Resumo- Considerando-se a expectativa de mitigação de componentes harmônicas, desequilíbrios e fator de potência em sistemas elétricos trifásicos à quatro fios, trata-se neste trabalho da utilização de um filtro ativo com três braços associado à dispositivos eletromagnéticos para confinamento de componentes de sequência zero, constituindo-se assim um filtro híbrido. A partir de um sistema elétrico teste implementado no ambiente PSIM, apresenta-se resultados simulados da operação deste filtro híbrido, destacando-se as funcionalidades de cada um dos seus componentes no comportamento transitório e de regime permanente. Neste cenário justifica-se sua utilização, sob o ponto de vista técnico e econômico, comparando seu desempenho ao de um filtro ativo de quatro braços, tendo como base a redução do número chaves, simplificação do seu sistema de controle e acionamento e aumento de confiabilidade operacional.
Palavras-chave Filtro ativo, sequência zero, filtro eletromagnético, harmônicas, desequilíbrios, fator de potência.
I. INTRODUÇÃO
om vistas à mitigação das distorções harmônicas, sempre que possível são adotadas medidas operacionais normalmente relacionadas com a adequação das cargas geradoras de harmônicas fazendo-se uso de tecnologias menos poluentes, tais como, multiplicação do número de pulsos em instalações conversoras de grande porte, alteração da topologia das redes elétricas, entre outras.
Ocorre, no entanto, que muitas vezes tais medidas são inviáveis sob ponto de vista econômico ou mesmo insuficientes para garantir o funcionamento adequado do sistema e/ou atender os limites estabelecidos pelas normas e recomendações técnicas. Nestes casos, torna-se indispensável o uso de equipamentos especiais para atenuação das distorções harmônicas [1].
O uso de filtros e dispositivos de compensação constitui uma das tecnologias mais aplicadas para a redução das componentes harmônicas. Essas tecnologias podem ser agrupadas em dois grandes grupos, que dependem do modo operacional, seja ativo ou passivo. Ambos são amplamente conhecidos e aplicados nos mais distintos setores da engenharia elétrica.
Na categoria dos filtros passivos, é possível identificar duas principais vertentes, os filtros ressonantes e os filtros eletromagnéticos.
Os filtros passivos ressonantes são constituídos por elementos resistivos, indutivos e capacitivos, convenientemente arranjados e especificados para oferecer baixas ou altas impedâncias à circulação de uma ou mais correntes harmônicas. Entre as principais vantagens da sua aplicação, destacam-se a robustez, a alta confiabilidade
operacional, a insensibilidade a surtos, a operação silenciosa e o baixo custo. Por outro lado, apresentam como desvantagens, o peso e o volume, além de interferirem no desempenho global do sistema devido à possibilidade de aparecimento de ressonâncias indesejáveis com outros componentes do sistema [2].
Ainda no contexto das tecnologias passivas, destacam-se os dispositivos eletromagnéticos. Estes equipamentos são constituídos exclusivamente por arranjos eletromagnéticos que podem ser configurados para apresentarem altas ou baixas impedâncias de sequência zero e, nestas condições, podem operar respectivamente, como filtros ou bloqueadores para as componentes harmônicas de sequência zero.
Os dispositivos eletromagnéticos para mitigação de harmônicas de sequência zero apresentam como principais vantagens em relação aos filtros ressonantes a confiabilidade operacional, interferência desprezível na resposta em frequência da rede elétrica e a atuação sobre todo o espectro harmônico concentrado em sequência zero e não apenas sobre aquelas frequências harmônicas previamente sintonizadas [3].
Tratando-se, também, de uma alternativa de baixo custo de implantação, sua utilização combinada com outras tecnologias de filtragem pode ser tecnicamente atraente no sentido de maximizar o desempenho operacional do conjunto.
É reconhecido que os filtros harmônicos ativos têm inúmeras vantagens operacionais sobre os passivos. Possuem, em geral, características que permitem não só reduzir o conteúdo harmônico, mas também incorporar funções adicionais de controle para compensação da energia reativa e de desbalanceamento de correntes.
