
inferior à 200 kHz, que aparece sobreposto ao sinal de tensão no condutor de fase no
sistema elétrico [21]. A presença de ruído no sistema elétrico compromete o correto
funcionamento de controladores lógicos programáveis (CLP) e de microprocessadores.
O ruído eletromagnético pode ser mitigado através de filtros para ruído, de
transformadores de isolamento e de condicionadores de linha. Na Figura 2.17 está
representado de um ruído de 10 kHz sobreposto ao sinal da tensão.
18
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Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Figura 2.17- Exemplo de um ruído de 10 kHz sobreposto ao sinal de tensão no sistema elétrico.
2.3.2.
Transitório
Existem dois tipos de transitórios, com designação Impulsivo e Oscilatório. O
transitório impulsivo é uma variação unidirecional da tensão ou corrente na linha [12].
Este tipo de transitório pode ocorrer devido as descargas atmosféricas ou à comutação
de carga indutiva. A alteração na forma de onda da tensão ou corrente devido aos
transitórios causa problemas aos equipamentos conectados ao sistema elétrico,
principalmente aos equipamentos mais sensíveis a variações de tensão e corrente. A
desconexão inesperada ou destruição de equipamentos são algumas situações que
podem ocorrer na presença de transitórios no sistema elétrico. O transitório impulsivo é
comum ser mitigado através de supressores de transitórios do tipo varístor [12]. Na
Figura 2.18 (a) encontra-se representado a forma de onda do transitório impulsivo na
tensão devido a uma descarga atmosférica e na Figura 2.18 (b) encontra-se representado
a forma de onda do transitório oscilatório também na tensão devido a comutação de um
banco de condensadores e cargas indutivas.
Figura 2.18 - (a) Exemplo de Transitório impulsivo na tensão devido a uma descarga atmosférica; (b)
Transitório oscilatório na tensão devido a comutação de cargas indutivas e banco de condensadores.
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19
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
2.4. Fator de Potência
A potência contratada ou instalada é a máxima potência que o distribuidor de
energia garante fornecer ao consumidor [26]. Porém, a presença de carga elétrica
indutiva ou capacitiva, nos pontos de consumo faz com que nem toda a potência elétrica
seja utilizada de forma útil. O fator de potência é a grandeza elétrica que representa a
fração da potência consumida que gera trabalho útil [27]. No SEE a potência contratada
é designada como aparente e representa-se com a letra (S), tendo como unidade o
Volt/Ampere (VA). A potência aparente é dada pela equação (2.12) [28].
[VA]
(2.12)
Onde:
V -valor eficaz da tensão.
-valor eficaz da corrente.
A máxima utilização da potência contratada ocorre quando o fator potência é igual
à unidade, pelo que, a potência ativa (P) nunca será maior que à potência aparente.
Como se pode observar na equação (2.13) que relaciona fator de potência, potência
ativa, aparente e o cosseno do ângulo de desfasamento entre a tensão e a corrente. O
fator de potência também é igual ao cosseno do ângulo de desfasamento entre a tensão e
a corrente (
).
(2.13)
A potência ativa (P) é a parte da potência aparente que gera trabalho útil. A
potência ativa em sistemas trifásicos equilibrados é dada pela equação (2.14).
[W]
(2.14)
Onde:
-é a tensão composta do sistema trifásico.
-é a corrente de linha.
A potência reativa (Q) é a parte da potência aparente que não produz trabalho útil,
uma vez que, a quantidade de potência reativa fornecida à carga é igual à quantidade
que a carga devolve à fonte [28]. Em sistemas trifásicos equilibrados a potência reativa
é dada pela equação (2.15).
[VAr]
(2.15)
No triângulo de potência representado na Figura 2.19 pode-se observar a relação
entre as potências (S, P, Q) e o
. A potência reativa corresponde ao cateto
oposto ao ângulo de desfasamento ( ) entre a tensão e a corrente, sendo que, o fator de
potência também é igual ao cosseno deste ângulo. A existência da potência reativa reduz
a magnitude do fator de potência para valores abaixo da unidade.
20
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Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
I
FP capacitivo
Sentido positivo

S
Triângulo de potência
Q
V

cos 
P
FP indutivo
I
Figura 2.19 - Triângulo de potência, definição do ângulo de fase e sentido de rotação dos fasores.
O baixo fator de potência é um problema de QEE que não está relacionado com as
distorções da forma de onda da tensão e da corrente na rede, uma vez que, os termos
Potencia Ativa, Potência Reativa e Aparente são usadas para descrever o estado estável
de circuitos de corrente alternada, com tensões e correntes sinusoidais [9][29]. O baixo
fator de potência pode ser compensado através de: FAP, Compensador Síncrono, Banco
de Condensadores, STATCOM, TSC (Thyristor Switched Capacitor), (SVC) Static Var
Compensator, etc.
2.4.1.
Displacement Power Factor
Neste sentido, quando a tensão e a corrente estão distorcidas, o fator de potência
total é calculado em função do DPF (Displacement Power Factor) e da THD [30][31]
[32]. Como descreve a equação (2.16).
(2.16)
O DPF é o fator de deslocamento entre a tensão e a corrente fundamental, é igual
ao fator de potência quando a carga é puramente linear e, calcula-se com base na
equação (2.17).
(2.17)
Legenda:
- Corrente fundamental.
- Valor RMS da corrente no SEE.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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21
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
O retificador com filtro capacitivo, devido a injetar harmónicos de corrente no
sistema elétrico, apresenta um baixo fator de potência, mesmo que a carga seja resistiva.
No intuito de serem mitigados os problemas de QEE que estão associados aos
retificadores, tem-se desenvolvido retificadores com topologias que permitam o
consumo de corrente sinusoidal tendo fator de potência unitário. Como por exemplo, o
retificador com Power Factor Correction (PFC), ilustrado na Figura 2.20, absorve
corrente sinusoidal com fator de potência unitário (FP = 1). Existem outras topologias
para impor alto fator de potência e o consumo de corrente sinusoidal. [12][33].
L
F
Sistema de
Controlo
PFC
N
C
C
A
R
G
A
Figura 2.20 - Retificador monofásico não controlado com PFC.
2.4.2.
Inconvenientes do Baixo Fator de Potência
O baixo fator de potência não deve ser descurado uma vez que provoca aumento
das perdas nos condutores, aumento de queda de tensão nas linhas, e uma vez que
aumenta a corrente nas fases, o que pode conduzir no caso extremo à necessidade de
aumentar a secção dos condutores [34]. A relação entre fator de potência e perdas nos
condutores, no sistema trifásico, pode-se observar na equação (2.20).
(2.18)
(2.19)
(2.20)
A equação (2.20) mostra que quanto menor for o fator de potência, maior serão as
perdas nos condutores. O baixo fator de potência também reduz a capacidade de
transporte de potência ativa nas linhas, tornando inviável, o incremento de potência
ativa sem que antes se faça o redimensionamento da secção do condutor ou a
compensação da potência reativa. Na Tabela 2.2 encontram-se listados os valores dos
coeficientes para redimensionar a secção do condutor em função do fator de potência.
Embora determinados equipamentos elétricos, como por exemplo, as máquinas
elétricas, necessitem de potência reativa para funcionar, esta não deve ser
necessariamente fornecida pelo distribuidor, uma vez que a potência reativa poderá ser
22
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
produzida localmente. A produção local de potência reativa é comummente conhecida
em sistemas elétricos como compensação do fator de potência. No sistema elétrico
trifásico de Média Tensão (MT), Alta Tensão (AT) e Muito Alta Tensão (MAT), o
consumo de potência reativa, em determinadas horas do dia é faturado, a partir de um
determinado valor da
(em Portugal, o valor fixado é 0,4) [8]. Uma vez que, a
produção de potência reativa não é onerosa como a da potência ativa, esta medida
permite maximizar a capacidade de transporte de potência ativa nas horas de maior
consumo, e incentivar o consumidor final a produzir localmente toda a potência reativa
que necessita.
Tabela 2.2 - Variação da secção do condutor em função do fator de potência.
Secção (
)
Diâmetro
FP
1
1,13
1
1,23
1,25
0,9
1,56
1,41
0,8
2,04
1,61
0,7
2,78
1,9
0,6
4,0
2,25
0,5
11,1
3,75
0,3
2.5. Consequências dos Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Operações que necessitem de grande precisão e fiabilidade do sistema de
alimentação, como sistemas de telecomunicações, controlo de processos industriais e
sistemas automatizados, são sensíveis aos problemas de QEE, com grande ênfase nas
variações de tensão. Como por exemplo, o Sag, se ocorrer aquando de um processo de
fabrico de semicondutores, toda produção terá que ser suspensa, uma vez que a variação
da tensão altera as características físicas do material. Normalmente as cargas não
lineares, embora consumam correntes com harmónicos, são sensíveis a variações de
tensão. Como consequências de problemas de QEE devido as variações de tensão podese citar: interrupções em processos automáticos, perda de memória em computadores,
erros em sistemas de transmissão de dados, cintilação de lâmpadas, paragem de
máquinas, perda de produção, interferência em recetores de rádio e TV, irritação na
visão humana e funcionamento incorreto de equipamentos.
2.5.1.
Efeitos dos Harmónicos de Tensão e de Corrente
Os harmónicos de corrente geram harmónicos de tensão e provocam o
envelhecimento prematuro dos equipamentos [6], devido a:
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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23
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica

Sobreaquecimento de transformadores e motores elétricos,



Oscilação mecânica em geradores e motores,
Disparo de relés térmicos,
Aumento do ruído em dispositivos de áudio,




Ressonância em bancos de condensadores e sistema de distribuição,
Sobreaquecimento dos condutores elétricos e perdas de potência,
Aumento da corrente de neutro em sistemas trifásicos com neutro,
Erros em aparelhos de medida.
2.5.2.
Equipamentos para Compensação de Problemas de Qualidade de
Energia Elétrica
Na Tabela 2.3 encontram-se listados de forma resumida os problemas de QEE
mais frequentes, sua origem e os tipos de equipamentos usados para os compensar.
É de salientar que dentre os equipamentos de compensação, a UPS dependendo do
tipo pode ser utilizada para mitigar interrupções de curta duração, variações de tensão e
harmónicos de tensão.
Tabela 2.3 - Dispositivos para compensação de problemas de Qualidade de Energia Elétrica.
2
Problema
Origem
Dispositivo para compensar
Harmónicos
Cargas não lineares
FAP, FAS, UPQC, Filtros
passivos2
Subtensão
Comutação de cargas Elétricas
UPS, DVR e FAS
Sobretensão
Comutação de bancos de condensadores
UPS, DVR, FAS
Notching
Retificadores controlados
FAS
Ruído
Eletromagnético
Equipamentos Eletrónicos
Isoladores óticos e Filtro
Transitório
Oscilatório
Comutação de bancos de condensadores e
Transformadores ferro-ressonantes
TVSS e indutâncias de linha.
Transitório
Impulsivo
Descargas atmosféricas
TVSS, Varístor
Interrupção
Avarias no sistema elétrico
UPS
Flicker
Cargas pulsantes
UPS, TCR
Fator de Potência
Motores Elétricos
FAP, TSC, Banco de
condensadores
FAP (filtro ativo paralelo), FAS (filtro ativo série), UPQC (condicionador unificado de QEE), DVR
(Dynanic Voltage Regulator), UPS (Uninterruptible Power Supply), TVSS (Transient Voltage Surge
Suppressors), TCR (Thyristor Controlled Reactor) e TSC (Thyristor Switched Capacitor).
24
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Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
2.6. Normas de Qualidade de Energia Elétrica
Com a finalidade de proteger todos os consumidores conectados ao mesmo ponto
de acoplamento (PCC- Point of Commom Coupling), existem normas que delimitam os
níveis de poluição injetada em qualquer ponto do sistema elétrico, sendo que, é cada vez
mais comum conectar cargas lineares e não lineares ao mesmo ponto de acoplamento
comum. Como representado na Figura 2.21.
Legenda:
-tensão no ponto de acoplamento comum.
- parte resistiva da impedância de linha.
- parte indutiva da impedância de linha.
Carga não linear
R
L
VPCC
Carga não linear
AC
Carga linear
Figura 2.21 - Cargas não lineares e carga linear conectadas ao mesmo barramento.
Uma vez que, a impedância de linha é equivalente a um circuito RL (carga linear),
a queda de tensão que os harmónicos de corrente provocam não será sinusoidal. Se a
corrente que circula na linha não é sinusoidal, a queda de tensão que provoca também
não será sinusoidal. Os harmónicos de tensão comprometem o correto funcionamento
dos equipamentos conectados no PCC [23], em particular das cargas lineares que devido
aos harmónicos de tensão também absorve corrente com harmónicos. Neste sentido, as
limitações recomendadas pelo IEEE em 519-1992, visam proteger todos os
equipamentos conectados no PCC3.
Esta dissertação tem como objetivo apresentar alguns dos pontos das principais
normas que enquadram a QEE, que se encontram listadas na Tabela 2.4. Apesar da
3
O Ponto de acoplamento comum (PCC - point of common coupling) é um barramento elétrico onde
encontram-se conectados diversos consumidores. Neste sentido a distorção da forma de onda tensão neste
ponto afeta todos os consumidores.
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25
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
existência de diversas normas e recomendações, as recomendações do IEEE, são as
mais referenciadas.
Tabela 2.4 - Principias Normas de Qualidade de Energia Elétrica.
Enquadramento
Norma
Classificação dos Problemas QEE
IEC 61000-2-1:1990; IEC 61000-2-5:1995
IEEE 1159:1995
Transitório
IEC 816:1984; IEC 61000-2-1:1990
IEEE 1159:1995; IEEE 6241:1991
Interrupções, Cavas e Sobretensões da
Tensão
IEC 61000-2-1:1990
Harmónicos
IEC 61000-2-1:1990; IEC 61000-4-7:1991
IEEE 1159:1995
IEE 519:1992
Tremulação (Flicker) IEC 61000-415:1990
IEC 61000-4-15:1990
Classificação de Equipamentos para
IEC 61000-4-30:2003
Monitorização da QEE
2.6.1.
Recomendação IEEE 519 - 1992
A recomendação IEEE 519-1992 é intitulada como Recomendações Práticas e
requisitos para Controlo de Harmónicos no Sistema Elétrico de Potência [35]. Esta
recomendação derivou da revisão de um trabalho desenvolvido pelo Institute of
Electrical and Electronic Engineers (IEEE) no ano de 1981. Esta recomendação prática
tem como objetivo desenvolver um modelo de rede elétrica que permita conectar ao
mesmo PCC uma carga linear e uma carga não linear, assegurando que a corrente
absorvida pela carga não linear seja insuficiente para provocar problemas de QEE que
possam comprometer o correto funcionamento dos restantes equipamentos conectados
ao PCC [12][35]. Na Tabela 2.5 encontram-se listados os limites das frequências dos
harmónicos de tensão no PCC, expressos em percentagens. O limite da frequência do
harmónico de tensão listado em percentagem na Tabela 2.5 é dado em função do
número de consumidores que absorvem correntes com elevado conteúdo harmónico, e
da potência individual consumida por cada utilizador [35].
26
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Tabela 2.5 Bases para os limites dos harmónicos de corrente [35].
SCR4 no PCC
Frequência Máxima dos Harmónico (%)
Tipo de consumidor
de Tensão no PCC
10
2.5-3.0 %
Sistemas dedicados
20
2.0-2.5 %
1-2 Grandes
consumidores
50
1.0-1.5 %
Médios consumidores
100
0.5-1.0 %
5-20 Consumidores
médios
1000
0.05-0.10 %
Vários pequenos
consumidores
A recomendação IEEE 519-1992 recomenda aos distribuidores de energia elétrica
manterem os níveis de distorção harmónica total da tensão (
) em 3 % para
distorção individual e em 5 % para distorção total, isto para tensões maiores ou iguais a
69 kV. Para outros valores de tensão dentro desta gama, os níveis percentuais da
distorção harmónica individual e total encontram-se listados na Tabela 2.6. Esta
recomendação visa garantir que será entregue ao consumidor final energia com
qualidade [12][35].
Tabela 2.6 - Limite para distorção da tensão no PCC [35].
Tensão no PCC Distorção Individual da Tensão Distorção Total da Tensão THD (%)
69 kV
3,0
5,0
69 kV-161 kV
1,5
2,5
≤161 kV
1,0
1,5
A distorção harmónica total que o consumo de corrente não sinusoidal causa na
forma de onda da tensão, deve ser limitada com base no quociente da corrente máxima
de curto-circuito no PCC e da corrente absorvida pelas cargas [35][12][36]. Como
descreve a equação (2.24).
(2.24)
Legenda:
4
O SCR é definido como a razão entre a corrente de curto- circuito no PCC e a corrente máxima
absorvida pela carga. Uma carga elétrica de elevada potência apresenta um SCR igual a 10 e uma de
baixa potência apresenta um SCR igual a 1000.
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27
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
– Corrente máxima de curto-circuito junto do PCC;
– Corrente que circuita no PCC.
Esta recomendação assegura que os consumidores finais e as empresas
distribuidoras estarão protegidas quanto aos problemas de QEE que os harmónicos de
corrente introduzem na rede. Na Tabela 2.7 encontram-se listados os valores
estabelecidos.
Tabela 2.7 - Limite da Distorção da Corrente em sistemas de distribuição de 120 V até 69 kV [35].
Máxima Distorção dos Harmónicos de Corrente em Percentagem da
Ordem Individual dos Harmónicos
< 11
11 ≤h <17 17 ≤h< 23 23 ≤h< 35
35 ≤h
TDD
< 20*5
4,0
2,0
1,5
0,6
0,3
5,0
20 < 50
7,0
3,5
2,5
1,0
0,5
8,0
50 < 100
10,0
4,5
4,0
1,5
0,7
12,0
100 < 1000
12,0
5,5
5,0
2,0
1,0
15,0
> 1000
15,0
7,0
6,0
2,5
1,4
20,0
2.6.2.
Norma Europeia EN50160 - 2007
A norma europeia EN50160 define parâmetros de QEE para sistemas de
distribuição de Baixa Tensão (BT) e Média Tensão (MT), de igual modo define os
limites das variações de tensão e dos harmónicos de corrente. Esta norma faz uma
apreciação da distorção dos harmónicos ímpares e inter-harmónicos no sistema elétrico.
É de salientar que esta norma tem grande impacto na norma nacional de alguns países
europeus, e passou a ser obrigatória desde Julho de 2008, nos países membros da União
Europeia (EU) adotarem a nova versão como norma nacional [37][38].
2.7. Conclusão
A Qualidade de Energia Elétrica (QEE), ou Power Quality na literatura inglesa,
começou a ter impacto na sociedade no final da década de 1980, e passadas três décadas
a QEE é cada vez mais um tópico de interesse, de vários institutos (IEEE, IEC),
agências nacionais e internacionais, empresas de monitorização de QEE e entidades
5
Este valor é o limite aceitável da distorção harmónica da corrente que os equipamentos de produção de
energia podem introduzir no sistema elétrico. E não depende do valor da razão
28
.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
individuais (Leonard Energy), que têm contribuído para o incremento da QEE.
A QEE é um tema que envolve diversas áreas da engenharia e tecnologia, pelo
que, a compensação dos problemas de QEE não se limita ao melhoramento do serviço
prestado pelo distribuidor e à compensação das distorções nos pontos de consumo, mas
também passa pela modernização dos tipos de equipamentos usados nos pontos de
consumo. Como por exemplo, é necessário que se desenvolva cada vez mais cargas não
lineares com consumo de corrente sinusoidal, retificadores com PFC (Power Factor
Correction), carregadores de baterias com consumo sinusoidal, motores com arranque
suave, etc.
Neste capítulo, a análise dos problemas de QEE centrou-se nos problemas mais
comuns como: Sag ou dip, Swell, Interrupção de curta duração, Sobretensão, Subtensão,
Interrupção de longa duração, Notching, Ruído Eletromagnético, Distorção Harmónica,
Transitórios (Oscilatório e Impulsivo), Fator de potência e Displacement Power Factor.
As interrupções de curta duração, sempre que possível, devem ser mitigadas no
intuito de se eliminar a possibilidade de ocorrer paragem de equipamentos, perdas de
produção e erros em sistemas de transmissão de dados. Uma vez que estes problemas
acarretam custos financeiros elevados para as indústrias. A distorção harmónica da
corrente, ou harmónicos de corrente, que têm origem nos pontos de consumo, devido à
estrutura da rede elétrica provoca harmónicos na tensão do sistema. As cargas lineares e
outras cargas sensíveis a distorções na tensão, quando conectadas em barramentos nos
quais a tensão contém harmónicos, absorvem correntes com harmónicos. Sendo assim, a
distorção harmónica deve ser mitigada no intuito de se evitar perdas de energia,
sobredimensionamento das instalações, envelhecimento prematuro dos equipamentos e
ressonância no SEE (Sistema Elétrico de Energia).
O banco de condensadores, na maioria das vezes usado para compensar a potência
reativa, pode provocar problemas de QEE do tipo Swells e sobretensões transitórias.
Também quando instalado em ambiente com harmónicos na corrente provoca
problemas de ressonância no sistema e aumenta a distorção harmónica na tensão e na
corrente.
As indústrias, embora abarquem grande parte dos equipamentos que provocam
problemas de QEE, também são afetadas pela má QEE. Pelo que a QEE requerida pelo
consumidor industrial é diretamente proporcional ao tipo de tecnologia que este utiliza.
Atualmente, os problemas de QEE são maiores dentro das indústrias, mas os benefícios
associados à utilização de cargas não lineares fazem com que estas sejam cada vez mais
utilizadas também pelos consumidores residenciais e de serviço o que tem contribuído
para maior degradação da QEE [16]. Portanto, é indispensável haver avanços
tecnológicos que levem ao melhoramento dos equipamentos e melhoria da QEE.
[6][17].
Embora exista um número cada vez maior de equipamentos de compensação de
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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29
Capítulo 2 – Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
problemas de QEE [39], tais como UPQC, FAP, FAS, DVR, TSC, capazes de mitigar
de forma dinâmica os problemas de QEE, e normas que regem os SEE (Sistema Elétrico
de Energia), como as normas internacionais: IEEE-519 e EN50160, ainda há carência
dessas soluções que apresentem custos reduzidos.
As cargas elétricas para estudos de problemas de Qualidade de Energia Elétrica
desenvolvidas nesta dissertação são elementos de estudo de problemas de QEE de baixo
custo.
30
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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CAPÍTULO 3
Equipamentos para Compensação da Potência Reativa
3.1. Introdução
Neste capítulo é feita a apresentação dos equipamentos usados para compensação
de potência reativa, sua constituição e princípio de funcionamento.
A potência reativa que circula nas linhas do Sistema Elétrico de Energia, devido
às cargas indutivas (como por exemplo, motores elétricos e lâmpadas fluorescente de
balastro ressonante) nos pontos de consumo, não deve ser descurada. Uma vez que
provoca queda de tensão nas linhas e reduz a capacidade de transporte de potência ativa.
Além disso, a produção de potência reativa não é de forma alguma um processo oneroso
para produtor e o distribuidor. Neste sentido, a forma mais eficaz de evitar as quedas de
tensão nas linhas consiste, por conseguinte, no caso limite, em persuadir o consumidor
final a produzir localmente toda a potência reativa necessária ao funcionamento das
cargas indutivas [8][6]. Esta medida, visa limitar o trânsito de potência reativa na rede, e
fazer com que a potência reativa passe a ser trocada entre carga e equipamento de
compensação, ou seja, produzida localmente.
Um equipamento para compensação de potência reativa, quando conectado em
paralelo com a rede e a carga, deve ser capaz de injetar uma corrente , tal que
subtraída de
, origina uma corrente , em fase com a tensão da rede. Na Figura 3.1
representa-se o diagrama de blocos de um sistema de compensação de potência reativa.
Rede
Elétrica
i c arg a
is
Carga Elétrica
V
I
ic
V
I
Compensador de
Potência Reativa
Figura 3.1 - Esquema de compensação da potência reativa.
Um compensador de reativos deve ser capaz de anular, ou reduzir para valores
aceitáveis, o trânsito de reativos nas linhas do sistema elétrico. A compensação de
potência reativa pode ser feita com base nos seguintes equipamentos:

