Gregory Dissertaçao final

Programa de Pós-Gradução em Engenharia Elétri a

Restaurador Dinâmi o de Tensão Utilizando

Transformadores om Enrolamentos Abertos e

Inversores om Barramentos Isolados

Gregory Arthur de Almeida Carlos

Dissertação deMestrado submetidaà Coordenação dos

Cur-sos de Pós-Graduação da Universidade Federal de Campina

Grande-Campus I, omo partedos requisitos ne essários paraa

obtençãodotítulo demestre em iên iasnodomínio em

Engen-hariaElétri a.

Área de Conhe imento: Pro essamento de Energia

Orientadores:

Dr. Ing. Cursino Brandão Ja obina

Dr. S . Euzeli Cipriano dos Santos Júnior

CampinaGrande, Paraíba, Brasil

Relatórioapresentadoà Coordenação doCursodePós-Gradução

em Engenharia Elétri a da Universidade Federal de Campina

Grande em umprimento às exigên ias para a efetivação do

Trabalho de Dissertação referente à realização do Programa de

Mestrado em Engenharia Elétri a

Gregory Arthur de Almeida Carlos

Aluno

Dr. Ing. Cursino Brandão Ja obina

Orientador

Dr. S . Euzeli Cipriano dos Santos Júnior

Orientador

Agradeço aDeus por estar sempre omigo.

Aos Meus pais, Marlu e de Almeida Carlos e José Carlos Filho pelo suporte, apoio e

onselhos da vida.

Aosmeus irmãos, Guibergue e Gustavo peloapoio e ompreensão.

Aos professores Cursino Brandão Ja obina e Euzeli Cipriano dos Santos pelos

ensina-mentos e motivações que me foram dados durante a realização deste trabalho. Agradeço

aos professores que ompõem o departamento de Engenharia Elétri a da UFCG, em

espe- ial aos professores Edison Roberto Cabral, Alexandre Cunha Oliveira, Edgard Roosevelt

Braga Filho, Antnio Epaminondas do Nas imento, Maurí io Beltrão de Rossiter Corrêa

pelos ensinamentos e onselhos passados em salas de aula.

Aos ompanheiros do LEIAM: Abinadabe, Álvaro, Antnio Isaa , Antnio de Paula,

Ayslan, Alysson, Bruno, Canindé, Edgard, Fabrí io, João Helder, Montiê, Lu as, Lu iano,

Nady, Nustenil,Roberto, Tâmisa,Vagner,Viní ius, Vi torSantiago, Vi torMelo, e atodos

aqueles que ontribuíram diretaou indiretamente om este trabalho.

AgradeçoaoInstitutoFederaldeAlagoaspela ompreensãoeapoiodadoparanalização

deste trabalho.

Existem vários tipos de distúrbios que podem ausar o mau fun ionamento de um sistema

elétri o, oque ara teriza-o omo uma fonte de alimentação de baixa qualidade de energia.

Entre tais problemas, desta am-se os afundamentos de tensão ( sags) e elevações de tensão

( swells). Umdispositivo apazdemitigartaisproblemaséorestauradordinâmi ode tensão

(DVR). Tal dispositivo pode ompensar distorções harmni as, saltos de ângulo de fase e

eventuais desequ ilíbrios darede de maneira quea arga não seja afetada.

Este trabalhoapresenta umaestrutura DVR obtidavia onexão série de dois inversores

trifási os. TalarranjovisaalimentarostransformadoresdeinjeçãodoDVR omseus

enrola-mentosabertos. Estatopologiadeinversoré omumenteusadaema ionamentodemáquinas

om terminaisaenrolamentos abertos, onhe ida naliteratura omo OEW(doinglês

Open-End Winding). Neste trabalho, a topologia em estudo engloba alguns aspe tos omo: (i)

Modeloe onguraçãodoDVR,(ii)Estratégiade haveamentoHíbridaPWM,(iii)prin ípios

bási os de operação e(iv) estudos omparativo om relação aestrutura onven ional.

As prin ipaisvantagens da estrutura proposta em omparação om a onven ionalsão:

(i)distorção harmni areduzida (operandonamesmafrequên ia de haveamento), (ii)

per-das reduzidas no onversor (operando om o mesmo nível de distorção harmni a), (iii)

menores esforços ( stress) nas haves de potên ia e (iv) apa idade de tolerân ia a falhas.

O sistema doDVR proposto adequa-se para apli açõesem sistemas de média e alta tensão

vistoqueomesmoé apazdegerartensões ommaiornúmerodeníveis, ara terizando-aem

umaestruturamultinível. Osestudosfeitossão validadosatravésderesultadosde simulação

e experimentais.

Palavras- have: QualidadedeEnergia,Afundamentosde tensão,DVR,OEW,Perdas,

There are several types of troubles that an ause the systems to malfun tion, meaning in

a poor quality of the power supply. Among them, voltage sags and swells are noteworthy.

A devi e apableof mitigatingsu h troublesis the Dynami VoltageRestorer (DVR). Su h

devi e an ompensate harmoni s distortion, phase jump, and any unbalan e in the grid

voltageso that the load is not ae ted

ThisworkpresentsaDVRobtainedthroughaseries onne tionoftwothree-phase

invert-ers. Su h onne tion is obtained due to open-end windingarrangementof the transformer.

Thistopologyinverterisused ommonlyfor ma hine driveswithopen-endwindings, known

inliterature as OEW. The topologypresented in ludessu h aspe ts as: (i) DVR

ongura-tionandmodel(ii)HybridPWMstrategy,(iii)basi operateprin iplesand(iv) omparative

studies tothe onventional onguration.

The main advantages of the proposed topology ompared to the onventional one are:

(i) redu ed harmoni distortion (operating at the same swit hing frequen y), (ii) redu ed

onverter losses (operating with the same harmoni distortion), (iii)redu ed voltage rating

of the power swit hes and (iv) faulttolerant apability. The proposed DVR system is

suit-able for medium/high voltage appli ations sin e it an generate voltages with more levels

numbers, makingitamultilevelstru ture. Thestudiesarevalidatedby experimentalresults

and simulated results.

Agrade imentos . . . iii Resumo . . . iv Abstra t . . . v Índi e . . . vi Índi e de Tabelas . . . ix Índi e de Figuras . . . x Glossário . . . xiv 1 Introdução Geral . . . 1 1.1 Motivação . . . 1

1.2 Qualidade de Energia Elétri a (QEE) . . . 2

1.2.1 Denição . . . 2

1.2.2 Problemas . . . 3

1.2.3 Aspe tos Normativos . . . 6

1.2.4 Curvade sensibilidadeITI (CBEMA) . . . 9

1.2.5 SoluçõesBaseadas em Eletrni a de Potên ia . . . 10

1.3 Objetivos dotrabalho . . . 11

1.4 Con lusão . . . 12

2 O Restaurador Dinâmi o de Tensão (DVR) . . . 13

2.1 Considerações quantoaos afundamentos de tensão . . . 13

2.2.1 Introdução. . . 16

2.2.2 Primeiros estudose testes fun ionais . . . 17

2.2.3 Controle doDVR . . . 19

2.2.4 Topologiasdo sistema . . . 21

2.2.5 Congurações dos inversores . . . 23

2.2.6 ModulaçãoPWM . . . 24

2.3 Breve des rição daestratégia PWM para estrutura onven ional . . . 25

2.4 Breve des rição daestratégia PWM para estrutura om seis braços . . . 27

2.5 Con lusão e onsiderações . . . 28

3 Restaurador Dinâmi o de Tensão (DVR) Proposto . . . 29

3.1 Modelo do DVR Proposto . . . 29

3.1.1 Introdução. . . 29

3.1.2 Modelo dos inversores trifási os . . . 30

3.1.3 Modelo eespe i ações dos transformadores de injeção . . . 31

3.1.4 Modelo doFiltro de altafrequên ia . . . 32

3.1.5 Modelo Geral . . . 33

3.2 Controle doDVR . . . 35

3.2.1 Estratégia de ontrole de tensão por PWM . . . 35

3.2.2 Controladores de tensão na arga . . . 42

3.2.3 Sin ronismo om a rede (PLL). . . 43

3.3 Con lusão e onsiderações . . . 46

4 Análises e Resultados . . . 47

4.1 Resultados de simulação . . . 47

4.1.1 Afundamentode tensões dotipo trifási obalan eado . . . 48

4.1.2 Afundamentode tensões dotipo trifási odesbalan eado . . . 57

4.1.3 Afundamentode tensões dotipo bifási o . . . 61

4.1.4 Afundamentode tensão do tipomonofási o. . . 65

4.1.5 Elevação de tensões . . . 68

4.2 Resultados Experimentais . . . 70

4.4.1 Estudo omparativo om oDVR onven ionale seis braços . . . 84

4.5 Análise dadisponibilidade de tensão nos barramentos . . . 89

4.6 Análise omparativade usto do onversor . . . 94

4.7 Estudo daoperação om barramentos CC distintos . . . 95

4.8 Con lusão . . . 99

5 Con lusão Geral e Trabalhos Futuros . . . 101

5.1 Introdução. . . 101

5.2 Síntese do trabalhode dissertação . . . 101

5.3 Con lusão Geral . . . 104

5.4 Trabalhos Futuros . . . 106

Referên ias. . . 107

A Plataforma de ensaios experimentais . . . 114

I Anexo - Artigos Publi ados . . . 117

I.1 DVR with Open-EndWinding Transformer, IECON2011, Melbourne . . . . 117

I.2 Hybrid PWM Strategy Applied to a Dynami Voltage Restorer with Open-End Winding Transformer, PCIM (South Ameri a)2012, São Paulo . . . 117