O princípio de funcionamento, fundamentado na síntese de formas de ondas através do controle de chaves eletrônicas, viabiliza sua ação mitigadora sobre uma larga faixa do espectro harmônico, atenuando inclusive as componentes não periódicas. O desempenho global do filtro ativo é também praticamente independente das características do sistema de suprimento sendo, portanto, praticamente imune às alterações no carregamento e/ou reconfiguração das redes elétricas [4]-[5].
Como desvantagem, pode-se citar a necessidade de chaveamentos rápidos em altas correntes e o uso de um sistema de controle sofisticado. Por outro lado, a alta frequência de chaveamento utilizada no inversor pode provocar interferências eletromagnéticas em outros equipamentos situados nas proximidades da instalação do mesmo.
Atualmente os filtros ativos tem sido mais utilizados em aplicações de baixa e média tensão devido, basicamente, aos limites tecnológicos e altos custos das chaves.
L. C. O. de Oliveira
1, R. A. N. de Oliveira
1, J. L. Afonso
2, S. C. L. de Freitas
1, J. B. de Souza
1.
(1) Universidade Estadual Paulista – FEIS/UNESP ( 2) Universidade do Minho (Portugal)
Desempenho de um Filtro Híbrido em Sistemas
Elétricos Trifásicos a Quatro Fios
II. DISPOSITIVOS ELETROMAGNÉTICOS PARA MITIGAÇÃO DE COMPONENTES DE SEQUÊNCIA ZERO
Os sistemas de distribuição de energia elétrica em baixa tensão à quatro fios suprindo cargas monofásicas com características lineares ou não lineares normalmente apresentam altos valores de correntes no condutor neutro [6]. Este fato se confirma mesmo quando estas se distribuem de forma equilibrada entre as diferentes fases. Neste caso, investigações mais detalhadas revelam que as correntes nos condutores neutros apresentam componentes harmônicas múltiplas de três que, como se sabe, possuem características homopolares, [8]-[10].
O emprego de dispositivos eletromagnéticos para o desvio ou bloqueio das correntes de sequência zero no sistema elétrico constitui uma alternativa promissora para mitigação destas componentes harmônicas. São dispositivos robustos que quando utilizados isoladamente ou em conjunto com outros arranjos de mitigação de componentes harmônicas podem ser, técnica e economicamente atraentes.
a)Filtro Eletromagnético de Sequência Zero (FE)
O arranjo eletromagnético utilizado na concepção do filtro eletromagnético de sequência zero é ilustrado na Fig.1. O FE é constituído por seis bobinas, dispostas aos pares sobre cada uma das três colunas do núcleo magnético. A interligação do conjunto de bobinas é efetuada no sentido de compor um sistema trifásico em zig-zag aterrado [3].
Fig. 1. Filtro eletromagnético de sequência zero
Para o circuito ilustrado, as indutâncias próprias das diferentes bobinas são consideradas idênticas e de valor igual a Lf. Os coeficientes de acoplamento magnético entre bobinas de uma mesma coluna, kf, e os coeficientes de acoplamento entre bobinas de colunas distintas, λ, são também considerados iguais entre si. Nestas condições, as impedâncias harmônicas sequenciais, h
f
Z
,Z
hfe h fZ
0 podem ser obtidas por (1) e (2),conforme estabelecido em [3].
f f of
h
f
r
j
h
(
k
)
L
Z
0
2
1
(1)f f
f h f h
f
,
Z
r
j
h
(
k
)
L
Z
2
3
(2)f mf
f
L
L
k
(3)f
L
M
(4)Idealmente, a impedância de sequência zero pode ser substancialmente minimizada na medida em que o fator de acoplamento kf se aproxima de 1. Por outro lado, a indutância
nominal Lf é projetada de modo a apresentar impedâncias de sequências positiva ou negativa, suficientemente elevadas com o objetivo de minimizar o impacto sobre fator de deslocamento final.
b)Bloqueador Eletromagnético de Sequência Zero (BE) O bloqueador eletromagnético é um dispositivo concebido a partir de três bobinas magneticamente acopladas e dispostas sob um mesmo núcleo magnético, conforme ilustrado na Fig.2.