Compensadores estáticos;

Compensadores dinâmicos;

Compensadores síncronos.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Eléctricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
31
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
No final deste capítulo é feito um pequeno resumo sobre o estado da arte do
Thyristor Switched Capacitor, baseado em alguns artigos científicos mencionados nas
referências bibliográficas.
3.2. Compensador Síncrono
Um compensador síncrono é uma máquina síncrona que funciona em vazio com a
corrente de excitação acima (sobre-excitado) ou abaixo (sub-excitado) da nominal [2].
O modelo equivalente do motor síncrono encontra-se representado na Figura 3.2.
A variação da corrente de excitação, responsável pelo funcionamento do motor como
compensador, pode ser analisada no diagrama fasorial do modelo equivalente do motor
representado na Figura 3.3. Como ilustra o diagrama fasorial, para uma corrente de
excitação
, menor que a corrente nominal de excitação , a tensão do estator
mantém-se atrasada em relação à corrente no estator; e o compensador síncrono injeta
potência reativa na rede. No caso em que a corrente de excitação é igual a
, a tensão
no estator
permanece em avanço em relação a corrente no estator, e o compensador
síncrono absorve potência reativa. Assim sendo, o compensador síncrono produz
potência reativa capacitiva quando sub-excitado e absorve potência reativa quando
indutiva sobre-excitado.
jXs
Ra
Ia
Vt
Ea
Figura 3.2 - Circuito equivalente de uma das fases do compensador síncrono.
Ia1
Ia2
Vt
jXsIa1
jXsIa3
jXsIa2
Ia3
Ea1
Ea2
Ea3
Figura 3.3 - Diagrama fasorial do modelo equivalente do compensador síncrono.
Legenda:
- Tensão aos terminais do motor;
- Corrente de excitação nominal;
- Magnitude da corrente de excitação para sub-excitar o motor;
32
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reactiva
- Magnitude da corrente de excitação para sobre-excitar o motor;
-Tensão induzida quando motor funciona sub-excitado;
- Tensão induzida para corrente de excitação nominal;
- Tensão induzida quando o motor funciona sobre-excitado;
- Valor da reatância síncrona quando motor está sub-excitado;
- Valor da reatância síncrona para corrente de excitação nominal;
- Valor da reatância síncrona para corrente de excitação sobre-excitada.
O compensador síncrono necessita de um sistema de excitação, que forneça uma
corrente contínua para criar o campo magnético no entre-ferro. Na Figura 3.4
representa-se o diagrama de blocos do sistema de excitação do motor síncrono. O
sistema de excitação também assegura funções de regulação e proteção do gerador,
através do controlo da tensão aplicada ao enrolamento de excitação e, por conseguinte,
da corrente de excitação.
Entrada auxiliar
(por .ex. estabilizador )
Valor de referência
Regulador
Sistema de
Excitação
Compensador
Síncrono
Medida de tensão e
corrente
Figura 3.4 - Digrama de blocos do sistema de excitação e regulação da tensão do compensador síncrono
[8].
Os tipos de sistemas de excitação são variados e têm vindo a evoluir ao longo do
tempo, uma vez que o advento da Eletrónica de Potência tem dado azo as novas técnicas
de controlo com base nos semicondutores de potência. Na Figura 3.5 representa-se um
compensador síncrono com sistema de excitação estático. Neste sistema de excitação a
corrente de excitação é fornecida pelo próprio gerador, por meio de um transformador
auxiliar e de um retificador estático controlado. Outros sistemas de excitação também
desenvolvidos com base em Eletrónica de Potência, como o sistema de excitação sem
escovas e excitação por excitatriz de corrente alternada, também são aplicados na
prática. Porém, apresentam tempos de respostas mais lentos em relação ao sistema de
excitação estático.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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33
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
TT
TI
Transformador
de excitação
Retificador
Aneis de
regulação
Gerador
Regulador
Referência
Entrada auxiliar
Figura 3.5- Compensador síncrono com sistema de excitação estático.
Devido ao elevado custo de um compensador síncrono, só em casos especiais se
justifica a sua utilização como compensador de reativos [8][19]. Como por exemplo, no
transporte a longa distância utiliza-se para regular a tensão ao longo da linha. O tempo
de resposta lento, a instabilidade rotacional, a baixa impedância de curto-circuito e as
manutenções constantes, são outras das desvantagens dos compensadores síncronos.
3.3. Bancos de Condensadores
O banco de condensadores é um equipamento elétrico capaz de produzir potência
reativa capacitiva, desenvolvido com base em condensadores e comutadores
eletromecânicos, desprovido de qualquer sistema de controlo microprocessado [36]. A
gama de potência reativa associada aos bancos de condensadores abrange valores que
vão desde algumas dezenas de VAr a MVAr [12][40]. A capacidade total ou
equivalente do banco de condensadores é dimensionada em função do valor da potência
reativa a compensar e calcula-se segundo a expressão matemática dada pela equação 3.1.
(3.1)
Legenda:
Potência reativa total da instalação;
Capacidade total equivalente em Farad;
Valor RMS da tensão de alimentação;
Frequência.
Na Figura 3.6 apresenta-se o esquema de compensação de potência reativa através
de um banco de condensadores. Esta solução é uma das soluções mais utilizadas pelas
indústrias. No entanto, o aumento das cargas não lineares em ambientes industriais faz
com que a compensação da potência reativa através de bancos de condensadores seja
suscetível a problemas de Qualidade de Energia Elétrica, devidos os harmónicos na
34
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reactiva
tensão e na corrente [6][19].
Instalação
Parte de comando
do motor
Contactores
Electromêcanicos
Motor
Figura 3.6 - Exemplo de um banco de condensadores conectado em estrela para compensação global de
potência reativa.
3.4. Filtro Ativo de Potência Paralelo
O filtro ativo paralelo é um equipamento de Eletrónica de Potência capaz de
compensar problemas de qualidade de energia de forma dinâmica. Embora a abordagem
principal dos filtros ativos esteja centrada na filtragem das correntes harmónicas, este
também é usado para compensar potência reativa [41]. Na Figura 3.7 apresenta-se o
esquema básico de um filtro ativo paralelo.
O filtro ativo paralelo é constituído por dois componentes essenciais: o conversor
comutado de eletrónica de potência, que funciona com modulação de largura de
impulso, e o circuito de controlo. Para um sistema trifásico, o controlador mede as
tensões do sistema (
), a tensão do barramento CC ( ), as correntes nas
linhas (
) e gera os sinais de PWM para os semicondutores de potência. O
inversor por sua vez sintetiza as correntes de referência ( ,
) a injetar no sistema
elétrico. Devido aos harmónicos de corrente de alta frequência resultantes da comutação
dos semicondutores, na saída do inversor existem filtros passivos RC passa baixo para
minimizarem os harmónicos de corrente de alta frequência [42].
O algoritmo de controlo a implementar no filtro ativo de potência determina a
performance da compensação feita pelo filtro ativo. Segundo os autores Akagi etal [41]
e João Luiz Afonso etal [43], a teoria (p-q quando aplicada no controlo do filtro ativo
paralelo, apresenta elevada performance, sendo que, os cálculos são feitos no domínio
do tempo. O inversor do filtro ativo paralelo pode ser implementado com fonte de
tensão ou fonte de corrente. Como exemplo, o inversor do filtro ativo paralelo
representado na Figura 3.7 usa fonte de tensão. Constatou-se, ao longo da bibliografia
consultada, que grande parte dos autores implementava o filtro ativo com inversor fonte
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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35
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
de tensão.
ic
is
F
N
Rede Elétrica
ica
Carga
L
va
ia
Vdc
Controlador
i ca*
c
Inversor
Figura 3.7 - Esquema unifilar de um filtro ativo paralelo monofásico.
3.5. Compensadores FACTS (Flexible AC Transmission System) do
tipo Paralelo
Os compensadores FACTs do tipo paralelo, desenvolvidos com base em
semicondutores de Eletrónica de Potência, representam o estado da arte dos
equipamentos utilizados no controlo da potência reativa em Sistemas Elétricos de
Potência [19]. Um equipamento FACTs do tipo paralelo funciona como uma fonte de
corrente controlada capaz de absorver ou injetar potência reativa na rede elétrica. Os
compensadores estáticos de reativos SVC (Static VAR Compensator) utilizam
indutâncias e condensadores controlados por tirístor.
3.5.1.
STATCOM
O STATCOM (Static Synchronous Compensator) é um equipamento de
Eletrónica de Potência capaz de compensar de forma dinâmica o fator de potência
injetando ou absorvendo potência reativa na rede elétrica [17]. As características
principais do STATCOM são: manter a tensão estável na rede elétrica, e aumentar o
fluxo de potência ativa em sistemas de transmissão. A constituição do STATCOM é
semelhante à do filtro ativo paralelo. Porém, a conexão do STATCOM à rede elétrica é
feita através de um transformador de média tensão. O STATCOM funciona como uma
fonte controlada de potência reativa, que através da regulação da tensão ou da corrente,
dependendo do tipo da configuração do inversor (VSC ou CSI), controla o fluxo de
potência do sistema elétrico. Como por exemplo, para o STATCOM com inversor fonte
36
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reactiva
de tensão, representado na Figura 3.8 quando a amplitude da tensão à saída do inversor
é maior que a tensão da rede, a corrente , flui do STATCOM para a rede e o inversor
injeta potência reativa na rede elétrica. Quando a amplitude da tensão da rede é menor
que a tensão à saída do inversor a corrente flui da rede para o STATCOM, e o inversor
absorve potência reativa [40]. A quantidade de potência reativa a injetar ou absorver é
diretamente proporcional à diferença de tensão entre a rede e o STATCOM. Na Figura
3.9 encontra-se representado o fluxo de potência do STATCOM em função da tensão do
sistema.
Rede
Elétrica
230V, 50Hz
ica
va
va *
Sistema de
Controlo
STATCOM
ia
Carga
ia *
Inversor
Barramento DC
Figura 3.8 - Representação do diagrama de bloco do STATCOM monofásico.
V
Ic
Injeta potência reativa
V STACOM
>
V STACOM > V S
VS
Absorve potência
reativa
IL
Figura 3.9 - Representação gráfica do fluxo de potência reativa injetada ou absorvida pelo STATCOM.
3.5.2.
Thyristor-Controlled Reactor
O Thyristor-Controlled Reactor (TCR) é um equipamento de Eletrónica de
Potência capaz de absorver potência reativa indutiva. Apesar de o TCR ser conectado de
forma isolada no sistema elétrico, na prática o TCR é comummente combinado com
bancos de condensadores e filtros passivos. Os filtros passivos destinam-se a fazer a
filtragem dos harmónicos de corrente que o TCR produz, e o banco de condensadores
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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37
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
aumenta a resposta dinâmica do sistema [40].
O TCR é constituído essencialmente por dois tirístor conectados em anti-paralelo,
formando um interruptor bidirecional em série com uma indutância. Na Figura 3.10
representa-se o esquema básico de um módulo do TCR. Tipicamente, o TCR funciona
como uma fonte de corrente controlada que através do ângulo de condução, , dos
tirístores permite ajustar a quantidade de potência reativa absorvida. A gama de controlo
do ângulo de condução dos tirístores varia entre
e
. A corrente absorvida pelo
TCR é sinusoidal quando o ângulo de condução for igual a
, e zero para
.O
TCR injeta harmónicos de corrente no sistema elétrico se o ângulo de condução dos
tirístores for maior que
. Como exemplo, para um ângulo de condução igual a
o TCR injeta corrente com harmónico na rede elétrica [19][44].
i TCR
T2
T1
Ângulo de
disparo
L
Figura 3.10 - Esquema unifilar monofásico do TCR.
A corrente,
, que o TCR injeta é dada pela equação diferencial descrita na
equação (3.2). Pelo que, se pode observar que o TCR comporta-se como um circuito
puramente indutivo, desprezando a resistência interna da indutância.
(3.2)
Resolvendo a equação em função de obtém-se:
(3.3)
A corrente pode ser reescrita em função do ângulo de condução dos tirístores,
como ilustra a equação (3.4).
(3.4)
38
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reactiva
Legenda:
- Valor da indutância;
- Ângulo de condução dos tirístores;
1
- É igual a um sobre a indutância;
- Tensão da rede;
- Corrente na indutância.
Em sistemas trifásicos os módulos de TCR, quando conectados em triângulo,
isolam os harmónicos múltiplos de três (
) da rede elétrica, ou seja, os
harmónicos circulam no triângulo e deste modo não são injetados na rede elétrica. A
ea
harmónica são eliminadas usando dois compensadores iguais conectados a dois
enrolamentos secundários de um transformador abaixador; sendo um ligado em estrela,
e o outro, em triângulo, conforme ilustra a Figura 3.11. Esta montagem é descrita como
configuração a doze pulsos, porque ocorrem 12 disparos dos tirístores num único ciclo
da rede elétrica [36].
Barramento (M)AT
Figura 3.11 - Configura aos 12 pulsos do TCR (Thyristor- Controlled Reactor).
1
Representa a característica de controlo do TCR uma vez que este funciona como uma como uma
indutância variável. Neste sentido, variando o ângulo de condução dos tirístores varia-se o valor da
indutância, e consequentemente da potência reativa absorvida. Sendo que a tensão é constante.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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39
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
3.5.3.
Thyristor Switched Capacitor
O Thyristor Switched Capacitor (TSC) é um equipamento de Eletrónica de
Potência com uma topologia análoga à do Thyristor-Controlled Reactor. A diferença é
marcada pelo tipo de potência reativa que um e outro são capazes de compensar. O TSC
é conectado em paralelo com o sistema elétrico com intuito de compensar a potência
reativa indutiva, injetando potência reativa capacitiva na rede. O TSC monofásico
consiste em dois tirístores conectados em anti-paralelo e em série com um banco de
condensadores. Na Figura 3.12 representa-se o esquema básico de um módulo de TSC.
No sistema monofásico, o número de módulos de TSC depende da quantidade de
potência reativa a compensar e da precisão do sistema de compensação. Dependendo do
tipo de topologia, o TSC também é capaz de compensar harmónicos de corrente. Como
por exemplo, conectando uma indutância em série com o condensador molda-se um
filtro passivo , que sintonizado na frequência do harmónico, estabelece um caminho
de baixa impedância para o harmónico de corrente. Embora o TSC seja largamente
utilizado como sistema de compensação de potência reativa indutiva, também pode ser
utilizado para compensar outros problemas de qualidade de energia, dentre os quais:
variações de tensão e harmónicos de corrente. Quando comparado com o TCR, este, tem
a vantagem de não introduzir harmónicos no sistema elétrico, pelo que, do ponto de
vista do sistema elétrico, o conjunto TSC e carga indutiva comporta-se como uma carga
puramente resistiva.
i TSC
i TSC
C
C
L
a
b
Figura 3.12 - (a) Topologia básica do TSC que não permite filtragem de harmónico de corrente; (b)
Topologia com filtro passa baixo LC para filtragem de harmónico de corrente.
O princípio de funcionamento do TSC é relativamente simples, uma vez que em
regime permanente comporta-se como um circuito puramente capacitivo. Este
equipamento tem como principal inconveniente o surgimento da corrente de inrush, que
40
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reactiva
ocorre quando o banco de condensadores é comutado a ON. No intuito de ser mitigada a
corrente de inrush, diversas estratégias de comutação (das gates dos tirístores) têm sido
implementadas.
Segundo Mathur etal [40], quando os tirístores são comutados a ON aos
da
tensão da rede a corrente de inrush é nula.
Na bibliografia consultada muitos autores afirmam que colocando uma indutância
em série com o banco de condensadores limita-se a corrente de inrush, uma vez que, a
indutância opõem-se a variação abrupta da corrente.
O valor da indutância é calculado com base na frequência dos harmónicos de mais
baixa ordem (
equação (3.5).
e
e na capacidade do condensador, como se pode observar na
(3.5)
Legenda:
- Frequência do harmónico.
A introdução da indutância em série com o condensador, além de mitigar a
corrente de inrush, também cria um caminho de baixa impedância para os harmónicos
de corrente.
3.5.4.
Estado da arte do Thyristor Switched Capacitor
Neste item apresentam-se alguns Thyristor Switched Capacitors que se encontram
atualmente em funcionamento, em sistemas de produção e distribuição de energia
elétrica. O Static Var Compensator representado na Figura 3.13 é composto por dois
Thyristor Switched Capacitors, por um Thyristor-Controlled Reactor e por três filtros
passivos. O sistema de comutação é feito a tirístores com capacidade de bloqueio de
8 kV. A potência nominal é de 250 MVAr (capacitivo) e 100 MVA (indutivo). O Static
Var Compensator representado na Figura 3.14 é composto por um Thyristor Switched
Capacitor, por dois Thyristor-Controlled Reactors e por dois filtros passivos. O sistema
de comutação é feito a tirístores com capacidade de bloqueio de 8 kV. O TSC é capaz
de injetar 250 MVAr (capacitivo) e o TCR é capaz de absorver 250 MVA (indutivo).
Na Figura 3.15 encontra-se representado um Thyristor Switched Capacitor
trifásico com potência nominal de 300 MVAr que destina-se a manter estável uma
tensão de 230 kV. O Thyristor Switched Capacitor representado na Figura 3.16 é o mais
recente TSC desenvolvido pela Siemens, e representa o estado da arte do SVC (Static
VAR Compensator). Este equipamento é capaz de variar a potência reativa (injetada) de
