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RAFAELA FILOMENA ALVES GUIMARÃES EDIÇÃO Nº1 - 2017 CONDICIONADORES DE ENERGIA Catalogação elaborada por Glaucy dos Santos Silva - CRB8/6353 Coordenação Geral Prof. Nelson Boni Coordenação de Projetos Pedagógicos: Leandro Lousada Produção Executiva: Hikaro Queiroz Professor Responsável: Rafaela Filomena Alves Guimarães Projeto Gráfico e Diagramação: João Antônio P. A. Lima Capa: Larissa Cardim Coordenação de Diagramação: Larissa Cardim Coordenação de Revisão Ortográfica: Julia Kusminsky 1º Edição: 2017 Impressão em São Paulo/SP CONDICIONADORES DE ENERGIA APRESENTAÇÃO Os avanços na área de semicondutores de potência têm elevado os limites de suportabilidade de tensão e corrente dos condicionadores de energia, permitindo-se, assim, que a implementação dos conversores operando com modulação apresentem um desempenho superior aos tradicionais conversores comutados pela rede particularmente no que se refere ao conteúdo harmônico das tensões e correntes geradas e ao tempo de resposta do sistema. Com estes conversores, diversas aplicações envolvendo sistemas de potência passam a ser factíveis. Entre elas, podem-se citar os sistemas de transmissão em corrente contínua capazes de operar sem suporte de reativos, sem os custosos filtros de harmônicos e ainda alimentar cargas isoladas; os filtros ativos de perturbações na rede elétrica (harmônicos, desequilíbrios, reativos), as interfaces para fontes alternativas de energia, os armazenadores de energia, os grandes retificadores e os Sistemas CA Flexíveis (FACTS). Estes últimos permitem a utilização do sistema de potência no limite da capacidade térmica das linhas, e no limite da estabilidade do sistema. No capítulo 01 será estudada a qualidade e o condicionamento de energia elétrica, sua importância e a necessidade de flexibilização do sistema elétrico em face das novas tecnologias e exigências de regulação, suas diversas aplicações, como a melhora do fator de potência, a redução do conteúdo harmônico e as condições de qualidade de energia reais e as ideais, além de alguns exemplos do uso de condicionadores em diferentes sistemas elétricos. No capítulo 02 será feito um estudo dos dispositivos UPS e suas aplicações em sistemas de potência, assim como o equacionamento matemático e a introdução de alguns algoritmos de controle. O capítulo 03 abordará alguns dispositivos semicondutores de potência e suas teorias de construção e utilização baseadas em conceitos físicos e matemáticos, assim como o estudo detalhado de diodos, transistores e tiristores utilizados em sistemas de potência. No capítulo 04 será vista uma abordagem sobre as técnicas de modulação em potência envolvendo os controladores de fase, os controladores por modulação de pulso e limite de corrente. No capítulo 05 será vista uma síntese de formas de onda utilizando invasores e suas diversas aplicações, como inversor com acúmulo indutivo, capacitivo e inversor de corrente. No capítulo 06 serão estudados os pré-reguladores de fator de potência, com a análise de conversores boost com entrada CC e do retificador trifásico a diodos. No capítulo 07 serão tratados os filtros ativos e passivos de energia elétrica assim como alguns dos novos materiais utilizados em eletrônica de potência para os filtros passivos. Os filtros ativos, mais utilizados, serão abordados quanto aos métodos de controle e compensação, às estruturas dos diversos filtros e suas aplicações. No capítulo 08 foi feito um estudo detalhado dos condicionadores eletrônicos para alta tensão (dispositivos FACTS), suas aplicações, topologias, algoritmos e as configurações dos diversos dispositivos utilizados para controlar o sistema de potência e melhorar a qualidade da energia elétrica. SUMÁRIO SUMÁRIO 1 QUALIDADE E CONDICIONAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA �� 12 1�1 A IMPORTÂNCIA DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA �����������12 1�1�1 A RAZÃO PELA QUAL DEVE-SE MONITORAR A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA ���������������������������������������������������13 1�1�2 COMO MONITORAR A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA ���������14 1�2 REESTRUTURAÇÃO DE SETOR ELÉTRICO ���������������������������������������15 1�2�1 NECESSIDADE DE FLEXIBILIZAÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO ������15 1�2�2 FACTS E CUSTOM POWER: NOVAS PERSPECTIVAS DE CONTROLE PARA O SISTEMA ELÉTRICO �������������������������������������16 1�2�3 A TECNOLOGIA FACTS ����������������������������������������������������������������������������20 1�2�4 EXEMPLOS DE DISPOSITIVOS FACTS �������������������������������������������������21 1�3 QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA �������������������������������������������������24 1�3�1 SISTEMA ELÉTRICO OPERANDO EM CONDIÇõES IDEAIS �������������24 1�3�2 SISTEMA ELÉTRICO OPERANDO EM CONDIÇõES REAIS ��������������25 1�4 PROBLEMAS TÍPICOS DE CONDICIONAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA �������������������������������������������������������������������������25 1�4�1 REGULAÇÃO E BALANCEAMENTO DA TENSÃO DE SUPRIMENTO����������������������������������������������������������������������������������������������28 1�4�2 REDUÇÃO DO CONTEúDO hARMôNICO DA TENSÃO E DA CORRENTE ����������������������������������������������������������������������������������������30 1�4�3 MELhORIA DO FATOR DE POTêNCIA DAS CARGAS ������������������������33 1�4�4 A M O R T E C I M E N T O D A S O S C I L A Ç õ E S ELETROMECÂNICAS DE GERADORES SÍNCRONOS ������������������������35 1�5 ALGUMAS SITUAÇõES ILUSTRATIVAS DE PROBLEMAS DE QEE ���������������������������������������������������������������������������� 40 1�5�1 A MáQUINA DE REFRIGERANTE ���������������������������������������������������������� 40 1�5�2 O VILÃO DA hISTóRIA �����������������������������������������������������������������������������41 1�5�3 QUESTÃO DE ECONOMIA ������������������������������������������������������������������������41 1�5�4 AS BATERIAS DO BOEING 787 ���������������������������������������������������������������42 1�6 QUALIDADE DE ENERGIA E CONVERSORES ���������������������������������� 43 2 FONTES ININTERRUPTAS DE ENERGIA (UPS) �����������������������������48 2�1 TOPOLOGIAS DE FONTES ININTERRUPTAS DE ENERGIA (UPS) 48 2�1�1 UPS DE DUPLA CONVERSÃO DE ENERGIA ��������������������������������������� 48 2�1�2 UPS DE SIMPLES CONVERSÃO DE ENERGIA������������������������������������ 49 2�1�3 UPS linE-inTERaCTivE COM COMPENSAÇÃO ATIVA DE POTêNCIA SÉRIE E PARALELA ������������������������������������������������������ 50 2�2 CONDICIONADORES DE QUALIDADE DE SUMÁRIO SUMÁRIO ENERGIA UNIFICADOS (UPQC) ����������������������������������������������������������� 54 2�3 PRINCÍPIO DA COMPENSAÇÃO DUAL ����������������������������������������������� 56 2�4 TOPOLOGIAS DE UPQC/UPS TRIFáSICA A QUATRO FIOS COM CONDICIONAMENTO ATIVO DE POTêNCIA��57 2�5 MODELAGEM E ALGORITMOS DE CONTROLE ������������������������������ 59 2�5�1 MODELAGENS DAS TOPOLOGIAS DE UPQC/UPS ���������������������������� 60 2�5�2 ALGORITMO DE GERAÇÃO DE REFERêNCIA ����������������������������������� 64 2�6 PROjETO DOS CONTROLADORES �����������������������������������������������������91 3 DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTêNCIA ���������������������94 3�1 BREVE REVISÃO DA FÍSICA DE SEMICONDUTORES �������������������� 94 3�1�1 OS PORTADORES: ELÉTRONS E LACUNAS �������������������������������������� 94 3�1�2 SEMICONDUTORES DOPADOS ������������������������������������������������������������� 96 3�1�3 RECOMBINAÇÃO ���������������������������������������������������������������������������������������97 3�1�4 CORRENTES DE DERIVA E DE DIFUSÃO ���������������������������������������������97 3�2 DIODOS DE