Fig. 2 – Bloqueador eletromagnético de sequência zero
Para esta configuração, considerando-se as indutâncias próprias idênticas, Lb, e o mesmo coeficiente de acoplamento magnético, kb, entre bobinas, as impedâncias harmônicas sequenciais, h
b
Z
, h bZ
e h bZ
0 podem ser determinadas por (5) e (6), conforme estabelecido em [11].b b b
h
b
r
j
h
(
k
)
L
Z
0
0
1
2
(5)b b b
h b h
b
,
Z
r
j
h
(
k
)
L
Z
1
(6)b mb
b
L
L
k
(7)Observa-se a partir de (5) que a indutância operacional de sequência zero imposta pelo bloqueador pode ser praticamente o triplo do valor da sua indutância nominal, Lb, quando o fator de acoplamento magnético, kb, é maximizado. Nestas mesmas condições a indutância operacional para as sequências positiva e negativa, (6), são praticamente nulas, causando assim um impacto praticamente desprezível sobre a regulação de tensão.
c)Supressor Eletromagnético de Sequência Zero (SE)
A eficácia do filtro eletromagnético será tanto maior quando menor for sua impedância de sequência zero frente à respectiva impedância do sistema de suprimento. Entretanto, a obtenção de tal propriedade muitas vezes pode não ser uma tarefa fácil. Na medida em que se almeja a maximização dos acoplamentos indutivos, associados, simultaneamente, com o aumento do volume de cobre para atender potências maiores, normalmente se depara com algumas dificuldades construtivas que podem inviabilizar sua concepção física [11].
Fig. 3. Estrutura eletromagnética contendo um filtro e um bloqueador.
III. FILTRO ATIVO
Os filtros ativos (FA) em derivação mais usuais são equipamentos baseados no uso de um inversor de fonte de tensão com capacitor controlado no lado da CC de forma a atuar como uma fonte de corrente.
De um modo geral o princípio de funcionamento dos filtros ativos baseia-se na síntese de uma corrente de referência, predefinida no circuito de controle, a ser injetada no ponto de conexão. As versões atuais dos filtros ativos incorporam funções para compensação de harmônicas, fator de potência e desequilíbrios, tendo por base a “Teoria da Potência Instantânea”, ou Teoria PQ, proposta por Akagi em 1983 [12]. Na compensação de sistemas elétricos à quatro fios a topologia usual de filtro ativo em derivação utiliza quatro braços de conexão controlados por oito chaves eletrônicas.
Para suprir a base de dados necessários do sistema de controle, o arranjo requer seis sensores de corrente, quatro sensores de tensão e respectivos drives de acionamento, Fig.4.
Fig. 4. Topologia do inversor utilizado no filtro ativo de quatro braços.
A Fig. 5 ilustra esquematicamente o fluxo das potências ativas e reativas pelo sistema elétrico compensado por um filtro ativo de quatro braços, segundo a teoria das potências complexas instantâneas [12].
Conforme estabelecido na teoria PQ, apenas os valores médios da potência real instantânea e da potência de sequência zero, são fornecidos pela fonte de alimentação. As demais potências estão relacionadas com a presença de harmônicas, desequilíbrios e energia reativa e são compensadas pelo filtro ativo paralelo [6].
Fig. 5. Fluxo das potências PQ com uso de filtro ativo de quatro braços.
IV. ARRANJO HÍBRIDO
Considerando-se a expectativa de aplicação de estruturas compensadoras em sistemas elétricos à quatro fios com carregamentos monofásicos vislumbrou-se a possibilidade de utilização de um novo arranjo de compensação constituído por um filtro ativo e estruturas eletromagnéticas para confinamento das componentes de sequência zero [13]. Nesta perspectiva, utiliza-se um filtro ativo de três braços, contendo, portanto, apenas seis chaves eletrônicas e respectivos drives. Esta simplificação topológica implica também na utilização de um número menor de sensores de corrente e tensão bem como na simplificação dos procedimentos de controle. Com esse arranjo híbrido, diante de um carregamento monofásico com cargas lineares ou não lineares, a compensação das componentes de sequência zero é realizada pela ação dos dispositivos eletromagnéticos diminuindo, consequentemente, os níveis das correntes compensatórias a serem sintetizadas pelo filtro ativo.
