Engineering Research

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Technical Reports

Volume 4 – Issue 3 – Article 1 ISSN 2179-7625 (online)

CONTROL AND SYNCHRONISM OF VARIABLE FREQUENCY TO ENERGY GENERATION

Wesley Douglas Póvoas ¹ , Luiz Octávio Mattos dos Reis ²

JUNE / 2013

Taubaté, São Paulo, Brazil

1 Post-graduate Programme in Mechanical Engineering, Department of Mechanical Engineering, University of Taubate, Taubate, SP, Brazil. E-mail: [email protected].

2 Post-graduate Programme in Mechanical Engineering, Department of Mechanical Engineering, University of Taubate, Taubate, SP, Brazil. E-mail: [email protected].

Engineering Research: Technical Reports

Technical Editor: Giorgio Eugenio Oscare Giacaglia Associate Technical Editors

Eduardo Hidenori Enari, Universidade de Taubaté, Brazil Wendell de Queiróz Lamas, Universidade de Taubaté, Brazil Editorial Board

Antonio Faria Neto, Universidade de Taubaté, Brazil Asfaw Beyene, San Diego State University, USA Bilal M. Ayyub, University of Maryland, USA Bob E. Schutz, University of Texas at Austin, USA

Carlos Alberto de Almeida, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Brazil Ciro Morlino, Università degli Studi di Pisa, Italy

Eliane da Silveira Romagnolli Araujo, Universidade de Taubaté, Brazil Epaminondas Rosa Junior, Illinois State University, USA

Evandro Luís Nohara, Universidade de Taubaté, Brazil

Fernando Manuel Ferreira Lobo Pereira, Universidade do Porto, Portugal Gilberto Walter Arenas Miranda, Universidade de Taubaté, Brazil

Hubertus F. von Bremen, California State Polytechnic University Pomona, USA João Bosco Gonçalves, Universidade de Taubaté, Brazil

Jorge Muniz Júnior, Univ Estadual Paulista at Guaratinguetá, Brazil José Luz Silveira, Univ Estadual Paulista at Guaratinguetá, Brazil José Walter Parquet Bizarria, Universidade de Taubaté, Brazil María Isabel Sosa, Universidad Nacional de La Plata, Argentina Ogbonnaya Inya Okoro, University of Nigeria at Nsukka, Nigeria Paolo Laranci, Università degli Studi di Perugia, Italy

Rolando A. Zanzi Vigouroux, Kungliga Tekniska högskolan, Sweden Sanaul Huq Chowdhury, Griffith University, Australia

Tomasz Kapitaniak, Politechnika Lódzka, Poland Zeki Tüfekçioğlu, Ankara Üniversitesi, Turkey

The “Engineering Research” is a publication with purpose of technical and academic knowledge dissemination.

TABLE OF CONTENTS

Section Page

Editorial Board ii

Abstract 4

Resumo 4

1 INTRODUÇÃO 5

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 5

2.1 Paralelismo 5

2.2 PWM – Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) 6

2.3 PLL - Phase Locked Loop 7

2.4 Inversores de Frequência 8

3 SISTEMA DE CONTROLE DO SINCRONISMO 9

3.1 Regulador FFA 9

3.2 Funcionamento do Regulador FFA 9

4 – SIMULAÇÃO E RESULTADOS 11

4.1 Os Sistemas a Serem Sincronizados 11

4.2 Simulações, Discussão dos Resultados 12

5 CONCLUSÃO 16

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 16

CONTROL AND SYNCHRONISM OF VARIABLE FREQUENCY TO ENERGY GENERATION

The demand for electricity has shown tremendous growth every day, requiring investments and new generation alternatives, because this sector is one of the most responsible for the economic development of a country. A major problem has been to find alternatives that can meet this new demand. Thus, the distributed generation systems that utilize resources solar, wind, biomass etc.

show up as a good option to meet the sector, but these generations are isolated from the electrical system. This work aims to develop and simulate using MATLAB and Simulink, a Governor easy to use for control and synchronization of frequency, amplitude and phase inverters with the electrical system, used to connect the distributed generation power concessionaires. Developed then the FFA regulator (frequency phase and amplitude regulator) based on the PLL (phase locked loop) to control and synchronize the inverter with the existing network. The simulations demonstrated through the results of an efficiency driver development with the timing of the generation with the network at an excellent time, beating expectations for a fully electronic system.

