Atendimento de Cargas Rurais Trifásicas a Partir de Ramais Monofásicos de Média Tensão - Parte II

Transcrição

1 Atendimento de Cargas Rurais Trifásicas a Partir de Ramais Monofásicos de Média Tensão - Parte II 1 Juliane C. O. Fandi, José Rubens M. Jr, Senior Member, Isaque N. Gondim e José Carlos de Oliveira, Member. Resumo-- Em complemento à fundamentação teórica e aos desenvolvimentos analíticos realizados na primeira parte deste trabalho, o qual sugere uma metodologia para aproveitamento da topologia dos ramais monofásicos existentes em instalações rurais para o suprimento trifásico às mesmas instalações, apresentam-se a seguir os resultados das simulações computacionais, assim como dos testes realizados em laboratório associados a uma nova concepção de transformação de número de fases, baseada tão somente em unidades magnéticas. Palavras-Chave-- Eletrificação rural, conversão mono-trifásica. I. INTRODUÇÃO A modelagem analítica de conversão mono-trifásica, apresentada na primeira parte do trabalho ora proposto sugere a necessidade de sua validação através de simulações computacionais e ensaios de laboratório, os quais serão integralmente apresentados nos tópicos seguintes. onde: - tensão de linha no ramal de distribuição - AB; - tensão de linha no ramal de distribuição - BC; - tensão de linha no ramal de distribuição - CA. A figura 1 evidencia as formas de onda das tensões de fase disponibilizadas pelo ramal de distribuição trifásico utilizado nos estudos computacionais: tensões de linha com módulos de 13,8 kv, correspondendo a valores de fase de 7,967 kv eficaz ou 11,238 kv pico e sequência ABC. 12 kv] II. AVALIAÇÃO COMPUTACIONAL DO DESEMPENHO DO PROCESSO DE CONVERSÃO Para fins dos estudos destinados a avaliação da eficácia do processo de conversão proposto no presente trabalho, dentre um grande número de casos que poderiam ser apresentados, optou-se pela ilustração de duas condições operativas. Uma primeira associada com o suprimento de uma carga secundária trifásica equilibrada, e outra, constituída pela alimentação de uma carga trifásica fortemente desequilibrada. Os estudos feitos são feitos considerando um sistema de distribuição trifásico em média tensão (13,8 kv), equilibrado, sequência de fases ABC e a tensão entre a fase A e neutro é adotada como referência. De acordo com tais premissas, a Tabela I indica as tensões de linha e de fase da rede de distribuição trifásica ,,2,4,6,8,1 (f ile traf o_delta_estrela_carga_desequilibrada.pl4; x-v ar t) v :X41A v :X41B v :X41C Fig. 1. Tensões de fase disponibilizadas por uma rede de distribuição fase A (vermelho), fase B (verde) e fase C (azul). A conversão mono-trifásica proposta exige que a rede de distribuição trifásica forneça dois condutores fase ao consumidor rural. Nos casos em que o transformador de distribuição recebe uma fase e um neutro, será necessária a mudança na conexão na rede trifásica do condutor neutro para uma das outras fases, como mostra a figura 2. Tabela I. Tensões de linha e de fase da rede de distribuição utilizada. Tensões fase-fase na rede de Correspondentes Tensões distribuição fase-neutro Fig. 2. Mudança na conexão à rede trifásica de distribuição.