Desta forma, sob o ponto de vista topológico, a concretização de todas as funcionalidades de um filtro ativo de quatro braços se fará com o uso deste filtro híbrido composto por um filtro ativo de três braços de menor potência (FA) e um supressor eletromagnético (FE+BE), Fig. 6.
Considerando os aspectos construtivos do FA de três braços destacados anteriormente, presume-se que, mesmo com a inclusão do supressor eletromagnético (SE), o arranjo híbrido proposto apresente um custo global de implantação menor, além de um comportamento elétrico mais robusto.
Fig. 6. Alteração da topologia para o arranjo híbrido.
Fig. 7. Fluxo das potências PQ com uso de filtro híbrido.
As parcelas de potências relacionadas com as componentes de sequência zero ficam confinadas ao trecho compreendido entre as cargas e o ponto de instalação do supressor eletromagnético. As potências relacionadas com a parte oscilante da potência ativa, bem como, a parcela total da
potência reativa instantânea são compensadas pelo filtro ativo de três braços.
Observa-se que, idealmente, que sob a ação conjunta dos dois dispositivos, somente a parcela real da potência instantânea será provida pelo sistema de suprimento.
V. DESEMPENHO OPERACIONAL DO ARRANJO HÍBRIDO
Adotou-se como base de estudos um sistema típico de redes de distribuição de energia, como sugere a Fig. 8.
Nos estudos computacionais apresenta-se o comportamento do arranjo de filtragem em diferentes condições topológicas mediante duas condições operacionais distintas das cargas não lineares. Para tanto, a implementação física do sistema foi realizada no ambiente de simulação no domínio do tempo PSIM (Power Simulator®).
Fig. 8. Arranjo elétrico utilizado nas simulações digitais.
As cargas não lineares adotadas são compostas por três retificadores monofásicos com filtros capacitivos e um retificador trifásico com filtro indutivo. Os parâmetros utilizados no processo de simulação digital são apresentados simplificadamente na TABELA I.
EQUIPAMENTOS DADOS
Sistema Elétrico 230Volts, 50Hz, Scc= 1MVA Retificador trifásico R1=10Ω, L1=5mH
Retificadores monofásicos
R1=10Ω, R2=20Ω, C=500µF
Filtro ativo - FA L2 =1750µH, f=40kHz
Bloq. Eletromag. - BE rob=1mΩ, Lb=1mH, rb=1.3Ω, kb=0,99
Filtro Eletromag.- FE rof=50mΩ, Lf=200mH, rf=120Ω, kf=0,98
k =0,99k=0,99.f=λ=0.99.
TABELA I. DADOS UTILIZADOS NAS SIMULAÇÕES.
O intervalo total de simulação foi de 0,3 segundos, iniciando-se com a alimentação do conjunto de cargas não lineares equilibradas a partir de uma unidade transformadora e sem nenhum equipamento de compensação.
Na sequência admitiu-se progressivamente a entrada em operação dos diferentes componentes do sistema de compensação, notadamente o filtro ativo de três braços (FA) e o supressor eletromagnético (SE).
O último intervalo foi reservado para observar o comportamento do sistema de compensação completo frente a um desequilíbrio severo nas cargas não lineares, criado a partir da abertura das chaves S1 e fechamento simultâneo da chave S2.
Apresenta-se na TABELA II, os intervalos de análise considerados, a configuração do sistema de filtragem e as condições das cargas não lineares equilibrada (CE) e desequilibrada (CD).
TABELA II.EVENTOS DURANTE OS INTERVALOS DE SIMULAÇÃO.