Key-words: distributed generation; parallel energy; sync phase; PLL (phase locked loop).

CONTROLE E SINCRONISMO DE INVERSOR DE FREQUÊNCIA PARA GERAÇÃO DE ENERGIA

A demanda por energia elétrica tem apresentado grande crescimento a cada dia, necessitando de investimentos e novas alternativas de geração, visto que este setor é um dos maiores responsáveis pelo desenvolvimento econômico de um país. Um dos principais problemas tem sido encontrar alternativas que possam suprir esta nova demanda. Com isso, os sistemas de geração distribuída que utilizam dos recursos Solares, Eólicas, Biomassa, etc. mostram-se como uma opção para atender o setor, porém essas gerações são isoladas do sistema elétrico. Este trabalho tem como objetivo desenvolver e simular, utilizando MATLAB e Simulink, um Regulador de fácil utilização, para controle e sincronismo de frequência, fase e amplitude de inversores com o sistema elétrico, utilizado para conectar as gerações distribuídas a concessionarias de energia. Desenvolveu-se então o regulador FFA (regulador de frequência, fase e amplitude), tendo como base o PLL (phase locked loop) para controlar e sincronizar o inversor com a rede já existente. As simulações realizadas demonstraram através dos resultados uma eficiência do controlador desenvolvido, obtendo o sincronismo da geração com a rede em um excelente tempo, superando as expectativas para um sistema totalmente eletrônico.

Palavras-chave: geração distribuída; paralelismo de energia elétrica; PLL (phase locked loop);

sincronismo de fase.

1 INTRODUÇÃO

A demanda por energia elétrica no Brasil tem crescido, juntamente com o desenvolvimento do país. Um dos fatores fundamentais para o desenvolvimento de um país está associada à disponibilidade de energia elétrica.

Com o desenvolvimento acentuado da economia e setor industrial, o governo de muitos países, inclusive o brasileiro, vem enfrentando grandes dificuldades para satisfazer as necessidades de crescimento e modernização dos seus setores elétricos, setor essencial para possibilitar o progresso econômico de um país.

Uma opção é a utilização de pequenas gerações ou gerações distribuídas, que se utilizam principalmente de energias renováveis como Solar e Eólica, mas o grande desafio é que estas gerações normalmente trabalham de formas isoladas não sendo incorporadas ao sistema elétrico.

Nos dias atuais, muitos países optam por sistemas de geração que utilizam fontes de energia renováveis a fim de diminuir a emissão de gases poluentes e a dependência dos derivados do petróleo. Estes são exemplos que levam a um estímulo maior da utilização da chamada geração distribuída. A geração distribuída é feita de uma maneira não centralizada com geradores de baixa potência. Usualmente são utilizados geradores síncronos alimentados por diversas formas de combustível, como: diesel, biomassa ou resíduos de combustíveis industriais e urbanos, móveis ou fixos, e ainda baseados em células fotovoltaicas, células a combustível, energia eólica etc.

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1 Paralelismo

O paralelismo ou ligação em paralelo de duas fontes não pode ser executado de qualquer forma. É necessário seguir algumas regras, chamadas de condições de paralelismo, que especifica os geradores e a operação. Essas condições devem ser observadas, pois o paralelismo irregular pode ocasionar problemas na tensão gerada e danos aos geradores, condutores, barramentos e equipamentos alimentados.

A primeira condição a ser mantida é que o valor de tensão de geração entre todos os geradores conectados em paralelo deve ser igual, podendo haver uma corrente de circulação entre os geradores, com o risco de danificar os enrolamentos, superaquecimento, e reduzir a vida útil dos equipamentos, caso esta condição não for respeitada.

A sequência de fases dos geradores em paralelo com o barramento alimentado deve ser a

mesma para cada um dos geradores. Caso esta condição não seja respeitada, cada fase do

barramento terá uma tensão nominal diferente uma da outra, gerando um curto-circuito, danificando

os geradores que estão em paralelo.

A Frequência é outro critério que deve ser respeitado. Se as frequências de geração dos geradores, que depende das características construtivas de cada gerador, não forem iguais, a forma de onda do barramento não terá características senoidais, podendo ter picos de tensão duas vezes mais que a tensão dos geradores.