1.1 Prin ipaisproblemas e seus efeitos . . . 6

1.2 Cara terísti as típi as dos problemas em QEE segundo IEEE 1159 [1℄ . . . . 7

1.3 Cara terísti as das variaçõesde tensão segundo EN 50160,[2℄ . . . 8

1.4 Classi açãodas variações de tensão de urta duração segundo a ANEEL,[3℄ 8 1.5 Comparativoentre as soluções desta adas para variaçõesde tensão. . . 11

3.1 Parâmetros dos transformadores de injeção . . . 32

4.1 Prin ipaisparâmetros de simulação utilizados. . . 47

4.2 Prin ipaisparâmetros dosistema simuladoem baixatensão. . . 48

4.3 Prin ipaisparâmetros damontagemexperimental. . . 70

4.4 Custo dos prin ipais omponentes para inversores em um DVR. . . 94

4.5 Análise da WTHD das tensões geradas naestrutura OEW om barramentos distintos

v

ca

= 66, 7%

e

v

cb

= 33, 3%

eutilizando-se 1portadora. . . 96

4.6 Análise da WTHD das tensões geradas naestrutura OEW om barramentos distintos

v

ca

= 66, 7%

e

v

cb

= 33, 3%

eutilizando-se 2portadoras. . . 97

1.1 Prin ipaisdistúrbios (fonte: [4℄). . . 5

1.2 Problemas de QEE em lientes industriais. . . 5

1.3 Curva ITI (CBEMA).. . . 9

2.1 Representação vetorial de sags balan eados: . . . 14

2.2 Representação vetorial de sags desbalan eados: . . . 15

2.3 Representação vetorial de sags monofási os: . . . 16

2.4 Histogramados artigos publi ados sobre DVRs. . . 17

2.5 Três métodos de estratégias de ontrole propostos em [5℄. . . 21

2.6 Topologia de Sistema do DVR sem armazenamento de energia: (a) Sistema 1,(b) Sistema 2. . . 22

2.7 Topologia de Sistema do DVR om armazenamento de energia: (a) Sistema 3,(b) Sistema 4. . . 23

2.8 Algumas estruturas de DVR existentes: (a) Conven ional, (b) Transformer-less,( ) Multinível(ponte H),(d) Inversor om seis braços. . . 24

2.9 Modelo bási o daestrutura de DVR onven ional. . . 26

2.10 Modelo bási o daestrutura de DVR om seis braços (6B). . . 28

3.1 Modelo simpli ado doDVR proposto para um sistema genéri o . . . 30

3.2 Cir uitoequivalentemonofási odo transformador de injeção . . . 32

3.3 Modelo Geral . . . 34

3.4 Diagramade blo os para a estratégia de haveamento PWM proposta. . . . 38

3.5 HPWM proposto paratopologiaOEW em uma fase: Modulante eportadora (superior), sinais de gatilho( entro) etensão de pólo(inferior). . . 40

3.6 Tensões no inversor em uma fase: Tensões de pólo individuais (superior), Tensão de modo omum ( entro) e tensão de fase (inferior).. . . 41

3.7 Diagramade blo odo ontrole em malhaaberta . . . 42

3.8 Diagramade blo os doPLL monofási outilizado. . . 43

3.9 Teste do PLLmonofási o utilizado. . . 44

3.10 Variáveismanipuladas noPLL. . . 45

4.1 Tensões nosistema: (a) Rede de alimentação,(b) DVR (se undáriodo trans-formador),( ) Carga. . . 49

4.2 TensõesinjetadaspeloDVR:(a), ( ),(e) Primáriodotransformador,(b), (d), (f) Se undário dotransformador. . . 50

4.3 Ampliação das tensõesinjetadas pelo se undário dotransformador (

v

s123

). . 52

4.4 Tensões nafase

a

: (a) de referên iadoPWM e(b) noDVR om 1portadora e( ) 2portadoras. . . 53

4.5 Tensões nafase

b

: (a) de referên iadoPWM e (b) noDVR om 1portadora e( ) 2portadoras. . . 53

4.6 Tensões nafase

c

: (a) de referên iadoPWM e (b) noDVR om 1portadora e( ) 2portadoras. . . 53

4.7 Tensão homopolarde referên ia(

v

µ0

) doPWM. . . 54

4.8 Tensões de pólopara fase

a

. . . 55

4.9 Tensões de pólopara fase

b

. . . 55

4.10 Tensões de pólopara fase

c

. . . 55

4.11 Tensão de modo omum. . . 56

4.12 Tensão entre fases: (a)

v

p12

, (b)

v

p23

e ( )

v

p31

. . . 56

4.13 Tensões no sistema: (a) Grid, (b) DVR (se undário do transformador), ( ) Carga. . . 57

4.14 TensõesinjetadaspeloDVR:(a), ( ),(e) Primáriodotransformador,(b), (d), (f) Se undário dotransformador. . . 58

4.15 Tensões injetadas sem ltro. . . 59

4.16 Tensões injetadas om ltro. . . 59

4.17 Tensões Auxiliaresde referên ia. . . 60

4.18 Tensões injetadas om ltro. . . 60

4.20 Tensão

v

nm

em um aso de afundamentobifási o. . . 61

4.21 TensõesinjetadaspeloDVR:(a), ( ),(e) Primáriodotransformador,(b), (d), (f) Se undário dotransformador. . . 63

4.22 Tensões de pólo: (a), ( ), (e) Inversor A, (b), (d), (f)Inversor B. . . 64

4.23 Tensão de modo omum

v

0a0b

para o aso de afundamento bifási o. . . 65

4.24 Tensões no sistema: (a) Grid, (b) DVR (se undário do transformador), ( ) Carga. . . 65

4.25 Tensão

v

nm

em um aso de afundamentomonofási o. . . 66

4.26 TensõesinjetadaspeloDVR:(a), ( ),(e) Primáriodotransformador,(b), (d), (f) Se undário dotransformador. . . 66

4.27 (a) Tensões de referên iae (b) tensõesde pólo.. . . 67

4.28 Tensões haveadas no inversor: (a) pólono inversor A,(b) pólono inversorB. 67

4.29 Tensões nosistemaparaum aso trifási o: (a) Grid, (b) DVR (se undáriodo transformador),( ) Carga. . . 68

4.30 Tensões nosistema para um aso bifási o: (a) Grid, (b) DVR (se undáriodo transformador),( ) Carga. . . 68

4.31 Tensões nosistemapara um aso monofási o: (a) Grid, (b)DVR (se undário dotransformador),( ) Carga. . . 69

4.32 Tensão

v

nm

em três asos de elevação de tensão: (a) trifási a,(b) bifási a,( ) monofási a. . . 69

4.33 Diagramaesquemáti o da montagemexperimental. . . 71

4.34 Tensões no sistemapara uma fase: (a) Grid, (b) DVR e ( ) Carga. . . 73

4.35 Tensões nolado primáriodotransformadorde injeção doDVR: (a)estrutura onven ional e(b) estrutura proposta. . . 74

4.36 Tensões noDVRem umafase: (a) primáriodotransformador,(b) se undário dotransformadore( ) ampliação datensãonoprimáriodotransformadorde injeção . . . 75

4.37 Tensões noDVR proposto para umafase: tensãode póloefetiva(parte supe-rior),tensão de póloindividualnoinversorA (parte entral) etensãode pólo individualno inversor B (parteinferior). . . 75

4.39 Tensões doDVRduranteotransitório de operação: (a) visãogeral,(b) zoom

noiní iodaoperação e ( ) zoomno nal daoperação.. . . 77

4.40 WTHD datensão gerada peloDVR -

v

p1

.. . . 79

4.41 WTHD das tensõesgeradas em função do índi ede modulação

m

. . . 79

4.42 WTHD das tensõesde faseno DVR em função de

µ

0

. . . 80

4.43 WTHD das tensões de fase no DVR omo função de

µ

1

: (a) Visão geral (b) ampliação daregião em torno de

µ

1

= 0, 5

. . . 81

4.44 WTHD das tensões de fase no DVR em função de

µ

2

: (a) Visão geral (b) ampliação daregião em torno de

µ

2

= 0, 5

. . . 81

4.45 WTHD das tensões de fase no DVR em função de

µ

3

: (a) Visão geral (b) ampliação daregião em torno de

µ

3

= 0, 5

. . . 82

4.46 WTHD das tensões de fase no DVR, om uma portadora, omo função da variávelauxiliarlo al: (a)

µ

1

, (b)

