Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para Regulação de Tensão e Compensação de Harmónicos

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1 Universidade do Minho Escola de Engenharia Helder Fernando Carvalho Dias Carneiro Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para Regulação de Tensão e Compensação de Harmónicos Dissertação submetida na Universidade do Minho para a obtenção do grau de Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores Trabalho efectuado sob a orientação do Professor Doutor João Luiz Afonso Guimarães 29

2 DECLARAÇÃO Helder Fernando Carvalho Dias Carneiro Endereço electrónico: Telefone: Número do Bilhete de Identidade: Título dissertação /tese Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para Regulação de Tensão e Compensação de Harmónicos Orientador: Professor Doutor João Luiz Afonso Ano de conclusão: 29 Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA TESE/TRABALHO APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE; Universidade do Minho, / / Assinatura:

3 Aos meus pais, pela paciência e compreensão.

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5 AGRADECIMENTOS Ao meu orientador Professor João Luiz Afonso, incansável mestre na partilha de conhecimentos e no incutir de responsabilidade e profissionalismo. Também pela exigência e incentivo demonstrados durante a realização do trabalho de dissertação. Ao amigo e colega Luís Monteiro, sem o qual este trabalho não teria sido possível. Pela partilha de conhecimentos e pelo incentivo, muitas vezes pondo o seu trabalho em segundo plano. Aos Investigadores do Laboratório de Electrónica de Potência da Universidade do Minho, Domingos Gonçalves, Renato Alves, Pedro Neves e Gabriel Pinto; pela ajuda e disponibilidade, pela crítica e pelas sugestões dadas ao longo da dissertação. Aos colegas alunos de Mestrado presentes no mesmo laboratório, Bruno Exposto, André Teixeira, Filipe Conde, Luciana Moreira, Delfim Pedrosa, Vítor Monteiro, Pedro Tinoco, André Nogueira e Telmo Santos. Pelo incentivo e ajuda. A estes, como aos Investigadores, um grande obrigado pelo ambiente fantástico existente no Laboratório. À Ana Maia, por todo o carinho, força e crença em mim. Acima de tudo, por me ajudar a afastar as nuvens negras que foram surgindo. Aos meus pais, pela paciência e por acreditarem em mim ao longo de todo o curso, mesmo quando o mais fácil era não o fazer. Ao meu irmão, pelo companheirismo e apoio. A todos os meus amigos e amigas que não foram mencionados, mas que representam muito para mim. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para iii

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7 Resumo Resumo O aumento da utilização de cargas não-linerares por parte da indústria e dos consumidores em geral tem degradado a Qualidade de Energia Eléctrica na rede eléctrica. Estas cargas não-lineares são essencialmente conversores de electrónica de potência, fundamentais no dia-a-dia. O consumo de correntes não lineares por parte destes equipamentos resulta em quedas de tensão harmónicas, que se propagam pela rede eléctrica, levando problemas de Qualidade de Energia Eléctrica até a cargas lineares. Por outro lado, o valor eficaz das tensões fornecidas pode sofrer variações de diferentes tipos e origens, comprometendo o bom funcionamento de cargas mais sensíveis. Posto isto, têm sido desenvolvidos equipamentos que permitem compensar a tensão fornecida a cargas mais sensíveis, entre os quais se inclui o Condicionador Activo do Tipo Série. Nesta dissertação é descrita a Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para, cuja topologia adoptada não utiliza transformador no acoplamento do Conversor Série ao sistema eléctrico. O equipamento desenvolvido garante o fornecimento, a uma carga genérica, de uma tensão dentro de parâmetros normalizados de valor eficaz e de distorção harmónica, face à ocorrência de sag, swell, flicker e distorção harmónica. Foi também desenvolvido um Sistema de Supervisão e Protecção para o Conversor Série, através de um sistema activo de protecção para a ocorrência de sobrecorrentes e curto-circuitos. Neste trabalho são também apresentados algoritmos de controlo responsáveis por calcular, em tempo real, a tensão a injectar no sistema eléctrico para que a carga seja alimentada com uma tensão dentro de parâmetros normalizados de Qualidade de Energia Eléctrica. É também apresentado um algoritmo que permite a regulação do elo CC, assim como a conversão do equipamento numa UPQC, desta forma compensando também distorção harmónica de corrente e corrigindo o factor de potência. São apresentados resultados de simulação e resultados experimentais do Condicionador Activo do Tipo Série. Servem estes resultados para validar os algoritmos de controlo seleccionados, assim como para fornecer uma melhor compreensão sobre o equipamento desenvolvido. Este trabalho de Dissertação foi feito em conjunto com o trabalho de Doutoramento de Luís Fernando Corrêa Monteiro, Contribuições Para Otimização do Desempenho do Condicionador UPQC (Unified Power Quality Conditioner). Palavras-Chave: Qualidade de Energia Eléctrica, Condicionador Activo do Tipo Série, UPQC, Comparação Directa de Tensões, Teoria p-q, Conversor Série, Conversor Paralelo, DSP. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para v

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9 Abstract Abstract The widespread use of non-linear loads by the industry and general users has degraded the Power Quality of the electrical grid. These non-linear loads are essentially power electronics converters, fundamental on daily use. The non-linear current consumption by these devices cause harmonic voltage drops which propagate by the electrical grid, taking Power Quality issues even to linear loads. On the other hand, the eficaz (RMS) value of the supplied voltages can suffer variations of different kinds and origins, compromising the good functioning of sensible loads. Therefore, power conditioners have been developed, to compensate the voltage supplied to sensitive loads, such as the Series Active Conditioner. On this dissertation, the Implementation and Test of a Single Phase Series Active Conditioner for Voltage Regulation and Harmonic Compensation is described, being the adopted topology transformer-less in the coupling of the Series Converter to the electrical grid. The developed custom power assures voltage supply to a generic electrical load in standardized parameters of RMS value and harmonic distortion, during the occurrence of voltage sags, swells, flicker and harmonic distortion. A Supervision and Protection System was also developed for the Series Converter, by an active protection system for the occurrence of over-currents and short-circuits. On this work is also presented control algorithms responsible for the calculation, in real time, of the voltage that is injected in the electrical system so that the supplied load voltage is in accordance with standardized parameters of Power Quality. It is also presented an algorithm that allows the DC link regulation, as well as the conversion of the custom power into an UPQC, therefore also compensating current harmonic distortion and correcting the Power Factor Simulation and experimental results of the Series Active Conditioner are presented. These results are useful to validate the selected control algorithms, as well as to give a better understanding over the developed custom power. This Disserttion work was done in conjunction with the PhD work of Luis Fernando Correa Monteiro, "Contributions to Improve the Performance of the Unified Power Quality Conditioner. Keywords: Power Quality, Series Active Conditioner, direct voltage comparison, p-q Theory, Series Converter, Shunt Converter, DSP. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para vii

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11 Índice Índice Resumo... v Abstract... vii Lista de Figuras... xi Lista de Tabelas... xvii CAPÍTULO 1 Introdução Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica Enquadramento Motivações para o Trabalho Objectivos do Trabalho Organização da Dissertação... 8 CAPÍTULO 2 Condicionadores Activos do Tipo Série Introdução UPS (Uninterruptable Power Supply) UPS Passive Standby UPS Line Interactive UPS Double Conversion Restaurador Dinâmico de Tensão (DVR) Filtro Activo do Tipo Série Condicionador Activo do Tipo Série Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (UPQC) Condicionador do Tipo Série Implementado Análise em Regime Permanente do Condicionador Activo do Tipo Série, num Sistema Monofásico com Tensões e Correntes Sinusoidais Conclusão CAPÍTULO 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores Série Introdução Teorias de Controlo Para Compensação de Distúrbios de Tensão Estratégia de Controlo Baseado na Teoria p-q Estratégia de Controlo Baseado numa Tabela de Senos Estratégia de Controlo PLL Estratégia de Controlo para o Conversor Paralelo Teoria p-q para Compensação de Harmónicos e Desequilíbrios de Corrente e para Correcção de Factor de Potência Regulação do Elo CC Operação como UPQC Phase Locked Loop Sistema de Controlo Técnicas de Comutação Adoptadas Técnica de Comutação para o Conversor de Potência Série Técnica de Comutação para o Conversor de Potência Paralelo Conclusão CAPÍTULO 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série Simulações Computacionais Modelo de Simulação do Circuito de Potência do Condicionador Activo do Tipo Série Modelo de Simulação do Sistema de Controlo do Condicionador activo do Tipo Série Sistema de Controlo para o Conversor Série Sistema de Controlo para o Conversor Paralelo Resultados de Simulação Compensação de Distorção Harmónica de Tensão Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para ix

12 Índice Compensação de Sag Compensação de Swell Compensação de Flicker Funcionamento como UPQC Monofásico Compensação Dinâmica de Factor de Potência e de Harmónicos de Tensão e Corrente Conclusão CAPÍTULO 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico Introdução O Circuito de Potência Conversores de Potência Filtros de Acoplamento Transformadores Sistema de Controlo Medição das Grandezas do Sistema Circuito de Condicionamento de Sinal DSP/microcontrolador Circuitos de Comando Conclusão CAPÍTULO 6 Sistema de Supervisão e Protecção Introdução Descrição de Funcionamento Supervisão Protecção Simulações Computacionais Resultados de Simulação Implementação Circuito de Potência Sistema de Controlo e Comando Resultados Experimentais Conclusão CAPÍTULO 7 Resultados Experimentais Introdução Resultados Experimentais Compensação de Distorção Harmónica de Tensão Compensação de Sag Compensação de Swell Compensação de Flicker Funcionamento como UPQC Monofásico Compensação Dinâmica de Factor de Potência e de Harmónicos de Tensão e Corrente Conclusão CAPÍTULO 8 Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros Conclusões Sugestões para Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS x Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

13 Lista de Figuras Lista de Figuras Figura 1.1 Curva ITIC... 2 Figura 1.2 Origem e propagação de harmónicos de tensão Figura 1.3 Princípio de funcionamento do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico... 6 Figura 2.1 UPS com topologia standby Figura 2.2 UPS com topologia Line Interactive Figura 2.3 UPS com topologia Double Conversion Figura 2.4 Esquema simplificado de um DVR monofásico Figura 2.5 Esquema simplificado de um Filtro Activo do Tipo Série Figura 2.6 Princípio de funcionamento do Condicionador Activo do Tipo Série Figura 2.7 Princípio de funcionamento de uma UPQC... 2 Figura 2.8 Esquema eléctrico do Condicionador Activo Série Implementado Figura 2.9 Circuito equivalente do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico Figura 2.1 Fluxo de potência em condição de swell: (a) Fluxo de Potência Activa; (b) Fluxo de Potência Reactiva Figura 2.11 Fluxo de potência em condição de sag: (a) Fluxo de Potência Activa; (b) Fluxo de Potência Reactiva Figura 3.1 Diagrama de blocos do Sistema de Controlo Baseado na Teoria p-q Figura 3.2 Diagrama de blocos do Detector da Componente Fundamental de Sequência Positiva da Tensão Figura 3.3 Tensão do Sistema Eléctrico (v a ), e as tensões fictícias (v bfict, v cfict ) Figura 3.4 Formas de onda dos sinais utilizados pelo Sistema de Controlo Baseado na Teoria p-q: (a) Tensões do sistema nas coordenadas α-β (v α e v β ); (b) Sinais de saída da PLL (pll α e pll β ); (c) Potência Real Instantânea Fictícia e o seu valor médio ( p fict e p fict ); (d) Componente de sequência positiva da fundamental nas coordenadas α-β(v +1α e v +1β ); (e) Tensões de compensação nas coordenadas α-β(v refα e v refβ ) Figura 3.5 (a) Tensão de compensação para a fase do sistema monofásico (v refa );(b) Tensão compensada(v La ) Figura 3.6- Formas de onda do Sistema de Controlo Baseado na Teoria p-q numa situação de sub-tensão: (a) Tensão do Sistema Eléctrico (v a ) e tensões fictícias (v bfict, v cfict ); (b) Valor médio da potência real instantânea fictícia ( p fict ) e tensões no sistema de coordenadas α-β (v α e v β ); (c) Tensão compensada Figura 3.7 Tensão no Sistema Eléctrico (v s ) Figura 3.8 Formas de onda no Sistema de Controlo Baseado em Tabela de Senos: (a) Tensão de referência gerada a partir da tabela de senos (v tab ); (b) Tensão de Compensação (v comp ); (c) Tensão na carga (v L ) Figura 3.9 Formas de onda dos sinais utilizados no Sistema de Controlo Baseado em Tabela de Senos numa situação de subtensão: (a) Tensão no Sistema Eléctrico (v s ); (b) Tensão de referência gerada a partir da tabela de senos; (c) Tensão de Compensação (v comp ); (d) Tensão na carga (v L ) Figura 3.1 Efeito da diminuição da frequência da rede eléctrica no sistema de controlo: (a) Tensão no sistema eléctrico (v s ); (b) Tensão de referência gerada a partir da tabela de senos (v tab ) Figura 3.11 Efeito do aumento da frequência da rede eléctrica no sistema de controlo: (a) Tensão no sistema eléctrico (v s ); (b) Tensão de referência gerada a partir da tabela de senos (v tab ) Figura 3.12 Sistema de Controlo Baseado numa PLL Figura 3.13 Sinais presentes na estratégia de controlo baseada numa PLL: (a) Tensão no sistema eléctrico (v S ); (b) Tensão de referência gerada pelo algoritmo PLL (v pll ); (c) Tensão de compensação (v comp ); (d) Tensão na carga (v L ) Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para xi

14 Lista de Figuras Figura 3.14 Sinais presentes na estratégia de controlo baseada numa PLL, em condição de afundamento: (a) Tensão no sistema eléctrico (v S ); (b) Tensão de referência gerada pelo algoritmo PLL (v pll ); (c) Tensão de compensação (v comp ); (d) Tensão na carga (v L ) Figura 3.15 Sinais presentes na estratégia de controlo baseada na PLL, a uma frequência de 47 Hz: (a) Tensão no sistema eléctrico e tensão de referência (v S e v pll ); (b) Tensão de compensação (v comp ); (c) Tensão compensada (v L )... 4 Figura 3.16 Sinais presentes na estratégia de controlo baseada na PLL, a uma frequência de 52 Hz: (a) Tensão no sistema eléctrico e tensão de referência (v S e v pll ); (b) Tensão de compensação (v comp ); (c) Tensão compensada (v L )... 4 Figura 3.17 Potências Instantâneas da Teoria p-q Figura 3.18-Compensação das componentes de potência ~ p, q, ~ p e p Figura 3.19 Filtro pseudo-média móvel Figura 3.2 Sistema de controlo para o Conversor Paralelo para regulação do elo CC Figura 3.21 Sistema de controlo do Conversor Paralelo para funcionamento no modo UPQC Figura 3.22 Diagrama de blocos do circuito PLL Figura 3.23 Condicionador Activo de Potência e Sistema de Controlo Figura 3.24 Diagrama de Blocos do Sistema de Controlo para o Condicionador Activo do Tipo Série. 5 Figura 3.25 Diagrama simplificado do DSP Figura 3.26 PWM sinusoidal para comando de uma ponte inversora monofásica Figura 3.27 Técnica de Comutação: Malha de controlo para cálculo de v pwm para Conversor Série Figura 3.28 Técnica de Comutação: Malha de controlo para cálculo de v pwm para Conversor Paralelo.. 53 Figura 4.1 Ambiente Gráfico do PSCAD /EMTDC Figura 4.2 Modelo de simulação do circuito de potência Figura 4.3 Circuito de Sincronismo PLL Figura 4.4 Bloco de Medição e Normalização Figura 4.5 Cálculo da tensão de referência e técnica de comutação feed-forward Figura 4.6 Modelo de simulação da Teoria p-q Figura 4.7 Técnica de comutação anti-windup para o Conversor Paralelo... 6 Figura 4.8 Regulação do elo CC Figura 4.9 Tensão e corrente na carga antes de compensação: (a) Tensão na carga (v L ); (b) Corrente na Carga (i L ) Figura 4.1 Regulação do elo CC na entrada em funcionamento do Conversor Paralelo: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Figura 4.11 Transitório de ligação do Conversor Série: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ) Figura 4.12 THD da tensão v L, antes de depois da ligação do Conversor Série Figura 4.13 Tensão e corrente na carga após compensação: (a) Tensão na carga (v L ); (b) Corrente na Carga (i L ) Figura 4.14 Regulação do elo CC em regime permanente: (a) Tensão no elo CC (V CC ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Figura 4.15 Tensão na fonte (v s ) com sag Figura 4.16 Transitório da ocorrência de um sag com funcionamento do Conversor Série: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ) Figura 4.17 Tensão na carga (v L ) em regime permanente xii Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

15 Lista de Figuras Figura 4.18 Transitório de restabelecimento da tensão após sag com funcionamento do Conversor Série: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ) Figura 4.19 THD da tensão na carga (v L ) ao longo do sag Figura 4.2 Regulação do elo CC no início da ocorrência de um sag: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Figura 4.21 Regulação do elo CC durante a ocorrência de um sag: (a) Tensão no elo CC (V cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Figura 4.22 Correntes no Sistema Eléctrico antes da compensação de sag: (a) Corrente na fonte (i s ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente consumida pelo Conversor Paralelo (i rect ) Figura 4.23 Correntes no Sistema Eléctrico durante a compensação de sag: (a) Corrente na fonte (i s ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente consumida pelo Conversor Paralelo (i rect ) Figura 4.24 Regulação do elo CC no final da ocorrência de um sag: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Figura 4.25 Tensão na fonte (v s ) com swell Figura 4.26 Transitório da ocorrência de um swell: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ) Figura 4.27 Tensão na carga (v L ) em regime permanente Figura 4.28 Transitório de restabelecimento da tensão após swell no Conversor Série: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ) Figura 4.29 THD da tensão v L ao longo do swell Figura 4.3 Regulação do elo CC no início da ocorrência de um swell: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Figura 4.31 Regulação do elo CC durante a ocorrência de um swell: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Figura 4.32 Correntes no Sistema Eléctrico antes da compensação de swell: (a) Corrente na fonte (i s ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente consumida pelo Conversor Paralelo (i rect ) Figura 4.33 Correntes no Sistema Eléctrico durante a compensação de swell: (a) Corrente na fonte (i s ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente consumida pelo Conversor Paralelo (i rect ) Figura 4.34 Regulação do elo CC no final da ocorrência de um swell: (a) Tensão no elo CC (V cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Figura 4.35 Flicker na tensão na fonte (v S ) Figura 4.36 Comportamento das tensões no Sistema Eléctrico durante flicker: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ). 78 Figura 4.37 Tensão na Carga (v L ) ao longo da ocorrência de flicker Figura 4.38 Valor eficaz da tensão na fonte (V Srms ) e na carga (V Lrms ) Figura 4.39 THD da tensão v L ao longo do flicker Figura 4.4 Regulação do elo CC ao longo do flicker: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg )... 8 Figura 4.41 Tensão e corrente na fonte antes da actuação do UPQC: (a) Tensão na fonte (v S ); (b) Corrente na fonte (i S ) Figura 4.42 Transitório de ligação do Conversor Paralelo: (a) Corrente na fonte (i S ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente de referência (i ref ) e de compensação (i comp ) Figura 4.43 Tensão no elo CC (v CC ) no instante de ligação do Conversor Paralelo Figura 4.44 Efeito da compensação na corrente da fonte na tensão da fonte: (a) Tensão da fonte (v S ); (b) Corrente na Fonte (i S ) Figura 4.45 Correntes do sistema em regime permanente: (a) Corrente na fonte (i S ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente de referência (i ref ) e de compensação (i comp ) Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para xiii

16 Lista de Figuras Figura 4.46 Tensão no elo CC (V CC ) da UPQC operando apenas o Conversor Paralelo Figura 4.47 Transitório de ligação do Conversor Série: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Corrente na fonte (i S ) e na carga (i L ) Figura 4.48 THD da tensão na carga (THD_v L ) e da corrente na fonte (THD_i S ): (a) THD_v L no transitório de ligação do Conversor Paralelo; (b) THD_i S no transitório de ligação do Conversor Paralelo; (c) THD_v L no transitório de ligação do Conversor Série; (d) THD_i S no transitório de ligação do Conversor Série Figura 4.49 Tensão no elo CC (v CC ) do UPQC operando em regime permanente Figura 4.5 Tensões e correntes no sistema eléctrico em regime permanente: (a) Tensão na fonte (v S ); (b) Corrente na fonte (i S ); (c) Tensão na carga (v L ); (d) Corrente na carga (i L ) Figura 5.1 Bancada do Condicionador Activo do Tipo Série Figura 5.2 Diagrama multifilar do Condicionador Activo do Tipo Série Implementado Figura 5.3 Módulo de IGBTs e respectivo esquemático [42]... 9 Figura 5.4 Circuito de drive e respectivo esquemático [43] Figura 5.5 Aspecto final dos conversores de potência: (a) Vista em perspectiva; (b) Vista superior Figura 5.6 Diagramas de Bode do Filtro de Acoplamento do Conversor Série: (a) Resposta em amplitude; (b) Resposta de fase Figura 5.7 Diagramas de Bode do Filtro de Acoplamento do Conversor Paralelo: (a) Resposta em amplitude; (b) Resposta de fase Figura 5.8 Transformadores utilizados na implementação Figura 5.9 Sensor de Corrente LA 55-P e respectivo esquema de ligação Figura 5.1 Sensor de Corrente LV 2-P e respectivo esquema de ligação Figura 5.11 PCB de aquisição de medições de tensão Figura 5.12 PCB do Circuito de Condicionamento de Sinal Figura 5.13 Kit ezdsp2812 com PCB de expansão Figura 5.14 PCBs dos Circuitos de Comando Figura 6.1 Sistema de Supervisão e Protecção integrado com o Condicionador Activo do Tipo Série. 12 Figura 6.2 Modelo de simulação do circuito de potência do Sistema de Protecção e Supervisão Figura 6.3 Carga do sistema eléctrico e identificação do ponto de curto-circuito Figura 6.4 Modelo de simulação para o controlo da conexão e remoção do Condicionador Activo do Tipo Série Figura 6.5 Modelo de simulação do algoritmo de protecção contra sobrecargas e curto-circuitos Figura 6.6 Correntes no Sistema de Protecção: (a) Corrente nos tirístores (i t1 e i t2 ) e pulso na gate destes (gate1); (b) Corrente no Conversor Série (i fs ); (c) Corrente na Carga (i L ) Figura 6.7 Aspecto final do protótipo do Sistema de Supervisão e Protecção Figura 6.8 Circuito de Potencia do Sistema de Supervisão e Protecção: (a) vista de frente; (b) vista cima Figura 6.9 Circuito de drive para uma ponte de tirístores em anti-paralelo [45] Figura 6.1 PCB do Sistema de Controlo e Comando do Sistema de Supervisão e Protecção: (a) PCB implementado; (b) Projecto do PCB Figura 6.11 Ambiente gráfico do software MPLAB e o depurador/programador MPLAB ICD Figura 6.12 Rectificador de onda completa de precisão Figura 6.13 Tensão de entrada e de saída do rectificador de precisão para o fim de escala do ADC Figura 6.14 Circuito para controlo dos contactores e respectivo relé Figura 6.15 Circuito implementado para o teste do Sistema de Supervisão e Protecção Figura 6.16 Procedimento de ligação do Conversor Série ao sistema eléctrico xiv Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

17 Lista de Figuras Figura 6.17 Procedimento de remoção do Conversor Série do sistema eléctrico Figura 6.18 Sobrecarga extinta pela actuação do Sistema de Protecção e Supervisão, com a actuação do tirístor inferior Figura 6.19 Sobrecarga extinta pela actuação do Sistema de Protecção e Supervisão, com a actuação do tirístor superior Figura 7.1 Diagrama multifilar da montagem implementada para o ensaio de compensação de distorção harmónica na tensão Figura 7.2 Tensão na carga (v L ) sem compensação, respectiva distorção harmónica e valor eficaz (RMS) Figura 7.3 Carregamento do elo CC: tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação no Conversor Paralelo (i reg ) e corrente de referência (i ref ) Figura 7.4 Tensão na fonte (v S ), na carga (v L ), nos terminais do inversor (v inv ) e de referência (v ref ) na ligação do Conversor Série: (a) Transitório de ligação; (b) Regime permanente Figura 7.5 THD e valor eficaz (RMS) da tensão na carga (v L ) compensada Figura 7.6 Tensões e correntes do sistema proposto na ligação do Conversor Série: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i L ); (b) Tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ). O tracejado indica o instante de ligação do Conversor Série Figura 7.7 THD e valor EFICAZ (RMS) da corrente de regulação Figura 7.8 Tensão na carga (v L ) sem compensação, respectiva distorção harmónica e valor eficaz (RMS) quando o rectificador com carga RC está conectado ao sistema eléctrico Figura 7.9 Tensão na fonte (v S ), na carga (v L ), nos terminais do inversor (v inv ) e de referência (v ref ) na ligação do rectificador com carga RC: (a) Transitório de ligação; (b) Regime permanente Figura 7.1 THD e valor eficaz (RMS) da tensão compensada na carga com rectificador com carga RC Figura 7.11 Tensões e correntes do sistema proposto na ligação do rectificador com cargarc: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i L ); (b) Tensão no elo CC (v CC ) e corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ). O tracejado indica o instante de ligação do rectificador com carga RC Figura 7.12 THD e valor eficaz (RMS) da corrente de regulação após a ligação do rectificador RC Figura 7.13 Diagrama multifilar da montagem implementada para o ensaio de compensação de sag, swell e fliker Figura 7.14 THD e valor eficaz (RMS) antes da ocorrência: (a) Tensão na fonte (v S ); (b) Tensão na carga (v L ) Figura 7.15 Sag provocado: Tensão na fonte (v S ) e na carga (v L ) Figura 7.16 Tensão na fonte (v S ), na carga (v L ), de referência (v ref ) e sintetizada no Conversor Série (v inv ): (a) No início do sag; (b) No final do sag Figura 7.17 Sag em regime permanente: (a) Tensão na fonte (v S ), tensão na carga (v L ), tensão de referência (v ref ) e tensão sintetizada (v inv ); (b) THD e valor eficaz (RMS) da tensão na fonte; (c) THD e valor eficaz (RMS) da tensão compensada na carga Figura 7.18 Tensões e Correntes no sistema proposto no início da ocorrência sag: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ) e tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ); (b) Tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ) Figura 7.19 Elo CC em regime permanente durante o sag: (a) Tensão elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ); (b) THD e valor eficaz (RMS) da corrente de regulação Figura 7.2 Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ) em regime permanente durante a ocorrência do sag Figura 7.21 Medições de Potência Activa, Aparente e Reactiva durante sag: (a) Na fonte; (b) Entre o Conversor Série e o Conversor Paralelo; (c) Na Carga Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para xv

18 Lista de Figuras Figura 7.22 Tensões e Correntes no sistema proposto no final da ocorrência sag: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ) e tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ); (b) Tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ) Figura 7.23 THD e valor eficaz (RMS) antes da ocorrência de swell: (a) Tensão na fonte (v S ); (b) Tensão na carga (v L ) Figura 7.24 Swell provocado: Tensão na fonte e na carga (v S e v L ) Figura 7.25 Tensão na fonte (v S ), na carga (v L ), de referência (v ref ) e sintetizada no Conversor Série (v inv ): (a) No início do swell; (b) No final do swell Figura Swell em regime permanente: (a) Tensão na fonte (v S ), tensão na carga (v L ), tensão de referência (v ref ) e tensão sintetizada (v inv ); (b) THD e valor eficaz (RMS) da tensão na fonte; (c) THD e valor eficaz (RMS) da tensão compensada na carga Figura 7.27 Tensões e Correntes no sistema proposto no início da ocorrência swell: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ) e tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ); (b) Tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ) e tensão na fonte (v S ) Figura 7.28 Valor eficaz (RMS) e THD da corrente de regulação (i reg ): (a) Antes do swell; (b) Depois do swell Figura 7.29 Medições de Potência Activa, Aparente e Reactiva durante swell: (a) Na fonte; (b) Entre o Conversor Série e o Conversor Paralelo; (c) Na Carga Figura 7.3 Tensões e Correntes no sistema proposto no início da ocorrência swell: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ) e tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ); (b) Tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ) e tensão na fonte (v S ) Figura 7.31 Flicker provocado: Tensão na fonte e na carga (v S e v L ) Figura 7.32 Variação do valor eficaz (RMS) da tensão na fonte e da tensão na carga (v S e v L ) Figura Tensão na fonte (v S ), na carga (v L ), de referência (v ref ) e sintetizada no Conversor Série (v inv ): (a) no início do afundamento do flicker; (b) no final afundamento do flicker Figura 7.34 Comportamento da tensão do elo CC (v CC ), da sua corrente de regulação (i reg ) e respectiva referência (i ref ) durante flicker: (a) No inicio de um afundamento; (b) No final do afundamento; (c) Durante 2 variações Figura 7.35 Comportamento da tensão na fonte e da corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ) durante flicker: (a) No início do afundamento; (b) No fim do afundamento; (c) Durante 2 variações Figura 7.36 Medições ao sistema eléctrico sem compensação: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i L ); (b) Distorção harmónica e valor eficaz (RMS) da corrente i S ; (c) Distorção harmónica e valor eficaz (RMS) da tensão v L Figura 7.37 Efeitos na tensão do elo CC (v CC ) e na corrente na fonte (i s ) na ligação do Conversor Série do UPQC; corrente calculada de referência (i ref ) e corrente no inversor (i inv ): (a) Pormenor do inicial; (b) Da ligação do Conversor Paralelo até à estabilização do elo CC Figura 7.38 Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ) e corrente de referência e corrente no Conversor Paralelo (i ref e i inv ) na ligação do Conversor Paralelo: (a) Transitório de ligação; (b) Regime permanente Figura 7.39 THD e valor eficaz (RMS) com o Conversor Paralelo ligado: (a) na corrente i S ; (b) na tensão v L Figura 7.4 Transitório de ligação do Conversor Série e seu impacto na corrente da fonte (i S ), na tensão da carga (v L ) e na tensão do elo CC (v CC ) Figura 7.41 Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ) e tensão de referência e tensão nos terminais do Conversor Série (v ref e v inv ) na ligação do Conversor Paralelo: (a) Transitório de ligação; (b) Regime permanente Figura 7.42 THD e valor eficaz (RMS) com o UPQC em operação: (a) na corrente i S ; (b) na tensão v L Figura 7.43 Medições da potência activa, aparente e reactiva com o UPQC em funcionamento: (a) na fonte; (b) na carga xvi Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

19 Lista de Tabelas Lista de Tabelas Tabela 1.1 Limites máximos de distorção harmónica de acordo com a norma ANSI/IEEE Tabela 1.2 Limites máximos de distorção harmónica em ambiente industrial de acordo com a norma IEC Tabela 1.3 Classificação de problemas de qualidade de energia na tensão de acordo com a norma IEEE Tabela 3.1-Significado físico das potências instantâneas da Teoria p-q Tabela 4.1 Harmónicos de tensão na carga antes da compensação Tabela 4.2 Harmónicos de tensão na carga após compensação Tabela 4.3 Harmónicos de corrente na fonte antes da actuação do UPQC Tabela 4.4 Harmónicos de corrente na fonte durante a actuação do UPQC Tabela 7.1 Valores RMS e THD da tensão v S e da tensão v L Tabela 7.2 Valores RMS e THD da corrente i reg Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para xvii

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21 CAPÍTULO 1 Introdução 1.1. Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica O funcionamento correcto de equipamentos eléctricos conectados à rede eléctrica está directamente relacionado com a Qualidade de Energia Eléctrica fornecida. Os equipamentos mais sensíveis são equipamentos electrónicos relacionados com as tecnologias de informação, com telecomunicações e com processos microcontrolados. Variações do valor eficaz (RMS) da tensão fornecida podem causar perturbações nos processos e mesmo ser responsáveis pelo interromper destes. Também a presença de correntes harmónicas, e consequentes quedas de tensão harmónicas contribuem para o mau funcionamento de equipamentos eléctricos e electrónicos. As variações do valor eficaz da tensão podem ter várias causas. Umas de cariz local, isto é, provocadas dentro da própria instalação eléctrica, outras de cariz externo. A título de exemplo pode-se mencionar o caso do arranque de um grande motor de indução no interior da instalação. A elevada demanda de corrente neste ponto crítico do funcionamento de uma máquina de indução, faz com que ocorra uma queda de tensão provocada pela impedância das linhas. Esta perturbação pode ser classificada como um sag (subtensão momentânea) e poderá também afectar instalações acopladas a barramentos vizinhos. Por outro lado, uma redução do valor eficaz da tensão, intencionalmente provocado pelo fornecedor para suprir um excesso de carga num período de demanda máxima, ou por uma rede excessivamente fraca em relação às cargas, é uma perturbação externa à instalação e pode ser classificado como uma subtensão [1]. A situação oposta ocorre quando são desligadas massivamente cargas ligadas à rede, levando a um aumento do valor eficaz da tensão. Este evento de qualidade energia é o swell (sobretensão momentânea) [2]. Outro problema de qualidade de energia relacionado com a tensão é o flicker, assim chamado pelo efeito de cintilação que provoca nas luzes. Consiste basicamente em oscilações de tensão provocado por variações bruscas e erráticas de potência reactiva provocadas por cargas flutuantes, como fornos a arco ou motores envolvidos em processos de moagem [3]. O fenómeno de flicker também é passível de ser propagado pela rede a instalações vizinhas. Os equipamentos electrónicos, como foi dito em cima, são os mais susceptíveis de mau funcionamento e de mesmo paragem em condições de reduzido valor eficaz de Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 1

22 Capítulo 1 Introdução tensão. A forma como estes equipamentos são afectados pela alteração do valor eficaz de tensão tem sido estudada e pode ser representada de várias formas convencionadas, entre elas a estipulada pela ITIC (Information Technology Industry Council), que estipula os níveis de tensão toleráveis por equipamentos informáticos. Esta representação pode ser vista na Figura % Percentagem do valor RMS da Tensão 3% 25% 2% 15% 1% 5% Funcionamento Aceitável Swells de Tensão Sags de Tensão % DURAÇÃO (s) Figura 1.1 Curva ITIC Como se pode depreender pelo gráfico, interrupções e sags apenas são toleráveis nos equipamentos informáticos em períodos extremamente curtos, inferiores a um ciclo da rede. Em regime permanente, apenas são aceitáveis flutuações do valor eficaz de cerca de ±1%, o que implica que o sistema eléctrico deve ser bastante estável para uma normal operação de equipamentos informáticos. Sabendo que os computadores são elementos cruciais no dia-a-dia de todos os ramos de negócio, é importante garantir a estabilidade da tensão fornecida. A ocorrência de um evento de variação de valor eficaz da tensão pode levar a perdas de informação e a paragens prolongadas, o que em algumas áreas de negócio pode ter custos financeiros de milhões de euros. Isto também é válido para processos controlados por PLC s (Programmable Logic Controller Controlador Lógico Programável). Esta tecnologia está presente no controlo de uma vasta gama de processos industriais, e uma vez interrompido o seu funcionamento, todo o processo é posto em causa, mais uma vez reflectindo-se isto em perdas financeiras, dependendo a sua gravidade do ramo de actividade, e da natureza do processo. Um outro equipamento particularmente sensível a este tipo de perturbações é o variador de velocidade para accionamento de motores, que é frequente no meio industrial. Nestes equipamentos, a redução do valor eficaz da tensão pode provocar um corte 2 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

