Simulação de Circuitos Introdutórios ao Programa ATPDraw / EMTP

Transcrição

1 1 Simulação de Circuitos Introdutórios ao Programa ATPDraw / EMTP G. S. P. Marinho, estudante membro do IEEE, S. C. L. Freitas, estudante membro do IEEE, L. Zampellin, P. R. Almeida, J. C. Silva, estudante membro do IEEE, A. K. V. Silva, A. J. Prado Resumo--Este trabalho apresenta o estudo de simulações realizadas com o programa ATPDraw. A fim de introduzir o uso do ATP (Alternative Transients Program) do tipo EMTP (Electromagnetic Transient Program), foram simulados alguns circuitos básicos, apresentando análises sucintas do funcionamento destes em regime transitório e permanente. Com relação aos modelos simulados, destacam-se a representação de circuitos monofásicos, trifásicos, linhas de transmissão e chaves controladas por tempo. Os resultados são apresentados através de gráficos e comparações entre os modelos supracitados e validam a representação dos circuitos em conformidade com a teoria conhecida. Palavras-chave--ATPDraw, Circuito Monofásico e Trifásico, EMTP, Linhas de Transmissão, Regime Permanente, Regime Transitório, Simulação Computacional. O I. INTRODUÇÃO programa ATPDraw é uma ferramenta de grande flexibilidade e de grande importância na realização de estudos de transitórios em sistemas de potência, ou mesmo de estudos em regime permanente [1]. O ATPDraw possui uma interface gráfica que, à primeira vista, parece ser similar a qualquer outro software de simulação de circuitos elétricos. Mas, faz-se necessário uma explanação a respeito dos principais comandos, haja vista a existência de algumas particularidades pertinentes à sua utilização [2]. Neste trabalho simulam-se vários circuitos com o intuito de visualizar transitórios eletromagnéticos e aplicar os conceitos teóricos conhecidos. A evolução na complexidade do modelamento destes circuitos trouxe vários desafios e oportunidades, na medida em que solicitava diferentes variações de parâmetros. Com o estudo de várias simulações, pôde-se compreender melhor o comportamento e a forma de ajuste dos componentes utilizados nos circuitos simulados, principalmente: chaves e linhas de transmissão. Gisele S. P. Marinho ( gisele@ieee.org); Stefani C. L. Freitas ( stefani.clf@ieee.org); Leonardo Zampellin, ( leonardo_zamp@hotmail.com); Patrick R. Almeida, ( patrick Jadiel C. Silva, ( jadiel_silva@hotmail.com); Ana K. V. Silva, (anak_v_s@hotmail.com); Afonso J. Prado ( afonsojp@dee.feis.unesp.br). Todos os autores estão no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho UNESP/FEIS. Sito à Avenida Prof. José Carlos Rossi, 1370, Ilha Solteira, SP Brasil. É válido destacar que as simulações realizadas, servem para mostrar a potencialidade do programa ATPDraw em qualquer tipo de simulação e para incentivar o uso posterior do mesmo em diversas situações e linhas de pesquisa. II. CONSIDERAÇÕES SOBRE O ATPDRAW A ferramenta computacional utilizada, o ATPDraw versão 3.5p10, é um software livre derivado do ATP (Alternative Transients Program), do tipo EMTP (Electromagnetic Transient Program) apresentado como excelente software de simulação de transitórios eletromagnéticos em sistemas de energia elétrica (ou redes polifásicas). O método de cálculo é baseado na utilização da matriz de admitância de barras através da integração trapezoidal. Ao longo dos anos, o ATP sofreu inúmeras modificações, dentre elas destaca-se a codificação dos dados de entrada, que atualmente faz-se por meio de interface