POTêNCIA���������������������������������������������������������������������������98 3�3 DIODOS SChOTTky �����������������������������������������������������������������������������101 3�4 TIRISTOR �������������������������������������������������������������������������������������������������101 3�4�1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ��������������������������������������������������������1023�4�2 MANEIRAS DE DISPARAR UM TIRISTOR �������������������������������������������104 3�4�3 PARÂMETROS BáSICOS DE TIRISTORES �����������������������������������������106 3�4�4 CIRCUITOS DE EXCITAÇÃO DO GATE ������������������������������������������������107 3�4�5 REDES AMACIADORAS ��������������������������������������������������������������������������110 3�4�6 ASSOCIAÇÃO EM PARALELO DE TIRISTORES ��������������������������������111 3�4�7 ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE DE TIRISTORES �����������������������������������������113 3�4�8 SOBRETENSÃO ����������������������������������������������������������������������������������������116 3�4�9 RESFRIAMENTO ��������������������������������������������������������������������������������������117 3�5 GTO – GATE TURN-OFF ThyRISTOR ������������������������������������������������117 3�5�1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ��������������������������������������������������������117 3�5�2 PARÂMETROS BáSICOS DO GTO��������������������������������������������������������119 3�5�3 CONDIÇõES DO SINAL DE PORTA PARA ChAVEAMENTO �����������120 3�5�4 CIRCUITOS AMACIADORES (SnUbbER) �������������������������������������������121 3�5�5 ASSOCIAÇõES EM SÉRIE E EM PARALELO �������������������������������������123 3�6 IGCT ����������������������������������������������������������������������������������������������������������123 3�7 TRANSISTOR BIPOLAR DE POTêNCIA (TBP) ���������������������������������124 SUMÁRIO SUMÁRIO 3�7�1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ��������������������������������������������������������124 3�7�2 LIMITES DE TENSÃO �������������������������������������������������������������������������������125 3�7�3 áREA DE OPERAÇÃO SEGURA (AOS) ������������������������������������������������126 3�7�4 REGIÃO DE QUASE-SATURAÇÃO ��������������������������������������������������������127 3�7�5 CARACTERÍSTICAS DE ChAVEAMENTO �������������������������������������������128 3�7�6 CIRCUITOS AMACIADORES (OU DE AjUDA à COMUTAÇÃO) – SnUbbER ��������������������������������������������������������������������130 3�7�7 CONEXÃO DARLINGTON �����������������������������������������������������������������������131 3�7�8 MÉTODOS DE REDUÇÃO DOS TEMPOS DE ChAVEAMENTO �������133 3�8 MOSFET ���������������������������������������������������������������������������������������������������134 3�8�1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO (CANAL N) �����������������������������������136 3�8�2 áREA DE OPERAÇÃO SEGURA �����������������������������������������������������������137 3�8�3 CARACTERÍSTICA DE ChAVEAMENTO – CARGA INDUTIVA ��������138 3�9 IGBT (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) ������������������������140 3�9�1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ��������������������������������������������������������140 3�9�2 CARACTERÍSTICAS DE ChAVEAMENTO �������������������������������������������141 3�10 ALGUNS CRITÉRIOS DE SELEÇÃO ENTRE TRANSISTORES ������141 3�11 MATERIAIS EMERGENTES ������������������������������������������������������������������142 4 TÉCNICAS DE MODULAÇÃO EM POTêNCIA ������������������������������� 148 4�1 CONTROLE DE FASE ����������������������������������������������������������������������������149 4�1�1 VARIADOR DE TENSÃO CA �������������������������������������������������������������������149 4�1�2 VARIADOR DE TENSÃO TRIFáSICO ����������������������������������������������������154 