Regulador de Tensão com Comutador Eletrônico de Taps para a Compensação de Variações de Tensão de Curta Duração

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1 Regulador de Tensão com Comutador Eletrônico de Taps para a Compensação de ariações de Tensão de Curta Duração Mauricio Aredes, Lucas Frizera Encarnação, João Moor, Mauro do Sandro Reis, Luís Fernando C. Monteiro Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Centro de Tecnologia, Bloco I, Sala I-156, Caixa Postal 68504, CEP , Rio de Janeiro, RJ. Maria Jovita illela Siqueira Bandeirantes Energia S/A, Rua Bandeira Paulista, nº. 530, CEP , Chácara Itaim, São Paulo, SP. Celso Crespi Sanches ITB Equipamentos Elétricos, Rua Devanir Terence, Nº161, CEP Birigui - SP Resumo Os reguladores de tensão com comutadores eletromecânicos de taps vêm sendo utilizados nos sistemas de distribuição para garantir que os consumidores disponham de uma tensão dentro dos limites adequados as suas necessidades. De fato, a qualidade da energia elétrica está diretamente ligada aos níveis de tensão entregues aos consumidores. Contudo, a grande maioria dos equipamentos presentes tanto em indústrias quando em residências consistem em eletro-eletrônicos, os quais são sensíveis às variações de tensão de curta duração. Além disso, os reguladores de tensão com taps eletromecânicos não têm capacidade de atuar sobre estas variações de tensão de curta duração. Isso motivou a busca de novas tecnologias visando à concepção de um compensador que apresenta um tempo de resposta mais rápido em relação ao circuito de comutação eletromecânico, presente nos reguladores de tensão convencionais. Nesse contexto, é apresentada uma proposta de um Regulador de Tensão com Comutador Eletrônico de Taps (RECET). São apresentados resultados experimentais a partir de um protótipo laboratorial com objetivo de analisar a capacidade do RECET na compensação de ariações de Tensão de Curta Duração (TCD). Palavras-chaves Autotransformador Comutador Eletrônico de Taps, Regulador de Tensão, Tiristores e ariação de Tensão de Curta Duração. I. INTRODUÇÃO Os problemas de qualidade de energia relacionados com as tensões da rede elétrica estão associados, em grande parte, a variações de tensão ao longo do sistema elétrico. Nesse contexto, a utilização de reguladores de tensão é de grande importância para a manutenção dos níveis de tensão dentro dos limites especificados pela resolução 505/2001 da ANEEL [1]. Os reguladores de tensão são amplamente utilizados nos sistemas elétricos de distribuição. Estes equipamentos são baseados em comutadores eletromecânicos que possibilitam um bom desempenho na regulação da tensão em regime permanente [2] [3]. Além destes reguladores de tensão com taps eletromecânicos, há outros métodos que podem ser utilizados para regular a tensão da carga, dentre os quais podem ser citados os seguintes: Transferência de cargas para novos alimentadores; Aplicação de capacitores em subestações e/ou em alimentadores de distribuição; Aumento da bitola dos condutores ou número de fases em seções dos alimentadores; Instalação de novas subestações e alimentadores; Elevação do nível da tensão primária; Alterar a disposição das cargas nos alimentadores de modo que a corrente consumida em cada uma das fases seja equilibrada; Utilização de reguladores de tensão em subestações ou ao longo de alimentadores da rede de distribuição. Entretanto, estes métodos convencionais para a regulação da tensão apresentam uma dinâmica de tempo lenta, não sendo capazes, portanto, de compensar uma ariação de Tensão de Curta Duração (TCD). Nesse sentido, este artigo tem como objetivo apresentar um regulador de tensão com o circuito de comutação composto por dispositivos semicondutores do tipo tiristor. O tiristor pode realizar a mesma operação do comutador mecânico de forma mais rápida, e ainda comutar de forma não sequencial, saltando aleatoriamente de um nível mais baixo de tensão para um nível mais alto, ou vice-versa, de forma direta, sem necessidade de excursionar por todos os níveis intermediários. Além disto, o tiristor se caracteriza por apresentar uma dinâmica de comutação de 1/2 ciclo de onda o que é equivalente à cerca de 8ms, muito inferior que a dinâmica mecânica do comutador convencional. Com isso, este Regulador de Tensão com Comutador Eletrônico de Taps (RECET) tem a capacidade de compensar TCDs. Os resultados experimentais são apresentados para analisar a capacidade do RECET na compensação de TCDs. A realização do protótipo laboratorial se fez necessária, pois consiste na base para a implementação do protótipo industrial do RECET para sistemas elétricos em média tensão, que está em desenvolvimento. II. DESCRIÇÃO DO RECET A Figura 1 (a) mostra o diagrama unifilar da rede elétrica com o RECET conectado, e a Figura 1 (b) a foto do protótipo laboratorial do RECET. Conforme ilustrado na Figura 1 (a), a rede elétrica apresenta tensão fase-neutro com valor eficaz de