0 a 300 MVAr, e é constituído por 4 transformadores monofásicos de 117 MVA e 5
módulos de Thyristor Switched Capacitor. Foi instalado numa subestação a carvão com
potência nominal de 4000 MVA e 500 kV.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
41
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
O Thyristor Switched Capacitor é geralmente instalado em sistemas de Alta
Tensão (AT) e Muito Alta Tensão (MAT), pelo que o fabrico do mesmo é comummente
feito por encomenda. Porém, já existem no mercado Thyristor Switched Capacitor para
médias potências desenvolvidos pela ABB e a Toshiba .
Figura 3.13 - SVC trifásico com potência nominal de 350 MVAr em funcionamento desde 2008 na
Austrália [45].
Figura 3.14 - SVC trifásico com potência nominal de 500 MVAr em funcionamento desde 1995 no Brasil
[45].
42
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reactiva
Figura 3.15 - Thyristor Switched Capacitor trifásico com potência nominal de 300 MVAr em
funcionamento desde 2006 nos Estados Unidos da América [45].
Figura 3.16 - Thyristor Switched Capacitor 2com potência nominal de 300 MVAr em funcionamento
desde Agosto de 2011 numa central a carvão no Canadá [45].
3.5.5.
Thyristor Switched Capacitor Implementado
Dentre, os equipamentos para compensação de potência reativa que foram
apresentados nesta dissertação foi implementado um Thyristor Switched Capacitor
trifásico conectado em estrela, capaz de compensar a potência reativa indutiva nas três
fases de forma independente. A topologia implementada não contém indutâncias
conectadas em série com os condensadores, como se pode observar na Figura 3.17.
Optou-se por esta topologia uma vez que não possui indutância conectada em série com
o banco de condensadores o sistema torna-se mais compacto [46], além de reduzir o
custo do projeto.
2
Na figura 3.16 apenas se encontra representado o esquema elétrico do do TSC uma vez que
aquando da publicação desta dissertação não haviam fotos recentes onde fosse possível observar o aspeto
final do equipamento.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
43
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
O controlador mede as tensões do sistema (
,
e
), as correntes na linha ( ,
e ) e calcula a potência reativa ( ) a injetar, e envia os sinais de controlo aos
tirístores. O sinal de controlo, ON/OFF, liga os módulos do TSC ao sistema elétrico,
conforme a necessidade de potência reativa na carga. A estratégia de comutação
implementada para eliminar a corrente de inrush é feita com base na seleção do ângulo
de comutação dos tirístores, neste caso, os tirístores são comutados nos
da tensão da
fase. No intuito de garantir que os condensadores não provocam transitórios quando
comutados a ON, estes, devem ser descarregados sempre que removidos do sistema
elétrico. As resistências de descargas estão conectadas em paralelo com os
condensadores, através de um interruptor eletrónico unidirecional. Na Figura 3.18
encontra-se representado o fluxograma do algoritmo de controlo e cálculo da potência
reativa no sistema elétrico. O fluxograma da estratégia de comutação do TSC está
representado na Figura 3.19.
Rede
Eléctrica
ia
ib
ic
ia
i La
ib
i Lb
ic
i Lc
i TSC
i TSC
Carga
i TSC
G1
Controlador
G
2
va
G3
vb
vc
G
4
G5
G6
C
C
C
Resistência de
descarga
Figura 3.17 - Esquema elétrico do Thyristor Switched Capacitor (TSC) Implementado.
44
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reactiva
Start
PIC32_BIT
Imprime os valores da tensão e da corrente na
carga
Descarrega os
condensaodres
Espera 1 segundo
Tensão
maior
que
230V
Não
Sim
Return
Lê a Tensão na fase a,b e c
Lê a corrente na fase a,b ec.
Calcula a potência reactiva no
sistema eléctrico
Potência
reactiva maior
que zero
?
Desliga o
TSC
Sim
Não
Detecta a passagem por zero
da tensão na fase a
Não (ocorreu a passagem por zero)
Espera
detecção
?
Sim (passagem por zero detectada)
1
(a)
Figura 3.18 - Algoritmo de controlo do cálculo da potência reativa a injeta no sistema elétrico.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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45
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
1
Timer conta 5ms
T>=5ms?
Não
Sim
Comuta módula da fase a
Timer conta 12ms
T>=12ms
?
Não
Sim
Comuta módula da fase b
Timer conta 18,3ms
T>=18ms
?
Não
Sim
Comuta módula da fase a
Desligar o
TSC
?
Sim
Ligar o Interruptor para
descarregar os condensadores
Não
Volta para a rotina de
leitura
Fim
(b)
Figura 3.19 - Algoritmo de controlo da estratégia de comutação dos módulos do TSC.
46
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reactiva
3.5.5.1. Dimensionamento do Banco de Condensadores
O processo utilizado neste trabalho para dimensionar o banco de condensadores
(
) teve em conta a quantidade de potência reativa máxima que o TSC é capaz
de compensar. Neste sentido, adotando a tensão nominal do sistema como 230 V valor
nominal RMS, a capacidade do banco de condensadores calcula-se com base na
seguinte expressão matemática:
(3.6)
Onde é a potência reativa total a compensar, é a frequência da rede elétrica e
V o valor RMS da tensão nominal da rede entre a fase e o neutro. A Figura 3.20
representa a curva característica tensão corrente (
) do TSC variando a tensão.
Vc max
Bc
0
Ic
I c max
Figura 3.20 - Característica tensão v corrente do Thyristor Switched Capacitor.
3.5.5.2. Modelo Dinâmico do Thyristor Switched Capacitor
Na Figura 3.21 encontra-se representado o modelo equivalente do Thyristor
Switched Capacitor [47], considerando os semicondutores de potência ideais, e
desprezando a resistência de fuga do dielétrico, representa-se os parâmetros internos do
condensador para uma indutância e uma resistência em série. Deste modo, modela-se
um condensador com características reais. Aplicando as leis de Kirchhoff ao modelo
equivalente do circuito, obtém-se as seguintes equações de base; equação (3.6) e
equação (3.7).
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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47
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
Carga desconectada do
sistema elétrico
is
Semicondutor
ideal
K
i c arg a
ic
v
vc
C
Carga
L
R
Figura 3.21 - Modelo equivalente do Thyristor Switched Capacitor considerando o semicondutor (k)
como ideal.
(3.7)
(3.8)
Substituindo a equação (3.7) em (3.8) e ordenando os termos em função de
obtém-se a corrente no condensador.
(3.9)
(3.10)
A corrente no condensador ou corrente de compensação, a injetar na rede elétrica,
é descrita pela equação diferencial de segunda ordem dada na equação (3.9), e a tensão
no condensador é dada pela equação diferencial também de segunda ordem dada na
equação (3.10). A representação em notação de espaço de estado 3 do sistema relaciona
as variáveis das equações diferenciais de primeira ordem (3.7) e (3.8). A notação em
espaço de estado descreve de forma trivial quais as variáveis de entrada, saída (ou de
controlo) e o grau de estabilidade do sistema. Portanto, substituindo as equações
diferenciais de primeira ordem (3.11) e (3.12) na expressão: (t) =
, obtém-se o
modelo do sistema em espaço de estado equação (3.13).
3
A notação em espaço de estado é um método analítico utilizado para determinar a estabilidade de
sistemas elétricos ou mecânicos, com base nas equações diferencias destes. Este método analítico apenas
é aplicado em sistemas dinâmicos lineares.
48
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reactiva
(3.11)
(3.12)
(3.13)
A matriz A é a matriz da dinâmica do sistema ou matriz do sistema, e a matriz B é
a matriz de controlo que descreve quais as variáveis a controlar. As variáveis de
controlo do TSC ou parâmetros a controlar são: tensão e corrente no condensador.
Como se pode observar na matriz de controlo representada na equação (3.15).
(3.14)
(3.15)
Os valores próprios da matriz do sistema A, elementos da diagonal principal,
representam o lugar geométrico dos pólos no plano . Uma vez que, um dos pólos do
sistema ou valor próprio da matriz A está na origem, conclui-se que o sistema é
criticamente estável [48][49]. Na Figura 3.22 representa-se o lugar das raízes dos pólos
e dos zeros do sistema no plano , para
,
e
.
O diagrama de Bode consiste numa representação gráfica da resposta em
frequência do sistema, sendo constituído por dois diagramas: características de
amplitude e de fase, em função da frequência natural do sistema ( ). No gráfico
mostrado na Figura 3.23 encontra-se representada a resposta em frequência do modelo
equivalente do Thyristor Switched Capacitor. Pelo que, se pode observar que um par de
pólos complexos conjugados (
) provoca mudança de fase abrupta e
consequentemente ressonância no sistema. Ou seja, o Thyristor Switched Capacitor,
segundo as equações do modelo, representa um par de pólos complexos conjugados,
deste modo é um sistema criticamente estável [40][46].
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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49
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
10
1.5
Lugar das raizes do sistema, plano s
x 10
0.86
0.76
0.64
0.5
0.34
0.16
1
0.94
0.5
parte imaginaria
0.985
2.5e+010
0
2e+010
1.5e+010
1e+010
5e+009
0.985
-0.5
0.94
-1
-1.5
-2.5
0.76
0.86
-2
0.64
0.5
-1.5
0.34
-1
-0.5
0.16
0
0.5
10
parte real
x 10
Figura 3.22- Lugar das raízes do sistema dinâmico do TSC para C =33
, R = 0.2 ῼ e L = 0.1 mH.
Respota em Frequencia do Sistema, Diagrama de Bode
60
40
Magnitude (dB)
20
0
-20
-40
-60
0
Phase (deg)
-45
-90
-135
-180
5
6
10
7
10
10
Frequency (rad/sec)
Figura 3.23 - Diagrama de Bode correspondente aos pares de pólo do sistema.
3.6. Conclusão
O Thyristor Switched Capacitor (TSC) é um equipamento de Eletrónica de
Potência constituído essencialmente por dois tirístores em anti-paralelo e conectado em
série com um banco de condensadores. É um equipamento de baixo custo e capaz de
compensar a potência reativa indutiva, sem injetar harmónicos de corrente no sistema
elétrico.
O Thyristor-Controlled Reactor (TCR) é um equipamento de Eletrónica de
Potência também constituído por dois tirístores em anti-paralelo conectado em série
com uma indutância. Ao contrário do TSC o TCR absorve potência reativa e injeta
harmónicos de corrente no sistema elétrico, pelo que, na prática este é comummente
conectado em paralelo com filtros passivos sintonizados na frequência dos harmónicos
de baixa ordem, como por exemplo (3ª,
e
) harmónica [40]. Em aplicações
práticas, como as que foram referenciadas no último item deste Capítulo, é comum
50
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reactiva
combinar o TSC e o TCR. O sistema híbrido que resulta da combinação destes dois
equipamentos é conhecido na literatura como Static Var Compensator (SVC).
Devida à sua característica dinâmica o Static Var Compensator, é cada vez mais
utilizado em sistemas de transporte e distribuição de energia elétrica para manter a
tensão dentro dos limites aceitáveis e compensar a potência reativa [50].
O STATCOM é um equipamento de Eletrónica de Potência capaz de injetar ou
absorver potência reativa. É constituído essencialmente por um inversor (VSC ou CSI)
comutado de Eletrónica de Potência e um sistema de controlo que gera os sinais de
PWM para os semicondutores. É de salientar que dentre os dispositivos FACTs, o
STATCOM é o que apresenta melhor resposta dinâmica e sistema de controlo mais
complexo.
O banco de Condensadores, dentre os equipamentos para compensação de
potência reativa, apresenta as seguintes vantagens: não possui sistema de controlo, fácil
implementação e baixo custo. Porém, é suscetível a problemas de qualidade de energia
como (dip e swells), quando as formas de onda da tensão e da corrente no sistema
elétrico não são sinusoidais. Neste sentido, devido as distorções da forma de onda da
tensão e da corrente no sistema elétrico, torna-se cada vez menos utilizado.
O Filtro Ativo Paralelo (FAP) é constituído essencialmente por um inversor
comutado (VSI ou CSI) de Eletrónica de Potência e por um sistema de controlo que
mede as tensões e correntes na rede e gera os sinais de PWM para os semicondutores de
potência.
A máquina síncrona, responsável pela geração de quase 70% da energia elétrica
produzida mundialmente em centrais térmicas e hidroelétricas, quando opera em vazio
sobre-excitada injeta potência reativa na rede elétrica, e quando sub-excitada absorve
potência reativa da rede. Uma vez que, os seus custos de manutenção são elevados e o
seu tempo de resposta é na ordem dos segundos, a máquina síncrona só em casos
especiais deve funcionar como compensador de recativos [19].
Segundo a bibliografia consultada, muitos autores afirmam que, embora o Static
Var Compensator apresenta uma resposta dinâmica relativamente rápida, os problemas
de qualidade de energia que as cargas não lineares têm vindo a causar no sistema
elétrico os tornam inadequados quando as instalações apresentam elevado conteúdo
harmónico na tensão e corrente do sistema. Já, o STATCOM e o FAP, dentre os
compensadores de potência reativa representados neste capítulo, são os mais adequados
em instalações onde as cargas são não lineares e as tensões e correntes são
desequilibradas [44]. Como por exemplo, o Filtro Ativo Paralelo é capaz de compensar
harmónicos de corrente, desequilíbrio de corrente e o baixo fator de potência, em
simultâneo.
As equações dinâmicas do TSC, representadas em notação de espaço de estado,
serviram para analisar a estabilidade do circuito. Pois, apesar de ser um circuito que em
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
51
Capítulo 3 – Equipamentos para Compensação de Potência Reativa
regime permanente comporta-se como uma carga puramente capacitiva, desprezando a
resistência do condensador e da bobina, é um sistema criticamente estável e suscetível a
problemas de ressonância, sendo que um dos pólos é complexo conjugado.
A compensação de potência reativa, não só visa compensar o fator de potência das
cargas nos pontos de consumo, mas também, melhora a estabilidade do sistema elétrico.
Neste capítulo versou-se sobre os equipamentos para compensação de potência
reativa, do TSC implementado nesta dissertação, e de alguns equipamentos do tipo
Static Var Compensators instalados em centros de produção de energia elétrica.
No Capítulo 4 são apresentadas as simulações computacionais do TSC e de
Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica.
52
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
CAPÍTULO 4
Simulações do Thyristor Switched Capacitor e de Cargas
Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia
Elétrica
4.1. Introdução
A análise comportamental dos equipamentos de Eletrónica de Potência, quando
feita de forma analítica, com base nas equações dinâmicas do circuito e segundo as leis
da física, torna o projeto e implementação do circuito moroso, complexo e divergente da
realidade. Uma vez que as condições reais nem sempre são matematicamente tratáveis,
de forma fácil, a análise comportamental do circuito estará limitada às condições ideais.
De modo a minimizar o tempo na elaboração do projeto e analisar o comportamento do
circuito tendo em conta as caraterísticas reais dos componentes e do sistema elétrico, é
cada vez mais frequente o uso de ferramentas de simulação no desenvolvimento de
projetos eletrónicos.
O aumento da performance dos processadores e a evolução das linguagens de
programação permitem que se desenvolvam ferramentas de simulação cada vez mais
precisas [51]. Ou seja, os resultados obtidos são cada vez mais próximos aos resultados
esperados ou de simulação. Segundo a bibliografia consultada [52][53][54][55], se pode
constar que as ferramentas de simulação permitem aos investigadores analisar diversas
topologias de equipamentos, diferentes técnicas de controlo, realizar testes com várias
cargas elétricas (lineares e não lineares) e analisar o funcionamento dos equipamentos
em sistemas com tensões equilibradas e tensões desequilibradas. Tudo isto de forma
rápida, segura e sem a necessidade de se recorrer a protótipos. Deste modo, se diminui o
custo do projeto e aumenta-se o grau de segura na fase de implementação. Também se
observou ao longo dos artigos científicos consultados, que grande parte dos autores
apenas discutia as suas teses com base nos resultados de simulação tanto no que diz
respeito a técnicas de controlo quanto ao princípio de funcionamento de equipamentos
[56].
Nesta dissertação a ferramenta de simulação usada para simular o Thyristor
Switched Capacitor e as cargas elétricas para estudo de problemas de Qualidade de
Energia Elétrica foi o PSIM (Power System - versão 9.1).
O PSIM é uma ferramenta de simulação desenvolvida pela Powersim capaz de
simular circuitos eletrónicos: domésticos (fontes comutadas), industriais (UPSs),
aeroespacial (sistemas de alimentação de aviões), veículos elétricos (drivers para
motores de locomotivas), etc. Tem como principais programas: SIMCAD (programa de
desenvolvimento de esquemático de circuitos eletrónicos), PSIM (programa de
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Eléctricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
53
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
simulação), SIMVIEW (programa de interface gráfica e visualização das formas de
onda). Como foi referido anteriormente, as ferramentas de simulação aproximam cada
vez mais os modelos computacionais dos reais. Exemplo disso é a versão 9.1 do PSIM
que permitiu simular de forma trivial todo sistema de controlo digital escrito em
linguagem de programação C. Na Figura 4.1 encontra-se representado o ambiente de
programação do PSIM versão 9.1.
Figura 4.1 - Ambiente de programação em linguagem C do PSIM que permite desenvolver algoritmos de
controlo digital.
O sistema de controlo desenvolvido em linguagem de programação C foi
simulado através do Bloco C. O Bloco C é uma nova ferramenta de programação que
está incorporada na versão 9.1 do PSIM e vem substituir a DLL (Dynamic Link
Library). As funcionalidades que o Bloco C disponibiliza encontram-se listadas a
seguir:

