Condicionadores Ativos de Potência para Mitigação de Problemas de Qualidade de Energia Elétrica em Instalações Industriais

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1 J.G. Pino, Henrique Gonçalves, João L. Afonso, Condicionadores Aivos de Poência para Miigação de Problemas de Qualidade de Energia Elérica em Insalações Indusriais. Revisa Robóica, nº 90, pp , Condicionadores Aivos de Poência para Miigação de Problemas de Qualidade de Energia Elérica em Insalações Indusriais J.G. Pino, Henrique Gonçalves, João L. Afonso Cenro Algorimi Universidade do Minho Guimarães, Porugal Noa Inroduória Os condicionadores aivos são equipamenos baseados em elerónica de poência que permiem miigar de forma dinâmica diversos problemas nas ensões e nas correnes do sisema elérico, conribuindo efeivamene para a melhoria da produividade das indúsrias, reduzindo os prejuízos provocados pelos problemas de Qualidade de Energia Elérica. Inrodução Os avanços na área das microecnologias verificados nas úlimas décadas permiiram o desenvolvimeno de semiconduores de poência mais rápidos e com menores perdas de operação. A uilização deses componenes elerónicos possibiliou a oimização de processos produivos ao nível do rendimeno, conrolabilidade e cuso, permiindo inclusive a execução de arefas aneriormene inimagináveis. Com a massificação da produção, os preços baixaram, e a proliferação deses componenes elerónicos foi de al forma acenuada que aualmene esão presenes na grande maioria dos equipamenos eléricos. Conudo esa evolução ecnológica não acarreou só vanagens, uma vez que os disposiivos baseados em semiconduores de poência são responsáveis por provocar diversos problemas nos sisemas eléricos. A preocupação com o bom funcionameno dos sisemas eléricos eseve na origem do ermo Power Qualiy, usualmene raduzido para poruguês como Qualidade de Energia Elérica. Exisem diversas definições para o que são os problemas de Qualidade de Energia Elérica, de enre as quais pode-se desacar: Qualquer problema manifesado na ensão, correne ou variação da frequência que resule numa falha ou mau funcionameno em equipamenos do uilizador. Esudos realizados por organizações inernacionais corroboram que a qualidade da energia elérica é um faor fundamenal para o aumeno da produividade das empresas, sendo iso ão mais verdadeiro quano maior o grau de uilização de novas ecnologias nos processos produivos. Segundo o EPRI (Elecric Power Research Insiue) os problemas relacionados com a qualidade de energia e 1

2 inerrupções de fornecimeno cusam à economia dos Esados Unidos mais de 100 mil milhões de euros por ano. De acordo com o European COPPER Insiue - Leonardo Energy Iniiaive, o cuso dos problemas de qualidade de energia elérica na Europa é esimado em mais de 150 mil milhões de euros por ano. Os condicionadores aivos de poência são equipamenos elerónicos que permiem compensar de forma dinâmica o faor de poência das insalações e simulaneamene miigar diversos problemas de qualidade de energia nas ensões e nas correnes do sisema elérico, nomeadamene, cavas (subensões de cura duração), subensões, sobreensões, harmónicas, e desequilíbrios, conribuindo aivamene para um ambiene favorável à laboração das empresas, e para a redução dos prejuízos provocados por ese ipo de problemas. Filro Aivo Paralelo Um Filro Aivo Paralelo (FAP) é usualmene aplicado nas insalações eléricas do consumidor com o objeivo de compensar as harmónicas de correne, os desequilíbrios de correne e o faor de poência de uma carga ou conjuno de cargas. Exisem opologias de FAP a quaro fios desinadas a sisemas com neuro, que para além das caracerísicas aneriores, permiem ambém eliminar a correne de neuro a monane da insalação. Como resulado da operação do FAP, ao compensar as harmónicas de correne, a disorção da ensão na rede elérica ambém diminui, ao mesmo empo que se reduzem as perdas nos conduores de alimenação. Na Figura 1 apresena-se o diagrama de blocos de um filro aivo paralelo. Eses equipamenos funcionam como uma fone de correne conrolada, fornecendo à rede elérica a poência reaiva e as harmónicas de correne consumidas pela carga, compensando ambém os desequilíbrios de correne nas fases. Rede Elérica Carga Filro Aivo Paralelo Figura 1 Diagrama de blocos de um Filro Aivo Paralelo. 2

