Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Caixa Postal Campinas Brasil

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1 SISTEMA CONVERSOR MONO-TRIFÁSICO DE ALTA QUALIDADE PARA APLICAÇÕES RURAIS E DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA RICARDO Q. MACHADO 1, SIMONE BUSO 2 E JOSÉ A. POMILIO 1 1 Uniersidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Caixa Postal Campinas Brasil ricardom@dsce.fee.unicamp.br 2 Uniersidade de Padoa Departamento de Engenharia da Informação Via Gradenigo 6/B Pádua - Itália simone.buso@dei.unipd.it Resumo Este trabalho descree um método para a conexão direta entre um sistema monofásico e outro trifásico. Como principais aplicações pode-se considerar sistemas rurais de pequeno porte. Mesmo para este tipo de consumidor, a necessidade de energia se expande para além da simples alimentação de motores de indução, com crescente necessidade de energia de boa qualidade para alimentar cargas sensíeis como: computadores, equipamentos de comunicação e eletrodomésticos, etc. Tanto a conersão mono-trifásica quanto a manutenção da qualidade da energia é feita por um inersor trifásico do tipo PWM. Diferentemente da solução tradicional, na qual existe uma dupla conersão da energia, o que reduz o rendimento do sistema, a proposta apresentada processa penas parte da potência consumida pela carga. O sistema compensa a distorção harmônica da carga local, regula a tensão e a freqüência e garante, para a rede monofásica, um fator de potência próximo da unidade. Adicionalmente o sistema podo operar com fontes de geração distribuídas, sejam CA (como um gerador de indução sem controle de elocidade), sejam CC (como painéis solares ou células a combustíel). Resultados experimentais comproam o funcionamento do sistema. Abstract This paper describes a line-interactie single-phase to three-phase conerter. The typical application is in rural areas supplied by the single-wire with earth return. The traditional objectie of feeding a three-phase induction motor is not anymore the main concern for such conersion. Due to the eolution of the agro business, some of the local load (as electronic power conerters, computers, communication equipments, etc.) requires high quality power, intended as sinusoidal, symmetrical and balanced three-phase oltage. Additionally, to maximize the power got from the feeder, the system proides a unitary power factor to the feeder. A three-phase PWM conerter is used for this purpose. The power conerter does not process all the load power, as in the conentional solutions, but only the fraction necessary to regulate the three-phase bus oltage. The control strategy, design highlights and experimental results are presented. Palaras-chae Conexão mono trifásica, geração distribuída, controle digital, eletrificação rural, inersor PWM. 1 - Introdução A utilização de sistemas de alimentação monofásica em áreas rurais é uma opção de baixo custo e que se torna coneniente quando a carga alimentada é relatiamente baixa. Tais circuitos, no entanto, normalmente padecem de problemas de regulação de tensão, deido ao longo comprimento dos alimentadores, bem como de outros problemas de qualidade de energia, como distorção harmônica e baixo fator de potência.

2 A eolução tecnológica, no entanto, atinge também estes consumidores, para os quais a energia elétrica não é mais utilizada apenas para o acionamento de motores [1] e iluminação, mas também em uma quantidade crescente de equipamentos eletrônicos sensíeis a qualidade da energia que recebem. O sistema proposto neste trabalho conjuga a necessidade de obter uma alimentação trifásica simétrica e equilibrada com requisitos de qualidade da energia, entendidos como regulação da tensão, da freqüência e minimização de distorções harmônicas na tensão fornecida às cargas locais. Nas soluções tradicionais, a proposta é utilizar conersores PWM que processam duas ezes a potência solicitada: retificando a energia proeniente da rede monofásica e criando uma rede trifásica desacoplada da primeira [2-8]. Nesta proposta, mostrada na Fig. 1, o inersor PWM opera como uma fonte de tensão trifásica a qual impõe a tensão no barramento local, ao mesmo tempo em que controla o fluxo de potência pela rede monofásica. Com o emprego de noas técnicas de controle associado a microprocessadores e DSP s de alto desempenho é possíel eliminar um dos conersores. Com isso, tanto as perdas como os custos são minimizados, sem prejuízo na qualidade da energia entregue ao consumidor. Obsere que não há necessidade de uma fonte CC no inersor, pois tal conersor não processa potência atia, a qual é toda proeniente da rede monofásica. Desta forma minimiza-se a circulação de energia pelo conersor eletrônico. Consumidor local Barramento no qual está conectado o consumidor L S CA AB i monofásica monfásica Rede monofásica BC C con L con Filtro de saída C DC Conersor PWM Fig. 1 Sistema para conersão mono-trifásica. Este sistema possui outra característica interessante que é possibilidade de aumentar a capacidade de fornecimento local de energia, inserindo fontes alternatias tais como: geração hídrica (gerador de indução associado a uma turbina hidráulica), painéis fotooltaicos e células a combustíel. Esta associação de árias fontes com um alimentador monofásico representa o sistema híbrido de geração de energia mostrado na Fig. 2.