µ

2

e( )

µ

3

. . . 83

4.47 Perdas totais nos inversores. . . 86

4.48 Perdas em ada have nos inversores. . . 88

4.49 Afundamento trifási o balan eado: (a) demanda de tensão do barramento, (b) omportamentodas tensõesde linha. . . 90

4.50 Afundamentotrifási odesbalan eado: (a)demandade tensãodobarramento, (b) omportamentodas tensõesde linha. . . 91

4.51 Afundamentobifási obalan eado: (a) demandadetensãodobarramento,(b) omportamento das tensões de linha. . . 92

4.52 Afundamento monofási o: (a) demanda de tensão do barramento, (b) om-portamentodas tensões de linha. . . 93

4.53 tensão gerada em uma fase pelo DVR no enrolamento primário do transfor-madorde injeção: (a) uma portadora, (b) duas portadoras. . . 98

A.1 Plataformade ensaioexperimental. . . 116

QEE  Qualidade de Energia Elétri a

CLP  Controlador Lógi o Programável

CP  doinglêsCustom Power

SDCD  SistemasDigitaisde Controle Distribuído

CNC  Comando Numéri oComputadorizado

RMS  doinglês Root Mean Square

RLC  Cir uitoResistivo IndutivoCapa itivo

EMI  doinglês Ele tromagneti Interferen e

CUPS  doinglês Custom Power Systems

APF  doinglês A tive Power Filters

DSTATCOM  doinglês Distribution Stati Syn hronous Compensator

DVR  doinglês Dynami Voltage Restorer

UPS  doinglês Uninterruptible Power Supplies

SSTS  doinglês Solid-State Transfer Swit hes

SMES  doinglês Super Condu ting Magneti Energy Storage Systems

OEW  doinglês Open-End Winding

PWM  doinglês Pulse Width Modulation

CA  CorrenteAlternada

CBEMA  doinglês Computer and Business Equipment Manufa turers Asso iation

ITI  doinglês Information Te hnology Industry Coun il

ANEEL  Agên ia Na ionalde EnergiaElétri a

IEEE  doinglês Institute of Ele tri al and Ele troni s Engineers

EN  doinglês European Norm

IGBT  doinglês Insulated Gate BipolarTransistor

WTHD  doinglês Weighted Total Harmoni Distortion

LV  doinglês Low Voltage

MV  doinglês Medium Voltage

1

Introdução Geral

Este do umento relataestudos sobredispositivo paraapli açõesdotipoCP (do inglês

Cus-tom Power), bem omo té ni as de ontrole elementares e ara terísti as de seus

elemen-tos. Otipode dispositivotratadoespe i amenteneste trabalhoédenominado restaurador

dinâmi odetensão,ouDVR(doinglêsDynami Voltage Restorer). Neste apítulo,

abordar-se-ão tópi osrela ionadosao ontexto, motivação, introduçãoaos on eitos sobre qualidade

de energia elétri a,normatizações, objetivosdo trabalho, e aorganização geral domesmo.

1.1 Motivação

Qualidade de Energia Elétri a (QEE) é um tema de unho nan eiramente global em

pro- essamento de energia. De fato, alguns estudos já apontaram que, anualmente, bilhões de

dólares são perdidos no setor omer ial e industrial ameri ano, [6℄ e [7℄. No Brasil a situ-ação não é diferente [8℄. Esta perda é onsequên ia dos eventuais problemas asso iados ao mau fun ionamento de diversos equipamentos, argas e até mesmo do próprio sistema de

potên ia, osquais ara terizamquãobaixa poderá ser aQEE em um determinado sistema.

Estes problemas, omumente denominados de distúrbios, são as razões para se bus ar

otimizar os sistemas de potên ia omo um todo. De fato, a proteção ontra distúrbios

tornou-se essen ial devido ao fortale imento do laço de sistemas omputadorizados

(eletro-eletrni os) omsetoresindustriais, omer iaiseresiden iais,fazendo omqueorompimento

É interessante observar que as argas atuais estão mais sensíveis aos distúrbios se

om-paradas àquelas de dé adas passadas. Com isso, justi a-se o ompromisso existente da

on essionária forne er seu produto, energia elétri a, om a melhor qualidade possível ao

onsumidor, e este, estar iente dos prejuízos que podem ser ausados no seu pro esso por

eventuais distúrbios elétri os. Estas argas sensíveisde orrem dos avançoste nológi os

vin- ulados aodesenvolvimento de equipamentos derivados da eletrni a digital e eletrni a de

potên ia.

As prin ipais argas sensíveis no enário industrial são: Equipamentos eletrni os

mi- ropro essados, Controladores Lógi o Programáveis (CLPs), Sistemas Digitais de Controle

Distribuído (SDCD), Comando Numéri o Computadorizado (CNC) e A ionamentos à

ve-lo idadevariável. No enárioresiden ialpodem ser itadasmáquinasprogramáveisde lavar,

omputadores, sistemas de refrigeração, dentre outros.

1.2 Qualidade de Energia Elétri a (QEE)

1.2.1 Denição

A denição para QEE, neste trabalho, é a mesma presente no di ionário de normas do

IEEE: O on eito de alimentação e aterramento de equipamentos eletrni os de tal forma

queaoperaçãodeste equipamentosejaadequadae ompatível omo sistemalo al eos outros

equipamentos. ,[9℄.

Apesar dos diferentes on eitos en ontrados na literatura [9℄ e [10℄, todos onvergem para um mesmo ponto englobando as formas de onda de tensão e orrente em um sistema

de orrente alternada (CA), a presença de harmni os nos sinais de tensão tanto na rede

quanto na orrente da arga, a presença de spikes e afundamentos de tensão momentâneos

1.2.2 Problemas

Os problemas em QEE vem sendo tratados na literaturapor dé adas [4℄, [11℄ e [12℄. Estes problemas são ara terizados basi amente por qualquer divergên ia do perl da forma de

onda físi a no sistema elétri o, semelhante a uma senóide, de uma formade onda senoidal.

Dentre os vários distúrbios existentes, desta am-se os seguintes fenmenos ou grandezas

mensuráveis[13℄:

1. Spike: Trata-se de um evento rápido (ordem de nanosegundos) quando omparado

ao período na rede elétri a (16 ms). O spike é uma abrupta elevação de tensão que

pode atingirváriasvezesovalordepi o darede, seguidoporqueda igualmenterápida.

Um dos agentes ausadores do spike é o haveamento de argas indutivas (motores,

solenóides, ontatores,bobinas,et ). Enm,oprin ipalmotivodosurgimentodospike

é devido aforça ontra-eletromotriz(f. .e.m).

2. Sag ou Dip: Consiste em uma redução no valor RMS da tensão entre 0,1 e 0,9 pu,

tendo uma duração de meio i lo de operação (8,33 ms) a menosde um minuto. Este

tipo de afundamento de tensão pode ser instantâneo, momentâneo e temporário. A

prin ipal ausa dos afundamentos de tensão é a partida de grandes motores elétri os,

porém a onexão de grandes argas também podem gerar esse tipo de distúrbio. Vale

salientar também que a variação de tensão pode vir diretamente da on essionária

de energia elétri a. De um modo geral, o efeito do Sag é sentido prin ipalmente nos

equipamentos eletro-eletrni os, prin ipalmenteos de te nologia dainformação.

3. Subtensão: Ao ontrário doSag, a subtensão tem um períodomaiorde duração. Não

setrata de 30 i los de tensão abaixo danominal, mas de minutos (mais de 60 i los)

a até mesmohoras. Geralmente, a subtensão o orre nos horários de pi o, ou seja,das

18 às 21 horas (fora do horário de verão) e das 19 às 22 horas (durante o horário de

verão).

4. Swell: É uma rápida elevação no valorRMS da tensão entre 1,1 e 1,8 p.u, om uma

duração de 8,33 ms a menos de um minuto. Trata-se de um evento de urta duração

impedân ia em um ramal. A ausên ia dessa arga desestabiliza a rede por um breve

instante gerando um swell. Outra ausa pode ser devido aodesligamentode ban o de

apa itores.

5. Sobretensão: Este, difere do anterior no que diz respeito ao tempo de duração do

evento. Enquanto o swell dura apenas alguns i los de senóide (ordem de ms), a

sobretensão pode durarminutos ou até mesmo horas.

6. Transitório: Consiste em uma variação momentânea indesejável da tensão de

alimen-tação ou da orrente da arga. Transitórios são geralmente lassi ados em duas

ategorias: impulsivo e os ilatório. A prin ipal ausa de transitórios impulsivos são

des argas ara terizadasporrelâmpagos. No asodetransitóriosos ilatórios,estessão

ausados por dispositivosde eletrni a de potên ia bem omo ir uitossnubber RLC.