Permite trabalhar com variáveis globais e variáveis locais,

Permite trabalhar com funções, estruturas e vetores dinâmicos,


Permite configurar um número infinito de entradas e saídas,
Permite definir o método como as funções são chamadas no programa.
A vantagem do Bloco C em relação as DLL 1 está no fato do Bloco C não
necessitar de um compilador externo.
O interface amigável e o baixo consumo de memória na realização dos cálculos,
durante as simulações são algumas das vantagens do PSIM tidas em conta na seleção da
ferramenta de simulação. O ambiente de simulação do PSIM onde foi simulado o TSC
se encontra representado na Figura 4.2.
1
A DLL é um ficheiro executável de vínculo dinâmico que permite que os programas informáticos
partilhem bibliotecas e recursos necessários para executar códigos específicos.
54
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Figura 4.2 - Ambiente de desenvolvimento do PSIM versão 9.1.
Neste capítulo é feita a apresentação das simulações do TSC e das Cargas
Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica. As simulações
visam analisar o comportamento do equipamento em diferentes situações de
funcionamento do sistema elétrico, como em sistemas desequilibrados e em sistemas
com harmónicos de tensão e de corrente. Além da análise comportamental do próprio
equipamento em regime permanente, e em diversas situações de operação do sistema
elétrico, também serão simuladas outras topologias e configurações do mesmo, com
intuito de validar o seu desempenho. Nomeadamente, simulação do TSC conectado em
triângulo para bloqueio dos harmónicos de corrente de terceiro ordem e a combinação
do TSC com bancos de condensadores e filtros passivos.
Inicialmente, apresenta-se a descrição do Andar de Potência e do Sistema de
Controlo implementados nesta dissertação. E em seguida são apresentados os resultados
de simulação obtidos.
4.2. Modelo de Simulação do Andar de Potência do Thyristor
Switched Capacitor
O esquema representado na Figura 4.3 é constituído por três fontes de tensão
alternada e sinusoidal, com tensões equilibradas de 230 V, a 50 Hz, simulando uma rede
elétrica trifásica de baixa tensão, com impedâncias de linha de 0,1 Ω parte resistiva e
1 H parte indutiva. A rede elétrica alimenta uma carga indutiva e um TSC para
compensação da potência reativa. O equipamento de compensação da potência reativa,
TSC, é conectado em paralelo com a carga através de interruptores que conectam ou
desconectam o equipamento da rede elétrica. A primeira carga elétrica conectada à rede
é do tipo indutiva, constituída por uma indutância de 32,25 mH em série com uma
resistência de 5,8 Ω. Este tipo de carga provoca o desfasamento entre a tensão e a
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
55
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
corrente na rede elétrica e aumenta as correntes nas linhas. Em cada fase do sistema
elétrico conectou-se um sensor de tensão e outro sensor de corrente para fazerem as
medições das respetivas grandezas.
Figura 4.3 - Simulação do andar de potência do Thyristor Switched Capacitor em paralelo com uma carga
elétrica indutiva.
4.2.1.
Estratégia de Controlo
A estratégia de controlo do Thyristor Switched Capacitor tem como objetivo
limitar a corrente de inrush ou os transitórios de corrente, que ocorrem quando os
tirístores são comutados a ON, para valores que garantam a segurança do equipamento e
não provoquem a degradação da qualidade de energia no sistema elétrico. Deste modo,
a estratégia de controlo decide o instante em que tirístores, e logo o banco de
condensadores, devem ser comutados, como as anteriormente descritas.
Existem duas estratégias de comutação do TSC implementadas na prática
recorrendo ao controlo da tensão no banco de condensadores: uma das estratégias visa
garantir que a comutação dos tirístores é feita quando a tensão no condensador é igual a
tensão da rede; a outra estratégia assegura que os tirístores são comutados no pico da
tensão da rede (para quando os condensadores estiverem carregados com o valor de pico
da tensão da rede).
Estratégia A:
Os condensadores devem ser descarregados quando desconectados do sistema
elétrico. Garantindo que qualquer tensão residual no condensador é inferior a tensão da
rede (
). Neste caso, o ângulo de condução dos tirístores é dado pela equação
(4.1) e a corrente de inrush é dada pela equação (4.2).
(4.1)
(4.2)
56
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Legenda:
- Ângulo de comutação dos tirístores.
- Tensão inicial do banco de condensadores no instante
.
- Valor de pico da tensão nominal do sistema elétrico.
- Amplitude do termo oscilatório da corrente.
- Amplitude da corrente no sistema elétrico.
- Ordem dos harmónicos de corrente sintonizado através do ramo LC.
Na Figura 4.4 pode-se observar o comportamento da equação (4.2) para diferentes
módulos de TSC sintonizados para diferentes valores de n, e para diferentes valores da
tensão de pré-carga do banco de condensadores.
Como é possível observar a corrente oscilatória nunca é maior que a amplitude da
corrente no sistema elétrico, e quanto maior é a tensão inicial do banco de
condensadores menor é a corrente transitória. Especialmente para os módulos que
apresentam maior frequência de ressonância. Também se pode observar que o maior
transitório ocorre quando o banco de condensadores está totalmente descarregado.
Figura 4.4 - Amplitude da corrente oscilatória para diferentes valores de n e para diferentes valores da
tensão inicial no condensador [40].
Estratégia B
O condensador é carregado com o valor de pico da tensão da rede, através da
comutação de um dos tirístores. Neste caso, a corrente de inrush é dada pela equação
(4.3) e o ângulo de condução é calculado através da equação (4.4).
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
57
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
(4.3)
(4.4)
Na Figura 4.5 encontra-se representado o gráfico que descreve o comportamento
da equação (4.3) em função de n e do valor inicial da tensão no banco de
condensadores. Esta estratégia de comutação também pode ser aplicada com o
condensador sobrecarregado. Porém, como ilustra a figura os maiores transitórios
ocorrem quando o banco de condensadores está descarregado (
). Quando n maior
que 2 e menor ou igual que 5 a corrente oscilatória é menor que amplitude da corrente
para qualquer valor da tensão inicial no banco de condensadores.
Figura 4.5 - Estratégia de comutação dos módulos de TSC no pico da tensão da rede elétrica [40].
A desconexão do TSC do sistema elétrico deve ser feita quando a corrente no
condensador vai a zero, o que ocorre no pico da tensão da rede (ângulo de fase igual a
).
A duas estratégias de controlo (estratégia A e estratégia B), na prática são muito
similares, pelo que, a diferença reside no hardware implementado para controlar a
tensão no condensador. Porém, a lei de controlo em ambos os casos é a ON/OFF.
Neste sentido, de modo a tornar o modelo computacional mais próximo do real, o
sistema de controlo desenvolvido num microcontrolador foi todo simulado através do
Bloco C e de outros componentes que permitem simular o circuito de condicionamento
de sinal e o circuito de deteção da passagem por zero da tensão, implementado por
hardware. Uma vez que o microcontrolador desenvolvido é programado em linguagem
de programação C, o código foi facilmente transferido para o microcontrolador real,
PIC32MXX512L, fazendo-se apenas alguns ajustes.
58
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Na Figura 4.6 encontra-se representado o circuito de Sample and Hold que faz a
amostragem do sinal a uma frequência fixa, antes de o ADC (Analog to Digital
converter) inicializar a conversão.
Os circuitos de Sample and Hold 2são muito utilizados na implementação de
sistema de aquisição de dados analógicos, fazendo parte do front end destes sistemas,
simultaneamente com os circuitos de condicionamento de sinais [57][58].
Figura 4.6 - Circuito de sample and hold implementado no PSIM para parte de controlo do circuito de
condicionamento de sinal e ADC.
O código executado pelo microcontrolador é capaz de calcular a potência reativa
no sistema elétrico, enviar os sinais de enable (ON/OFF) para a gate dos tirístores,
implementar a estratégia de comutação e descarregar os condensadores quando o TSC é
desconectado do sistema elétrico. Na Figura 4.7 pode-se observar o bloco representativo
do microcontrolador com todas as entradas e saídas de que dispõe.
Figura 4.7 - Microcontrolador com 5 entradas e 9 saídas desenvolvido no PSIM com base no bloco C para
implementação do sistema de controlo do Thyristor Switched Capacito.
O microcontrolador, em ambiente de simulação, é equivalente ao
microcontrolador PIC32MXX512L fabricado pela Microchip, considerando que realiza
as mesmas funções.
O circuito de enable responsável pela comutação das gates dos tirístores pode ser
visualizado na Figura 4.8. Este, deteta a passagem por zero da tensão e recebe como
parâmetro o valor do ângulo de comutação. Cada módulo do TSC está associado a um
circuito de enable.
2
Os circuitos de sample and hold desempenham um papel crucial no desenvolvimento de sistemas de
aquisição de dados particularmente na conversão analógica para digital (ADC).
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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59
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
Figura 4.8 - Circuito de enable dos módulos do Thyristor Switched Capacitor e detetor de passagem por
zero implementados no PSIM para a parte de controlo.
O sistema de controlo, também foi desenvolvido com base em blocos matemáticos
e no filtro Butterrworth passa baixo com frequência de corte de 10 Hz. Na Figura 4.9
está representada a parte dos cálculos e o controlo da potência reativa desenvolvidos de
modo analógico, do ponto de vista da ferramenta de simulação.
Figura 4.9 - Sistema de controlo da potência reativa simulada com base em blocos matemáticos.
Uma vez que através do valor RMS da tensão e da corrente apenas é possível
calcular a potência aparente, foi utilizado o filtro passa baixo para calcular o valor
médio desta que é igual à potência ativa. Com base nestas duas potências é possível
60
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
determinar potência reativa e o fator de potência no sistema elétrico.
Na Figura 4.10 pode-se visualizar a estratégia de comutação desenvolvida com
base em blocos discretos. A diferença entre o sistema de controlo digital e o analógico é
relativamente pequena. Porém, o controlo digital ou desenvolvido com base no Bloco C
é de certa forma mais realista, sendo que permite emular todo sistema de aquisição de
sinal, com realce para os circuitos de sample and hold, e realizar os cálculos de acordo
com os valores amostrados. Tornando possível analisar até que ponto o sistema de
controlo é capaz de efetuar as operações matemáticas dentro do intervalo entre as
amostras, e também analisar a precisão dos resultados segundo as amostras retiradas a
cada período da rede elétrica.
Figura 4.10 - Simulação da estratégia de comutação com base em dispositivos analógicos com sensores
de tensão e de corrente e com detetor da passagem por zero.
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61
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
4.3. Resultado das Simulações
Após a descrição dos modelos simulados (andar de potência e sistema de
controlo), neste item apresentam-se os resultados de simulação do TSC para várias
situações do sistema elétrico.
4.3.1.
Operação do Thyristor Switched Capacitor
Os resultados de simulação começam por apresentar a forma de onda da corrente
que o TSC injeta na rede elétrica. Na Figura 4.11 pode ser visualizada a forma de onda
da corrente de compensação que o equipamento injeta no sistema elétrico. É possível
observar que a mesma não possui transitórios, ou seja, a estratégia de controlo
implementada é capaz de mitigar a corrente de inrush. Como foi referido no Capítulo 3,
este equipamento de compensação de potência reativa não injeta harmónicos de corrente
no sistema elétrico, pelo que, o seu funcionamento é semelhante ao de uma carga linear.
Aplicou-se à transformada de Fourier a corrente que o TSC injeta na rede elétrica e
como se observa na Figura 4.12 na corrente injetada apenas existe a fundamental.
Figura 4.11 - Forma de onda da corrente injetada na rede elétrica pelo Thyristor Switched Capacitor.
Figura 4.12 - Amplitude e frequência do harmónico na corrente que o Thyristor Switched Capacitor injeta
no sistema elétrico.
62
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
A forma de onda da tensão e da corrente, de um dos módulos do equipamento,
encontram-se representadas na Figura 4.13, onde se observa que a corrente está
adiantada em relação à tensão, como seria de esperar.
Figura 4.13 - Forma de onda da tensão na rede e corrente injetada no sistema elétrico pelo Thyristor
Switched Capacitor.
4.3.2.
Thyristor Switched Capacitor e Carga Linear Equilibrada em Estrela
Nesta simulação apresenta-se a compensação de potência reativa de uma carga
indutiva equilibrada conectada em estrela (Y). As caraterísticas da carga foram descritas
no item 4.2. Antes da compensação da potência reativa o fator de potência da carga é de
0,51 indutivo. Tratando-se de uma carga equilibrada apenas será apresentada a forma de
onda da tensão e da corrente numa das linhas. Na Figura 4.14 pode-se observar o
desfasamento entre a tensão e a corrente no sistema elétrico antes da compensação da
potência reativa.
Figura 4.14 - Desfasamento entre a tensão e a corrente provocado por uma carga indutiva.
Na Figura 4.15 está representada a tensão e a corrente na linha quando o sistema
de compensação entra em funcionamento. Como pode ser observado a tensão e a
corrente ficam em fase e o fator de potência é compensado para 0,98 indutivo.
Verificou-se também que do ponto de vista do sistema elétrico, o TSC e a carga
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63
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
indutiva consomem apenas energia ativa de forma semelhante a uma carga puramente
resistiva.
Figura 4.15 - Compensação do fator de potência de carga indutiva com o Thyristor Switched Capacitor.
4.3.3.
Thyristor Switched Capacitor em Sistema Elétrico com Harmónicos
na corrente e Carga Linear Equilibrada conectada em Estrela
No Capítulo 2 foi referido que os harmónicos de corrente que as cargas não
lineares absorvem provocam distorção na forma de onda da tensão no sistema elétrico.
Uma vez que, o algoritmo de controlo do TSC apenas determina o fator de potência para
tensões e correntes sinusoidais, quando a tensão e a corrente estão distorcidas, o
equipamento compensa apenas o fator de potência da componente fundamental, sendo
este equipamento adequado a sistemas elétricos onde as tensões e as correntes são