3 Pela ação do filro aivo paralelo as correnes a monane do pono de insalação passam a ser equilibradas, sinusoidais e em fase com as ensões. Saliene-se que as correnes a jusane do pono de insalação coninuam disorcidas e desequilibradas, e por esse moivo o filro aivo paralelo deve ser insalado o mais próximo possível das cargas problemáicas, confinando os problemas a uma zona resria, salvaguardando a resane insalação. Exisem diversas opologias de condicionadores baseados na operação conjuna de filros aivos do ipo paralelo com filros passivos. Essa combinação é uilizada normalmene para reduzir a poência dos inversores de poência dos filros aivos, com visa à minimização de perdas de operação e à redução do cuso final da solução. Filro Aivo Série Um Filro Aivo Série (FAS) funciona como uma fone de ensão conrolada, ligada em série com a ensão da rede elérica. Um FAS permie compensar harmónicas de ensão, cavas, sobreensões ransiórias, fluuações de ensão e desequilíbrios de ensão nas fases. Na Figura 2 apresena-se o diagrama de blocos de um FAS. Rede Elérica Filro Aivo Série Carga Figura 2 Diagrama de blocos de um Filro Aivo Série. Pela ação do FAS as ensões na carga passam a ser sinusoidais e equilibradas, mesmo com as ensões da rede elérica disorcidas e desequilibradas. Desa forma um FAS de poência elevada deve ser insalado na enrada da insalação para melhorar a qualidade da ensão de alimenação de odas as cargas. Em alernaiva, unidades de poência menor podem ser insaladas em ponos específicos para melhorar a qualidade da ensão de alimenação de uma carga ou conjuno de cargas mais sensíveis. É imporane salienar que um filro aivo série não possui elemenos armazenadores de energia (como possui uma UPS), e como al não consegue proeger as cargas conra subensões prolongadas e falhas de energia. Não obsane poder funcionar isoladamene, a uilização do FAS aparece quase sempre associada com filros passivos do ipo paralelo. A combinação do FAS com filros passivos permie não só melhorar o desempenho do FAS, mas ambém reduzir ou eliminar os problemas de ressonância, adjacenes à uilização de filros passivos. 3

4 Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (UPQC) Um condicionador unificado de qualidade de energia (Unified Power Qualiy Condiioner - UPQC) resula da operação combinada de um condicionador aivo do ipo série com um condicionador aivo do ipo paralelo. Ese ipo de condicionador permie combinar num único equipameno as caracerísicas de compensação de correne de um filro aivo paralelo e as caracerísicas de compensação de ensão de um filro aivo série. Na Figura 3 apresena-se o diagrama de blocos de um UPQC. Rede Elérica Condicionador Aivo Série Carga UPQC Condicionador Aivo Paralelo Figura 3 Diagrama de blocos de um Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (UPQC). Pela ação do UPQC as correnes a monane do pono de insalação passam a ser sinusoidais, em fase com as ensões e equilibradas pelas 3 fases. As ensões da carga passam a ser sinusoidais, equilibradas e com a ampliude preendida. Apesar do UPQC não uilizar elemenos armazenadores de energia, permie compensar subensões e sobreensões em regime permanene. Para compensar as subensões o condicionador paralelo absorve da rede elérica a poência aiva injeada pelo condicionador série. Para compensar sobreensões, o condicionador série absorve poência aiva que deverá ser devolvida à rede pelo condicionador aivo paralelo. Caso Real de Aplicação de um Filro Aivo Paralelo No âmbio de um projeo demonsrador de ecnologia liderado pelo Grupo de Elerónica de Poência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho foram desenvolvidos e esados em ambiene real de operação filros aivos do ipo paralelo. A ecnologia de filros aivos paralelos desenvolvida pelo GEPE no âmbio do projeo SINUS, foi indusrializada e esá a ser comercializada pela Efacec Engenharia de Sisemas. Na Figura 4 apresenam-se as formas de onda das ensões e das correnes do 4

5 lado da fone e do lado da carga, com respeivo especro harmónico, regisadas numa insalação indusrial onde um filro aivo paralelo foi insalado. Como se pode ver, as correnes do lado da carga apresenam uma disorção harmónica oal (THD) na ordem dos 60%, desacando-se sobreudo as harmónicas de 5ª e 7ª ordem. Pela ação do filro aivo paralelo as correnes do lado da fone ficam praicamene sinusoidais e em fase com as ensões, apresenando um THD inferior a 3% nas 3 fases. O faor de poência oal (TPF) da insalação foi corrigido de 0,82 para a unidade. Figura 4 Formas de onda das ensões e das correnes do lado da fone e do lado da carga, com respeivo especro harmónico, numa insalação indusrial com filro aivo paralelo. Conclusões A uilização de semiconduores de poência permiem melhorar a conrolabilidade e eficiência dos sisemas produivos, conudo a sua proliferação em provocado a degradação das formas de onda das ensões e das correnes nos sisemas eléricos, originando uma série de problemas que se alasram desde o pono de produção aé ao pono de consumo, afeando inclusivamene o próprio sisema de ranspore e disribuição de energia. Os condicionadores aivos de poência apresenam-se como uma solução efeiva para miigar grande pare deses problemas, conribuído aivamene para a redução dos 5

6 prejuízos causados pelos mesmos. Conudo, é essencial uma aposa maior na invesigação e divulgação deses equipamenos para que passem a ser adoados em grande escala, conribuindo para uma melhoria generalizada da Qualidade de Energia Elérica. Agradecimenos Ese rabalho é financiado por Fundos FEDER aravés do Programa Operacional Faores de Compeiividade COMPETE e por Fundos Nacionais aravés da FCT Fundação para a Ciência e a Tecnologia no âmbio do projeo PTDC/EEA-EEL/104569/