4�1�3 RETIFICADORES CONTROLADOS ������������������������������������������������������159 4�1�4 ASSOCIAÇÃO DE RETIFICADORES ����������������������������������������������������164 4�2 CONTROLES POR MODULAÇÃO DE PULSO �����������������������������������166 4�2�1 INVERSORES ��������������������������������������������������������������������������������������������166 4�2�2 INVERSOR MULTINÍVEL �������������������������������������������������������������������������168 4�2�3 MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO – MLP ������������������������������169 4�3 MODULAÇÃO POR LIMITES DE CORRENTE – MLC (hISTERESE) ���������������������������������������������������������������������������������171 4�3�1 INVERSOR DE CORRENTE ��������������������������������������������������������������������174 5 SÍNTESE DE FORMAS DE ONDA UTILIZANDO INVASORES ���� 178 5�1 SÍNTESE DE CORRENTES EM INVERSOR COM ACúMULO INDUTIVO ����������������������������������������������������������������������������179 5�1�1 EQUAÇõES BáSICAS �����������������������������������������������������������������������������181 SUMÁRIO SUMÁRIO 5�1�2 ABSORÇÃO DE REATIVOS ��������������������������������������������������������������������182 5�1�3 CONTROLE DA CORRENTE CC ������������������������������������������������������������183 5�2 SÍNTESE DE CORRENTES EM INVERSOR COM ACúMULO CAPACITIVO �����������������������������������������������������������������������183 5�2�1 CONTROLE DA TENSÃO CC ������������������������������������������������������������������184 5�3 SÍNTESE DE TENSõES �������������������������������������������������������������������������184 5�4 MODULAÇÃO VETORIAL ���������������������������������������������������������������������186 5�4�1 SATURAÇÃO ���������������������������������������������������������������������������������������������193 5�4�2 INVERSOR FONTE DE CORRENTE ������������������������������������������������������194 6 CONDICIONAMENTO DA CORRENTE ABSORVIDA: PRÉ-REGULADORES DE FATOR DE POTêNCIA �������������������������200 6�1 RETIFICADORES MONOFáSICOS: ESTUDO DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO (bOOST) �������������������� 200 6�2 O CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO (bOOST) COM ENTRADA CC ���������������������������������������������������������������201 6�2�1 CONDUÇÃO CONTÍNUA ������������������������������������������������������������������������� 202 6�2�2 CONDUÇÃO DESCONTÍNUA ����������������������������������������������������������������� 203 6�2�3 CONVERSOR bOOST OPERANDO COMO PFP EM CONDUÇÃO DESCONTÍNUA ����������������������������������������������������������������� 203 6�2�4 CONVERSOR bOOST OPERANDO COMO PFP EM CONDUÇÃO CRÍTICA ����������������������������������������������������������������������������� 208 6�2�5 CONVERSOR bOOST OPERANDO COMO PFP EM CONDUÇÃO CONTÍNUA������������������������������������������������������������������������� 209 6�3 RETIFICADOR TRIFáSICO A DIODOS �����������������������������������������������211 6�3�1 CONVERSOR TRIFáSICO COM ENTRADA INDUTIVA COMO PFP 211 7 FILTROS PASSIVOS E ATIVOS �������������������������������������������������������� 216 7�1 COMPONENTES PASSIVOS UTILIZADOS EM FONTES ChAVEADAS ��������������������������������������������������������������������������216 7�1�1 CAPACITORES ������������������������������������������������������������������������������������������216 7�1�2 COMPONENTES MAGNÉTICOS ����������������������������������������������������������� 220 7�1�3 SUPERCAPACITORES ����������������������������������������������������������������������������231 7�2 FILTROS PASSIVOS ������������������������������������������������������������������������������235 7�2�1 EFEITO DE COMPONENTES NÃO CARACTERÍSTICOS DA CARGA ������������������������������������������������������������������������������������������������ 239 