2 2 Caso o sistema utilizado no local seja o MRT Monofilar com Retorno por Terra, a obtenção do sistema trifásico no lado do consumidor exige a passagem de outro condutor fase desde a rede de distribuição trifásica até o transformador. Com base nos princípios estabelecidos na primeira parte do presente trabalho, quais sejam: o transformador que atende o consumidor deve ser trocado por um trifásico na configuração Δ-Y (chamado de transformador conversor), uma das duas fases do ramal monofásico é diretamente conectada ao transformador conversor e, a segunda fase do ramal monofásico, somente é conectada ao transformador conversor após ser intercalada por um transformador monofásico, de polaridade aditiva, com relação de transformação 1:1, para fins de inversão de polaridade. Para este estudo, considera-se que: a fase C não está presente no ramal monofásico, a fase A é diretamente conectada ao transformador trifásico conversor e a fase B, é conectada ao transformador trifásico conversor após sofrer a inversão de polaridade. Desta forma, as tensões que chegam aos terminais do primário do transformador trifásico conversor são: ] ] (1) Quanto às tensões fase-fase, em kv, aplicadas nos terminais do primário da unidade magnética de conversão, estas são determinadas pelo próprio conceito de tensão ou diferença de potencial: ] ] ] (2) ] ] (3) A equação (3) mostra que a ausência de uma fase e a inversão do fasor de tensão de outra na alimentação do primário do transformador conversor, resultam no aparecimento de valores fase-fase nos terminais dos enrolamentos do primário de mesmo módulo que os valores fase-neutro das duas fases da rede de distribuição que alimentam o primário do transformador conversor. A figura 3 ilustra os potenciais nodais e as tensões sobre cada enrolamento do primário. Fig. 3. Potenciais nodais e tensões fase-fase entre os terminais dos enrolamentos primários do transformador conversor. Como pode ser observado, embora não exista equilíbrio entre as tensões fase-neutro aplicadas nos terminais do primário do transformador conversor, tais grandezas conduziram a um conjunto de tensões equilibradas quando da consideração do sistema trifásico fase-fase. Quanto às tensões secundárias, estas são determinadas como definido a seguir, considerando, para tanto, que a relação de transformação utilizada para atender aos requisitos impostos, seja obtida pela relação entre a tensão sobre os enrolamentos secundário e primário, de acordo com a tensão da rede de distribuição disponível no local e as tensões desejadas no consumidor final. Assumindo que a tensão linha desejada no secundário seja de 22 V, como o secundário tem a configuração estrela e o primário é conectado em delta, a relação de transformação é dada pela relação entre a tensão fase-neutro do secundário (22 V/( 3) e a tensão fase-fase do primário: n = 22 V/( 3.7,967) kv =,1594 (4) Aplicando-se a relação de transformação n às tensões verificadas sobre os enrolamentos primários, podem ser definidos os valores das tensões sobre os enrolamentos do lado secundário, conforme a seguir: ] ] (5) As correspondentes das tensões de linha no secundário do transformador são de, aproximadamente: ] ] ] (6) As equações 5 e 6 mostram, respectivamente, tensões de fase e linha, de mesmo módulo, sequência CBA e defasagem de 12º elétricos entre si. Por fim, apresentam-se a seguir os resultados das simulações representativas do desempenho do transformador conversor especificado considerando os dois tipos de

3 3 carregamentos mencionados. O programa computacional utilizado nas simulações foi o ATP. A. Caso 1 Carga Equilibrada A figura 4 apresenta o sistema elétrico simplificado utilizado na simulação realizada. Os valores eficazes das tensões advindas da rede de suprimento em média tensão, para suprimento do primário do transformador, são as apresentadas na equação (1): ; e = V. 12 kv] ,,3,6,9,12,15 (f ile traf o_delta_estrela_uma_carga.pl4; x-v ar t) v : B5A v : B5B v : B5C Fig. 5. Tensões fase-neutro no primário do transformador conversor; fase A (vermelho), fase B (verde) e fase C (azul) Caso 1. Complementarmente, são apresentados os resultados obtidos no secundário do transformador: a figura 6 apresenta as formas de onda das tensões fase-neutro, a figura 7 mostra as tensões fase-fase e a figura 8 ilustra as correntes de linha. Observa-se o equilíbrio em módulo e ângulo das três tensões e a inversão da sequência de fases para CBA. 18 V] Fig. 4. Circuito 1 Arranjo utilizado para a simulação no ATP. Os parâmetros da rede de alimentação, entre a fonte de tensão e o transformador conversor, usadas na simulação são relativos a cabos CAA 1/, de extensão igual a 1 m. Foi utilizado o circuito PI equivalente com os dados: resistências de 72,33 m por fase, indutâncias próprias de 1,67 mh por fase e indutâncias mútuas de 486,67 mh entre uma fase e outra, capacitâncias parciais entre cada condutor e o terra de 73,46 pf e capacitâncias parciais entre dois condutores de - 161,59 pf. O transformador trifásico usado na simulação tem os seguintes parâmetros: configuração delta-estrela, 15 kva, 13,8 kv / 22 V, impedância percentual de 3,5%, corrente a vazio de 1,266 ma, resistência e indutância do primário de 19,44 e 1,694 H, resistência e indutância do secundário de 16,1 m e 143,5 H, resistência de magnetização igual a 158,7 M. Além destes dados, foi implementada a curva de magnetização da chapa de aço silício grão orientado. Por fim, o caso 1 contempla uma carga trifásica tipo RL equilibrada, de impedância constante, conectada em estrela sendo a impedância de cada fase definida pelos seguintes parâmetros representativos: resistência de 5,22667 e indutância de 4,1453 mh. A figura 5 expressa as formas de onda das tensões faseneutro aplicadas ao primário do transformador conversor. Estas evidenciam que as tensões das fases A e B possuem mesma amplitude e defasagem angular de 6º, enquanto a tensão da fase C mantém-se nula durante todo o tempo ms] 7 traf o_delta_estrela_uma_carga.pl4; x-v :TR22A :TR22B :TR22C (f ile ar t) v v v Fig. 6. Tensões fase-neutro no secundário do transformador conversor; fase A (vermelho), fase B (verde) e fase C (azul) Caso V] ms] 7 traf o_delta_estrela_uma_carga.pl4; x-v :TR22A-v :TR22B :TR22B-v :TR22C (f ile ar t) v v v :TR22C-v :TR22A Fig. 7. Tensões de linha no secundário do transformador conversor; AB (vermelho), BC (verde) e CA (azul) Caso 1.