gráfica [1]. A essa evolução deu-se o nome ATPDraw, o qual permite a inserção de dados de modo facilitado através de blocos que correspondem a linhas de programação do ATP. O programa ATPDraw usualmente é utilizado como passo inicial para uma simulação com o ATP [3]. Com o programa ATPDraw é possível construir um circuito elétrico convencional, bastando para isso selecionar modelos prédefinidos dos principais elementos componentes de uma rede elétrica [2]. Tanto circuitos monofásicos quanto trifásicos podem ser construídos pelo ATPDraw, sendo possível utilizar-se de um diagrama unifilar simplificado para circuitos trifásicos complexos, não havendo a necessidade de se montar o circuito fase a fase. Isso oferece uma maior variedade de aplicações possíveis não encontradas em outros softwares de simulação de circuitos elétricos. Uma desvantagem do uso do ATPDraw é a necessidade de atualização dos dados no ambiente do programa sempre que houver qualquer alteração de circuito. Uma das razões para se utilizar este tipo de programa de simulação de transitórios eletromagnéticos é que apesar do sistema elétrico operar em regime permanente a maior parte do tempo, ele deve ser projetado para suportar as piores solicitações a que podem ser submetido, por exemplo, produzidas durante situações transitórias do sistema. Consequentemente, o projeto de um sistema de potência é determinado mais pelas condições transitórias do que pelo seu comportamento em regime permanente [4].

2 2 III. APRESENTAÇÃO DOS CIRCUITOS E RESULTADOS SIMULADOS A fim de visualizar algumas das aplicações na qual os programas do tipo ATP podem ser utilizados, é simulado neste trabalho diferentes circuitos e situações utilizando o ATPDraw. Os tópicos A, B e C, relacionados a circuitos RLC e chaveamento e o tópico D, contem a simulação de quatro casos relacionados a modelos de linhas de transmissão e a inserção de chaves controladas por tempo. Por fim, o tópico E apresenta simulações extras, com pequenas variações das simulações anteriores. A. Simulação de um Circuito RLC A Fig. 1(a) ilustra um circuito RLC alimentado por uma fonte AC, cujos valores inseridos na fonte e nos componentes são apresentados na Tabela I. A Fig. 1(b) mostra apenas a identificação dos nós do circuito modelado. Após a configuração dos dados da fonte, foi possível avaliar ambas as situações. Os gráficos ilustrados nas Figs. 2 e 3 representam as simulações em regime transitório e regime permanente, respectivamente, sendo que: A forma de onda em vermelho representa a tensão no indutor; A forma de onda em verde representa a corrente no indutor multiplicada por um fator de 300 para melhor visualização; A forma de onda em azul representa a tensão na fonte. Fig. 2. Tsta = 0: período transitório. Fig. 3. Tsta = -1: regime permanente. (a) Circuito simulado. (b) Identificação dos nós. Fig. 1. Circuito RLC. TABELA I DADOS DO CIRCUITO RLC SIMULADO. Fonte de tensão Indutor Capacitor Resistor entre os nós 1 e 3 Resistor entre o nó 3 e o terra 1pu/ 60 Hz 500 mh 1 uf 1,10-4 Ω 10 Ω A análise deste circuito foi realizada para duas situações diferentes: a) transitório causado pela energização da fonte; b) regime permanente. Para execução da simulação a fim de visualizar o período transitório e o regime permanente, ajustou-se o valor de TSta (Starting time in [sec.]) e U/I = 0 (valor correspondente a fonte de tensão). Com TSta = 0 foi possível visualizar o período transitório causado pela energização da fonte