2 RECET 127 ariac RECET Carga S 48,4 ohms SE neutro 10 mh (a) Figura 1 Diagrama unifilar da rede elétrica com o RECET conectado (a) e protótipo laboratorial do RECET (b). 127 e a carga está representada por um circuito RL série (R = 48,4 Ω e L = 10 mh). Um ariac com potência nominal de 4,4 ka, para tensão de 220, está conectado entre a fonte de alimentação e o RECET. Este ariac, que foi utilizado para variar a amplitude da tensão v S, consiste na impedância da rede elétrica em análise. O circuito de potência do RECET, que está mostrado na Figura 2, é composto por 12 chaves estáticas e por um circuito eletromagnético do autotransformador. É importante comentar que na conexão das chaves estáticas mostradas na Figura 2 não estão ilustrados os circuitos passivos de proteção (snubbers), que são utilizados para atenuar variações de tensão elevadas (dv / dt) sobre os tiristores. Cada chave estática corresponde a dois tiristores em antiparalelo, o que resulta em um total de 24 tiristores. Esta conexão possibilita uma variação de 41 (quarenta e um) níveis de tensão, sendo 20 (vinte) delas em degraus positivos (diminuição de tensão de carga), 20 (vinte) em degraus negativos (aumento de tensão de carga) e 1 (um) nível zero, ou seja, sem compensação. Devido ao número máximo de degraus, positivo e negativo, serem de 20 (vinte), a relação de transformação das bobinas foi definida de forma a garantir que a excursão do menor nível até o maior nível de compensação ocorra gradualmente de acordo com o menor nível permitido. Sendo assim a relação de transformação da primeira bobina (1s) obrigatoriamente terá que ser de 3,93% (5), conforme estabelecido como degrau máximo permitido pelo padrão do fabricante. As relações de transformação das bobinas restantes são estabelecidas de forma a garantir que as variações de tensão não ultrapassem o limite de 3,93% por degrau. Nesse sentido, as relações das bobinas de taps foram definidas da seguinte forma: 1s (5 ), 2s (10 ), 5s (25 ) e 12s (60 ). Com este conjunto de bobinas, é possível obter (b) excursões de tensão do ponto mínimo (5 ) até o ponto máximo (100 ) de compensação, sempre garantindo que as mesmas ocorram em degraus de no máximo 5. O circuito eletromagnético do autotransformador é composto no total por três bobinas distintas. A bobina principal, normalmente denominada na literatura como bobina de excitação, está diretamente conectada a carga, enquanto as outras duas bobinas serão utilizadas pelo circuito comutador. O enrolamento de excitação é localizado no lado da carga, para que a carga não seja submetida às variações da tensão na fonte. Para este tipo de configuração, o regulador é especificado como sendo de excitação constante. Em relação às duas bobinas conectadas ao comutador 1s (5v) 2s (10v) 5s (25v) 12s (60v) Figura 2 Esquema elétrico do RECET. neutro Carga

3 Figura 3 Diagrama de blocos do algoritmo de controle. eletrônico de taps, ressalta-se que ambas possuem 3 (três) pontos de saídas, os quais são conectados as chaves estáticas. Devido a essa configuração, cada uma destas bobinas pode ser considerada como uma associação de 2 (duas) bobinas distintas em série, formando no total um conjunto de 4 (quatro) bobinas. Esta configuração possibilita a utilização de somente 1 (uma) até o máximo de 4 (quatro) bobinas. É importante comentar que esta topologia não permite que as bobinas conectadas em série sejam utilizadas com as suas polaridades invertidas entre elas. De fato, as bobinas 1s / 2s ou 5s / 12s, por exemplo, não poderão ser subtraídas entre si, pois do contrário as mesmas terão seus terminais externos curto-circuitados. III. ESTRATÉGIA DE CONTROLE A estratégia de controle do RECET é baseada apenas duas medições, tensão e corrente de saída do autotransformador, que são obtidas internamente a estrutura do regulador, conforme mostrado na Figura 2. A Figura 3 apresenta o diagrama de blocos da lógica de controle, a Figura 4 mostra o diagrama de blocos do fluxograma do sistema de controle e a Figura 5 mostra uma foto da arquitetura do sistema de Início Leitura da