INTRODUÇÃO
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Os sistemas de potência devem ser planejados e operados de forma a fornecer aos seus usuários níveis de qualidade dentro dos padrões internacionalmente definidos, sendo o nível de tensão um importante fator a ser considerado. A demanda crescente de potência dos sistemas elétricos tem levado os especialistas a tratar o controle da potência reativa e da tensão com mais rigor, principalmente em sistemas elétricos com características radiais e sazonais. Neste contexto, surgiram inúmeras soluções, algumas tradicionais (por exemplo, unidades de capacitor automático e compensadores síncronos) e outras envolvendo as mais modernas técnicas da eletrônica, como é o caso dos modernos UPFC’s (Unified Power Flow Controller’s). Para algumas necessidades específicas, tais como áreas com baixa densidade populacional, como encontradas em muitas linhas de transmissão rurais, o uso de compensadores eletrônicos é atrativo tecnicamente, contudo, a exigência de manutenção, associada ao alto custo, pode torná-los uma solução proibitiva. Para tais aplicações, o desafio consiste em achar uma alternativa mais simples, econômica e robusta, em que o dispositivo tenha baixo custo de manutenção e
um bom desempenho efetivo. Conciliando estes aspectos, nasce a idéia de se utilizar um dispositivo eletromagnético, o qual já foi empregado no início dos anos 70 quando a tecnologia dos semicondutores era embrionária. O citado compensador estático fundamenta-se numa combinação de um núcleo magnético com características e enrolamentos especiais e um conjunto de capacitores em série e paralelo com o mencionado dispositivo. A isto se atribui a boa eficiência na regulação da tensão e pequeno tempo de resposta, robustez do equipamento e reduzida manutenção. Essas características adicionadas ao baixo custo em comparação às alternativas eletrônicas tornam estes dispositivos atrativos para uso em sistemas elétricos como acima mencionados.
Este tipo de compensador estático se diferencia bastante dos compensadores baseados na eletrônica, pois não emprega tiristores ou mesmo qualquer sistema de controle a fim de exercer sua função básica. O CERNS tem o seu núcleo de forma fechada como de um transformador, sem enrolamento de potência no secundário. Os compensadores a reator à núcleo saturado são projetados para atingirem a saturação na tensão de operação, por isso suportam correntes de magnetização bastante elevadas. O funcionamento do CERNS baseia-se no fato de que o reativo consumido pelo conjunto formado pela carga e pelo compensador deve ser constante. Desta forma, tem-se um consumo de reativos procedentes da rede constante. Se houver variação na carga, a corrente no reator do compensador também varia, sendo mínima a plena carga e máxima a vazio. Por isto, diz-se que a sua reatância é auto-ajustável e não necessita de equipamentos de controle [1]. A finalidade desse equipamento é proporcionar o fornecimento ou absorção de potência reativa ao sistema de potência.
Além destes aspectos, vale a pena destacar que o emprego cada vez maior de cargas eletrônicas sofisticadas, com controles microprocessados, tem obrigado os fornecedores de energia elétrica a manter um alto padrão de qualidade do suprimento energético. Assim, de uma forma geral, o serviço de fornecimento de energia elétrica é considerado como sendo de boa qualidade,
quando garante, a custos viáveis, o funcionamento adequado, seguro e confiável de equipamentos e processos industriais, sem afetar o meio ambiente e o bem estar das pessoas. Dessa forma, qualquer desvio que possa ocorrer na magnitude, forma de onda ou freqüência da tensão e/ou corrente elétrica caracteriza uma rede elétrica com qualidade comprometida. Reconhecendo-se, portanto, a grande importância que o assunto qualidade da energia elétrica assumiu no cenário elétrico atual, vários estudos, pesquisas e desenvolvimentos vêm sendo conduzidos com o intuito de conhecer, assegurar ou mesmo melhorar os padrões de qualidade requeridas ao bom funcionamento dos sistemas elétricos [2].
1.2 O CONTEXTO DA PRESENTE TESE
Se, por um lado, os compensadores estáticos a reator à núcleo saturado (CERNS) proporcionam o aumento da confiabilidade de um sistema de transmissão e, também, da qualidade da energia fornecida pelo mesmo, através da solução de problemas como afundamentos e elevações de tensão, transitórios (amortecimento de oscilações), etc., por outro, a operação de tais equipamentos pode resultar na degradação de outros itens, tais como harmônicos. Dessa forma, assim como qualquer outra fonte geradora de distúrbios, tais efeitos devem ser investigados.
Além disso, uma vez que os referidos compensadores são conectados ao sistema de transmissão, como qualquer outra carga, o comportamento dos mesmos deve ser analisado, quando submetidos às condições adversas da qualidade de suprimento. O motivo disto é que os dispositivos de tais equipamentos fazem uso da tensão e da corrente do sistema CA, para que os mesmos possam desempenhar as suas funções corretamente.
