O transformador de acoplamento com a rede e inserção série de tensão

O transformador série é um elemento de grande relevância para topologias de restauradores dinâmicos de tensão para aplicações em média e alta tensão. Ele permite isolação elétrica do compensador à rede, além de permitir inserção série de tensão pelo compensador, cuja potência é limitada à profundidade máxima do afundamento de tensão a ser compensado e valores nominais da carga protegida.

A energização do transformador série, durante o início de seu funcionamento requer sua magnetização, provocando um transitório com elevadas correntes de partida denominadas de correntes de inrush. Por este motivo, uma vez que os compensadores foram feitos para operarem também em tempo transitório com resposta rápida aos distúrbios de tensão, é necessário integridade da funcionalidade do transformador série. Como as correntes de inrush podem provocar a saturação do transformador, muitas literaturas propõe seu dimensionamento para 2 pu em relação à tensão máxima de compensação.

O restaurador dinâmico de tensão protegendo cargas sensíveis estará sempre aco- plado à rede, durante condições normais da rede e sem distúrbios, pode ser projetado

para operar de duas maneiras, em modo bypass e hot standby. Em modo hot standby o transformador série é sempre percorrido por carga nominal e as indutâncias de dispersão, por provocarem queda de tensão, precisam ser monitoradas. A preferência é a escolha de transformadores com baixas indutâncias de dispersão. Outra maneira factível é inserir uma variável no controle que faça a compensação da queda de tensão na reatância de dispersão.

Como será abordado na seção a seguir, os projetos de compensadores de tensão senoidais requerem filtros CA. Alguns projetos fazem inclusão da indutância de dispersão do transformador série para composição do filtro LC de saída. Um fator preocupante para implementação desta técnica é que a tensão PWM pode ser prejudicial ao transformador, causando estresse e fadigas térmica por circulação de correntes harmônicas e alta taxa de variação de tensão dv/dt que implicam em correntes parasitas, aumento do aquecimento, e perda de isolamento elétrico.

Em topologias trifásicas, a escolha da quantidade de transformadores está relacio- nada à finalidade de aplicação e à topologia do conversor. A utilização de somente um conversor trifásico pode ser utilizado, porém há limitação quanto aos tipos de afundamen- tos de tensão compensados, uma vez que esta técnica permite somente a compensação da sequência positiva de tensões. A utilização de transformadores individuais para cada fase possibilita a inserção de tensões independentes e este desacoplamento possibilita compensação de sequência zero de tensão durante distúrbios. A tendência de evolução dos restauradores dinâmicos de tensão tem sido a troca de transformadores série pelo isolamento através de transformadores shunt, que não precisam ser superdimensionados e não interferem na resposta dinâmica do compensador, [20].

2.4 Filtros de tensão CA

Restauradores dinâmicos de tensão senoidais requerem filtros CA com finalidade de mitigar as componentes harmônicas geradas pela comutação do estágio inversor. Estes filtros são compostos normalmente por capacitores e indutores, compondo um filtro LC de segunda ordem. Na etapa de dimensionamento do filtro é importante que haja compromisso entre a capacidade de rejeição de perturbação e a potência total do conversor, [20].

• Capacitor: O aumento da capacitância do filtro aumenta a característica de rigidez dinâmica I0/V0, bem como a corrente que flui através do capacitor. Um princípio para o dimensionamento do capacitor, quando se conhece o fator de potência da carga é minimizar a potência do conversor ou escolha da melhor característica de rigidez dinâmica que não eleve o requisito de corrente. A redução de potência do conversor pode ser estabelecida com o equilíbrio com a potência reativa da carga. Quando não se conhece o fator de potência da carga, projeta-se o capacitor considerando fator de potência unitário (pior cenário) ou uma faixa possíveis de valores. Na presença de

cargas de elevada taxa de distorção harmônica, a rigidez dinâmica do filtro deve ser considerada, de modo a não se comprometer a qualidade de tensões inseridas pelo compensador.

• Resistor: A escolha da resistência instalados em série ou em paralelo com elementos do filtro CA está relacionada ao amortecimento passivo. Quando em série com elemento indutivo o resistor acaba por dissipar potência ativa causando perdas associadas. No tocante à resposta em frequência do filtro, observa-se um bom impacto na atenuação da ressonância do filtro, permanecendo a atenuação de 40dB/década nas frequências acima da frequência de corte. Quando o resistor está em paralelo com o elemento indutivo tem a propriedade de não alterar sua característica de rigidez dinâmica, porém compromete a capacidade de rejeição de componentes harmônicas acima da frequência de corte, permanecendo-se assim com 20dB/década. Quando em série com o capacitor, o resistor implica ao filtro a mesma capacidade de atenuação, 20dB/década, além de deterioração da rigidez dinâmica. O resistor em paralelo com o capacitor não deteriora a característica de rigidez dinâmica do filtro nem sua resposta em frequência. O amortecimento ativo por sua vez pode se tornar uma opção interessante e mais sofisticada com redução de perdas em elementos resistivos e não comprometimento do filtro CA, apesar de requerer carga de processamento adicional para o sistema de controle e aumento do número de sensores de medição, o que eleva o custeio da tecnologia.

Como abordado nas seções anteriores, a tendência de evolução para topologias de restauradores dinâmicos de tensão de baixa tensão está na redução e simplificação de componentes visto a preocupação com os custos da tecnologia e problemáticas que envolvem os projetos de compensadores. Neste contexto, uma possível simplificação é a não utilização de transformador série e também a retirada do filtro CA, uma vez que há a possibilidade de compensação de tensão com chaveamento do inversor na mesma frequência da rede elétrica, como será abordado a seguir.