7 SIMULAÇÃO DE UM COMPENSADOR COMPLETO
Segue abaixo a simulação completa de um sistema de compensação de desequilíbrios de corrente.
Abaixo, apresenta-se um quadro resumo com as opções adotadas para a simulação completa de um sistema de compensação de desequilíbrios:
Tabela III - Quadro resumo das características adotadas do compensador para a simulação completa do sistema
Conversor VSI
Malha de tensão PI
Malha de corrente Deadbeat
Modulação PWM com portadora triangular
assimétrico fc=fa/2 (Fig.5.2-4) Método para cálculo da corrente de referência DSNI (Método proposto)
Tensão de pico de fase [Vp ](p.u.) 1 Corrente de seqüência negativa [I-] (p.u) 1
Freqüência da rede [f] (Hz) 60
Impedância equivalente da rede [Z] (por fase) 10% Indutância de Acoplamento [L] (mH) 0,265 Resistência em série com a indutância de
acoplamento (Ω)
10% de XL
Capacitor do barramento CC [C] (mF) 16
Tensão do barramento CC [vd_ref ] (p.u.) 2,3 Ondulação da tensão do barramento CC 5% Freqüência de chaveamento [fc] (Hz) 10k
Frequência de amostragem [fa] (Hz) 20k
Tempo de acomodação do sinal [Ts ] (PI) 10 ciclos
Kp 1,18 KI 28
Todos os valores acima e opções de projeto foram calculados e justificados nos capítulos 5 e 6.
Para a simulação completa do sistema foi utilizado o software Matlab versão 6.1 – Simulink–Power System Blockset com passo de integração de 1µs.
7.1 Desempenho do conversor operando como fonte de corrente
A atuação da malha de corrente é vista na Fig.7.1-1. Nela, pode-se observar que a corrente injetada apresenta uma ondulação que pode ser minimizada. Uma solução para minimizar o “ripple” de corrente é vista em (Matakas Jr., Masada, 1994) e propõe a utilização da estratégia deadbeat em conjunto com a soma de parcelas de seqüência zero as tensões de referência. A diminuição do “ripple” de corrente também pode ser obtido pelo aumento do valor da indutância de acoplamento conforme visto no capítulo 6.
Fig. 7.1-1 - Atuação da malha de corrente e efeito da injeção de seqüência zero para minimização da ondulação da corrente
A estratégia deadbeat deve ser simulada levando-se em conta o tempo de cálculo necessário ao cálculo da corrente injetada. Assim, pode se observar pela Fig.7.1-2 que apesar da simulação ser realizada conforme a estratégia apresentada no capítulo 5, se trata de uma situação não real onde a corrente é calculada e corrigida em um Compensação de desequilíbrios de carga empregando conversor operando em PWM – Rodrigo Cutri
único ciclo. A fim de tornar a simulação mais próxima da realidade, acrescenta-se ao sinal de referência de tensão um atraso de um ciclo de amostragem. Pode-se observar na Fig.7.1-2 que a situação idealizada de cálculo e correção em um único ciclo apresenta melhor resultado (menor “ripple”) que a situação real levando-se em conta o tempo de atuação do algoritmo.
Fig. 7.1-2 - Estratégia deadbeat – efeito do atraso devido ao tempo de cálculo
Nas Figs.7.1-3 e 7.1-4 são apresentados os espectros das correntes injetadas utilizando a estratégia deadbeat, verificando-se o efeito do tempo de cálculo. Como pode ser observado, no espectro da Fig.7.1-3 nota-se apenas a presença de harmônicos próximos a freqüência de chaveamento (10 kHz). Já no espectro apresentado na Fig.7.1-4 cujo algoritmo leva em consideração o atraso devido ao tempo de cálculo, aparece uma harmônica de menor freqüência cujo motivo aparente é devido à realimentação da malha fechada. Esta ondulação pode ser vista também na Fig.7.1-5 que apresenta a tensão de referência (vcref) enviada ao bloco PWM do conversor estático. As análises envolvendo a injeção de seqüência zero para minimizar a ondulação de corrente e o aparecimento de harmônicas de baixa freqüência quando da consideração do atraso devido ao tempo de cálculo do algoritmo deadbeat extrapolam o escopo desta dissertação e são propostos para a continuidade deste trabalho.
Fig. 7.1-3 - Espectro da ondulação da corrente (Estratégia deadbeat sem levar em conta o tempo de atraso para o cálculo do algoritmo)
Fig. 7.1-4 - Espectro da ondulação da corrente (Estratégia deadbeat levando-se em conta o tempo de atraso para o cálculo do algoritmo)
Fig. 7.1-5 - Tensão de referência do bloco PWM-fase r (Estratégia deadbeat levando-se em conta o tempo de atraso para o cálculo do algoritmo)
7.2 Simulação do sistema de compensação
A carga simulada reproduzida na Fig.7.2.1 é igual à carga variável considerada no capítulo 4. Os diagramas esquemáticos utilizando-se o Power System Toolbox do Matlab para a simulação completa do sistema de compensação encontram-se no anexo C. Todas as simulações são apresentadas com condições quiescentes em “t=0”, exceto o capacitor do barramento CC, que se encontra previamente carregado em 2,3 V.
O método proposto (DSNI) para o cálculo da componente de seqüência negativa da corrente e sua compensação, apresentado no capítulo 3 é simulado para uma carga variável ligada em triângulo. Todas as amplitudes das tensões e correntes são representadas pelos seus valores de pico, exceto quando especificado em contrário e o grau de desequilíbrio (X%) é calculado segundo a eq.(2-1).
Fig.7.2-1 - Correntes de linha da carga variável
Apresentam-se a seguir, as formas de onda da corrente injetada pelo filtro e na rede após a compensação, respectivamente (Figs.7.2-2 e 7.2-3). Nas Figs.7.2-4 e 7.2-5 são apresentadas respectivamente a variação da tensão no barramento CC e a atuação da malha de corrente para uma das fases (fase r).
Fig.7.2-2 - Correntes injetadas pelo sistema de compensação
Fig.7.2-3 - Correntes de linha na rede após a compensação
Observa-se pela Fig.7.2-2 que a corrente injetada pelo filtro corresponde ao esperado, sendo injetada apenas a parcela referente a compensação da seqüência negativa da corrente da carga. Na Fig.7.2-3, observa-se que a compensação foi realizada no tempo previsto de ¼ de ciclo compensando o desequilíbrio do sistema.
Fig.7.2-4 - Variação da tensão no barramento CC
Pode-se notar que a tensão no barramento CC vista na Fig.7.2-4 apresenta um afundamento no momento do degrau de carga e que a tensão no barramento volta a subir devido a atuação da malha de tensão forçando a injeção de potência ativa de média não nula no capacitor. Após cada aumento de carga, o atraso de ¼ de ciclo do bloco que calcula as correntes de referência, faz com que as correntes na rede variem de modo gradual. Como a carga variou de modo abrupto, o compensador deverá alimentar a carga durante o transitório, descarregando o capacitor. O tempo de acomodação não pode ser medido nos curtos intervalos de tempo considerados na Fig.7.2-4. Para tanto, o sistema foi simulado apenas com a carga monofásica, e a variação da tensão no barramento CC é mostrada na Fig.7.2.5, onde se confirma o tempo de acomodação especificado de 10 ciclos de 60 Hz. Esta figura deixa claro o efeito da injeção de potência instantânea de seqüência negativa, de freqüência igual a 120 Hz, na ondulação da tensão no capacitor. Verifica-se que a ondulação percentual é de 5% coincidindo com a especificação de projeto (item 6.3). Verifica-se na Fig.7.2.4, que, para t>6ms, tem-se uma ondulação quase nula, devido à ausência de seqüência negativa.
Fig.7.2-5 - Variação da tensão no barramento CC (carga monofásica)
O comportamento da malha de corrente na fase r é apresentado na Fig.7.2-6. Nota-se o bom funcionamento da malha de corrente.
Fig.7.2-6 - Comportamento da malha de corrente (fase r)
Nas Figs.7.2-7 e 7.2-8 são apresentados respectivamente as correntes de seqüência positiva e negativa da carga, injetada pelo compensador e da rede após a compensação. Como pode ser observada, a seqüência positiva fica inalterada enquanto que a seqüência negativa é praticamente eliminada. Os transitórios são devido ao medidor de seqüência positiva e negativa do Matlab que apresenta um tempo de resposta de 1 ciclo.
Compensação de desequilíbrios de carga empregando conversor operando em PWM – Rodrigo Cutri Fig.7.2-7 - Seqüência positiva das correntes:
Topo: carga
Centro: compensador Base: rede
(calculado utilizando o bloco 3-Phase Sequence Analyzer do MATLAB – Simulink)
Fig.7.2-8 - Seqüência negativa das correntes: Topo : carga
Centro : compensador Base : rede