23 Capítulo 1 Introdução temporário no fornecimento de potência ao motor, até mesmo a destruição do variador, caso este não tenha protecção. [4]. Num estudo feito a 12 indústrias de baixa tecnologia [5], concluiu-se que ao longo de dez meses, cada empresa estudada perdeu 5. euros (em média) com as paragens provocadas por este tipo de eventos. Os problemas de tensão não estão apenas confinados a variações de valor eficaz. Com a evolução da Electrónica de Potência, nas últimas décadas uma nova gama de equipamentos utilizando semicondutores de potência foi entrando no quotidiano industrial e doméstico, facultando todo o tipo de comodidades e de melhoria qualitativa e quantitativa na produção e transformação de bens e matérias. Mas essa evolução trouxe atrás de si fenómenos poluidores do sistema eléctrico. Devem-se estes fenómenos ao facto das cargas utilizadoras de semicondutores de potência, comutadas ou não, serem não lineares, isto é, não consumidoras de correntes sinusoidais à frequência da rede. As formas de onda destas correntes resultam da soma de correntes a diferentes frequências, múltiplas da frequência fundamental da rede, que são conhecidas como correntes harmónicas. A presença das correntes harmónicas num sistema eléctrico provoca vários problemas conhecidos e divulgados [6] [7], dos quais se podem destacar: o sobreaquecimento de condutores e de motores eléctricos, assim como problemas mecânicos nestes últimos, o perigo de ressonância com os bancos de condensadores utilizados para correcção de factor de potência, e quedas de tensão harmónicas no sistema eléctrico provocadas pela impedância da linha, que aumenta com a ordem do harmónico. Estes problemas são propagados pela linha, o que implica que mesmo que uma instalação apenas com cargas lineares pode ser afectada por problemas de distorção harmónica de tensão, resultando em que as correntes consumidas pelas cargas apresentará distorções harmónicas, com todos os problemas que daí advêm. I L1 X LS R LS Carga Não Linear Rede Eléctrica V S ΔV V L I L2 Carga Linear Figura 1.2 Origem e propagação de harmónicos de tensão. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 3

24 Capítulo 1 Introdução Na Figura 1.2 encontra-se representada a forma como a distorção harmónica é propagada na rede eléctrica. As consequências do fornecimento de tensões com distorção harmónica a cargas lineares reflectem-se numa redução da vida útil dos equipamentos, o que é o mesmo que dizer aumento nos encargos com a manutenção e substituição de equipamentos. É portanto, vantajoso do ponto de vista técnico e do ponto de vista económico encontrar soluções para minimizar a distorção harmónica na tensão Face a estas adversidades existem normas que impõem limites ao grau de distorção harmónica total (THD) e individual presente nas tensões de redes eléctricas. A norma do Instituto de Engenheiros Electrotécnicos e Electrónicos (IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers) ANSI/IEEE [8], apresentado na Tabela 1.1 define a distorção harmónica na tensão que as companhias de distribuição devem garantir nos diferentes níveis de tensão dos Pontos de Acoplamento Comum (PAC). Tensão Nominal no PAC V n Tabela 1.1 Limites máximos de distorção harmónica de acordo com a norma ANSI/IEEE Distorção Harmónica Individual (%) Distorção Harmónica Total (%) V n 69 kv 3, 5, 69 kv < V n 161 kv 1,5 2,5 V n > 161 kv 1, 1,5 Tabela 1.2 Limites máximos de distorção harmónica em ambiente industrial de acordo com a norma IEC Classe Descrição THD Classe 1 Aplica-se a redes protegidas e tem níveis de compatibilidade mais baixos do que as redes públicas. Diz respeito à utilização de equipamentos muito sensíveis a perturbações eléctricas, como por exemplo; laboratórios tecnológicos de instrumentação; certos equipamentos de automação e protecção, computadores específicos, etc 5% Classe 2 Classe 3 Aplica-se ao PAC e pontos de ligação internos no ambiente industrial em geral. Aplica-se também a redes públicas. 8% Apenas aplicável a pontos de ligação internos em ambientes industriais. O nível de compatibilidade é maior que o da classe 2 para certas perturbações. Esta classe deve ser considerada sempre que se verifiquem as seguintes condições: - A maior parte das cargas são alimentadas por conversores; 1% - Existem máquinas de soldar; - Arranque frequente de motores de elevada potência; - Existência de cargas que mudam rapidamente. 4 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

25 Capítulo 1 Introdução Também a norma da Comissão Electrotécnica Internacional ( IEC International Electrotechnical Commission) IEC merece destaque, definindo o nível de compatibilidade com harmónicos de redes industriais. Essas redes encontram-se classificadas de acordo com a sua tolerância a perturbações na forma de onda da tensão [8]. Na Tabela 1.2 encontra-se descrita essa norma. Por fim, a norma do IEEE que classifica os problemas de Qualidade de Energia Eléctrica relacionadas com a forma de onda de tensão. Nesta norma são classificados distúrbios quer relacionados com variações do valor eficaz da tensão, quer com problemas de distorção de forma de onda. Trata-se da norma IEEE [9] e pode ser observada na Tabela 1.3. Tabela 1.3 Classificação de problemas de qualidade de energia na tensão de acordo com a norma IEEE Categorias Duração Amplitude Típica Típica Transitórios Impulsos ns até aos ms - Oscilações 3μs até 5ms a 8 p.u..5 a 3 Sag.1 a.9 p.u. ciclos Instantâneas.5 a 3 Swell 1.1 a 1.8 p.u. ciclos Variações.5 ciclos a de Interrupção <.1 p.u. 3s curta duração Momentâneas Sag 3 ciclos a 3s.1 a.9 p.u. Swell 3 ciclos a 3s 1.1 a 1.4 p.u. Interrupção 3s a 1min. <.1 p.u. Temporárias Sag 3s a 1min..1 a.9 p.u. Swell 3s a 1min. 1.1 a 1.4 p.u. Interrupção >1min - Variações de curta duração Subtensão >1min.8 a.9 p.u. Sobretensão >1min 1.1 a 1.2 p.u. Desequilíbrios de Tensão permanente.5 a 2% Offset DC permanente a.1% Harmónicos permanente a 2% Distorção da forma de onda Interharmónicos permanente a 2% Notching permanente - Ruído permanente a 1% Flutuações de Tensão Intermitente.1 a 7% Variações de frequência 1s - Sabendo-se que os problemas de Qualidade de Energia Eléctrica afectam o desempenho de cargas sensíveis, quer lineares, quer não lineares, existe a necessidade de compensar estes eventos. Assim, o objectivo final deste trabalho é o desenvolvimento de um equipamento que seja capaz de compensar a tensão a fornecer a cargas genéri- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 5

26 Capítulo 1 Introdução cas, garantindo que esta tensão compensada obedece aos critérios estipulados pelas normas internacionais atrás mencionadas Enquadramento Uma solução para sistemas eléctricos monofásicos, que é apresentada nesta Dissertação, é o Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico. É um equipamento que permite uma resposta dinâmica às variações do valor eficaz da tensão e à presença de distorções harmónicas na tensão. Na Figura 1.3 vemos o princípio de funcionamento. De uma forma simplificada, o funcionamento consiste na injecção de uma tensão sintetizada por um inversor a IGBT s, que somada à tensão do sistema resultará numa tensão com valor nominal, cuja forma de onda é sinusoidal, à frequência fundamental. Desta forma a qualidade da energia fornecida à carga melhora substancialmente e consequentemente o funcionamento e durabilidade da carga serão melhorados e prolongados, que é o objectivo final quando se procede à resolução de problemas de Qualidade de Energia Eléctrica. V S V C V L V C Sistema Eléctrico V S Condicionador Série V L Carga Figura 1.3 Princípio de funcionamento do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico 1.3. Motivações para o Trabalho A Universidade do Minho tem vindo a realizar trabalho ao nível da Electrónica de Potência com vista à resolução de problemas de Qualidade de Energia Eléctrica. Entre os projectos desenvolvidos presta-se especial destaque ao trabalho dispendido na implementação de Filtros Activos de Potência, especialmente na topologia paralela, ou seja, para compensação de correntes. A principal motivação para este trabalho é aumentar a gama de conhecimentos na área dos Filtros Activos, avançando assim para uma topologia série através da implementação e desenvolvimento do Condicionador Série. Novos algoritmos foram estuda- 6 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

27 Capítulo 1 Introdução dos e aplicados na implementação deste equipamento. O trabalho em electrónica de potência é aliciante uma vez que engloba as principais vertentes ministradas no Mestrado Integrado de Engenharia Electrónica Industrial e Computadores. Na programação de microcontroladores, englobamos o processamento de sinais em tempo real. Envolve-se neste projecto os conhecimentos adquiridos de instrumentação e medição, condicionamento de sinal, teorias de controlo em tempo real, e teorias para a potência eléctrica no domínio do tempo entre outras valências, o que torna o projecto aliciante no ponto de vista da aquisição de conhecimentos de Engenharia Electrónica. A possibilidade de fazer este trabalho de Dissertação em conjunto com o trabalho de Doutoramento, Contribuições Para Otimização do Desempenho do Condicionador UPQC (Unified Power Quality Conditioner), do Doutor Luís Fernando Corrêa Monteiro foi representou uma forte motivação, acabando esta colaboração por ser preponderante para este trabalho. Outra motivação foi a implementação do filtro série sem a utilização de um transformador de acoplamento. A não utilização do transformador implica a redução de peso, de custo e de perdas pelo equipamento. Por outro lado elimina problemas causados por saturação e por correntes de inrush relacionadas com a magnetização do transformador, sendo a grande desvantagem desta implementação é o fim do isolamento eléctrico entre a rede e o Condicionador Activo do Tipo Série. Num prisma mais pessoal, a grande motivação foi poder trabalhar numa área na qual se prevê um aumento nas suas aplicações. Numa altura em que a preocupação com o consumo eficiente e racional de energia eléctrica, assim como formas de produção de energia limpa, a Electrónica de Potência assume um papel preponderante na descoberta de soluções para estas questões Objectivos do Trabalho Para que a implementação e teste do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico, os seguintes objectivos devem ser cumpridos: Pesquisa sobre o estado da arte e as diferentes abordagens, topologias e sistemas de controlo para Condicionadores Activos de Potência do Tipo Série. Estudo com recurso a simulações computacionais utilizando Matlab / Simulink de estratégias de controlo para o Condicionador Activo de Potência do Tipo Série. Realização de simulações computacionais em PSCAD do Condicionador Activo de Potência do Tipo Série em várias situações de operação, incluindo situações críticas: sobrecargas, curtos circuitos, sobretensões e subtensões momentâneas, Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 7

28 Capítulo 1 Introdução transitórios de tensão, flicker, harmónicos variados de tensão e correntes com elevados valores de THD. Estudo sobre técnicas de controlo de corrente e tensão para inversores do tipo fonte de tensão e implementação de técnicas de comutação de frequência fixa. Implementação do sistema de controlo em tempo real em DSP dos sistemas de controlo e comando escolhidos para a implementação do Condicionador Activo de Potência do Tipo Série. Implementação dos andares de potência do Condicionador activo do Tipo Série. Esta tarefa irá tirar partido da tecnologia já disponível na Universidade do Minho com relação ao desenvolvimento de andares de potência de Filtros Activos do Tipo Paralelo e UPQC s. Implementação dos sistemas de protecção e supervisão do equipamento proposto e a sua integração no mesmo. Realização de ensaios de laboratório nos protótipos desenvolvidos Organização da Dissertação No Capítulo 2 são apresentadas algumas topologias de equipamentos de Electrónica de Potência que fazem condicionamento de potência, ligados em série no Sistema Eléctrico, sendo apresentado no final e com maior detalhe face aos outros equipamentos, o Condicionador Activo do Tipo Série. No Capítulo 3 são introduzidas algumas estratégias de controlo para o Condicionador Activo do Tipo Série. As apresentações das estratégias de controlo vêm acompanhadas de resultados de simulação para atestar a sua validade. Com maior detalhe é apresentado o Sistema de Controlo adoptado para a implementação do Condicionador Activo do Tipo Série, assim como técnicas de comutação adoptadas. O Capítulo 4 é o primeiro em que se testa, por simulação, as premissas anteriormente apresentadas. Essas premissas são as relacionadas quer com o circuito de potência, quer com o Sistema de Controlo. Os resultados de simulação foram obtidos recorrendo ao PSCAD/EMTDC. No Capítulo 5 é feita uma descrição da implementação do Condicionador Activo do Tipo Série, sendo apresentados os diversos constituintes do protótipo implementado em laboratório. No Capítulo 6 é apresentado o Sistema de Supervisão e Protecção do Condicionador Activo do Tipo Série. Este equipamento visa colmatar a ausência de isolamento 8 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

29 Capítulo 1 Introdução eléctrico do Conversor Série com a introdução de um método apurado de protecção. Faz também a automatização da ligação do Condicionador Activo do Tipo Série ao sistema eléctrico. No Capítulo 7 são apresentados os resultados experimentais, resultados esses que servem de base para a análise de funcionamento do Condicionador Activo Série quando compensando sag (subtensão momentânea), swell (sobretensão momentânea), flicker e distorção harmónica de tensão. Apresenta também resultados experimentais do funcionamento do equipamento como UPQC. O Capítulo 8 apresenta as principais conclusões obtidas na realização do trabalho, assim como sugestões para trabalho futuro tendo como pano de fundo o Condicionador Activo do Tipo Série. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 9

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31 CAPÍTULO 2 Condicionadores Activos do Tipo Série 2.1. Introdução Um Condicionador Activo do Tipo Série pode ser definido, de uma forma generalizada, como um equipamento que é colocado em série entre a rede eléctrica e uma carga, condicionando a potência que é fornecida a esta. O objectivo é melhorar a forma de onda da tensão nos terminais da carga, reduzindo os problemas de qualidade de energia a que esta possa estar sujeita, assim melhorando o desempenho da carga. São equipamentos de Electrónica de Potência constituídos por conversores de potência, tais como rectificadores e inversores, os quais permitem a sintetização de tensões no sistema eléctrico de forma a corrigir os eventos causadores de uma fraca Qualidade de Energia Eléctrica. Apesar de, pela forma como estão colocados no sistema eléctrico (em série), sintetizarem tensões, estes equipamentos podem compensar não só problemas de qualidade de energia presentes na tensão (sags ou cava de tensão, swells ou sobretensão momentânea, harmónicos, etc ), como pode ser também utilizada para compensar problemas presentes na corrente. Como exemplos de Condicionadores Activos do Série para a correcção de problemas de tensão podem-se dar as UPS, os DVR, o Condicionador Activo do Tipo Série e Filtros Activos do Tipo Série. Para a correcção de problemas de qualidade de energia na corrente é neste capítulo abordado o UPQC. Neste capítulo serão estudados alguns dos condicionadores de potência de topologia do tipo série utilizados na resolução de problemas de Qualidade de Energia Eléctrica, e as vantagens e desvantagens que cada uma delas apresenta UPS (Uninterruptable Power Supply) Uma UPS é um equipamento de Electrónica de Potência que garante fornecimento de energia a uma carga de forma contínua, garantindo alimentação de recurso à carga protegida (backup), mesmo quando há uma interrupção no fornecimento de energia eléctrica por parte da rede. Permite a regulação da tensão fornecida à carga quando ocorrem problemas de qualidade de energia, quer relacionados com a variação do valor eficaz da tensão, quer mesmo problemas de presença de componente harmónica na ten- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 11

32 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série são, dependendo da topologia utilizada na UPS. Sendo um equipamento de Electrónica de Potência, é constituído por conversores de potência, fazendo conversão CA-CC para o carregamento de bateria e conversão CC-AC para alimentação da carga, quando para tal o sistema for requisitado. A gama de potências abrange valores que vão desde algumas dezenas de VA, até 1 MVA [1] A norma vigente IEC da Comissão Electrotécnica Internacional (IEC - International Electrotechnical Commission), que regulamenta a classificação das UPS e que foi posteriormente adoptada pelo Comité Europeu de Normalização Electrotécnica (CENELEC), dividiu os equipamentos deste tipo em três categorias: passive standby, line interactive e double convertion. Estas categorias são apresentadas mais pormenorizadamente nos itens seguintes [11][12][13] UPS Passive Standby Este tipo de UPS é o mais económico, embora seja também o que fornece menor grau de protecção à carga. Na Figura 2.1 pode-se ver o esquema unifilar simplificado desta topologia de UPS. Comutador da UPS Rede Eléctrica Carga Rectificador para carga de Baterias Inversor Baterias Figura 2.1 UPS com topologia standby. Em funcionamento no modo normal, o equipamento alimenta a carga a partir da rede eléctrica, estando o inversor em modo standby e o rectificador carregando a bateria. Neste modo, a UPS Passive Standby pode oferecer também protecção contra transitórios através do uso de supressores, de acordo com a norma IEC [11][12][13]. Quando a tensão ou a frequência da rede eléctrica saem dos valores estipulados pela UPS, ou quando ocorre uma interrupção no fornecimento, a carga passa a ser alimentada a partir do inversor, o qual usa a energia armazenada nas baterias. Esta passagem é feita pelo comutador representado na Figura 2.1, devendo a comutação entre a rede e a saída do inversor ser o mais breve possível. Feita a comutação, o equipamento entra no modo energia armazenada, mantendo-se assim até que a energia armazenada 12 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

33 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série nas baterias se esgote, ou até que os níveis de tensão e frequência sejam restabelecidos no sistema eléctrico. Uma vez restabelecidos os valores de tensão e frequência na rede eléctrica, a UPS regressa ao modo normal de funcionamento. Este tipo de UPS apresenta protecção contra os problemas de qualidade de energia relacionados com a variação do valor eficaz da tensão (sags, swells, sobretensões, subtensões, interrupções) mas é ineficaz na mitigação de componentes harmónicas presentes na forma de onda da tensão que é fornecida à carga. Também apresenta a desvantagem de o tempo de comutação entre a rede e o inversor (na passagem do modo normal para o de energia armazenada) ser longo (cerca de meio ciclo da rede), podendo ser demasiado tempo para cargas mais sensíveis. Também não faz regulação da tensão nem de frequência no modo normal, sendo sempre necessário passar para o modo energia armazenada quando se detectam anomalias. Este tipo de UPS é o resultado de um compromisso entre a protecção contra perturbações no fornecimento e o custo, sendo mais utilizada a nível de computadores isolados ou em outros sistemas de baixa potência (abaixo de 2 kva) UPS Line Interactive Nesta topologia existe apenas um conversor de potência sempre ligado à carga, e com funcionamento bidireccional. Na Figura 2.2 encontra-se o esquema unifilar simplificado da UPS Line Interactive. Interruptor Electrónico Rede Eléctrica Conversor Bidireccional Carga Baterias Figura 2.2 UPS com topologia Line Interactive A norma do IEC que regulamenta as UPS define três modos de operação. Quando se encontra no modo normal de funcionamento, a carga é alimentada directamente pela rede eléctrica, funcionando o conversor como rectificador com o intuito de armazenar energia nas baterias. O funcionamento em modo energia armazenada é activado quando o valor de tensão no sistema eléctrico fica fora dos parâmetros estabelecidos na UPS, ou quando Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 13

34 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série existe uma interrupção no fornecimento. Neste modo de funcionamento, o inversor alimenta as cargas com a energia armazenada nas baterias e o interruptor electrónico é aberto para que não haja um retorno da energia armazenada para a rede. A UPS ficará neste modo de funcionamento até que os níveis de tensão no sistema eléctrico sejam restabelecidos ou até que a energia armazenada nas baterias se esgote. Voltando os parâmetros da rede eléctrica aos padrões normais, A UPS Line Interactive retorna ao modo normal, com o conversor bidireccional a carregar as baterias. Por fim temos o modo bypass, presente em algumas UPS deste tipo. Consiste num caminho alternativo para alimentação da carga directamente a partir da tensão da rede. Este caminho é activado pela ocorrência de uma avaria na UPS, sendo que também pode ser activado para fins de manutenção. As desvantagens em desta topologia são: falta de protecção à carga em relação à presença de componentes harmónicas na forma de onda de tensão do sistema eléctrico a montante; inexistência de regulação de frequência, sendo a carga sempre alimentada à frequência da rede; inexistência de protecção contra transitórios. A vantagem desta topologia é a ligação directa do inversor à carga, permitindo por isso uma velocidade de resposta maior, quando comparada se compara com a UPS Passive Standby. Esta topologia não é recomendada para fazer backup de cargas mais sensíveis, uma vez que não permite regulação de frequência UPS Double Conversion Nesta topologia, o bloco do conversor de potência encontra-se permanentemente em série entre a rede e a carga. Deste modo toda a transferência de potência entre a rede e a carga é feita pelo bloco conversor. Interruptor Manual Linha de Bypass Interruptor Electrónico Rede Eléctrica Rectificador Inversor Baterias Carga Figura 2.3 UPS com topologia Double Conversion 14 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

35 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série Na Figura 2.3 encontra-se o esquema unifilar simplificado desta topologia. Em semelhança à topologia de UPS abordado no item 2.2.2, a norma IEC define três modos de funcionamento distintos para esta topologia. No modo normal a carga é sempre alimentada através do rectificador/carregador de bateria e inversor, desta forma fazendo a dupla conversão que dá o nome a esta topologia. Esta conversão garante protecção à carga para todos os problemas presentes na forma de onda da tensão da rede, uma vez que o inversor de saída irá sintetizar uma tensão com forma de onda sinusoidal à amplitude e frequência nominal da carga. Quando no modo de energia armazenada, que ocorre quando o valor da tensão da rede se afasta dos valores estipulados ou é interrompida, o inversor e a bateria garantem o fornecimento de energia à carga, assim continuando enquanto as baterias tiverem energia armazenada ou a tensão de rede não for restaurada. Verificando-se o restauro dos valores de tensão na rede, a UPS volta ao seu modo normal de operação. O terceiro modo de funcionamento é o modo bypass. A linha de bypass deste tipo de UPS é estática e é activada através de um interruptor electrónico para que haja uma transferência rápida e sem quebra de fornecimento de tensão à carga. Para entrar neste modo de funcionamento é garantido que a frequência e fase da tensão sintetizada pelo inversor estão sincronizada com a da rede, de forma a que a transição seja suave. O recurso a esta linha é apenas feito quando a UPS apresenta mau funcionamento, seja pela presença de correntes transitórias na carga (correntes de inrush, por exemplo) ou de sobrecargas; ou ainda quando a bateria se descarrega completamente. Refira-se que neste modo a carga não se encontra protegida. A presença desta linha de bypass implica que as frequências nominais da rede e da carga sejam iguais, assim como as tensões nominais. Se estas últimas não o forem, um transformador terá que ser colocado nesta linha para que a carga seja correctamente alimentada. Esta topologia apresenta como desvantagem o seu elevado custo, custo esse que se justifica pela elevado nível de protecção que garante. Também é a topologia que oferece um pior rendimento, uma vez que as perdas de comutação são maiores por ter os dois conversores em permanente e simultânea operação. Como vantagem temos a já comentada alimentação permanente através do inversor, quer no modo normal quer no modo energia armazenada, o que garante à carga um fornecimento estável. Por isso mesmo a carga está protegida dos problemas de qualidade de energia presentes na tensão da rede, garantindo por isso protecção contra harmónicos, flicker, sobretensões e transitórios. Permite também uma gama ampla de valores de tensão na sua entrada e uma regulação de tensão precisa para a carga. Oferece também regulação da frequência Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 15

36 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série da tensão de saída, funcionando como um conversor de frequência, desde que se impeça a entrada no modo bypass. Tem também uma melhor performance em relação às outras topologias tanto em regime permanente como em transitório. Outra vantagem é a transferência imediata para o modo energia armazenada, sendo esta transferência imperceptível para a carga Restaurador Dinâmico de Tensão (DVR) O DVR (Dynamic Voltage Restorer), tal como o seu nome indica, restaura dinamicamente os valores nominais da tensão na rede eléctrica. É um equipamento concebido para a protecção de instalações eléctricas onde estão ligadas cargas sensíveis ou que alimentam processos de elevada susceptibilidade a problemas na qualidade da tensão a eles fornecida. O objectivo fundamental de um DVR é a mitigação de problemas de qualidade de energia relacionados com a variação do valor eficaz da tensão, e isso é conseguido pela colocação de um Inversor Fonte de Tensão em série com a linha. Este, caso seja detectado um afundamento na tensão, injecta uma tensão tal que restaura o valor nominal da tensão, com uma margem de 5%, desta forma restituindo a potência activa [14][15]. Ao contrário das UPS apresentadas no item 2.2, este equipamento não possui baterias, o que implica uma redução nos custos e no tamanho. Porém, a possibilidade de protecção da carga contra interrupções no fornecimento é eliminada, assim como a resposta a subtensões prolongadas. O armazenamento da energia para o restauro da tensão é feito em bancos de condensadores presentes no elo CC do Inversor Fonte de Tensão. A tensão no elo CC é mantida no seu nível de tensão de referência por intermédio de um circuito carregador que pode ser ligado num circuito auxiliar ou em paralelo com a linha, sendo esta última configuração a mais habitual [15][16]. O elo CC funciona como um amortecedor de energia, fornecendo energia quando se dá um afundamento de tensão (sag), e absorvendo quando se dá uma sobretensão momentânea (swell). O acoplamento em série com o sistema eléctrico é habitualmente feito por intermédio de um transformador elevador de tensão. Na Figura 2.4 encontra-se representado um esquema simplificado do DVR. 16 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

37 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série Rede Eléctrica Cargas Rectificador Inversor Figura 2.4 Esquema simplificado de um DVR monofásico. Durante a maior parte do tempo, o DVR encontra-se parado, apenas regulando a tensão no elo CC do inversor, não sintetizando tensões para o sistema. O enrolamento de menor tensão do transformador é curto-circuitado pelo Inversor Fonte de Tensão, não havendo quaisquer comutações de semicondutores. Este modo de operação é chamado de SCO (Short Circuit Operation)[14]. Os problemas de qualidade de energia que o DVR resolve são sags e swells de tensão, flicker e desequilíbrios de tensão (em sistemas trifásicos). Quando um destes problemas é detectado o DVR entra em operação, conseguindo compensar afundamentos significativos (até 35% do valor nominal) durante cerca de 3 segundos, com um tempo de resposta por volta de meio ciclo da rede. No entanto não é tão eficaz para resolver sobretensões, sendo apenas capaz de compensar quando estas correspondem a cerca de 1% do valor nominal da tensão [1]. Existem equipamentos desenvolvidos cujas potências vão desde as centenas de kva, até algumas dezenas de MVA [16][17] 2.4. Filtro Activo do Tipo Série Um Filtro Activo do Tipo Série é um equipamento de Electrónica de Potência colocado em série na com o sistema eléctrico com o objectivo de compensar problemas de qualidade de energia presentes neste. Sendo um filtro, actuará apenas na redução das componentes harmónicas de tensões e correntes [18][19]. O Filtro Activo do Tipo Série, como pode ser visto no esquema da Figura 2.5, consiste num Inversor Fonte de Tensão ligado em série com a rede por meio de um transformador (na sua topologia mais comum), ou directamente acoplado. Como elemento armazenador de energia possui, no lado CC do Inversor Fonte de Tensão, um banco de condensadores. A tensão do lado CC pode ser regulada por um rectificador, embora seja possível, através de um controlo apurado do Inversor Fonte de Tensão, prescindir desse elemento [2]. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 17

38 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série Rede Eléctrica Cargas Inversor Figura 2.5 Esquema simplificado de um Filtro Activo do Tipo Série. O princípio de funcionamento do Filtro Activo do Tipo Série é, conceptualmente, bastante simples, consistindo basicamente na separação da componente harmónica presente no sistema eléctrico [2]. Isto pode ser feito quer no domínio das frequências, recorrendo a FFTs (Fast Fourrier Transformations); quer no domínio do tempo recorrendo a circuitos de sincronismo que detectam a componente fundamental de sequência positiva, sendo a diferença entre esta e a tensão no sistema a componente harmónica [2][21][22]. Obtida essa componente harmónica e invertendo a fase da mesma, é obtida a tensão de referência que deve ser sintetizada pelo Inversor Fonte de Tensão. Desta forma a componente harmónica da tensão é cancelada, passando a carga a ser alimentada por uma tensão com um reduzido conteúdo harmónico. A isto chama-se fazer o compensação de harmónicos de tensão da rede para a carga Condicionador Activo do Tipo Série O Condicionador Activo do Tipo Série é, na sua constituição, idêntico ao Filtro Activo Série sendo habitualmente na literatura referido como sendo ele próprio um Filtro Activo do Tipo Série. A diferença é marcada pelo tipo de problemas de qualidade de energia que um e outro são capazes de resolver. Como é dito no item 2.4, o Filtro Activo do Tipo Série faz filtragem de harmónicos de tensão que são propagados do sistema eléctrico para a carga. Já o Condicionador Activo do Tipo Série faz o condicionamento da tensão a entregar às cargas por ele protegidas para que esta respeite os valores nominais de tensão e sem distorção harmónica. Assim sendo, os problemas de qualidade de energia que o Condicionador Activo do Tipo Série compensa são cavas de tensão (sag), sobretensões momentâneas (swell), subtensões e sobretensões moderadas, fliker e harmónicos [22] [23]. A sua constituição é em tudo semelhante à do Filtro Activo Série. É constituído por um Inversor Fonte de Tensão onde serão sintetizadas as tensões para a compensação 18 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

39 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série de problemas de qualidade de energia. Este Inversor está acoplado à rede por meio de um transformador elevador, embora existam topologias sem transformador. No elo CC do inversor encontra-se o elemento armazenador de energia que é um banco de condensadores. Para a regulação da tensão nestes, é ligado em paralelo um rectificador. No item 2.4 é afirmado que no Filtro Activo Série, este rectificador poderia ser sacrificado em virtude de um controle apurado em que o inversor também regula a tensão no elo CC [2]. Porém, no Condicionador Activo do Tipo Série a quantidade de energia necessária para a compensação de afundamentos de tensão é maior, pelo que é necessário que haja absorção potência activa da linha para que a tensão no banco de condensadores se mantenha regulada [23]. O princípio de funcionamento (Figura 2.6) é simples no seu conceito, consistindo este na comparação entre a forma de onda da tensão lida do sistema e um sinal sinusoidal em fase, à mesma frequência e com amplitude nominal. A diferença entre os dois é a tensão de referência a sintetizar pelo equipamento no sistema eléctrico, resolvendo desta forma os problemas de qualidade de energia relacionados com a forma de onda da tensão [22][23][24]. V S V C V L V C Sistema Eléctrico V S Condicionador Série V L Carga Figura 2.6 Princípio de funcionamento do Condicionador Activo do Tipo Série 2.6. Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (UPQC). O UPQC (Unified Power Quality Conditioner) resulta da unificação de dois equipamentos cujo objectivo é o condicionamento da potência absorvida da rede para que esta seja fundamentalmente activa. É, portanto, o resultado da unificação do Condicionador Activo do Tipo Série com o Filtro Activo do Tipo Paralelo [25]. Desta unificação pretende-se, por um lado, a compensação de problemas de qualidade de energia relacionados com a tensão fornecida à carga e, por outro, a de problemas de qualidade de energia presentes na corrente consumida da rede. Para a compensação de problemas de qua- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 19

40 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série lidade de energia presentes na tensão temos o Condicionador Activo do Tipo Série, e para os presentes na corrente o Filtro Activo do Tipo Paralelo. Sobre o Condicionador Activo do Tipo Série foi dito o essencial no item anterior, pelo que não é descrito o seu funcionamento e constituição neste item. O Filtro Activo do Tipo Paralelo é constituído por um Inversor Fonte de Tensão controlado por corrente que é conectado em paralelo com o sistema eléctrico, funcionando como uma fonte de corrente controlada. O principio de funcionamento consiste na injecção de correntes no sistema eléctrico de forma a que a corrente fornecida pela fonte fique sinusoidal e em fase com a tensão. Porém, é também garantido que a carga consome a corrente a ela inerente [1][18]. Estas trocas de energia são realizadas pelo Inversor Fonte de Tensão Ligado em paralelo ao sistema eléctrico, sendo o banco de condensadores do elo CC o elemento onde a energia é armazenada. A regulação da tensão do elo CC é feita pelo próprio Filtro Activo do Tipo Paralelo, já que este é bidireccional. Na Figura 2.7 encontra-se representado o princípio de funcionamento da UPQC. V S V L i L i S V C i S i L Sistema Eléctrico V S Condicionador Série V L Carga Não Linear i C Figura 2.7 Princípio de funcionamento de uma UPQC No UPQC, o elo CC é partilhado pelos dois inversores, servindo não só para trocar energia com a rede tendo em vista a compensação harmónica das correntes, como para armazenar energia para sintetização de tensões de compensação para protecção da carga aos problemas de tensão que ocorram no sistema eléctrico. 2 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

41 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série 2.7. Condicionador do Tipo Série Implementado O equipamento que serviu de mote a esta dissertação e que foi implementado é um Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico. A compensação dos distúrbios de tensão é feita pela sintetização de uma tensão de compensação por uma Ponte Inversora Monofásica Totalmente Controlada do Tipo Fonte de Tensão (de agora em diante chamado de Conversor Série), com semicondutores do tipo IGBT. Porém, ao contrário das topologias mais convencionais, não existe acoplamento em série entre o Condicionador Activo e a rede por intermédio de um transformador elevador no lado do Conversor Série. Na Figura 2.8 encontra-se o esquema eléctrico do Condicionador Activo do Tipo Série. i S i L v S v L Sistema Eléctrico v inv Conversor Série Conversor Paralelo Carga v cc i fr Figura 2.8 Esquema eléctrico do Condicionador Activo Série Implementado. O Condicionador estará ligado directamente à rede, apenas tendo um filtro RLC como acoplamento que faz a filtragem do ruído de alta frequência originado pelas comutações nos semicondutores de potência. As vantagens da não utilização do transformador do ponto de vista técnico são fortes. Em primeiro lugar, ao eliminar o transformador elimina-se o desvio de fase que os seus enrolamentos causam, assim como a atenuação das tensões harmónicas que o Condicionador sintetiza. Esses mesmos enrolamentos podem também causar uma queda de tensão, que, paradoxalmente, o Condicionador iria tentar compensar. O que nos leva para o campo da eficiência do equipamento. A presença de um transformador de acoplamento aumenta as perdas do sistema, tornando com isso o Condicionador menos eficaz [26]. Por outro lado, associados ao transformador estão sempre os problemas relacionados com a saturação do transformador e à presença de fenómenos de correntes de inrush relacionados com a magnetização do transformador [26][27]. No entanto, optando-se por uma implementação sem trans- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 21

42 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série formador perde-se o isolamento eléctrico entre o Condicionador Activo do Tipo Série e o sistema eléctrico, significando isto que havendo um curto-circuito no sistema eléctrico (p. ex. nas cargas), o Condicionador será também danificado, sendo o inverso também verdade, isto é, ocorrendo um erro de comutação que coloque um braço da ponte inversora em curto-circuito o sistema eléctrico ressentir-se-á. É necessário, portanto, a presença de um sistema de protecção eficiente que proteja mutuamente o Condicionador Activo do Tipo Série e o próprio sistema eléctrico. Para regulação do elo CC é incluída uma Ponte Inversora Monofásica Totalmente Controlada do Tipo Fonte de Tensão para que seja consumida corrente sinusoidal pelo equipamento. Desta forma o equipamento não se apresenta como mais uma fonte poluidora para o sistema eléctrico. Apresenta um funcionamento bidireccional, permitindo a absorção de energia para o elo CC na ocorrência de uma subtensão, assim como injectar energia quando ocorre uma sobretensão. Por outro facilita a conversão do equipamento numa UPQC. Este Conversor Paralelo (como vai passar a se chamado daqui em diante) é acoplado à rede eléctrica por intermédio de um transformador elevador e por um filtro RLC. Este transformador é necessário devido ao Conversor Paralelo ser um inversor fonte de tensão controlado por corrente, o que implica que no elo CC exista uma tensão que seja quase o dobro da tensão de pico presente no sistema eléctrico, de forma a fazer fluir corrente para o sistema eléctrico. Porém, se no elo CC existisse uma tensão com esse valor, o índice de modulação do Conversor Série seria muito reduzido, o que degredaria a capacidade de compensação de tensão. Desta forma, recorrendo-se ao transformador elevador, com uma razão de transformação de 1:2, duplica-se o índice de modulação do Conversor Série. Pelo lado do Conversor Paralelo, as correntes à saída são sintetizadas em dobro para que a do lado secundário do transformador seja a correcta para a compensação harmónica de correntes no sistema eléctrico e/ou regulação do elo CC Análise em Regime Permanente do Condicionador Activo do Tipo Série, num Sistema Monofásico com Tensões e Correntes Sinusoidais. Neste item será feito um estudo da forma como é feito o condicionamento da potência a fornecer à carga pelo Condicionador Activo do Tipo Série. Como a potência relacionada com os harmónicos é bastante inferior à relacionada com os fenómenos de variação do valor eficaz de tensão, essa será desprezada na análise feita. Na Figura 2.9 vemos o circuito equivalente do Condicionador Activo do Tipo Série. O Conversor Série é equiparado a uma fonte de tensão controlada (V CA ), cuja 22 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

43 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série amplitude é a diferença entre a tensão presente no sistema eléctrico e a tensão ideal que deve ser fornecida à carga. O Conversor Paralelo, cuja função é a regulação da tensão nos condensadores do elo CC pode ser representado como uma fonte de corrente controlada (I CA ). Figura 2.9 Circuito equivalente do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico Sendo V L a tensão na carga, I L a corrente na carga, V S a tensão presente no sistema eléctrico e tomando V L como o fasor de referência e um atraso de fase φ, temos o sistema eléctrico representado por: V (2.1) L V L I I L (2.2) L V V ( 1 r) (2.3) S L Em que r é a razão que representa a flutuação do valor da tensão da fonte em relação à da carga que deverá estar no valor nominal: ( VS VL ) r V L (2.4) Assumindo-se que o Condicionador Activo do Tipo Série não apresenta perdas, a potência activa na carga é igual à que é extraída do sistema eléctrico. Sendo PS a potência activa extraída da fonte e P L a potência consumida pela carga, temos que: P V S L P L ( 1 r) I V I cos R L L (2.5) I R I L cos 1 r (2.6) Em que I R é a componente real da corrente absorvida da fonte ( I S ). Uma vez que o rectificador activo implementado apenas consumirá potência activa, a componente reactiva da corrente absorvida da rede é igual à consumida pela carga, pelo que: Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 23

44 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série I L cos I 2.7 S ji L sin 1 r A tensão injectada pelo Condicionador Activo do Tipo Série é dada por: V V V r V (2.8) CA L S L A potência aparente absorvida pelo Condicionador Activo do Tipo Série ( S CA ), assim como a sua potência activa ( P CA ) e reactiva ( Q CA ) são descritas pelas seguintes equações: S P CA CA V I (2.9) CA r V L S I L cos (2.1) 1 r Q r V I sin (2.11) CA L L P S P S P CA P L Sistema Eléctrico P CA P CA Carga Q S (a) Q L Sistema Eléctrico Q CA v cc Carga (b) Figura 2.1 Fluxo de potência em condição de swell: (a) Fluxo de Potência Activa; (b) Fluxo de Potência Reactiva Observando a equação (2.1) podemos constatar que o valor que o parâmetro r assumir irá definir o sentido do fluxo de potência pelo Condicionador Activo. Na ocorrência de um swell ou sobretensão (r > ) no sistema eléctrico, o Condicionador Activo irá absorver potência pelo Conversor Série, que será devolvida para a carga por intermédio do Conversor Paralelo. Na Figura 2.1 (a) vemos esse processo ilustrado. Pela mesma equação também se concluí que na ocorrência de um sag ou subtensão (r < ), o 24 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

45 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série Condicionador Activo do Tipo Série irá absorver potência activa pelo Conversor Paralelo, e o Conversor Série injecta-a no sistema no seu processo de regulação da tensão a fornecer à carga (Figura 2.11 (a)). Por outro lado, interpretando a equação (2.11), podemos concluir que o Condicionador Activo do Tipo Série também condiciona a potência reactiva que é fornecida a carga de acordo com o parâmetro r. Caso este parâmetro seja positivo, que ocorre na existência de um swell ou sobretensão, o filtro consome * potência reactiva. Sendo r negativo, será fornecida * potência aparente. Este comportamento está representado nas Figura 2.1 (b) e Figura 2.11(b). P S P S +P CA P L Sistema Eléctrico P CA P CA Carga (a) Q S Q L Sistema Eléctrico Q CA vcc i fr Carga (b) Figura 2.11 Fluxo de potência em condição de sag: (a) Fluxo de Potência Activa; (b) Fluxo de Potência Reactiva Conclusão Neste capítulo foi feito um estudo de topologias Condicionadores do Tipo Série, e o seu impacto na resolução de problemas de qualidade de energia, nomeadamente problemas na tensão do sistema eléctrico. Dos equipamentos analisados, dois sobressaíram na sua capacidade de resolver os problemas de qualidade de energia relacionados com a tensão. Foram estes a UPS do tipo Double-Convertion e o Condicionador Activo do Tipo Série, sendo este último o * A potência reactiva, embora seja essencial para o funcionamento de muitos equipamentos eléctricos, não produz trabalho. Assim sendo, não se pode considerar o aumento ou diminuição desta como fornecimento ou consumo desta parcela da potência. Tal nomenclatura foi utilizada para facilitar a compreensão. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 25

46 Capítulo 2 Condicionadores do Tipo Série que foi implementado no âmbito deste trabalho. Apesar de a UPS do tipo Double- Convertion garantir um outro nível de protecção, fazendo o isolamento da carga dos problemas existentes no sistema eléctrico e garantindo fornecimento de energia de recurso em caso de interrupção na rede, a verdade é que apresenta perdas mais elevadas, consequência da comutação em permanência dos dois conversores de potência inerentes à sua topologia. A sua topologia obriga também a que o bloco de potência seja projectado para uma maior potência, quando comparado com o Condicionador Activo do Tipo Série. Neste aspecto o Condicionador Activo do Tipo Série ganha vantagem por apenas ser chamado quando a tensão do sistema apresenta deficiências na sua forma de onda, corrigindo-a. Por outro lado, a ocorrência de interrupções no fornecimento são raras e a opção por uma tecnologia que tenha entre os seus componentes baterias para armazenamento de energia aumenta de forma evidente e significativa o custo equipamento, obrigando também a cuidados de manutenção e de substituição das baterias. Finalmente, a configuração de Condicionador Activo Série adoptada permite a conversão fácil do equipamento num UPQC, permitindo assim não só a compensação de problemas de qualidade de energia presentes na tensão, como também os presentes na corrente consumida na fonte. No Capítulo 3 são apresentados sistemas de controlo para Condicionadores Série, assim como são apresentados resultados de simulação dos mesmos. 26 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

47 CAPÍTULO 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores Série 3.1. Introdução Neste capítulo são discutidas algumas teorias de controlo para a compensação de distúrbios de tensão estudadas no decorrer deste trabalho de dissertação. Para a avaliação de cada uma das teorias discutidas, são apresentados os resultados de várias simulações computacionais, que, de uma forma simples, atestam os princípios de funcionamento de cada um deles. Os modelos computacionais foram implementados em MATLAB/Simulink [28][29], apenas se simulando o sistema de controlo em si, com a intenção de verificar a viabilidade de cada um deles. É também apresentada a estratégia de controlo utilizada para regulação do elo CC do Condicionador Série, por intermédio de um Conversor Paralelo. Essa estratégia resulta directamente da utilização da Teoria p-q, também conhecida como Teoria da Potência Instantânea. Na maioria dos sistemas de controlo estudados a pedra angular é o sistema de sincronismo com a rede. É apresentado o sistema de sincronismo do tipo Phase Locked Loops, que foi implementado no sistema de controlo adoptado. Mais adiante é feita uma pequena abordagem do hardware do sistema de controlo implementado. Por fim são apresentadas as técnicas de comutação implementadas, quer para inversor em série com o sistema, quer para o paralelo Teorias de Controlo Para Compensação de Distúrbios de Tensão Para a determinação das tensões de referência a sintetizar por intermédio de um Condicionador Série foram utilizados vários métodos desde as primeiras implementações. Existem algumas teorias desenvolvidas a partir de estratégias de controlo utilizadas na implementação de sistemas de controlo para Filtros Activos do Tipo Paralelo. Exemplo disso são as teorias mostradas em [24] [25] e [3], que se processam no domínio dos tempos, e se aplicam, mormente, em sistemas trifásicos, mas cuja adaptação a sistemas monofásicos é simples. No entanto, as estratégias de controlo que mais se adequam a Condicionadores Activos do Tipo Série são aquelas chamadas de comparação Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 27

48 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série 28 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para directa de tensões, em que algumas das características da tensão que se pretende na carga estão predefinidas, sendo feita uma comparação entre estas características e as que estão presentes no sistema eléctrico. Disto são exemplo as teorias utilizadas em [23] e [31] Estratégia de Controlo Baseado na Teoria p-q A Teoria p-q, também conhecida com a Teoria das Potências Instantâneas, foi desenvolvida e proposta por Akagi em 1983 para sistemas trifásicos sem neutro, com uma pequena abordagem a sistemas trifásicos com neutro [32]. Em 1993 foi feito um estudo detalhado da Teoria p-q, sendo esta expandida para sistemas trifásicos desequilibrados a 4 fios (três fases e neutro), considerando a potência de sequência zero [32] [33]. O primeiro passo para a aplicação desta teoria consiste na transformação do sistema de referências estacionário, correspondente às fases a-b-c para um sistema de coordenadas α-β-. Isto é feito aplicando-se a transformada de Clarke, que devolve um sistema de referência estacionário, onde as coordenadas α-β são ortogonais entre si, e a coordenada correspondente à componente de sequência. As tensões e correntes em α-β- são calculadas da seguinte forma: c b a v v v v v v 2 3 / 2 3 / 2 1/ 2 1/ 1 2 1/ 2 1/ 2 1/ 3 2 (3.1) c b a i i i i i i 2 3 / 2 3 / 2 1/ 2 1/ 1 2 1/ 2 1/ 2 1/ 3 2 (3.2) Determinadas as componentes α-β- das tensões e das correntes, podemos calcular a potência real instantânea (p), a potência imaginária instantânea (q) e a potência de sequência zero instantânea (p ): i i i v v v v v q p p (3.3) De onde se retira: ~ p p i v p (3.4) p p i v i v p ~ (3.5) i v i v q (3.6)

49 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série O significado físico das potências instantâneas calculadas é o apresentado na seguinte tabela: p p~ p Tabela 3.1-Significado físico das potências instantâneas da Teoria p-q Valor médio da potência real instantânea, correspondente à energia por unidade de tempo transferida da fonte para a carga através das coordenadas α-β, ou através das fases a-b-c do sistema eléctrico. Valor oscilante da potência real instantânea, correspondente à energia por unidade de tempo trocada entre a fonte e a carga através das coordenadas α-β, ou através das fases a-b-c do sistema eléctrico. Valor médio da potência instantânea de sequência zero, correspondente à energia por unidade de tempo trocada transferida da fonte para a carga através das coordenadas α-β-, ou através do neutro no sistema trifásico a quatro fios. Valor oscilante da potência instantânea de sequência zero, correspondente à ~ p energia trocada entre a fonte e a carga através das coordenadas α-β-, ou através do neutro no sistema trifásico a quatro fios. q Potência imaginária instantânea, correspondente à energia por unidade de tempo trocada entre as coordenadas α-β, ou entre as fases a-b-c do sistema eléctrico, sem que com isso haja transferência de energia entre a fonte e a carga. A obtenção destas potências instantâneas revela-se extremamente útil, uma vez que se tendo estas é possível isolar as correntes nas coordenadas α-β- responsáveis por cada uma das potências obtidas. A equação (3.7) mostra como se podem determinar as correntes imaginárias nas coordenadas α-β-, e a (3.8) a sua transformação para as coordenadas a-b-c, correspondente a um sistema eléctrico trifásico. i i i i i q q qa qb qc v 2 1 v 2 v v 1 2 1/ 2 3 1/ 2 v v q i 3 / 2 i 3 / 2 q q (3.7) (3.8) São estes princípios que são utilizados na estratégia de controlo baseada na Teoria p-q descrita em [3]. Nesta estratégia, estes princípios serão utilizados para a detecção da componente fundamental de sequência positiva das tensões do sistema eléctrico e determinação de tensões de compensação para cancelamento de harmónicos de tensão, e flicker. Na Figura 3.1 encontra-se representado o diagrama do sistema de controlo pro- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 29

50 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série posto. Pode-se ver que numa fase inicial as tensões do sistema nas coordenadas a-b-c são convertidas para as coordenadas ortogonais α-β. Esta transformação é feita recorrendo à transformada de Clarke descrita na equação (3.1). As tensões v α e v β passam por um circuito de sincronismo do tipo PLL, que devolve dois sinais sinusoidais de amplitude unitária, pll α e pll β, que estão em fase e com a mesma frequência que as tensões v α e v β. v a v b v c v α PLL v β pll α pll β v refα v refβ v refa v refb v refc Detector V +1 v +1α v +1β Cálculo das Tensões de Referência Figura 3.1 Diagrama de blocos do Sistema de Controlo Baseado na Teoria p-q. Na Figura 3.2 podemos ver o diagrama de blocos do detector da componente fundamental de sequência positiva das tensões v α e v β, cujas entradas são estas últimas tensões, juntamente com os sinais gerados pela PLL, pll α e pll β. Filtro Passa Baixo p p Cálculo de V +1 v +1α v +1β Cálculo da Potência Instantânea Fictícia v α v β pll α pll β Figura 3.2 Diagrama de blocos do Detector da Componente Fundamental de Sequência Positiva da Tensão. Detectada a frequência e a fase das tensões v α e v β, falta determinar as suas amplitudes. Utilizando os sinais pll α e pll β e as tensões nas coordenadas α-β pode-se calcular uma potência real instantânea fictícia, expressa na equação (3.9). p fict v pll v pll (3.9) Esta potência pode ser decomposta em: p p ~ p (3.1) fict fict fict Em que p~ fict corresponde às distorções presentes nas tensões v α e v β e p fict à amplitude da componente de sequência positiva das tensões v α e v β. O valor de potência 3 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

51 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série instantânea médio fictício ( p fict ) é obtido por intermédio de um filtro passa baixo. Para o cálculo dos valores instantâneos da componente fundamental de sequência positiva das tensões v α e v β utiliza-se a seguinte expressão: v1 1 pll pll p fict 2 2 (3.11) v1 pll pll pll pll Desta forma tem-se a forma de onda da componente fundamental de sequência positiva das tensões nas coordenadas α-β, v +1α e v +1β. Comparando-se estes valores calculados pelo Detector da Componente Fundamental de Sequência Positiva com v α e v β, e seguidamente aplicando-se a transformada inversa de Clarke obtemos as tensões de referência que devem ser sintetizadas para que a carga no sistema eléctrico opere com uma tensão sinusoidal e equilibrada. Este processo encontra-se descrito nas equações 3.11 e v v v v v ref ref refa refb refc v v 1 1 v v 1 2 1/ 2 3 1/ 2 v 3 / 2 v 3 / 2 ref ref (3.11) (3.12) Este sistema de controlo, aplicado desta forma, apenas pode ser utilizado em sistemas trifásicos. Sendo monofásico o Condicionador Activo do Tipo Série desenvolvido neste trabalho, foram feitas algumas adaptações a esta teoria para que se pudesse adaptar a essa realidade, o que foi facilmente resolvido recorrendo-se à utilização de tensões fictícias. Assim, replica-se a tensão presente na fase do sistema noutras duas, aplicandose à primeira um atraso de tempo de cerca de aproximadamente 6,67 ms, equivalente ao desfasamento eléctrico de 12 ; e à segunda um atraso de cerca de 13,34 ms, o correspondendo a 24 de desfasamento eléctrico. A fase do sistema monofásico fica como sendo a fase a no sistema trifásico fictício, e as réplicas atrasadas como as fases b e c. Quanto às tensões de referência calculadas, apenas será sintetizada a tensão de referência v refa, desta forma compensando a tensão presente no sistema monofásico. Estas considerações foram incluídas nas simulações feitas em MATLAB/Simulink. As simulações foram feitas com o objectivo de testar o funcionamento desta estratégia de controlo. A frequência da componente fundamental da tensão do sistema é de 5 Hz. A amplitude desta mesma componente é, num primeiro teste, de 1 V. Estas tensões possuem distorção de 5º e 7º harmónico. O 5º harmónico apresenta uma amplitude de 1 V e o sétimo de 3 V. Na Figura 3.3 encontra-se reproduzida a tensão no sis- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 31

52 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série tema. Na Figura 3.4 podem-se ver as variáveis que são utilizadas internamente pelo controlo, desta forma tornando mais fácil a compreensão do seu funcionamento ) (V 5 o ã s n e T-5 Tensões do Sistema Trifásico Fictício v a (t) v bfict (t) v cfict (t) Tempo(ms) Figura 3.3 Tensão do Sistema Eléctrico (v a ), e as tensões fictícias (v bfict, v cfict ). Observando-se a Figura 3.4 podem-se constatar as diferentes etapas do cálculo das tensões de referência no sistema de coordenadas α-β, v refα e v refβ. Pode ver-se que o parâmetro p fict define a amplitude que a componente de sequência positiva da fundamental, assim como pll α e pll β definem a fase e a frequência das tensões v +1α e v +1β. Na Figura 3.5 é mostrado o resultado da aplicação desta estratégia de controlo: 15 (a) 1 5 v a (t) v a v v β (t) β (d) -1 v +1 β Tempo(ms) -1 v 1 +1a (b) -15 pll a pll β Tempo(ms) 6 Tensão (V) Tempo(ms) 14 (c) 12 1 p fict p fict Tempo(ms) Tensão (V) Tensão (V) v ref β (e) -1-2 v refa Tempo(ms) Figura 3.4 Formas de onda dos sinais utilizados pelo Sistema de Controlo Baseado na Teoria p-q: (a) Tensões do sistema nas coordenadas α-β (v α e v β ); (b) Sinais de saída da PLL (pll α e pll β ); (c) Potência Real Instantânea Fictícia e o seu valor médio ( p fict e p fict ); (d) Componente de sequência positiva da fundamental nas coordenadas α-β(v +1α e v +1β ); (e) Tensões de compensação nas coordenadas α-β(v refα e v refβ ). Tensão (V) 15 1 (a) 5 V refa Tempo(ms) 15 1 (b) 5 v La Tempo(ms) Figura 3.5 (a) Tensão de compensação para a fase do sistema monofásico (v refa );(b) Tensão compensada(v La ). Tensão (V) 32 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

53 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série Pode-se ver que o conteúdo harmónico presente na tensão do sistema eléctrico (v a ), mostrado na Figura 3.3, foi eliminado, sendo fornecida à carga apenas uma tensão sinusoidal com a amplitude da componente de sequência positiva da fundamental. Na Figura 3.6 é mostrado o comportamento do sistema aquando da ocorrência de uma subtensão. O valor de pico, em relação à simulação anterior, cai 2%. O conteúdo harmónico mantém-se o mesmo. 15 v a (t) 1 v bfict (t) v cfict (t) (a) Tempo(ms) v La (t) -5-1 Tensão (V) Tensão (V) Tensão (V) Tempo(ms) p fict (b) -5-1 v +1a (t) v +1 β (t) Tempo(ms) Figura 3.6- Formas de onda do Sistema de Controlo Baseado na Teoria p-q numa situação de sub-tensão: (a) Tensão do Sistema Eléctrico (v a ) e tensões fictícias (v bfict, v cfict ); (b) Valor médio da potência real instantânea fictícia ( p fict ) e tensões no sistema de coordenadas α-β (v α e v β ); (c) Tensão compensada. (c) Constata-se que o sistema apenas actua na mitigação das componentes harmónicas do sistema eléctrico. Observando o valor médio da potência real instantânea fictícia ( p fict ), verifica-se que este parâmetro determina sempre a amplitude da componente de sequência positiva da fundamental no sistema de coordenadas α-β. Desta forma, o sistema não oferece resposta para a compensação de variações do valor eficaz na tensão do sistema, que no caso exibido trata-se de uma subtensão. É portanto um sistema de controlo recomendado para um Filtro Activo do Tipo Série, mas manifestamente insuficiente para um Condicionador Activo do Tipo Série Estratégia de Controlo Baseado numa Tabela de Senos O sistema de controlo implementado em [31] opta por uma abordagem diferente ao problema da geração de tensões de compensação para a resolução de problemas relacionados com a qualidade da forma de onda da tensão aplicada às cargas. A abordagem feita é a da comparação directa de tensões. A tensão pretendida, que é uma tensão sinusoidal com os valores nominais, é gerada pelo sistema controlo, sendo depois comparada com a tensão no sistema eléctrico. O resultado desta comparação é a tensão a ser sintetizada pelo inversor, compensando desta forma os problemas existentes na tensão Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 33

54 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série do sistema. A geração da tensão de referência é feita a partir de uma tabela de senos, isto é, estão tabelados os valores instantâneos da tensão de referência num dado número de intervalos de tempo. Este número de intervalos é determinado em função da frequência da rede eléctrica e da frequência de amostragem do sistema de controlo. Sendo a frequência da rede eléctrica de 5 Hz e a de amostragem de 32 khz tem-se que são feitas a cada ciclo da rede eléctrica 64 amostras, devendo a tabela ter 64 posições com os valores instantâneos da tensão ideal. Esta tabela deve estar sincronizada com a tensão da rede, o que implica uma detecção de passagem por zero da tensão da rede eléctrica. Este processo é simples, uma vez que as tensões costumam apresentar a mesma forma de onda sem grandes variações, particularmente nos pontos de passagem por zero [31]. A sincronização da tensão de referência com a rede eléctrica é feita no final de cada ciclo, quando o valor da tensão no sistema é zero, ficando então o sistema de controlo a aguardar que o circuito de detecção de zero actue, libertando o sinal de sincronismo. Com o intuito de validar esta estratégia de controlo foram feitas algumas simulações em MATLAB/Simulink. A frequência fundamental da tensão no sistema monofásico é de 5 Hz, e a amplitude da componente fundamental de sequência positiva é de 1 V. Esta tensão apresenta-se distorcida pela presença de harmónicos de tensão de 5ª ordem (amplitude de 1 V) e de 7ª ordem (amplitude de 3 V), ambos em fase com a fundamental. Na Figura 3.7 pode ser vista essa tensão. 15 Tensão (V) v S Tempo(ms) Figura 3.7 Tensão no Sistema Eléctrico (v s ). De seguida, na Figura 3.8, são mostradas os diferentes sinais que tomam parte nesta estratégia de controlo, assim como a tensão já compensada, tal como esta deve ser entregue à carga. Pode ser visto na figura que a tensão de referência gerada pela tabela de senos se encontra sincronizada com a tensão do sistema, representada na Figura 3.7. Tal é conseguido pelo circuito de sincronismo de detecção de zero. Feito o sincronismo, passa-se à comparação dos valores guardados na tabela, v tab, com os valores instantâneos da tensão do sistema eléctrico, v s. A diferença é a tensão de compensação, v comp, 34 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

55 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série representada na Figura 3.8 (b), que somada com v s dá origem à tensão que é pretendida na carga (a) v tab Tempo(ms) 15 (c) 1 5 v L -5-1 Tensão (V) Tensão (V) Tensão (V) Tempo(ms) 15 1 (b) v comp Tempo(ms) Figura 3.8 Formas de onda no Sistema de Controlo Baseado em Tabela de Senos: (a) Tensão de referência gerada a partir da tabela de senos (v tab ); (b) Tensão de Compensação (v comp ); (c) Tensão na carga (v L ). 15 (a) 1 5 v S Tempo(ms) Tensão (V) Tensão (V) (b) v tab Tempo(ms) Tensão (V) 3 (c) 2 V comp Tempo(ms) 15 (d) 1 v L Tempo(ms) Figura 3.9 Formas de onda dos sinais utilizados no Sistema de Controlo Baseado em Tabela de Senos numa situação de subtensão: (a) Tensão no Sistema Eléctrico (v s ); (b) Tensão de referência gerada a partir da tabela de senos; (c) Tensão de Compensação (v comp ); (d) Tensão na carga (v L ). Na Figura 3.9 pode ver-se o desempenho do sistema de controlo em estudo numa situação de subtensão. Foi provocado um afundamento de 2% na amplitude da componente de sequência positiva da fundamental. Revela-se a versatilidade de um sistema de controlo baseado na comparação directa de tensões, já que a tensão de compensação, v comp, segue sempre a diferença entre a tensão do sistema eléctrico e a referência tabelada (v tab ) que apresenta todas as características da forma de onda pretendida para ser fornecida à carga. Porém, esta estratégia apresenta uma debilidade, que se prende com o facto dos valores introduzidos na tabela serem relativos a uma frequência predeterminada. Acon- Tensão (V) Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 35

56 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série tece que a frequência, a despeito de ser o parâmetro mais estável da rede eléctrica, pode estar sujeita a algumas variações. Segundo o Regulamento de Qualidade de Serviço [34], e em acordo com o disposto pela norma NP EN 516 que regula a frequência da rede, o valor médio da frequência fundamental medido em intervalos de 1 segundos deve estar compreendido entre 49.5 Hz e 5.5 Hz durante 95% do tempo de medição durante uma semana. Esta margem é alargada quando se abrange 1% do tempo de medição durante uma semana, fixando-se entre 47 Hz e 52 HZ. Assim sendo, é importante testar o funcionamento desta estratégia de controlo quando a frequência é alterada. 15 (a) 1 5 v S Tempo(ms) 15 (b) 1 v 5 tab Tempo(ms) Tensão (V) Tensão (V) Figura 3.1 Efeito da diminuição da frequência da rede eléctrica no sistema de controlo: (a) Tensão no sistema eléctrico (v s ); (b) Tensão de referência gerada a partir da tabela de senos (v tab ). Na Figura 3.1 pode ver-se o efeito que produz nesta estratégia de controlo a alteração da frequência da rede. A amplitude da componente de sequência positiva da fundamental é de 1 V, apresentando uma distorção harmónica de 5ª ordem de 1 V, e de 7ª ordem de 3 V, ambas em fase com a fundamental. A frequência da rede eléctrica foi baixada para o pior caso previsto nos regulamentos, 47 Hz. Observando o sinal em tabela (v tab ) pode-se ver que, no final do seu primeiro ciclo, existe um hiato temporal em que não é produzida qualquer referência. Isto devese ao atraso da chegada do sinal de sincronismo, que é despoletado pela passagem por zero, do semiciclo negativo para o positivo. Como o período da rede aumentou para aproximadamente 21 ms, todas as posições da tabela foram percorridas antes do final do ciclo, desta forma gerando como referência um ciclo com a duração de 2 ms. Ou seja, durante cerca de 1 ms não existe referência para o sistema de controlo. Assim, a tensão produzida seguiria a referência, pelo que a carga ficaria sujeita a uma tensão distorcida. Para o estudo de um caso em que a frequência da rede aumenta recorreu-se novamente o caso mais crítico previsto na legislação. Assim sendo, as condições de amplitu- 36 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

57 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série de quer da componente fundamental, quer das componentes harmónicas foram mantidas. A frequência da rede foi aumentada para 52 Hz. Na Figura 3.11 pode ser vista quer a tensão no sistema eléctrico, quer a gerada como referência pelo sistema de controlo baseado em tabela de senos. 15 (a) 1 v S Tempo(ms) 15 (b) 1 5 v tab Tempo(ms) Tensão (V) Tensão (V) Figura 3.11 Efeito do aumento da frequência da rede eléctrica no sistema de controlo: (a) Tensão no sistema eléctrico (v s ); (b) Tensão de referência gerada a partir da tabela de senos (v tab ). Com o encurtar do período da rede, o cruzamento por zero faz o despoletar do sinal de sincronismo antes que todas as posições da tabela sejam percorridas no processo de geração do sinal de referência. Assim sendo, a forma de onda do sinal em tabela, v tab, apresenta uma distorção caracterizada pela passagem brusca, no semi-ciclo negativo, de cerca dos -2 V para zero. Este comportamento é reflectido também na forma de onda da tensão entregue à carga. Sendo o objectivo da estratégia de controlo o fornecimento à carga de uma tensão sem distorção, tal não seria conseguido se na rede houvesse alteração de frequência. As questões levantadas pela alteração da frequência na rede podem não ser importantes, uma vez que tais ocorrências são raras. No entanto, um sistema de controlo para um Condicionador Activo do Tipo Série deve ser dinâmico, adaptando-se ao comportamento da rede eléctrica tendo em vista o fornecimento de uma tensão sinusoidal Estratégia de Controlo PLL Uma forma de se adaptar o comportamento do filtro ao comportamento da rede, em particular à sua frequência, é utilizar um circuito de sincronismo que, ao invés de só detectar a passagem por zero do semi-ciclo positivo para o semi-ciclo negativo, detecte a fase e a frequência. Feita essa detecção, é simples gerar uma tensão de referência com a amplitude nominal da rede eléctrica, estando em fase e à mesma frequência que esta. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 37

58 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série A solução óbvia que preenche os critérios descritos é a utilização de um circuito PLL (Phase Locked Loop) para fazer o rastreamento da frequência e fase da tensão do sistema. O circuito de sincronismo gera, na sua saída, um sinal sinusoidal em fase e à mesma frequência da componente de sequência positiva da fundamental de amplitude unitária, pll S. O sinal obtido é então multiplicado por um ganho de valor igual ao valor de pico da tensão nominal do sistema, Vˆ nom. O resultado é a tensão de referência, v pll. O sistema de controlo pode ser visto na Figura v S pll S v pll v comp PLL Σ V nom X Figura 3.12 Sistema de Controlo Baseado numa PLL. Esta solução é mais simples do que a utilização de tabela de senos estudada em 3.2.2, assim como é também adaptativa à frequência da rede. Uma vez obtida a tensão de referência, o processo de determinação da tensão de compensação consiste, à semelhança do que foi visto no item 3.2.2, na comparação entre a tensão de referência com a tensão presente no sistema eléctrico, sendo a tensão de compensação, v comp, o resultado da diferença entre as duas. Este método consiste, à semelhança do anterior, na comparação directa de tensões. Para testar o funcionamento desta estratégia de controlo, e à semelhança das estratégias de controlo anteriores, foram feitas simulações. Foi criado um modelo da estratégia de controlo em MATLAB/Simulink. A frequência fundamental da tensão é de 5 Hz. A amplitude da componente fundamental de sequência positiva de referência é de 1 V, e a tensão encontra-se distorcida pela presença de harmónicos de 5ª e 7ª ordem, com amplitudes de 1 V e 3 V, respectivamente. Na Figura 3.13 encontra-se reproduzida a forma de onda da tensão presente no sistema, assim como os sinais que tomam parte nesta estratégia de controlo e ainda a tensão que seria entregue à carga. Observando a figura, constata-se que o sinal gerado pelo circuito de sincronismo PLL se encontra perfeitamente em fase e à mesma frequência da tensão da rede eléctrica, estando ainda à amplitude nominal. Desta forma temos um sinal de referência fiável para o cálculo da tensão de compensação a sintetizar para o sistema de forma a que o Condicionador Activo do Tipo Série ajude a que a carga seja alimentada com uma tensão sinusoidal e à amplitude nominal. Pode-se observar que o princípio de compensação, como foi já dito, é equivalente, do ponto de vista conceptual, ao descrito no item Apenas a forma 38 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

59 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série de geração de referência é diferente. A sua resposta a afundamentos é, portanto equivalente. Isto pode ser observado na Figura Tal como visto com a estratégia de controlo anterior, revela-se que o uso da comparação directa entre tensões garante compensação tanto de harmónicos como de alteração da amplitude da componente fundamental. 15 (a) 1 5 v S Tempo(s) Tensão (V) Tensão (V) (b) v pll Tensão (V) Tensão (V) Tempo(s) Tempo(s) Tempo(s) Figura 3.13 Sinais presentes na estratégia de controlo baseada numa PLL: (a) Tensão no sistema eléctrico (v S ); (b) Tensão de referência gerada pelo algoritmo PLL (v pll ); (c) Tensão de compensação (v comp ); (d) Tensão na carga (v L ) (c) v comp (d) v L Tensão (V) 15 (a) 1 v 5 S Tempo(s) Tensão (V) (b) v pll Tensão (V) Tensão (V) 3 (c) v comp Tempo(s) Tempo(s) Tempo(s) Figura 3.14 Sinais presentes na estratégia de controlo baseada numa PLL, em condição de afundamento: (a) Tensão no sistema eléctrico (v S ); (b) Tensão de referência gerada pelo algoritmo PLL (v pll ); (c) Tensão de compensação (v comp ); (d) Tensão na carga (v L ). Foi também necessário avaliar a forma como o controlo reage à variação da frequência da rede. Foi visto na estratégia de controlo baseada numa tabela de senos que a variação da frequência resulta no fornecimento à carga de uma tensão com distorção. A vantagem de um controlo baseado na geração de uma tensão de referência por PLL é precisamente a capacidade de rastrear a frequência, e gerar a tensão de referência a essa frequência. Na Figura 3.15 e na Figura 3.16 podemos ver a resposta do sistema a diferentes frequências de rede. A frequência do sinal de entrada na simulação da teoria de (d) v L Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 39

60 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série controlo, representando a tensão na rede eléctrica, foi reduzida para 47 Hz, o pior caso de redução de frequência previsto na norma NP EN 516. Na Figura 3.15 podemos ver os sinais presentes no sistema de controlo implementado. Tensão (V) (a) v pll v S Tempo(s) Tensão (V) Tensão (V) (b) v comp 15 (c) 1 5 v L Tempo(s) Tempo(s) Figura 3.15 Sinais presentes na estratégia de controlo baseada na PLL, a uma frequência de 47 Hz: (a) Tensão no sistema eléctrico e tensão de referência (v S e v pll ); (b) Tensão de compensação (v comp ); (c) Tensão compensada (v L ). Tensão (V) 15 (a) 1 v 5 S -5-1 v pll Tempo(s) Tensão (V) 15 (c) 1 5 v L Tempo(s) Tensão (V) 15 (b) v comp Tempo(s) Figura 3.16 Sinais presentes na estratégia de controlo baseada na PLL, a uma frequência de 52 Hz: (a) Tensão no sistema eléctrico e tensão de referência (v S e v pll ); (b) Tensão de compensação (v comp ); (c) Tensão compensada (v L ). Na Figura 3.16 a frequência da rede eléctrica foi aumentada para 52 Hz sendo este valor o pior caso de aumento de frequência previsto na norma atrás mencionada. O circuito de sincronismo PLL acompanha a frequência e a fase da tensão presente no sistema eléctrico, pelo que a tensão de referência encontra-se sincronizada com a do sistema. A tensão que teoricamente seria fornecida à carga é sinusoidal, ao contrário do que acontecia com o método de comparação com uma tabela de senos. Não se ambiciona que o Condicionador Activo faça conversão de frequência para fornecer sempre a tensão a 5 Hz, mas sim a compensação de problemas de distorção harmónica e de alteração do 4 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

61 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série valor eficaz da tensão. Estes objectivos são cumpridos. Esta foi a estratégia de controlo adoptada para o controlo do Condicionador Activo do Tipo Série implementado neste trabalho de dissertação Estratégia de Controlo para o Conversor Paralelo O conversor de potência ligado em paralelo com o sistema eléctrico tem como função manter a tensão do elo CC do Condicionador Activo regulada na tensão de referência. Este conversor é bidireccional e com consumo de corrente sinusoidal. O consumo sinusoidal é recomendado para que o Condicionador Activo do Tipo Série não agrave o conteúdo harmónico da corrente na fonte, o que se traduziria num aumento de perdas na instalação, bem como de quedas de tensão harmónicas. A bidireccionalidade do conversor é necessária, uma vez que na ocorrência de swell ou sobretensão o Condicionador absorve potência activa pelo Conversor Série, injectando-a para a carga pelo Conversor Paralelo. Esta situação encontra-se explicada com maior detalhe no item do Capítulo 2 desta dissertação. O sistema de controlo adoptado para se conseguir que o Conversor Paralelo tenha o comportamento acima descrito é baseado na Teoria da Potência Instantânea (Teoria p-q) já aflorada neste trabalho. Esta teoria é geralmente utilizada para o controlo de Filtros Activos do Tipo Paralelo, com o objectivo de fazer compensação harmónica de correntes e correcção de factor de potência [1][3][31][32][35]. Para melhor compreensão do funcionamento do algoritmo de controlo implementado para a regulação do elo CC através do Conversor Paralelo, é explicado o funcionamento da Teoria p-q para a compensação harmónica e desequilíbrios na corrente, e correcção de factor de potência Teoria p-q para Compensação de Harmónicos e Desequilíbrios de Corrente e para Correcção de Factor de Potência Como já é mostrado atrás no item deste capítulo, a Teoria p-q, ou Teoria das Potências Instantâneas, calcula as potências instantâneas presentes no sistema trifásico. Algumas destas potências podem ser relacionadas com problemas de Qualidade de Energia Eléctrica. A Tabela 3.1 do item já referido descreve o significado físico de cada uma dessas potências. Na Figura 3.17 pode-se ver as potências instantâneas no sistema eléctrico trifásico. Tendo em vista a compensação de harmónicos e desequilíbrios de corrente e ainda correcção de factor de potência, as únicas potências que interessam drenar da fonte são o valor médio da potência real instantânea ( p ) e o valor médio da Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 41

62 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série potência instantânea de sequência zero ( p ). Desta forma temos uma potência constante a ser absorvida da fonte. As outras componentes de potência são compensadas usando o Filtro Activo do Tipo Paralelo do Tipo Paralelo Trifásico, como pode ser visto na Figura a b c p p~ q Fonte p ~ p Carga Figura 3.17 Potências Instantâneas da Teoria p-q. a b c p p p~ q p N ~ p Fonte p a b c N p p Carga Filtro Activo Paralelo p ~ ~ p Figura 3.18-Compensação das componentes de potência ~ p, q, ~ p e p. Assim sendo, a compensação das componentes de potência oscilantes ( ~ p e ~ p ) é feita fazendo com que estas deixem de ser trocadas entre a fonte e a carga e passem a ser trocadas entre a carga e o condensador do Filtro Activo Paralelo. A potência imaginária instantânea (q) é compensada sem o recurso ao armazenamento de energia no condensador, simplesmente as correntes relacionadas com esta potência, que circulavam entre as fases a-b-c do sistema trifásico, passam a circular pelo Filtro Activo do Tipo Paralelo. De sublinhar que o valor médio da potência imaginária instantânea equivale à potência reactiva em sistemas com tensões equilibradas e sinusoidais [36]e, assim sendo, o Filtro Activo Paralelo faz também a compensação do factor de potência na fonte. Para que sejam consumidas à fonte correntes sinusoidais e equilibradas, as tensões da rede eléctrica (v a, v b e v c ) são submetidas a um circuito de sincronismo (PLL) que gera sinais de sincronismo (v plla, v pllb e v pllc ) em fase e à mesma frequência que a componente fundamental de sequência positiva de cada uma das tensões. Estes sinais de sincronismo são utilizados para determinar p e q. Como vimos, o primeiro passo para este 42 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

63 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série cálculo é a passagem das tensões e correntes do sistema de coordenadas a-b-c para α-β- utilizando a transformada de Clarke: vplla vpll 2 1 1/ 2 1/ 2 vpllb (3.13) vpll 3 3 / 2 3 / 2 vpllc i 1/ 2 1/ 2 1/ 2 ia 2 i 1 1/ 2 1/ 2 ib (3.14) 3 i 3 / 2 3 / 2 ic Sendo que a potência real instantânea (p) e a potência imaginária instantânea (q) são dadas por: p q vpll i vpll i (3.15) vpll i vpll i (3.16) Para o cálculo de p usam-se as tensões do sistema, uma vez que usando as tensões sincronizadas, a componente de sequência zero da tensão (v ) seria nula, logo p também. Isto encontra-se representado em (3.17) e (3.18). va 2 v 1/ 2 1/ 2 1/ 2 vb (3.17) 3 v c p v i (3.18) Sendo as correntes distorcidas e desequilibradas a potência real instantânea será constituída por uma componente oscilante ( p ~ ) e por uma componente média ( p ). Sendo a oscilante a que queremos compensar é necessária a separação das duas. A componente de potência p é extraída utilizando um filtro de média móvel, sendo p ~ obtido da seguinte forma: p ~ p p ~ p p p (3.19) As correntes de compensação a injectar no sistema para fazer a compensação de harmónicos e desequilíbrios nas correntes, e ainda correcção de factor de potência, são as associadas aos parâmetros ~ p, q e p. O cálculo destas correntes de compensação nas coordenadas α-β- é mostrado em (3.2) e (3.21), sendo passadas para as coordenadas a-b-c do sistema trifásico pela transformada inversa de Clarke (3.22). Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 43

64 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série i i p ref ref x v ~ p p 2 pll 1 v 2 pll v v pll pll v v pll pll px q (3.2) i ref i (3.21) i i i i refa refb refc refn 1/ 2 2 1/ 2 3 1/ 2 ( i i i ) a b c 1 1/ 2 1/ 2 i 3 / 2 i 3 / 2 i ref ref ref (3.22) Sintetizando estas correntes através de um inversor de Electrónica de Potência e injectando-as no sistema eléctrico, obtêm-se correntes sinusoidais, equilibradas e em fase com as tensões na fonte. Caso as tensões sejam sinusoidais e equilibradas, a potência fornecida pela fonte será constante. As trocas de potência que ocorrem entre o filtro e a carga têm como vector de transporte o condensador presente no elo CC do inversor, cuja tensão deve manter-se regulada. Se o sistema fosse ideal, o sistema não teria perdas e a tensão no condensador manter-se-ia regulada. Porém, ocorrem perdas nas comutações dos semicondutores do inversor do Filtro Paralelo e o valor da tensão no elo CC precisa de ser mantido através de uma potência de regulação, p reg [1]. Esta variável é colocada no cálculo de p x, em (3.2), passando este a ser calculado da seguinte forma: p ~ p p (3.23) x p reg Esta potência instantânea é recebida da fonte de forma equilibrada pelas três fases do sistema, e deve manter a tensão no elo CC num nível de referência. As correntes associadas a esta potência instantânea de regulação são sinusoidais. É esta característica que torna interessante o uso da Teoria p-q para a regulação da tensão do elo CC do Condicionador Activo do Tipo Série Regulação do Elo CC Para a manutenção da tensão do elo CC (V cc ) num nível de referência (V ref ), é utilizado um controlador proporcional, representado pela equação (3.24): p reg K ( V VCC ) (3.24) p ref No entanto, associado ao condensador do elo CC está um ripple de tensão. Este ripple pode tornar a potência instantânea de regulação oscilante, levando a que as correntes associadas sejam distorcidas. Desta forma, na saída do controlador proporcional é colocado um filtro pseudo-média móvel, apresentado em [37] e na Figura Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

65 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série p reg Σ 1/N Σ P reg_filt Z 1 Figura 3.19 Filtro pseudo-média móvel. Neste filtro, N define a constante de filtragem, querendo isto dizer que quanto maior for esse parâmetro, mais lenta fica a resposta, fazendo com que oscilações rápidas em p reg sejam filtradas. Assim sendo, o parâmetro filtrado, p reg_filt, apresentará variações lentas. Pretendendo-se apenas regular a tensão no elo CC do Condicionador Activo do Tipo Série, o Conversor Paralelo será controlado utilizando o algoritmo baseado na teoria p-q. A corrente para a regulação do elo CC, nas coordenadas α-β- é dada por (3.25). iref 1 vpll vpll preg _ filt 2 2 (3.25) iref v vpll v pll vpll pll Para a transposição das correntes de referência das coordenadas α-β- para as coordenadas a-b-c do sistema trifásico, basta aplicar a transformada inversa de Clarke, já anteriormente apresentada. Desta forma são garantidos os dois pontos que foram inicialmente considerados basilares para um bom funcionamento do Conversor Paralelo do Condicionador. Em primeiro lugar, que tenha um consumo sinusoidal de corrente, como tem vindo a ser mostrado. Em segundo lugar, a bidireccionalidade, que é ditada pelo controlador proporcional apresentado atrás na equação (3.24). Pode-se facilmente observar que: Se V ref > V CC p reg é positivo, fazendo com que a seja absorvida potência pelo Conversor Paralelo para o carregamento do elo CC. Se V ref < V CC - p reg é negativo, fazendo com que seja injectada potência para a carga através do Conversor Paralelo aliviando assim o elo CC. A primeira situação acontece quando o conversor compensa uma subtensão ou um sag, em que o Conversor Série tem de sintetizar uma tensão que restaure a tensão da carga para a amplitude nominal e com distorção harmónica reduzida, sendo necessário que o Conversor Paralelo alimente o elo CC para que a tensão deste se encontre regulada. A segunda situação ocorre quando se detecta a presença de uma sobretensão ou um swell, em que o Conversor Paralelo provoca uma queda de tensão absorvendo potência pelo Conversor Série para o condensador do elo CC. O Conversor Paralelo deve então injectar essa potência absorvida pelo condensador para a carga. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 45

66 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série A aplicação da teoria p-q está limitada, conceptualmente, a sistemas trifásicos. Porém, o Condicionador Activo do Tipo Série desenvolvido é monofásico. A solução para adaptar o sistema de controlo conceptualmente trifásico para a realidade monofásica é simples e já foi comentada no item Utilizando a tensão do sistema monofásico e replicando-a em dois sinais, desfasando-os entre si de 12 obtém-se um sistema de tensões trifásicas fictício, em que a linha a será a fase do sistema monofásico, e em que i refa é a corrente de regulação do elo CC do Condicionador Activo do Tipo Série. Na Figura 3.2 podemos ver o sistema de controlo. v S φ+12 v a v b PLL v plla v pllb v pllα v pllβ Cálculo i refα i refα i refβ i refa φ+24 v c v pllc i refβ p reg_filt Figura 3.2 Sistema de controlo para o Conversor Paralelo para regulação do elo CC Operação como UPQC A opção por um controlo de regulação do elo CC baseado na Teoria p-q abre o caminho para a conversão do Condicionador Activo do Tipo Série num Unified Power Quality Conditioner (UPQC). Para tal é apenas necessário habilitar o cálculo das potências instantâneas referentes à teoria p-q (p, q, p ), e fazer a sua decomposição em parcelas oscilantes e de valor médio ( ~ p, p, ~, p p ). Obtidas as potências instantâneas resultantes da aplicação da Teoria p-q, devem ser definidas as que devem ser compensadas. Como é dito mais atrás, no item 3.2.1, para a compensação de harmónicos de corrente, desequilíbrios de corrente, e correcção de facto de potência são geradas correntes de referência relacionadas com a componente oscilante da potência real instantânea ( p ~ ), a componente de valor médio da potência instantânea de sequência zero ( p ) e a potência instantânea imaginária (q). Também devem ser calculadas as correntes de referência relacionadas com a potência instantânea de regulação do elo CC, o p reg_filt exposto no item anterior. Assim, temos o cálculo das correntes de referência na equação (3.21). i i p ref ref x v ~ p p 2 pll 1 v p 2 pll reg _ filt v v pll pll v v pll pll px q (3.21) A Figura 3.21 mostra o sistema de controlo do Conversor Paralelo quando funcionando num modo UPQC. Para que se possam calcular as potências instantâneas real, 46 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

67 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série imaginária e de sequência zero é necessário criar um sistema trifásico fictício. Para tal utiliza-se na corrente o mesmo expediente realizado anteriormente com a tensão, replicando a corrente em três correntes desfasadas entre si de 12. Replicadas as tensões e as correntes obtém-se todo um sistema trifásico fictício, em que a linha a deste sistema equivale a fase do sistema monofásico real. Assim, a corrente de compensação que será injectada pelo Conversor Paralelo é i refa. Para terminar este item sobre o controlo do conversor em paralelo com o sistema, refira-se que, como já foi mencionado no Capítulo 2, existe um transformador elevador para o acoplamento entre o Conversor Paralelo e a rede, tendo uma relação de transformação 1:2, em que o enrolamento com maior tensão está do lado do sistema eléctrico e o outro do lado do inversor. Assim sendo, a corrente a sintetizar pelo inversor deve ser o dobro do que a calculada com i refa, uma vez que a corrente induzida no secundário do transformador será metade da que esta no enrolamento primário. V CC Regulação elo CC v pllα v pllβ p reg_filt v S i S φ+12 φ+24 v a v b v c PLL v plla v pllb v pllc i a i α Cálculo p p Média Deslizante p Σ p Cálculo i refα i refα i refβ i refa φ+12 φ+24 i b i c i β i q q i refβ i ref Figura 3.21 Sistema de controlo do Conversor Paralelo para funcionamento no modo UPQC Phase Locked Loop Como foi visto nos itens anteriores deste capítulo, os sistemas de controlo adoptados, tanto para o Conversor Série como para o paralelo, dependem de um sistema de sincronismo para detecção da fase e da frequência da tensão da rede, do tipo PLL. Aqui será feita uma descrição da PLL adoptada para ser incluída no trabalho. A PLL foi adoptada por ter sido utilizada noutros trabalhos desenvolvidos no Laboratório de Electrónica de Potência do Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do Minho, sendo sugerida em [25] [24] [35]. A PLL tem uma estrutura trifásica, sendo as suas entradas as tensões compostas v ab e v cb. Como é dito no item anterior, foi criado um sistema trifásico fictício que habilita o uso desta PLL. O algorit- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 47

68 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série mo desta PLL pode ser descrito como baseado no cálculo de potências activas instantâneas fictícias. Esta potência é calculada da seguinte forma: p pll v i v i (3.22) ab a cb c Como é referido atrás, as entradas são tensões compostas do sistema trifásico fictício. Quanto às correntes, é necessário explicar de onde elas surgem. Para tal, observese a Figura 3.22, que representa o diagrama de blocos do circuito PLL. i a (ωt) sin(ωt) sin(ωt-π/2) v plla v ab X Σ p pll ω PI 1/s ωt sin(ωt- 2π/3- π/2) v pllb v cb X Reset Integrador ωt=2π i c (ωt) sin(ωt+2π/3) sin(ωt+ 2π/3- π/2) v pllc Figura 3.22 Diagrama de blocos do circuito PLL. O parâmetro p pll é submetido a um controlador PI que o irá convergir para um valor médio nulo quando o sistema estabiliza. Na saída do controlador com o sistema em regime permanente, obtém-se o valor da frequência fundamental (ω) do sistema eléctrico que será integrado numa rampa à qual é feita reset sempre que se atinge o valor 2π, o que irá acontecer ao fim de cada ciclo de rede. O sinal gerado é ωt. Sujeitando esta rampa a uma função seno teremos a corrente i a (ωt), que está desfasada de 9 em relação à fundamental. De processo semelhante resulta i c (ωt), sendo que antes de sujeitar o sinal ωt ao seno, é-lhe somado o valor 2π/3, implicando esta soma que o sinal gerado pelo seno venha com um avanço de fase de 12. O valor p pll é obtido pelo produto destas correntes pelas tensões do sistema, estabilizando quando as ditas correntes se encontram à mesma frequência da rede. Quanto à fase, sabemos à partida que a corrente fictícia i a (ωt) está desfasada de 9 da tensão v a, que como vimos é a tensão da fase do sistema monofásico Sistema de Controlo O sistema de controlo para o Condicionador Activo do Tipo Série é constituído por sensores, por circuitos de condicionamento de sinal, por um DSP/microcontrolador e por circuitos de comando para os conversores de potência. Pretende-se que o Sistema de controlo, em função das medições feitas no sistema seja capaz de calcular a tensão de 48 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

69 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série referência para a compensação de distúrbios na tensão, e a corrente de referência para regulação do elo CC (no modo UPQC fará também a compensação de harmónicos de corrente e a correcção de factor de potência). Essas grandezas de referência são depois sintetizadas pelos conversores de potência, através do envio pelos circuitos de comando de pulsos que despoletam as comutações dos IGBTs. Tudo começa, portanto, pela aquisição das tensões e correntes envolvidas no sistema por intermédio de sensores de efeito de Hall. Essas grandezas são então submetidas a um circuito de condicionamento de sinal que as irão converter em sinais analógicos limitados entre os e os 3 V, que são os valores limite de tensão aceite pelas entradas de ADC do DSP/microcontrolador. Na Figura 3.23 podemos ver a sua integração no equipamento desenvolvido. i S i L v S v L Sistema Eléctrico v inv Conversor Série Conversor Paralelo Carga V cc i fr s 1s s 2s s 3s s 4s s 1p s 2p s 3p s 4p Sistema de Controlo v S v L v inv V cc i fr i S i L Figura 3.23 Condicionador Activo de Potência e Sistema de Controlo O microcontrolador adoptado é um DSP modelo TMS32F2812 da Texas Instruments [38], que possui uma velocidade de relógio de 135 MHz, capacidade de leitura de sinais analógicos através dos seus 16 canais de ADC com resolução de 12 bits e dois event managers, que permitem o controlo de até 12 semicondutores comutados. Pode ser programado quer em C/C++ quer em Assembly, embora o nível maior de abstracção oferecido pelo C/C++ o torne mais atractivo, tendo sido esta a linguagem escolhida para o desenvolvimento deste trabalho. A escolha deste DSP/microprocessador deveu-se à sua compatibilidade com o trabalho, por permitir taxas de amostragem elevadas, canais de DSP suficientes para a medição de todas as grandezas pretendidas, e ainda pela elevada capacidade de cálculo. Também pesou o facto de ser um dispositivo que tem vindo Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 49

70 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série a ser utilizado em outros equipamentos desenvolvidos no Laboratório de Electrónica de Potência da Universidade do Minho. As grandezas medidas e condicionadas são, portanto, lidas pelo DSP que também faz o envio de sinais de comando para o controlo dos IGBTs. No entanto, este comando não é directo, sendo mediado por circuitos de comando. Para cada conversor de potência existe um destes circuitos de comando, cuja função primária é a conversão do nível de tensão dos disparos emitidos pelo DSP (-3 V) para o nível necessário para o disparo dos IGBTs (-15 V). Estes processos são explicados com maior detalhe no Capítulo 5. Um diagrama de blocos do Sistema de Controlo pode ser visto na Figura Na Figura 3.25 pode ser visto um diagrama simplificado do DSP na sua aplicação ao equipamento desenvolvido. Os pulsos de comando são gerados pelo DSP em função da técnica de comutação implementada, e pelo algoritmo de cálculo da tensão e corrente de referência. Estes algoritmos foram mostrados ao longo deste capítulo. As técnicas de comutação, quer para o Conversor Série, quer para o Conversor Paralelo são mostradas no item seguinte. s 2s s 3s s 4s Circuito de Comando do Conversor Série Sistema de Controlo s 1p s 2p s 3p s 4p Circuito de Comando do Conversor v S v L v inv V cc i fr i S i L s 1s s 2s s 3s s 4s s 1p s 2p s 3p s 4p DSP TMS32F2812 v S c v L c V inv c V cc c I fr c i S c i L c Circuito de Medição e Condicionamento de Sinal Figura 3.24 Diagrama de Blocos do Sistema de Controlo para o Condicionador Activo do Tipo Série 5 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

71 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série V inv c I fr c Algoritmo de Calculo v ref v S c v L c V cc c i S c i L c s 2s s 3s s 4s s 1p s 2p s 3p s 4p Técnica de Comutação Conversor Série Técnica de Comutação Conversor Paralelo v ref DSP TMS32F2812 i ref Algoritmo de Calculo i ref Figura 3.25 Diagrama simplificado do DSP Técnicas de Comutação Adoptadas A técnica de comutação utilizada neste trabalho foi a SPWM (Sinusoidal Pulse- Width Modulation) unipolar. Trata-se de uma técnica que tem vastas aplicações no domínio da Electrónica de Potência, podendo ser também aplicada no controlo de Filtros Activos [2][23]. Nesta técnica de comutação, a tensão de referência a ser sintetizada pelos inversores fonte de tensão, assim como o seu inverso, é comparada com uma portadora triangular, e o resultado dessa comparação é um trem de impulsos que serão aplicados nas gates dos IGBT s. Esta técnica de comutação é de frequência fixa, sendo que o que varia é o duty-cycle dos pulsos de controlo. Isto apresenta vantagens ao nível do projecto dos filtros de acoplamento, uma vez que se sabe à partida qual é a frequência a rejeitar por estes. Na Figura 3.26, mostrada a seguir, pode ser vista esta técnica a controlar uma ponte inversora monofásica. Comparador v pwm s 1 s 3 Comparador Portadora Triangular s 2 s 4 Figura 3.26 PWM sinusoidal para comando de uma ponte inversora monofásica. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 51

72 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série A forma como o sinal que é comparado com a portadora triangular, v pwm, é determinado é mostrada nos sub-itens seguintes, sendo que existe uma para o Conversor Série e outro para o Conversor Paralelo. Este cálculo é parte integrante da técnica de comutação Técnica de Comutação para o Conversor de Potência Série. Este conversor é o responsável pela sintetização da tensão de referência calculada para o restabelecimento de uma tensão sinusoidal e com a amplitude nominal. A tensão de referência, v ref, é calculada de acordo com a estratégia de controlo baseada numa PLL, como foi visto no item Esta tensão é aquela que se pretende sintetizar e é posta em comparação com uma portadora triangular. Para o cálculo da tensão (v pwm ) a comparar com a portadora triangular, é também feita uma comparação entre a tensão de referência e a tensão entre os terminais da ponte inversora, v inv.. Esta malha pode ser considerada como uma malha de feed-forward, uma vez que calcula com antecedência o erro (e inv ) entre a tensão de referência (v ref ) e a tensão nos terminais do Conversor Série (v inv ), sendo assim v pwm a soma entre a tensão de referência e o erro previsto na compensação, sujeita a um ganho proporcional (K p ). Na Figura 3.27 seguinte pode ser visto o diagrama de blocos deste cálculo. v ref v inv e inv v pwm Σ Σ K p Figura 3.27 Técnica de Comutação: Malha de controlo para cálculo de v pwm para Conversor Série Técnica de Comutação para o Conversor de Potência Paralelo No conversor de potência ligado em paralelo com o sistema eléctrico não se pretende sintetizar uma tensão, mas sim uma corrente. Porém, a tipologia do conversor é a VSI (Voltage Source Inverter), ou seja, é um inversor fonte de tensão. Não contrariando a sua natureza, é feito um controlo da corrente que está a ser produzida. A corrente de referência, i ref, é calculada da forma mostrada no item 3.3. Essa corrente é comparada com a corrente à saída do inversor, i fr, e a diferença entre elas é o erro. Este erro é a entrada para um controlador PI, cuja saída será comparada pela portadora triangular, juntamente com uma malha de realimentação que compara a corrente que teoricamente deveria estar a ser absorvida da fonte (i s_t ), e a que de facto está a ser absorvida e medida (i s ). Esta malha adiciona à tensão que se compara com a triangular um novo erro, 52 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

73 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série obrigando desta forma o sistema de comando a perseguir essa perturbação. Por fim, antes de ser comparado com a portadora triangular, o sinal v pwm é sujeito a uma banda de histerese, que é necessária para impedir que o inversor entre na zona de sobremodulação. Caso v pwm sature (fenómeno windup * ), é necessário impedir que o integrador do controlador PI continue a acumular erro, com o objectivo de que o controlo volte a seguir a referência. Isto é conseguido implementando uma malha de anti-windup [39]. Quando os limites são ultrapassados é accionado um sinal de controlo, que é a diferença entre o sinal v pwm antes da histerese e depois da histerese. Esta diferença é então utilizada para reduzir o valor de entrada no integrador do controlador PI. Na figura seguinte podemos ver, em diagrama de blocos, o controlo para a geração de v pwm para o comando da ponte inversora monofásica ligada em paralelo com o sistema. K aw Σ Σ K i i ref Σ K p Σ v pwm i fr i s_t Σ K i s Figura 3.28 Técnica de Comutação: Malha de controlo para cálculo de v pwm para Conversor Paralelo Conclusão Neste capítulo foram estudadas algumas técnicas de controlo para a compensação de problemas de qualidade de energia relacionados com a tensão utilizando um Condicionador Activo do Tipo Série. Foram apresentados alguns algoritmos de controlo para o conversor de potência ligado em série, recaindo a escolha num algoritmo assente em comparação directa de tensões baseado numa PLL, uma vez que garante a geração de uma referência interna que estará sempre em fase com a tensão da rede, e à mesma frequência. A sua validade foi demonstrada com recurso a simulações computacionais. Contudo, este algoritmo de controlo não funciona se a tensão no elo CC não se encontrar regulada. Para tal, foi proposta uma técnica de controlo para a regulação da tensão no elo CC, através de um conversor de potência em paralelo, baseada na Teoria p-q. A opção por este algoritmo de controlo garante não só o consumo sinusoidal, como * O fenómendo windup ocorre quando uma grandeza medida num sistema de controlo ultrapassa os limites de uma banda de histerese, desta forma saturando. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 53

74 Capítulo 3 Sistemas de Controlo para Condicionadores do Tipo Série a reversibilidade do fluxo de corrente, características que eram pré-requisitos para o funcionamento correcto do Condicionador Activo do Tipo Série. A escolha desta estratégia de controlo permite também a conversão do equipamento proposto num UPQC. Por fim, foi mostrado como é feito o comando para o disparo dos semicondutores comutados utilizados nos conversores de potência. No capítulo seguinte são apresentadas simulações computacionais que mostram o funcionamento do Condicionador Activo Série com o circuito de potência e com os algoritmos aqui descritos. 54 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

75 CAPÍTULO 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série 4.1. Simulações Computacionais A crescente complexidade dos equipamentos de Electrónica de Potência, assim como os elevados custos dos componentes a utilizar, implicam que o estudo dos equipamentos a implementar seja feito de uma forma prudente. Essa cautela passa pela utilização de ferramentas de simulação que permitem um estudo da resposta dos equipamentos a todos os casos possíveis e previsíveis, assegurando assim uma compreensão do equipamento que se pretende implementar, assim como a sua integração no meio envolvente. Assim sendo, tirando partido do elevado grau de fiabilidade das ferramentas de simulação, é possível obter a resposta do sistema em situações extremas de funcionamento, não colocando o hardware em risco e assim avaliando o desempenho do equipamento. As simulações permitem também fazer alterações às grandezas dos componentes, sem com isso comprometer o equipamento e ao mesmo tempo permitindo avaliar o impacto dessas alterações no funcionamento do mesmo. Ainda permitem a alteração de topologias e sistemas de controlo sem que com isso se perca muito tempo. Em última análise, os custos e o tempo dispendidos no aperfeiçoamento do equipamento são reduzidos (com a redução do risco de danos pelo estudo prévio através de simulação) e os riscos para o investigador ou engenheiro são reduzidos. A ferramenta de simulação utilizada para simular o Condicionador Activo do Tipo Série desenvolvido foi o PSCAD (Power Systems Computer Aided Design). Trata-se de uma ferramenta de simulação que, com uma interface gráfica amigável, nos disponibiliza uma vasta gama de componentes eléctricos nas suas bibliotecas. Essa gama abrange componentes eléctricos passivos, semi-condutores, máquinas eléctricas, transformadores, fontes de tensão e de corrente, contactores, relés, etc [4]. Também oferece vários blocos de operações matemáticas e lógicas, o que nos possibilita a simulação de sistemas de controlo. O motor desta ferramenta de simulação é o EMTDC (Electromagnetic Transients including DC), que faz a representação do sistema a simular em equações diferenciais e resolve-as no domínio dos tempos com passo de integração fixo (fixed time step) [41]. A ferramenta PSCAD encontra-se em constante evolução desde Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 55

76 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série o final da década de 8 do século XX, acompanhando a evolução e as necessidades dos sistemas eléctricos. É orientada para os sistemas de potência, tanto na valência do Transporte de Energia como na Electrónica de Potência. É especialmente vocacionado para o desenho de circuitos de Electrónica de Potência, assim como para o estudo de problemas de qualidade de energia e produção de energia eléctrica por fontes renováveis [42]. Estas características fazem do PSCAD uma ferramenta extremamente competente para a simulação do Condicionador Activo do Tipo Série desenvolvido neste trabalho de mestrado. O software PSCAD foi desenvolvido pelo MANITOBA HVDC Research Center. Figura 4.1 Ambiente Gráfico do PSCAD /EMTDC Neste capítulo é apresentado o modelo utilizado em simulação da topologia escolhida para o Condicionador Activo do Tipo Série. Em primeira instância será mostrado o circuito de potência implementado em PSCAD, descrevendo-se a configuração utilizada. É também mostrada a teoria de controlo modelizada na ferramenta de simulação. Por fim, são divulgados os resultados de simulação do Condicionador Activo do Tipo Série quando compensando os diferentes tipos de problemas de qualidade de energia na tensão. No final do capítulo são mostrados os resultados de simulação do Condicionador quando operando como UPQC. 56 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

77 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série 4.2. Modelo de Simulação do Circuito de Potência do Condicionador Activo do Tipo Série Na Figura 4.2 é mostrado o modelo de simulação do circuito de potência do Condicionador Activo do Tipo Série. Representando uma rede eléctrica monofásica, com uma tensão nominal de 23 V, a 5 Hz, estão quatro fontes de tensão, cada uma delas com funções distintas. A primeira representa a tensão nominal do sistema eléctrico, na frequência nominal do mesmo. A segunda representa uma tensão em fase com a anterior e à mesma frequência, sendo utilizada para simular swell de tensão. A terceira representa uma tensão com um desfasamento de 18 em relação à primeira e à mesma frequência, e será utilizada para simular a ocorrência de sags. Estas duas últimas fontes de tensão irão, em conjunto, simular situações de flicker. Por fim, a quarta fonte de tensão terá uma frequência de multiplicidade impar da fundamental, representando assim distorção harmónica propagada pelo sistema. A potência do transformador de entrada utilizado é de 5 kva, com uma reactância de dispersão de 5%. A sua relação de transformação é de 23 V // 115 V. O Condicionador Activo do Tipo Série está posicionado no secundário do transformador. Imediatamente a seguir ao transformador foi colocada uma indutância de 3 μh e representa a impedância de linha, a que corresponde o valor base de 3,5%. BRK_FS D D R= f R= V f V2 R= V V1 R= Vsys#1 #2.3 [H] Isys vs_a BRK1_FS BRK1_FS vl_a is_a 8 [ohm] il_a Il.3 [H] 47 [uf] 25 [ohm] 5 5 BRK_L1.1 [ohm] 15 [ohm] 12 [uf] D D 47 [uf] 25 [ohm] D D D D 2 2 s_7a s_5a.6 [H] Vcc D D D D 2 2 G4s G2s 22 [ohm]22 [ohm]22 [ohm] 47[uF] 47[uF] 47[uF] D 2 G3p D 2 G4p D D D 2 G1p if_a Vshunt.62e-3 [H] D D D 2 G2p 4.1 [ohm] 2.2 [uf].5e-3 [H] BRK1_FP BRK2_FP #1 #2 Vfilt 5 [ohm] Ia BRK_L2.65e-3 [H] D D D D Figura 4.2 Modelo de simulação do circuito de potência Conectada em paralelo com a rede temos a primeira carga. Trata-se de um rectificador monofásico a díodos com circuito RC no lado CC. O objectivo desta carga é provocar uma queda de tensão com harmónicos na indutância de linha. Este rectificador consome uma corrente com elevada distorção harmónica, sendo de maior relevância o terceiro, o quinto e o sétimo harmónicos. É ligado ao através do contactor BRK_L1. O sistema possui ainda mais duas cargas, colocadas a jusante do Condicionador Activo do Tipo Série. Trata-se de mais um rectificador monofásico a díodos, com um circuito RC do lado CC, e de um circuito RL. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 57

78 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série Quanto ao Condicionador Activo, este é ligado ao sistema pelo lado série por intermédio de um sistema de contactores. Para o acoplamento à rede é utilizado, do lado série, um filtro RLC cuja finalidade é eliminar as componentes de frequência elevada resultantes da comutação dos IGBT s, impedindo que estas se propaguem pela rede, reduzindo assim problemas de interferências electromagnéticas causados pelo condicionador Activo. Do lado paralelo é utilizado um filtro também RLC e com a mesma finalidade. Existe também um transformador de características semelhantes às do transformador de entrada, cuja finalidade foi explicada no item Modelo de Simulação do Sistema de Controlo do Condicionador activo do Tipo Série Aqui são apresentados os modelos de simulação do sistema de controlo para o Condicionador Activo do Tipo Série e as diferentes estruturas que o integram. Os sistemas de controlo implementados podem ser divididos em duas partes. Uma é relativa ao sistema de controlo do Conversor Série, responsável pela sintetização de tensões de compensação, e outra relativa ao Conversor Paralelo responsável pela alimentação e regulação do elo CC, bem como pela injecção de correntes de compensação quando o equipamento estiver no modo UPQC. Em cada um destes items é abordado também o modelo utilizado para simular cada uma das técnicas de comutação implementadas Sistema de Controlo para o Conversor Série Na Figura 4.3 está representado o circuito de sincronismo utilizado para a implementação do Condicionador Activo. Pretende-se testar em simulação o seu tempo de resposta e a sua fiabilidade. iapll Sin Va_base Vb_base Vc_base D + - F F D - + Vab Vcb * * B + + F ppll I P wpll Clear 1 st wtpll A Comparator B 2 Pi 2 Pi by 3 D - - Pi by 2 F 2 Pi by 3 wtpll wtpll wtpll D + - F D + - Pi by 2 F D + + F D + + F Iadisp Ibdisp Icdisp Sin Sin Sin pll_a pll_b pll_c icpll Sin 2 Pi by 3F + + D Pi by 2 Figura 4.3 Circuito de Sincronismo PLL. 58 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

79 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série. Uma vez que na saída do circuito de sincronismo PLL os sinais têm amplitude unitária, optou-se por normalizar os valores de tensão e corrente à entrada para o sistema de controlo para que os seus valores nominais tenham também uma amplitude unitária, para que dessa forma todos os sinais do circuito de controlo estejam na mesma escala. Isso é feito num bloco de medição e normalização que está representado na Figura 4.4. Apesar do circuito de sincronismo PLL ser utilizado tanto para o Conversor Série como para o Conversor Paralelo, é representado aqui em virtude da importância central que o circuito de sincronismo desempenha no controlo do Conversor Série. vs_a Vbase B.5 B.25 N + N + N N/D D + N/D D + N/D D Vbase Low pass Butterwth Order = 1 Va_base vl_a D Vbase Low pass Butterwth Order = 1 Val_base if_a D Ibase Iaf_base Ibase N is_a N/D D Ibase Ias_base N il_a N/D D Ibase Ial_base Va_base Vb_base ē st ē st Vb_base Vc_base Val_base Vbl_base ē st ē st Vbl_base Vcl_base Ias_base Ibs_base e -st e -st Ibs_base Ics_base Ial_base Ibl_base e -st e -st Ibl_base Icl_base Figura 4.4 Bloco de Medição e Normalização Por fim é apresentado na Figura 4.5 o algoritmo de cálculo da tensão de referência e a técnica de comutação, ambas já descritas nos itens do Capítulo 3. Va_base Va_base V_inv D + D - - F Val_base pll_a B v_ref F Vah D + F V_inv * Fserie * * 1 B + D + * 1.84 * 2 VS * -1 VS_neg v_ref Fserie Figura 4.5 Cálculo da tensão de referência e técnica de comutação feed-forward Sistema de Controlo para o Conversor Paralelo O sistema de controlo para o Conversor Paralelo assenta na Teoria da Potência Instantânea, ou Teoria p-q. São os cálculos para a determinação da corrente de compensação para a obtenção de corrente sinusoidal na fonte que estão representados neste modelo de simulação, apenas com a nuance de se poder optar por compensar a corrente ou apenas regular a tensão do elo CC do equipamento, sendo desta forma feita a escolha entre o modo de funcionamento como Condicionador Activo Série e o modo de funcionamento como UPQC. O modelo simulação dos cálculos da Teoria p-q encontra-se Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 59

80 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série representado na Figura 4.6. A corrente de referência calculada por este bloco encontrase multiplicada por dois, já que a razão de transformação do transformador que faz o acoplamento do Conversor Paralelo com a rede é de 1:2. É também mostrada na Figura 4.7 a técnica de comutação para o Conversor Paralelo com a técnica de anti-windup discutida no item do Capítulo 3. Ial_base Ibl_baseIcl_base pll_a pll_b pll_c A B C A B C ABC to AlphaBeta ABC to AlphaBeta Alpha Ialfa Beta Ibeta Zero Izero Vzero Vbeta Valfa Alpha Beta Zero Valfa * Ibeta Vbeta * Ialfa Valfa * Ialfa * Vbeta Ibeta Vzero * * F + - B F + + B pzero p pzero * q ptil rect F D Px B pzero_barra * Preg p ptil pzero_til rect pzero F + - pzero_barra B pzero_til Valfa Vbeta Valfa Vbeta Valfa Vbeta * Px q * X 2 X 2 * q Px * D + F + F + - B F + + B N N N/D Icompa D Alpha Icompa Beta Icompb Izero * Zero rect N/D Icompb D AlphaBeta to ABC A Icomp B C * 2 ia_ref Izero rect Valfa Vbeta X 2 X 2 D + F + Figura 4.6 Modelo de simulação da Teoria p-q. vp - + D F vp_w *.5 F D st Iaf_base D - + F ia_ref * 2 * 5 D E G vp_w * 5 * Fshunt + - D F Ias_base vp + - F icomp D Ial_base * -1 vp_neg Figura 4.7 Técnica de comutação anti-windup para o Conversor Paralelo Por fim há o algoritmo de regulação do elo CC, apresentado na Figura 4.8. O sinal na sua saída entra directamente no sistema de controlo do Conversor Paralelo e consiste de um ganho proporcional aplicado ao erro entre a tensão no elo CC e a referência desta. Este valor é ainda filtrado, recorrendo a uma média móvel para filtrar as oscilações do valor de p reg, de forma a que o consumo de corrente pelo Conversor Paralelo não tenha componente harmónica. Foram aplicados dois limitadores para os valores calculados de p reg. A inclusão destes blocos impede que haja picos de p reg para que esses picos não se reflictam, a posteriori, na tensão do elo CC. Um dos blocos é utilizado quando a tensão no elo CC é superior à referência, outro no caso oposto. 6 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

81 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série 512 Const_filt.15 A Vcc ctr B Comparator Vcc D - + F.15 * 2 A B Ctrl Ctrl = 1 ctr D + - F N N/D D Const_filt D + + F ē st Preg 4.4. Resultados de Simulação Figura 4.8 Regulação do elo CC Neste item é analisado o comportamento do Condicionador Activo do Tipo Série quando sujeito a problemas de qualidade de energia. Foram simuladas as situações típicas de problemas de qualidade de energia na tensão, sendo estas: distorção harmónica da tensão, sag, swell e flicker. Pretende-se fazer a validação dos algoritmos de controlo que foram escolhidos no Capítulo 3, quando introduzidos num modelo de simulação do circuito de potência. Seguidamente são mostrados os resultados de simulação em função dos problemas de qualidade de energia a que está o sistema eléctrico sujeito Compensação de Distorção Harmónica de Tensão Neste caso é analisado o desempenho do Condicionador Activo do Tipo Série na compensação de distorção harmónica na tensão. A Figura 4.9 mostra a tensão e a corrente na carga antes da compensação. Podese ver que a tensão apresenta uma elevada distorção harmónica (THD Total Harmonic Distortion), sendo esta de 9.7%. Na Tabela 4.1 vê-se a amplitude de cada componente harmónica em percentagem. (V) (A) (a) (b) VL IL Corrente e Tensão na Carga Figura 4.9 Tensão e corrente na carga antes de compensação: (a) Tensão na carga (v L ); (b) Corrente na Carga (i L ). Tabela 4.1 Harmónicos de tensão na carga antes da compensação. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 61

82 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série Harmónicos na Tensão Ordem n Amplitude (%) 3 6,23 5 1,91 7 3,27 9 2, ,4 Num primeiro momento, o elo CC é sujeito a uma pré-carga, estabilizando o valor da tensão nos condensadores em cerca de 7 V. Sendo o valor de referência para o elo CC de 15 V, a restante carga é feita recorrendo a controlo para regulação da tensão no elo CC baseado na Teoria p-q, e discutido no item Na Figura 4.1 pode ser observada a evolução do carregamento do elo CC até atingir o nível de referência, bem como a evolução da corrente de regulação controlada pelo Conversor Paralelo. Pode-se observar que a corrente de referência (i ref ) para regulação do elo CC já esta a ser gerada pelo controlo regulação baseado na Teoria p-q, sendo esta sinusoidal, tal como se pretendia. No momento em que são habilitadas as comutações do Conversor Paralelo, a corrente de regulação (i reg ) que flui por este segue a referência, reflectindo-se isso no aumento da tensão do elo CC. À medida que a tensão do elo CC (V cc ) se aproxima dos 15 V de referência, a amplitude da corrente de regulação diminui. Refira-se que ocorre um ligeiro overshoot na tensão do elo CC, seguida de uma oscilação amortecida. Nesse período de tempo, a corrente de regulação inverte algumas vezes a fase. Deve-se isto ao controlo que ora absorve corrente para aumentar a tensão no elo CC, ora a injecta na rede para eliminar o excesso. Este processo tende para o equilíbrio, estabilizando finalmente a tensão no valor pretendido para referência. Neste ponto, a corrente de regulação é praticamente nula. Na Figura 4.11 é mostrado o transitório de ligação do Conversor Série, que é responsável pela sintetização de tensão para restabelecimento de uma tensão sinusoidal, que por sua vez alimentará a carga. Pode-se observar que antes da ligação do conversor, a tensão de referência (v ref ) já está a ser gerada pelo algoritmo de controlo baseado na comparação directa de tensões com PLL, descrito no capítulo anterior. A tensão aos terminais do conversor (v inv ) é a queda de tensão provocada pelos IGBTs superiores dos dois ramos da ponte conversora, que se encontram fechados para permitir a passagem de corrente da fonte para a carga, e pelo filtro de acoplamento. No momento em que se faz a activação do Conversor Série (t = 36 ms), observa-se que a tensão sintetizada pelo 62 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

83 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série Conversor Série acompanha a referência. Esta tensão adicionada à tensão da rede (v s ) garante que a carga é alimentada com uma tensão (v L ) compensada. (V) (A) (a) (b) Vcc Iref Tensão Elo CC e Corrente de Regulação Instante de Ligação do Conversor Paralelo Ireg Figura 4.1 Regulação do elo CC na entrada em funcionamento do Conversor Paralelo: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ). (V) (V) (V) (a) (b) (c) Vs VL Vref Tensões na Fonte, na Carga, de Referência e Sintetizadas Vinv Instante de Ligação do Conversor Série Figura 4.11 Transitório de ligação do Conversor Série: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ). Na Figura 4.12 vê-se a evolução do THD total na tensão da carga (v L ). Antes do Conversor Série do Condicionador Activo ser activado, a tensão v L apresentava um THD de 9.7%. Com o Conversor Série ligado, procedendo ao condicionamento da tensão, o THD desce para um valor próximo a 2%. O valor eficaz da tensão fornecida à carga é de 114 V. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 63

84 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série (%) THD_VL THD Tensão na Carga Instante de Ligação do Conversor Série Figura 4.12 THD da tensão v L, antes de depois da ligação do Conversor Série. Na Figura 4.13 estão representadas as formas de onda da tensão e da corrente após compensação. A tensão é fundamentalmente sinusoidal, fornecendo à carga uma tensão com elevada qualidade, com THD de 2.3%. Note-se que a corrente consumida pela carga (i L ), quando a esta é fornecida uma tensão com baixa distorção harmónica, sofre alterações na forma de onda quando comparada com a corrente consumida sem v L compensado (Figura 4.9). Na Tabela 4.2 pode-se ver a amplitude dos harmónicos em percentagem, após a compensação. (V) (a) (b) VL IL Corrente e Tensão na Carga (A) Figura 4.13 Tensão e corrente na carga após compensação: (a) Tensão na carga (v L ); (b) Corrente na Carga (i L ). Tabela 4.2 Harmónicos de tensão na carga após compensação. Harmónicos na Tensão Ordem n Amplitude (%) 3,33 5 1,17 7,64 9,33 11,27 64 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

85 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série O comportamento da tensão do elo CC (v CC ) é também um parâmetro importante, já que esta deve ser estável. Na Figura 4.14 pode-se observar o comportamento da tensão do elo CC em regime permanente, bem como a corrente de regulação (i reg ) e respectiva referência (i ref ).Esta tensão apresenta um ripple a uma frequência de 1 Hz (normal num condensador acoplado a um rectificador monofásico num sistema eléctrico a 5 Hz) e com uma amplitude desprezável. Ao compensar a distorção harmónica de tensão, a tensão do elo CC é muito estável. Na mesma figura pode-se observar a corrente de regulação do elo CC (i reg ) absorvida pelo Conversor Paralelo que actua como um rectificador controlado. Constata-se que esta é sinusoidal, mas de pequena amplitude, cumprindo a sua função de regulação da tensão do elo CC. (V) (A) (a) Vcc Tensão Elo CC e Corrente de Regulação Iref Ireg (b) Figura 4.14 Regulação do elo CC em regime permanente: (a) Tensão no elo CC (V CC ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Compensação de Sag Neste ponto é analisada a resposta do Condicionador Activo do Tipo Série à ocorrência de um sag (afundamento ou subtensão momentânea). A tensão continua com a distorção harmónica descrita no item anterior. Na Figura 4.15, mostrada abaixo, pode-se observar a tensão na fonte (v s ) antes, durante e após a ocorrência do evento. A duração do sag é de 1 segundo (de t = 1s a t = 2s), e o afundamento corresponde a 2% da tensão nominal. Na Figura 4.16 é apresentado o momento em que se dá o afundamento. O Condicionador Activo do Tipo Série encontra-se já em operação, procedendo à compensação do conteúdo harmónico da tensão quando se dá o sag. A tensão da carga (v L ) mantém a sua forma de onda, sem qualquer distúrbio transitório, garantindo que a carga é alimentada por uma tensão dentro dos parâmetros de qualidade. Tal é garantido pela utilização de um sistema de controlo que faz a comparação directa de tensões, o que implica que Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 65

86 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série qualquer diferença entre o valor instantâneo do sinal gerado internamente pela PLL e a leitura do valor da tensão na fonte é instantaneamente calculado. Este cálculo é a tensão de referência (v ref ). Pode ver-se que a tensão aos terminais do inversor (v inv ) acompanha a referência. (V) Tensão na Fonte 2 Vs Figura 4.15 Tensão na fonte (v s ) com sag. (a) (V) (b) (V) (c) (V) Vs VL Vref Tensões na Fonte, na Carga, de Referência e Sintetizadas Vinv Figura 4.16 Transitório da ocorrência de um sag com funcionamento do Conversor Série: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ). Na Figura 4.17 pode ser vista a tensão na carga (v L ) em regime permanente e durante a ocorrência do sag. Pode-se ver que a tensão se apresenta sinusoidal, sendo o seu valor eficaz de 115 V. A distorção harmónica total (THD) é de 1,4%, sendo esta característica ligeiramente inferior à observada na compensação de distorção harmónica, visto no ponto anterior. 66 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

87 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série (V) Tensão na Carga 2 VL Figura 4.17 Tensão na carga (v L ) em regime permanente. O que é dito atrás sobre o momento em que se inicia o sag pode ser aplicado ao momento em que aquele termina. Também nesta situação a tensão fornecida à carga, devidamente condicionada pelo equipamento sob simulação, se mantém com a forma de onda nas condições pretendidas, não sofrendo qualquer impacto transitório. Esta afirmação é confirmada pela Figura 4.18, onde se encontram registadas as tensões presentes no sistema. (V) (V) (V) Tensões na Fonte, na Carga, de Referência e Sintetizadas 2 Vs VL Vref Vinv Figura 4.18 Transitório de restabelecimento da tensão após sag com funcionamento do Conversor Série: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ). É também interessante ver de que forma o THD variou durante o período de operação do Condicionador Activo do Tipo Série. Na Figura 4.19 pode ser vista a sua evolução ao longo do tempo. No instante em que o sag principia, e o Condicionador Activo do Tipo Série ajusta o seu funcionamento para a compensação do distúrbio, o THD acaba por melhorar ligeiramente. Quando o equipamento procedia somente à compensação de distorção harmónica, a distorção harmónica total era de 2%. Entre t = 1 s e t = 2 s, este parâmetro passa para 1,4%. Esta melhoria deve-se ao aumento do índice de modu- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 67

88 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série lação do Conversor Série, uma vez que a tensão de referência (v ref ) apresenta uma maior amplitude, sendo mais fácil de a sintetizar. (%) THD Tensão na Carga 8. THD_VL Duração do sag Figura 4.19 THD da tensão na carga (v L ) ao longo do sag. Em relação à regulação do elo CC, podemos ver na Figura 4.2 o efeito que a ocorrência do sag tem na tensão do elo CC (v CC ). Repare-se que o aumento da demanda de energia para manter a tensão v L com a amplitude desejada causa um abaixamento repentino no nível da tensão v CC. O controlo do Conversor Paralelo, na sua tarefa de regulação da tensão nos condensadores, aumenta o seu consumo de corrente para que a energia que é injectada sob a forma de tensão pelo Conversor Série seja reposta. Desde a ocorrência do sag até t = 1,175 s, a tensão vai perseguir o seu valor de referência, reflectindo-se isso na corrente na corrente de regulação i reg, que vai oscilando a sua amplitude. O valor da tensão v CC estabiliza num valor próximo da referência, 149 V. Neste ponto estabiliza também o valor da corrente de regulação. (a) (V) (A) (b) Vcc Iref Tensão Elo CC e Corrente de Regulação Ireg Figura 4.2 Regulação do elo CC no início da ocorrência de um sag: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ). Na Figura 4.21 podemos ver o comportamento da tensão v CC em regime permanente. Pode verificar-se que o ripple desta tensão é maior do que o verificado na compensação de distorção harmónica, o que se explica pela maior demanda de energia 68 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

89 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série necessária para a compensação do sag pelo Conversor Série. Contudo, continua a ser um ripple de amplitude reduzida (inferior a 1 V) e à frequência de 1 Hz. Já o Conversor Paralelo efectua um consumo controlado de corrente, apresentando-se esta com um conteúdo harmónico bastante reduzido, sendo que o seu THD é de cerca de 4%. (a) Vcc Tensão Elo CC e Corrente de Regulação (V) (A) (b) Iref Ireg Figura 4.21 Regulação do elo CC durante a ocorrência de um sag: (a) Tensão no elo CC (V cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ). Correntes na Fonte, Carga e no Rectificador Activo Correntes na Fonte, Carga e no Rectificador Activo (a) 3 Is (a) 3 Is (A) -1 (A) (b) 2 IL (b) 2 IL 1 1 (A) -1 (A) (c) 4. Irect (c) 4. Irect (A). -2. (A) Figura 4.22 Correntes no Sistema Eléctrico antes da compensação de sag: (a) Corrente na fonte (i s ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente consumida pelo Conversor Paralelo (i rect ). Figura 4.23 Correntes no Sistema Eléctrico durante a compensação de sag: (a) Corrente na fonte (i s ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente consumida pelo Conversor Paralelo (i rect ). A compensação do sag no fornecimento de tensão tem implicações no sistema eléctrico. A corrente consumida da fonte (i s ) irá aumentar para fazer a regulação do elo CC. Na Figura 4.22 e na Figura 4.23 podemos ver as correntes no sistema eléctrico em regime permanente, tanto antes da ocorrência do sag, como depois da mesma. De referir que a corrente consumida pelo Conversor Paralelo (i rect ) é a corrente que atravessa o enrolamento primário (do lado das linhas do sistema) do transformador de acoplamento do Conversor Paralelo, daí apresentando metade da amplitude de i reg. Constata-se que a Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 69

90 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série carga é sempre alimentada pela mesma corrente, o que indica que se encontra correctamente alimentada após a ocorrência do sag. A potência activa e reactiva em todo o sistema apresentam comportamentos diferentes em virtude do condicionamento da tensão, tal com foi avançado no item do Capítulo 2. Na Tabela 4.3 são apresentados os valores de potência activa e reactiva em vários pontos do sistema eléctrico proposto. O ponto do circuito descrito como ponto intermédio trata-se do ponto entre o Conversor Série e o Conversor Paralelo. Observando os valores das potências obtidos, e associando estas com as correntes e tensões no sistema, podemos retirar conclusões relativas ao condicionamento de potência feito pelo Condicionador Activo do Tipo Série, descrito no item Começando pela potência activa, podemos ver que a que é absorvida da rede (P S ) é ligeiramente superior à que é consumida pela carga (P L ). Esta diferença corresponde a perdas no sistema, nomeadamente perdas de comutação do Condicionador Activo. A jusante do Conversor Série é adicionada à potência retirada da fonte a potência injectada pelo Condicionador Activo, em virtude da sintetização de uma tensão que, somada à da fonte, condiciona a tensão na carga aos valores nominais. Esta é a potência activa intermédia (P m ). Parte desta potência está directamente associada à corrente absorvida pelo rectificador activo (i reg ), pelo que a jusante do Conversor Paralelo ter-se-á uma potência inferior, que será a potência P L, e é a potência nominal da carga. Este comportamento da potência deve-se ao facto do Conversor Série injectar energia no sistema durante o sag (proveniente do elo CC), sendo essa energia, simultaneamente, absorvida pelo Conversor Paralelo para manter o elo CC regulado. Em relação à potência reactiva, pode-se ver que a que é drenada (Q S ) é inferior à que se encontra antes da carga (Q L ). No ponto intermédio a potência reactiva (Q m ) é maior que a Q S e que Q L, em virtude do aumento da tensão provocado pelo Conversor Série do Condicionador Activo Série. Tabela 4.3 Potência Activa e Potência Reactiva no sistema proposto quando compensando sag. Potência na Fonte Potência Intermédia Potência na Carga P S Q S P m Q m P L Q L 197,3 W 614,8 VAr 1384,9 W 779, VAr 167,3 W 69,4 VAr Voltando à análise do comportamento do elo CC, interessa mostrar o seu comportamento no final da ocorrência do sag, sendo este um instante crítico para este, uma vez que a tensão de referência para a compensação do afundamento vai ser bruscamente 7 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

91 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série alterada, como é mostrado atrás. Essa alteração repercute-se no elo CC. Na Figura 4.24 pode ser visto como reage este elemento ao fim do sag, assim como o comportamento da corrente de regulação respectiva. Pode ser visto que a redução da demanda de energia armazenada faz com que a tensão no elo CC aumente rapidamente, sendo que a corrente de regulação (i reg ) responde, primeiramente diminuindo a sua amplitude e, num segundo momento, o Conversor Paralelo injecta corrente no sistema eléctrico, com o objectivo de baixar a tensão do elo CC. Tal é perceptível pelos ajustes de fase visíveis na Figura 4.24 (b). (a) 152. Vcc Tensão Elo CC e Corrente de Regulação 151. (V) (A) (b) Iref Ireg Figura 4.24 Regulação do elo CC no final da ocorrência de um sag: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Compensação de Swell Após a simulação do desempenho do Condicionador Activo do Tipo Série à ocorrência de um sag, este novo ponto dedica-se à análise do seu desempenho à ocorrência de um swell (sobretensão momentânea). Tal como no ponto anterior, a tensão encontrase com a distorção harmónica verificada no item 4.4.1, com um THD de 9,7%. O swell tem uma duração de 1 segundo (de t = 1 s a t = 2 s), e a amplitude da tensão sofre um aumento de 25% em relação à amplitude nominal. Na Figura 4.25, apresentada em baixo, podemos ver a tensão na fonte antes, durante e após a ocorrência do distúrbio. Quando se dá a ocorrência do swell o Condicionador Activo do Tipo Série já se encontra em operação, fazendo a compensação da distorção harmónica. Pode-se observar na Figura 4.26 que no momento em que a ocorrência principia, a referência sofre uma variação tão rápida como o surgimento do swell. Tal rapidez deriva da utilização de um controlo baseado na comparação directa de tensões, como já foi dito no ponto anterior em relação ao sag. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 71

92 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série (V) Vs Tensão na Fonte Figura 4.25 Tensão na fonte (v s ) com swell. (a) (V) (b) (V) (c) (V) Vs VL Vref Tensões na Fonte, na Carga, de Referência e Sintetizadas Vinv Figura 4.26 Transitório da ocorrência de um swell: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ). Pode-se ver também na figura anterior que a transição de uma compensação apenas de distorção harmónica para uma situação de compensação também de swell é feita de uma forma suave, deixando praticamente incólume a tensão que é fornecida à carga (v L ). Esta mantém-se sinusoidal e com uma amplitude dentro dos parâmetros estipulados pelos regulamentos de Qualidade de Energia Eléctrica mencionados no item Erro! A origem da referência não foi encontrada.. Na Figura 4.27 é representada a tensão v L em regime permanente. A olho nu pode ver-se que apresenta um conteúdo harmónico reduzido. De Facto, o THD desta tensão é de apenas 2%. Quanto ao valor eficaz desta tensão, este cifra-se em 113,4 V. Apesar de não ser exactamente o valor nominal, que para este sistema é de 115 V, este encontra-se dentro dos parâmetros recomendados. 72 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

93 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série (V) Tensão na Carga 2 VL Figura 4.27 Tensão na carga (v L ) em regime permanente. O próximo ponto crítico de análise do comportamento do Condicionador Activo do Tipo Série é o momento em que o evento de swell termina. Na Figura 4.28 é mostrado esse momento no que diz respeito às tensões do sistema. Pode observar-se que o restabelecimento da tensão v s traduz-se imediatamente numa alteração de v ref, alteração esta que o Conversor Série é apressado em acompanhar. Esta resposta imediata do controlo e do conversor tem como resultado a manutenção da tensão na carga (v L ) nas características pretendidas, não sofrendo a carga qualquer impacto com a nova variação na tensão da fonte. Observe-se na Figura 4.29 que no momento da ocorrência do swell o THD mantém-se baixo, até diminuindo ligeiramente, mas sempre em torno dos 2%. Esta ligeira melhoria prende-se com o aumento do índice de modulação do Conversor Série, conforme foi indicado no item Conclui-se que a carga se encontra constantemente a ser alimentada com uma tensão com baixo teor harmónico. (a) (V) (b) (V) (c) (V) Tensões na Fonte, na Carga, de Referência e Sintetizadas 25 Vs VL Vref Vinv Figura 4.28 Transitório de restabelecimento da tensão após swell no Conversor Série: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ). Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 73

94 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série (%) THD Tensão na Carga 8. THD_VL Duração do swell Figura 4.29 THD da tensão v L ao longo do swell. Observando o comportamento da tensão no elo CC (v CC ), que se pretende que seja estável, um ponto crítico para essa estabilidade é o momento em que o evento de swell se dá. A Figura 4.3 apresenta a tensão do elo CC no momento em que ocorre a perturbação, assim como a corrente de regulação do elo CC (i reg ) e a referência a ser seguida por essa corrente (i ref ). Pode observar-se que no momento em que o swell se inicia, a tensão v CC sobe. Em resposta a essa acção, o controlo despoleta uma reacção que é visível na corrente i reg, que inverte a fase, começando a drenar energia do elo CC por intermédio do Conversor Paralelo. Essa corrente tem um comportamento amortecido, acabando por estabilizar. Em regime permanente a tensão v CC encontra-se regulada em torno do valor de referência de 15 V. Apresenta um ripple à frequência de 1 Hz, com uma amplitude de pouco mais de 1 V. A corrente de regulação i reg, que nestas condições flui do condensador do elo CC para o sistema eléctrico, apresenta um THD de 5,7% e um valor eficaz de 3,5 A. Na Figura 4.31 pode-se ver a forma de onda da corrente i reg em regime permanente, assim como o desempenho da tensão do elo CC. (a) Vcc Tensão Elo CC e Corrente de Regulação (V) (A) (b) Iref Ireg Figura 4.3 Regulação do elo CC no início da ocorrência de um swell: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ). 74 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

95 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série (V) (A) (a) (b) Tensão Elo CC e Corrente de Regulação Vcc Iref Ireg Figura 4.31 Regulação do elo CC durante a ocorrência de um swell: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ). A compensação de um swell tem impacto não só nas tensões do sistema mas também nas correntes e potências presentes no sistema. A corrente que é drenada da fonte (i S ) apresenta-se menor, e a sua componente fundamental é reduzida. Este comportamento deve-se à inversão no funcionamento do Conversor Paralelo, que deixa de absorver corrente sinusoidal e passa a injecta-la no sistema eléctrico. A Figura 4.32 e a Figura 4.33 mostram as correntes do sistema antes e durante o evento swell. Nelas pode ser visto que a corrente fornecida à carga não sofre alterações, o que indica que a carga está sempre a ser alimentada correctamente. Porém, a alteração da tensão v s e da corrente i s com a ocorrência do swell e a consequente compensação implica alterações no condicionamento da potência. (A) (A) (A) (a) (b) (c) Correntes na Fonte, Carga e no Rectificador Activo Is IL Irect (A) (A) (A) Is IL Irect Correntes na Fonte, Carga e no Rectificador Activo Figura 4.32 Correntes no Sistema Eléctrico antes da compensação de swell: (a) Corrente na fonte (i s ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente consumida pelo Conversor Paralelo (i rect ). Figura 4.33 Correntes no Sistema Eléctrico durante a compensação de swell: (a) Corrente na fonte (i s ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente consumida pelo Conversor Paralelo (i rect ). Na Tabela 4.4 estão representadas as potências presentes no sistema eléctrico durante a compensação de swell. Tal como na ocorrência de sag, vista no item 4.4.2, a Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 75

96 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série potência activa drenada da fonte, P S, tem um valor bastante próximo da potência consumida pela carga, P L.; podendo o mesmo dizer-se em relação às respectivas potências reactivas, Q S e Q L. Como foi avançado no item 2.7.1, a acção do Condicionador Activo do Tipo Série força a que seja retirada da rede a potência necessária para o funcionamento da carga nos parâmetros nominai, sendo a diferença entre a potência drenada na fonte e a consumida na carga causada por perdas no sistema. Assim, na situação de swell, o Conversor Série absorve energia na sua tarefa de condicionar a tensão. No ponto intermédio, entre os dois conversores, isso reflecte-se por uma baixa da potência, tanto a reactiva como a activa (Q m e P m ). Na sua tarefa de regulação da tensão do elo CC, e como o Conversor Série está a absorver energia, o Conversor Paralelo injecta corrente (i rect ) no sistema. Esta corrente é metade da corrente i reg, visto ser a corrente que está no enrolamento primário do transformador de acoplamento do Conversor Paralelo, e tem o valor eficaz de 1,73 A. O resultado é que a potência activa e reactiva na carga aumenta, ficando a carga a operar na sua potência nominal. Tabela 4.4 Potência Activa e Potência Reactiva no sistema proposto quando compensando swell. Potência na Fonte Potência Intermédia Potência na Carga P S Q S P m Q m P L Q L 197,3 W 614,8 VAr 1384,9 W 779, VAr 167,3 W 69,4 VAr Voltando agora à análise do comportamento do elo CC na compensação de swell, importa observar o que acontece no elo CC no momento em que esta perturbação chega ao fim. Na Figura 4.34 pode-se ver a tensão no elo CC nos instantes anteriores e seguintes ao final do swell na tensão fornecida pela fonte. (a) (V) (b) (A) Vcc Iref Tensão Elo CC e Corrente de Regulação Ireg Figura 4.34 Regulação do elo CC no final da ocorrência de um swell: (a) Tensão no elo CC (V cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ). 76 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

97 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série Pode-se observar que, em t = 2s, a tensão do elo CC cai até um valor inferior aos 15 V de referência. O controlo do Conversor Paralelo é rápido a reagir para regular o elo CC. Pode-se observar que se dá uma inversão de fase em i ref e, consequentemente, em i reg. Isto deve-se ao facto do Conversor Série passar a sintetizar tensão para corrigir a distorção harmónica na tensão v S. Desta forma o Conversor Paralelo volta a ter de absorver corrente para regular o elo CC, daí a inversão na fase da corrente de regulação. Neste ponto a tensão do elo CC apresenta um comportamento em regime permanente como foi visto no primeiro ponto deste item, referente à compensação de harmónicos de tensão Compensação de Flicker Outro problema de Qualidade de Energia Eléctrica presente na tensão que o Condicionador Activo do Tipo Série se propõe a compensar é o flicker. Na Figura 4.35 pode ser vista a ocorrência de flicker na tensão da fonte (v S ). Ocorrem 3 afundamentos por segundo, sendo estes de 7% em relação à tensão nominal. Este valor foi escolhido por ser a amplitude típica considerada na norma IEEE Refira-se que a tensão apresenta novamente a distorção harmónica considerada no item 4.4.1, relativo à simulação de compensação de distorção harmónica. (V) Vs Tensão na Fonte Figura 4.35 Flicker na tensão na fonte (v S ). Na Figura 4.36 pode ser visto um pormenor das tensões no sistema eléctrico. No que concerne à tensão v s, podemos ver que estão representados os últimos ciclos antes da ocorrência do afundamento de tensão, e os primeiros já afundados. Observando-se a tensão da carga (v L ), é perceptível que a flutuação observada na tensão v S não se propaga para a carga, estando assim a carga compensada de variações na amplitude da tensão por acção do Condicionador Activo do Tipo Série. Mais uma vez é patente que o controlo é ágil na sua reacção à variação dos parâmetros da tensão da fonte. Observe-se que a tensão de referência (v ref ) é gerada em resposta instantânea às variações na tensão v s. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 77

98 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série Verifica-se também que a tensão nos terminais do conversor série (v inv ) acompanha correctamente a tensão de referência. (V) (V) (V) (a) (b) (c) Tensões na Fonte, na Carga, de Referência e Sintetizadas 2 Vs VL Vref Vinv Figura 4.36 Comportamento das tensões no Sistema Eléctrico durante flicker: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Tensão de referência (v ref ) e tensão aos terminais do Conversor Série (v inv ). Na Figura 4.37 é apresentada a forma de onda da tensão na carga em regime permanente. Comprova que não há oscilação do valor da amplitude da tensão v L, indicando que a tensão se encontra constantemente regulada no valor pretendido. (V) VL Tensão na Carga Figura 4.37 Tensão na Carga (v L ) ao longo da ocorrência de flicker. Na Figura 4.38 são mostrados os valores eficazes tanto das tensões na fonte (v S ) e na carga (v L ). Observando-se na figura o valor eficaz da tensão na fonte (v Srms ), vemos que este valor varia de forma periódica, indicativo da ocorrência de flicker. Pode ser visto que, em virtude de quedas de tensão harmónicas, o valor eficaz da tensão na fonte (v S ) nos instantes sem afundamento é inferior aos 115 V nominais. Observando agora o valor eficaz da tensão da carga (v Lrms ) na mesma figura, vemos que este é constante ao 78 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

99 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série longo do tempo, situando-se nos 114 V. Esta regulação de tensão deve-se à acção do Condicionador Activo do Tipo Série na sua acção de compensação de harmónicos de tensão e de flicker. 12. VSRMS Valor RMS da Tensão da Fonte e a da Tensão da Carga VLRMS 115. (V) Figura 4.38 Valor eficaz da tensão na fonte (V Srms ) e na carga (V Lrms ). No que diz respeito ao conteúdo harmónico da tensão v L pode dizer-se que se mantém sempre em valores em torno dos 2% de THD. Na Figura 4.39 pode ser vista a evolução do THD ao longo do tempo de simulação. (%) THD Tensão na Carga 8. THD_VL Figura 4.39 THD da tensão v L ao longo do flicker. É perceptível que existe uma pequena flutuação na distorção harmónica total, que acontece com a mesma periodicidade que a ocorrência de abaixamentos de tensão inerentes ao flicker. É durante estes afundamentos que o THD é ligeiramente menor, devendo-se tal facto à resolução da tensão v inv, que quando tem maior amplitude é melhor modulada e assim compensa melhor as distorções na tensão. Finalmente, interessa estudar o comportamento do elo CC durante a ocorrência e compensação do flicker. Na Figura 4.4 pode ser visto o comportamento do elo CC em regime permanente nessas condições. Observe-se que a tensão v CC se mantém regulada em torno do seu valor de referência de 15 V, embora com alguma oscilação causada pela diferença de transferência de energia necessária para condicionar a tensão v L, uma vez que quando existe o afundamento é necessária mais energia do que quando só se compensa distorção harmónica. A maior drenagem de energia para compensação do afundamento pelo Conversor Série, que é feita ao elo CC, obriga a que o controlo responda absorvendo mais energia pelo Conversor Paralelo. Isso é perceptível observando a corrente de regulação. Podemos ver que com a ocorrência do afundamento, e conse- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 79

100 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série quente drenagem do elo CC para o compensar, a corrente de regulação aumenta para manter a tensão v CC no seu valor de referência. Isto acontece ciclicamente, como os afundamentos do flicker. De uma forma contundente, pode se afirmar que o Condicionador Activo do Tipo Série, quando actua para compensação de flicker, apresenta um comportamento equivalente ao registado na compensação de sag. A diferença é que o apresenta ciclicamente. (a) Vcc Tensão Elo CC e Corrente de Regulação (V) (b) Iref Ireg (A) Figura 4.4 Regulação do elo CC ao longo do flicker: (a) Tensão no elo CC (v cc ); (b) Corrente de referência para regulação do elo CC (i ref ) e corrente de regulação (i reg ) Funcionamento como UPQC Monofásico Compensação Dinâmica de Factor de Potência e de Harmónicos de Tensão e Corrente. Para o funcionamento do Condicionador Activo como UPQC é habilitado o cálculo das potências instantâneas da Teoria p-q utilizando a transformada de Clarke. Nos pontos anteriores esta transformação era apenas utilizada para a determinação da corrente de regulação do elo CC. Agora, mercê da habilitação do cálculo das grandezas da Teoria p-q, o sistema de controlo calcula também a corrente de compensação, a injectar no sistema eléctrico pelo Conversor Paralelo, para que se tenha uma corrente sinusoidal na fonte. A activação desta característica, juntamente com a característica de compensação de distúrbios de tensão facultada pelo Conversor Série, garante que a carga não só opere com uma tensão com baixo conteúdo harmónico, como impede que o consumo não linear de corrente por parte da carga (com elevado THD) provoque quedas de tensão harmónicas na rede eléctrica a montante do UPQC. Também é garantido que a corrente na fonte (i S ) se encontra em fase com a tensão, desta forma corrigindo o factor de potência. Na Figura 4.41 pode ser vista a tensão e a corrente na fonte (v S e i s ). A tensão padece da distorção harmónica que foi descrita no item No que diz respeito à cor- 8 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

101 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série rente, esta tem uma distorção harmónica de 49%, com prevalência dos harmónicos de 3ª, 5ª e 7ª ordem. Na Tabela 4.5 pode ser vista a amplitude de cada uma das ordens de harmónicos que estão presentes na forma de onda da corrente i s. (V) (a) (b) Vs Is Tensão e Corrente na Fonte (A) Figura 4.41 Tensão e corrente na fonte antes da actuação do UPQC: (a) Tensão na fonte (v S ); (b) Corrente na fonte (i S ). Tabela 4.5 Harmónicos de corrente na fonte antes da actuação do UPQC. Harmónicos na Corrente da Fonte Ordem n Amplitude (%) Como quando se opera o equipamento como Condicionador Activo do Tipo Série, o primeiro conversor a ser posto em funcionamento é o paralelo, para que assim a tensão do elo CC seja regulada. Ao contrário do que acontecia com o funcionamento apenas como Condicionador Activo, o Conversor Paralelo do UPQC irá não só regular a tensão v CC, mas também fazer a compensação dinâmica de harmónicos de corrente e do factor de potência. Na Figura 4.42 são apresentadas as correntes no sistema proposto no momento em que se liga o Conversor Paralelo. Pode observar-se que a forma de onda da corrente na fonte (i S ) apresenta-se praticamente sinusoidal, mas oscilando na sua amplitude. Este comportamento deve-se à regulação da tensão no elo CC. Na Figura 4.43 pode ser visto que a tensão no elo CC apenas é incrementada para o seu valor de referência quando se liga o Conversor Paralelo. A demanda de corrente necessária a esta tarefa é o que causa o comportamento descrito atrás da corrente i S. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 81

102 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série (A) (A) (A) (a) (b) (c) Correntes na Fonte, Carga, de Referência e no Inversor Is 4 3 Instante de Ligação do Conversor Paralelo IL Iref Icomp Figura 4.42 Transitório de ligação do Conversor Paralelo: (a) Corrente na fonte (i S ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente de referência (i ref ) e de compensação (i comp ). (V) Vcc Tensão Elo CC Instante de Ligação do Conversor Paralelo Figura 4.43 Tensão no elo CC (v CC ) no instante de ligação do Conversor Paralelo. Regressando à Figura 4.42, observa-se que a corrente de referência é bem seguida pela corrente no Conversor Paralelo. Isto indica que a técnica de comutação tem um comportamento satisfatório, e indica que o sistema de controlo actua bem, uma vez que a forma de onda da corrente na fonte se apresenta bastante próxima de uma sinusóide. Uma outra questão que importa abordar é a ligeira alteração que a corrente na carga sofre com a ligação do Conversor Paralelo. Tal é provocado pelo efeito que a corrente sinusoidal na fonte (i S ) tem na tensão da fonte (v s ). Esta última fica com menos distorção harmónica, uma vez que deixam de existir quedas de tensão harmónicas provocadas pela passagem da corrente distorcida nas indutâncias de linha, o que implica que a tensão que alimenta a carga é alterada, assim como o consumo de corrente por parte desta. A última afirmação é corroborada pela Figura 4.44, onde estão representadas a tensão e a corrente na fonte (v S e i S ). Pode-se ver que, no instante em que a corrente se apresenta 82 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

103 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série com uma forma de onda praticamente sinusoidal, a amplitude de v S aumenta ligeiramente. (V) (A) (a) (b) Tensão e Corrente na Fonte 2 Vs Is 4 3 Instante de Ligação do Conversor Paralelo Figura 4.44 Efeito da compensação na corrente da fonte na tensão da fonte: (a) Tensão da fonte (v S ); (b) Corrente na Fonte (i S ). Na Figura 4.45 podem ser vistas as correntes no sistema eléctrico proposto em regime permanente com o Conversor Paralelo em operação. A corrente i S apresenta um THD de 4%. Pela forma de onda obtida na fonte depreende-se que o algoritmo de cálculo da corrente de referência (i ref ) para a compensação de harmónicos, factor de potência e regulação da tensão do elo CC funciona de forma satisfatória. O mesmo pode ser dito da técnica de comutação, que permite que a corrente de compensação (i comp ) siga a i ref calculada. (A) (A) (A) (a) (b) (c) Correntes na Fonte, Carga, de Referência e no Inversor 15. Is IL Iref Icomp Figura 4.45 Correntes do sistema em regime permanente: (a) Corrente na fonte (i S ); (b) Corrente na carga (i L ); (c) Corrente de referência (i ref ) e de compensação (i comp ). Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 83

104 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série Quando o equipamento operando como UPQC apenas tem o Conversor Paralelo, fazendo compensação dinâmica de harmónicos de corrente e de factor de potência, a tensão do elo CC apresenta o comportamento que é visível na Figura A tensão apresenta-se regulada em torno dos 15 V que lhe servem de referência, apresentando um ripple com uma amplitude de cerca de 2,5 V. (V) Vcc Tensão Elo CC e Corrente de Regulação Figura 4.46 Tensão no elo CC (V CC ) da UPQC operando apenas o Conversor Paralelo. Ligado o Conversor Paralelo e executando a sua dupla tarefa de compensação da corrente na fonte e de regulação da tensão do elo CC, pode agora ser ligado o Conversor Série. Este vai corrigir os problemas de distorção harmónica na tensão. Na Figura 4.47 podemos ver o transitório de ligação do Conversor Série. A compensação da distorção harmónica na tensão da carga (v L ) tem um efeito visível na corrente consumida pela carga (i L ), que deixa de reflectir os harmónicos presentes na tensão. Observe-se também que não há desfasamento entre a tensão v L e a corrente i S., devido à actuação do controlo do Conversor Paralelo, que corrige o factor de potência. (V) (V) (A) (a) (b) (c) Vs VL Is Tensões na Fonte, na Carga. Correntes na carga e na fonte IL Instante de Ligação do Conversor Série Figura 4.47 Transitório de ligação do Conversor Série: (a) Tensão na fonte (v s ); (b) Tensão na carga (v L ); (c) Corrente na fonte (i S ) e na carga (i L ). 84 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

105 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série Observando a Figura 4.48 pode-se perceber a entreajuda que existe entre o Conversor Série e o Conversor Paralelo, no que à compensação harmónica de tensão e corrente diz respeito. Em t = 1 s, o THD da corrente na fonte baixa de 49% para cerca de 4%, fruto da acção directa do Conversor Paralelo controlado com o intuito de reduzir o conteúdo harmónico da corrente na fonte. Esta acção tem reacção no THD da tensão na carga, que baixa de 9.6% para 8%. Em t = 2 s, por acção da ligação do Conversor Série, o THD da tensão na carga baixa para 2.5%, sendo esta redução reflexo também no THD da corrente i S. (%) (%) (%) (%) (a) (b) (c) (d) THD_VL THD_IS THD Tensão na Carga, Corrente na Fonte Instante de Ligação do Conversor Paralelo THD Tensão na Carga, Corrente na Fonte THD_VL THD_IS Instante de Ligação do Conversor Série Figura 4.48 THD da tensão na carga (THD_v L ) e da corrente na fonte (THD_i S ): (a) THD_v L no transitório de ligação do Conversor Paralelo; (b) THD_i S no transitório de ligação do Conversor Paralelo; (c) THD_v L no transitório de ligação do Conversor Série; (d) THD_i S no transitório de ligação do Conversor Série. Por fim, na Figura 4.49 é apresentado o comportamento da tensão v CC em regime permanente, com ambos os conversores em funcionamento. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 85

106 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série (V) Tensão Elo CC e Corrente de Regulação Vcc Figura 4.49 Tensão no elo CC (v CC ) do UPQC operando em regime permanente. Na Figura 4.5 são apresentadas as tensões e as correntes na fonte e na carga em regime permanente. Na Tabela 4.6 podem ser vistas as amplitudes, em percentagem, de cada uma das ordens de harmónicos presentes na corrente na fonte com o UPQC a funcionar em regime permanente. (V) (A) (a) (b) Tensão e Corrente na Fonte Vs Is (V) (A) (c) (d) VL IL Tensão e Corrente na Carga Figura 4.5 Tensões e correntes no sistema eléctrico em regime permanente: (a) Tensão na fonte (v S ); (b) Corrente na fonte (i S ); (c) Tensão na carga (v L ); (d) Corrente na carga (i L ). Tabela 4.6 Harmónicos de corrente na fonte durante a actuação do UPQC. Harmónicos na Corrente da Fonte Ordem n Amplitude (%) Conclusão Neste capítulo foram apresentadas simulações computacionais com o objectivo de testar a validade do Condicionador Activo do Tipo Série desenvolvido neste trabalho de Mestrado, quer no que diz respeito configuração de hardware, que foi aflorada no item 2.7 do Capítulo 2; quer no que diz respeito às teorias de controlo discutidas nos itens 3.2 e 3.3 do Capítulo 3. Para tal foram simulados os mais importantes problemas que se verificam na tensão fornecida, tal como distorção harmónica, ocorrência de sag, ocor- 86 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

107 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Condicionador Activo do Tipo Série rência de swell e de flicker. Solicitado o Condicionador Activo do Tipo Série a compensar a carga destas ocorrências, revelou-se que este consegue manter a tensão regulada dentro dos padrões de qualidade de energia para a tensão, quer em termos de distorção harmónica, quer no que ao valor eficaz da tensão diz respeito. Foi também simulada a alteração do equipamento de Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico para um UPQC Monofásico, conseguindo assim aliar a capacidade de condicionar a tensão a fornecer à carga, com a capacidade de absorver correntes sinusoidais da fonte. Tal objectivo foi concretizado com bons desempenhos, conseguindo-se que a corrente drenada da fonte tivesse uma distorção harmónica bastante reduzida e em fase com a tensão, e uma tensão aos terminais da carga com uma forma de onda de THD muito reduzido e com o valor eficaz pretendido. O estudo descrito neste capítulo, baseado em simulações computacionais, confirmou o bom funcionamento do Condicionador Activo do Tipo Série. Uma vez validadas, desta forma, as premissas do seu funcionamento, o passo seguinte foi a sua implementação, sendo esse o tema do Capítulo 5. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 87

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109 CAPÍTULO 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico Introdução Neste capítulo é descrita a implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico para. Numa primeira fase é discutida a implementação do circuito de potência do Condicionador Activo, onde estão contidos os conversores de potência, os condensadores do elo CC e os filtros de acoplamento dos conversores com o sistema eléctrico. Seguidamente é abordada a implementação do sistema de controlo do Condicionador Activo, nomeadamente a aquisição de sinais e seu condicionamento, o DSP/microcontrolador (já abordado no item 3.5 Capítulo 3), e os circuitos de comando. Na Figura 5.1 pode ser vista a bancada de laboratório onde o Condicionador Activo foi implementado. Figura 5.1 Bancada do Condicionador Activo do Tipo Série. Esta implementação foi feita utilizando equipamento e material do Laboratório de Electrónica de Potência do Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do Minho, sendo que as placas PCB e o Inversor foram desenvolvidos no âmbito do Projecto SINUS. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 89

110 Capítulo 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico 5.2. O Circuito de Potência Neste item é descrito o circuito de potência implementado, sendo este constituído por 2 conversores de potência (série e paralelo) com 3 condensadores no elo CC, filtro de acoplamento e 2 transformadores, um para isolamento galvânico e outro para a conexão do Conversor Paralelo ao sistema eléctrico. Na Figura 5.2 pode ser visto o diagrama multifilar do Condicionador Activo do Tipo Série Implementado. S bypass 23 V//15 V 2:1 i S S CS g th v inv S CS i L v S v L Rede Eléctrica Conversor Série Conversor Paralelo S PC S CP Carga 1:2 R cs C cs Vcc L cs R cp C cp L cp1 i fr L cp2 Figura 5.2 Diagrama multifilar do Condicionador Activo do Tipo Série Implementado Conversores de Potência Os conversores de potência implementados são constituídos por módulos de IGBTs do tipo SMK 1GB173D da SEMIKRON, sendo cada um composto por 2 IGBTs. Cada módulo foi utilizado para implementar um dos braços dos conversores de potência, tendo sido utilizados 4 módulos para a implementação do Condicionador Activo do Tipo Série. O valor máximo de tensão colector-emissor (V CE ) de cada IGBT é de 17 V, e o de corrente é de 11 A, embora o díodo reverso suporte correntes apenas até 8 A. Além disso, os IGBTs suportam correntes até seis vezes a nominal. Na Figura 5.3 é apresentado o módulo SMK 1GB173D e o seu esquemático. Figura 5.3 Módulo de IGBTs e respectivo esquemático [43]. 9 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

111 Capítulo 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico A cada módulo de IGBTs está associado um circuito de drive, responsável por assegurar a interface entre o sistema de controlo e o sistema de potência. Os circuitos utilizados são do tipo SKHI 22AH4, sendo também fabricados pela SEMIKRON. Estes drivers, para além da interface referida, oferecem também protecção contra curtocircuitos e isolamento eléctrico entre o circuito de potência e o circuito de comando, impedindo assim que problemas no sistema eléctrico se propaguem para o sistema de controlo, danificando-o. O isolamento eléctrico é garantido através de transformadores pulso. Assim sendo, o circuito de drive é dividido por lado primário e secundário, sendo que no primário estão as ligações com o circuito de comando, e no secundário as ligações com os módulos de IGBTs [44]. Na Figura 5.4 pode-se ver o circuito de drive e respectivo esquemático. Figura 5.4 Circuito de drive e respectivo esquemático [44]. Condensadores elo CC (a) Conversor Paralelo (b) Conversor Série Figura 5.5 Aspecto final dos conversores de potência: (a) Vista em perspectiva; (b) Vista superior Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 91

112 Capítulo 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico Na Figura 5.5 é apresentado o aspecto final dos conversores de potência, já montados sobre um dissipador, em que dois módulos são os dois braços do Conversor Série, e os outros dois os braços do Conversor Paralelo. É possível ver também um dos condensadores do elo CC. O elo CC é constituído por três condensadores de 47 μf, de 45 V, ligados em série. Assim, a capacidade do elo CC é de 1566 μf, suportando tensões de até 135 V Filtros de Acoplamento O acoplamento do Conversor Série com a rede é feito através de um filtro RLC, com o intuito de atenuar as componentes de alta frequência resultantes das comutações dos IGBTs, impedindo que estas se propaguem à rede eléctrica. O mesmo é feito em relação ao Conversor Paralelo, sendo que neste, para além do filtro RLC, o acoplamento é feito também por um transformador. A frequência de comutação dos IGBTs do Condicionador Activo do Tipo Série é de 8 khz, sendo, contudo, uma vez que a técnica de comutação implementada é PWM unipolar, a frequência resultante das comutações é de 16 khz. Nesse sentido, os filtros de acoplamento devem ser capazes de filtrar a frequência de 16 khz resultante das comutações, sem comprometer a capacidade de compensação do Condicionador Activo. A configuração do Filtro de Acoplamento para o Conversor Série pode ser observada na Figura 5.2, e na Figura 5.6 pode ser visto a sua resposta em frequência. Amplitude (db) Fase (graus) (a) Filtro ser Frequência (Hz) (b) Frequência (Hz) Figura 5.6 Diagramas de Bode do Filtro de Acoplamento do Conversor Série: (a) Resposta em amplitude; (b) Resposta de fase. 92 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

113 Capítulo 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico Trata-se de um filtro RLC passa-baixo constituído por duas bobines de núcleo de ar, cada uma com uma corrente nominal de 15 A, ligadas em paralelo de forma a apresentar uma indutância de,6 mh (L cs ). É também constituído por 4 condensadores ligados em paralelo, perfazendo uma capacidade total de 8,8 μf (C cs ), e por 3 resistências em série, com uma resistência total de 15 Ω (R cs ). Também na Figura 5.2 pode ser vista a configuração do Filtro de Acoplamento do Conversor Paralelo. Trata-se de um filtro passa baixo RLC em T, e os seus parâmetros apresentam os valores L cp1 =,6 mh, C cp = 2,2 μf, R cp = 4,7 Ω e L cp2 =,3 mh. Cada um dos valores de indutância resulta da associação em paralelo de duas bobines de núcleo de ar e com corrente nominal de 3 A para o conjunto. Na Figura 5.7 pode ser vista a resposta em frequência do Filtro de Acoplamento do Conversor Paralelo. Amplitude (db) Frequência (Hz) (a) (b) Fase (graus) Frequência (Hz) Figura 5.7 Diagramas de Bode do Filtro de Acoplamento do Conversor Paralelo: (a) Resposta em amplitude; (b) Resposta de fase Transformadores Na Figura 5.8 podem ser vistos os dois transformadores presentes na implementação do Condicionador Activo do Tipo Série, conforme apresentado na Figura 5.2. Ambos os transformadores apresentam as mesmas características, tendo uma potência nominal de 5 kva, uma reactância de dispersão de 5%, e uma relação de transformação de 2:1. Os dois transformadores utilizados apresentam funções distintas na implementação. O primeiro faz a ligação do sistema implementado com a rede, garantindo isola- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 93

114 Capítulo 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico mento eléctrico entre os dois. O segundo faz a ligação entre o Conversor Paralelo e o sistema. Este transformador apresenta uma elevada importância para o desempenho do sistema, uma vez que a sua presença faz com que o Conversor Paralelo não necessite de uma tensão de elo CC muito elevada (sempre muito superior a 162 V * ) de forma a conseguir injectar corrente no sistema eléctrico. Com a redução do valor da tensão no elo CC, o Conversor Série ganha em índice de modulação, uma vez que quanto menor for a tensão no elo CC, mais fácil se torna sintetizar tensões de pequena amplitude. Desta forma o Conversor Série consegue seguir melhor a tensão de referência, e assim compensar melhor os distúrbios presentes na tensão do sistema eléctrico, nomeadamente distorção harmónica, cuja tensão de compensação apresenta tipicamente uma amplitude muito reduzida. Assim melhora-se a forma de onda da tensão compensada, não comprometendo a tarefa de regulação do elo CC pelo Conversor Paralelo (ou de compensação de harmónicos de corrente quando operando como UPQC). Transformador de Ligação à rede eléctrica Transformador Conv. Paralelo Figura 5.8 Transformadores utilizados na implementação Sistema de Controlo O Sistema de Controlo é responsável pela medição das correntes e tensões do sistema eléctrico, e pelo cálculo das correntes e tensões de referência para que a tensão fornecida à carga seja compensada, mantendo-se ainda o elo CC regulado. É também responsável pelo comando dos Conversores de Potência para que estes sintetizem as correntes e tensões calculadas. Neste item são mostrados os seus constituintes. * Sem transformador e para injectar corrente no sistema eléctrico, o Conversor Paralelo necessita de sintetizar uma tensão com amplitude superior a162 V, que corresponde ao valor de pico da tensão num sistema monofásico de 115 V. Para tal, o valor de tensão no elo CC deve ser muito superior a 162 V. 94 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

115 Capítulo 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico Medição das Grandezas do Sistema As medições dos valores instantâneos das correntes e tensões presentes no sistema implementado foram feitas recorrendo a sensores de efeito Hall. Estes sensores apresentam a sua saída em corrente, estando por isso bastante imunizados ao ruído electromagnético que possa ser gerado pelos conversores de potência. Para a medição dos valores instantâneos de corrente foi utilizado o sensor de efeito de Hall LA 55-P, fabricado pela LEM. Este sensor permite efectuar a medição de correntes até 5 A (RMS), o que se adequa à realidade do sistema implementado onde circularão correntes até 3 A (RMS). São sensores de elevada precisão, sendo o seu erro em final de escala de ±,9%, possuindo ainda uma elevada linearidade. A sua saída é em corrente, com uma razão de conversão de 1:1. Para poder ser medida por um ADC, uma resistência R M deve ser dimensionada para que se obtenha a tensão desejada no terminal M do sensor. A resistência de medição R M resulta do quociente entre a tensão máxima desejada no terminal M e a corrente nominal do enrolamento secundário. Estes sensores foram utilizados para medir as correntes na fonte, na carga e as produzidas pelo Conversor Paralelo. Na Figura 5.9 pode ser visto o sensor utilizado e o esquema de ligação do sensor. Figura 5.9 Sensor de Corrente LA 55-P e respectivo esquema de ligação. Para medições de tensão foi utilizado o sensor de tensão LV 2-P, também da LEM. O princípio de funcionamento do sensor consiste na passagem pelo primário do sensor de uma corrente proporcional à tensão, de até 1 ma. Esta corrente atravessa uma resistência (R 1 ) que é dimensionada pelo utilizador para que a corrente no primário não ultrapasse a nominal. O cálculo da resistência de medição R M é feita de forma equivalente à do sensor de corrente, tendo em consideração que a razão de conversão é de 25:1. Estes sensores foram utilizados para medir as tensões na fonte, na carga e no elo CC do Condicionador Activo do Tipo Série. Na Figura 5.1 pode ser visto o sensor de tensão LV 2-P e o respectivo esquema de ligação. Na Figura 5.11 pode ser visto Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 95

116 Capítulo 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico o PCB (Printed Circuit Board) utilizado para as medições de tensão, desenvolvido no âmbito do projecto SINUS. Figura 5.1 Sensor de Corrente LV 2-P e respectivo esquema de ligação. Não Utilizado Tensão elo CC Tensão Tensão Fonte Carga Figura 5.11 PCB de aquisição de medições de tensão Circuito de Condicionamento de Sinal O Circuito de Condicionamento de sinal recebe os valores instantâneos de corrente e tensão medidos pelos sensores, e torna esses sinais compatíveis com o ADC do DSP/microcontrolador. Na Figura 5.12 pode ser visto o PCB do Circuito de Condicionamento de Sinal. Figura 5.12 PCB do Circuito de Condicionamento de Sinal Os sinais alternados medidos são amplificados e condicionados para que possam ser lidos pelo ADC, que apenas lida com sinais com valores compreendidos entre V e 3 V. Os sinais medidos pelos sensores chegam a este PCB através de cabos blindados, assim protegendo os sinais de interferências. Da mesma forma, do Circuito de Condi- 96 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

117 Capítulo 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico cionamento de Sinal saem os sinais condicionados para o ADC do DSP/microcontrolador por cabos blindados. Para estes últimos, o cabo blindado é uma opção essencial, uma vez que, sendo os sinais em tensão, são mais vulneráveis à interferência electromagnética DSP/microcontrolador Como já foi abordado no item 3.5 do Capítulo 3, o DSP/microcontrolador utilizado na implementação do Sistema de Controlo do Condicionador Activo do Tipo Série foi o TMS32F2812 da Texas Instruments, operando a uma frequência de clock de 135 MHz. Dois módulos do DSP/microcontrolador escolhido foram cruciais para a implementação do Sistema de Controlo: o módulo de ADC de 12 bits (para a aquisição dos sinais condicionados de corrente e tensão) e dois event managers (para comando dos IGBTs). Os event managers (EV-A e EV-B) foram utilizados para a implementação do PWM sinusoidal. Cada um permite o controlo de até 6 semicondutores comutados, em virtude de possuírem 3 registos de comparação. Sendo o Condicionador Activo monofásico e o PWM sinusoidal unipolar, foram utilizados apenas dois registos de comparação de cada event manager. O EV-A foi usado para o controlo do Conversor Série, usando os registos de comparação CMPR1 e CMPR2. O EV-B foi utilizado para o controlo do Conversor Paralelo usando os registos CMPR4 e CMPR5. Para a implementação do PWM no DSP/microcontrolador foi criada uma portadora triangular interna (recorrendo a temporizadores), com uma frequência de 8 khz. Num dos registos de comparação é colocado o valor instantâneo da tensão a sintetizar (v pwm ), e no outro o seu valor invertido. Estes valores são comparados com a portadora triangular, de acordo com o processo já descrito no item 3.6 do Capítulo 3, libertando assim os pulsos de comando para os IGBTs, através dos pinos PWMx dos portos GPIOA e GPIOB. Para o cálculo dos valores instantâneos a comparar com a portadora triangular é necessário proceder à aquisição dos sinais medidos. Isto é feito pelo ADC de elevada resolução (12 bits). Foram utilizados 6 canais de ADC, recolhendo valores instantâneos com uma taxa de amostragem de 32 ks/s. Para a realização desta implementação foi utilizado o kit ezdsp2812 fabricado pela Spectrum Digital, com base no DSP TMS32F2812. Este kit permite a programação do DSP/microprocessador e a depuração do programa no DSP. A ligação com o PC é feita pela porta paralela. A este kit foi acoplada um PCB que permite acesso simplificado aos periféricos do DSP (nomeadamente aos canais de ADC, facilitando a ligação Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 97

118 Capítulo 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico dos cabos blindados com os sinais condicionados) e ao portos GPIOA e GPIOB. Este PCB de expansão, desenvolvido no Laboratório de Potência do Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do Minho, disponibiliza também um DAC de quatro saídas, que permite a monitorização de variáveis internas do DSP durante a execução do programa. Na Figura 5.13 pode ser visto o kit DSP com o PCB de Expansão. Saídas DAC GPIOA & GPIOB Entradas ADC Figura 5.13 Kit ezdsp2812 com PCB de expansão. A programação dos algoritmos foi feita utilizando o software Code Composer da Texas Instruments. Trata-se de um software a instalar no PC para desenvolvimento de programas no DSP. Este programa permite a escrita de programas em C, a sua compilação e o comando do DSP, seja para executar o programa, seja para fazer a depuração do mesmo Circuitos de Comando Os Circuitos de Comando têm como função a adaptação dos sinais de PWM para o disparo dos IGBTs dos níveis de tensão do DSP ( a 3 V) para os níveis dos circuitos de drive dos IGBTs ( a 15V). Estes circuitos têm também a função de gerir os erros que ocorram nos módulos dos IGBTs (sobrecorrentes, curto-circuitos), forçando a paragem das comutações e activando sinais de erro. Existe um PCB com o Circuito de Comando para cada um dos Conversores do Condicionador Activo do Tipo Série, tendo ambos sido adaptados de outras aplicações. O PCB com o Circuito de Comando para o Conversor Paralelo foi desenvolvido no Laboratório de Electrónica de Potência da Universidade do Minho para um Filtro Activo Paralelo Trifásico, sendo nesta implementação usada apenas a parte de comando para dois braços de IGBT. O PCB para o Conversor Série foi desenvolvido inicialmente para o comando de Filtros Activos Paralelos Monofásicos, tendo sido feita uma alteração para garantir que os dois IGBTs superiores de cada braço do Conversor Série se encon- 98 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

119 Capítulo 5 Implementação do Condicionador Activo do Tipo Série Monofásico tram fechados antes do início das comutações, garantindo assim um caminho para a corrente que alimenta a carga. Estes PCBs podem ser vistos na Figura Ambos os Circuitos de Comando têm comandos de reset, para activação das placas depois da ocorrência de erros (ou quando são inicializadas), e comandos de enable para as comutações. Estes comandos, inicialmente manuais, foram automatizados com a introdução do Sistema de Supervisão e Protecção, que é apresentado no capítulo seguinte. Circuito de Comando do Conversor Série Circuito de Comando do Conversor Paralelo Figura 5.14 PCBs dos Circuitos de Comando Conclusão Neste capítulo foi feita a descrição da implementação do Condicionador Activo do Tipo Série. Os constituintes do protótipo laboratorial foram apresentados e descritos quanto à sua constituição, funcionamento e sua importância no funcionamento do Condicionador Activo. Neste capítulo fica evidenciada a multidisciplinaridade do trabalho desenvolvido, que obriga à aplicação de conhecimentos de Programação de Microcontroladores, Instrumentação e Medição, Electrónica e, fundamentalmente, de Electrónica de Potência. No capítulo seguinte, o sexto, são apresentados os passos de desenvolvimento de um sistema de supervisão e protecção para o Condicionador Activo do Tipo Série. Devido à sua autonomia em relação ao desenvolvimento do Condicionador Activo do Tipo Série, todos os passos realizados até à implementação são descritos. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 99

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121 CAPÍTULO 6 Sistema de Supervisão e Protecção 6.1. Introdução A opção por uma topologia de Condicionador Activo do Tipo Série sem transformador no conversor de potência conectado em série com a rede apresenta vantagens a nível funcional e a nível de eficiência. Por outro lado, a colocação do Conversor de Potência Série no sistema eléctrico não é feita sem riscos para o equipamento, em virtude da falta de isolamento eléctrico que, na topologia com transformador, está assegurado. Também o próprio sistema eléctrico fica sujeito a possíveis erros de comutação nos IGBT s constituintes do conversor de potência que resultem em curto-circuitos. Assim, para garantir que a colocação do equipamento em série com linha é feita sem riscos, e para que seja assegurada protecção ao sistema eléctrico e ao Condicionador Activo do Tipo Série contra a ocorrência de curto-circuitos e sobrecargas, foi desenvolvido um sistema de Supervisão e Protecção para o Condicionador Activo do Tipo Série. O Sistema de Supervisão e Protecção do Condicionador Activo do Tipo Série é um sistema controlado digitalmente por um microcontrolador, que garante a ligação do Condicionador Activo do Tipo Série em segurança, e uma vez feita esta operação, monitoriza a corrente que flui pela linha, procedendo à remoção rápida do equipamento do sistema eléctrico quando a corrente ultrapassar os valores estipulados como seguros. Neste capítulo é feita a discrição do Sistema de Supervisão e Protecção, apresentados resultados de simulação, descrita a sua implementação e, finalmente, são apresentados resultados experimentais Descrição de Funcionamento O Sistema de Supervisão e Protecção do Condicionador Activo do Tipo Série pode ser descrito como sendo um autómato que desempenha tarefas de supervisão e de protecção. É constituído por um Sistema de Controlo e Comando, por contactores e por uma ponte de tirístores em anti-paralelo. O Sistema de Controlo e Comando é responsável por coordenar a execução dos procedimentos de conexão ao sistema eléctrico do Condicionador Activo do Tipo Série, e da sua entrada em operação. É também responsável pela monitorização da corrente que flui para o sistema eléctrico protegido pelo Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 11

122 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção Condicionador Activo do Tipo Série (i s ), actuando quando esta corrente ultrapassa os valores tidos como normais para o funcionamento, protegendo o equipamento e a carga de correntes de curto-circuito ou sobrecargas. Essa protecção é feita através de comando de contactores, da ponte de tirístores, e pela comunicação com o sistema de controlo do Condicionador Activo do Tipo Série. A Figura 6.1 é elucidativa quanto à integração do Sistema de Supervisão e Protecção do Condicionador Activo do Tipo Série. i S S CS S bypass g th S CS Sistema de Supervisão e Protecção i L v S v L Rede Eléctrica Conversor Série Conversor Paralelo S PC S CP Carga i S S CS S PC S CP g th Controlo do Sistema de Supervisão e Protecção S bypass v inv V cc i fr modo e comut abre igbt p En s En p Cm s Cm s 1s s 2s s 3s s 4s Sistema de Controlo s 1p s 2p s 3p s 4p Condicionador Activo do Tipo Série v S v L v inv V cc i fr i S i L Figura 6.1 Sistema de Supervisão e Protecção integrado com o Condicionador Activo do Tipo Série Supervisão A tarefa de supervisão desempenhada pelo Sistema de Supervisão e Protecção do Condicionador Activo do Tipo Série resume-se à conexão e à remoção do Condicionador Activo do Tipo Série no sistema eléctrico em condições de segurança, assim como a definição do modo de operação do Condicionador Activo, que pode ser como Condicionador Série ou como UPQC. O procedimento de conexão do Condicionador Activo do Tipo Série inicia-se com a pré-carga dos condensadores do elo CC, fechando o contactor de pré-carga (S PC ). Encontrando-se o elo CC pré-carregado, S PC é aberto e é fechado o contactor do Conversor Paralelo (S CP ), ficando este conectado ao sistema eléctrico. Então é feita a activa- 12 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

123 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção ção dos circuitos de comando de ambos os conversores pelos sinais de enable p En (para o circuito de comando do Conversor Paralelo) e s En (para o circuito de comando do Conversor Série). O sinal p Cm habilita o circuito de comando a fazer a comutação dos IGBT s do Conversor Paralelo. Se o modo de funcionamento seleccionado for como Condicionador Série, o Conversor Paralelo inicia a sua tarefa de regulação do elo CC. Caso seja como UPQC, é iniciada a compensação dinâmica de harmónicos de corrente e correcção de factor de potência. A informação sobre o modo de funcionamento é transmitida ao sistema de controlo do Condicionador Activo pelo sinal modo. Uma vez feita esta inicialização, o Conversor Série encontra-se preparado para entrar em funcionamento. Este é conectado ao sistema eléctrico através do fecho dos contactores do Conversor Série (S CS ) e da abertura do contactor de bypass (S bypass ), estando o anti-paralelo de tirístores a conduzir, através da activação do sinal que, ligado ao circuito de drive, faz o comando dos tirístores em anti-paralelo (g th ), de forma a evitar que a carga fique exposta a qualquer transitório na tensão ou na corrente fornecida relacionado com as mudanças de estado nos contactores. Feita esta transição, a corrente para a carga flui através dos IGBT s superiores de ambos os braços do Conversor Série que se encontram fechados. É então activado o sinal s Cm que habilita o circuito de comando do Conversor Série a enviar os pulsos de comando para os IGBT s, de forma a que se faça a compensação da tensão da carga (v L ). O processo de remoção do Condicionador Série é o exacto inverso do procedimento de conexão Protecção Para proteger os componentes de Electrónica de Potência do Conversor Série, cuja corrente nominal é de 11 A para o IGBT e de 8 A para o seu díodo reverso, o Sistema de Supervisão e Protecção desenvolvido deve ser rápido na remoção do Condicionador Activo do sistema eléctrico. A possibilidade de utilização de disjuntores para assegurar a protecção deste sistema eléctrico foi descartada porque estes tem um tempo de resposta variável, em função da corrente que os atravessa. De acordo com o estudo feito em [43], relativo aos tempos de resposta de disjuntores domésticos, esse tempo varia desde os 1933 ms até tempos inferiores a um ciclo de rede. Esta aleatoriedade nos tempos de resposta faz com que o disjuntor não garanta a protecção necessária aos semicondutores de potência presentes no Condicionador Activo. Assim, foi desenvolvido um sistema de controlo que garante a protecção do Condicionador Série num tempo máximo de 1 ms (meio ciclo da rede) e do restante sistema eléctrico em 2 ms (um ciclo de rede), no máximo. Para Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 13

124 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção tal, quando o Conversor Série é ligado ao sistema eléctrico, é iniciada a monitorização da corrente que flui pelo Conversor Série. Sabendo-se à partida a corrente que é passível de ser consumida pela carga e pelo Condicionador Activo para compensar a tensão na carga, foram estipulados dois níveis de corrente no Sistema de Controlo. O primeiro nível é o nível nominal, que corresponde a valores de correntes aceitáveis. O segundo nível é o nível de rejeição, sendo os valores de corrente presentes neste nível valores de sobrecargas e de curto-circuito. O Sistema de Supervisão e Protecção procede à remoção do equipamento e da carga do sistema eléctrico, pela activação dos tirístores em anti-parelo (através do sinal de comando do anti-paralelo de tirístores, g th ), e forçando a abertura dos IGBT s do Conversor Série, pela activação do sinal abre IGBT. Este processo será alvo de melhor explicação no item 6.3, onde são apresentadas simulações computacionais. Ao algoritmo de protecção junta-se também a resposta do sistema a sinais de erro vindos dos circuitos de drive dos IGBTs. Estes sinais, que são detectados pelos Circuitos de Comando do Condicionador Activo, são enviados para o Sistema de Protecção e Supervisão, que activa o procedimento de remoção do Condicionador Activo, sem afectar a alimentação à carga, que passa a estar alimentada directamente pela tensão do sistema eléctrico sem compensação Simulações Computacionais As simulações computacionais da actuação do Sistema de Supervisão e Protecção foram realizadas com o software PSCAD, à semelhança das simulações realizadas para o Condicionador Activo do Tipo Série. Na Figura 6.2 está representado o modelo de simulação implementado para o circuito de potência do Sistema de Supervisão e Protecção do Condicionador Activo do Tipo Série, composto pelo contactor de bypass (na figura representado como sendo BRK) pelos contactores de conexão do Conversor Série (BRK1) e pelos tirístores em anti-paralelo. Esta última é controlada pelo pulso de gate, gate1. As correntes que atravessam cada um dos tirístores são representadas por i t1 e i t2, e a que circula pelo contactor de bypass é i brk. A corrente que atravessa o Conversor Série encontra-se representada na Figura 6.2 por i fs, e a corrente que flui pelo sistema é a corrente i sys. Esta é a corrente que será monitorizada pelo sistema de comando do Sistema de Supervisão e Protecção. Na Figura 6.3 pode ser visto o ponto em que será aplicado o curto-circuito (identificado como curto), à entrada da carga. Como se pode ver, não se trata de um curto-circuito franco, existindo uma resistência de,5 Ω. As ocorrências de 14 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

125 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção curto-circuitos são as situações mais críticas para o Condicionador Activo do Tipo Série, sendo essa a situação simulada. BRK Ibrk Vbrk T It1 gate1 gate1 T It2 Isys BRK1 Ifs BRK1 FS_S FS_1 FS_2 FS_L Figura 6.2 Modelo de simulação do circuito de potência do Sistema de Protecção e Supervisão. D D il.3 [H] 47 [uf] 25 [ohm] BRK_L2 D D 5 [ohm].65e-3 [H] Curto.5 [ohm] Figura 6.3 Carga do sistema eléctrico e identificação do ponto de curto-circuito. Na Figura 6.4 pode ser visto o modelo para o sistema de controlo para a conexão e remoção do Conversor Série do sistema eléctrico, segundo as directivas expostas no item Na Figura 6.5 pode ser observado o modelo de simulação do algoritmo de protecção contra sobrecargas e curto-circuitos. Esta implementação segue as premissas expressas no item Na malha inferior encontra-se o circuito de detecção de curtocircuito e sobrecarga. Sendo a corrente superior a 1 A é activado o sinal errocc, que indica uma ocorrência. Na malha superior é gerado o sinal de comando da ponte de tirístores em anti-paralelo. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 15

126 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção S Start Sequence S Close Breaker BRK S Wait For Liga to Cross.5 from -ve to +ve S Wait For.2 S Start Sequence S Wait For Liga to Cross.5 in any direction S Wait For vs_a to Cross. in any direction S Wait For S Liga to Cross.5 from +ve to -ve Open Breaker BRK S Set S Trigger =. Wait For.1 S Trigger = 1. Set S Start Sequence S Open Breaker BRK1 S Wait For Liga to Cross.5 from -ve to +ve S Close Breaker BRK1 1. Fire Delay gate1 Open Breaker BRK1 S Wait For.2 S Wait For S Liga to Cross.5 from +ve to -ve. 1. A Ctrl = B Ctrl Trigger Figura 6.4 Modelo de simulação para o controlo da conexão e remoção do Condicionador Activo do Tipo Série. Errocc Isys Zero Detector A ent Delay B Ctrl Isys Ctrl = X X T Imod 1. A Monostable Monostable Monostable ent T gate1 B Comparator Figura 6.5 Modelo de simulação do algoritmo de protecção contra sobrecargas e curto-circuitos. T Errocc Errocc Resultados de Simulação Neste item são apenas mostrados os resultados de simulação para a situação mais crítica a que o Sistema de Supervisão e Protecção estará sujeito. Esta situação é a ocorrência de um curto-circuito. Na Figura 6.6 pode ver-se o desempenho do Sistema de Protecção face a essa ocorrência. Esta figura é bastante elucidativa do modo de funcionamento do Sistema de Protecção e Supervisão na sua tarefa de proteger o Conversor Série. O tracejado indica o início do curto-circuito, sendo visível que daí para a frente a corrente a atravessar o Conversor Série aumenta significativamente. No momento em que esta atravessa o limiar dos 1 A, é aplicado um pulso à gate de ambos os tirístores. O pulso aplicado no anti-paralelo de tirístores tem a largura de 1 ms, garantindo desta forma que só apanhe uma passagem por zero da corrente, momento em que o tirístor que se encontra directamente polarizado entra em condução. Desta forma, o Conversor Série só fica sujeito à corrente de curto-circuito durante 1 ms (no máximo), isto é, meio ciclo da rede, já que no instante em que a ponte de tirístores entra em condução a corrente flui por esta, em virtude de apresentar menor impedância que o Conversor 16 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

127 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção Série. Os IGBTs do Condicionador Activo são forçados a abrir após a entrada em condução do anti-paralelo de tirístores, desta forma eliminando todos os caminhos para a circulação de corrente quando o tirístor em condução deixa de estar directamente polarizado, isto é, quando a corrente que flui por este passa por zero. Assim sendo, a carga fica a suportar a corrente de curto-circuito, no máximo, durante 2 ms, o que corresponde a um ciclo completo da rede. (A) (A) (A) (a) (b) (c) Correntes no Sistema de Protecção 3 It1 It2 gate1 25 Ocorrência de 2 Curto-Circuito Ifs IL Figura 6.6 Correntes no Sistema de Protecção: (a) Corrente nos tirístores (i t1 e i t2 ) e pulso na gate destes (gate1); (b) Corrente no Conversor Série (i fs ); (c) Corrente na Carga (i L ) Implementação Neste item é descrita a implementação do Sistema de Supervisão e Protecção do Condicionador Activo Série. Está dividido em dois subitens, um que aborda circuito de potência e outro que aborda o sistema de controlo e comando. Na Figura 6.7 pode ser visto o aspecto final do protótipo desenvolvido, integrado no Condicionador Activo do Tipo Série. Nas caixas metálicas estão contidos o circuito de potência e o Sistema de Controlo e Comando do Sistema de Supervisão e Protecção desenvolvido. Nos itens seguintes é descrita a implementação destes. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 17

128 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção Circuito de Potência Sistema de Controlo Figura 6.7 Aspecto final do protótipo do Sistema de Supervisão e Protecção Circuito de Potência O circuito de potência do Sistema de Supervisão e Protecção é constituído essencialmente por dois tirístores ligados em anti-paralelo, e pelo seu circuito de drive. Na Figura 6.8 (a) e (b) pode ser visto o circuito de potência. Do lado esquerdo em ambas as figuras encontra-se o circuito de drive, e do lado direito a ponte de tirístores, com o respectivo dissipador e placa de ligação ao driver. (a) (b) Figura 6.8 Circuito de Potencia do Sistema de Supervisão e Protecção: (a) vista de frente; (b) vista cima. O circuito de drive para a ponte de tirístores é o MOC363, fabricado pela Fairchil Semiconductor. Trata-se de um circuito integrado que, sendo um optoacoplador, garante isolamento eléctrico entre o Circuito de Potência e o Sistema de Controlo e Comando, sendo capaz de ser integrado em sistemas eléctricos com tensões até 6 V. Na Figura 6.9 pode ser visto o circuito de drive implementado para o comando da ponte de tirístores em anti-paralelo [46]. 18 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

129 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção Figura 6.9 Circuito de drive para uma ponte de tirístores em anti-paralelo [46]. Na ponte de tirístores são utilizados dois módulos individuais de tirístores do tipo MCO-1-16IO1, produzidos pela IXYS. Os seus valores máximos de corrente e de tensão são de 156 A (RMS) e 16 V, embora permitam um valor de corrente de pico, não repetitiva, até 14 A durante meio ciclo de rede (1 ms), que corresponde ao tempo de actuação da ponte em anti-paralelo quando a protecção contra curto-circuitos é activada. Assim sendo, a robustez dos tirístores garante a fiabilidade necessária a um equipamento que pretende suprimir correntes de curto-circuito e de sobrecarga Sistema de Controlo e Comando Na Figura 6.1 podemos ver a placa de circuito impresso desenvolvida para o Sistema de Controlo e Comando utilizado na supervisão e protecção do Condicionador Activo. (a) (b) Figura 6.1 PCB do Sistema de Controlo e Comando do Sistema de Supervisão e Protecção: (a) PCB implementado; (b) Projecto do PCB. Este sistema trata do controlo dos procedimentos de ligação e remoção do Condicionador Activo do Tipo Série, assim como da monitorização da corrente que flui pelo sistema eléctrico, de forma a poder activar o procedimento de protecção quando uma Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 19

130 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção sobrecarga ou curto-circuito é detectado. Faz o comando de todos os contactores do Condicionador Activo, assim como do anti-paralelo de tirístores. Assegura também a interface com o Sistema de Controlo do Condicionador Activo, bem como a interface com o utilizador. A implementação do sistema de controlo é assegurado por um microcontrolador PIC18F4431 da Microchip Technologies Inc., de 16 bits em arquitectura Harvard. A selecção deste PIC prendeu-se não só com a sua disponibilidade no Laboratório de Electrónica de Potência da Universidade do Minho, mas também à sua elevada velocidade de conversão e resolução de 1 bits do seu módulo de ADC, que para uma aplicação desta natureza são características importantes. Também importante é a robustez deste micro-controlador, uma vez que a sua aplicação no Sistema de Supervisão e Protecção implica que esteja sujeito a um ambiente electromagnético muito ruidoso, em virtude da vasta utilização de contactores comandados pelo PIC e pela comutação de IGBT s no Condicionador Activo do Tipo Série. Para além destas características decisivas para a sua escolha, apresenta também 1 timer de 8 bits e 3 timers de 16 bits, 36 portos I/O, memória de programa flash de bytes, SRAM de 768 bytes e EEPROM de 256 bytes, e velocidade de clock até 4 MHz [47]. A programação dos algoritmos foi realizada recorrendo ao MPLAB IDE v.8.1, da Microchip, sendo a linguagem de programação utilizada o C, utilizando o compilador MPLAB C18. Para fazer a programação e o debug da aplicação foi utilizado depurador/programador MPLAB ICD2, também da Microchip. Na Figura 6.11 exibe-se o ambiente gráfico do MPLAB IDE, assim como o depurador/programador MPLAB ICD2. Figura 6.11 Ambiente gráfico do software MPLAB e o depurador/programador MPLAB ICD2 Para a aplicação pretendida foi utilizado o oscilador interno do PIC18F4431, sendo a frequência de clock seleccionada de 8 MHz. Foram utilizadas as interrupções externas INT e INT1 para a activação dos procedimentos de ligação e remoção, respectivamente, do Conversor Série. A interrupção externa INT2 foi utilizada para a activa- 11 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

131 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção ção do procedimento de remoção após ocorrência de erro comunicado pelos Circuitos de Comando do Sistema de Controlo do Condicionador Activo do Tipo Série. O ADC de 1 bits do PIC foi configurado para realizar uma conversão a cada 44 μs, que corresponde a 455 amostras por ciclo da rede eléctrica. A monitorização da corrente que flui pelo sistema é feita recorrendo a um sensor de efeito Hall. Uma vez que se esperam correntes elevadas na ocorrência de uma sobrecarga ou curto-circuito, o sensor a utilizar deve permitir uma amplitude maior de correntes do que os utilizados na implementação do Condicionador Activo. O sensor escolhido para o Sistema de Supervisão e Protecção foi o LA 2-P fabricado pela LEM, que permite medições de até 2 A (RMS). A sua montagem é feita conforme foi visto no item 5.3.1, tendo em consideração que este sensor dispõe de uma razão de conversão de 1:2, sendo a corrente nominal no seu secundário de 1 ma. O sinal na saída do sensor é de seguida submetido a um rectificador de onda completa de precisão. O esquemático do rectificador encontra-se representado na Figura A opção pelo rectificador de onda completa de precisão resulta numa duplicação da resolução do sinal à entrada do ADC. Uma vez que o ADC está apto a fazer a amostragem de sinais de a 5 V, existiam duas opções. Uma seria fazer ajuste de offset para que o valor médio do sinal medido passasse de V para 2,5 V, ficando assim cada semi-ciclo com uma resolução máxima de 2,5 V. A outra opção, a que foi seguida, seria implementação do rectificador de precisão. Desta forma, a resolução por cada semiciclo aumenta para 5 V sem comprometer o desempenho do Sistema de Protecção e Supervisão, uma vez que este actua em função do valor de pico registado na corrente do sistema. Na Figura 6.13 podem ser vistas a tensão de entrada v i (t), e a de saída v o (t). Estas formas de onda são para o fim de escala do ADC (5 V), que ocorrem quando se tem uma corrente de 1 A fluindo para o Condicionador Activo do Tipo Série, e atravessando os IGBTs do Conversor Série. Figura 6.12 Rectificador de onda completa de precisão. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 111

132 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção 5 Tensão de Entrada (Volt) Tempo (segundos) 5 Tensão Saída (Volt) Tempo (segundos) Figura 6.13 Tensão de entrada e de saída do rectificador de precisão para o fim de escala do ADC. Para o comando dos contactores do Condicionador Activo do Tipo Série, foi utilizada um circuito simples com um transístor a funcionar como interruptor digital. Esse circuito, quando activado por um pino dos portos I/O (Input / Output) do PIC18F4431 excita a bobine de um relé normalmente aberto. O contacto do relé, quando fecha, alimenta a bobine de excitação dos contactores colocados no sistema implementado, fazendo com que estes fechem. Na Figura 6.14 pode-se ver um esquemático do circuito implementado para esse efeito, assim como o relé utilizado para a activação dos contactores. Figura 6.14 Circuito para controlo dos contactores e respectivo relé. Os comandos de reset e de enable para os Circuitos de Comando, mostrados no item 5.3.4, são também activados pelo Sistema de Supervisão e Protecção com um circuito com transístor e relé semelhante ao mostrado na Figura A escolha de relés 112 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

133 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção para a activação dos Circuitos de Comando garante isolamento magnético entre estes circuitos e o Circuito de Controlo e Comando do Sistema de Supervisão e Protecção. Por fim, o Sistema de Supervisão e Protecção apresenta uma interface gráfica com o utilizador, sendo essa interface garantida por um display LCD. Informa o utilizador do estado de funcionamento, isto é, o modo de funcionamento do equipamento (se como Condicionador Activo do Tipo Série,ou como UPQC), e se o Condicionador Activo está ocioso ou a compensar a tensão na carga. Quando compensando indica também o valor de pico da corrente que flui pelo sistema, dando a oportunidade ao utilizador de verificar se o Condicionador Activo está a operar com correntes ditas nominais Resultados Experimentais Neste item são exibidos os resultados experimentais do Sistema de Supervisão e Protecção. Optou-se por não realizar ensaios com o Sistema já integrado com o Condicionador Activo do Tipo Série, desta forma evitando-se a ocorrência de algum dano acidental ao Circuito de Potência do Condicionador Activo. Assim, para emular o Condicionador Activo do Tipo Série desenvolvido, foram usadas 3 indutâncias de 5 mh em paralelo entre si, ligadas em série com dois tirístores em anti-paralelo que estarão em condução, sendo desabilitada na actuação da protecção contra curto-circuitos. Este antiparalelo de tirístores é comandado pelo sinal g th2, através de um circuito de drive. Assim é simulado o comportamento do Conversor Série do Condicionador Activo quando, na ocorrência de curto-circuito e com a actuação do Sistema de Protecção e Supervisão, os IGBTs abrem para cortar o fluxo de corrente pelo Conversor Série. A jusante do circuito de emulação do Conversor Série foram colocadas três cargas resistivas ligadas em paralelo, cada uma com uma resistência de 26,5Ω. Estas são ligadas ao sistema eléctrico por intermédio de contactores, sendo a corrente consumida pelas três resistências quando estas são conectadas interpretada como estando fora dos níveis nominais pelo Sistema de Protecção e Supervisão, despoletando assim os procedimentos de protecção. Na Figura 6.15 encontra-se representado o esquema multifilar do circuito utilizado para o teste do Sistema de Protecção e Supervisão. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 113

134 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção S bypass g th Cargas Sistema Eléctrico S CS 5mH 26.5Ω g th2 S CS 5mH 5mH Emulação do Conversor Série 26.5Ω 26.5Ω Figura 6.15 Circuito implementado para o teste do Sistema de Supervisão e Protecção. Na Figura 6.16 é exibido o procedimento de ligação do Conversor Série do Condicionador Activo do Tipo Série ao sistema eléctrico. Pode observar-se que no início do procedimento, o sinal g th é habilitado, fazendo com que os tirístores em anti-paralelo do Sistema de Supervisão e Protecção, por forma a proporcionar um caminho alternativo à passagem da corrente enquanto se faz a conexão do Conversor Série. Observando-se na figura a corrente fornecida à carga, i L, esta não sofre qualquer interrupção ou distúrbio causada pela abertura do contactor S bypass e pelo fecho dos contactores S CS, uma vez que a corrente flui pelos tirístores em anti-paralelo do Sistema de Supervisão e Protecção durante a conexão do Conversor Série. Uma vez desabilitado o sinal g th a corrente passa a fluir pelo circuito emulador do Conversor Série (i fs ). Dessa forma verifica-se o objectivo de fazer a ligação do Conversor Série ao sistema eléctrico sem haver perturbação no fornecimento de energia à carga é conseguido. 2ms/div g th 1A/div i th 1A/div i fs 1A/div i L Figura 6.16 Procedimento de ligação do Conversor Série ao sistema eléctrico. 114 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

135 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção 2ms/div g th 1A/div i th 1A/div i fs 1A/div i L Figura 6.17 Procedimento de remoção do Conversor Série do sistema eléctrico. A Figura 6.17 representa as correntes relevantes no procedimento de remoção da linha do Conversor Série do Condicionador Activo do Tipo Série. Neste caso, como no anterior, a preocupação é que a corrente fornecida à carga não sofra qualquer perturbação durante esta operação. No início do procedimento, é activado o sinal g th 5 ms, que habilita a ponte de tirístores em anti-paralelo durante esse tempo, para garantir que os contactores C CS ficam abertos e que o C bypass fica fechado. Tal como visto no procedimento de ligação do Conversor Série, a presença deste caminho alternativo para a corrente garante que a corrente fornecida à carga (i L ) não sofra perturbações, como pode ser visto na Figura Na Figura 6.18 é mostrado o comportamento do Sistema de Protecção e Supervisão ao ocorrer uma sobrecarga. Este é o procedimento mais crítico a que este sistema deve responder, juntamente com a ocorrência de um curto-circuito. Para testar, foi fixado o limite de corrente em 29 A de valor de pico, respondendo o sistema quando esta barreira for ultrapassada. Nos instantes iniciais, apenas uma das cargas resistivas se encontrava ligada, fluindo a corrente pelo Circuito Emulador do Conversor Série, cujos tirístores se encontram em condução por estar activo o sinal g th2. De seguida foram ligadas as restantes duas, fazendo com que a corrente subisse para 31 A (pico), assim despoletando a protecção contra sobrecargas. Observe-se que na Figura 6.18, quando a corrente que flui pelo Circuito de emulação do Conversor Série ultrapassa o limite de 31 A (assinalado a tracejado), é disparado o pulso g th, que tem a duração de 1 ms. Na subsequente passagem da corrente por zero, o tirístor que estiver directamente polarizado oferece um caminho de baixa impedância, desta forma forçando a corrente a fluir por si e protegendo o Conversor Série. Enquanto a corrente flui pela ponte de tirístores em Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 115

136 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção anti-paralelo do Sistema de Supervisão e Protecção, os tirístores do Circuito Emulador do Conversor Série são abertos pela desactivação do sinal g th2, assim eliminando o caminho para o fluxo da corrente através do Circuito de Emulador do Conversor Série, da mesma forma que aconteceria com os IGBT s do Conversor Série. Quando o tirístor do Sistema de Protecção e Supervisão deixar de estar directamente polarizado, sobrecarga é extinta. Para garantir que tal fique assegurado, todos os contactores do Sistema de Protecção e Supervisão são abertos. Na Figura 6.18 é visível que o Conversor Série é protegido em meio ciclo da rede, e a carga num ciclo, oferecendo um desempenho melhor do que o de um disjuntor. Na Figura 6.19 é mostrado o mesmo procedimento, sendo que nesta situação o tirístor que protegeu o sistema eléctrico foi o outro tirístor, do anti-paralelo do Sistema de Protecção e Supervisão, que não entrou em condução na situação anterior. Estes resultados validam o funcionamento do Sistema de Supervisão e Protecção, em ambas as valências, a de Supervisão e a de Protecção. Aquando da inclusão do Sistema de Supervisão e Protecção no Condicionador Activo do Tipo Série, o limite da corrente admissível a fluir pelo sistema eléctrico foi subido para 5 A, valor assumido por ser atingido em condições normais de funcionamento, tendo em conta a carga utilizada no sistema implementado. 1ms/div g th 1A/div i th 1A/div i fs 1A/div i L Figura 6.18 Sobrecarga extinta pela actuação do Sistema de Protecção e Supervisão, com a actuação do tirístor inferior. 116 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

137 Capítulo 6 Sistema de Supervisão e Protecção 1ms/div g th 1A/div i th 1A/div i fs 1A/div i L Figura 6.19 Sobrecarga extinta pela actuação do Sistema de Protecção e Supervisão, com a actuação do tirístor superior Conclusão Neste capítulo foram abordados os passos dados no estudo e na implementação de um Sistema de Supervisão e Protecção que garantisse a entrada em operação do Condicionador Activo do Tipo Série em condições de segurança, garantindo protecção a este de forma a suprir a falta de isolamento eléctrico do circuito de potência do Conversor Série, que noutras topologias é garantido pela presença de um transformador de acoplamento. Verificou-se que quer o processo de supervisão, quer o de protecção garantem os objectivos pretendidos de manter o Condicionador Activo do Tipo Série a operar em condições de segurança, salvaguardando os seus componentes. A valência de protecção evidenciou um curto tempo de resposta à ocorrência de uma sobrecorrente, sendo capaz de cortar o fluxo de corrente pelo Condicionador Activo num tempo sempre inferior a 1 ms, e o fornecimento de corrente à carga em, no máximo, 2 ms. Estes resultados vieram em linha com as expectativas assumidas, e seguiram os resultados obtidos em simulações computacionais, também apresentadas neste capítulo. No capítulo seguinte são apresentados os resultados experimentais obtidos pela operação do Condicionador Activo do Tipo Série, quando compensando problemas de Qualidade de Energia Eléctrica relacionados com a tensão. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 117

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139 CAPÍTULO 7 Resultados Experimentais 7.1. Introdução Neste capítulo são apresentados os resultados experimentais obtidos com o Condicionador Activo do Tipo Série a compensar problemas de Qualidade de Energia Eléctrica. Para obtenção desses resultados foram realizados ensaios com o protótipo onde estão aplicados os Sistemas de Controlo escolhidos no Capítulo 3 para os Conversores Série e Paralelo. Estes ensaios realizados em bancada consistiram na perturbação da tensão a montante do Condicionador Activo do Tipo Série, sendo para tal criados alguns circuitos que perturbam a operação do sistema eléctrico. Os problemas de qualidade de energia assim provocados foram sag, swell, flicker e distorção harmónica de tensão. Num último ensaio, o controlo do Condicionador Activo do Tipo Série foi alterado de forma a que este operasse como um UPQC, assim compensando também distorção harmónica de corrente. Neste capítulo pretende-se demonstrar a capacidade do Condicionador Activo em compensar problemas de Qualidade de Energia presentes na tensão fornecida à carga, através da exibição de formas de onda e de valores obtidos com o osciloscópio YOKO- GAWA DL78E e com o analisador de qualidade de energia FLUKE 43B. Em última análise, o objectivo é mostrar que o protótipo laboratorial desenvolvido garante que a forma de onda da tensão obedece a regulamentações de Qualidade de Energia discutidos no Capítulo Resultados Experimentais Aqui são mostrados os resultados experimentais obtidos com o protótipo laboratorial. Os resultados foram obtidos com o condicionador Activo do Tipo Série Monofásico num sistema com uma tensão nominal de 115 V, utilizando os algoritmos de controlo apresentados nos itens e 3.3 do Capítulo 3. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 119

140 Capítulo 7 Resultados Experimentais Compensação de Distorção Harmónica de Tensão Na Figura 7.1 encontra-se representada a configuração do sistema eléctrico aquando da realização dos ensaios para a obtenção dos resultados experimentais para a compensação de harmónicos de tensão. A carga do sistema consiste num rectificador monofásico a díodos com carga RC, em paralelo com uma indutância, L 2, de 128 mh. À entrada do rectificador encontra-se uma indutância de alisamento, L 1, de 1,5 mh. A carga do rectificador é um condensador, C CC1, de 5 μf e uma resistência, R CC1, de 18 Ω. A montante do conversor série encontra-se um outro rectificador monofásico, tendo como carga o condensador C CC2, de 94 μf; e a resistência R CC2 de 9 Ω. A ligação desta carga ao sistema eléctrico faz-se pelo contactor S 1, e o seu objectivo é aumentar a distorção harmónica da tensão fornecida à carga. S bypass 2:1 i S S cs v inv S cs S 2 i L L 1 v S v L C CC1 R CC1 Rede Eléctrica S 1 Conversor Série Conversor Paralelo S CP S CP L 2 R 1 R cs Ccs R CC2 C CC2 i reg L cp2 L cs V CC C R cp L cp cp1 Figura 7.1 Diagrama multifilar da montagem implementada para o ensaio de compensação de distorção harmónica na tensão. 5ms/div 6V/div v L Figura 7.2 Tensão na carga (v L ) sem compensação, respectiva distorção harmónica e valor eficaz (RMS). Na Figura 7.2 pode ser vista a forma de onda da tensão que se encontra aplicada aos terminais da carga, assim como a sua distorção harmónica e valor eficaz (RMS). Para além da tensão apresentar alguma distorção harmónica, apresenta também um 12 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

141 Capítulo 7 Resultados Experimentais valor eficaz reduzido em 1 V do seu valor nominal de 115 V. Esta é a tensão que o Condicionador Activo do Tipo Série vai compensar. O procedimento de ligação do Condicionador Activo do Tipo Série implica que o Conversor Paralelo seja iniciado em primeiro lugar, uma vez que a tensão no elo CC deve estar regulada antes do início do processo de compensação da tensão na carga (v L ). A Figura 7.3 mostra o processo de carregamento do elo CC. Primeiramente, o elo CC sofre um processo de pré-carga, que coloca no elo CC uma tensão de aproximadamente 75 V. Este valor corresponde ao valor de pico da tensão no lado primário do transformador de acoplamento, ou seja, aos terminais do Conversor Paralelo. No momento em que os IGBTs do Conversor Paralelo começam a comutar, o valor da tensão no elo CC sobe para o valor de referência de 15V. Pode ser visto na Figura 7.3 que a corrente consumida pelo conversor (i reg ) para a regulação do elo CC segue a corrente de referência calculada (i ref ). 1ms/div 35V/div v cc i ref 5A/div i reg Figura 7.3 Carregamento do elo CC: tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação no Conversor Paralelo (i reg ) e corrente de referência (i ref ). Na Figura 7.4 é mostrado o comportamento das tensões do sistema com a ligação do Conversor Série do Condicionador Activo. Na Figura 7.4 (a) é visível o transitório na ligação do equipamento. Percebe-se que a forma de onda da tensão na carga, v L, fica com um conteúdo harmónico bastante reduzido, e que o seu valor de pico sobe. Na Figura 7.4 (b) podem ser vistas as formas de onda das tensões no sistema em regime permanente. Observe-se que a tensão sintetizada pelo conversor (v inv ) tem alguma dificuldade em acompanhar a referência calculada pelo sistema de controlo (v ref ). Tal acontece porque sendo a referência de baixa amplitude, o índice de modulação do conversor fica também muito baixo, perdendo-se resolução no sinal sintetizado. Este é um pro- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 121

142 Capítulo 7 Resultados Experimentais blema inerente à topologia sem transformador no acoplamento do Conversor Série ao sistema eléctrico. No entanto, apesar desta questão, o valor de THD da tensão v L compensada cifra-se nos 2,1%, e o valor eficaz sobe de 15 V para 114 V, como pode ser observado na Figura ms/div (a) 6V/div 5ms/div (b) 6V/div v S 6V/div v S 6V/div v L v ref 15V/div v L v ref 15V/div v inv Instante de Ligação do Conversor Série v inv Figura 7.4 Tensão na fonte (v S ), na carga (v L ), nos terminais do inversor (v inv ) e de referência (v ref ) na ligação do Conversor Série: (a) Transitório de ligação; (b) Regime permanente. Figura 7.5 THD e valor eficaz (RMS) da tensão na carga (v L ) compensada. As correntes do sistema proposto também são afectadas pelo desempenho do Condicionador Activo do Tipo Série quando compensando harmónicos de tensão. Observando-se a Figura 7.6 (a), onde estão representadas as tensões e correntes na fonte e na carga, pode-se constatar que a ligação do Condicionador Activo faz com que a corrente na fonte (i S ) aumente, devendo-se tal facto ao maior consumo de corrente pelo Conversor Paralelo para manter o elo CC regulado. O valor eficaz de i S sobe de 1,95 A para 14,14 A, sendo que parte desta subida se deve à regulação do elo CC. A outra parte deve-se ao aumento da corrente consumida pela carga (i L ), que passa a consumir mais quando alimentada pela tensão v L compensada, cuja amplitude é maior do que sem compensação. A carga passa a consumir 12 A quando anteriormente consumia 1,41 A. 122 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

143 Capítulo 7 Resultados Experimentais Na Figura 7.6 (b) é mostrado o comportamento da tensão no elo CC (v CC ) quando o equipamento é iniciado, assim como a corrente de regulação do elo CC, i reg. No momento em que o Conversor Série é ligado, a tensão no elo CC decai cerca de 2 V. Esta diminuição do valor da tensão CC obriga a que o Conversor Paralelo consuma corrente para regular o elo CC. Este processo é observado em Figura 7.6 (b). A corrente de regulação estabiliza num valor eficaz de 4,19 A, com THD reduzido, como é mostrado na Figura 7.7. Repare-se que i reg é medido à entrada do Conversor Paralelo, sendo que a corrente absorvida da rede é metade desta, em virtude do acoplamento do Conversor Paralelo via transformador com relação de transformação de 2:1. (a) (b) 2ms/div 6V/div 5ms/div 35V/div v cc v S v L i L 11.5A/div 6V/div i ref 5A/div i S 11.5A/div Figura 7.6 Tensões e correntes do sistema proposto na ligação do Conversor Série: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i L ); (b) Tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ). O tracejado indica o instante de ligação do Conversor Série. i reg Figura 7.7 THD e valor EFICAZ (RMS) da corrente de regulação. Continuando os ensaios, enquanto o Condicionador Activo do Tipo Série compensava a tensão v L nestas condições foi fechado o contactor S 1 (ver Figura 7.1), desta forma ligando o rectificador com carga RC ao sistema eléctrico, e conectado antes do Condicionador Activo. O consumo de corrente deste, sendo não linear, aumentou as quedas de tensão harmónica nas impedâncias de linha a montante do Condicionador Activo, desta forma agravando o THD da tensão que está a ser fornecida à carga. Na Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 123

144 Capítulo 7 Resultados Experimentais Figura 7.8 pode ser vista a forma de onda da tensão v L, com o rectificador em paralelo ligado e sem compensação. Veja-se que o THD é de 8,9%, e que, com esta carga ligada, o valor eficaz da tensão cifra-se em 11 V. É esta a tensão que o Condicionador Activo do Tipo Série passa a compensar uma vez conectado o rectificador em paralelo. Na Figura 7.9 (a) pode-se observar o transitório de ligação do rectificador em paralelo quando o Condicionador Activo se encontra em funcionamento. No momento em que o rectificador é conectado, é visível a ocorrência de uma perturbação fugaz na tensão na fonte, v S. Esta perturbação deve-se à ocorrência de uma corrente de inrush no rectificador devido ao carregamento do condensador deste. Note-se que a resposta do Condicionador consegue amenizar o efeito desse distúrbio na tensão da carga, v L. 5ms/div 6V/div v L Figura 7.8 Tensão na carga (v L ) sem compensação, respectiva distorção harmónica e valor eficaz (RMS) quando o rectificador com carga RC está conectado ao sistema eléctrico. 1ms/div (a) 6V/div 5ms/div (b) 6V/div v S 6V/div v S 6V/div v L v ref 15V/div v ref v L 15V/div v inv Instante de Ligação do Rectificador em Paralelo v inv Figura 7.9 Tensão na fonte (v S ), na carga (v L ), nos terminais do inversor (v inv ) e de referência (v ref ) na ligação do rectificador com carga RC: (a) Transitório de ligação; (b) Regime permanente. Devido ao aumento da distorção harmónica e a uma nova variação do valor eficaz, o sinal de referência calculado pelo sistema de controlo (v ref ) imediatamente se ajusta de forma a manter a tensão na carga, v L, compensada. A tensão sintetizada pelo conversor série (v inv ) segue bem a referência. Como a tensão a sintetizar apresenta uma maior 124 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

145 Capítulo 7 Resultados Experimentais amplitude, o índice de modulação do Conversor Série aumenta, permitindo que v inv acompanhe melhor v ref. Tal pode ser visto na Figura 7.9 (b), que representa as tensões do sistema em regime permanente. Na Figura 7.1 são mostrados o valor de THD e o valor eficaz (RMS) da tensão v L compensada nestas novas condições. Pode-se ver que o THD melhora em relação ao ensaio anterior, sem o rectificador acoplado. Tal fica a dever-se ao referido aumento do índice de modulação do Conversor Série. Pelo mesmo motivo, o valor eficaz da tensão na carga fica compensada em 114,3 V. Figura 7.1 THD e valor eficaz (RMS) da tensão compensada na carga com rectificador com carga RC. 2ms/div (a) 6V/div 5ms/div (b) 35V/div v cc v S v L i L 11.5A/div 6V/div i ref 5A/div i S 11.5A/div Figura 7.11 Tensões e correntes do sistema proposto na ligação do rectificador com cargarc: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i L ); (b) Tensão no elo CC (v CC ) e corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ). O tracejado indica o instante de ligação do rectificador com carga RC. Observando-se a Figura 7.11 (a) pode-se ver o comportamento das tensões e das correntes do sistema eléctrico quando o rectificador com carga RC é conectado no mesmo. Pode ver-se como a corrente na fonte, i S, sobe após o momento em a que o rectificador é ligado. Passa de 14,14 A eficazes para aproximadamente 15 A, devendo-se tal aumento à demanda de energia requerida pelo Condicionador Activo para manter a tensão v L regulada, consumindo corrente pelo Conversor Paralelo. Note-se que o aumento registado não se deve à corrente consumida pelo rectificador com carga RC, i reg Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 125

146 Capítulo 7 Resultados Experimentais uma vez que o ponto de medição de i S está a jusante deste. O Conversor Série necessita agora, como já foi dito, de sintetizar uma tensão de maior amplitude, logo absorvendo mais potência do elo CC. O comportamento da tensão no elo CC, v CC, encontra-se representado na Figura 7.11 (b), assim como a sua corrente de regulação consumida pelo Conversor Paralelo. Note-se novamente que esta corrente apresenta uma baixa distorção harmónica, conforme se mostra na Figura Compensação de Sag Figura 7.12 THD e valor eficaz (RMS) da corrente de regulação após a ligação do rectificador RC. Para a realização de ensaios relacionados com sag (subtensão momentânea ou cava de tensão), foram feitas algumas alterações ao sistema eléctrico que se encontra representado na Figura 7.1. À entrada do sistema foi ligado um VARIAC, que é usado para regular a tensão em 115 V. A sua inclusão causa também um aumento da impedância de linha do sistema eléctrico. O transformador, que no item anterior era abaixador de tensão, foi utilizado apenas para garantir isolamento eléctrico, desta forma tendo uma relação de transformação de 1:1. A montante do Condicionador Activo foram ligadas cargas lineares em paralelo com o sistema eléctrico, cujo objectivo é provocar uma queda de tensão linear pela passagem da corrente que estas consomem na indutância de linha, assim provocando um sag. Estas cargas são cinco resistências (R 1 5 ) de 26,5 Ω ligadas em paralelo entre si e com a rede, conforme pode ser visto na Figura Estas são conectadas ao sistema eléctrico por um anti-paralelo de tirístores, controlados para que o afundamento de tensão tenha uma duração fixa. As cargas a jusante do Condicionador Activo Série são as mesmas utilizadas no item anterior. Esta configuração do sistema foi também utilizada para os ensaios de swell e fliker. 126 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

147 Capítulo 7 Resultados Experimentais S bypass VARIAC 1:1 i S S cs v inv S cs S 2 i L L 1 v S v L C CC1 R CC1 Rede Eléctrica Tirístores anti paralelo Conversor Série Conversor Paralelo S CP S CP L 2 R 1 R cs Ccs i reg L cp2 R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 L cs V CC C R cp L cp cp1 Figura 7.13 Diagrama multifilar da montagem implementada para o ensaio de compensação de sag, swell e fliker. Na Figura 7.14 pode ser visto o valor eficaz e a componente harmónica da tensão na fonte, v S, antes da ocorrência do sag, assim como a tensão compensada na carga, v L. O Condicionador Activo encontra-se neste momento a compensar, quase exclusivamente, distorção harmónica na forma de onda da tensão. Estes valores são retomados no final do evento. (a) (b) Figura 7.14 THD e valor eficaz (RMS) antes da ocorrência: (a) Tensão na fonte (v S ); (b) Tensão na carga (v L ). A inclusão do VARIAC e o consequente aumento da impedância de linha, obrigou a um reajuste no cálculo da tensão de referência, não sendo possível atingir os resultados obtidos no ensaio anterior. Ainda assim, o THD da forma de onda da tensão v L é de 3,2%, o que respeita os limites de THD para redes protegidas, que deve ser inferior a 5%, conforme visto no item Erro! A origem da referência não foi encontrada.. Na Figura 7.15 pode ser visto o comportamento da tensão v L quando a tensão v S regista um sag com uma duração de 1 s (sag momentâneo), ficando com 77,3% da amplitude nominal. Estes valores de duração e profundidade do evento de sag foram escolhidos por serem abrangentes da maioria de eventos deste tipo registados numa fábrica de automóveis, conforme o estudo mostrado em [48]. Observando a tensão Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 127

148 Capítulo 7 Resultados Experimentais compensada na carga, v L, é perceptível na imagem que a amplitude se mantém durante a ocorrência do sag na tensão da fonte, v S. 2ms/div 6V/div v S 6V/div v L Figura 7.15 Sag provocado: Tensão na fonte (v S ) e na carga (v L ). Na Figura 7.16 são apresentadas as formas de onda da tensão v S e v L nos momentos críticos do sag, que são o seu início e fim. Pode ser também vista a tensão de referência calculada (v ref ) e a tensão medida aos terminais do Conversor Série (v inv ). Constata-se que a tensão v L mantém a mesma amplitude antes e depois do início da ocorrência de sag. É também visível a dificuldade que a tensão sintetizada pelo Conversor Série, v inv, tem em acompanhar a tensão de referência, v ref, antes da ocorrência do sag, melhorando durante a ocorrência. Tal se deve ao aumento do índice de modulação do Conversor Série, sendo por isso mais fácil a este sintetizar uma tensão mais próxima da referência. (a) (b) 2ms/div 6V/div 2ms/div 6V/div v S 6V/div v S 6V/div v L v ref 15V/div v L v ref 15V/div v inv v inv Figura 7.16 Tensão na fonte (v S ), na carga (v L ), de referência (v ref ) e sintetizada no Conversor Série (v inv ): (a) No início do sag; (b) No final do sag. 128 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

149 Capítulo 7 Resultados Experimentais Na Figura 7.17 podem ser vistas as tensões no sistema implementado em regime permanente durante a ocorrência do sag, assim como o THD e o valor eficaz (RMS) das tensões v S e v L nessa situação. O sag traduziu-se numa queda do valor eficaz (RMS) de v S para 88,9 V, no entanto, a tensão compensada v L apresenta um valor eficaz de 112,5 V. Apesar deste valor não ser o nominal, encontra-se fora da zona considerada de sag pelos regulamentos apresentados no Capítulo 1. Também os valores de distorção harmónica na tensão v L se encontram dentro dos limites pretendidos. Na Figura 7.18 (a) é apresentado também o momento em que o sag se inicia, embora tendo em foco o comportamento não só das tensões v S e v L, mas também das correntes na fonte (i S ) e na carga (i L ). Na Figura 7.18 (b) é mostrado o comportamento da tensão no elo CC, assim como sua corrente de regulação. No momento em que o sag principia, a tensão no elo CC afunda, devido à nova demanda de energia necessária para manter a forma de onda da tensão v L. Com a queda da tensão v CC, o Sistema de Controlo reage, ficando o Conversor Paralelo a consumir uma corrente de maior amplitude, desta forma mantendo a tensão v CC regulada. De facto, em regime permanente, esta tensão fica ligeiramente aquém dos 15 V de referência. Porém, o Condicionador Activo do Tipo Série garante que a tensão v L apresente um conteúdo harmónico reduzido e um valor eficaz (RMS) estabilizado, conforme foi já demonstrado. Repare-se também que a corrente consumida pela carga fica incólume a qualquer variação a montante do Conversor Paralelo. 1ms/div (a) 6V/div (b) v S 6V/div (c) v L v ref 15V/div v inv Figura 7.17 Sag em regime permanente: (a) Tensão na fonte (v S ), tensão na carga (v L ), tensão de referência (v ref ) e tensão sintetizada (v inv ); (b) THD e valor eficaz (RMS) da tensão na fonte; (c) THD e valor eficaz (RMS) da tensão compensada na carga. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 129

150 Capítulo 7 Resultados Experimentais 2ms/div (a) 6V/div 2ms/div (b) 35V/div v cc v S i s i L 11.5A/div 6V/div i ref 1A/div v L 11.5A/div Figura 7.18 Tensões e Correntes no sistema proposto no início da ocorrência sag: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ) e tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ); (b) Tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ). Na Figura 7.19 pode ver-se o comportamento do elo CC em regime permanente, assim como o da corrente de regulação no elo CC. A tensão do elo CC fica estabilizada em torno dos 145 V, embora com alguma oscilação a cada meio ciclo da rede. A corrente de regulação apresenta um THD reduzido, desta forma não agravando o conteúdo harmónico da corrente na fonte, i S, e consequentemente não contribuído para o aumento da queda de tensão harmónica que degradaria a tensão da fonte v S. i reg 5ms/div (a) 35V/div (b) v cc i ref 1A/div i reg Figura 7.19 Elo CC em regime permanente durante o sag: (a) Tensão elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ); (b) THD e valor eficaz (RMS) da corrente de regulação. As correntes na fonte e na carga, assim como as respectivas tensões, encontram-se representadas na Figura 7.2, em regime permanente durante a ocorrência de sag. 13 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

151 Capítulo 7 Resultados Experimentais 5ms/div 6V/div v S i L i s 11.5A/div 6V/div v L 11.5A/div Figura 7.2 Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ) em regime permanente durante a ocorrência do sag. Neste período de sag torna-se claro o processo de condicionamento de potência desempenhado pelo Condicionador Activo. De facto, com o aumento da corrente consumida pelo sistema, a potência mantém-se estabilizada (desprezando perdas), sendo esta a necessária para manter a carga alimentada com uma tensão cuja forma de onda se encontre dentro dos parâmetros de qualidade. Assim, observando a Figura 7.21 (a), a potência activa absorvida da rede eléctrica é de 1,53 kw, e a potência absorvida pela carga é de 1,11 kw (Figura 7.21 (c)). A diferença entre a potência absorvida pela carga e a fornecida pela fonte resulta de perdas no Condicionador Activo, assim se obtendo um rendimento de 73%, nesta situação. Medindo a potência entre o Conversor Série e o Conversor Paralelo, obtém-se uma potência activa intermédia, cifrando-se esta em 1,96 kw (Figura 7.21 (b)). A diferença entre esta potência intermédia e a potência na carga, corresponde à potência que é absorvida pelo Conversor Paralelo para ser devolvida ao sistema pelo Conversor Série para regular a tensão na carga, v L. Contudo, como existem perdas no processo, a diferença entre a potência na fonte e a potência intermédia é a que de facto é devolvida ao sistema eléctrico pelo Conversor Série do Condicionador Activo. (a) (b) (c) Figura 7.21 Medições de Potência Activa, Aparente e Reactiva durante sag: (a) Na fonte; (b) Entre o Conversor Série e o Conversor Paralelo; (c) Na Carga. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 131

152 Capítulo 7 Resultados Experimentais Para finalizar, resta apresentar o comportamento das tensões e correntes no sistema implementado no momento em que a ocorrência do sag termina. Quando a na fonte, v S, é reposta, sendo, portanto, exigida menos energia para o Conversor Série compensar a tensão na carga, v L, a tensão do elo CC (v CC ) sobe. Assim, o Sistema de Controlo reage fazendo com que seja absorvida menos corrente pelo Conversor Paralelo para o elo CC. Isto reflecte-se na corrente absorvida da fonte, i S, que é menor. Tal pode ser visto na Figura 7.22 (a) e na Figura 7.22 (b) O processo de estabilização da tensão v CC nesta situação é lento, conforme pode ser visto na Figura 7.22 (b). O comportamento oscilatório da tensão no elo CC é reflectido na corrente de regulação, i reg. No entanto, esta corrente não deixa de apresentar uma forma de onda sinusoidal, não dificultando assim a tarefa de compensação harmónica desempenhada pelo Conversor Série. Por fim, reparese que a tensão v L e a corrente i S mantêm a respectiva forma de onda, demonstrando-se assim que o Condicionador Activo Série garante a desejada compensação, mantendo a carga apartada dos problemas de Qualidade de Energia presentes da tensão absorvida da rede. 2ms/div (a) (b) 6V/div 5ms/div 35V/div v cc i L v S i s 11.5A/div 6V/div i ref 1A/div v L 11.5A/div Figura 7.22 Tensões e Correntes no sistema proposto no final da ocorrência sag: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ) e tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ); (b) Tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ). i reg Compensação de Swell Para a realização de ensaios relativos à compensação de swell (sobretensão momentânea) foi utilizado o circuito representado na Figura Porém, para a emulação do swell, a ponte de tirístores encontra-se já activada, encontrando-se as resistências alimentadas. Recorrendo-se ao VARIAC, ajusta-se a tensão na fonte, v S, para o valor eficaz (RMS) nominal de 115 V. Assim, quando se desactivar a ponte de tirístores em anti-paralelo, o valor da tensão sobe, uma vez que a corrente responsável pela alimenta- 132 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

153 Capítulo 7 Resultados Experimentais ção das resistências deixa de provocar a respectiva queda de tensão nos enrolamentos do VARIAC e na impedância de linha. (a) (b) Figura 7.23 THD e valor eficaz (RMS) antes da ocorrência de swell: (a) Tensão na fonte (v S ); (b) Tensão na carga (v L ). Na Figura 7.23 podem ser vistos os valores de THD e valores eficazes (RMS) das tensões na fonte e na carga (v S e v L, respectivamente) antes da ocorrência do swell. Pode ser visto que o Condicionador Activo do Tipo Série apenas se encontra a compensar a distorção harmónica da tensão na fonte. Repare-se que o valor eficaz (RMS) da tensão v S é igual ao da tensão v L. O valor de THD da tensão v L compensada garante o nível de qualidade pretendido, cifrando-se este em 3,8%. Na Figura 7.24 podem ser vistas as tensões na fonte (v S ) e na carga (v L ) durante a ocorrência de swell. O evento tem uma duração de cerca de 1 s, sendo-lhe conferida a classificação de swell momentâneo de acordo com a norma IEEE A tensão v S sobe para um valor eficaz (RMS) de 14,5 V, ficando assim com 121% do valor nominal. Observando a Figura 7.24 constata-se que a tensão na carga, v L, não sofre uma alteração visível, mantendo-se dentro de valores padronizáveis como nominais. 2ms/div 6V/div v S 6V/div v L Figura 7.24 Swell provocado: Tensão na fonte e na carga (v S e v L ). Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 133

154 Capítulo 7 Resultados Experimentais Na Figura 7.25 pode ser observado o comportamento do Conversor Série na compensação do swell nos momentos mais críticos deste, que são o seu início e o seu fim. Repare-se que a tensão v L não sofre qualquer distúrbio, quer no instante inicial, quer no final. Esta ausência de perturbação deve-se, essencialmente, ao método de comparação directa de tensões, que procede a um ajuste rápido da tensão de referência (v ref ). Na mesma figura podem ser vistas a tensão de referência e a tensão sintetizada pelo Conversor Série (v inv ). É visível que v inv apresenta alguma dificuldade em perseguir v ref, especialmente em transições bruscas. Esta dificuldade pode ser atribuída ao facto da malha de realimentação implementada para a técnica de comutação do Conversor Série responder a um controlo proporcional (conforme pode ser visto no item do Capítulo 4), portanto, mais lento a seguir variações bruscas da referência. No entanto, e passando para a Figura 7.26, constata-se que durante a compensação do swell, o THD de v L apresenta-se bastante reduzido, cifrando-se em 2,8%. O valor eficaz (RMS) da tensão compensada é de 117,8 V, estando ligeiramente acima do valor nomina (2,4%), sendo este valor aceite pelas norma IEEE que tem vindo a ser seguida. 2ms/div (a) 6V/div 2ms/div (b) 6V/div v S 6V/div v S 6V/div v L v ref 15V/div v L v ref 15V/div v inv v inv Figura 7.25 Tensão na fonte (v S ), na carga (v L ), de referência (v ref ) e sintetizada no Conversor Série (v inv ): (a) No início do swell; (b) No final do swell. Na Figura 7.27 (a) encontra-se também representado o momento em que o swell inicia, embora mostrando, para além das tensões na fonte e na carga (v S e v L, respectivamente), as correntes na fonte e na carga (i S e i L ). No instante em que a tensão v S aumenta pode ver-se que a corrente drenada da rede (i S ) segue o caminho inverso. De facto, para continuar a fornecer uma tensão dentro dos parâmetros nominais à carga, o Conversor Série passa a absorver energia, reflectindo-se isto num aumento da tensão do elo CC, v CC. Para regular esta tensão, o Conversor Paralelo passa a fornecer corrente de forma a manter v CC estabilizado em 156 V, um valor ligeiramente superior aos 15 V definidos como referência. Esse desempenho do Condicionador Activo pode ser visto 134 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

155 Capítulo 7 Resultados Experimentais na Figura 7.27 (b), usando como referência a tensão v S. Repare-se que antes da ocorrência, a corrente de regulação do elo CC, i reg, encontra-se com um desfasamento de 18 em relação à tensão v S (indicativo de absorção de corrente pelo Conversor Paralelo). Após a estabilização da tensão no elo CC, v CC, e ainda em situação de swell, i reg encontra-se em fase com a tensão do sistema, indicando que o Conversor Paralelo passou a drenar corrente. A corrente de regulação, i reg, é o dobro da que é injectada no sistema, em virtude do acoplamento via transformador com relação de transformação de 2:1. A corrente assim injectada no sistema, somada com a corrente na fonte, i S, resultam na corrente consumida pela carga, i L. (a) (b) 5ms/div 6V/div v S v L 6V/div (c) v ref 15V/div v inv Figura Swell em regime permanente: (a) Tensão na fonte (v S ), tensão na carga (v L ), tensão de referência (v ref ) e tensão sintetizada (v inv ); (b) THD e valor eficaz (RMS) da tensão na fonte; (c) THD e valor eficaz (RMS) da tensão compensada na carga. 2ms/div (a) 6V/div 5ms/div (b) 35V/div v cc v S i s i L 11.5A/div 6V/div i reg i ref 1A/div 6V/div v L 11.5A/div Figura 7.27 Tensões e Correntes no sistema proposto no início da ocorrência swell: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ) e tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ); (b) Tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ) e tensão na fonte (v S ). v S Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 135

156 Capítulo 7 Resultados Experimentais Na Figura 7.28 pode ser visto o valor eficaz (RMS) da corrente de regulação do elo CC (i reg ) e o seu THD antes e depois do início da ocorrência. Repare-se que durante a ocorrência do swell, a amplitude de i reg é baixa, sendo o THD de 13,2% (Figura 7.28 (b)). Esta maior distorção harmónica resulta da dificuldade do Conversor Paralelo sintetizar uma corrente de baixa amplitude. Esta corrente, porém, não vai degradar a tensão v S (como aconteceria na situação de sag ou de compensação de harmónicos) uma vez que é entregue directamente à carga sem passar pela impedância de linha do sistema. O desempenho da carga, por seu lado, também não será afectado, sendo tal facto confirmado pela manutenção da forma de onda da corrente antes e durante o swell (Figura 7.27 (a)). (a) (b) Figura 7.28 Valor eficaz (RMS) e THD da corrente de regulação (i reg ): (a) Antes do swell; (b) Depois do swell. O comportamento da corrente de regulação, i reg, durante o swell atrás descrito encontra reflexo na forma como é feito o condicionamento de potência pelo Condicionador Activo do Tipo Série. A potência activa consumida da rede é de 1,39 kw, conforme se pode ver na Figura 7.29 (a), sendo a potência no ponto entre os dois conversores (potência intermédia) de 1,2 kw (Figura 7.29 (b)). A diferença entre estas últimas potências é a que é absorvida pelo Conversor Série para a regulação da tensão na carga, v L, e que atravessa o Condicionador Activo. As perdas no Condicionador Activo fazem com que a potência que é drenada para a carga pelo Conversor Paralelo seja menor que a que é absorvida pelo Conversor Série, sendo o seu valor a diferença entre a potência intermédia e a potência consumida pela carga. Esta potência cifra-se em 1,23 kw (Figura 7.29 (c)), sendo a diferença entre esta potência e a absorvida da fonte as perdas no Condicionador Activo. Assim, nesta situação, o Condicionador Activo do Tipo Série apresenta um rendimento de 88%. 136 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

157 Capítulo 7 Resultados Experimentais (a) (b) (c) Figura 7.29 Medições de Potência Activa, Aparente e Reactiva durante swell: (a) Na fonte; (b) Entre o Conversor Série e o Conversor Paralelo; (c) Na Carga. 2ms/div (a) 6V/div 5ms/div (b) 35V/div v cc v S i s i L 11.5A/div 6V/div i reg i ref 1A/div 6V/div v L 11.5A/div Figura 7.3 Tensões e Correntes no sistema proposto no início da ocorrência swell: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ) e tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ); (b) Tensão no elo CC (v CC ), corrente de regulação e sua referência (i reg e i ref ) e tensão na fonte (v S ) Outro instante crítico do funcionamento do Condicionador Activo do Tipo Série durante a ocorrência de um swell, é aquele em que o evento termina. Na Figura 7.3 são mostradas as tensões e correntes do sistema quando tal instante é atingido. No final do evento, o Conversor Série deixa de absorver energia e passa a injecta-la, de forma a fazer a compensação de distorção harmónica na tensão na carga, v L. Como consequência desta adaptação de funcionamento, foi registada uma diminuição na tensão do elo CC. Em resposta a esta queda, o Conversor Paralelo, na sua tarefa de regulação da tensão no elo CC, v CC, deixa de fornecer corrente e passa a absorvê-la, para que a tensão no elo CC esteja regulada nos 15 V. Esta mudança de sentido da corrente de regulação, i reg, é visível na Figura 7.3 (b), já que durante o swell esta corrente encontra-se em fase com v S, e no final da ocorrência, esta fica em contra-fase. Durante este momento crítico de transição, é visível na Figura 7.3 (a) que, quer a corrente na carga, i L, quer a tensão na carga, v L, se mantêm constantes, indicando que a carga se encontra apartada das perturbações verificadas a montante do Condicionador Activo do Tipo Série. Por sua vez, a corrente na fonte, i S, regista um aumento de amplitude, uma vez que, para além da cor- v S Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 137

158 Capítulo 7 Resultados Experimentais rente para alimentar a carga, é necessário drenar corrente da linha, através do Conversor Paralelo, para manter que o Condicionador Activo possa fazer a compensação da tensão na carga, v L Compensação de Flicker Para a realização do ensaio de flicker foi utilizado novamente o circuito representado na Figura 7.13, embora utilizando apenas 3 resistências de 26,5 Ω. A ponte de tirístores é comandada para ligar (e desligar) estas resistências 1 vezes por minuto, provocando afundamentos a essa periodicidade, desta forma emulando uma situação de flicker. Na Figura 7.31 pode ser visto a tensão v S em situação de flicker, e a tensão v L compensada. Os afundamentos provocados levam a tensão v S a cair 11% em relação à tensão nominal de 115 V, sendo um valor superior ao valor de 7% considerado típico pela norma IEEE ms/div 6V/div v S 6V/div v L Figura 7.31 Flicker provocado: Tensão na fonte e na carga (v S e v L ). Na Figura 7.32 pode ser vista a variação de valor eficaz das tensões quer na fonte quer na carga. De facto não se pode falar numa compensação de flicker, uma vez que este fenómeno é apenas mitigado pelo desempenho do Condicionador Activo do Tipo Série. Essa mitigação, no entanto, é bastante pronunciada, uma vez que na tensão da fonte, v S, existe uma flutuação do seu valor eficaz em torno dos 13 V, passando na tensão na carga, v L, a apenas 1 a 2 V. 138 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

159 Capítulo 7 Resultados Experimentais Valor RMS (V) v S v L Tempo (s) Figura 7.32 Variação do valor eficaz (RMS) da tensão na fonte e da tensão na carga (v S e v L ). A medição do THD das tensões do sistema durante a ocorrência do flicker foi dificultada pela rápida mudança de valores devido à natureza oscilante do fenómeno em estudo. Assim, e apenas para obter uma noção do que se passa nos pontos com e sem afundamento da ocorrência, foram registados o THD e o valor eficaz (RMS) das tensões v L e v S com as resistências ligadas no sistema, e, posteriormente, desligadas. Na Tabela 7.1 encontram-se registadas as medições feitas. Os valores de distorção harmónica na tensão v L encontram-se dentro dos limites estipulados pela norma IEC , que define que para redes protegidas o THD deve ser inferior a 5%. O valor eficaz (RMS) da tensão na carga mantém valores também recomendados. Tabela 7.1 Valores eficazes (RMS) e THD da tensão v S e da tensão v L. Tensão na Fonte (v S ) Tensão na Carga (v L ) Medição Com Afundamento Sem Afundamento RMS 12,2 V 115,3 V THD 12,6% 13,2% RMS 114 V 115 V THD 3,8% 3% 1ms/div (a) 6V/div 1ms/div (b) 6V/div v S 6V/div v S 6V/div v ref v L 15V/div v L v ref 15V/div v inv v inv Figura Tensão na fonte (v S ), na carga (v L ), de referência (v ref ) e sintetizada no Conversor Série (v inv ): (a) no início do afundamento do flicker; (b) no final afundamento do flicker. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 139

160 Capítulo 7 Resultados Experimentais Na Figura 7.33 podem ser vistas as formas de onda não só da tensão na fonte (v S ) e na carga (v L ), como também a tensão sintetizada pelo Conversor Série (v inv ) e a respectiva referência (v ref ) nos instantes de transição de inicio e fim do afundamento. O desempenho do Conversor Série assume um comportamento similar ao observado na situação de sag, com a tensão v L compensada a não sofrer alterações de monta. Elas existem, conforme foi visto na Figura 7.32, porém o Condicionador Activo do Tipo Série garante um elevado nível de protecção na carga à ocorrência do flicker. A compensação deste problema de qualidade de energia é aquele que sujeita o elo CC a uma maior instabilidade. A rápida e consecutiva ocorrência de variações do valor eficaz da tensão v s a isso obriga, já que a demanda de energia pelo Conversor Série também tem uma elevada taxa de variação, reflectindo-se isso na oscilação da tensão no elo CC, v CC. Essa oscilação reflecte-se na corrente de regulação consumida pelo Conversor Paralelo na tarefa de regulação do elo CC, i reg. No entanto, e apesar dessa instabilidade, a corrente i reg consumida pelo Conversor Paralelo apresenta um conteúdo harmónico reduzido, desta forma não contribuindo para um aumento da distorção harmónica da tensão v S. Na Tabela 7.2 podem ser observados o valor eficaz e THD da corrente de regulação nas situações com e sem afundamento. Estes valores constituem aproximações, e foram obtidos medindo a corrente i reg quando ligadas em permanência as 3 resistências em paralelo com o sistema eléctrico, para a situação com afundamento; e desligadas para a situação sem afundamento. Durante o flicker, tais medições tornam-se inviáveis, mercê da instabilidade do sistema. Essa instabilidade é muito bem representada pela Figura Corrente de Regulação (i reg ) Tabela 7.2 Valores eficaz (RMS) e THD da corrente i reg. Medição Com Afundamento Sem Afundamento RMS 9,3 A 3,391 A THD 2,4% 5,6% Na Figura 7.34 pode ser vista a tensão no elo CC, v CC, e a corrente de regulação. A tensão v cc apresenta alguns pontos em que chega tão baixo como 14 V, e tão alto como 162 V, apresentando nos momentos a estes pontos um comportamento oscilatório que se reflecte na corrente de regulação. Na Figura 7.34 (a) e (b) são apresentados, respectivamente, o comportamento de v cc, i reg e respectiva referência no momento inicial do afundamento e o momento final. Na Figura 7.34 (c) é possível observar as mesmas grandezas numa perspectiva temporal mais alargada. 14 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

161 Capítulo 7 Resultados Experimentais 5ms/div (a) 35V/div 5ms/div (b) 35V/div v cc v cc i ref 1A/div i ref 1A/div i reg i reg 1ms/div (c) 35V/div v cc i ref 1A/div i reg Figura 7.34 Comportamento da tensão do elo CC (v CC ), da sua corrente de regulação (i reg ) e respectiva referência (i ref ) durante flicker: (a) No inicio de um afundamento; (b) No final do afundamento; (c) Durante 2 variações. O comportamento oscilatório observado na corrente de regulação do elo CC tem impacto na corrente consumida da rede. Esta corrente i S vai, consequentemente, também registar alguma oscilação. Nas Figura 7.35 (a) e (b) encontram-se representadas as formas de onda das correntes e tensões do sistema implementado durante o inicio de um afundamento e no final, sendo visível, para além da oscilação da corrente na fonte, i S, a estabilidade garantida pelo Conversor Activo do Tipo Série quer na tensão compensada na carga, v L, quer na corrente na carga, i L. Esta estabilidade observada indica, mais uma vez, que a carga se encontra apartada dos problemas de qualidade de energia presentes a montante do Condicionador Activo. A Figura 7.35 (c) representa as mesmas grandezas numa perspectiva temporal mais alargada. Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 141

162 Capítulo 7 Resultados Experimentais 2ms/div (a) 6V/div 2ms/div (b) 6V/div v S i s i L 11.5A/div 6V/div v S i s i L 11.5A/div 6V/div v L 5ms/div 11.5A/div (c) v L 6V/div 11.5A/div v S i s i L 11.5A/div 6V/div v L 11.5A/div Figura 7.35 Comportamento da tensão na fonte e da corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ) durante flicker: (a) No início do afundamento; (b) No fim do afundamento; (c) Durante 2 variações Funcionamento como UPQC Monofásico Compensação Dinâmica de Factor de Potência e de Harmónicos de Tensão e Corrente. Para a realização deste ensaio, a configuração do sistema eléctrico foi a mesma utilizada para a realização dos ensaios relativos à compensação de harmónicos de tensão pelo Condicionador Activo do Tipo Série, representado na Figura 7.1 do item Na Figura 7.36 (a) estão representadas as tensões e correntes do sistema eléctrico proposto. O THD da corrente na fonte, i S, tal como é mostrado na Figura 7.36 (b) cifrase em 63,5%. Na Figura 7.36 (c) encontra-se representado o valor eficaz (RMS) e o THD da tensão nos terminais da carga (v L ), sendo estes de 1,4 V e de 8.7%, respectivamente. O factor de potência do sistema é de, Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

163 Capítulo 7 Resultados Experimentais 5ms/div v S (a) 6V/div (b) i L 11.5A/div 6V/div (c) v L i S 11.5A/div Figura 7.36 Medições ao sistema eléctrico sem compensação: (a) Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i L ); (b) Distorção harmónica e valor eficaz (RMS) da corrente i S ; (c) Distorção harmónica e valor eficaz (RMS) da tensão v L. Tal como no funcionamento do equipamento como Condicionador Activo do Tipo Série, o primeiro passo do procedimento de ligação do UPQC é a activação do Conversor Paralelo para que a tensão no elo CC, v CC, seja regulada. Neste caso, também a corrente na fonte será compensada. 2ms/div (a) 11.5A/div 5ms/div (b) 11.5A/div i ref i S 5A/div 5A/div i inv 35V/div 35V/div v cc Figura 7.37 Efeitos na tensão do elo CC (v CC ) e na corrente na fonte (i s ) na ligação do Conversor Série do UPQC; corrente calculada de referência (i ref ) e corrente no inversor (i inv ): (a) Pormenor do inicial; (b) Da ligação do Conversor Paralelo até à estabilização do elo CC. Na Figura 7.37 pode-se observar o comportamento da tensão v CC, assim como os instantes iniciais da compensação da corrente na fonte, i S.Tal como foi visto na inicialização do equipamento funcionando como Condicionador Activo do Tipo Série, o elo CC encontra-se já sob o efeito de uma pré-carga de 75 V, sendo que o arranque do con- Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 143

164 Capítulo 7 Resultados Experimentais dicionador paralelo irá elevar a sua tensão para os 15 V de referência. Até à estabilização neste valor decorrem 3ms. Pode ser visto que a corrente i S apresenta uma forma de onda quase sinusoidal a partir do instante em que o Conversor Paralelo é ligado. A amplitude desta corrente após a ligação do Conversor Paralelo varia de acordo com a tensão v CC, sendo maior quando esta tensão se encontra aquém da referência e menor quando a ultrapassa. Na Figura 7.38 pode ser observado o impacto que a ligação do Conversor Paralelo da UPQC tem no sistema eléctrico. O instante de ligação encontra-se indicado a tracejado. Para além da compensação efectuada à corrente na fonte, i S, que se apresenta com baixo conteúdo harmónico, a tensão na carga e na fonte (v L e v S ) também apresentam melhoras no que à distorção harmónica diz respeito. Resulta isto de passar a corrente i S a ter um THD bastante reduzido, reduzem-se as quedas de tensão harmónicas na impedância de linha do sistema eléctrico. Na Figura 7.38(b) podemos ver as tensões e correntes do sistema em regime permanente. Repare-se que a corrente injectada i inv segue bem a referência. (a) (b) 2ms/div 6V/div 5ms/div 6V/div i L v L v S 11.5A/div 6V/div i L v L v S 11.5A/div 6V/div i S i ref 11.5A/div 5A/div i S i ref 11.5A/div 5A/div i inv i inv Figura 7.38 Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ) e corrente de referência e corrente no Conversor Paralelo (i ref e i inv ) na ligação do Conversor Paralelo: (a) Transitório de ligação; (b) Regime permanente. (a) (b) Figura 7.39 THD e valor eficaz (RMS) com o Conversor Paralelo ligado: (a) na corrente i S ; (b) na tensão v L. 144 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para

165 Capítulo 7 Resultados Experimentais Observe-se agora a Figura 7.39 (a) que indica que o THD da corrente na fonte, i S, baixa para de 63,5% 4,8%, com um valor eficaz de 1,88 A. Já a tensão na carga, v L, com a ligação do Conversor Paralelo, reduz o seu THD de 8.7% (como visto na Figura 7.36) para 5.2% (Figura 7.39 (b)). O passo seguinte do procedimento de ligação da UPQC é a ligação do Conversor Série para que se faça a compensação da tensão v L. Na Figura 7.4 pode ser observado o comportamento do elo CC quando a UPQC inicia a compensação de v L, assim como a corrente i S e a tensão compensada v L. Marcado a tracejado está o instante de ligação do Conversor Série. A tensão no elo CC, v CC, sofre um afundamento causado pela nova demanda de energia para a compensação da tensão. O Condicionador Activo reage, consumindo mais corrente para que v CC esteja regulada no valor de referência, o que provoca um aumento de consumo de corrente pelo Conversor Paralelo. Esta acção reflecte-se na amplitude da corrente na fonte, i S, que aumenta. 2ms/div 11.5A/div i S 6V/div v L 35V/div v cc Figura 7.4 Transitório de ligação do Conversor Série e seu impacto na corrente da fonte (i S ), na tensão da carga (v L ) e na tensão do elo CC (v CC ). Na Figura 7.41 (a) pode ser visto o comportamento das tensões e das correntes do sistema eléctrico proposto. O comportamento da corrente na fonte, i S, foi descrito atrás. Quanto à tensão compensada na carga, v L, é visível que no momento em que o Conversor Série é ligado a sua amplitude sobe, assim como a sua distorção harmónica diminui. A corrente i L também é alterada, pelos motivos já descritos na análise ao funcionamento do equipamento como Condicionador Activo do Tipo Série. Na Figura 7.41 (b) são exibidas as correntes e tensões em regime permanente. O valor eficaz (RMS) da tensão v L fica ajustado em 115,3 V, e a mesma tensão apresenta um THD de 2,3%. A corrente i S passa a ter um valor eficaz de 14,22 A, de modo a tensão no elo CC, v CC, se mantenha Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para 145

166 Capítulo 7 Resultados Experimentais regulada. Também a sua distorção harmónica cai para 3,9%, não se devendo tal facto a uma melhoria das características de compensação, mas a um aumento da componente fundamental na corrente consumida para regulação do elo CC. Figura 7.41 Tensão na fonte e corrente na carga (v S e i L ), tensão na carga e corrente na fonte (v L e i S ) e tensão de referência e tensão nos terminais do Conversor Série (v ref e v inv ) na ligação do Conversor Paralelo: (a) Transitório de ligação; (b) Regime permanente. Na Figura 7.42 podem ser vistas as medições de THD e de valor eficaz (RMS) da corrente na fonte, i S, compensada e da tensão na carga, v L, compensada pelo equipamento operando como UPQC. Na Figura 7.43 são exibidos os resultados experimentais de potência activa, aparente e reactiva consumida pelo sistema proposto e entregue à carga. Da fonte são drenados 1,44 kw, sendo que destes 1,14 kw são entregues à carga, sendo a diferença o resultado de perdas de comutação e outras no UPQC. Também se pode observar na Figura 7.43 (a) o factor de potência do sistema na fonte, cifrando-se este em,99. Repare-se também que na carga, o factor de potência cifra-se em,82, o que demonstra a capacidade de correcção do factor de potência pelo UPQC. (a) (b) Figura 7.42 THD e valor eficaz (RMS) com o UPQC em operação: (a) na corrente i S ; (b) na tensão v L. 146 Implementação e Teste de um Condicionador Activo Série Monofásico para