tensão e corrente Obtenção da fase da corrente Obtenção da amplitude da tensão Corrente passou por zero? Sim Busca a configuração de tiristores para que a saída fique em 1 p.u. Dispara tiristores Fim Figura 4 Diagrama de blocos do fluxograma do sistema de controle. Não Figura 5 Arquitetura do sistema de controle do protótipo laboratorial. controle do protótipo laboratorial. A arquitetura do sistema de controle é composta por placas para medição e condicionamento de grandezas elétricas (tensão S e corrente I S ), pelo microcontrolador do tipo DSP modelo TMS320LF2812 da Texas Instruments e pelo circuito de disparo. Este DSP, que apresenta a topologia Harvard modificada, tem como características básicas uma frequência de operação de 150 MHz (ciclo de máquina de 6,67 ns), conversor A/D com 16 entradas e resolução e 12 bits, operações matemáticas com até 32 bits, 12 saídas PWM, 56 pinos de entrada/saída, entre outros aspectos. Outras informações podem ser encontradas em [4]. O algoritmo de controle implementado no DSP consiste, basicamente, por dois circuitos de sincronismo do tipo E-PLL (Enhanced Phase Locked Loop) [5] [6] e por uma tabela prédeterminada de referência (LUT Look Up Table). Um dos circuitos de sincronismo é utilizado para determinar a componente fundamental da tensão monofásica (A 1 ) a partir da tensão do sistema elétrico ( S ), e o outro obtém o ângulo de fase da corrente (ω 1 t) a partir da corrente (I S ) medida. O valor calculado da componente fundamental da tensão monofásica é comparado com uma tabela prédeterminada de referência (LUT), que determinará o grupo de 4 (quatro) chaves estáticas mais adequado (I k ), entre as 12 (doze) chaves estáticas possíveis, que deverá conduzir, durante o próximo semi-ciclo de onda, para garantir a melhor regulação da tensão. O ângulo de fase da corrente em conjunto com a informação do grupo de chaves estáticas definido são utilizados pelo circuito de disparo para acionar os tiristores do circuito de potência (G k ). A partir das medições da tensão e da corrente é possível identificar o sentido do fluxo de energia. Esta informação é válida, pois cabe ao RECET a regulação da tensão de carga, que dependendo do fluxo de energia pode ser ajusante ( S ) ou a montante () ao regulador, conforme mostrado na Figura 1 (a). Caso haja uma manobra no sistema, que resulte

4 RECET Ligado t on Figura 6 Tempo de execução dos algoritmos do sistema de controle, representado numa base de tempo de 10 us por divisão. na mudança do fluxo de energia, uma manipulação é realizada na LUT capaz de mudar o ponto de tensão a ser regulado ( para S ou vice-versa). A Figura 6, mostra o tempo para execução destes algoritmos, que está representado por t on. A partir do resultado apresentado na Figura 6 observa-se que estes algoritmos são executados em 18 us, aproximadamente. Isto permite adquirir a tensão S e a corrente I S com uma freqüência de amostragem elevada (até 50 khz), o que contribui para um bom desempenho do sistema de controle. III. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Nesta seção estão descritos os resultados experimentais obtidos com o protótipo laboratorial RECET, que está conectado ao sistema elétrico descrito na seção II. Estes ensaios foram feitos com o objetivo de observar o desempenho do equipamento proposto para a compensação de TCDs. A análise do RECET foi observada a partir de 3 ensaios. No primeiro ensaio, cujo resultado experimental está mostrado na Figura 7 e denominado por Ensaio 1, foi feito um ajuste no ariac de modo que a tensão S tenha um valor eficaz de 105. Além disso, a carga descrita na Figura 1 (a) não está conectada. Com o RECET desligado, a tensão à montante é idêntica à tensão S, conforme era esperado. No transitório em que o RECET é ligado, a tensão da carga () tem a sua amplitude elevada de 105 para 127 (valor eficaz), em menos de 1 ciclo. Pode ser observado que não ocorreu distúrbio no sistema elétrico, no transitório em que o RECET foi ligado. De fato, como não há carga conectada ao sistema elétrico, o tiristor tem condições de entrar em condução a partir do instante em que o mesmo está diretamente polarizado. No segundo ensaio, cujo resultado experimental está mostrado na Figura 8 e denominado por Ensaio 2, não foram feitas alterações no ariac. Com isso, a tensão S teve uma pequena redução do valor eficaz de 105 para 102 devido à carga que está conectada ao sistema. Esta carga está descrita na Figura 1 (a). Com o RECET desligado, a tensão à S Figura 7 Resultados