Com base nestes aspectos, a proposta desta tese é então a investigação tanto da influência dos compensadores estáticos a reator à núcleo saturado na qualidade da energia elétrica, quanto da reação de tais equipamentos a uma rede
de suprimento com comprometimento do padrão de qualidade, tais como: afundamentos e elevações de tensão, distorções harmônicas, desequilíbrios, etc.
As análises relacionadas com os itens de qualidade da energia elétrica, quando da operação dos compensadores estáticos a reator à núcleo saturado (CERNS), bem como quaisquer estudos envolvendo grandes sistemas elétricos de potência, dependem, quase que inteiramente, da simulação digital do comportamento dinâmico dos mesmos. A simulação implica na existência de modelos matemáticos para uma grande variedade de componentes, do conhecimento de dados dos diversos parâmetros que constituem um sistema de potência e, finalmente, de bons programas de computador. Tais softwares devem ser dedicados a simulações específicas, tais como: fluxo de carga, harmônicos, transitórios eletromagnéticos, etc. Assim, diante da crescente necessidade de tais análises, é extremamente interessante que uma única ferramenta computacional seja capaz de realizar os mais diferentes estudos associados à engenharia elétrica. Neste particular, destaca-se o simulador SABER que, além de uma variada biblioteca, propicia, através de uma linguagem própria (Mast), a modelagem de qualquer componente eletro-eletrônico, mecânico, etc., no domínio do tempo. Além disso, o SABER possui características como grande versatilidade gráfica, capacidade de interconexão com rotinas elaboradas em outras linguagens de programação (C e Fortran), que permitem a execução de estudos mais complexos e análises mais ricas.
Deve-se ressaltar que, através da implementação dos modelos dos compensadores estáticos a reator à núcleo saturado no simulador SABER, além dos estudos relacionados com a qualidade da energia elétrica como um todo, avaliações em diferentes topologias e a possibilidade de diversos tipos de chaveamentos podem ser executadas.
Adicionalmente às contribuições acima relatadas, vale ressaltar que os trabalhos de validação, que passam necessariamente pela apresentação de um produto comercial ou um protótipo do dispositivo, encontraram sérias
dificuldades iniciais pela inexistência de um equipamento nos moldes aqui discutido. Isto resultou em esforços voltados para os aspectos conceituais, físicos e matemáticos dos CERNS, a definição construtiva e de projeto de um protótipo e, finalmente, a obtenção de um modelo real de dispositivo. Esta etapa, como conseqüência, trouxe expressivos ganhos e avanços para o domínio da tecnologia de um compensador já esquecido pela maioria dos profissionais atuantes no ramo.
1.3 ESTADO DA ARTE
O tema reator à núcleo saturado, no âmbito dos compensadores estáticos, é muito antigo, várias pesquisas e publicações tem sido encontradas e, portanto, neste momento, torna-se necessário relatar os resultados dos trabalhos de levantamentos bibliográficos executados.
Historicamente, a tecnologia de reatores saturados de múltiplos núcleos foi desenvolvida pelo Dr. E. Friedlander, provavelmente na década de 40, durante a segunda guerra mundial, com a finalidade principal de ser empregada como multiplicador de freqüência e gerador de trens de pulsos, para alimentação da grade de controle em retificadores à válvulas de mercúrio [3], [4], [5], [6].
A habilidade de um reator saturado de múltiplos núcleos em manter sua tensão terminal quase constante só foi aproveitada posteriormente, quando foi desenvolvido pela GEC (General Electric Company – Inglaterra) durante a década de 50, o primeiro compensador estático com emprego de reatores saturados, baseado na tecnologia de Friedlander. Como o material magnético até então utilizado, na construção dos núcleos do reator saturado era de qualidade inferior, verificava-se uma evidente precariedade no desempenho de tal equipamento, que se agravava ainda mais por suas características exageradas de peso e volume. Ao longo dos anos, cresceu a popularidade do reator saturado e uma série de pesquisas voltadas ao descobrimento de materiais magnéticos com
propriedades superiores foram desenvolvidas. Como conseqüência, núcleos magnéticos de alta qualidade foram obtidos, apresentando um ciclo de histerese quase que retangular, o que tornou possível a construção de equipamentos extremamente eficientes em relação aos anteriormente projetados, além de alta confiabilidade e longa vida [7]. Suas primeiras aplicações comerciais aconteceram na década de 60 para controle da flutuação de tensão, principalmente em indústrias siderúrgicas, dada a sua rapidez de resposta. Em seguida, ocorreram várias outras aplicações, inclusive em sistemas de transmissão, sendo que uma das mais importantes foi no sistema de transmissão de corrente contínua Cross Chanel ligando a Inglaterra à França [8].