sinusoidais. No intuito de mostrar a compensação do fator de potência, com cargas
lineares e cargas não lineares, foi simulado uma carga indutiva em paralelo com uma
carga não linear.
A carga não linear é constituída por um retificador monofásico não controlado
com filtro capacitivo de 1 F e carga resistiva de 52 Ω, e as caraterísticas da carga linear
já foram descritas no item anterior. O desfasamento entre a tensão e a corrente, numa
das linhas, antes do equipamento de compensação entrar em funcionamento pode ser
visualizado na Figura 4.16. Como também é referido no Capítulo 2, quando a tensão ou
a corrente estão distorcidas o fator de potência real é o Displacement Power Factor,
neste caso é de 0,62. Na Figura 4.17 estão representadas as formas de onda da tensão e
da corrente depois da compensação da potência reativa. Pode ser visto que apesar da
distorção harmónica que a carga não linear provoca na corrente o fator de potência foi
compensado para um valor unitário.
64
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Figura 4.16 - Forma de onda da tensão e da corrente num sistema elétrico com carga indutiva e retificador
trifásico com filtro capacitivo.
Figura 4.17 - Forma de onda da tensão e da corrente depois da compensação da potência reativa no
sistema elétrico com carga não linear e carga indutiva.
4.3.4.
Thyristor Switched Capacitor e Carga Linear e Carga não Linear em
Estrela Desequilibrada
O desequilíbrio de cargas elétricas no sistema elétrico tem dado azo a novas
técnicas de controlo dos equipamentos capazes de minorar problemas de qualidade de
energia. De modo a otimizar o sistema de compensação, no intuito de ser capaz de
compensar de forma individual a potência reativa em cada fase, o algoritmo de controlo
do TSC calcula a potência reativa a injetar em cada fase do sistema elétrico de modo
individual. Pelo que, quando o sistema está desequilibrado o sistema de controlo comuta
apenas os módulos conectados à fase a compensar.
Nesta simulação apresenta-se o funcionamento do TSC com carga desequilibrada.
Assim sendo, em cada fase conectou-se uma carga monofásica: fase a carga indutiva;
fase b carga resistiva; fase c carga não linear.
A carga indutiva é constituída por uma resistência de 2,92 Ω e indutância de
12,7 mH, que absorve uma corrente de 49,3 A com fator de potência de 0,59 indutivo. A
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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65
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
carga resistiva é constituída apenas por uma resistência de 100 Ω, e absorve uma
corrente de 2,3 A em fase com a tensão. A carga não linear é constituída essencialmente
por um retificador a díodos com filtro capacitivo de 1500 F e carga resistiva de 52 Ω.
Uma vez que a carga está desequilibrada, serão apresentadas as tensões e as correntes
nas três fases do sistema elétrico.
Na Figura 4.18 está representada a forma de onda da tensão e da corrente na fase
a. É possível observar que a compensação do fator de potência para 0,97 indutivo ocorre
logo no início do segundo período da rede, instante em que o equipamento inicia a
compensação. Na Figura 4.19 está representada a forma de onda da tensão e da corrente
na fase b. Na Figura 4.20 está representada a forma de onda da tensão e da corrente na
fase c. As tensões e as correntes na fase b e na fase c mantêm-se iguais, uma vez que a
potência reativa é nula. Uma vez que as cargas são desequilibradas a corrente no neutro
é diferente de zero, contendo harmónicos devido à presença de uma carga não linear no
sistema elétrico. Na Figura 4.21 está representada a amplitude e a frequência dos
harmónicos da corrente no neutro.
Figura 4.18 - Exemplo da compensação individual da potência reativa num sistema trifásico
desequilibrado: forma de onda da tensão e da corrente após a compensação da potência reativa da carga
indutiva conectada na fase a.
66
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Figura 4.19 - Exemplo de sistemas trifásico desequilibrado: forma de onda da tensão e da corrente na fase
b que alimenta uma carga não linear.
Figura 4.20 - Exemplo de sistemas trifásico desequilibrado: forma de onda da tensão e da corrente na fase
c que alimenta uma carga resistiva.
Figura 4.21 - Amplitude e frequência dos harmónicos de corrente no neutro de um sistema trifásico em
estrela desequilibrado, com carga indutiva e carga não linear.
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67
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
4.3.5.
Thyristor Switched Capacitor e Carga Indutiva Equilibrada em
Triângulo
O Thyristor Switched Capacitor, por ser um equipamento constituído
essencialmente por módulos, pode ser facilmente conectado em estrela ou triângulo.
Neste item apresenta-se a simulação do TSC e de uma carga indutiva conectados em
triângulo. A carga indutiva é basicamente constituída por uma resistência de 2,29 Ω em
série com uma indutância de 12,7 mH e apresenta um fator de potência de 0,53 indutivo.
Uma vez que o sistema de controlo foi desenvolvido para módulos conectados em
estrela, os ângulos de comutação foram redefinidos de modo que as comutações
ocorram nos
das tensões compostas. Assim sendo, os ângulos correspondentes a
cada configuração podem ser consultados na Tabela 2.1.
Tabela 4.1 - Ângulos de comutação dos módulos do Thyristor Switched Capacitor de acordo o tipo da
configuração: Estrela ou Triângulo.
Ângulo de disparo ( )
Ângulo de disparo ( )
Conexão em Estrela
Conexão em Triângulo
TSC
Módulo A/AB:
Módulo B/BC:
Módulo C/CA:
O modelo de simulação que representa a conexão do TSC e da carga indutiva,
conectados em triângulo, pode ser visualizado na Figura 4.22.
ia
ib
ic
Rede Eléctrica
i bc
C3
R
R
L
C1
i ab
L
R
C2
i ca
L
Carga indutiva Conectada
em Triângulo
TSC
Figura 4.22 - Modelo de simulação do Thyristor Switched Capacitor e carga indutiva equilibrada em
triângulo.
68
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Como as cargas estão equilibradas apenas serão apresentadas as formas de onda
da tensão e da corrente na fase a. Na Figura 4.23 pode ser observado o desfasamento
entre a tensão e a corrente antes da compensação da potência reativa. Na Figura 4.24
pode-se observar o desfasamento entre a tensão e a corrente depois da compensação da
potência reativa com o TSC. A potência reativa injetada no sistema elétrico compensa o
fator de potência para 0,97 indutivo, valor que se encontra dentro dos limites na
legislação em vigor em Portugal.
A conexão em triângulo do TSC é comummente feita em sistemas equilibrados.
Uma das vantagens desta conexão é que permite isolar os harmónicos de corrente
múltiplos de 3 (de sequencia zero) do sistema elétrico, uma vez que estes circulam
apenas dentro do triângulo.
Figura 4.23 - Formas de onda da tensão e da corrente na fase no sistema elétrico trifásico com carga
indutiva e carga não linear conectados em triângulo.
Figura 4.24 - Thyristor Switched Capacitor e carga indutiva equilibrada conectada em triângulo: exemplo
da forma de onda da tensão e da corrente na fase depois da compensação da potência reativa.
4.3.6.
Thyristor Switched Capacitor e Carga Indutiva Desequilibrada em
Triângulo
Com esta simulação, pretende-se analisar o funcionamento do equipamento de
compensação conectado em triângulo quando as cargas estão desequilibradas. As cargas
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
conectadas entre as fases (a, b e c) são cargas indutivas constituídas essencialmente por
uma resistência em série com uma indutância. A seguir são listados os valores das
resistências e das indutâncias conectadas entre a fase a e a fase b, entre a fase b e a fase
c e entre a fase c e a fase a.



Fase ab: R= 26,7 Ω e L= 73 mH.
Fase bc: R= 52 Ω e L= 146 mH.
Fase ca: R=52 Ω e L= 255 mH.
Na Figura 4.25, na Figura 4.26 e na Figura 4.27 encontram-se representados os
desfasamentos entre a tensão e a corrente na fase a, na fase b e na fase c antes da
compensação da potência reativa, respetivamente. O valor do fator de potência está
abaixo do limite aceite na legislação em vigor: fase a 0,75, fase b 0,75 e na fase c 0,54.
Figura 4.25 - Exemplo de sistema elétrico trifásico com carga linear em triângulo desequilibrada: tensão e
corrente na fase a.
Figura 4.26 -. Exemplo de sistema elétrico trifásico com carga linear em triângulo desequilibrada: tensão
e corrente na fase b.
70
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Figura 4.27 - Exemplo de sistema elétrico trifásico com carga linear em triângulo desequilibrada: tensão e
corrente na fase c.
O desfasamento entre a tensão e a corrente, depois da compensação da potência
reativa, nas fases a, b e c encontram-se representados respetivamente na Figura 4.28, na
Figura 4.29 e na Figura 4.30.
Como era de esperar, o TSC compensa a potência reativa de modo individual nas
três fases. É de salientar que o fator de potência na fase b foi compensado para 0,89
indutivo e na fase a e na fase c foi compensado para 0,99 indutivo.
Figura 4.28 - Compensação da potência reativa no sistema elétrico trifásico desequilibrado em triângulo
com carga linear: forma de onda da tensão e da corrente na fase a depois da compensação.
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
Figura 4.29 - Compensação da potência reativa no sistema elétrico trifásico desequilibrado em triângulo
com carga linear: forma de onda da tensão e da corrente na fase b depois da compensação.
Figura 4.30 - Compensação da potência reativa no sistema elétrico trifásico desequilibrado em triângulo
com carga linear: forma de onda da tensão e da corrente na fase c depois da compensação.
4.3.7.
Thyristor Switched Capacitor vs Banco de Condensadores com Filtro
Passivo
Após apresentação dos TSC em diferentes situações do sistema elétrico, nesta
secção, apresenta-se a simulação do banco de condensadores e dos filtros passivos. O
objetivo desta simulação é analisar a resposta transitória do banco de condensares em
ambiente com harmónicos e sem harmónicos, e comparar com a resposta do TSC. As
cargas simuladas foram as seguintes: carga indutiva trifásica conectada em estrela e
carga não linear trifásica conectada em estrela. A carga indutiva é constituída por uma
resistência de 5,8 Ω em série com uma indutância de 32,25 mH. A carga não linear é
um retificador trifásico com filtro capacitivo de 1 F e carga resistiva de 26,7 Ω. O
filtro passivo LC está sintonizado para filtragem do 5º harmónico.
O fator de potência da carga linear é de 0,52 indutivo, mas devido à carga não
linear o Displacement Power factor no sistema elétrico é de 0,65, e a corrente na fase é
de 22,18 A indutiva.
O circuito simulado representa um sistema elétrico com um TSC, um banco de
72
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
condensadores, um filtro passivo e uma carga indutiva, como pode ser visualizado na
Figura 4.31.
Rede Eléctrica
L
C
R
L
C1
C2
C3
TSC
Carga indutiva
Banco de condensador com
Filtro Passivo
Figura 4.31 - Modelo simulado do Thyristor Switched Capacitor em paralelo com bancos de
condensadores e filtro passivo para compensação da potência reativa de uma carga indutiva e de uma
carga não linear, em estrela.
O desfasamento entre a tensão e a corrente, numa das fases, quando os bancos de
condensadores se encontram desligados, pode ser visualizado na Figura 4.32 e na Figura
4.33 está representada a amplitude e frequência dos harmónicos de corrente, onde o 5º
harmónico tem amplitude de 4,66 A.
Figura 4.32 - Desfasamento entre a tensão e a corrente na fase a provocado por uma carga indutiva e um
retificador trifásico com filtro capacitivo e carga resistiva, ambos conectados em estrela.
Pode-se observar pela Figura 4.33 que o 3º harmónico é nulo e o 5º harmónico é o
que apresenta maior amplitude dentre os harmónicos na corrente.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
Figura 4.33 - Amplitude e fase dos harmónicos de corrente que a carga não linear injeta no sistema
elétrico.
Após a simulação do sistema elétrico com os bancos de condensadores desligados,
a seguir apresenta-se a compensação da potência reativa com o banco de condensadores
sem filtros passivos. O desfasamento entre a tensão e a corrente numa das fases quando
o banco de condensadores entra em funcionamento pode ser visualizado na Figura 4.34
Figura 4.34 - Compensação da potência reativa com banco de condensadores sem filtro passivo: tensão e
corrente na fase.
Como ilustrado na Figura 4.34 a tensão e a corrente na rede mantém-se em fase
quando o banco de condensadores está ligado. Também se pode observar que a
distorção da forma de onda da corrente tornou-se maior, após ter sido ligado o banco de
condensadores.
A seguir, apresentam-se as formas de onda da tensão e da corrente na rede depois
da compensação da potência reativa e da filtragem do 5º harmónico, feita com base em
bancos de condensadores e filtros passivos. Como pode-se observar na Figura 4.35 os
harmónicos de corrente foram amplificados depois da compensação da potência reativa.
Apesar da distorção harmónica na corrente ser elevada o fator de potência passou a ser
unitário.
74
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Figura 4.35 - Compensação da potência reativa com banco de condensadores com filtro passivo, para
filtragem do 5º harmónico: tensão e corrente na fase.
Na Figura 4.36 encontram-se representadas as amplitudes e as frequências dos
harmónicos na corrente depois da filtragem do 5º harmónico. Como pode ser
visualizado a amplitude do 5º harmónico diminuiu.
Figura 4.36 - Mitigação dos harmónicos de corrente com base em filtros passivo: amplitude e frequência
da fundamental, 5º e 7º harmónicos.
A entrada em funcionamento do banco de condensadores com filtros passivos
provocou transitórios na corrente durante os dois primeiros períodos da rede e aumentou
a distorção harmónica da mesma. Como já foi referido no Capítulo 2 e 3, os bancos de
condensadores são suscetíveis a problemas de ressonância quando as instalações contêm
harmónicos.
As simulações do TSC nas mesmas condições de operação, com carga linear e
carga não linear conectadas em estrela, apresentaram melhor resposta transitória.
4.4. Cargas de Teste para Estudo de Problemas de Qualidade de
Energia Elétrica
Neste item apresentam-se as simulações das Cargas Elétricas para Estudo de
Problemas de Qualidade de Energia. O objetivo destas simulações é exibir os problemas
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
que estas cargas podem causar nas formas de onda da tensão e da corrente no sistema
elétrico. As cargas simuladas são cargas lineares e cargas não lineares como: o TCR, o
retificador monofásico não controlado com filtro capacitivo, o retificador monofásico
controlado e o filtro passivo sintonizado para filtragem dos harmónicos de corrente. Os
problemas de qualidade de energia que estas cargas provocam listam-se a seguir:




O TCR provoca alteração do fator de potência para valores abaixo da
unidade e também harmónicos de corrente quando comutado com ângulo
de disparo superior a 90º (
).
O Retificador monofásico com filtro capacitivo e carga resistiva provoca
harmónicos de corrente no sistema.
O Retificador monofásico controlado e carga resistiva provocam
harmónicos de corrente e notching na tensão do sistema.
O Filtro passivo para filtragem de harmónicos de corrente amplifica os
harmónicos de corrente no sistema.
Na Figura 4.37 encontram-se representadas as cargas simuladas e o nome de
alguns equipamentos capazes de mitigar os problemas que estas cargas injetam no
sistema elétrico.
Carga de Teste ajustável
COMPENSADORES
FAP
FAS
UPQC
Produção de harmónicos de
tensão e de corrente
Produção de harmónicos
de tensão e de corrente
Produção de
Notches
Produção de
Transitório
Figura 4.37 - Exemplo de uma bancada de teste para estudo de problemas de qualidade de energia
elétrica. Tipos de cargas utilizadas para provocarem distorções nas tensões e nas correntes.
O cenário representado na Figura 4.37 é também cada vez mais frequente dentro
das instalações elétricas que requerem um baixo nível de distorção harmónica na tensão
e na corrente. Os equipamentos utilizados para mitigar os problemas de qualidade de
energia são comummente conectados a montante das cargas elétricas, como
representado na Figura 4.37.
O retificador com filtro capacitivo absorve corrente com harmónicos e provoca
harmónicos na tensão. Aproveitando estas caraterísticas, utilizou-se o retificador para
gerar harmónicos de corrente que de forma indireta geram harmónicos de tensão. As
amplitudes dos harmónicos de corrente podem ser ajustadas com base no valor do filtro
76
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
capacitivo ou da corrente absorvida pela carga resistiva. Na Figura 4.38 estão
representadas a forma de onda da corrente e da tensão no lado CA do retificador
monofásico com filtro capacitivo com carga resistiva.
Figura 4.38 - Formas de ondas da corrente e da tensão no lado CA do retificador monofásico não
controlado com filtro capacitivo. Parâmetros da simulação: R = 27 Ω; C = 1500 F; resistência de précarga de 502 Ω.
As formas de onda da tensão e da corrente no lado CA do retificador trifásico com
filtro capacitivo podem ser visualizadas na Figura 4.39 (a), na Figura 4.39 (b) pode ser
visualizada a amplitude e a frequência dos harmónicos na corrente e na Figura 4.39 (c) a
amplitude e a frequência dos harmónicos na tensão.
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
Figura 4.39 - (a) Formas de onda da corrente e da tensão no lado CA do retificador trifásico não
controlado com filtro capacitivo; (b) Amplitude e frequência dos harmónicos de corrente do lado CA; (c)
Amplitude e frequência dos harmónicos de tensão do lado CA. Parâmetros da simulação R = 52 Ω e
C = 1 F.
O retificador a tirístores permite controlar a corrente absorvida pela carga através
da variação do ângulo de comutação dos tirístores. Portanto, a carga de teste
desenvolvida com base neste equipamento, permite variar a distorção harmónica da
tensão e da corrente quando o sistema está a funcionar, de modo seguro, uma vez que
78
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
não é necessário desconectar o sistema para mudar a carga, com intuito de variar a
corrente absorvida.
Na Figura 4.40 (a) podem ser observadas as formas de onda da corrente e da
tensão no lado CA do retificador monofásico controlado de onda completa com carga
resistiva. A amplitude e frequência dos harmónicos de corrente no lado CA estão
representadas na Figura 4.40 (b). O retificador controlado trifásico injeta harmónicos de
corrente de ordem impar na corrente do lado CA, como representado na Figura 4.41 (b).
Na Figura 4.41 (a) estão representadas as formas de onda da corrente e da tensão no
lado CA.
Figura 4.40 - (a) Tensão e corrente no lado CA do retificador controlado com carga resistiva; (b)
amplitude e frequência dos harmónicos de corrente no lado CA. Parâmetros da simulação R = 52 Ω e
ângulo de condução
.
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
Figura 4.41 - (a) Tensão e corrente no lado CA do retificador trifásico controlado com carga LR; (b)
Amplitudes e frequências dos harmónicos de corrente do lado CA. Parâmetros da simulação:
R = 52 Ω;L = 0,1 mH;
.
Como referido no Capítulo 4, o Thyristor Controlled Reactor injecta harmónicos
de corrente no sistema elétrico quando o ângulo de condução é superior a
. Assim
sendo, este equipamento, pode ser utilizado como uma fonte controlada de harmónicos
de corrente por variação o ângulo de condução dos tirístores.
A forma de onda da corrente que o TCR injeta no sistema elétrico para vários
valores dos ângulos de condução encontram-se representadas na Figura 4.42: (a) forma
de onda da corrente para
; (b) forma de onda da corrente para
; (c)
forma de onda corrente para
; (d) forma de onda da corrente para
.
Na Figura 4.43 (a) está representada a amplitude dos harmónicos de corrente
quando o ângulo de condução é igual a 90º, e na Figura 4.43 (b) está representada a
amplitude dos harmónicos de corrente quando o ângulo de condução é igual a 150º.
Como se pode observar para
a corrente é sinusoidal.
80
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Figura 4.42 - Forma de onda da corrente injetada pelo Thyristor Controlled Reactor para diferentes
valores do ângulo de disparo: (a)
; (b)
; (c)
; (d)
. Parâmetros da
simulação: L = 10 mH.
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81
Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudos de Problemas de QEE
Figura 4.43 - Exemplo da amplitude e das frequência dos harmónicos de corrente que o TCR injeta na
rede elétrica: (a) Harmónicos de corrente para
. (b) harmónicos de corrente para
.
4.5. Conclusões
Neste Capítulo foram apresentadas as simulações do Thyristor Switched
Capacitor e das cargas elétricas para estudo de problemas de Qualidade de Energia
Elétrica (QEE).
As simulações começaram por apresentar a estratégia de comutação do Thyristor
Switched Capacitor, no intuito de analisar a mitigação da corrente de inrush, sendo este
um dos parâmetros importantes a mitigar. No que diz respeito à estratégia de controlo
do TSC, foi possível simular todo o algoritmo de controlo através do bloco C.
Constatou-se ao longo das simulações, que o sistema de controlo é relativamente
simples e capaz de eliminar a corrente de inrush para valores que não degradam a
qualidade de energia no sistema elétrico. Verificou-se também que a estratégia de
comutação é praticável e pode ser implementada num microcontrolador de 8 bits. De
modo geral, as simulações do TSC permitiram também compreender melhor o seu
funcionamento para diferentes situações do sistema elétrico. Neste sentido, registou-se
82
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Capítulo 4 – Simulações do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
que a compensação da potência reativa com o TSC, quando a tensão e a corrente no
sistema elétrico são sinusoidais, do ponto de vista do sistema elétrico o equipamento
comporta-se como uma carga puramente linear, pois, o TSC apenas compensa o fator de
potência para a componente fundamental.
No que diz respeito às cargas elétricas para estudo de problemas de qualidade de
energia, foram simuladas algumas cargas elétricas lineares e cargas não lineares,
capazes de provocarem distorções nas formas de onda da tensão e da corrente. As
cargas não lineares simuladas, são soluções de baixo custo, uma vez que os
componentes que usam são relativamente mais económicos quando comparados com
outros semicondutores de potência, além disso, são exequíveis e podem ser facilmente
montadas em bancadas.
Após a apresentação e discussão dos resultados de simulação, com intuito de
comparar os resultados obtidos durante as simulações, com os resultados práticos, no
Capítulo 5 será apresentado o circuito de hardware e o sistema de controlo do TSC
desenvolvido no âmbito desta dissertação, no Laboratório de Eletrónica de Potência da
Universidade do Minho, no Departamento de Eletrónica Industrial.
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83
CAPÍTULO 5
Implementação do Thyristor Switched Capacitor
5.1. Introdução
Como resultado de um trabalho prático realizado no Laboratório de Eletrónica de
Potência e Energia, do Departamento de Eletrónica da Universidade do Minho, no
âmbito desta dissertação foi desenvolvido um Thyristor Switched Capacitor (TSC)
capaz de compensar a potência reativa indutiva num sistema elétrico. O TSC
desenvolvido é capaz de injetar uma corrente de 25 A, valor nominal RMS, desfasada
de
(adiantada) em relação à tensão no sistema elétrico.
Será apresentado neste capítulo, de forma sumária, o hardware do TSC
implementado: o Andar de Potência, o Sistema de Controlo, o Circuito de
Condicionamento de Sinal, a Fonte de Alimentação Contínua e o Circuito de Descarga
dos Condensadores.
Alguns trabalhos intermédios que foram igualmente desenvolvidos ao longo desta
dissertação, na sua componente prática, não serão apresentados de forma isolada, sendo
que estão espelhados no resultado final.
5.2. Diagrama de Blocos do Thyristor Switched Capacitor
O Andar de Potência do TSC é constituído por três módulos de pares de tirístores,
conectados em antiparalelo, cada um em série com um ou mais condensadores, como já
foi descrito no Capítulo 3 e no Capítulo 4.
Na Figura 5.1 encontra-se representado um sistema elétrico com uma carga RL e
com um TSC capaz de compensar a potência reativa do sistema. Em cada fase do
sistema elétrico foi conectado um sensor de tensão e outro de corrente para medirem os
respetivos valores. Com base nestas duas grandezas o sistema de controlo determina a
potência reativa absorvida1 pela carga.
O TSC também já foi apresentado no Capítulo 4, mas, neste item apresenta-se de
forma mais detalhada, uma vez que estão representadas algumas das funcionalidades do
sistema de controlo, como a deteção da passagem por zero da tensão, o bloco de cálculo
do ângulo de comutação, o bloco de aquisição do sinal da tensão e da corrente, o bloco
de comutação dos módulos, e o bloco de enable do circuito de descarga dos
condensadores.
O circuito de descarga dos condensadores é essencialmente constituído por uma
resistência em série com um tirístor. Este circuito funciona como um interruptor
1
A potência reativa indutiva é geralmente denominada como potência absorvida e a potência reativa
capacitiva é denominada como fornecida.
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85
Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
unidirecional que conecta o condensar aos terminais da resistência de descarga.
va
ia
vb
ib
vc
ic
Carga Indutiva
Neutro
ADC
SH A
ADC
SH B
Ângulo de
comutação
a
b c
Detector de
zero
Circuito de
enable
enable
descraga
Sistema de Controlo
C1
R1
Módulo fase a
C2
R
2
Módulo fase b
C
3
R
3
Módulo fase c
Figura 5.1 - Diagrama de bloco do Thyristor Switched Capacitor com os sinais de controlo representados.
5.2.1.
Constituição dos Módulos do Thyristor Switched Capacitor
O semicondutor interruptor usado para desenvolver os módulos dos TSC foi o
tirístor BT152 fabricado pela Philips Semiconductors, com capacidade de bloqueio de
800 V de tensão ânodo cátodo ( ) e corrente nominal de 20 A RMS. Na Figura 5.2
estão representados o pinout do tirístor e a curva característica da corrente em função da
temperatura da junção, respetivamente.
Figura 5.2 - (a) Pinout do tirístor usado na constituição dos módulos; (b) Gráfico da variação da corrente
nominal em função da temperatura.
Como pode ser observado na Figura 5.2 (b) o máximo valor RMS da corrente
permitido mantém-se constante para temperaturas inferiores a 103 ºC e para valores
superiores a 103 ºC a corrente começa a decrescer. Para garantir que a temperatura dos
semicondutores permanece dentro dos valores recomendados os módulos foram
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
montados sobre um dissipador.
A cada módulo do TSC está associado um circuito de comando que ativa ou
desativa as gates dos tirístores, responsáveis pela comutação dos condensadores à rede
elétrica. Com intuito de isolar o sistema de controlo e o andar de potência o circuito de
interface entre os dois sistemas foi desenvolvido com base em optoacopladores rápidos.
O optoacoplador usado foi o MOC3052 fabricado pela FAIRCHILD Semiconductor.
Este optoacoplador é constituído internamente por um TRIAC e permite operar com
tensões de 240 V RMS em regime permanente. Uma das vantagens que apresenta é a
gama de rejeição interna do ruído, que garante que o ruído provocado durante as
comutações das cargas indutivas e dos transitórios na rede elétrica não provoca
comutações indesejadas [59]. Na Figura 5.3 (a) encontra-se representado o esquema
elétrico do optoacoplador usado e na Figura 5.3 (b) a curva normalizada da corrente.
Como ilustra o gráfico a corrente de normalização mantém-se constante para variações
de tensão de até 1000 V/ .
Dado que o circuito de comutação dos tirístores não faz parte do andar de potência
este será apresentado posteriormente no item 5.2.2.
Figura 5.3 - (a) Esquema elétrico do optoacoplador MOC3052; (b) Curva da corrente de gate normalizada
[59].
Na Figura 5.4 pode-se observar o aspeto final de um dos módulos desenvolvidos.
Para proteger os tirístores contra sobretensões foram conectados dois varístores de
350 V em paralelo entre o cátodo e o ânodo. O circuito de snubber2 é constituído
essencialmente por uma resistência 100 Ω e um condensador poliéster de 100 nF. Os
condensadores utilizados para produzir potência reativa são de polipropileno fabricados
pela ECOFILL [60]. Estes condensadores apresentam uma gama de valores entre 1,5 F
2
Os circuitos snubber são circuitos auxiliares à comutação que têm como finalidade proteger os
semicondutores, neste caso os tiristores, de elevadas taxas de variação da tensão (dv/dt) e da corrente.
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
e 70 F.
Figura 5.4 - Aspeto final de um dos módulos de Thyristor Switched Capacitor desenvolvido.
5.3. Sistema de Controlo
Neste item apresentam-se as partes que compõem o sistema de controlo
desenvolvido.
O
sistema
de
controlo
é
desenvolvido
no
microcontrolador
PIC32MXX512L fabricado pela Microchip, e apresenta as seguintes características:
Unidade de Processamento Central (UPC)

Processador de 32 bits de alta performance com arquitetura RISC.




MIPS32 M4K núcleo de 32 bits com pipeline com 5 estágios.
Frequência máxima de relógio de 80 MHz.
Acesso a memória flash com 1.56 DMIPS/MHz sem tempos de espera.
Multiplicações realizadas num único cíclico de operação e divisões com
alta performance.

Permite configurações no modo Kernel e modo user para sistemas
embebidos robustos.
Dois bancos de registos de 32 bits para reduzir o tempo da latência das
interrupções.
Módulo de memória cache para aumentar execução da memória flash.


Caraterísticas do Microcontrolador

Tensões de operação entre 2,6 V a 3,3 V.


Dependendo do modelo a memória flash vária de 32KBytes a 512KBytes.
Dependendo do modelo a memória SRAM varia de 8KBytes a 32KBytes.

Múltiplos vetores de interrupção com diferentes níveis de prioridades.
Caraterísticas dos Periféricos Analógicos do Microcontrolador

Possui um circuito de ADC de 10 bits de resolução com taxa de
amostragem de 500 ksampes/s e 16 canais de leitura multiplexados entre

88
dois circuitos de Sample and Hold.
Dois comparadores analógicos.
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
O circuito de condicionamento de sinal e o circuito de medições de tensões e
correntes desenvolvidos são circuitos auxiliares do sistema de controlo, embora sejam
apresentados em secções diferentes. Na Figura 5.5 encontra-se representado o diagrama
de bloco do PIC32XXM521L.
Figura 5.5- Representação do diagrama de bloco do PIC32MXX512L utilizado para desenvolver o
Sistema de Controlo [61].
Na Figura 5.6 pode-se observar a placa de desenvolvimento do microcontrolador e
o circuito impresso que permite a expansão dos portos e a adição de periféricos, também
desenvolvidos pela Microchip.
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
Figura 5.6 - Placa de desenvolvimento da Microchip PIC32MXX512L, utilizada para desenvolver o
Sistema de Controlo.
5.3.1.
Software Utilizado para Programar o Microcontrolador
Para o desenvolvimento do código em linguagem de programação C foi utilizado
o software MPLAB versão 8.66, e o Compilador MPLAB C32, ambos desenvolvidos
pela Microchip. Na Figura 5.7 encontra-se representado o ambiente de desenvolvimento
do MPLAB onde foi escrito o código.
O MPLAB é uma ferramenta de programação que permite fazer a depuração do
código e analisar o estado das variáveis em tempo real.
Figura 5.7 - Ambiente de desenvolvimento de código em linguagem C e em linguagem assembler do
MPLAB versão 8.6.
5.3.2.
Tarefas Executadas pelo Microcontrolador
O microcontrolador faz amostragem dos sinais da tensão e da corrente a uma
frequência superior à frequência da rede elétrica (50 Hz). Para eliminar o aliasing,
90
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
segundo o teorema de Nyquist, a frequência de amostragem deve ser no mínimo duas
vezes maior que a frequência do sinal a medir, neste caso a frequência de amostragem
selecionada é de 20 kHz e o período de amostragem é de 50 . Isto corresponde a 400
amostras num único cíclico da rede elétrica (20 ms). Com base nas amostras dos valores
da tensão e da corrente, calcula-se a tensão RMS, a corrente RMS, a potência aparente,
a potência ativa, a potência reativa e o fator de potência.
A seguir listam-se as equações discretas utilizadas para calcular as grandezas
elétricas anteriormente mencionadas:

A equação (5.1) é utilizada para calcular o valor RMS da corrente.