3 Consumidor local Máquina Primária Gerador de Indução CA AB i monofásica L S monfásica Rede monofásica BC Filtro de saída Conersor CC-CC L FC C con L con Fonte CC painél solar ou célula à combustíel i LFC C DC Conersor PWM Fig. 2 Sistema Híbrido para geração distribuida. 2 Operação Básica do Sistema A estratégia de controle faz a imposição de tensões simétricas, equilibradas e senoidais no barramento no qual o consumidor irá se conectar. Além disso, deseja-se que: i monofásica (corrente na rede monofásica) e (tensão na rede monofásica) estejam em fase ou defasadas 180 o, garantindo fator de potência unitário. A defasagem será de 180 caso haja uma fonte conectada ao consumidor local, injetando a energia excedente para a rede. Esta estratégia se baseia na operação do sistema elétrico interligado, no qual o controle do fluxo de potência atia pode ser feito pelo ajuste da diferença da tensão instantânea entre dois pontos, o que é conseguido tanto pela alteração dos alores eficazes quando da defasagem. O fluxo de potência depende tanto desta diferença quanto da impedância existente entre os pontos conectados [9-10]. Um dos objetios deste sistema é o de garantir ao usuário local energia de qualidade, que se exprime, dentre outras características, por uma tensão estabilizada. Ressalta-se que da capacidade do inersor impor a tensão local depende a capacidade de compensação automática de potência reatia e de harmônicas. Caso exista um gerador trifásico conectado ao barramento local, as tensões senoidais e equilibradas do barramento produzirão correntes do gerador senoidais e equilibradas. Ou seja, mesmo na presença de cargas desequilibradas, reatias e não-lineares, o GI mantém boas condições de operação. Uma análise semelhante pode ser feita para o lado da rede monofásica. Com isso, as componentes harmônicas da corrente da carga, e a potência reatia fluirão atraés do conersor PWM. Na realidade, como o conersor PWM possui uma impedância de saída finita (determinada pelo filtro passio de saída e pela lei de controle do inersor), haerá uma certa influência das