7. Desbalan eamento de tensão: Trata-se de uma relação da omponente de sequên ia

negativa ou nula om relação à omponente de sequên ia positiva. Em sistemas de

potên ia, tensões de sequên ia negativa ouzero, geralmenteresultam do

desbalan ea-mentode argas ausando a ir ulação deuma orrentedesequên ianegativaounula.

8. Distorção Harmni a: Este efeito surge om o in remento de argas não-lineares, ou

seja, ir uitos haveadosnasinstalações, omoreatoreseletrni os,fontesde

omputa-dores,inversores de frequên ia,entre outros. Osharmni ospresentes nesse fenmeno

são medidoseminteirosmúltiplosdafrequên iafundamentaldafontede alimentação.

Osefeitosmais omuns ausadosdevidoapresençadedistorçãoharmni asão: i)

aque- imento ex es sivo dos abos, ii) Disparo de dispositivosde proteção, iii) Ressonân ia,

iv) EMI, v) Quedado fatorde potên iae vi) Ex esso de orrentede neutro

9. Not hing: O Not hing se enquadra em um aso espe ial dentre os transitórios e a

a distorção harmni a. Sua ara terísti a é de uma perturbação periódi a de tensão

provo adapelofun ionamentonormaldedispositivosdeeletrni adepotên ia,quando

a orrente é omutada de uma fase para outra. Um exemplo é o uso de onversores

trifási os queproduzem ontinuamenteuma orrenteCC.

equipa-11. Outage: Trata-se de uma interrupção aqual tem duração de mais de um minuto.

Algunsdosprin ipaisdistúrbios onsideradosnestetrabalhoestãoilustradosnaFig.1.1, om destaque para afundamento de tensão ( Sag) sendo o prin ipal problema em QEE tratado

neste trabalho.

Figura 1.1: Prin ipaisdistúrbios (fonte: [4℄).

Tomando-se todos os tipos de distúrbios em QEE, os afundamentos de tensão ( Sags),

transitórioseinterrupçõesmomentâneas onstituem92%dosproblemasdeQEEen ontrados

Alguns efeitos ausados por problemas em QEE

NaTabela1.1 tem-sealgunsefeitosdos prin ipaisproblemas omentadosanteriormente om destaque para ossags.

Tabela1.1: Prin ipais problemas eseus efeitos

Distúrbio Efeito

Transitórios Travamento, erro de medida em equipamentos

odonto-médi o-hospitalares, queima de enrolamentos em transformadores, falha de

softwares,queimadepla aseletrni as,travamento,perdadememória

em ontrole de pro esso, parada de máquinas, dentre outros.

Sag Resetindesejado,paradademáquinas, ustosdereparoedeparadade

produção em indústrias ausando forte impa tonan eiro no usuário

nal

Harmni os Calor ex essivo efalta de estabilidade de tensão em transformadores,

"zumbido"audível, dentre outros

Fli ker Radiaçãovisual

Spike Queima de pla as eletrni as, parada de máquinas,queima de fontes

dealimentação,travamento,errode medidaemequipamentos

odonto-médi o-hospitalares

Sobretensão Queima de pla as eletrni as, queima dos enrolamentos em

transfor-madores, saturação, parada de máquinas, dentre outros

1.2.3 Aspe tos Normativos

Comumente, nodesenvolvimentode projetossebus aseguirumpadrão,oqualatingevários

setores em QEE. O resultado são referên ias para se quanti ar a qualidade de energia

elétri a em um enário de disputa ompreendido pelas on essionárias, as quais  am om

o dever de riar níveis mínimos a eitáveis de qualidade de energia [11℄. Os padrões variam de a ordo om a região. Três tiposde normassão desta adas nestaseção.

IEEE 1159 (1995)

Trata-se de uma práti a ameri ana de re omendações pelo IEEE que dene, ara teriza

e interpreta os fenmenos eletromagnéti os que ausam problemas à qualidade de energia

Tabela 1.2: Cara terísti as típi as dos problemas em QEE segundo IEEE 1159 [1℄ Categorias Conteúdo espe tral Duração Magnitude de tensão 1.0 Transitórios 1.1 Impulsivo 1.1.1Nanosegundo 5 ns < 50ns 1.1.2Mi rosegundo 1

µ

s 50 ns 1.1.3Milesegundo 0,1 ms > 1ms 1.2 Os ilatório 1.2.1Baixa frequên ia < 5 kHz < 0,3 - 50ms 0 - 4pu 1.2.2Média frequên ia 5 - 500 kHz < 20

µ

s 0 - 8pu 1.2.3Alta frequên ia 0,5 -5 MHz < 5

µ

s 0 - 4pu 2.0 Variações de urta duração

2.1 Instantânea 2.1.1Sag 0,5 -30 i los 0,1 -0,9 pu 2.1.2Swell 0,5 -30 i los 1,1 -1,8 pu 2.2 Momentânea 2.2.1Interrupção 0,5 -3s <0,1 pu 2.2.2Sag 30 i los -3s 0,1 -0,9 pu 2.2.3Swell 30 i los -3s 1,1 -1,4 pu 2.3 Temporária 2.3.1Interrupção 3s - 1min <0,1 pu 2.3.2Sag 3s - 1min 0,1 -0,9 pu 2.3.3Swell 3s - 1min 1,1 -1,2 pu

3.0 Variações de longa duração

3.1 Falta > 1min 0,0 pu

3.2 Subtensão > 1min 0,8 -0,9 pu

3.3 Sobretensão > 1min 1,1 -1,2 pu

4.0 Desbalan eamento de tensão regime perm. 0,5 -2%

5.0 Distorção naforma de onda

5.1 Oset regime perm. 0 - 0,1%

5.2 Harmni os 0-100

o

harm. regime perm. 0 - 20%

5.3 Interharmni os 0 - 6kHz regime perm. 0 - 2%

5.4 Not hing regime perm.

5.5 Ruído banda larga regime perm. 0 - 1%

6.0 Flutuaçõesde tensão 25 Hz intermitente 0,1 -7%

7.0 Variaçãona frequên ia <10 s 0

As durações das ategorias desta adas estão orrela ionadas om o tempo de atuação

da proteção e adivisão das durações re omendadas pororganismos té ni os interna ionais,

EN 50160

Esta norma des reve as ara terísti as de tensão no sistema de distribuição europeu. Ela

lassi aafundamentos de tensãoe eventuais interrupções. A maioriados eventos des ritos

são rela ionados a transitórios de sobretensão, sobretensão temporária, sags e interrupções

de longa e urta duração, onformemostra a Tabela1.3.

Tabela1.3: Cara terísti as das variaçõesde tensãosegundo EN 50160,[2℄

Tipo Magnitude de tensão Duração

Interrupção de urta duração < 0,01 pu 0,5 i los-3min

Interrupção de longa duração < 0,01 pu > 3 min

Sag 0,1 -0,9 pu 0,5 i los-1min

Transitóriode sobretensão > 1,1 pu

-Sobretensãotemporária > 1,1 pu

-ANEEL: Pro edimentos de Distribuição - Módulo 8

ÉumanormabrasileirasobreosPro edimentosdeDistribuição(Prodist)paraaqualidadede

energiaapli adasàs on essionárias de energiaelétri abrasileiras. Nesta norma

en ontram-se ara terísti as, terminologiaeparâmetrosdoseventos asso iadosavariaçãode tensãoem

urtaduraçãotais omoswells,sagseinterrupções. Namesma,en ontra-seoestabele imento

de metodologiapara apuração dos indi adores de ontinuidade.

Tabela 1.4: Classi ação das variações de tensão de urta duração segundo a

ANEEL, [3℄

Classi ação Duração Magnitude de tensão

1.0 Momentânea 1.1 Interrupção < 3s <0,1 pu 1.2 Sag 1 i lo - 3s 0,1 - 0,9 pu 1.3 Swell 1 i lo - 3s >1,1 pu 2.0 Temporária 2.1 Interrupção 3s - 1min <0,1pu 2.2 Sag 3s - 1min 0,1 - 0,9 pu 2.3 Swell 3s - 1min >1,1 pu

1.2.4 Curva de sensibilidade ITI (CBEMA)

A CBEMA(do inglês Computerand BusinessEquipment Manufa turers Asso iation),uma

asso iaçãodefabri antesde equipamentos, eoITI (doinglêsInformationTe hnology

Indus-try Coun il), um grupo voltado para osinteresses daindústria de informáti a, propuseram

uma urva de sensibilidade onhe ida omo urva ITI/CBEMA, ver Fig. 1.3, nointuito de avaliaraqualidadedatensãoemum sistemadepotên ia omrelaçãoaos eventos asso iados

às variações de tensão em urta e longaduração.

Esta urva des reve a tolerân ia típi a de diferentes tipos de omputadores sujeitos a

variações de tensão. Assim, esta urva vem se tornando referên ia para projeto de

equipa-mentos mais sensíveis a serem apli ados nos sistemas de potên ia [11℄. Observa-se que os equipamentos sensíveis itados anteriormente dizem respeito a equipamentos de te nologia

de informação e omputadores. Logo, esta urva não se apli a a todos os tipos de argas

sensíveis. A apli ação desta urva é mais apropriada para equipamentos que operam om

tensão nominalem torno de 120 Volts efrequên ia nominalem 60Hz.

1.2.5 Soluções Baseadas em Eletrni a de Potên ia

Conforme é omentado em [6℄,existem dois possíveis grupos de soluções para osproblemas em QEE. O primeiro visa garantir que os equipamentos usados nos pro essos (industriais,

omer iaisouresiden iais)sejammenossensíveisaosdistúrbios. Osegundo onsistena

insta-lação de dispositivos ustomizados para eliminar ou ompensar os distúrbios. A Eletrni a

de Potên iaestá inseridafortemente nosegundo grupo.

Dentre osváriosdispositivosparaCUPS (doinglêsCustom PowerSystem)desta am-se:

•

FiltrosAtivosde Potên ia: Presente naliteratura omo APF (do inglês A tive Power Filters), estes dispositivos são apazes de ompensar distúrbios omo harmni os de

orrente etensão;

•

Sistemas de armazenamento de energia: Citados na literatura omo BESS (do inglês Battery Energy Storage System), são apropriados para sistemas de energia renovável

bem omo nos ir uitos auxiliares e deslo amentos de arga omumente en ontrados

em linhas de distribuição;

•

Compensador estáti ode distribuição: Comumente onhe ido omo DSTATCOM (do inglês Distribution Stati Syn hronous Compensator), é uma solução adequada para

variação de tensão. Esta solução é ara terizada por um tipo de ompensação em

paralelo;

•

Restaurador Dinâmi o de Tensão: Normalmente referen iado omo DVR (do inglês Dynami Voltage Restorer), é indi ado para ompensar afundamentos de tensão. A

disposição deste dispositivose ara terizaporuma ompensação série. Maiores

expli- ações serão apresentadas om relação aeste dispositivo;

•

Fonte de tensão ininterrupta: Conhe ido na literatura omo UPS (do inglês Uninter-ruptible Power Supplies)é apaz de solu ionar amaiorpartedos distúrbios existentes

em QEE. Sua estrutura é omposta por um onversor ba k-to-ba k . Devido a isso

apresentauma altarelação usto/benefí io;

uma faltautilizandooutra unidade alimentadorade uma linha de distribuição;

•

Sistemasde armazenamentodeenergia ommaterialmagnéti osuper ondutor: Geral-mente itados omo SMES(do inglêsSuper ondu tingMagneti Energy Storage)éum

sistema de te nologia avançada om altíssima apa idade de armazenamentode

ener-gia, apazde ompensar interrupções de tensãoporémapresenta um elevado usto no

mer ado atual;

Três dispositivos (UPS, DVR e SSTS) foram desta ados pelo fato de orrigir o mesmo

tipo de distúrbio, os afundamentos de tensão (ou Sags). Uma omparação entre estes três

tiposde dispositivosfoifeitaem[15℄emedianteesta omparação on lui-sequeSTSSpossui melhor relação usto/benefí io aso exista um alimentador se undário. Caso ontrário, o

DVR é onsiderado a melhor solução em relação ao usto/benefí io. Na Tabela1.5, tem-se as prin ipais ara terísti asde ada dispositivo.

Tabela 1.5: Comparativoentre as soluções desta adas para variaçõesde tensão

Dispositivo Distúrbi o Armazenamento

de Energia

Custo Perdas

UPS Interrupções,swells

e sags

Sim Alto Elevadas

DVR Sags e Swells Sim Médio Baixas

SSTS Interrupções,swells

e sags

Não Baixo Baixas

1.3 Objetivos do trabalho

EstetrabalhopropõeumaestruturadeDVR onsistindodeumatopologiadeinversorde

ten-são onhe ida omodotipoOpen-End-Winding (OEW)usada omumenteparaalimentação

de máquinaselétri astrifási aseapli açõesvoltadasparaestruturas multinível. Comotipo

de inversor OEW, o DVR proposto apresenta ara terísti as de utilização de barramentos

isolados om umnívelde tensãoinferiorse omparado om aestrutura onven ional. Muito

embora não seja alvo deste trabalho, o DVR proposto pode possuir também ara terísti a

As prin ipais ontribuiçõesbus adas neste trabalhosão:

•

Desenvolvimento de uma estratégia de modulação PWM Híbrida adaptada para a onguraçãode inversor tipoOEW;

•

Estudo omparativodasperdas naestrutura de onversorOEWutilizado om a estru-tura onven ional ede seis braços;

•

Cara terísti asobservadas omrelaçãoaosdemaiselementos doDVRtais omo trans-formadoresde injeção,e ltros de altafrequên ia do PWM;

•

Implementação de um protótipopara validação dos resultados de simulação.

1.4 Con lusão

Este apítulo introduziu alguns on eitos onsiderados importantes para o enquadramento

fun ional dotrabalhode dissertaçãoapresentado. Dentre os problemas existentes em QEE,

aqueles em que os DVRs podem mitigar são: i) elevações de tensão ( swells), ii)

afunda-mentos de tensão ( sags), iii) distorção naforma de onda e iv) desbalan eamento de tensão

na rede. No entanto, neste trabalho, apenas os afundamentos de tensão (balan eados e

2

O Restaurador Dinâmi o de Tensão

(DVR)

Este apítuloapresenta on eitos bási os sobre o Restaurador Dinâmi ode Tensão (DVR).

Aqui,en ontra-seumabreve revisãosobreostrabalhosjá realizadosnaliteraturabem omo

ara terísti aselementaressobreostiposdeafundamentosdetensão,modelagemeestrutura

de DVR usadas para estudos omparativos om a estrutura proposta OEW.

2.1 Considerações quanto aos afundamentos de tensão

Os afundamentos de tensão são tidos omo o tipo de problema mais dispendioso em QEE

e, também, de maior relevân ia [16℄, [17℄ e [18℄. As ara terísti as quanto à intensidade e duração deste evento já foram apresentadas nas Tabelas 1.2, 1.3 e 1.5. No entanto, existe outro parâmetro presente nos afundamentos de tensão omumente onhe ido omo salto de

fase, oqual já foi abordadoem [5℄.

Gra amente, o sag já foi apresentado naFig. 1.1. Porém, para estudos de té ni as de dete çãoeestratégias de ontroledeve-se bus arsuarepresentaçãovetorial. Assim, deni-se

fasorialmenteo sag omo:

V

sag

=

V

pre

sag

−

V

pos

Basi amente, no que diz respeito aos tipos de afundamentos de tensão ( sags), pode-se

subdividi-los em três grupos:

1. Balan eados: Nestegrupoen ontram-seosafundamentosdetensãotrifási osebifási os

equilibrados om ousem salto de fase, onformeilustra a Fig. 2.1.

(a)Trifási osemsaltodefase (b)Bifási osemsaltodefase

( ) Trifási o omsalto (d)Bifási o omsalto

2. Desbalan eados: Estegrupoenglobaosafundamentosdetensãomonofási os,trifási os

ebifási osdesequ ilibrados omousem saltode fase, onformepode-se observaralguns

exemplos naFig. 2.1.

(a)Trifási osemsaltodefase (b)Bifási osemsaltodefase

( ) Trifási o omsalto (d)Bifási o omsalto

3. Monofási os: Alguns exemplosestão dispostos naFig. 2.3.

(a)Sem saltodefase (b)Comsaltodefase

Figura 2.3: Representação vetorial de sags monofási os:

O DVR deve ser apaz de mitigar todos os exemplos de sags apresentados. No

en-tanto, algumas limitações podem ser levadas em onsideração om relação a profundidade

doafundamento, ouseja, aintensidade do vetor V

sag

des ritonaEquação 2.1.

2.2 Revisão Bibliográ a

Nesta seção serão apresentados alguns trabalhados tratando-se do restaurador de dinâmi o

de tensão (DVR) bem omo estratégia de modulaçãoPWM em estruturas OEW.

2.2.1 Introdução

O DVR surgiu omoproposta para solu ionar um dos prin ipais problemas en ontrados no

enáriode qualidadede energiaem CUPS(do inglêsCustom Power System): afundamentos

de tensãoou omumente onhe idos omo sags. De fato,asquedas detensõespodem ausar

urta duração, em alguns asos, pode justi ar a ne essidade de se inserir equipamentos

baseados em eletrni a de potên ia para ompensar a baixaqualidadede energia[19℄. A orreção de afundamentos de tensão torna-se desejável em apli ações que possuem

potên ia desde entenas de watts até entenas de megawatts [20℄. O DVR é tido omo um dos dispositivos mais onhe idos para tratareste tipode problema.