PERÍODO(S) CONFIGURAÇÃO CARGA
0.00<t≤0.10 sem compensação equilibrada (CE) 0.10<t≤0.15 com FA equilibrada (CE) 0.15<t≤0.20 com FA e SE equilibrada (CE) 0.20<t≤0.30 com FA e SE desequilibrada (CD)
A Fig. 9 apresenta uma visão global do comportamento transitório das correntes e tensões durante a transição entre os diferentes intervalos considerados.
No primeiro intervalo (0<t≤0.1s) as correntes na carga não
linear são ilustradas na Fig. 9(a). Neste intervalo, as correntes no secundário do transformador, Fig. 9(b) são, naturalmente, idênticas às da carga, uma vez que nenhum equipamento de compensação encontra-se conectado até o momento. Na Fig. 9(c) apresenta-se o comportamento da corrente no neutro do transformador, com predominância da terceira harmônica, como esperado. O destaque para a tensão e a corrente em uma mesma fase é ilustrado na Fig. 9(d).
(a) Comportamento transitório e de regime permanente das correntes na carga total ( IL.A, IL.B, IL.C)
(b) Comportamento transitório e de regime permanente das correntes no secundário do transformador ( IS.A, IS.B, IS.C)
(c) Comportamento transitório e de regime permanente da corrente pelo neutro do transformador ( IT.N).
(d) Comportamento transitório e de regime da tensão e da corrente na fase C no secundário do transformador ( VS.A, IS.A).
Fig. 9. Comportamento transitório e de regime permanente nos diferentes intervalos.
(a) Correntes na carga (b)Espectro (THD=27%) Fig. 10. Correntes trifásicas e respectivos espectros harmônicos.
Na sequência, (0.1s<t≤0.15s), verifica-se a entrada em
operação apenas do filtro ativo de três braços (FA). Como esperado, a redução da distorção harmônica é apenas parcial passando de THD=27% para THD=23%. Tal fato decorre da impossibilidade de compensação das componentes harmônicas homopolares pelo filtro ativo de três braços (FA), com destaque para a terceira harmônica, Fig. 9(b).
Na Fig. 9(c) é possível constatar a existência da terceira harmônica, de sequência zero, circulando pelo neutro do transformador. As condições em regime permanente das correntes de linha na saída do transformador são ilustradas na Fig. 11(a) e (b).
No intervalo subsequente (0.15s<t≤0.2s) encontram-se conectados o filtro ativo (FA) e os dispositivos eletromagnéticos (SE) simultaneamente. Verifica-se que, com a entrada do dispositivo eletromagnético em operação, o comportamento das correntes pelo secundário do transformador altera-se quase instantaneamente, passando a apresentar uma característica praticamente senoidal, Fig. 9(b). Nestas condições a corrente pelo neutro do transformador fica substancialmente reduzida, Fig.9(c).
(a)Correntes no transformador (b)Espectro (THD=23%) Fig. 11. Correntes trifásicas e respectivos espectros harmônicos.
Na Fig.9(d) apresenta-se, particularmente, o comportamento da tensão e corrente na fase A no secundário do transformador, onde pode ser verificado um fator de potência praticamente unitário, resultado da ação combinada do filtro ativo (FA) e do supressor eletromagnético (SE).
Os resultados em regime permanente para este intervalo são ilustrados na Fig.12(a) e (b). Observa-se a eficácia da ação mitigadora proporcionada pelo arranjo híbrido de filtragem, reduzindo substancialmente a distorção harmônica total da corrente de 27% para 2.2%.
(a) Correntes no transformador (b)Espectro (THD=2.2%) Fig. 12. Correntes trifásicas e respectivos espectros harmônicos.
O período (0.15s<t≤0.2s) refere-se ao comportamento do
observado pelas condições em regime permanente, ilustradas na Fig.13(a-d).
(a)Correntes na carga (FD=27%) (b)Espectro (THD=28%,)
(c)Correntes na fonte (FD=1,4%) (d)Espectro (THD=2.9%,) Fig. 13. Correntes trifásicas e respectivos espectros harmônicos.
Vale destacar que, nos períodos anteriores, as componentes homopolares da corrente estavam associadas apenas as componentes harmônicas triplens. Neste caso o fluxo de sequência zero no neutro da carga é também consequência dos desequilíbrios da própria carga. Este fato representa uma nova condição no fluxo das componentes de sequência zero e, portanto, requer uma atuação diferenciada dos dispositivos eletromagnéticos.
Mesmo nestas condições mais severas a ação de confinamento das componentes de sequência zero pelos dispositivos eletromagnéticos é assegurada e o resultado líquido na saída do transformador é praticamente nulo, Fig. 9(c).
Como observado na Fig.9(d), o fator de potência junto ao transformador continua próximo á unidade. Constata-se a redução da distorção harmônica média total de THD=28% para menos de 3%, seguida da redução do fator de desequilíbrio de sequência zero de FDZ=27% para FDZ=1.4% e do fator de desequilíbrio de sequência negativa de FDN=44% para 0,3%.
VI. CONCLUSÕES
Investigou-se neste trabalho a utilização de compensadores baseados em arranjos híbridos derivados da combinação de tecnologias ativas e passivas com vistas à mitigação dos desequilíbrios e das distorções harmônicas das correntes, bem como da elevação do fator de potência.
A proposta foi direcionada à aplicação destas estruturas compensadoras em sistemas elétricos típicos de redes de distribuição de energia elétrica com quatro fios contendo carregamentos monofásicos com característica não lineares.
Nesta perspectiva, foi proposto o uso de um filtro ativo de três braços combinado com arranjos eletromagnéticos destinados ao confinamento das componentes homopolares, sejam estas originadas por desequilíbrios na frequência fundamental ou por componentes harmônicas.
Sob o ponto de vista técnico direcionou-se as expectativas de resultados no sentido de concretizar todas as funcionalidades de um filtro ativo de quatro pernas, através do
arranjo híbrido proposto. Neste cenário, sendo os dispositivos eletromagnéticos, estruturas passivas, simples e robustas, vislumbrou-se uma considerável atratividade econômica quando da substituição de filtro ativo de quatro braços pelo arranjo híbrido proposto.
Foram realizadas várias simulações, considerando-se alterações na topologia do compensador híbrido bem como das cargas não lineares. Na operação conjunta dos dispositivos constatou-se uma boa aderência às expectativas previamente formuladas, ou seja, o arranjo híbrido atende de forma satisfatória todas as funcionalidades de um filtro ativo de quatro braços.
Investigações mais detalhadas, realizadas durante o regime permanente ao final de cada intervalo considerado, confirmaram também o bom desempenho do arranjo proposto. Dentro das expectativas tangíveis, os resultados podem ser considerados coerentes e compatíveis com a estratégia de mitigação adotada para o compensador híbrido.
VII. REFERÊNCIAS
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[9] Dahono, P. A.; Widjaya, R. E.; Marsi, S. “A Practical Approach to Minimize the Zero Sequence Current Harmonics in Power Distribution Systems”. Power Conversion Conference, 1997, Nagaoka. Proceeding Nagaoka: IEEE Xplore digital library, 2002. p.683-686.
[10] B. H. L. Jou, J. C.Wu, K. D.Wu,W. J. Chiang, and Y. H. Chen, “Analysis
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[11] Oliveira, L.C.O; Oliveira, R. A. N. ; Souza, J.B. ; Freitas, S.C.L..
“Electromagnetic Zero-Sequence Harmonics Bloker: Modeling and Experimental Analysis”. Journal of Energy and Power Engineering, v. 8, p. 1425-1431, 2014.
[12] Akagi, H.; Kanagawa, Y.; Fujita, K.; Nabae, A. “Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in the Three-Phase Circuits”. Wiley Periodicals, Tokio, v. 103, n. 4, p. 58–66, 1983.
![Referências técnicas para atuação de psicólogas(os) em Programas de Atenção à Mulher em situação de Violência [2013] - CREPOP CREPOP](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)