4 harmônicas tanto no GI e na rede. No entanto, com projeto adequado do filtro e do controle da tensão, este efeito pode ser suficientemente reduzido [9-10]. Caso, a demanda energética da carga seja menor do que as eentuais fontes locais podem fornecer, o excesso será eniado à rede monofásica. Caso a energia solicitada pela carga seja superior àquela gerada localmente, o sistema absore energia da rede, como mostra a Fig. 3. P monofásica Em relação à ariáel (potência atia absorida e/ou injetada na rede monofásica), caso o sinal seja positio, o ângulo β é positio e V AB (tensão de linha imposta pelo inersor) está adiantado em relação a V monofásica (tensão de linha na rede monofásica). Se o sinal for negatio, β também o é, e V AB estará atrasada em relação V monofásica. Em qualquer uma das situações, a tensão local V AB, será tal a produzir uma corrente pela linha que resulte em fator de potência unitário. V LS β V AB β V AB V LS Absorção de energia da rede Entrega de energia à rede Fig. 3 Diagramas fasoriais Conersão mono-trifásica 3 Resultados Experimentais Nesta primeira etapa são mostradas situações onde estão presentes rede monofásica e cargas locais. Tal estrutura foi chamada de conersão mono-trifásica, 3.1.A - Análise em Regime Permanente O sistema está alimentando uma carga resistia equilibrada com potência igual a 1800 W. Na Fig. 4 são mostradas as tensões trifásicas produzidas pelo inersor. Como esperado, tais tensões estão balanceadas e defasadas 120 o. Na Fig. 5, como a carga absore energia da rede monofásica, o resultado é um β negatio entre a tensão de linha nos terminais do inersor e a tensão da rede monofásica. A tensão aplicada à carga é senoidal e tanto a corrente quanto a tensão da rede monofásica possuem a mesma distorção. A B C -16 o β AB i monofásica Fig. 4 Alimentação de carga resistia equilibrada: Tensões trifásicas entregue ao consumidor (90V/di). Horizontal: 10ms/di. Fig. 6 Ângulo β (500mV = 45 ). Tensão no barramento CA e na rede monofásica (180V/di.). Corrente na rede monofásica (10A/di.). Horizontal: 10ms/di. A Fig. 6 mostra uma situação de carga trifásica equilibrada de 1500W. Como a fase C não

5 está conectada á rede, o suprimento de potência à carga conectada em tal fase depende de uma circulação de potência das demais fases. Dos 500 W necessários, cada uma das outras fases (A e B) suprem metade. Os alores medidos são ligeiramente superiores deido às perdas do conersor. Fig. 6 Fluxo de potência pelo inersor para alimentação de uma carga trifásica equilibrada. 3.1.B - Análise Dinâmica Para testar o comportamento dinâmico do sistema, uma carga linear monofásica de 500 W foi conectada entre as fases A e B. No momento em que tal carga é inserida, ocorre uma redução na tensão do barramento CA. Tal afundamento é determinado de acordo com os limites indicados pela ANEEL e rapidamente compensados pela atuação do controle da tensão CA atraés dos noos alores de ângulo β e amplitude de V AB. Com isso, o sistema absore uma quantidade adicional de energia da rede monofásica para suprir a carga que foi inserida [11]. As Figs. 7 e 8 mostram o desacoplamento conseguido entre os controles da tensão CA (que é ajustado isando obter em regime permanente FP unitário na rede monofásica) e o controle da tensão do barramento CC, a qual faz ajustes transitórios no ângulo β de modo a regular a referida tensão. Note que V AB não depende do alor instantâneo de V CC. Em outro teste, um motor de indução de ½ CV (sem carga mecânica) foi conectado ao barramento CA sem que houesse algum tipo de partida suae. No instante em que ocorre a inserção do motor, tanto a corrente proeniente da rede monofásica quanto a tensão do barramento CC sofrem alterações. Essas alterações podem ser mensuradas como um Δβ e, de acordo com a estratégia adotada de transitoriamente somente alterar o defasamento entre i monofásica e, a amplitude de V AB não sofre nenhuma alteração, como mostra a Fig. 9. Apesar da grande demanda de potência reatia durante a partida, não se obsera redução na tensão da carga. A Fig. 10 ilustra uma situação em que o sistema já retornou ao regime permanente isto é, muitos ciclos de rede após a partida do motor. A Fig. 11 apresenta o diagrama fasorial do sistema já em equilíbrio, podendo-se erificar o fator de potência praticamente unitário. A Fig. 12 mostra espectros de tensão e de corrente para a mesma situação da Fig. 11. Nestas medições foi utilizada uma fonte monofásica que não apresentaa distorção harmônica, o que explica as melhores formas de onda em relação aos resultados anteriores.