Dentre osoutros dispositivos itados no apítulo anterior,o DVR pode ser onsiderado

omoumdispositivore ente,vistoqueseusestudosnãopassamdeduasdé adasnaliteratura

ientí a, onforme ilustra a Fig. 2.4. Este resultado engloba artigos de onferên ias e revistas listados noban o de dados doIEEE [21℄.

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

0

10

20

30

40

50

60

70

Ano

Artigos publicados

Figura2.4: Histogramados artigospubli ados sobre DVRs.

No iní io, a on epção de um DVR seguiam rami açõespróprias onforme ada autor

estabele ia. Porém, hoje em dia já existe uma denição sólida deste dispositivo. Assimum

DVR onsiste, basi amente, de umdispositivobaseado em onversoresestáti osde potên ia

apaz de proteger argas ríti asde quaisquerdistúrbios lo alizadosnolado de alimentação

de um sistemaelétri o, om ex eção de interrupções de longa duração [22℄.

2.2.2 Primeiros estudos e testes fun ionais

Os primeiros DVR foraminstalados, nos Estados Unidos, para uma fábri a de tapetes e na

Austrália para uma indústria de lati ínios, no nal da dé ada de 90, respe tivamente, [23℄ e[24℄. Em1997,umagrande ompanhiaeuropéiadestinadaaproduçãodepapel,ne essitava ompensaros ustos de paradade produção devido aos afundamentos de tensão. Ela optou

tamanho e usto. O DVR projetado para este lienteera de 4 MVA e tinha apa idade de

injetar 50% de tensão om duração em torno de 300ms [25℄.

O enquadramento fun ional do DVR em sistemas de distribuição foi testado por

Abi-Samra et al.[26℄ eStump et al. [27℄.

Abi-Samraetal.[26℄apresentamresultadospráti osdeumDVRde2MVA,desenvolvido pela Westinghouse, através da apli açãode faltas, separadamente, em diferentes pontos de

um sistema distribuição elétri o. Os mesmos onstataram que o DVR é apaz de suprir

e absorver tanto reativos quanto ativos no sistema. Uma vez que na maioria dos asos

pequenos distúrbios podem ser restaurados tro ando-se apenas energiareativa. Jáno outro

enário,distúrbios om magnitudesmaiores, oDVR deve suprir energiaativa para a arga.

Stump et al. [27℄ justi am a ne essidade do uso do DVR no enário de qualidade de energia elétri a. Onde, a partir da norma IEEE 1100-1992, foram abordados aspe tos

té ni osimportantesparatratarosefeitosrela ionadosaosafundamentosdetensãopresentes

em uma rede de distribuição de média e alta tensão. Ainda em [27℄, são apresentados um DVR e um ompensador estáti o de distribuição (DSTATC OM), desenvolvidos pela

Westinghouse omosoluçõespara ompensação em série(DVR)ouparalelo(DSTATC OM),

reduzindo, assim, a vulnerabilidade do sistema. Woodley et al. [23℄ realizaram um estudo detalhado do primeiro DVR instalado para uma fábri a de tapetes na Carolina do Norte,

em 1996, desenvolvido pela Westinghouse. Neste estudo observa-se um sistema de proteção

bypass do DVR que utiliza um SCR omo interruptor om objetivo de urto ir uitar o

se undário do transformador para garantir total isolamento do DVR quando submetido

a elevados níveis de orrentes da arga a jusante. Além disso, os autores observaram o

omportamento do DVR perante diferentes níveis de afundamentos de tensão, atingindo

assim asos extremos emédios orrespondendo a afundamentos de 13%, 33% e88%.

No iní io do sé ulo XXI, área de estudos de ompensação série em sistemas de

dis-tribuição era relativamente nova. Naquela épo a, Peng et al. propuseram o uso de ltros

ativos série em onjunto om ltros ativos paralelos [28℄. A partir desta proposta de fusão dos ltros ativos, Fujita e Akagi [29℄ propuseram um dispositivo que ondi ionava a quali-dadede energiade formauni ada,este dispositivo ara onhe ido omoUPQC (do inglês

tensão, orrentes de sequên ia negativa, e harmni os. Estes dispositivos também são

on-he idos omo ltros ativos universais [30℄, [31℄. Muito embora estas e outras alternativas tenham sido relatadas, soluções usando DVR para ompensação série, persistem omo as

mais atrativas quando seleva em onsideração o usto omparado às demais.

Mesmo aindasendoum equipamentode uso omer ialraro naépo a(devido aoelevado

usto), os testes realizados om DVRs possibilitaramlevantar ara terísti asdo sistema de

proteção do equipamento e armazenamento de energia dos mesmos em um enário práti o

[23℄, [32℄,[33℄.

Defato,osfabri antes de ondi ionadoresde energia(tais omoABB)têm entradosua

produçãode DVR emequipamentos de potên iassuperiores a2MVA,parâmetro quenão se

adequaaosnúmerosbrasileiros,ondeas argassensíveispossuempotên iasbemmenores[34℄. Conforme [35℄, para uma potên ia inferior a 500kVA, faixa onde se en aixariam a maior partedas argasindustriaissensíveisadistúrbiosde urtaduração noBrasil,osdispositivos

semi ondutores e demais omponentes teriam usto baixo su iente para se tornar viável a

apli açãodoDVR na indústriana ional.

2.2.3 Controle do DVR

A partir das publi ações pioneiras, sobre DVRs, observou-se a ne essidade do estudo de

estratégias de ontrole na estrutura dos mesmos. Estes estudos foram bem explorados em

[22℄, [5℄,[36℄,[37℄,[38℄,[39℄,[40℄,[41℄.

Nos artigos de Gosh e Ledwi h [22℄, Gosh e Joshi [40℄ e Kanjiya, Singh e Jayaprakash [41℄ são propostas estratégias de ontrole envolvendo a teoria de omponentes simétri as instantâneasem onjunto omrelaçõesdatransformadadeFourierparaobtençãodosfasores

rela ionados às omponentes simétri as.

Em [22℄, durante eventuais análises do DVR em um sistema de distribuição, os autores estipularam a ondição em que no regime esta ionário o DVR não deve forne er qualquer

energia ativa. Isto impli a que a diferença dos ângulos entre os fasores tensão no DVR e a

orrentenalinhadeveserde90 o

. Assimtrês asosforamlevadosem onsideração: (i) aso1:

natensão daredeestar em fase oma tensãona arga. Considerando queambas astensões

(rede e arga) estejam om a mesma amplitude, (ii) aso 2: a arga é puramente resistiva:

este aso ara teriza queas magnitudesdas tensõesna argae rede nun a serão iguais aso

oDVR deixe de ompensar om energiaativa,e(iii) aso 3: aso genéri o em quesão feitas

análises fasoriais de diferentes pontos possíveis de operação do DVR e veri am-se pontos

parti ularesem queoDVR pode injetar omínimode tensãopossível, sendoestes pontos os

mais desejáveis.

Notrabalhode GosheJoshi[40℄,foipropostoum algoritmoparageraçãodas tensõesde referên ia para regulação doDVR perante ondições de desbalan eamento eharmni as na

tensão da rede. Ainda neste, foi usada uma té ni apara extração dasequên ia positiva no

intuitode forçaoDVRauma ompensação em regimepermanentebalan eadaporum i lo

e meio de operação do sistema. A vantagem deste esquema é que o mesmo não demanda

energiaativa doDVR.

Aproposta deKanjiya,SingheJayaprakash[41℄foradeextrairassequên iaspositivase negativasdosistemadealimentaçãoe ompara-las omastensõesne essáriasna argaporém

em seu algoritmo é estabele ido que as tensões geradas pelo DVR devem ser forçadamente

em quadratura om a orrente na rede, om isso não é ne essária o gasto de energia ativa

dobarramentodoDVR.Emseusresultados osautoresvalidamaestratégiade ontrole om

simulaçõeseexperimentais onsiderandotantoafundamentos de tensão,harmni osnarede

e elevaçõesde tensão. Porém, a análise de desempenho perante saltos de fase é desprezada

neste trabalho.

Nielsen, Blaabjerg eMohan [5℄ propuseramtrês métodos de ontrole para ompensação tanto da amplitude omo o deslo amento de fase. Porém apenas dois (dos três) métodos

são testados. Basi amente, ostrêsmétodos ara terizam-sepeloDVRgeraruma tensãoque

garantaa ompensação omafaseigualàqueladoestadoanterioraoafundamentode tensão

(método1: pre-sag ompensation),oDVRgeraumatensãoem fase omatensãomedidano

sistema após o afundamento (método 2: in-phase ompensation), o DVR gera uma tensão

defasadaem 90 o

om relaçãoà orrenteda arga(método3: energyoptimal ompensation).

Oprimeirométodomantém atensão na argaquase inta ta,o segundo métodoiráimporo

seus ontemporâneos. A Fig. 2.5 ilustra ades rição dos fasores onforme ada método.