4 4 35, 26,25 12 kv] 8 17,5 8,75 4, -8,75-17, , , ms] 7 o_delta_estrela_uma_carga.pl4; x-v c:tr22a- c:tr22b- c:tr22c- (f ile traf ar t) Fig. 8. Correntes de linha no secundário do transformador conversor; fase A (vermelho), fase B (verde) e fase C (azul) Caso 1 B. Caso 2 Carga Desequilibrada O segundo caso simulado consiste em carga trifásica desequilibrada e um motor trifásico conectados ao secundário do transformador conversor. As características da rede de distribuição são mantidas. As tensões que chegam ao primário do transformador, as impedâncias do circuito PI que representa a interligação rede-transformador, bem como as características do transformador são as mesmas do Caso 1. Um motor trifásico de potência nominal igual a 1, cv, 36 rpm, 22 V, rendimento 7% e fator de potência de,75 foi incluído no circuito no instante de tempo 1 ms. Além do motor, o transformador conversor supre cargas de impedância constante, diferentes em cada fase. Os parâmetros da carga desequilibrada são: fase A: carga puramente resistiva de 17,27, fase B: carga de resistência igual a 5,431 em série com uma indutância de 2,969 mh, fase C: carga RL de valores 6,22667 e 4,1453 mh. A figura 9 apresenta o sistema elétrico simulado. -12,,5,1,15,2,25,3 (file trafo_delta_estrela_carga_desequilibrada.pl4; x-var t) v:x73a v:x73b v:x73c Fig. 1. Tensões fase-neutro no primário do transformador conversor; A figura 11 apresenta as formas de onda da tensão faseneutro medidas no secundário do transformador conversor. Observa-se que o forte desequilíbrio da carga resultou em um desequilíbrio de aproximadamente 3% entre as tensões. A figura 12 ilustra as tensões fase-fase V] -2,,5,1,15,2,25,3 (file trafo_delta_estrela_carga_desequilibrada.pl4; x-var t) v:x55a v:x55b v:x55c Fig. 11. Tensões fase-neutro no secundário do transformador conversor; 35, V] 262,5 175, 87,5, -87,5-175, -262,5 Fig. 9. Circuito 2 Arranjo utilizado para a simulação no ATP. As formas de onda das tensões fase-neutro observadas no barramento do lado primário do transformador delta-estrela são ilustradas na figura ,,,5,1,15,2,25,3 (f ile traf o_delta_estrela_carga_desequilibrada.pl4; x-v ar t) v :X57A-v :X57B v :X57B-v :X57C v :X57C-v :X57A Fig. 12. Tensões de linha no secundário do transformador conversor; AB (vermelho), BC (verde) e CA (azul) Caso 2. O motor, cuja corrente é ilustrada pela figura 13, entra em operação no instante 1 ms.