6 330V V CC VCC 0V ΔV AB AB i carga AB i carga Fig. 7 Tensão no barramento CC do inersor, V CC (180V/di). Tensão no barramento CA (200V/di.). Corrente de carga (2A/di.). Horizontal: 100ms/di. Fig. 8 Detalhes da figura 8: Tensão no barramento CC do inersor, V CC (45V/di). Tensão no barramento CA (200V/di.). Corrente de carga (2A/di.). Horizontal: 40ms/di. AB CC i motor Fig. 9 Partida de motor trifásico: Corrente na rede monofásica (20A/di). Tensão no barramento CA (500V/di.). Tensão no barramento CC (200V/di.). Corrente no motor (5A/di.). Horizontal: 50ms/di. Fig. 10 Tensão (100V/di) e corrente (10A/di.) na rede monofásica. Horizontal: 5ms/di. AB Fig. 11 Diagrama fasorial da tensão (180V/di.) e da corrente (10A/di.) na rede monofásica. Fig. 12 Espectro de, AB e.

7 3.1.C - Análise com Carga Não-linear Uma carga não-linear composta por um retificador trifásico não controlado consumindo 600 W foi conectada no barramento CA. A Fig. 13 demonstra a capacidade de compensação das harmônicas por parte do sistema. A referência interna e a tensão na rede monofásica estão superpostas, ilustrando o sincronismo entre as tensões produzidas pelo inersor e a rede. Também, determinou-se o THD tanto para V AB quanto para i carga e os alores medidos foram 2% e 40% respectiamente. A Fig. 14 mostra a tensão de referência do conersor PWM e a tensão produzida em seus terminais sendo que ambas estão superpostas. O inersor é capaz de suprir toda a distorção solicitada pela carga. Com isso, a corrente circulante pela rede monofásica permanece senoidal. O defasamento apresentado entre V monofásica e I monofásica resultou em um FP igual a 0,99. ref = * A = A AB i carga Fig. 13 Alimentação de carga não-linear: Tensão gerada internamente e tensão na rede monofásica (180V/di). Tensão no barramento CA (250V/di.) e corrente na carga (5A/di.). Horizontal: 5ms/di. Fig. 14 Alimentação de carga não-linear: Tensão de referência e tensão filtrada no barramento CA (360V/di). Tensão (100V/di.) e corrente (10A/di.) na rede monofásica. Horizontal: 5ms/di. 3.1.D - Variação de Carga Não-linear Nesta situação o sistema possui inicialmente um carregamento igual ao apresentado no item 3.1.C. Em um determinado instante adicionou-se 600 W ao retificador trifásico. O controle da tensão do barramento CC do conersor PWM identificou tal ariação e rapidamente alterou β para que o sistema absoresse da rede monofásica a energia adicional. Após este degrau de carga, FP e THD permaneceram os mesmos do item anterior, Fig. 15. i carga fonte Fig. 15 Alimentação de carga não-linear: Corrente de carga (10A/di.). Tensão no barramento CA (180V/di.). Corrente na rede monofásica (10A/di.). Horizontal: 10ms/di.