Outra condição de paralelismo é referente aos ângulos de Fase dos geradores operando em paralelo. Se um deles tiver ângulo diferente dos outros, surgirá uma diferença de potencial atuando sobre dois pontos de uma mesma fase. Isso dará origem a uma corrente circulante entre os vários geradores, que reduzirá a vida útil dos mesmos e poderá destruir os condutores de ligação e danificar os barramentos.

Para realizar o paralelismo de um gerador, independente da forma de geração com o Sistema Elétrico de Potência (SEP), é necessário que o gerador esteja sincronizado com o SEP, para isto, o gerador deve apresentar as condições abaixo:

1. Mesma Amplitude;

2. Mesma Frequência;

3. Mesma sequencia de Fase;

4. Mesma forma de Onda.

2.2 PWM – PulseWidthModulation (Modulação por Largura de Pulso)

Uma forma de obter um sinal alternado de baixa frequência é utilizar uma modulação em alta frequência.

É possível ter este tipo de modulação ao comparar um sinal de tensão de referência que é o próprio sinal desejado na saída na saída, com um sinal triangular simétrico, a frequência deste sinal vai determinar a frequência de chaveamento. A portadora é a frequência da onda triangular que deve ser no mínimo 20 vezes maior que a máxima frequência do sinal de referência, para ter uma reprodução aceitável da forma de onda sobre a carga, após passar por um filtro. A largura do pulso de saída do modulador varia de acordo com a amplitude relativa da referência em comparação com a portadora (triangular).

A tensão de saída, que é aplicada à carga, é formada por uma sucessão de ondas retangulares de amplitude igual à tensão de alimentação CC e duração variável.

A Figura 1 mostra a modulação de uma onda senoidal, produzindo na saída uma tensão com

dois níveis, na frequência da onda triangular [16].

FIGURA 1 FORMA DE ONDA MODULAÇÃO PWM Fonte:Luiz Felipe Batista, 2009

Pelo comando adequado dos interruptores, é possível ainda obter uma modulação a três níveis (positivo, zero e negativo). No caso de um inversor trifásico, mesmo que a tensão em um ramo seja de dois níveis, a tensão de linha será de três níveis, como mostra a Figura 2.

A modulação apresenta um menor conteúdo harmônico.

FIGURA 2 FORMA DE ONDA MODULAÇÃO TRIFÁSICO Fonte:Luiz Felipe Batista, 2009

2.3 PLL - Phase Locked Loop

O PLL é um circuito eletrônico que ajuda a manter o mundo eletroeletrônico em ordem. Na televisão, por exemplo, um PLL é o responsável por manter a cabeça no topo da imagem e os pés na parte inferior, outro PLL ordena o sistema de cores de tal forma que sejam as que devem ser efetivamente mostradas. [11]

O PLL é um sistema de controle que gera um sinal de saída cuja fase está relacionada com a

fase de um sinal de referência de entrada.

Este circuito compara a fase do sinal de entrada, com a fase do sinal de saída obtido a partir da sua saída e determina a frequência do seu oscilador para manter as fases sincronizadas.

Precisamente, o PLL sincroniza a saída de frequência e de fase de um oscilador controlável com a saída de frequência e de fase de um oscilador referencial, conforme Figura 3.

Para manter o sincronismo, o comparador de fase, compara as saídas com a referência gerando um sinal de erro, este sinal é processado por uma malha de filtro na qual controla o oscilador para que este erro seja mínimo. Um aumento no erro de fase produz um sinal de controle que faz com que o oscilador controlado decremente este erro de fase e vice-versa.

Consequentemente, o sinal é travado na fase e na frequência da oscilação de referência. [11]

FIGURA 3 SINAL DE UM SISTEMA SINCRONIZANDO Fonte: Próprio Autor

2.4 Inversores de Frequência

O avanço da Eletrônica de Potência permitiu o desenvolvimento de conversores de frequência com dispositivos de estado sólido, inicialmente com tiristores que necessitavam de complexos circuitos para bloqueio da condução dos tiristores (inversor de McMurray). A tecnologia atual utiliza transistores de potência encapsulados em um pacote denominado por “power pack”.

