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E s te capítulo tem o objetivo de apresentar as topologias de conversores para compensa ção em onda quadrada que, consoante a tendência de simplificação dos Compensadores

3.5 Compensadores Série de Tensão com Retificador Controlado por Seleção de Taps do Transformador Shunt

3.5.2 Topologia com 3 braços de tiristores

A Topologia do CST em Onda Quadrada Controlado por Seleção de Taps do Transformador Shunt também pode ser disposta com três braços de tiristores, substituindo- se o braço de diodos do tap de referência por dois tiristores, Figura 53. Neste caso a topologia passa a ter 6 tiristores no total e não dispondo mais de um tap de referência mas três níveis de compensação, combinando tap um a um. O custo adicional do projeto são os tiristores adicionais, em detrimento dos diodos. Não é necessário custo adicional com

circuitos completos de disparo dos tiristores, uma vez que os gates podem ser escolhidos através de um simples circuito seletor que os conecta aos circuitos de disparo. Os benefícios desta topologia está no ganho adicional de um nível de compensação, assim:

• Nível 1: T ap2− T ap1; • Nível 2: T ap3− T ap2; • Nível 3: T ap3− T ap1;

Fonte:figura do autor.

Figura 53 – CST em Onda Quadrada Controlado por Seleção de Taps do Transformador Shunt - Topologia com 3 braços de tiristores.

O ganho adicional de um nível de compensação traz o benefício de conseguir compensar afundamentos e elevações de tensão mais severos. Como disposto na Figura 54a), quando se deseja compensar apenas afundamentos de tensão, uma simples solução é fazer o primeiro enrolamento do secundário com relação de transformação 10 : 2 e o segundo enrolamento 10 : 4, obtendo os três níveis.

• Nível 2: T ap3− T ap2 = 0, 4 → relação de espiras: 1 : 0, 4; • Nível 3: T ap3− T ap1 = 0, 6 → relação de espiras: 1 : 0, 6;

Fonte: figura do autor.

Figura 54 – Estratégia para compensação de afundamentos de tensão do CST em Onda Quadrada Controlado por Seleção de Taps do Transformador Shunt - Topologia com 3 braços de tiristores. a) Seleção das relações de transformação do transformador shunt. b) Procedimento de compensação.

Desta forma pode-se obter as relações de tensões compensadas para cada nível, dispostas na Tabela 3.5.2. Pode-se notar que a medida que se aumenta os níveis de

compensação, menos impactante os afundamentos compensados adicionais se tornam. Em outras palavras, duplicar o número de níveis de compensação não significa duplicar a magnitude dos afundamentos compensados, isto se dá por causa da característica das curvas de tensões compensadas, Figura 54a). Uma relação custo-benefício deve ser estabelecida dispondo-se da intensidade máxima de compensação de tensão que se deseja obter. Tabela 8 – Capacidade de proteção do Compensador Série de Tensão com Retificador

Controlado por Seleção de Taps do Transformador Shunt - Topologia com 3 braços de tiristores - Compensação de afundamento de tensão

Relação de Afundamento transformação de tensão (sag)

Solução 1 : 0, 2 0, 9 pu > vsag ≥ 0, 75 pu

Comercial

1 : 0, 4 0, 75 pu > vsag ≥ 0, 6428 pu 1 : 0, 6 0, 6428 pu > vsag≥ 0, 5625 pu

Fonte:tabela do autor.

A Figura 54b) demonstra os procedimentos de compensação para a topologia do CST com três braços de tiristores, mantendo a tensão da rede regulada entre 0, 9 pu e 1, 05 pu. É demonstrado a troca de níveis em função dos afundamentos de tensão, evoluindo de P6 à P1, ponto de máxima compensação. Três braços de tiristores permite a seleção de três níveis de compensação, combinando as escolhas dos braços de tiristores dois a dois. Pode-se perceber analisando a Figura54b), dispondo-se de três níveis de compensação, que a estratégia para compensação de somente afundamentos abrange o máximo afundamento possível, sendo 0, 5625 pu.

Assim que o Nível 1 chega ao limite inferior da zona de tensão permitida, o controle do compensador comuta os tiristores para seleção dos taps correspondentes ao Nível 2. O mesmo ocorre durante a troca do Nível 2 para o Nível 3. Quando há a necessidade de compensação também de elevações de tensão, uma faixa compensável da estratégia abrangendo somente afundamentos é perdida para que o compensador passe a ter a vantagem de proteger cargas contra sobretensões. Porém, como será abordado ainda é possível compensar satisfatoriamente afundamentos de até 0, 6689 pu, representado pelo ponto Po1 na Figura55a). Se os mesmos níveis de tensão fossem mantidos, resultaria em má funcionalidade do compensador, o qual poderia causar afundamentos de tensão, ao tentar compensar sobretensões.

