CAPÍTULO 2. Análise da Ponte Conversora

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1 CAPÍTULO 2 Análise da Ponte Conversora Prof. Pós- DSc. José Eduardo Telles Villas Gabriel Celestino Higor Devellard João Victor da Costa Priscila Cunha Rafael Paes Leme Ricardo Chaves Victor de Oliveira

2 Objetivo Este trabalho tem como objetivo analisar o funcionamento de uma ponte conversora, identificar seus componentes e calcular seus parâmetros. Assim como apresentar os modelos de válvulas e os tipos de curto circuito em sistemas CCAT.

3 Introdução Os estudos sobre sistemas de corrente contínua foram motivados pela necessidade de transmitir grandes blocos de energia a grandes distâncias. Isso porque, a partir de certas distâncias, o custo de construção de uma linha de transmissão CA trifásica passa a ser maior que o uso de um circuito com dois polos. O primeiro sistema CCAT (Corrente Contínua em Alta Tensão) foi criado durante a segunda guerra mundial, porém devido ao grande conflito, não chegou a entrar em operação. O primeiro sistema operacional teve lugar em Gotland, na Suécia, em 1954 (KIM, et al., 2009). No Brasil, a primeira grande experiência com CCAT foi o elo de Itaipu.

4 Introdução Estrutura básica de um sistema elétrico de energia: Fonte: Ruth Leão, 2009

5 Característica Básica de um Sistema de Transmissão de Corrente Contínua Em um sistema CCAT, a subestação retificadora transforma corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC), que é transmitida por uma linha de transmissão até a subestação inversora, que realiza o processo contrário, transformando a CC em CA, alimentando, então, o sistema receptor.

6 Característica Básica de um Sistema de Transmissão de Corrente Contínua Na retificadora, é realizado um processo de chaveamentos eletrônicos sucessivos, disparados em momentos apropriados da tensão alternada, de modo que se obtenha uma tensão contínua, no terminal da conversora. Na inversora, o processo é o contrário. Os chaveamentos da tensão contínua são feitos em momentos apropriados, de tal forma que a mesma se combine com a tensão alternada. A característica da tecnologia CCAT é controlar a potência transmitida através das fontes de tensão reguladoras. Esse ajuste é feito pelo controle dos ângulos das conversoras ou dos taps dos transformadores. Visto a operação básica de um sistema CCAT, nos próximos itens serão apresentados os componentes das conversoras e sua teoria. Isto possibilita compreender a forma de operação do sistema de corrente contínua e obter suas equações matemáticas básicas.

7 Conversor O conversor usualmente é instalado numa construção chamada de sala de válvulas(ou valve hall em inglês). Inicialmente, sistemas HVDC usavam válvulas de arco de mercúrio, mas desde meados de 1970, dispositivos de estado sólido como tiristores foram usados. Sala de Válvulas na estação conversora de Heyday, parte do sistema de transmissão CC do rio Nelson no Canadá

8 Tiristor O componente fundamental em uma subestação conversora é chamado de tiristor: elemento semicondutor que funciona como chave, permitindo ou impedindo a passagem de corrente elétrica. Para que um tiristor opere no estado de condução, são necessários dois requisitos: A tensão do anodo deve ser maior que a do catodo; Deve ocorrer um pulso de disparo. O primeiro requisito ocorre normalmente em função da variação das tensões aplicadas ao longo do tempo nos dois terminais (catodo e anodo) do tiristor. Já o segundo requisito, o disparo, é função do sistema de controle, que comanda todo o processo de conversão. Quando a tensão de catodo é maior do que a tensão de anodo, o tiristor está no estado de bloqueio.

9 Sistema CCAT com Conversores Baseados em Tiristores Os filtros diminuem em grande parte os harmônicos criados no chaveamento e geram parte da potência reativa consumida pelos conversores.

10 Características do Sistema CCAT A alimentação CA dos conversores é feita por um Sistema Trifásico de Fem s senoidais, balanceadas e de sequência positiva. O conversor é conectado a estas fontes através de indutâncias de dispersão dos transformadores. No lado CC, um reator é instalado para manter a corrente perfeitamente contínua. As válvulas do Conversor apresentam resistência nula no sentido de condução e resistência infinita no sentido contrário. A ignição das válvulas ocorre em intervalos iguais a 1/6 do ciclo (60º).