A fabricação de compensadores estáticos com reatores saturados pela GEC permaneceu por um período de mais de 30 anos, ao longo dos quais ela forneceu aproximadamente 36 equipamentos deste tipo para vários tipos de aplicações, quer em sistemas industriais, quer em sistemas de transmissão [9], [10], [11], [12], [13].
Com o avanço da eletrônica de potência dos últimos anos, a GEC decidiu vender essa tecnologia para um instituto de projeto de aço na China, passando a fabricar apenas compensadores estáticos controlados por tiristor. De acordo com as referências [15] e [16] após os compensadores fornecidos pela GEC, tem-se conhecimento que outros do mesmo tipo foram fabricados e instalados na Austrália, embora não se saiba qual tenha sido o fabricante.
Como reporta a referência [17], devido à sua característica V x I extremamente linear na região saturada, que permite o controle da tensão nos seus terminais sem nenhum ajuste externo, o reator saturado tem sido utilizado desde 1964, para o controle da tensão e potência reativa das redes elétricas, tanto em sistemas industriais quanto em sistemas de transmissão de extra-alta tensão.
Nas indústrias, segundo a referência [14], onde ocorrem flutuações de tensão devido a cargas, tais como, fornos a arco, moinhos e motores de grande porte que partem bruscamente, os reatores saturados são conectados em paralelo
com as barras alimentadoras dessas cargas, fazendo o controle da tensão. Segundo a mesma referência, o reator saturado é um dos métodos para compensação de flicker devido à sua rapidez na resposta que é extremamente necessária nesses casos. De acordo com as referências [3], [8], [19], [20], [21] por ser um equipamento com excelente desempenho elétrico, o reator saturado vem sendo objeto de freqüentes pesquisas para ser utilizado na compensação shunt em linhas de transmissão em EAT e UAT.
Os conceitos e princípios básicos de funcionamento dos compensadores a reator à núcleo saturado são discutidos em [21], [23], [24] e [25]. Apesar de uma abordagem detalhada sobre a construção do reator twin-tripler usado no compensador a ser efetuada no Capítulo III desta tese, vale a pena comentar, neste ponto, que o mesmo proporciona regulação de tensão, através de um reator twin-tripler que absorve reativo do sistema e de um banco de capacitores paralelo que fornece reativo para a carga.
Quanto aos aspectos construtivos, de um modo geral, percebe-se que as publicações indicam preocupações quanto à injeção de harmônicos [19], [20] no sistema por parte dos compensadores a reator à núcleo saturado, resultando em variadas topologias para os mesmos, para minimizar este efeito, sejam elas baseadas em reatores twin-tripler ou treble-tripler [3], [15], [16], [18], [19], [20], [21], [24].
1.4 AS CONTRIBUIÇÕES DESTA TESE
Sintetizando o estado da arte sobre o tema, conclui-se que a confiabilidade, a segurança e a vida útil de um sistema elétrico estão condicionadas a qualidade e ao controle dos níveis de tensão. No planejamento dos sistemas, vários aspectos e métodos são analisados para aperfeiçoar a operação das redes elétricas em regime permanente e diante dos transitórios. O compensador
estático tipo reator à núcleo saturado pertence ao grupo dos equipamentos conectados ao sistema de potência para auxiliar no controle de tensões.
Neste sentido, pode-se no momento, reconhecer a existência de grandes questionamentos a serem respondidos e, dentro deste contexto, esta tese objetiva avançar nos seguintes aspectos:
• apresentar modelos para reatores à saturação natural usados no CERNS; • modelar (no simulador SABER) reatores com saturação natural
utilizados no CERNS e adequados ao controle das tensões nas barras de um sistema de potência. Analisar o desempenho desses equipamentos em regime permanente, com as variações de carga, e diante dos principais transitórios comuns à operação do sistema;
• construir protótipos de reatores à núcleos saturados utilizados no CERNS visando validar os modelos e resultados computacionais, através da montagem experimental e realização de testes laboratoriais; • analisar o grau de perturbação causado na qualidade de energia do
sistema devido aos reatores saturados, uma vez que, por ser um equipamento com características não lineares, o reator saturado introduz alguns harmônicos no sistema. Recentemente, com o surgimento de cargas muito sensíveis a distúrbios na forma de onda da tensão, grande atenção tem sido dada à questão da qualidade da energia fornecida;
• realizar simulações computacionais que possibilitem a análise do comportamento do compensador estático tipo reator à núcleo saturado quando submetidos a condições não ideais de suprimento tais como: desequilíbrios, distorções harmônicas, “Voltage Swell” e “Voltage Sag”; • além dos principais avanços supracitados, esta tese contribui, ainda, no
sentido de prover uma síntese, que reúne informações fundamentais para o entendimento da modelagem do CERNS e das respectivas implementações computacionais e experimentais efetuadas.
1.5 A ESTRUTURA DA TESE
Diante desta proposta, além do presente capítulo introdutório, esta tese será desenvolvida obedecendo a seguinte estrutura: