Mitigação de Efeito Flicker por Meio de Compensação Série do Tipo Indutância Negativa

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1 Miigação de Efeio Flicker por Meio de ompensação Série do Tipo Induância Negaiva Leonardo de raújo Silva, Sérgio Pires Pimenel e José nenor Pomilio Resumo Ese arigo apresena uma aplicação de compensação série para miigação de efeio flicker. compensação se baseia na sínese de induância negaiva, ao invés da aplicação de capaciores. vanagem dese méodo é que impede-se o surgimeno de ressonâncias em siuações ransiórias que podem surgir devido a ineração dinâmica da linha com o elemeno de compensação. induância negaiva é sineizada uilizando a écnica de Sínese Direa de Reaâncias, enquano sua realização é feia por meio da opologia de conversores muliníveis em cascaa assimérica. Mosra-se que é possível ober a regulação desejada de ensão no pono de acoplameno comum quando se em uma variação na correne da carga que, sem compensação, produziria uma aleração muio significaiva na ensão. omprova-se a não ocorrência de ressonâncias nos ransiórios. Um arranjo eperimenal de baia poência foi implemenado para comprovar o funcionameno do sisema, com o conrole realizado por meio de um Processador Digial de Sinais. Palavras-have Flicker; Inversor Mulinível; ompensação série; Induância negaiva. I. INTRODUÇÃO PRELHOS como fornos eléricos a arco, aparelhos de soldagem, bombas e compressores, devido à caracerísica variável da correne elérica, em baia freqüência, podem provocar o surgimeno de fluuações de ensão na rede. Um dos principais problemas desas variações de ensão é que, ao alerarem a inensidade luminosa de alguns ipos de lâmpadas (especialmene as incandescenes) produzem o chamado efeio flicker, ou cinilação luminosa. impressão no observador humano de um efeio incômodo ocorre quando esa variação luminosa se dá na faia aé 3 Hz, com máima sensibilidade em 8,8 Hz. Nese pono, variações no valor eficaz da ensão de alimenação de uma lâmpada incandescene ão pequenas como,% já aingem o limiar de irriabilidade do indivíduo. s normas específicas que realizam a medição dese efeio, incluem odo um processameno que procura reproduzir a Supore financeiro e maerial da Fundação de mparo à Pesquisa do Esado de São Paulo FPESP e Teas Insrumens. L. de raújo Silva, S. P. Pimenel e J.. Pomilio auam no Laboraório de ondicionameno da Energia Elérica (LEE), do Deparameno de Sisemas e onrole de Energia (DSE) da Faculdade de Engenharia Elérica e de ompuação (FEE) da Universidade Esadual de ampinas - UNIMP, Brasil ( anenor@dsce.fee.unicamp.br) sensibilidade do olho humano, assim como a resposa de uma lâmpada incandescene []. De forma análoga, mas sem oda a compleidade peculiar do processameno da medição do efeio flicker, há resrições específicas quano à variação de ensão []. Ouras cargas não lineares ambém podem produzir efeio de variação de ensão, desde que apresenem uma variação cíclica no pono de operação que impliquem numa aleração da ampliude ou da forma de onda da correne drenada da rede [3]. Embora o fenômeno de variação da ensão eseja direamene relacionado com a queda de ensão ao longo do alimenador, causado pela passagem da correne da carga, as esraégias de miigação dese efeio normalmene uilizam compensação em derivação, com a injeção de poência reaiva no pono de acoplameno comum (P) [4]-[6]. Disposiivos do ipo RT (Reaor onrolado a Tirisores) ou SV (Saic Volage ompensaor), por operarem na freqüência da rede êm dificuldade de fazer a compensação de variações que podem aconecer em freqüência não muio menor do que esa. lém disso, a regulação da ensão por eses méodos eige uma capacidade de poência reaiva da ordem de grandeza da poência da carga, o que pode ser um valor muio elevado, especialmene quando as cargas variáveis são fornos eléricos a arco ou ouras grandes cargas indusriais. alernaiva à compensação em derivação com conrole de reaivos é o uso de conversores com modulação em ala freqüência ou empregando a compensação série. Nese caso, a ensão a ser manipulada pelo conversor é pequena, da ordem da queda de ensão que ocorre na impedância do equivalene Thevenin do alimenador. Em princípio, no enano, oda correne da carga passa pelo compensador [7]-[9]. Dado que a impedância da rede em um comporameno induivo na freqüência da rede, a compensação série eige a presença de um elemeno capaciivo, o que raz dificuldades adicionais devido ao surgimeno de uma ressonância série que pode ser eciada pela fluuação da correne da carga, produzindo componenes especrais não harmônicas e que podem levar a uma deerioração ainda maior da qualidade da ensão suprida no P. Ese arigo apresena o uso de um compensador série baseado em inversor mulinível, com uma esraégia de conrole que sineiza uma induância negaiva a ser aplicada em série numa rede elérica.