Esta técnica faz o encapsulamento dos IGBT e transistores prontos para serem instalados nas

pontes. A denominação IGBT significa transistor bipolar de porta isolada. Os ciclo conversores

antecederam de certa forma os atuais inversores, eles eram utilizados para converter o 60 Hz da

rede em uma frequência mais baixa, era uma conversão CA-CA, já os inversores utilizam a

conversão CA-CC e por fim em CA novamente.

Atualmente tanto a conversão CA/CC como a CC/CA é realizada por um sistema PWM (Modulação por Largura de Pulso) que variando a largura do pulso interfere diretamente na frequência, fase e amplitude de saída. A Figura 4 mostra o esquema de um inversor.

FIGURE 4 INVERSOR DE FREQUÊNCIA Fonte: Próprio Autor

3 SISTEMA DE CONTROLE DO SINCRONISMO

3.1 Regulador FFA

Criou-se um bloco de controle denominado Regulador FFA (frequência, fase e amplitude), utilizando exemplos de controles já existentes no Software MATLAB.

Este bloco tem como objetivo sincronizar os sinais de frequência, fase e amplitude da saída do inversor de frequência com um sistema elétrico, possibilitando uma conexão entre os sistemas de geração de energia distribuída e a rede elétrica.

3.2 Funcionamento do Regulador FFA

Para que um sistema de controle possa funcionar como sincronizador, ele necessita ter algumas variáveis de entrada e saída, então o Regulador FFA possui 3 entradas e 1 saída, sendo elas:

- Vabc F: Sinal de Feedback: sinal da saída do Inversor de Frequência que realimenta o Regulador FFA utilizado para comparação e realimentação da malha do sistema de sincronismo.

- Vabc R: Sinal Referência: valores de Frequência e Fase da referência que o Regulador FFA deve levar a saída do Inversor de Frequência, como a rede pode alterar seus valores, o Regulador FFA realimenta-se diretamente com o sinal do sistema elétrico e não uma referência fixa.

- Vdref: Referência Amplitude. Valor que define a amplitude do sinal de saída do Inversor

em 1 PU.

- Vabc_Inv: Sinal de saída para o PWM do Inversor. Após o sistema processar as informações ele gera um sinal que vai atuar no PWM, agindo diretamente no sinal de saída do Inversor de Frequência.

Por se tratar de um Bloco não baseado somente em sistema de potência, o Regulador FFA pode ser utilizado para outros projetos onde se tem sinal de Referência, Feedback e o Sinal de Regulagem é baseado em PWM.

FIGURA 5REGULADOR FFA Fonte: Próprio Autor

A Figura 7 mostra a entrada e saída do PLL do Regulador FFA que recebe o sinal de Referência do sistema elétrico.

Um PLL separa o sinal da Referência em Frequência, Ângulo e Seno/Cosseno, conforme Figura 6.

O sinal de Seno/Cosseno da Referência passa pelo calculador de erro “abc_to_dq0 Transformation” juntamente com o Sinal de saída do Inversor, o sinal de erro que é a diferença entre a referência e a saída do inversor passa por um regulador de ganhos PI e após é somado ao sinal de referência tendo como saída o Vabc_inv, que por usa vez alimenta o oscilador PWM.

O Vd_ref é somado com o sinal de Feedback para determinar a Amplitude de saída do

inversor, o valor do Vd_ref é dado em PU.

FIGURA 6 SISTEMA REGULADOR PLL Fonte: Próprio Autor

Com isso um erro é calculado, agindo diretamente no ajuste do sinal PWM do Inversor. O Regulador FFA é realimentado com o sinal de saída do Inversor e Referência diretamente das fases, mantendo os sistemas sincronizados.

Como a referência é o próprio sinal do Sistema Elétrico a ser sincronizado, mesmo que haja alguma alteração de Fase ou Frequência durante o processo de sincronização, o Regulador FFA mantém o sincronismo.

FIGURA 7 DETALHAMENTO DOS SINAIS Fonte: Próprio Autor

4 – SIMULAÇÃO E RESULTADOS

4.1 Os Sistemas a Serem Sincronizados

A simulação consiste em sincronizar um gerador a um sistema elétrico, utilizando as

ferramentas e recursos existentes no MATLAB Simulink, a fim de mostrar a eficiência do Bloco

Regulador FFA, criado para o sincronismo de dois sistemas com Frequência, Fase e Amplitude variáveis.