8 3.1.E - Operação sob Variação de Freqüência Para erificar a capacidade do sistema autar sob ariação da tensão da rede, o que é feito Poe meio de um PLL (phase locked-loop), foi imposta na rede monofásica um degrau de 0,5 Hz quando nos terminais do conersor PWM estaa conectada uma carga linear trifásica de 1300 W. O sincronismo entre ref e é rapidamente obtido deido à performance do PLL. Porém, tais ariações resultam em oscilações no fluxo de potência entre a carga + inersor e a rede monofásica. Esta ariação instantânea de freqüência altera β e produz perturbação no fluxo de potência que por sua ez causa alteração na tensão do barramento CC. O compensador PI da tensão do barramento CC possui como saída um Δβ que lentamente é ajustado. A Fig. 17 apresenta os mesmo resultados da Fig. 16 isto é, o sistema está em regime [12.] Note-se no entanto, que para o usuário praticamente não há perturbação, dado que a tensão no barramento CA permanece regulada e de freqüência controlada. ref = ref = p monofásica p monofásica i monofásica = monofásica i monofásica Fig. 16 Variação da freqüência da rede: Tensão gerada internamente e tensão na rede monofásica (360V/di). Potência instantânea na rede monofásica (2500W/di.). Tensão (250V/di.) e corrente (10A/di.) na rede monofásica. Horizontal: 50ms/di. 3.2 Geração Distribuída Fig. 17 Variação da freqüência da rede: Tensão gerada internamente e tensão na rede monofásica (360V/di). Potência instantânea na rede monofásica (2500W/di.). Tensão (250V/di.) e corrente (10A/di.) na rede monofásica. Horizontal: 10ms/di. Aqui foi inserido um gerador de indução, sem controle da turbina, ou seja, sem controle da potência gerada. O objetio é aumentar a capacidade do sistema. Em situações nas quais o consumidor rural estier auto-suficiente o mesmo poderá ender à concessionária local todo o excesso de energia, quando a legislação assim o permitir. 3.2.A - Análise em Regime Permanente O sistema alimenta uma carga resistia equilibrada com potência igual a 1800 W. A Fig. 18 apresenta a tensão de fase A e sua referência. Deido ao controle utilizado, o erro residual é quase nulo. Nestes testes a rede monofásica não é ideal (é a própria rede). O fator de potência medido entre e resultou em 0,99, com THD iguais a 2,2% e 2,28% respectiamente. V AB fonte i fonte Já para o THD encontrado foi 0,9%. A tensão produzida pelo inersor apresenta menor distorção que a rede local, de modo que se pode afirmar que a distorção na corrente da rede monofásica é essencialmente deida à distorção do próprio alimentador. Na Fig. 18, como a carga absore energia da rede monofásica, o resultado é um β negatio entre a tensão de linha nos terminais do inersor e a tensão da rede monofásica. Como esperado,

9 a tensão aplicada à carga é senoidal e tanto a corrente quanto a tensão da rede monofásica possuem a mesma distorção. Na Fig. 19 são apresentadas duas das tensões trifásicas produzidas pelo inersor, assim como as correntes de saída do gerador de indução. Como esperado, tais tensões estão balanceadas e defasadas 120 o, assim como as correntes do GI, o que significa uma operação equilibrada para o gerador. * A = A i A i C B A Fig. 18 Tensão de referência e filtrada nos terminais do GI (180V/di.). Tensão (100V/di.) e corrente (10A/di.) na rede monofásica. Horizontal: 10ms/di. Fig. 19 Tensões e correntes nos terminais do GI (100V/di). Horizontal: 10ms/di. 3 - Conclusões Foi apresentada uma noa proposta para conersão mono-trifásica com o objetio de minimizar o processamento da energia, aumentando o rendimento do sistema e, além disso, garantir energia de boa qualidade ao consumidor (tensões senoidais equilibradas e FP na rede monofásica igual a 1). Duas situações distintas foram mencionadas: uma utilizando rede monofásica+cargas+conersor PWM e outra, utilizando rede monofásica+cargas+conersor PWM+fonte alternatia de energia (gerador de indução associado a uma turbina hidráulica, painéis fotooltaicos e células à combustíel). Em ambos os casos são atingidos os objetios propostos. O conersor empregado na conersão é um inersor PWM usual, no qual foi alterada a estratégia de controle. Este sistema poderia utilizar plataformas disponíeis em inersores comerciais, o que possibilita soluções de baixo custo. Agradecimento Os autores gostariam de agradecer a CAPES e FAPESP (proc. BEX0277/02-9 e 00/ ) pelo suporte financeiro a este projeto. Referencias [1] Moncrief, W. A. (1996). Practical Application and Selection of Single-Phase to Three-Phase Conerters, 39th IEEE Rural Electric Power Conference, pp. D3-1 to D3-9. [2] Enjeti P. and Rahman A. (1993). A New Single-Phase to Three-Phase Conerter with Actie Input Current Shaping for Low Cost AC Motor Dries, IEEE Trans. On Industry Applications, ol. 29, no. 4, July/August 1993, pp [3] Lee, D-C; Kim T-Y; Lee G-M and Seok, J-K (2002) Low-Cost Single-Phase to Three-Phase PWM AC/DC/AC Conerters without Source Voltage Sensor, IEEE ICIT 02, Bangkok, Thailand, 2002, pp

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