2 omo vanagens poenciais do méodo proposo êm-se: o inversor mulinível é a opologia mais adequada para aplicações de ala poência; sineiza formas de onda senoidais, ou aproimadamene senoidais, com comuações em baia freqüência; induâncias negaivas eviam que haja ressonâncias e, conseqüenemene, apresenam melhor desempenho em siuações ransiórias; a auação do conrole pode ser rápida, permiindo a compensação do efeio de variação de ensão; o compensador elerônico não precisa processar oda a correne da carga, o que reduz ainda mais sua poência aparene em relação aos méodos radicionais de compensação em derivação. II. INVERSOR MULTINÍVEL Eisem inúmeras opologias de inversores muliníveis, odas caracerizadas por uma grande quanidade de inerrupores semiconduores, a qual cresce rapidamene na medida que aumena a quanidade de níveis desejados na ensão de saída. opologia que eige a menor quanidade de componenes em relação ao número de níveis da onda de saída é a cascaa assimérica, mosrada na Fig.. Para cada fase, em-se uma associação em cascaa de pones H, na qual pelo menos uma das ensões dos barramenos é diferene das demais. O número de pones H conecadas em série pode ser escolhido arbirariamene. Quando se em rês pones por fase, e as ensões nos barramenos são escolhidas na relação :3:9, o conversor é capaz de produzir uma ensão de saída com aé 7 níveis. Isso significa que, com o uso de uma esraégia de modulação adequada, que uiliza o número mínimo de comuações, conforme ilusrado na Fig., em que os insanes em que as chaves são comuadas são deerminados de forma precisa, é possível eliminar odas as harmônicas impares não riplas aé a harmônica de ordem 4 [-3] conforme pode ser observado no especro desa forma de onda na Fig. 3. i Lf () V 3 V V v, 3 () v, () v, () v ( ) Fig.. Represenação por fase de um onversor Mulinível em ascaa ssimérica com rês células. v v, v, v, Fig.. Formas de onda resulanes de modulação em baia freqüência do conversor em cascaa assimérica com ensões na relação (:3:9) Ordem Harmônica Fig. 3. Especro da ensão mosrada na figura com conversor em cascaa assimérica com ensões na relação (:3:9). Quando a aplicação do conversor não eige o fornecimeno de poência aiva, é possível operar no barrameno apenas com capaciores, o que facilia grandemene a realização do conversor. É preciso, no enano, a adoção de alguma esraégia de conrole para a regulação desas ensões [4-5]., Para permiir a regulação das ensões é necessário adoar uma esraégia de modulação mais fleível, que permia alerar os insanes de empo em que as chaves podem ser comuadas. Evenualmene, pode ser necessário ambém alerar a relação ideal das ensões para que se enha esados redundanes, o que acaba reduzindo a quanidade de níveis da ensão de saída e, consequenemene, aumenando a disorção harmônica. Uma alernaiva, para eviar esa maior disorção é realizar uma modulação por largura de pulso no módulo de menor ensão, no qual podem ser uilizados ransisores mais rápidos (IGBTs). Os inerrupores que operam em maior ensão e comuação em baia freqüência podem ser implemenados com IGTs, mais adequados em ais cincusnâncias. Fig. 4 mosra formas de onda resulanes em um conversor com relação de ensões,::6. Na Fig. 5 esá mosrado o especro em freqüência da ensão oal produzida pelo conversor, v. Disorção Harmônica Toal (DHT) da ensão, calculada aé a harmônica de ordem 5, é de apenas,7%. III. SÍNTESE DE INDUTÂNI NEGTIV realização de uma induância negaiva pode ser feia de diferenes maneiras [6-8]. O resulado final é que a correne de saída seja proporcional à inegral da ensão, com sinal inverido ou que a ensão produzida seja proporcional à derivada da correne, com sinal inverido. Nese esudo,

3 3 uilizaremos a segunda opção, de acordo com a écnica da Sínese de Direa de Reaância (SDR), na qual a ensão a ser produzida nos erminais do disposiivo é dada por: ( i ) d v = Lneg () d na qual, L neg é o valor de induância de referência que se deseja sineizar. v v, v, v, Fig. 4. Especro em freqüência da ensão produzida pelo onversor Mulinível ssimérico com as ensão na relação (,::6). mpliudes Normalizadas, V h /V, em db. principalmene devido ao aumeno do ganho com a freqüência. Para eviar problemas de ruído na deerminação da ensão a ser produzida pelo inversor, ao operador que calcula a derivada são adicionados pólos em sua função de ransferência, filrando os sinais fora da faia de freqüências de ineresse. lém disso, para eviar ressonâncias do filro de saída, foi implemenada uma realimenação de esados, como indica a Fig. 7 [9], a qual pode ser uilizada para alocar os pólos do sisema convenienemene. Nauralmene, as marizes, B e dependem do filro de saída uilizado e do sisema ao qual a induância negaiva esá conecada. onforme mosra a figura, o ermo R OMP é necessário para realizar o conrole do somaório das ensões nos barramenos do conversor e, em conjuno com o algorimo de conrole de desbalanço de ensão apresenado em [4], permie que odas as ensões sejam conroladas. v ( ) + - PI v ( ) L neg R OMP derivador p ps ( s + p )( s + p ) v ( ) v ( ) & i ( ) k + g + - B + + v ( ) k Plana - Fig. 7. Diagrama de blocos do sisema para sínese de induância negaiva pelo méodo SDR Ordem Harmônica Fig. 5. Especro em freqüência da ensão produzida pelo onversor Mulinível ssimérico, v, com as ensões nos barramenos na relação (,::6). mpliudes Normalizadas, V harmônica /V fundamenal, em db. Fig. 6 mosra o esquema simplificado do conversor, no qual é uilizado o inversor mulinível descrio na seção anerior. O filro de saída em como função principal minimizar as componenes especrais produzidas pelo inversor de modo a compaibilizar com eigências de normas de disorção da ensão, como a IEEE 59. i V onversor / v c Filro Passa-Baias Fig. 6. Esquema simplificado do inversor para sínese de induância negaiva. operação derivação envolve dificuldades de realização, v VI. RESULTDOS EXPERIMENTIS Fig. 8 mosra o conversor e seu filro de saída conecado em série com uma rede elérica. Nesa siuação, emos um sisema de ordem 3 e a realimenação de esados pode ser uilizada para deslocar o par de pólos sub-amorecidos da plana para a esquerda do plano compleo. O efeio do ouro pólo da plana é desprezível já que, nese caso, eise um quase cancelameno com um zero [8]. ensão sobre o capacior, v, é conrolada pelo inversor, que impõe a ensão v c. Desa forma, supondo que a relação enre v e i siga (), a resposa da rede coninuará endo um comporameno de primeira ordem, impossibiliando a ocorrência de ressonâncias em siuações ransiórias. lém disso, em regime permanene e para um dado valor de induância negaiva de referência, pode-se dimensionar a capaciância para que a correne pelo conversor, i Lf, seja mínima, o que minimiza a capacidade eigida dese disposiivo []. Para iso, basa escolhê-la de forma que sua reaância na freqüência fundamenal seja igual à reaância da induância negaiva sineizada: f = () ω Lneg na qual, ω é a freqüência fundamenal do sisema. s resrições quano à capacidade de ensão necessária para a realização da compensação em sisemas de ensão elevada

4 4 podem ser superadas aravés da uilização da compensação de forma disribuída, aravés de vários disposiivos de capacidade de ensão menor []. Noe-se que, em regime permanene senoidal, os efeios de uma capaciância e de uma induância negaiva são idênicos. s diferenças se dão nos ransiórios. Fig. 9 ilusra uma aleração no valor da induância negaiva no circuio da Fig. 7, no qual se pode noar a ausência de comporamenos oscilaórios. R s Gerador jωl s i R Lf L f R cf i Lf v f v f B o ensão, de forma que a ensão no P seja manida consane, independenemene da correne consumida pelas cargas. Diversos méodos podem ser uilizados para al conrole. Por eemplo, pode-se fazer um conrole em malha fechada da ensão no P. O evenual erro da ensão, processado por um compensador que deermina o valor desejado para a induância negaiva. Ese méodo em como inconvenienes o araso na compensação, uma vez que depende do cômpuo do valor eficaz da ensão e do compensador uilizado. Uma alernaiva que produz resposas dinâmicas mais rápidas é fazer o conrole a parir da correne, o que é possível desde que sejam conhecidos os parâmeros da rede, podendo-se deerminar o valor da induância negaiva necessária para regular a ensão no P, assim como o coeficiene de correção em função da correne. V V V jωl neg v c jω L neg onversor Mulinível ssimérico L S R S V D Barrameno Ininio P Fig. 8. onversor para sínese de induância negaiva em série a uma rede elérica. arga arga B i v Fig.. Diagrama esquemáico de compensação de flicker por induância negaiva. i Lf v Fig. 9. Variação no valor da induância negaiva (-8mH para -6mH). E Ls=448mH. cima: ensão (5V/div) e correne na linha (/div). baio: ensão (5V/div) e correne (/div) do inversor.. plicação na ompensação de Variação da Tensão Induâncias negaivas podem ser usadas com a finalidade de eviar que fluuações de ensão ocorram em um dado barrameno. O circuio da Fig. ilusra um caso simples em que o problema pode ocorrer. No circuio há duas cargas que são alimenadas no P. O chaveameno da carga B provoca uma mudança na ampliude da ensão do P, que pode provocar disúrbios indesejáveis na oura carga, al como mosrado na Fig.. Nesa figura, mosra-se a ensão no P e a correne em uma das fases durane o ransiório em que a carga B é ligada e desligada. O afundameno da ensão no P é de cerca de 7%. Supondo a coneão de uma induância negaiva de valor ajusável em série com a linha, pode-se conrolar a queda de Fig.. Diagrama esquemáico de compensação de flicker por induância negaiva. Fig. mosra o diagrama de conrole implemenado, no qual se faz o cálculo da correne de pico, de acordo com (3) e se ajusa o valor da induância de acordo com (4). Esa equação foi obida de forma empírica e é válida para os parâmeros pariculares dese circuio. Para que se possa empregar ese méodo de correção, deve-se adapá-la para cada aplicação. Noe-se que, diferenemene de ouras esraégias de correção de afundamenos de ensão, a esraégia proposa não requer fornecimeno de poência aiva. ssim, a operação dese compensador não eige a presença de fones de energia no lado do conversor.

5 5 i a i b i c 3 3 I pico = ia ib ic + i b ic (3) 3 3 Eq.(3) v () L neg R OMP v () + - PI I pico Eq.(4) L neg v (),7 = Ls + (4) I k g v ( ) pico derivador p ps ( s + p )( s + p ) Fig.. Diagrama de conrole para ajuse da induância negaiva. O sisema de conrole foi oalmene implemenado em um DSP TMS3F8, da Teas Insrumens. Foram desenvolvidas placas de sensores de ensão e de correne, bem como condicionadoras de sinal. Um sisema eperimenal rifásico de baia poência foi implemenado em laboraório para verificar a operação do sisema proposo. Os conversores muliníveis foram implemenados uilizando, para cada pone H, dois braços do inversor rifásico modular IRMX6UP6, composo por IGBTs, diodos, acionadores e proeções. Fig. 3 mosra resulados eperimenais de regulação da ensão no P em virude de uma aleração na correne da carga. De cima para baio, em-se a correne na rede, um sinal proporcional ao valor da induância sineizada, a ensão no P, a ensão produzida pelo conversor / e a correne pelo conversor. ssim que ocorre a aleração na carga (nese caso rifásica e equilibrada) começa a se dar uma aleração no valor da induância negaiva com o objeivo de maner regulada a ensão no P, o que se obém em uma fração de ciclo. i (/div) L neg (-8mH/div) v P (33V/div) v (33V/div) i (/div) -6mH B + + & k Plana i ( ) v ( ) -4mH Fig. 3. Formas de onda para compensação de ensão no P. De cima para baio: orrene oal da carga, valor da induância de compensação, ensão no P, ensão de saída do inversor e correne do inversor. O aumeno da induância negaiva, associado ao aumeno da correne pela rede, implica em um aumeno significaivo na ensão do conversor. Já a correne no conversor sofre aleração apenas no ransiório. onforme já foi dio, os valores de regime permanene da correne no conversor, anes e depois do ransiório, dependem da escolha da capaciância do filro. aso seja conveniene, pode-se, por eemplo, minimizar a correne em uma das duas condições de regime permanene. Os parâmeros usados nese eperimeno esão indicados na Tabela I. TBEL I PRÂMETROS DO SISTEM IMPLEMENTDO Filro de saída L f =3,57mH, R Lf =Ω f =34uF, R f =,96Ω Induor da linha L S =57,5mH, R s =,8Ω Resisências da carga = 46Ω, B = 438Ω Tensão na barra 3 V (eficaz) Tensões do V=V, V=33,3V, V3=V conversor Frequências do conrolador omuação: khz mosragem: 4 khz B. specos de Proeção uilização de compensação série em alimenadores eléricos eige uma série de procedimenos de segurança para eviar que falhas no equipameno ou a superação dos valores limies de ensão e correne produzam siuações de risco. Independenemene do ipo de compensador, seja ele com capaciores fios ou chaveados, capaciores conrolados a irisores (TS), ou disposiivos mais compleos, como o proposo nese arigo, as medidas de segurança e proeção são as mesmas e envolvem, essencialmene [9]: varisores para limiação de sobreensão, spark-gaps, inerrupores de bypass, associados a chaves seccionadoras que desconecam o disposiivo série e, ao mesmo empo, dão coninuidade à condução de correne pela rede. Tais disposiivos não foram implemenados no proóipo desenvolvido, uma vez que o objeivo dese rabalho foi verificar a eficácia do méodo de sínese de induância negaiva para compensação de flicker, e não desenvolver efeivamene um equipameno para al uso. IV. ONLUSÃO Ese arigo propôs um méodo de compensação da queda de ensão em alimenadores para eliminação do efeio da cinilação luminosa, ou flicker. O méodo é fundamenado na uilização de um disposiivo elerônico comuado, conecado em série com o alimenador e que é capaz se simular uma induância negaiva variável de forma a maner consane a ensão no P. Os resulados eperimenais indicam que o méodo de compensação, baseado em induância negaiva, apresena desempenho dinâmico basane esável e não oscilaório, que não pode ser conseguido com méodos radicionais que

6 6 uilizam capaciores devido sua ressonância com a linha. Ese fao confere à écnica proposa a capacidade singular de realizar compensação de pequenas variações de ensão de forma rápida e com ransiórios mínimos. Na implemenação, que uiliza o conversor mulinível assimérico, menos de 5% da ensão do conversor é chaveada em ala freqüência. lém diso, a coneão série e a uilização de um valor de capaciância adequado fazem com que a capacidade de ensão e correne requerida para o conversor esáico uilizado seja menor do que para ouros sisemas de compensação. Todos eses faores conribuem para que o impaco no rendimeno do sisema seja minimizado. Para a sínese de induância negaiva pelo méodo SDR foram resolvidos problemas de amorecimeno das ressonâncias do filro de saída e ambém de ruídos de ala freqüência associados ao procedimeno de derivação da correne. O efeivo uso de equipamenos dese ipo em aplicações série depende de inenso desenvolvimeno ecnológico e que foge ao objeivo dese arigo, o qual se concenrou em mosrar a viabilidade de realização de um disposiivo que se compore como uma induância negaiva conrolável. V. REFERÊNIS BIBLIOGRÁFIS [] IE-868: Flickermeer - Funcional and Design Specificaions. Inernaional Elecroechnical ommission, Subcommiee 77, 986. [] IE "Elecromagneic ompaibiliy (EM) Par 3-Limiaion of volage flucuaions and flicker in low-volage power supply sysems for equipmen wih raed curren 6." IE Technical ommiee 77, 994. [3] J.. Pomilio and S. M. Deckmann: Flicker produced by Harmonic Modulaion. IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 8, no., pril 3, pp [4] J. Jaskevich, O. Wasynczuk, L. onrad., mehod of evaluaing flicker and flicker-reducion sraegies in power sysems, IEEE Transacions on Power Delivery, vol. 4, pp , Oc [5] S. Poudel,; N. R. 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José nenor Pomilio é engenheiro elericisa, mesre e douor em Engenharia Elérica pela UNIMP. De 988 a 99 foi chefe do grupo de elerônica de poência do Laboraório Nacional de Luz Síncroron. Realizou eságios de pósdouorameno juno à Universidade de Pádua e à Terceira Universidade de Roma, ambas na Iália. Foi presidene da Sociedade Brasileira de Elerônica de Poência SOBREP e membro do comiê adminisraivo da IEEE Power Elecronics Sociey. ualmene é edior da revisa Elerônica de Poência e edior associado da IEEE Trans. on Power Elecronics e da revisa onrole & uomação. É professor Tiular da Faculdade de Engenharia Elérica e de ompuação da Unicamp, onde é docene desde 984. Dr. Pomilio é membro da SOBREP, da SB, da SBP e Senior Member do IEEE.