de tensão que alimenta o circuito. Com TSta = -1 pressupõe-se que a fonte já estava funcionando em regime permanente ao iniciarmos a simulação. Deste modo, é possível visualizar transitórios não devido a energização da fonte, mas sim devido a chaveamentos, curtos-circuitos e outros distúrbios. A título de exemplo, pode-se citar um circuito que possua duas fontes de tensão e onde se deseja visualizar o transitório causado pela energização de apenas uma delas. Para isso uma das fontes ficaria com TSta = -1 e a outra, causadora do distúrbio ficaria com TSta = 0. O início do funcionamento da fonte a partir de t=0s, Fig. 2, introduz respostas transitórias observadas pela variação da amplitude e frequência da tensão e corrente do indutor. A Fig. 3, por sua vez, apresenta a fonte em funcionamento desde o tempo -1s indicando regime permanente. Comparando os transitórios inseridos pela fonte quando esta é cossenoidal e senoidal o instante em que o transitório é introduzido no sistema influencia diretamente nos valores das amplitudes das tensões e correntes. Nota-se que o pior caso ocorre quando o distúrbio é inserido no instante em que a função passa pelo seu máximo positivo ou negativo. Em vista disto, os equipamentos devem ser dimensionados para suportar tais esforços de tensão e corrente. A Fig. 4 ilustra o circuito RLC da Fig. 1(a) conectado a uma fonte AC através de uma chave controlada por tempo, cujos valores inseridos na fonte e nos componentes são os mesmos apresentados na Tabela I e que é utilizado para a próxima simulação. Fig. 4. Circuito RLC chaveado.. Analisando o circuito e utilizando as mesmas configurações foram simuladas diferentes tempo de fechamento da chave S1. Para que a energização da fonte não seja o fator de criação do transitório configuramos a fonte com TSta = -1 e para que não ocorra a abertura da chave, configura-se um tempo de fechamento maior que o tempo máximo de simulação. O gráfico ilustrado na Fig. 5 representa as formas da corrente no indutor com tempos de fechamento da chave em 10 ms e 5 ms e em 0,02 s e 0,007 s na Fig. 6.

3 3 TABELA II DADOS DAS CHAVES S1 E S2. Tempo de fechamento da chave S1 0,008s Tempo de abertura da chave S1 1s Corrente de margem da chave S1 0 A Tempo de fechamento da chave S2-1s Tempo de abertura da chave S2 0,0016s Corrente de margem da chave S2 0,05A Fig. 5. Corrente do indutor com chave fechando em 10 ms em verde e em 5 ms em vermelho. A margem de corrente é configurada quando deseja-se que a chave abra quando a corrente através dela atingir uma determinada faixa de valor, tanto positivo quanto negativo. Se este valor for 0, a chave abrirá (para o tempo de abertura) quando a corrente passar por zero. Caso a margem de corrente seja diferente de zero, a chave abrirá (após o tempo de abertura) quando a corrente estiver dentro da faixa, ou seja, entre mais ou menos o valor inserido. O gráfico ilustrado na Fig. 8 representa as formas da corrente no indutor com diferentes tempos de fechamento das chaves e correntes de margem. Fig. 6. Corrente do indutor com chave fechando em 0,02 s em verde e em 0,007 s em vermelho. Os diferentes tempos de chaveamentos apresentados revelam a importância do instante de fechamento de uma chave. Dependendo deste momento a oscilação de tensão e corrente no circuito pode atingir valores altos e comprometer a isolação do equipamento e sua vida útil. Assim, de forma geral, os fechamentos de chaves tende a exigir uma menor amplitude de oscilação