A equação (5.2) é utilizada para calcular o valor RMS da tensão.
A equação (5.3) é utilizada para calcular a potência aparente.
A equação (5.4) é utilizada para calcular a potência ativa.
A equação (5.5) é utilizada para calcular a potência reativa.
A equação (5.6) é utilizada para calcular o fator de potência.
Nas equações (5.1), (5.2) e (5.4) a variável N corresponde ao número das amostras
da tensão e da corrente retirada durante um período da rede.
(5.1)
(5.2)
(5.3)
(5.4)
(5.5)
(5.6)
As rotinas implementadas no sistema de controlo encontram-se representadas de
forma gráfica passo a passo na Figura 5.8, respetivamente.
Também foram representados alguns dos periféricos utilizados, como o ADC, os
canais de entrada das tensões e das correntes, e um dos pinos configurados para gerar
uma interrupção externa, que tem como principal função detetar a passagem por zero da
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91
Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
tensão.
PIC32MXX512L
3
3
4
GATE ON
S  v a * ia
ia 

N
0
ADC
2
i
v a   0 ADC v
N
2
ADC
ADC
v
2
v 1
SIM
N
1
P   0 ADCv * ADCi
N
Q  ADCv * ADCi  ADCi * ADCv
TSC_fase a
TSC_fase b
Q>50
NÃO
N
ADC v
N
ADC
TSC_fase c
GATE OFF
ADC
1
5
ESTRATEGIA DE
COMUTAÇÃO
PORTD.BIT
RD0==1
ADC SHA
va vb vc
ADC SHB
i a ib
ic
Pinout
va
Figura 5.8 - Representação gráfica passo a passo das rotinas do software de controlo desenvolvido no
PIC32MXX512L.
1 - Amostragem das tensões e das correntes.
2 - Filtragem.
3 - Cálculo das potências na rede elétrica.
4 - Implementação da lei de controlo ON/OFF.
5 - Deteção da passagem por zero e implementação da estratégia de comutação.
A deteção da passagem por zero da tensão pode ser feita por software ou por
hardware. Nesta dissertação foram implementadas as duas técnicas para detetar a
passagem por zero da tensão.
O fluxograma do algoritmo que deteta a passagem por zero da tensão por software
pode ser visualizado na Figura 5.9.
Na primeira leitura do ADC o resultado da conversão é armazenado numa
variável temporária e multiplicado pelo resultado da segunda conversão. Caso o
resultado seja negativo conclui-se que ocorreu uma passagem por zero com um atraso
igual ao tempo da aquisição das amostras, neste caso igual a 50 s.
92
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
Inicio da
rotina
Declaração das variáveis de controlo
Flag_test=0
p_zero=0
V_1=0
V_2=0
Configuração do ADC
Não
Flag_test=0
Sim
Lê a tensão e
armazena o valor lido
na variável V_1
Incrementa o valor da
variável Flag_test
Lê a tensão e
armazena o valor lido
na variável V_2
P_zero= V_1*V_2
V_1=V_2
Não
Sim
p_zero<0
Passagem por zero
detectada
Fim
Figura 5.9 - Fluxograma do algoritmo da deteção da passagem por zero da tensão implementado por
software.
5.4. Circuito de Medição de Tensões e Correntes
O circuito de medição das tensões e das correntes utilizado garante o isolamento
galvânico entre a rede elétrica e o circuito de condicionamento de sinal. O mesmo é
desenvolvido com base em sensores de efeito Hall. Os sensores de efeito Hall utilizados
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
apresentam as suas saídas do lado do secundário em corrente. Estando por isso
imunizados quanto ao ruído eletromagnético gerado.
Para a medição da corrente foi usado o sensor LA 55-P fabricado pela LEM. Este
sensor é alimentado em tensão contínua com valores compreendidos entre +15 V e -15 V,
e é capaz de medir até 50 A RMS. Optou-se por este sensor pelo seguinte motivo: o
valor da corrente máxima que é capaz de medir é superior ao valor da corrente que se
pretende medir em cada fase do sistema elétrico, e além disso apresenta elevada
linearidade, e erro em fim de escala de apenas
.
A relação de conversão do sensor de corrente é de 1:1000, pelo que, quando a
corrente que circula no primário é igual a 50 A, a corrente no secundário é de 50 mA.
Uma vez que a saída do sensor é em corrente, esta deve ser convertida em tensão
quando se deseja medir o valor com um ADC. A conversão da corrente de saída em
tensão é feita através da lei de Ohm. A resistência de leitura ( ) é dimensionada com
base no valor da corrente que circula no secundário e do valor máximo da tensão que se
deseja à entrada do ADC. Porém, o fabricante delimita o valor máximo e o mínimo da
resistência de leitura em função da tensão de alimentação do sensor. É de salientar que à
entrada deste sensor são comummente conectados condensadores cerâmicos para
filtragem do sinal. Na Figura 5.10 pode-se visualizar a estrutura do sensor de corrente
LA 55 - P e o seu respetivo esquema de ligação.
+
-
LA 55 - P
iS
RM
Figura 5.10 - Sensor de corrente de efeito Hall LA 55 – fotografia e respetivo esquema de ligação.
Para a medição da tensão foi utilizado o sensor LV 20 – P, também fabricado pela
LEM. O princípio de funcionamento deste sensor consiste na conversão da tensão à
entrada do sensor em corrente, através de uma resistência ( ) conectada no lado do
primário. A resistência do primário deve ser selecionada pelo utilizador de modo à
corrente no primário não ultrapassar o valor nominal de 10 mA. Na ficha do fabricante
encontram-se listados os valores recomendados para as resistências de medida em
função da corrente no secundário. O cálculo da resistência de medida é semelhante ao
cálculo da resistência de medida do sensor de corrente, sendo que a única diferença está
na relação de transformação que neste caso é de 2500:1000 (ou seja 2,5:1).
A Figura 5.11 exibe uma imagem da estrutura do sensor de tensão de efeito Hall
LV 20 – P e do seu respetivo esquema de ligação.
94
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
R1
LV 20 - P
R
M
Figura 5.11 - Sensor de tensão de efeito Hall e respetivo esquema de ligação.
5.5. Circuito de Condicionamento de Sinal
Os circuitos de condicionamento de sinal são circuitos eletrónicos alimentados em
corrente contínua. Estes circuitos ajustam os valores da tensão à entrada do
microcontrolador, de modo a corresponderem com os valores exatos dos circuitos de
driver e do próprio microcontrolador, respeitando os valores recomendados pelos
fabricantes. Exemplos disso são os sinais à entrada do microcontrolador que devem ser
ajustados para 3,3 V, valor nominal de funcionamento convencionado pelo fabricante.
Uma vez que o ADC do microcontrolador PIC32MXX512L não é bipolar,
adicionou-se um valor de offset à tensão e à corrente a saída dos sensores, com intuito
de ajustar os sinais à entrada do circuito de Sample and Hold do ADC para valores
compreendidos entre 0 V e 3,3 V. Estes valores correspondem aos valores máximo e
mínimo admissíveis pelo microcontrolador.
O circuito de offset, foi desenvolvido com base no amplificador operacional
LM324N, e as resistências de ganho à entrada são selecionadas de modo a obter-se
ganho unitário. Garantiu-se também que a tensão na entrada do circuito de Sample and
Hold do ADC não ultrapassa o limite superior admissível, conectando-se um díodo
zener em paralelo com a saída. Na Figura 5.12 pode-se observar que a tensão a saída do
sensor e a tensão de offset são somadas através da entrada não inversora do LM324N.
Legenda:
- tensão a saída do sensor.
- offset adicionado a tensão a saída do sensor.
- tensão de entrada do circuito de ADC.
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
v1
100K
V2
100K
100K
LM324N
vo
3.5V
100K
100K
100K
Figura 5.12 - Circuito de offset implementado para garantir que os sinais de tensão e corrente a entrada do
ADC variam entre o máximo e o mínimo admissível.
O offset adicionado ao sinal, após a conversão do sinal analógico em digital é
removido por software de modo a não introduzir erros nos cálculos. Na Figura 5.13 está
representado o diagrama de blocos que apresenta a eliminação do offset por software e a
filtragem do mesmo.
Antes dos valores instantâneos serem armazenados num vetor de tamanho
constante, é filtrado o ruído que o próprio ADC introduz, pelo fato de apresentar um
erro de leitura de ½ do bit menos significativo. O filtro digital utiliza a média aritmética
dos valores instantâneos da tensão ou da corrente para calcular o valor do ruído
introduzido no sinal.
Figura 5.13 - Representação do diagrama de blocos da eliminação do offset por software.
Na Figura 5.14 encontram-se representadas as formas de onda da tensão antes e
depois de adicionado o offset. A sinusóide vermelha representa a tensão à saída do
sensor com valor médio nulo, e a sinusóide azul representa a tensão à entrada do ADC
depois de ser adicionado o offset.
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
Figura 5.14 - Exemplo da forma de onda da tensão à saída do sensor e a entrada do circuito de ADC.
O circuito que faz a deteção da passagem por zero da tensão, por hardware, é
desenvolvido com base no comparador LM339N. Para garantir que este circuito não
introduza offset na tensão, a impedância de entrada da porta inversora deve ser de
10 MΩ. Uma vez que o comparador LM339N é do tipo coletor aberto conectou-se à sua
saída uma resistência de 10 kΩ. Na Figura 5.15 encontra-se representado o circuito de
deteção da passagem por zero da tensão implementado por hardware.
Figura 5.15 - Circuito detetor da passagem por zero da tensão implementado com o comparador LM339.
A deteção da passagem por zero da tensão ocorre sempre que o sinal na entrada
não inversora for menor ou igual a zero. Deste modo, obtém-se na saída uma onda
quadrada com duty-cycle de 50 %. Na saída do circuito detetor de zero foi conectado um
díodo zener para limitar a tensão em 3,3 V. Na Figura 5.16 podem ser observadas as
formas de onda da tensão à saída do sensor, e a onda quadrada que representa os
instantes em que a mesma passa por zero.
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
Figura 5.16 - Formas de onda da tensão à entrada e à saída do circuito detetor de zero.
Com base nos resultados obtidos das duas montagens observou-se que a diferença
entre as duas formas de deteção da passagem por zero, hardware e software, em termos
de precisão da deteção é nula. Porém, a deteção da passagem por zero por software tem
a vantagem de reduzir o hardware associado ao circuito de condicionamento de sinal.
Assim sendo, optou-se por usar a deteção da passagem por zero da tensão por software.
Na Figura 5.17 é possível observar o aspeto final do circuito de condicionamento
de sinal. Este circuito foi desenvolvido para funcionar no máximo com três tensões e
três correntes, e permite fazer a deteção da passagem por zero da tensão de uma das
fases por hardware.
Figura 5.17 - Circuitos de condicionamento de sinal desenvolvido para sistemas trifásicos com detetor de
zero por hardware.
Como já foi referido anteriormente, o circuito de condicionamento de sinal e o
circuito de medição da tensão e da corrente são alimentados através de uma fonte de
tensão contínua. A fonte de tensão contínua foi desenvolvida com base num
transformador de 230 V para 12 V a 50 Hz e numa ponte retificador a díodos. Para
filtragem das ondulações na tensão, após a retificação, foram conectados dois
condensadores na saída do circuito retificador. Para garantir que a tensão à saída se
98
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Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
mantém entre os valores estipulados. Foram conectados dois reguladores de tensão
LM7815, um para ajustar a tensão negativa e o outro para a tensão positiva. As
caraterísticas do regulador de tensão LM7815 estão listadas a seguir:

Tensão máxima de entrada 35 V;



Corrente máxima de saída 1 A;
Tensão de saída 15 V;
Temperatura máxima da junção 150 ºC.
Para proteger a fonte contra curto-circuitos conectou-se um fusível rápido de 3 A
do lado AC. Como ilustrado na Figura 5.18 a fonte de alimentação contínua fornece
duas tensões fixas de +15 V e -15 V. O aspeto final da fonte de tensão contínua pode ser
visualizado na Figura 5.19.
+15V
1
15,33
1400uF
230V/50Hz
1400uF
-15V
Figura 5.18 - Fonte de alimentação de corrente contínua para alimentação do circuito de condicionamento
de sinal e do circuito de medições de tensões e correntes.
Figura 5.19 - Aspeto final da fonte de tensão contínua utilizada para alimentar os circuitos de
condicionamento de sinal.
5.6. Circuito de Comando
O circuito de comando é responsável pelo ajuste do sinal de enable enviado pelo
microcontrolador para ativar as gates dos tirístores.
Para ativar as gate dos tirístores e isolar o sistema de controlo do andar de
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99
Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
potência, foi desenvolvido um circuito de comando constituído pelo circuito integrado
NE555 fabricado pelo Texas Instruments, e como já foi referido anteriormente, o
circuito de comando e o andar de potência encontram-se isolados através de
optoacopladores.
O NE555 está configurado para gerar um delay capaz de aumentar a duração do
pulso de gate. O tempo associado ao delay é ajustado com base no valor de uma
resistência e de um condensador. Para ajustar a tensão a saída dos pinos do
microcontrolador para 5V foi utilizado o circuito schmitt trigger CD40106B.
Na Figura 5.20 encontra-se representado a configuração do circuito de comando
para um dos módulos com as entradas e as saídas descriminadas.
VD
8
4
PIC32MXX512L
2
R
5
5
5
7
6
3
1
5
C
R
Figura 5.20 - Circuito de comando com ajuste do tempo da duração do pulso.
Uma vez que o tempo de duração do sinal de comando é gerido por hardware, isto
permite maximizar o tempo de processamento, dado que não é necessário recorrer ao
software para executar uma rotina de temporização.
É possível ser observado na Figura 5.21 o diagrama de blocos do sistema de
comando e a respetiva representação dos sinais de gate à saída do microcontrolador.
Isolamento
óptico
PORTD
Vcc1
3,3 V
5V
RD1
RD2
RD3
Gate_A
C
D
4
0
1
0
6
B
RD4
NE555
Gate_B
Andar de
Potência
Delay
Gate_C
Gate_C
GND
MCU
Figura 5.21 - Diagrama de blocos do sistema de comando e representação dos sinais de gates à saída do
microcontrolador.
100
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 5 – Implementação do Thyristor Switched Capacitor
Conclusão
Neste capítulo, foi descrito o hardware e o sistema de controlo associado ao TSC
implementado. Uma vez que neste capítulo apenas foram abordados aspetos
relacionados à implementação, os resultados experimentais obtidos serão apresentados
no próximo capítulo. Porém, é de salientar que, embora o TSC, do ponto de vista da sua
estrutura eletrónica, aparente tratar-se de um equipamento não tão complexo, a parte de
controlo que implementa a estratégia de comutação e o cálculo das potências na rede
elétrica representou 70% do tempo útil dedicado ao projeto.
As rotinas que realizam os cálculos do sistema de controlo foram escalonadas de
modo a ocorrerem dentro do período de amostragem. Deste modo, garante-se uma
precisão dos resultados com erro na ordem das décimas.
Apesar da otimização do software não ser trivial, dado o número de variáveis de
estado e rotinas do programa, a atualização dos valores das potências com base no
algoritmo da janela deslizante mostrou-se ideal na redução dos tempos de execução dos
cálculos.
Os sensores de corrente e de tensão utilizados, fabricados pela LEM, apresentam
elevada imunidade ao ruído e um circuito de ligação relativamente simples.
De modo geral, se pode afirmar que a implementação do TSC realizada nesta
dissertação não está restritamente associada a aplicações de Eletrónica de Potência, mas
sim a aplicações de conhecimentos multidisciplinares adquiridos ao longo do curso,
nomeadamente: Eletrónica de Potência, Sistemas Embebidos, Eletrónica Analógica,
Instrumentação e Medidas, Controlo Automático e Processamento de Sinal.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
101
CAPÍTULO 6
Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas
para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
6.1. Introdução
Após apresentação e descrição do TSC (Thyristor Switched Capacitor) e das
cargas elétricas para estudo de problemas de QEE (Qualidade de Energia Elétrica), no
Capítulo 5, neste capítulo são apresentados os resultados experimentais obtidos.
Como tal, apresentam-se os resultados experimentais do TSC a funcionar com três
módulos de compensação, e as formas de onda da tensão e da corrente no lado AC das
cargas elétricas para estudo de problemas de qualidade de energia elétrica.
Na Figura 6.1 se pode visualizar a bancada de trabalho onde se desenvolveu o
TSC e as três cargas indutivas necessárias para realização dos ensaios.
Figura 6.1 - Bancada de trabalho e ambiente de desenvolvimento do TSC e das cargas RL utilizadas para
realizar os ensaios.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Eléctricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
103
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
6.2. Resultados Experimentais do TSC a Compensar a Potência
Reativa
Os resultados experimentais apresentados exibem a compensação da potência
reativa com base no TSC. Essencialmente apresenta-se a tensão e a corrente na fase
antes e depois da compensação. Os ensaios do TSC foram realizados com três cargas
RL (carga A, carga B e carga C) constituídas por indutâncias e resistências, com as
seguintes características:

Carga A: constituída por uma resistência de 26,7 Ω em paralelo com uma
indutância de 73 mH, que apresenta um fator de potência de 0,77.