Figura2.5: Três métodos de estratégias de ontrole propostos em [5℄.

Os métodos de ontrole para DVRs podem ser realizados tanto do tipo ante ipativo

( Feedforward) quanto do tipo realimetados ( Feedba k), [36℄. Por razões de simpli idade, é normalen ontrar apenas resultados de testes de simulação e experimentaisfeitos em malha

aberta [37℄. De fatoestes métodos mais simples são omunsnos trabalhos em que ofo oou a ontribuiçãotem maiorpeso em outro aspe to. Todavia, Nielsen et al. já implementaram

sistemas om estratégia de ontrole em malha fe hada [37℄,[38℄,[39℄.

2.2.4 Topologias do sistema

Diferentes tiposde topologiasdosistema paraDVRs podem ser obtidas vistoqueo sistema

de armazenamento de energia pode ser obtido apartir de diferentes maneiras.

Nos trabalhos publi ados porNielsen e Blaabjerg [37℄ e [38℄, foram omparados quatro tipos de topologias possíveis om relação ao sistema omo um todo. Eles lassi aram os

sistemas omo:

•

Sem armazenamentode energia:

 Sistema 1: A energia do DVR provém de um reti ador one tado ao lado da

unidade alimentadora, onformeilustra Fig. 2.6(a).

(a)

(b)

Figura 2.6: Topologia de Sistema do DVR sem armazenamento de energia: (a)

Sistema 1,(b) Sistema2.

•

Com armazenamentode energia:

 Sistema 3: A energia do DVR está armazenada no barramento CC, onforme

ilustra Fig. 2.7(a). Observa-se que neste aso a tensão do barramento CC é variável e limitada.

 Sistema 4: Sistema 4: A energia do DVR provém de uma unidade arbitrária

de armazenamento om um ontrole do barramento CC, que pode ser mantido

onstante, onforme ilustra Fig. 2.7(b). Esta topologia também está relatada em [43℄.

Na omparação entre as quatro topologias, os autores levaram em onsideração alguns

fatores omo usto, omplexidadedosistema, omplexidadedo ontrole,dentreoutros. Com

isso, elesavaliaramqueosistema2foraomelhorseguidodosistema4,sistema3eosistema

(a)

(b)

Figura 2.7: Topologia de Sistema do DVR om armazenamento de energia: (a)

Sistema 3,(b) Sistema4.

2.2.5 Congurações dos inversores

Algumas topologias de inversores já foram desenvolvidas para implementação em DVRs.

Dentre as ongurações existentes, desta am-se: (i) inversor em ponte ompleta om três

braços ( onven ional), (ii) sem transformador de injeção ( transformerless) [44℄, (iii) multi-nível, (iv) inversor om seis braços [45℄, (v) topologiade onversor do tipo matriz[46℄, (vi) topologia de onversor omo fonte Z [47℄ e (vii) topologia de om nove haves [48℄. Porém nãofoien ontradonenhumtrabalho ontemplandoumestudo omparativodestastopologias

de inversores apli adas à DVR, onforme ilustra a Fig. 2.8. Neste trabalho, as estruturas onven ionais e a seis braços (6B) serão levadas em onsideração pelo fato de serem mais

(a) (b)

( ) (d)

Figura 2.8: Algumas estruturas de DVR existentes: (a) Conven ional, (b) T

rans-formerless , ( ) Multinível(ponte H), (d) Inversor om seis braços.

2.2.6 Modulação PWM

A estratégia de haveamento por PWM tem sido vastamente utilizada nos onversores

eletrni os de potên iasdevidoa possibilidadede trabalhar om tensõese frequên ias

difer-entes das utilizadas narede de alimentação.

Os dois métodos de haveamento PWM mais utilizadas na literatura são: (i) PWM

vetorial (SVPWM) e (ii) PWM senoidal (SPWM) onhe ido também omo PWM lássi o

binando a teoria do PWM vetorial e a fa ilidade de implementação do PWM lássi o. A

este métodofora denominadoPWM híbrido.

Até ni adePWMhíbridofoipropostaporBlasko[49℄em1996. Ondedasváriasanálises omosparâmetrosfeitas,desta am-se: (i)desenvolvimentodeumaexpressãootimizadapara

ofatorde distribuiçãoderodalivre(

µ

) omlinearidadeestendidaaté1,154,(ii)reduçãonas

perdas de haveamento, e possibilidade de redução do ripple na orrente de arga perante

es olha domelhorvalorde

µ

.

Uma abordagem simples introduzindo formas de onda não-senoidais fora feita por

Ja- obinaet al.[50℄. Alémdisso, onsta-sea introduçãode umatensãoauxiliar orrespondente a uma omponente de sequên ia zero na denição das tensões de pólo do memo onversor

de três braços( onven ional) tratadoem [49℄, sendovalidadasvia implementaçãodigital. Uma revisão bem detalhada fora feita por Edison et al. [51℄, neste trabalhos foram revisadas as té ni as de PWM senoidal (SVPWM) e baseadas em portadoras (CPWM)

existentesnaliteraturaatéomomento. Alémdisso,apresentaram-setrês possibilidadespara

al ularalarguradospulsosPWMapósadiçãodosinalhomopolar. Osmesmospropuseram

um algoritmogenéri o e adaptado para o ontrole de onversores de três nível tipo NPC e

fonte Z, om resultados validadosexperimentalmente.

Neste trabalho é fo ado a estratégia de haveamento por PWM Híbrido em fa e as

suas vantagens de implementação, aproveitamento do barramento, e redução do esforço

omputa ional om relação aoPWM vetorial.

2.3 Breve des rição da estratég ia PWM para estrutura

onven ional

Os inversores trifási os utilizados são dotipo VSI, e seu modelo onven ionalrepresentado

por havesdotipoIGBTestádesta adonaFig.2.9. Osestadosdas havessão ara terizados por variáveisbinárias. Maiores detalhes referente aomodelo serão apresentados no apítulo

Figura2.9: Modelo bási o daestrutura de DVR onven ional.

Pela LKT, tem-seque as tensões noprimáriodo DVR onven ionalserão dadas por:

v

p1

= v

10

+ v

00n

(2.2)

v

p2

= v

20

+ v

00n

(2.3)

v

p3

= v

30

+ v

00n

(2.4)

Onde

v

00n

orresponde àdiferençade tensãodointermediáriodobarramentoCC"

0

"eo

ponto omum"

0n

"dos transformadoresde injeção(ligadosem estrela). Observa-sequepara

um aso equilibrado:

v

00n

= −

1

3

P[v

k0

]

, om

k = {1, 2, 3}

.

A des rição das tensões de pólo de referên ia é feita de forma análoga a feita em [50℄ e [51℄. Sejam

v

∗

p1

,

v

∗

p2

e

v

∗

p3

as tensões trifási as que sedeseja imporaos terminaisprimários

dos transformadores de injeção no momento em que o afundamentode tensão é dete tado.

de uma omponente de sequên ia zero às tensões de pólo de referên ia

v

∗

10

,

v

∗

20

e

v

∗

30

:

v

∗

10

= v

∗

p1

+ v

x0

∗

(2.5)

v

∗

20

= v

∗

p2

+ v

x0

∗

(2.6)

v

∗

30

= v

∗

p3

+ v

x0

∗

(2.7)

Observa-se queatensão

v

∗

x0

representauma omponentehomopolareédenida perante

os valores de máximoe mínimodas tensões de referên ia

v

∗

pk

, om

k = {1, 2, 3}

respeitando os limitesde tensãono barramento

V

dc

2

.

2.4 Breve des rição da estratég ia PWM para estrutura

om seis braços

Omodelonestaestruturaésemelhanteaodaestruturaanterior,diferindoapenasatopologia

doinversor omopode-seobservarnaFig.2.10. Estatopologiatratadeuminversoremponte ompleta om seis braços. Assim, pode-se veri ar que a mesma pode operar de forma

independente, ou seja, omo três monofási osisolados. Assim, a estratégia PWW adotada

onsiste na omparação diretamente das tensões de referên ia de pólo om as tensões de

referên iaa serem injetadas peloDVR.

Assim, uma solução trivial para a estratégia de haveamento, a qual será usada nos

estudos omparativosé regidapelas seguintes equações:

v

∗

1a0

=

v

∗

p1

2

(2.8)

v

∗

1b0

= −

v

∗

p1

2

(2.9)

v

∗

2a0

=

v

∗

p2

2

(2.10)

v

∗

2b0

= −

v

∗

p2

2

(2.11)

v

∗

3a0

=

v

∗

p3

2

(2.12)

v

∗

3b0

= −

v

∗

p3

2

(2.13)

Figura2.10: Modelo bási o da estrutura de DVR om seis braços (6B).