7�2�2 FILTRAGEM PASSIVA EM CARGAS TIPO FONTE DE TENSÃO ����� 240 7�3 FILTROS ATIVOS ����������������������������������������������������������������������������������� 243 SUMÁRIO SUMÁRIO 7�3�1 FILTRO SÉRIE ������������������������������������������������������������������������������������������ 243 7�3�2 FILTRO EM DERIVAÇÃO (ShUnT ) ������������������������������������������������������� 244 7�3�3 LOCAL DE INSTALAÇÃO DO FILTRO ������������������������������������������������� 246 7�4 CONSIDERAÇõES SOBRE AS TEORIAS DE POTêNCIA E O MÉTODO DE COMPENSAÇÃO ������������������������������� 248 7�4�1 CONSIDERAÇõES SOBRE TRêS ESTRATÉGIAS DE CONTROLE DE FILTROS ATIVOS EM DERIVAÇÃO ������������������������� 249 7�5 FILTRO ATIVO MONOFáSICO OPERANDO COM SÍNTESE DE CARGA RESISTIVA �������������������������������������������������������256 7�5�1 ESTRUTURA DE CONTROLE DO FILTRO ������������������������������������������ 256 7�5�2 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ���������������������������������������������������������� 258 7�6 FILTRO ATIVO TRIFáSICO SINTETIZANDO CARGA RESISTIVA �261 7�6�1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ���������������������������������������������������������� 263 7�6�2 FILTRO ATIVO MONOFáSICO COM INVERSOR MULTINÍVEL ������� 268 7�7 FILTROS hÍBRIDOS �������������������������������������������������������������������������������271 7�8 GERAÇÃO DE REFERêNCIAS UTILIZANDO A TEORIA DA POTêNCIA INSTANTÂNEA DE AkAGI-NABAE ����������274 7�8�1 CARGA COM hARMôNICAS ������������������������������������������������������������������276 7�8�2 CARGAS REATIVAS PASSIVAS ����������������������������������������������������������� 280 7�8�3 ESTUDO DE CASO COM CARGA DESEQUILIBRADA ��������������������� 282 7�8�4 ESTUDO DE CASO COM ALIMENTAÇÃO DESEQUILIBRADA ������� 285 7�8�5 ESTUDO DE TENSõES EQUILIBRADAS, COM hARMôNICAS ������ 289 7�8�6 PRODUÇÃO DE COMPENSAÇÃO DE TENSÃO ����������������������������������291 8 CONDICIONADORES ELETRôNICOS PARA ALTA TENSÃO �����294 8�1 INTRODUÇÃO ���������������������������������������������������������������������������������������� 294 8�2 CLASSIFICAÇÃO DOS PRINCIPAIS DISPOSITIVOS FACTS �������� 295 8�2�1 FACTS BASEADOS EM ELEMENTOS REATIVOS PASSIVOS �������� 295 8�2�2 FACTS BASEADOS EM CONVERSORES ������������������������������������������� 296 8�3 CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO DOS DISPOSITIVOS FACTS ��������������������������������������������������������������������������297 8�3�1 DISPOSITIVOS FACTS E A INFLUêNCIA NA IMPEDÂNCIA DO SISTEMA �������������������������������������������������������������������������������������������� 299 8�4 DISPOSITIVOS FACTS E A INFLUêNCIA NO FLUXO DE POTêNCIA �������������������������������������������������������������������������� 302 8�4�1 TCPAR (ThyRISTOR CONTROLLED PhASE ANGLE REGULATOR) ������������������������������������������������������������������������������������������� 303 SUMÁRIO SUMÁRIO 8�5 DISPOSITIVOS FACTS E A INFLUêNCIA NA TENSÃO ������������������ 306 8�5�1 SVC (STATIC VAR COMPENSATOR) �����������������������������������������������������307 8�6 TRANSFORMADOR DE ACOPLAMENTO ������������������������������������������314 8�7 REATOR CONTROLADO POR TIRISTOR – TCR ������������������������������315 8�8 CAPACITOR ChAVEADO POR TIRISTOR – TSC ������������������������������317 8�9 FILTROS DE hARMôNICAS �����������������������������������������������������������������318 8�9�1 POTêNCIA DE SAÍDA DO COMPENSADOR ESTáTICO ������������������� 320 8�9�2 CONTROLE DO COMPENSADOR ESTáTICO ������������������������������������ 320 8�10 VáLVULAS DE TIRISTORES ����������������������������������������������������������������323 8�11 STATCOM �������������������������������������������������������������������������������������������������328 8�12 CONVERSOR VSC �������������������������������������������������������������������������������� 