Carga B: constituída por uma resistência de 26,7 Ω em paralelo com uma
indutância de 255 mH, que apresenta um fator de potência de 0,83.
Carga C: constituída por uma resistência de 26,7 Ω em paralelo com uma
indutância de 328 mH, que apresenta um fator de potência de 0,59.
Na Figura 6.2 pode-se observar a estrutura das indutâncias utilizadas para formar
as três cargas indutivas.
Figura 6.2 - Indutâncias utilizadas para compor os três tipos de cargas RL utilizadas durante a fase dos
ensaios.
Foi utilizado o osciloscópio YOKOGAWA DL708E e o Monitorizador de
Qualidade de Energia FLUKE 43B para se registarem as formas de onda da tensão e da
corrente na rede, antes e depois de se compensar a potência reativa com o TSC.
6.3. Resultados Experimentais
De modo a que a potência reativa injetada pelo módulo A compense o fator de
potência da carga A, a do módulo B compense o fator de potência da carga de B e a
potência reativa injetada pelo módulo C compense o fator de potência da carga C tevese de baixar a tensão de alimentação do sistema para 50 V a 50 Hz. Porém, com intuito
de mostrar que o equipamento de compensação é capaz de funcionar com outras tensões
se realizou um outro ensaio onde o TSC funciona com uma tensão de alimentado a
200 V.
Os ensaios começaram com uma carga puramente resistiva conectada, e de forma
gradual foi-se introduzindo cargas indutivas com intuito de provocar o desfasamento
104
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
entre a tensão e a corrente no sistema.
6.3.1.
Carga Indutiva A Conectada ao Sistema Elétrico
Na Figura 6.3 é possível visualizar o desfasamento entre a tensão e a corrente
provocado pela carga A antes da compensação do fator de potência.
Figura 6.3 - Desfasamento entre a tensão e a corrente no sistema elétrico provocado pela carga A.
Na Figura 6.4 encontram-se representadas as formas de onda da tensão e da
corrente em regime permanente, depois da compensação da potência reativa. É possível
visualizar os harmónicos de corrente que surgem quando os condensadores são ligados
à rede, devido aos harmónicos da tensão da rede elétrico. Também é possível observar
que, apesar da distorção da forma de onda da corrente e da tensão, o fator de potência
foi compensado para 0,98 indutivo.
Figura 6.4 - Forma de onda da tensão e da corrente na rede quando estão conectadas a carga A e o TSC.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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105
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
6.3.2.
Carga Indutiva B Conectada ao Sistema Elétrico
No segundo ensaio foi desconectada a carga A e conectada a carga B. O
desfasamento entre a tensão e a corrente provocado pela carga B pode ser visualizado na
Figura 6.5.
Figura 6.5 - Desfasamento entre a tensão e a corrente no sistema elétrico provocado pela carga B.
Como se verificou no primeiro ensaio, a ligação do TSC aumenta os harmónicos
de corrente, que indiretamente aumentam a distorção harmónica da tensão. Apesar desta
situação, o fator de potência neste caso foi compensado para 0,96 indutivo. A distorção
harmónica da tensão e da corrente devido a conexão do TSC e da carga B podem ser
observadas na Figura 6.6.
Figura 6.6 - Forma de onda da tensão e da corrente na rede quando estão conectadas o TSC e a carga B.
106
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 6 – Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
6.3.3.
Carga Indutiva C Conectada ao Sistema Elétrico
Antes de ser conectada a carga C desconectou-se a carga B do sistema elétrico. As
formas de onda da tensão e da corrente depois da conexão desta carga encontram-se
representadas na Figura 6.7. O único problema de QEE que esta provoca é o
desfasamento entre a tensão e a corrente no sistema elétrico.
Figura 6.7 - Desfasamento entre a tensão e a corrente no sistema elétrico provocado pela carga C.
Para compensar o desfasamento entre a tensão e a corrente também foi conectado
um dos módulos do TSC capaz de compensar o fator de potência para 0,90 indutivo. A
comutação do TSC, embora tenha melhorado o fator de potência amplificou os
harmónicos de corrente, que indiretamente provocaram um aumento da distorção
harmónica da tensão. As formas de onda da tensão e da corrente depois da ligação do
TSC encontram-se exibidas na Figura 6.8.
Figura 6.8 - Forma de onda da tensão e da corrente na rede elétrica quando conectados o TSC e a carga C.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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107
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
6.4. Ensaio do TSC com Tensão de Alimentado de 200 V
Para realização deste ensaio foi utilizada uma carga RL constituída por uma
resistência de 26,7 ῼ em série com uma indutância de 73 mH, esta carga apresenta um
fator de potência de 0,75 indutivo. As formas de onda da tensão e da corrente no sistema
elétrico antes de ser ligado o TSC podem ser observadas na Figura 6.9 (a) e quando
conectado o TSC e a carga podem ser observas na Figura 6.9 (b). Apesar da distorção
harmónica da corrente devido a ligação do TSC o fator de potência fica unitário.
Figura 6.9 - Forma de onda da tensão e da corrente no sistema elétrico depois da compensação da
potência reativa com o TSC alimentado a 200 V.
6.5. Resultados Experimentais das Cargas Elétricas para Estudo de
Problemas de QEE
Os resultados experimentais referentes aos problemas de QEE que as cargas não
lineares desenvolvidas provocam apresentam-se em seguida. As formas de onda que são
exibidas ilustram a distorção da forma de onda da tensão e da corrente antes e depois
das cargas não lineares serem conectadas no sistema elétrico. Na Figura 6.10 (a) se pode
visualizar a forma de onda da tensão no sistema elétrico quando a corrente é igual a
zero.
Figura 6.10 - (a) Forma de onda da tensão na fase quando a corrente é nula, (b) valor do THD e da
amplitude dos harmónicos da tensão.
108
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 6 – Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
As formas de onda da tensão e da corrente no sistema, quando conectada uma
carga não linear, constituída por um retificador monofásico de ponte completa com
filtro capacitivo de 177,7 F e com carga resistiva de 100 ῼ podem ser visualizadas na
Figura 6.11.
Figura 6.11 - (a) Forma de onda da tensão quando conectado um retificador monofásico com filtro
capacitivo e carga resistiva; (b) Forma de onda da corrente absorvida pelo retificador monofásico com
filtro capacitivo e carga resistiva.
Na Figura 6.12 estão representadas as formas de onda da tensão e da corrente em
simultâneo. Como pode ser observado, é nos picos de corrente que a onda da tensão
apresenta a maior distorção.
Figura 6.12 - Forma de onda da tensão e da corrente no lado CA do retificador monofásico e ponte
completa com filtro capacitivo e carga resistiva.
O valor do THD e da amplitude dos harmónicos da tensão e da corrente depois de
conectado o retificador encontram-se listados na Figura 6.13 (a) e Figura 6.13 (b),
respetivamente.
Como foi referido no Capítulo 2 devido aos harmónicos de corrente que o
retificador absorve, o fator de potência deixa de ser unitário. Neste caso o fator de
potência é de 0,68.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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109
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Figura 6.13 - Valor do THD e da amplitude dos harmónicos da tensão provocados por um retificador com
filtro capacitivo. (b) Valor do THD e da amplitude dos harmónicos da corrente absorvida pelo retificador.
Figura 6.14 - Valor da potência ativa, da potência aparente, da potência reativa, do fator e do ângulo de
desfasamento entre a tensão e a corrente, associados ao retificador com filtro capacitivo.
Após a apresentação dos resultados experimentais do retificador com filtro
capacitivo e carga resistiva, apresentam-se os resultados experimentais do retificador
monofásico e ponte completa e carga RL. A carga RL é constituída por uma indutância
de 146 mH conectada em série com uma resistência de 100 Ω. Esta carga também
absorve corrente com harmónicos e provoca distorção na tensão. Na Figura 6.15 (a)
pode ser observada a forma de onda da corrente absorvida pelo retificador, e na Figura
6.15 (b) a forma de onda da tensão e da corrente no sistema.
Figura 6.15 - (a) Forma de onda da corrente na entrada do retificador com carga RL. (b) Forma de onda
da tensão e da corrente na entrada do retificador.
110
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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Capítulo 6 – Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
O valor do THD e da amplitude dos harmónicos da tensão, provocados pelo
retificador, neste caso, podem ser visualizados na Figura 6.16 (a) e na Figura 6.16 (b) a
THD e a amplitude dos harmónicos da corrente.
Figura 6.16 - (a) Valor do THD e da amplitude dos harmónicos da tensão provocado por um retificador
monofásico com carga RL; (b) Valor do THD e da amplitude dos harmónicos da corrente.
Na Figura 6.17 encontram-se listados os valores das potências e do desfasamento
entre a tensão e a corrente na rede depois de conectado o equipamento.
Figura 6.17 - Valor da potência ativa, da potência aparente, da potência reativa, do fator de potência e do
desfasamento entre a tensão e a corrente, associados ao retificador monofásico e carga RL.
6.6. Conclusão
Neste capítulo foram apresentados os resultados experimentais do Thyristor
Switched Capacitor a funcionar com três módulos de compensação, e três cargas RL
conectadas ao sistema elétrico. As três cargas RL foram conectadas ao sistema elétrico
de forma sequencial, com intuito de se observar a variação da distorção harmónica da
corrente e da tensão em função do valor da corrente que o equipamento de compensação
injeta para corrigir o fator de potência.
Uma vez que as cargas de teste apresentavam valores diferentes de potência
reativa, também foi possível mostrar a compensação do fator de potência para 0,90, 0,94
e 0,98 indutivos.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
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111
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do TSC e das Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de QEE
Através das formas de onda da tensão e da corrente, antes e depois da
compensação do fator de potência, foi possível registar que a compensação da potência
reativa com o TSC, devido aos harmónicos na tensão, provoca harmónicos na corrente.
Também como já foi referido no Capítulo 2, os harmónicos de corrente provocam
harmónicos na tensão, neste sentido, a entrada em funcionamento do TSC além de
produzir harmónicos na corrente, aumenta a distorção harmónica da tensão.
112
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
CAPÍTULO 7
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
7.1. Conclusões
Nesta Dissertação, foi implementado e testado um Thyristor Switched Capacitor
(TSC), assim como cargas elétricas para estudo de problemas de qualidade de energia.
Estes equipamentos foram desenvolvidos com intuito de serem testados com um UPQC
(Condicionador Unificado de Qualidade de Energia Elétrica), que está a ser
desenvolvido no âmbito do doutoramento do Eng.º Gabriel Pinto, cujos trabalhos de
implementação e desenvolvimento da UPQC estão a decorrer no Laboratório de
Eletrónica de Potência e Energia da Universidade do Minho.
O Thyristor Switched Capacitor apresenta algumas vantagens relativamente aos
bancos de condensadores, com realce para a mitigação da corrente de inrush e do
algoritmo de controlo que permite ajustar o fator de potência para uma gama de valores
pré definidos de forma dinâmica. Quanto aos problemas de Qualidade de Energia
Elétrica, estes equipamentos amplificam os harmónicos de corrente no sistema elétrico.
No Capítulo 2, o estudo versou sobre os problemas de Qualidade de Energia
Elétrica, e com base nas pesquisas, conclui-se que o aumento das cargas não lineares em
ambientes resistências, de escritórios e industriais, tem sido uma das fontes dos
problemas de qualidade de energia, comummente, dos harmónicos de corrente e de
tensão.
A norma europeia EN 50160-2007 e a recomendação do IEEE 519-1992
convencionam limites para a distorção harmónica da corrente e da tensão no ponto de
acoplamento comum, que visam proteger todos os equipamentos conectados ao mesmo
ponto.
A Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos (ERSE) convenciona o valor do
limite do fator de potência nas instalações de Média Tensão (MT), Alta Tensão (AT) e
Muito Alta Tensão (MAT) em 0,93. Esta medida visa reduzir as perdas nos condutores
e maximizar a capacidade de transmissão das linhas. É de salientar que a compensação
do fator de potência para valores perto da unidade representa uma gestão adequada da
potência contratada e melhora a estabilidade do sistema elétrico.
No Capítulo 3 foram apresentados equipamentos comummente usados para
compensação da potência reativa em sistemas elétricos de Média Tensão de Alta Tensão
e de Muito Alta Tensão. Também apresentou-se um breve estado da arte do TSC com
base nos equipamentos desenvolvidos pela Siemens, e a topologia do TSC
implementado nesta dissertação. Quanto ao TSC implementado, versou-se sobre o seu
sistema de controlo e o modelo dinâmico do equipamento, que foi descrito com base nas
equações diferenciais da tensão e da corrente no condensador.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Eléctricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica
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113
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
A análise da estabilidade do sistema de equações do modelo matemático do TSC
foi desenvolvida com base na aplicação do modelo em espaço de estados e na
interpretação geométrica dos pólos do sistema no plano S. Através da análise dos
valores próprios da matriz do sistema, que derivou do modelo em espaço de estados, e
com base localização geométrica dos pólos no plano S, pode-se concluir que o TSC
representa um sistema linear criticamente estável.
No que diz respeito a estratégia de comutação dos tirístores, avaliou-se que os
condensadores devem ser comutados aos 90 da tensão na rede.
O algoritmo de controlo do TSC calcula a potência reativa no sistema, faz a
combinação dos diferentes módulos de modo a potência reativa injetada ser capaz de
compensar o fator de potência.
Foi notório na bibliografia consultada que dentre os equipamentos para
compensação da potência reativa versados, o Filtros Ativo paralelo e o STATCOM
foram os mais referenciados.
No Capítulo 4 foram apresentadas as simulações do TSC e das Cargas Elétricas
para Estudo de problemas de Qualidade de Energia Elétrica. As simulações do Thyristor
Switched Capacitor também permitiram analisar a resposta dinâmica do sistema de
controlo.
As cargas para estudo de problemas de qualidade de energia simulada são cargas
elétricas não lineares, como o retificador não controlado com filtro capacitivo e carga
resistiva, o retificador controlado com carga resistiva e o TCR com ângulo de condução
superior a 90 .
A ferramenta de simulação PSIM versão 9.1 mostrou-se precisa e adequada,
essencialmente o Bloco C, que permitiu desenvolver todo o sistema de controlo escrito
em linguagem de programação C tornando possível integrar as duas partes Andar de
Potência e Sistema de Controlo num único ficheiro de simulação. Os resultados obtidos
durante as simulações foram vitais para se compreender alguns aspetos relevantes que
surgiram na fase de estudo e análise do equipamento.
No Capítulo 5 foram apresentadas as diversas partes do hardware associado ao
Thyristor Switched Capacitor implementado nesta dissertação, nomeadamente, o andar
de potência, o circuito de descarga dos condensadores, o sistema de controlo, o circuito
de condicionamento de sinal e o circuito de medição de tensões e correntes. O sistema
de controlo e de aquisição dos sinais foi todo desenvolvido no microcontrolador PIC32
da Microchip.
No Capítulo 6 foram apresentados os resultados experimentais obtidos com o TSC
a funcionar com três módulos, bem como as cargas elétricas para estudos de problemas
de QEE. Dos resultados obtidos aquando dos testes realizados com o TSC a funcionar
com três módulos monofásicos, pode-se concluir que o algoritmo de controlo
desenvolvido é capaz de compensar a potência reativa para vários valores. Quanto às
114
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
cargas elétricas testadas, estas provocaram as distorções harmónicas na tensão, do
sistema como era esperado.
7.2. Trabalho Futuro
No Capítulo 6 foram apresentados os resultados experimentais do Thyristor
Switched Capacitor. Como se pode observar, o equipamento é capaz de compensar a
potência reativa para diversos valores, combinando os vários módulos de condensadores
estáticos. Porém, pode observar-se nos resultados experimentais obtidos, que a corrente
no sistema elétrico depois da comutação dos condensadores apresenta maior distorção
harmónica, isto porque os condensadores amplificam os harmónicos de corrente no
sistema elétrico. Neste sentido, a compensação da potência reativa com base no TSC é
uma ótima solução apenas quando a tensão no sistema é sinusoidal. Como tal, seria
interessante realizar um trabalho cujo objetivo fosse conectar ao mesmo barramento do
TSC um equipamento para compensação de harmónicos de tensão, nomeadamente um
Filtro Ativo Série.
Em relação ao sistema de controlo, apesar dos bons resultados experimentais
obtidos, existem trabalhos que podem ser feitos para otimizar o algoritmo de controlo
de modo a aumentar a gama de compensação e diminuir o tempo de resposta. Assim
sendo, sugere-se que o sistema de controlo do TSC seja implementado em FPGA.
Principalmente os cálculos realizados para determinar os valores das correntes, das
tensões, das potências e o algoritmo de controlo que determinar a combinação dos
módulos. Este trabalho futuro não só visa otimizar os cálculos, mas também apostar
numa ferramenta da área de Sistemas Embebidos que é cada vez mais utilizada no
desenvolvimento de sistemas de controlo para equipamentos de Eletrónica de Potência.
No que diz respeito às cargas elétricas para estudo de problemas de Qualidade de
Energia Elétrica, é interessante desenvolver cargas que provoquem problemas de
qualidade de energia na tensão do sistema como Swells, Flickers e Sags. No futuro
poderá combinar-se um conjunto de cargas elétricas para estudo de problemas de
Qualidade de Energia Elétrica, com intuito de constituir uma Bancada de Ensaios para
Teste de Problemas de QEE.
Desenvolvimento de TSC e de Cargas Elétricas para Estudo de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica
Nuno Miguel Figueira Manuel
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