5 ,5 1, 1,5, -1 -,5-1, -2-1,5-3,,5,1,15,2,25,3 (file trafo_delta_estrela_carga_desequilibrada.pl4; x-var t) c:x57a-x1a c:x57b-x1b c:x57c-x1c Fig. 13. Correntes de linha do motor trifásico; As formas de onda das correntes de linha no ramo da carga desequilibrada são apresentadas na figura , 26,25 17,5 8,75, -8,75-17,5-26,25-2,,,5,1,15,2,25,3 (file trafo_delta_estrela_carga_desequilibrada.pl4; x-var t) c:x73a-x75a c:x73b-x75b c:x73c-x75c Fig. 16. Correntes no primário do transformador conversor: corrente de linha da fase A (vermelho); corrente de linha da fase B (verde) e corrente no condutor de aterramento (azul). III. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Foram realizadas medições em laboratório para comprovação da técnica de conversão mono-trifásica descrita. A montagem, esquematizada na figura 17, incluiu um transformador monofásico, um transformador trifásico, um osciloscópio, um motor de 1/3 cv, 195 rpm, fator de potência,93, ligação ΔΔ, multímetros e cabos de conexão. Os dois transformadores foram conectados de forma que a relação de transformação fosse n=1. -35,,,5,1,15,2,25,3 (file trafo_delta_estrela_carga_desequilibrada.pl4; x-var t) c:x55a- c:x55b- c:x55c- Fig. 14. Correntes de linha no ramo da carga RL desequilibrada; As correntes de linha totais, monitoradas no secundário do transformador conversor, são apresentadas na figura ,,5,1,15,2,25,3 (f ile traf o_delta_estrela_carga_desequilibrada.pl4; c:x57a-x73a c:x57b-x73b x-v ar t) c:x57c-x73c Fig. 15. Correntes de linha totais no secundário do Transformador conversor; A figura 16 mostra as correntes de linha nas fases A e B, medidas no primário do transformador conversor. A fase C não está presente no ramal monofásico que alimenta o transformador conversor. Desta forma, a terceira corrente apresentada na figura (em azul) corresponde a corrente medida no condutor que aterrou o terminal do primário do transformador conversor que não recebeu a fase. Observa-se a defasagem de 12 entre as correntes de linha das fases A e B. Já a corrente no condutor que aterrou o terminal do transformador conversor apresenta uma defasagem de 6 em relação às correntes de linha das fases A e B. Fig. 17. Circuito para análise experimental.

6 6 A figura 18 apresenta a montagem do circuito elétrico submetido aos testes de laboratório. Fig. 19. Tensões fase-neutro disponíveis na bancada do laboratório. (a) (b) Dos três terminais de tensão disponíveis na bancada, apenas dois foram utilizados, sendo um deles conectado diretamente a um dos terminais do primário em delta do transformador trifásico conversor e o outro conectado a um dos terminais do primário do transformador monofásico. Como indicado na figura 17, o outro terminal deste transformador monofásico foi aterrado. Tal transformador foi conectado de forma a apresentar polaridade aditiva, resultando em uma defasagem angular entre as tensões primária e secundária de 18. Um terminal de saída do transformador monofásico alimentou um segundo terminal do transformador trifásico. O terceiro terminal do primário do transformador conversor foi aterrado. A figura 2 apresenta as formas de onda obtidas pela conexão do osciloscópio aos três terminais de entrada do transformador conversor. Fig. 2. Tensões fase-neutro no primário do transformador trifásico. (c) Fig. 18. Montagem realizada em laboratório. (a) Circuito completo; (b) Detalhe dos transformadores - monofásico (à esquerda) e trifásico - utilizados no experimento e (c) Detalhe da tela do osciloscópio. As tensões obtidas no secundário do transformador trifásico são ilustradas na figura 21, apresentando equilíbrio de módulo e ângulo. Foram efetuadas medições no ponto de entrega da rede de energia disponível na bancada do laboratório. A figura 19 mostra as três tensões de fase disponíveis, fornecidas pela distribuidora de energia elétrica local. Fig. 21. Tensões fase-neutro no secundário do transformador trifásico.

7 7 IV. CONCLUSÕES O presente trabalho apresentou uma nova proposta de topologia para conversão mono-trifásica, a qual consiste na inversão da polaridade de um dos enrolamentos de um transformador monofásico convencional, de relação de transformação 1:1, resultando uma defasagem angular de 6º elétricos entre duas das fases da tensão primária de suprimento de um transformador de distribuição trifásico com o secundário em delta. A conexão do secundário, em delta ou estrela, não interfere no equilíbrio obtido. Entretanto, o método de conversão nono-trifásica proposto, utilizou apenas o transformador trifásico na configuração Δ-Y, por ser o utilizado na prática. Um dos terminais do lado primário do referido transformador trifásico deve ser aterrado no próprio local de instalação. Adicionalmente, o novo transformador