experimentais obtidos com o RECET (Ensaio 1). As tensões apresentam uma escala de 50 /div, e estão representadas numa base de tempo de 25 ms / div. montante é idêntica à tensão S, conforme era esperado. No transitório em que o RECET é ligado, a tensão da carga () tem a sua amplitude elevada de 102 para 127 (valor eficaz), em menos de 1 ciclo. É importante comentar que neste ensaio, quando o RECET é ligado, a tensão compensada apresenta uma variação de 80, aproximadamente, em menos de 1 ms. Esta variação de tensão (dv/dt) consiste num notch, que é devido à comutação da corrente da carga (I) entre os tiristores das chaves estáticas. Neste ensaio, o notch de tensão ocorreu somente no transitório em que o RECET foi ligado. De fato, como a tensão S não teve variações de amplitude durante este ensaio, a posição do tap manteve-se, não havendo, portanto, necessidade em alterar a combinação das chaves estáticas que estavam em condução. No terceiro e último ensaio foi analisado o desempenho do RECET Ligado Figura 8 Resultados experimentais obtidos com o RECET (Ensaio 2). As tensões apresentam uma escala de 50 /div e a corrente uma escala de 10 A/div. Estes resultados estão representados numa base de tempo de 5 ms / div S I

5 RECET Ligado Figura 9 Resultados experimentais obtidos com o RECET (Ensaio 3). As tensões apresentam uma escala de 100 /div, representados numa base de tempo de 25 ms / div. RECET para a compensação de uma sobretensão. Este ensaio está ilustrado na Figura 9 e foi denominado por Ensaio 3. A sobretensão foi provocada mediante ao ajuste feito do ariac. Com o RECET desligado, tanto a tensão ajusante ( S ) quanto a tensão da carga () apresentam um valor eficaz de 160, aproximadamente. No transitório em que o RECET foi ligado, a tensão da carga teve a sua amplitude reduzida de 160 para 126, em menos de 1 ciclo. I. CONCLUSÕES Este artigo apresenta um protótipo laboratorial de um equipamento alternativo para a compensação de ariações de Tensão de Curta Duração (TCDs). Os resultados preliminares, obtidos a partir de um protótipo laboratorial, indicam a potencialidade do mesmo na compensação tanto de subtensões quanto de sobretensões. De fato, a utilização de chaves estáticas compostas por tiristores em anti-paralelo, proporciona a rápida atuação do mesmo, além da sua simplicidade, robustez, e o baixo custo para implementação. S Contudo é necessária a realização de um maior número de testes e ensaios, principalmente a realização de ensaios com a utilização de cargas sensíveis, que consumam uma energia maior em relação à carga utilizada nestes ensaios preliminares. A utilização de cargas sensíveis se faz necessária, pois estas necessitam de uma tensão regulada a todo instante para que operem de forma adequada. Nos próximos ensaios devem ser utilizadas cargas conectadas em derivação ao sistema elétrico utilizado, ajusante ao RECET. De fato, nos ensaios realizados até o momento a tensão ajusante ao RECET foi alterada conforme ajustes feitos no ariac, de modo que antes do RECET ser ligado, a amplitude da tensão da carga já apresentava um valor abaixo do valor nominal. A realização destes ensaios consiste numa das etapas para o desenvolvimento de um protótipo industrial deste equipamento para sistemas em média tensão. No momento, os esforços para o desenvolvimento deste protótipo estão direcionados para o desenvolvimento de uma chave estática, para sistemas em média tensão, com uma tecnologia nacional. Os testes desta chave estática estão sendo feitos no Fabricante ITB, que é um dos parceiros para a implementação deste protótipo industrial. REFERÊNCIAS [1] ANEEL, Resolução n 505, novembro de 2001, [2] LESZCZYNSKI, J. T. oltage Regulation Selection in Power Distribution Design. Textile Industry Technical Conference, IEEE/1998, Greenville, USA, 1998, pp. 10/1-10/6. [3] LARSSON, T. & INNANEN, R. & NORSTRÖM, G. Static Electronic Tap-Changer for Fast Phase oltage Control. IEEE Electric Machines and Drives Conference Record, Milwauke, USA, 1997, pp. TC TC [4] Manual do DSP (Digital Signal Processor) modelo TMS320F2812 Texas Instruments. Literature Number: SPRS174K. Abril de 2001 Revisado em Junho de [5] KARIMI, G. & IRAANI, M. R. A New Phase-Locked Loop (PLL) System. Proceedings of the 44th IEEE-2001 Midwest Symposium Circuits and Sytems MWCAS 2001, ol.1, 2001, pp [6] KARIMI, G. & IRAANI, M. R. A Nonlinear Adaptive Filter On- Line Signal Analysis in Power Systems: Aplications. IEEE Transactions on Power Delivery, ol. 17, No. 2, April 2002, pp