2.5 Con lusão e onsiderações

Neste apítulo foram levantados os prin ipais estudos rela ionados ao tema deste trabalho

atravésdeumarevisãobibliográ a. Osestudostratamdediferentesaspe tospartindodesde

surgimento até topologias e estratégias de ontrole bem omo algoritmos de haveamento

PWM. Uma breve des rição do PWM usado nas estruturas onven ional e de 6 braços foi

feita visto que estas estruturas serão usadas para estudos omparativos. Observa-se que

no PWM des rito para a estrutura de seis braços não se pode introduzir a omponente de

sequên ia zero (homopolar) na denição de suas tensões de pólo de referên ia

v

∗

1a0

,

v

∗

1b0

,

v

∗

2a0

,

v

∗

2b0

,

v

∗

3a0

,

v

∗

3b0

. Além disso tem-se que o padrão das tensões de pólo do onversor nestaestrutura propor ionarámaioresníveisdeTHD. Este omentárioserá on retizadono

3

Restaurador Dinâmi o de Tensão (DVR)

Proposto

Neste apítulo será apresentada a estrutura do DVR Proposto. A estrutura proposta

tam-bém poderá ser identi ada omo OEW dentre os omentários feitos em sequên ia. Aqui,

en ontram-se aspe tos onsiderados importantes referentes àmodelagem dos prin ipais

ele-mentos presentes nesta estrutura.

3.1 Modelo do DVR Proposto

3.1.1 Introdução

Um modelo simpli ado para o DVR (Restaurador Dinâmi o de Tensão) proposto neste

trabalhoestáapresentadonaFig. 3.1. Estemodelo onsiste,basi amente,noarranjodedois inversoresemsérie, one tadosdiretamenteaostransformadorestrifási osdeinjeção. Assim,

oselementos bási osdoDVRsão: i)Doisinversores VSIde três braços,ii)Transformadores

trifási osdeinjeçãoeiii)duasunidadesdearmazenamentodeenergia(barramento apa itivo

CC).Observequeummodelomaisrobustopodeserobtidoadi ionando-seltrospassivosdo

tipoLCouC(dependendodafaixadeoperaçãonominaldoDVR)eumsistemadeproteção

bypass omposto por haves para isolar ompletamente o DVR durante a operação normal

Figura3.1: Modelo simpli adodo DVR proposto para um sistemagenéri o

3.1.2 Modelo dos inversores trifási os

O inversor trifási o utilizado é do tipo VSI, e seu modelo onven ional representado por

haves dotipo IGBT está desta ado naFig. 3.1.

As haves são tratadas omo ideais a nível de simulação. Onde, eventuais perdas serão

onsideradas omaadiçãodeumblo oanalisadordeperdas,propostopor[52℄,nodiagrama esquemáti o dosistema. Cada haveé representada porum IGBT (unidire ionalem tensão

e orrente) om um diodo one tado em antiparalelo. As haves são representadas peloseu

estadobinário(0

→

haveabertaou1

→

havefe hada)epara ada haveexiste outra have

omplementar,isto é:

q

_k

_{= 1 − q}

k

(3.1)

em que k=1,2,3.

Cadabarramento apa itivoérepresentadoporduasbateriasemsériedeformasimétri a,

referen iadas omo

±v

∗

ca

/2

para o inversor A e

±v

∗

cb

/2

para o inversor B. Estas tensões são omumente obtidas pela reti ação e ltragemde um sistema trifási o de alimentação.

Equações elétri as

O estado de ondução das haves e a tensão no barramento CC denem as tensões de pólo

dos inversores:

v1

a

0

a

= (2q

1

a

− 1)

v

ca

2

(3.2)

v2

a

0

a

= (2q

2

a

− 1)

v

ca

2

(3.3)

v3

a

0

a

= (2q

3

a

− 1)

v

ca

2

(3.4)

v1

b

0

b

= (2q

1

_b

− 1)

v

cb

2

(3.5)

v2

b

0

b

= (2q

2

_b

− 1)

v

cb

2

(3.6)

v3

b

0

b

= (2q

3

_b

− 1)

v

cb

2

(3.7)

onde:

v

ca

e

v

cb

são as tensões dobarramentoCC nos inversoresA e B, respe tivamente.

Pela LKT, tem-seque as tensões noprimáriodos transformadoresserão dadas por:

v

p1

= v1

a

0

a

− v1

b

0

b

+ v0

a

0

b

(3.8)

v

p2

= v2

a

0

a

− v2

b

0

b

+ v0

a

0

b

(3.9)

v

p3

= v3

a

0

a

− v3

b

0

b

+ v0

a

0

b

(3.10) em que:

v0

a

0

b

= −

1

3

P[vk

a

0

a

− vk

b

0b]

, om

k = {1, 2, 3}

.

Assim, uma estratégia de PWM pode ser desenvolvida para maximizar o número de

níveis e onsequentementereduzir o THD das variáveisproduzidas pelos inversores.

3.1.3 Modelo e espe i ações dos transformadores de injeção

Osparâmetrosdos transformadoresde injeçãoforamobtidosatravésde testesexperimentais

referen iados em [53℄, usandouma ponte LCRde medição

4263

B daAgilent. Osprin ipais parâmetros obtidos e utilizados em alguns resultados de simulação en ontram-se na Tabela

3.1.

Na Fig. 3.2 tem-se o modelo do transformador de injeção. Neste modelo,

R

p

e

R

s

representam as resistên ias dos enrolamentos primário e se undário, respe tivamente.

L

p

Tabela 3.1: Parâmetros dos transformadoresde injeção

Des rição Abreviação Valor

Resistên ia dos

enrolamen-tos

R

p

= R

s

490mΩ

Indutân ia de dispersão

L

p

= L

s

2.60mH

Indutân iade magnetização

L

m

900mH

Relação de transformação

N

p

: N

s

1 : 1

L

m

representa aindutân ia de magnetizaçãodo transformador. As perdas no nú leo foram desprezadas . Todos os valores estão referidos aoprimáriodo transformador.

Figura 3.2: Cir uitoequivalentemonofási o dotransformador de injeção

3.1.4 Modelo do Filtro de alta frequên ia

AtensãoinjetadapeloDVRpossui omponentesnafrequên iafundamental(60Hz)edealta

frequên ia provindas da té ni a de haveamento PWM. Do ponto de vista da arga, não é

desejável que a tensão na mesma possua omponentes em alta frequên ia. Logo, ltros de

altafrequên ia podem ser adi ionados aosistema doDVR.

O projeto do ltro está bem des rito em [54℄. O uso de ltros em DVR não segue um padrãodevido aofato dos DVRs poderemser instalados em sistemasde diferentes níveisde

tensão. Assimomodelogenéri odeltropodeseguirumaredetotipoLCL, onformeilustra

Fig. 3.3, em que dependen do dos níveis de potên ia do sistema a rede pode ser reduzida a um ltro tipo L ouLC.

indutân ias dafontee da arga, eadaptada para a onguraçãoproposta, será dada por:

f

res

=

1

2π

s

L

pf

+ L

sf

+ L

g

+ L

l

L

pf

(L

sf

+ L

g

+ L

l

)C

f

(3.11) em que:

L

pf

=

L

a

pf

+

L

b

pf

e

L

sf

=

L

a

sf

+

L

b

sf

Usualmente,tem-se asosemque(

L

g

+

L

l

+

L

sf

)

≫ L

p

f

,entãoafrequên iade

ressonân- iapode ser simpli adapara:

f

res

=

1

2πpL

pf

C

f

(3.12)

Alguns problemas devido à inserçãodoltro LCL nas apli ações om DVR são:

•

Uma arganãolinear pode ex itarafrequên iade ressonân iadoltro epropor ionar uma tensão de arga distor ida;

•

Ris o de que os harmni osde tensão narede ex item uma ressonân ia noltro.

Utilização dos ltros em baixa tensão

Neste aso, o DVR haveia diretamente nos transformadoresde injeção, e os apa itores de

ltro (

C

f

) podem  ar one tados nos enrolamentos se undários dos transformadores, os

indutores de ltro no se undário são desprezados (

L

sf

= 0

). A indutân ia de dispersão dos

transformadores são levadas em onsideração nas indutân ias de ltro no primário (

L

pf

=

L

p

).

Utilização dos ltros em alta tensão

Neste aso o modelo do ltro LCL ompleto é onsiderado e a indutân ia de dispersão nos

transformadores de injeção são usadas omo termo de ompensação para determinação da

indutân ia de ltro equivalente.

3.1.5 Modelo Geral

levado em onsideração paradiferentes enários: apli açãoem altatensãoouparaapli ação

embaixatensão,ressaltandoqueas onsideraçõesdes ritas anteriormentepodemsimpli ar

este modelo. Emdestaque, naFig. 3.3,tem-se basi amente: (i)omodelodos ltros de alta frequên ia ara terizadospelosindutores(

L

a

sf

e

L

b

sf

)e apa itoresdeltro(

C

f

),(ii)omodelo

dos inversorestipofontedetensãoe(iii)impedân iasdaredede alimentação( grid)e arga.