11 Sistema CMM Em (PENG, et al., 1995) é presentado o conversor em cascata de submódulos em ponte completa, com aplicação voltada à instalação em derivação com a rede, como um STATCOM, conforme figura abaixo.

12 Sistema CMM Em (LESNICAR e MARQUARDT, 2003), nasce o CMM (Conversor Multinível Modular) com submódulos em meia ponte, como mostrado na Figura 4, para ser utilizado em sistemas CCAT. As principais vantagens dessa topologia frente ao VSC são: Menor perda por chaveamento; Tensões com menos conteúdo harmônico e maior capacidade de transmissão; Por sua característica modular, a manutenção é mais fácil devido ao uso de submódulos redundantes montados para entrar em operação sempre que um submódulo se danifica.

13 Circuito Equivalente Ponte Conversora Em um sistema CCAT, os tiristores são dispostos em pontes conversoras de 6 pulsos, sendo cada ramo formado por dois tiristores dispostos em série. Cada ramo de tiristores é conectado a uma fase, através de um transformador, formando um circuito trifásico.

14 Operação Ideal Sob estas condições o processo de comutação (ou seja, a passagem de uma válvula para outra) é instantâneo, e, portanto, não envolve atrasos não é considerado o efeito das indutâncias do transformador. Assim, o ângulo de comutação é zero. Além disso, o ângulo de disparo das válvulas é considerado nulo a princípio. E assim, os tiristores possuem o mesmo comportamento de um diodo. O processo de condução é sempre unidirecional em relação a corrente, e a cada instante as válvulas (tiristores) se tornam polarizados dois a dois, em seis instantes diferentes. Este processo em uma ponte de diodos depende da tensão aplicada na sua entrada. No caso de uma tensão CA trifásica, as válvulas superiores conduzem quando sua tensão de fase é maior em relação às outras fases e as válvulas inferiores conduzem quando sua tensão é a mais negativa, comparada com as outras fases. A seguir serão apresentadas as situações das válvulas 1 e 2 conduzindo, 2 e 3 conduzindo e 1, 2 e 3 conduzindo simultaneamente.

15 Válvulas 1 e 2 conduzindo Nas fases (Lado CA) ia(t)= -ic(t)= Id(t) ib(t) = 0 Equações de Correntes Nas válvulas (Lado CC) i1(t) = i2 (t)= Id(t) i3(t)= i4(t) = i5(t) = i6(t) = 0 Equações de Tensões Na Inversora: Vdo = Vc Va = Vca = Em.cos(wt +30 ) Na retificadora (Válvulas): V1(t)=V2(t)=0 V3(t)= EBA = Em. cos (wt -90 ) V4(t)= V5(t) = ECA = Em. cos (wt -150 ) V6(t)= ECB = Em. cos (wt +150 )

16 Válvulas 2 e 3 Conduzindo Equações de Correntes Nas fases (Lado CA) ib(t)= -ic(t)= Id(t) ia(t) = 0 Nas válvulas (Lado CC) i2(t) = i3 (t)= Id(t) i1(t)= i4(t) = i5(t) = i6(t) = 0 Equações de Tensões Na Inversora: Vdo = Vb Vc = Vbc = Em. cos(wt +150 ) Na retificadora (Válvulas): V3(t)=V2(t)=0 V1(t)= EBA= Em. cos(wt -90 ) V4(t)= ECA= = Em. cos(wt -150 ) V5(t) = V6(t)= ECB = Em. cos(wt +150 )

17 Válvulas 1, 2 e 3 Conduzindo Simultaneamente

18 Modelos de Válvulas O uso de válvulas HVDC, para conexões com mais de 100km, tem se mostrado economicamente vantajoso, mesmo com acréscimo de custo dos conversores. Além do mais, o uso dessas conexões tem crescido em aplicações que necessitam de transposições marítimas. A utilização de CA, em condições submarinhas, limitam a capacidade transmissão de energia devido aos efeitos capacitivos dos cabos trifásicos. Válvula suspensa de tiristores em sistema HVDC

19 Modelos de Válvulas Válvula suspensa de tiristores em sistema HVDC

20 Formas de Ondas I1(T) e I3 (T)

21 Formas de Ondas I1(T) e I3 (T) Se a corrente na válvula 1 não extinguir, a corrente nesta pode atingir a valores bastante elevados, cabendo lembrar que os tiristores não são projetados para suportar sobrecorrentes superiores a 10% sob pena ruptura por avalanche da barreira - Efeito Hall.

22 Valor Médio da Tensão na Saída do Retificador a Vazio Sem Controle de Ignição (α): têm-se as seguintes expressões para cálculo do valor médio da tensão na saída da retificadora e correspondente forma de onda.

23 Valor Médio da Tensão na Saída do Retificador a Vazio Com Controle de Ignição (α): o intervalo de variação do Ângulo de Ignição é de: 0º α 180º. A impossibilidade de se obter Ângulos de Ignição maiores prende-se ao fato de que, entre t = ta e t = tr, a f.e.m. eb(t) > ea(t). O efeito do Ângulo de Ignição (α) é reduzir o valor da Tensão Média Vd desde (+Vd a - Vd).

24 Tensão Vd para Diferentes Valores de (α)

25 Tensão Vd para Diferentes Valores de (α)

26 Relação entre Ângulo de Ignição (α)e Ângulo de Fase (Desprezando Comutação)

27 Tensão e Corrente na Saída do Retificador para Diferentes Valores de Ângulo de Ignição (α) O aumento do ângulo de ignição modifica a defasagem entre a tensão e a corrente alternada em uma das fases.

28 Tensão e Corrente na Saída do Retificador para Diferentes Valores de Ângulo de Ignição (α) O ângulo de ignição α desloca a onda da corrente e sua componente fundamental por um ângulo = α. Com α = 0, a componente fundamental da corrente (I a1 ) está em fase com a tensão e a. O conversor, operando como um retificador ou como um inversor, sempre consumirá potência reativa do sistema CA. Sendo assim, o ângulo entre as tensões e os respectivos componentes fundamentais das correntes, chamado de ângulo de deslocamento de fase ( ), é igual ao ângulo de atraso (α).

29 Operação Real: Considerando o Controle de Ignição (α) e a Comutação (μ) Devido à presença das indutâncias da Fonte C.A. e do Transformador da Conversora, a corrente não pode variar instantaneamente. Isso significa que durante um breve intervalo de tempo, existem duas válvulas do mesmo lado da ponte conduzindo ao mesmo tempo, isto é chamado de superposição. Assim, para operação real da conversora, têm-se a seguinte forma de onda real da tensão na saída do retificador:

30 Operação Real: Considerando o Controle de Ignição (α) e a Comutação (μ) A área hachurada Aμ representa a queda de tensão devido ao processo de comutação: Aμ A queda de tensão média é calculada dividindo esta queda de tensão pelo seu período de ocorrência (igual ao tempo de condução entre 2 válvulas): Aμ

31 Operação Real: Considerando o Controle de Ignição (α) e a Comutação (μ) O ângulo de comutação é modificado em função do valor da corrente na conversora e da tensão alternada. Para valores altos de corrente e tensões alternadas baixas o ângulo de comutação aumenta, o que é indesejado para a operação da transmissão CCAT, pois aumenta a possibilidade de falha de comutação e consequentemente, interrupção na transmissão. Em operação normal, μ situa-se entre 15º e 25º, mas, em condições de distúrbio, o valor deste ângulo pode ultrapassar 60º, fazendo com que possam existir intervalos em que mais de 3 válvulas estejam conduzindo simultaneamente. Em operação anormal, μ fica em torno de 60 e 120 e nesses valores de ângulo de comutação, três e quatro válvulas conduzem.

32 Valor Final de Tensão C.C. na Saída do Retificador Sem atraso (comutação ideal: μ = 0) e sem retardo Sem atraso (comutação ideal: μ = 0) e com retardo Com atraso (comutação ideal: μ 0) e com retardo

33 Circuito Equivalente para a Ponte Conversora

34 Equação de Regulação

35 Equação de Regulação para o Retificador e o Inversor

36 Limites dos Ângulos de Comutação e Extinção (α) e (γ) Desprezando os Efeitos da Comutação: Considerando os Efeitos da Comutação:

37 Limites dos Ângulos de Comutação e Extinção (α) e (γ) γ0 - Ângulo de extinção mínimo para desionização do arco (1º a 8º) Face à presença de harmônicos nas ondas de tensão, há necessidade de se prever um intervalo de tempo para a extinção completa da válvula e a ignição da válvula subsequente. α min - Limite mínimo para o Ângulo de Ignição (5º): Valor mínimo para α, de modo a evitar assimetria no disparo da válvula As válvulas são formadas por um conjunto série paralelo de tiristores, existindo capacitâncias virtuais entre estes, que atrasam o sinal de ignição enviado para cada tiristor, causando assimetria no disparo da válvula. Para eliminar este problema, instalam-se circuitos snubber (capacitâncias) de modo a tornar este retardo em um valor pré-fixado e dota-se o sistema de controle com um ângulo de disparo para α mínimo.

38 Variação do Ângulo de Disparo α

39 Formas de Onda no Retificador Forma de onda no lado C.A. na entrada do retificador Forma de onda no lado C.C. na saída do retificador Formas de Onda de corrente no Lado C.C (corrente na saída do Retificador e nos tiristores) e no Lado C.A (na entrada da Retificadora Fase ϕa)

40 Sequência de condução dos Tiristores durante um ciclo completo Durante o período de superposição, o nível de tensão DC decresce à medida que o tempo de atraso aumenta. Este atraso provoca na onde de saída, um dente característico como pode ser observado abaixo:

41 Sequência de condução dos Tiristores durante um ciclo completo

42 Sequência de condução dos Tiristores durante um ciclo completo

43 Sequência de condução dos Tiristores durante um ciclo completo

44 Sequência de condução dos Tiristores durante um ciclo completo

45 Tensão na saída do Retificador e na saída da Inversora Fonte: Clampower, 2012

46 Curtos-Circuitos em sistemas CCAT No caso de sistemas LCC, quando ocorre um curto-circuito no lado CC, como ilustrado na Figura abaixo, o sistema de controle reverte o fluxo de energia de modo que a estação retificadora passa ser inversora no intuito de desenergizar o elo e rapidamente eliminar a corrente de curto-circuito. Curto-circuito entre polos aplicado a um LCC

47 Curtos-Circuitos em sistemas CCAT No caso do VSC, não é possível reverter o fluxo de energia, pois os diodos em antiparalelo com chaves permitem um caminho livre para a corrente de curtocircuito, como é mostrado na figura abaixo. Devido a isso, para proteger o sistema contra o defeito é necessária a atuação dos disjuntores CA, que costumam demorar cerca de 100 ms para responder à detecção do curto-circuito, dependendo da classe de tensão do sistema. Curto-circuito entre polos aplicado a um VSC

48 Curtos-Circuitos em sistemas CCAT No caso do CMM com submódulos em meia ponte observa-se comportamento semelhante ao VSC, como mostrado na Figura 8. Sistemas comerciais de CMMs (GEMMELL, et al., 2008) utilizam um tiristor de acionamento ultrarrápido em paralelo com os terminais de cada submódulo para proteger os diodos de potência. Curto-circuito entre polos aplicado ao CMM

49 Bibliografia VILLAS, José. Sistemas de Transmissão em Corrente Contínua em Alta Tensão (CCAT). Rio de Janeiro: [s.n.], SATO, Andre. Transmissão de Potência em Corrente Contínua e Corrente Alternada: Estudo Comparativo. 90 p. Trabalho acadêmico (Graduação em Engenharia Elétrica) Universidade Estadual Paulista, CARVALHO, José. Estudo dos Modelos do Elo CCAT no Programa Anatem. 114 p. Trabalho acadêmico (Graduação em Engenharia Elétrica) Universidade do Estado do Rio de Janeiro, FERREIRA, José. Transmissão em Corrente Contínua com Conversor Multinível Modular em Ponte Semicompleta. 89 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Universidade Federal do Rio de Janeiro, POMILIO, J.A. Eletrônica de Potência (Conversores CA-CC Retificadores). São Paulo: [s.n.], 2014.