A Figura 55a) demonstra a compensação de afundamentos e elevações de tensão para o CST em Onda Quadrada Controlado por Seleção de Taps do Transformador Shunt considerando a topologia com 3 braços de tiristores. Uma escolha incorreta das relações dos números de espiras do transformador shunt e portando dos níveis de tensão de compensação

pode causar má funcionalidade do restaurador. Como indicado em setas pontilhadas em vermelho, a escolha destes número de níveis faz com que o compensador apresente má funcionalidade diante de uma sobretensão em torno de 1, 4 pu.

Fonte: figura do autor.

Figura 55 – Estratégia para compensação de afundamentos e elevações de tensão do CST em Onda Quadrada Controlado por Seleção de Taps do Transformador Shunt - Topologia com 3 braços de tiristores. a) Seleção das relações de transformação do transformador shunt. b) Procedimento de compensação.

O tracejado vermelho extrapola a região de tensão permitida e a carga sofreria um afundamento de tensão neste caso. Uma solução comercial para transformadores poderia ser obtida escolhendo níveis de tensão com relação de espiras iguais a 1 : 0, 1, 1 : 0, 2 e

1 : 0, 3. Esta solução está ilustrada na Figura55a) e representada pelas setas na cor preta, abrangendo os pontos Pc1 a Pc11. Diante da possibilidade de projeto dos enrolamentos do transformador shunt, uma solução ótima para as relações de espiras poderia ser estabelecida. Um algoritmo foi utilizado para esta escolha de tal forma que o compensador abrangesse a máxima extensão de tensões compensáveis ∆vgrid, compreendendo os potos Po1 a Po11 na Figura 55a) e Figura 55b).

Duas premissas são fundamentais para a correta resolução do algoritmo, a primeira consiste no respeito à região de tensões permitidas após compensação compreendendo 0, 9 pu a 1, 05 pu. A segunda premissa consiste que os níveis devem ser escolhidos de tal forma que o terceiro nível seja igual a soma dos dois primeiros, assim N3 = N2 + N1. Para a topologia do CST com três braços de tiristores as relações de espiras otimizados encontradas foram 1 : 0, 1091, 1 : 0, 2363 e 1 : 0, 3454. Uma análise contento a escolha dos níveis de compensação bem como a abrangência de tensões compensáveis para cada nível está disposta na Tabela 3.5.2.

Tabela 9 – Capacidade de proteção do Compensador Série de Tensão com Retificador Controlado por Seleção de Taps do Transformador Shunt - Topologia com 3 braços de tiristores - Compensação de afundamento e elevação de tensão

Relação de Afundamento Elevação de

transformação de tensão (sag) tensão (swell)

Solução 1 : 0, 1 0, 9 pu > vsag ≥ 0, 8182 pu 1, 05 pu < vswell ≤ 1, 1667 pu

Comercial

1 : 0, 2 0, 8182 pu > vsag ≥ 0, 75 pu 1, 1667 pu < vswell ≤ 1, 3125 pu 1 : 0, 3 0, 75 pu > vsag ≥ 0, 6923 pu 1, 3125 pu < vswell ≤ 1, 5 pu

Solução 1 : 0, 1091 0, 9 pu > vsag ≥ 0, 8115 pu 1, 05 pu < vswell ≤ 1, 1786 pu

Ótima

1 : 0, 2363 0, 8115 pu > vsag ≥ 0, 7280 pu 1, 1786 pu < vswell ≤ 1, 3749 pu 1 : 0, 3454 0, 7280 pu > vsag ≥ 0, 6689 pu 1, 3749 pu < vswell ≤ 1, 5565 pu

Fonte:tabela do autor.

Pode-se perceber que uma solução ótima para escolha do número de níveis do compensador referente à topologia com três braços de tiristores não resulta em ganhos muito maiores quando comparado com a utilização de relações de transformação comerciais para o transformador shunt, em termos de afundamentos e elevações de tensões compensáveis. Por simplicidade, relações de espiras iguais a 1 : 0, 1, 1 : 0, 2 e 1 : 0, 3 são recomendadas em detrimento de um transformador shunt otimizado, mas que necessita ser pedido por encomenda, o que oneraria o projeto sem grandes benefícios.