quando a mesma é fechada em instantes cuja tensão ou a corrente de alimentação esteja próxima de zero, ZVS (Zero Voltage Switching) ou ZIS (Zero Current Switching). Com a análise das Fig. 5 e 6, pode-se então dizer que o deslocamento no tempo de atuação da chave pode piorar ou melhorar as oscilações. Assim o tempo de atuação pode influenciar ativamente na estabilidade do sistema. Para analisar a variação da margem de corrente na atuação das chaves, o circuito é adaptado conforme ilustra a Fig. 7. A Tabela II apresenta os dados de fechamento, abertura e corrente de margem das chaves S1 e S2. Fig. 8. Corrente do indutor com chave S1 inicialmente aberta e fechando em 0,008s (vermelho) e com chave S2 inicialmente fechada e abrindo em 0,016s com corrente de margem em 0,05A (verde). A Fig. 9 ilustra o circuito RLC paralelo com duplo chaveamento que é simulado em seguida. A Tabela III apresenta os dados do sistema. Fig. 9. Circuito RLC duplamente chaveado. TABELA III DADOS DO SISTEMA SIMULADO. Fonte Rampa Capacitor 50 µf Indutor 500 mh Resistor entre os nós 3 e 4 0,0001Ω Resistor entre nó 4 e terra Variável Fig. 7. Circuito RLC chaveado adaptado com duas chaves. Considerando a Tabela IV que apresenta de maneira sucinta a configuração das chaves S1 e S2, foram simuladas situações com resistências variáveis a fim de analisar o valor das mesmas para amortecimento crítico do sistema. Os valores

4 4 estabelecidos para resistência variável foram 10Ω, 50Ω e 500Ω e os resultados apresentados na Fig. 10. TABELA IV DADOS DAS CHAVES S1 E S2. Tempo de fechamento da chave S1 0 Tempo de abertura da chave S1 0,005 s Corrente de margem da chave S1 5 A Tempo de fechamento da chave S2 0,0051 s Tempo de abertura da chave S2 1 s Corrente de margem da chave S2 5 A O modelamento das linhas de transmissão é classificado, quanto à natureza de seus parâmetros: constantes ou variáveis com a frequência. As opções de modelos de linha disponíveis no ATPDraw são Bergerron, PI, J.Marti, Noda e Semlyen. A opção escolhida foi a J.Marti devido este ser o único modelo ensaiado para um caso real sendo adequado para estudos de transitórios. Após ter sido criado e salvo o arquivo que representa a linha de transmissão, os dados editados tornam-se fixos. Estabelecida toda a configuração do modelo de linha de transmissão, inicia-se o processo de simulação para quatro sistemas sugeridos. O primeiro sistema simulado é ilustrado na Fig. 12. Fig. 12. Linha 1 simulada. Fig. 10. Tensão no resistor considerando R=10Ω (vermelho), R=50Ω (verde) e R=500Ω (azul) com tempo máximo de simulação de 0,1s. O sistema amortece criticamente quando a resistência é igual a 10 Ω. Para os valores configurados de 50 Ω e 500 Ω o sistema oscila de forma superamortecida e subamortecida respectivamente. B. Linha de Transmissão Inicialmente é escolhido o modelo da linha de transmissão para realização da simulação apresentada na Fig. 11. Estas configurações servem de base para todas as simulações realizadas. Fig. 11. Modelo da Linha de transmissão. Posteriormente, são estabelecidas as configurações da linha, que servirão de base para todas as simulações realizadas nesta seção. A Tabela V apresenta os dados da linha de transmissão. Como a simulação trata-se de uma linha de transmissão trifásica, é possível escolher quantas e quais as fases deseja-se analisar. A fonte de tensão simulada é considerada ideal. Observa-se então que esta suporta qualquer condição de falta sem apresentar oscilação. Assim, justifica-se a forma de onda puramente senoidal ilustrada da Fig. 13. Fig. 13. Tensões no terminal inicial da LT1. A Fig. 14 apresenta a forma de onda das tensões medidas do terminal final da linha de transmissão. TABELA V DADOS DA LINHA DE TRANSMISSÃO. Diâmetro interno do condutor Diâmetro externo do condutor Flecha dos condutores Resistência do condutor Altura dos condutores A e C Altura do condutor B Diâmetro do cabo para-raio Flecha do cabo para-raio Resistência do cabo para-raio Altura do cabo para-raio Comprimento da Linha 0,93 cm 2,52 cm 13,43 m 0, Ω/km 24,07 m 27,67 m 0,9144 cm 6,40 m 4, Ω/km 36,00 m 500 km Fig. 14. Medição no terminal final da LT1. Observa-se que no terminal final da linha as tensões medidas aparecem desequilibras e distorcidas. Este fato decorre dos efeitos de refração e reflexão nos extremos da linha. Para o segundo sistema simulado, descrito na Fig. 15, foram adicionados dois Splitters. Este componente

5 5 proporciona a abertura do sistema trifásico, permitindo a inserção de componentes adicionais nas fases do sistema. Foi também adicionada uma chave controlada por tempo com abertura estabelecida em 0.03 segundos. As tensões no terminal inicial da linha 3 são perfeitamente senoidais, pois a fonte que alimenta a linha é uma fonte ideal. A Fig. 19 apresenta as tensões medidas no terminal final da linha 3. Fig. 15. Linha 2 simulada. Após a abertura da chave em 0.03 segundos, a tensão da fase A no terminal inicial da linha se deforma, tornando-se aperiódica até o ponto de desenergização total, como visto na Fig.16. As tensões das fases B e C mantêm suas amplitudes e defasagens. Fig. 16. Tensões no terminal inicial da LT2. A Fig. 17 ilustra as tensões medidas no terminal final da linha. Fig. 19. Tensões no terminal final da LT3. No início da simulação é possível notar o desequilíbrio das tensões mensuradas devido a não transposição da LT. Após o fechamento da chave em 0.03 segundos a fase A é curtocircuitada. As tensões das fases B e C sofrem um forte impacto apresentando distorções e desequilíbrios, tendendo a um equilíbrio suave em torno de 0.08 segundos. Para o quarto sistema simulado, descrito na Fig. 20, foi adicionado um Splitter no terminal final da linha. A chave controlada por tempo no circuito é inserida somente na fase B. O tempo de fechamento da chave é o mesmo do circuito anterior, ou seja, 0.03 segundos. Fig. 20. Linha 4 simulada. As tensões no terminal inicial da linha 4 são perfeitamente senoidais, pois como no caso anterior, a fonte que alimenta a linha é uma fonte considerada ideal, assim visto na Fig. 13. A Fig. 21 apresenta as tensões medidas no terminal final da linha 4. Fig. 17. Tensões no terminal final da LT2. O efeitos da abertura da chave no terminal final da linha começam a acontecer em torno de segundos. Neste ponto de medição todas as tensões estão fortemente comprometidas, resultando em desequilíbrios, variação de amplitudes e distorções das ondas. Para o terceiro sistema simulado, descrito na Fig. 18, foi adicionado um Splitter no terminal final da linha. Foi também adicionada uma chave controlada por tempo na fase A com fechamento em 0.03 segundos. Fig. 18. Linha 3 simulada. Fig. 21. Tensões no terminal final da LT2. Após o fechamento da chave em 0.03 segundos a fase B é curto-circuitada. As tensões das fases A e C apresentam menos distorções quando comparado ao caso anterior devido a ocorrência da falta no instante em que a tensão estava próximo de zero.

6 6 IV. CONCLUSÕES O trabalho desenvolvido e aqui apresentado foi uma introdução ao software ATPDraw, o qual permite um estudo aprofundado dos alunos e pesquisadores que buscam modelar redes reais de um sistema de potência e, analisar sua operação sob as mais adversas situações, permitindo a decodificação dos sinais de tensão e corrente gerados para monitoramento da rede e identificação de quando e onde acontecem distúrbios. É importante ressaltar que o estudo de transitórios pode ser realizado através de chaves ou fontes, dependendo do objeto de estudo. Isso possibilita a avaliação de casos reais, comportamento do sistema durante faltas, contingências, e outros casos, proporcionando assim, analisar a estabilidade do sistema de potência e dos esforços provocados nos elementos do mesmo. Com relação ao principal objetivo do trabalho de simulação realizado, verificou-se que os resultados obtidos estão em conformidade com a teoria estudada e, portanto, validam mais uma vez o ATPDraw como importante e confiável ferramenta para estudos de sistemas de potência, em condições normais ou adversas. V. REFERÊNCIAS [1] Anotações de Aula Transitórios Eletromagnéticos: Simulação e Análise por meio de Aplicativos do Tipo EMTP. 3º. Trimestre 2011, PPGEE, UNESP, Ilha Solteira-SP [2] H. L. C. A. Fonseca, M. F. Leal, Análise de Transitórios Eletromagnéticos utilizando o ATPDraw. Faculdade de Tecnologia, UnB, Brasília, [3] R. M Azevedo, M. G. Rodrigues, O.O. Filho, Modelagem do circuito de Ensaio de Geração de Arco Elétrico no ATP, XII ERIAC, Argentina, [4] A. D Ajuz, C. S. Fonseca, F. M. Salgado J. A. Filho S. O. Frontin, Transitórios Elétricos e Coordenação de Isolamento., EDUFF, Rio de Janeiro, Brasil, VI. BIOGRAFIAS Gisele S. Parmezzani Marinho, estudante membro do IEEE, nasceu em Andradina (SP), Brasil. Graduou-se e recebeu título de Mestre em Engenharia Elétrica na Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (FEIS/UNESP) em 2005 e 2011 respectivamente. Atualmente é discente de Doutorado em Engenharia Elétrica na FEIS/UNESP. Suas principais pesquisas são sobre microrredes, qualidade de energia e fontes renováveis de energia. Leonardo Zampellin nasceu em Americana (SP), Brasil. Graduou-se em Engenharia Elétrica na Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (FEIS/UNESP) em Atualmente é estudante de Mestrado em Engenharia Elétrica na UNESP. Suas principais pesquisas são sobre FACTS, qualidade de energia e fontes renováveis de energia. Patrick R. de Almeida nasceu em Dourados (MS), Brasil. Graduou-se em Engenharia Elétrica na Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (FEIS/UNESP) em Atualmente ele é estudante de Mestrado em Engenharia Elétrica na UNESP. Suas principais pesquisas são sobre FACTS, qualidade de energia e fontes renováveis de energia. Jadiel C. da Silva, estudante membro do IEEE, graduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade de Marília (UNIMAR) em 2007 e mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (2010). Atualmente é aluno de Doutorado em Engenharia Elétrica da FEIS/UNESP. Sua área de pesquisa está relacionada à Estabilidade Transitória de Sistemas de Energia Elétrica e Linhas de Transmissão. Ana K. V. da Silva nasceu em Cassilândia (MS). Graduou-se em Sistemas de Informação nas Faculdades Integradas de Paranaíba (FIPAR) em É especialista em Gestão Empresarial com Ênfase em Marketing e Recursos Humanos (FIPAR). Atualmente é estudante de Mestrado em Engenharia Elétrica na UNESP. Suas principais pesquisas são na área de Automação Residencial. Afonso J. do Prado desenvolveu seu Mestrado (1995) na Faculdade de Engenheira de Ilha Solteira (FEIS/UNESP). É Doutor (2002) em Engenharia Elétrica pela Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação UNICAMP. Atualmente, desenvolve pesquisa na área de fenômenos transitórios eletromagnéticos em sistemas de potência. É professor substituto do DEE/FEIS/UNESP e credenciado junto ao programa de Pós-graduação desse departamento. Coordena projeto de Jovem Pesquisador financiado pela FAPESP. Stefani C. L. Freitas, estudante membro do IEEE, nasceu em Ituiutaba (MG), Brasil. Graduou-se em Engenharia no ano de 2008 pela Universidade do Estado de Minas Gerais (UEMG). Mestre em Engenharia Elétrica na Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (FEIS/UNESP) em 2011 e é aluna de doutorado nesta mesma universidade com pesquisa em áreas relacionadas à implementação de supressores de distorções harmônicas.