Em uma geração convencional, o ajuste da Frequência e Fase do sinal de saída está ligado diretamente com a velocidade do sistema de geração, que se utiliza de sistemas mecânicos para o controle de velocidade das máquinas geradoras.

Utilizando um retificador trifásico para transformar toda a energia gerada em corrente continua, um inversor com base em PWM irá inverter corrente continua CC em corrente alternada CA, porém não basta somente realizar esta conversão, os sinais gerados necessitam estar na mesma Frequência, Fase e Amplitude que o Sistema Elétrico para que possa ser conectado ao mesmo, para isso será utilizado o Regulador FFA.

A Figura 8 mostra uma visão geral do sistema montado para simulação e testes da eficiência do Regulador FFA criado.

FIGURA 8 SISTEMA DE SINCRONISMO FREQUÊNCIA FASE E AMPLITUDE Fonte: Próprio Autor

4.2 Simulações, Discussão dos Resultados

O sistema de controle chamado de “Regulador FFA” foi simulado utilizando o programa MATLAB e Simulink e os resultados obtidos são mostrados a seguir.

Pode-se ver que a Frequência, Ângulo e Amplitude são sincronizados em um período de 0,16 segundos, conforme se pode verificar na figura 9.

Um resultado muito satisfatório para o Regulador FFA, alcançando o objetivo desejado para

um sistema de sincronismo.

FIGURA 9 SINAIS FREQUÊNCIA DO INVERSOR E SISTEMA ELÉTRICO Fonte: Próprio Autor

Na figura 11, são mostradas as fases do sinal do Inversor sincronizando com o Sistema Elétrico. O sincronismo se dá com uma excelente precisão como se pode verificar na figura 10, onde é possível ver os sinais das fases “A” do inversor e do Sistema Elétrico.

FIGURA 10 SINAIS DA FASE A DO INVERSOR E SISTEMA ELÉTRICO

Fonte: Próprio Autor

FIGURA 11 FASE DO INVERSOR E SISTEMA ELÉTRICO Fonte: Próprio Autor

Simulou-se uma perturbação na Fase do Sistema Elétrico alterando o ângulo do mesmo, após o sincronismo já ter sido estabelecido com a rede elétrica, e o resultado mostrado na Figura 12, demostra a eficiência do Controlador FFA para restabelecer o sincronismo em caso de alteração do sistema elétrico.

FIGURA 12 SINAIS APÓS PERTURBAÇÃO DA FASE DO SISTEMA ELÉTRICO

Fonte: Próprio Autor

Já a Amplitude do Sinal figura 13, atinge o valor de 1 PU em 0,14 segundos, também com um desempenho esperado.

FIGURA 13 AMPLITUDE DO INVERSOR E SISTEMA ELÉTRICO Fonte: Próprio Autor

Com todos os requisitos de Frequência, Fase e Amplitude atingidos, é possível realizar a conexão do Gerador com o Sistema Elétrico figura 14.

FIGURA 14 SINAIS FREQUÊNCIA APÓS FECHAMENTO DA CHAVE TRIFÁSICA

FONTE: PRÓPRIO AUTOR

5 CONCLUSÃO

O sistema elétrico necessita de várias reformas para suportar o grande crescimento dos setores industriais e econômicos. A geração distribuída apresenta uma possibilidade viável e com bom potencial de geração e sustentabilidade, pois normalmente estes utilizam-se de fontes renováveis, como Solar, Eólica Biomassa, etc.

Entretanto, a implementação dessas gerações traz grande preocupação para o setor, sendo um dos fatores mais importantes o sincronismo destas gerações com o sistema elétrico.

O trabalho mostrou algumas técnicas utilizadas para o sincronismo e a importância do mesmo, propôs e simulou uma nova opção para controle e conexão de geradores com o sistema elétrico.

O Regulador FFA proposto que faz o controle de um Inversor de Frequência, com o Sistema Elétrico utilizando o PLL como base para o sincronismo, mostrou-se eficiente, podendo ser utilizado em gerações que necessitem conectar-se à rede elétrica.

As simulações proporcionaram uma visão clara da eficiência do Regulador FFA desenvolvido para controle de sincronismo.

O controlador “Regulador FFA” pode ser utilizado em outros tipos de processo que possuam características similares e necessitem de sincronismo com algum sistema constituído por Frequência, Fase e Amplitude.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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