deve possuir relação de transformação compatível com o nível de tensão desejado no secundário do mesmo. Ressalta-se ainda que, independentemente da fase que não chega ao transformador, seja ela a fase A, B ou C, o equilíbrio do sistema obtido no secundário é atingido da mesma maneira, desde que se mantenham os 6º de defasagem entre as duas fases existentes. Os resultados dos testes computacionais e laboratoriais demonstraram a factibilidade técnica da metodologia proposta. V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1] Chaves, M. L. R (1987). Desenvolvimento e construção de Sistemas Estáticos para Alimentação de Cargas Trifásicas a Partir de Redes Monofásicas. Dissertação de Mestrado, UFU. 2] da Silva, M. R.(26). Avaliação de Alternativa Para Eletrificação Rural no Contexto dos Programas de Universalização do Atendimento de Energia no Brasil. Dissertação de Mestrado, UFMG. 3] Moncrief, W. A. (1996). Practical Application and Selection of Single-Phase to Three-Phase Converters, 39th IEEE Rural Electric Power Conference, pp. D3-1 to D3-9. 4] Enjeti P. and Rahman A. (1993). A New Single-Phase to Three- Phase Converter with Active Input Current Shaping for Low Cost AC Motor Drives, IEEE Trans. On Industry Applications, vol. 29, no. 4, July/August 1993, pp ] Lee, D-C; Kim T-Y; Lee G-M and Seok, J-K (22) Low-Cost Single-Phase to Three-Phase PWM AC/DC/AC Converters without Source Voltage Sensor, IEEE ICIT 2, Bangkok, Thailand, 22, pp ] Covic, G. A.; Peters, G. L. and Boys, J. T. (1995). An Improved Single Phase to Three Phase Converter for Low Cost AC Motor Drives, IEEE PEDS, Feb 1995, pp ] da Silva, E. R. C.; de Souza, S. B. and Coelho, F. A. (1995). A Single Phase to Three Phase Soft-Switched Converter, Isolated and with Active Input Current Shape, IEEE PESC, Atlanta, USA, June 1995, pp ] Ohnishi T. (1998). PWM Control Method for Single-Phase to Three- Phase Converter with a Three-Phase Switching Power Module, IEEE PESC, May 1998, Japan, pp ] Tshivhilinge, E. N. and Malengret, M.(1998) A Practical Control of a Cost Reduced Single-Phase to There-Phase Converter, IEEE ISIE, South Africa, July 1998, pp ] Douglas, H. and Malengret, M. (1998). Symmetrical PWM with a Split-Capacitor Single-Phase to Three-Phase Converter for Rural Electrification, IEEE ISIE, South Africa, July 1998, pp ] Machado, R. Q., Buso, S., Pomilio, J. A. and Marafão, F. P. (24). Three-Phase to Single-Phase Direct Connection for rural cogeneration systems, IEEE APEC, Anahein, USA, Feb ] Machado, R. Q., Buso, S. E.; Pomilio J. A. Sistema Conversor Mono-Trifásico de Alta Qualidade para Aplicações Rurais e de Geração Distribuída 13] Machado, R. Q., Buso, S., Pomilio, J. A. and Marafão, F. P. (23). Eletronic Control of a Three-Phase Induction Generator Directly Connected to a Single-Phase Feeder, The 7th Brazilian Power Electronics Conference, COBEP, Fortaleza, Brazil USA, Sep. 23, pp ] CEPEL Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (22) SELEÇÃO DE SISTEMAS MRT - RER 5 15] CELPE (1978) Norma para Fornecimento de Energia Elétrica pelo Sistema Monofásico com Retorno por terra MRT. NE 8. VI. BIOGRAFIAS José Rubens Macedo Jr. (Dr). Profissional do setor elétrico brasileiro entre os anos de 1998 e 29. Possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (1997), mestrado em Engenharia Elétrica pela mesma instituição (22) e doutorado em engenharia elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo (29). É Senior Member do The Institute of Electrical And Electronic Engineers - IEEE. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Qualidade da Energia Elétrica. Atualmente é professor da Universidade Federal de Uberlândia. José Carlos de Oliveiras (PhD). Nasceu em Itajubá MG, Brasil. Graduou-se e obteve o título de Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), e de PhD pelo Instituto de Ciências e Tecnologia da Universidade de Manchester, em Manchester - Reino Unido. Atualmente, trabalha como pesquisador e professor na Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia (UFU). Tem lecionado e publicado sobre vários assuntos relacionados com Sistemas Elétricos de Potência e Qualidade da Energia Elétrica. Juliane Cristina de Oliveira Fandi (MSc). BSc e MSc pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU). É professora do departamento de Engenharia Elétrica da UFTM Universidade Federal do Triângulo Mineiro e doutoranda em Engenharia Elétrica, na área de Dinâmica de Sistemas de Potência, pela UFU. Isaque Nogueira Gondim. Nasceu em Araporã MG, Brasil. Graduou-se em Engenharia Elétrica na Universidade Federal de Uberlândia (UFU) onde, atualmente, cursa o doutorado e atua como pesquisador nas áreas de Sistemas Elétricos de Potência e Qualidade da Energia Elétrica.