330 8�12�1 CONFIGURAÇõES DO CONVERSOR VSC ����������������������������������������� 330 8�13 CAPACITOR CORRENTE CONTÍNUA – CC ���������������������������������������331 8�14 COMPARAÇÃO ENTRE AS TECNOLOGIAS CER E STATCOM ������331 8�15 ESPECIFICAÇÃO FUNCIONAL DE UM COMPENSADOR ESTáTICO ��������������������������������������������������������������� 334 8�15�1 CONFIGURAÇÃO MÍNIMA DO COMPENSADOR ������������������������������� 336 8�15�2 TENSõES NOMINAIS CONTÍNUAS E LIMITES DE POTêNCIA REATIVA ������������������������������������������������������������������������������� 336 8�15�3 CICLO DE SOBRECARGA DO COMPENSADOR ��������������������������������337 8�15�4 ESTRATÉGIA DE CONTROLE MEDIANTE A VARIAÇÃO DE TENSÃO ���������������������������������������������������������������������������������������������� 338 8�15�5 ESTRATÉGIA DE SUBTENSÃO ������������������������������������������������������������ 338 8�15�6 ESTRATÉGIA DE SOBRETENSÃO ������������������������������������������������������� 338 8�15�7 REQUISITOS MÍNIMOS DE DESEMPENhO ���������������������������������������� 338 8�15�8 PERDAS ���������������������������������������������������������������������������������������������������� 340 8�15�9 DISPONIBILIDADE E CONFIABILIDADE ���������������������������������������������341 8�15�10 OPERAÇÃO DEGRADADA �������������������������������������������������������������������� 342 8�16 SISTEMA DE PROTEÇÃO �������������������������������������������������������������������� 342 8�16�1 SISTEMA DE CONTROLE ���������������������������������������������������������������������� 344 8�17 ENSAIOS������������������������������������������������������������������������������������������������� 346 9 BIBLIOGRAFIA�����������������������������������������������������������������������������������350 QUALIDADE E CONDICIONAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA 12 Condicionadores de Energia 1 QUALIDADE E CONDICIONAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA 1.1 A IMPORTÂNCIA DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA O termo qualidade de energia elétrica (QEE), que virou jargão no setor elétrico nos últimos anos, tem sido usado comumente para expressar as mais variadas carac- terísticas da energia elétrica entregues pelas concessionárias aos consumidores. Uma conceituação abrangente define QEE como sendo uma medida de quão bem a energia elétrica pode ser utilizada pelos consumidores. Essa medida inclui características de continuidade de suprimento e de conformidade com certos parâ- metros considerados desejáveis para a operação segura, tanto do sistema supridor como das cargas elétricas. Entre os parâmetros a considerar, tem-se: y Distorções; y Flutuações de tensão; y Variações de tensão de curta duração; y Desequilíbrio de sistemas trifásicos; y Transitórios rápidos. A preocupação com a QEE é decorrente em parte da reformulação que o setor elétrico vem experimentando, para viabilizar a implantação de um mercado consumidor no qual o produto comercializado passa a ser a própria energia elétrica. Parece evidente que o consumidor prefere adquirir a energia que apresenta parâmetros adequados de qualidade ao custo mais baixo possível. Nesse contexto, as operadoras de sistemas elétricos são estimuladas, tanto pelas agências reguladoras (ANEEL) como pelo próprio mercado, a prestar informações sobre as condições de operação ou fornecer detalhes envolvendo os eventos ocorridos e que afetaram os consumidores. Esse é um dos papéis do monitoramento e da análise da qualidade de energia elétrica. Está se tornando praxe também incluir cláusulas contratuais sobre as condições de fornecimento de energia pelos agentes fornecedores (gerador, transmissor, distri- buidor) aos agentes compradores (distribuidor, consumidor final). Tais contratos podem prever multas por violação das condições previstas. Isso aumenta a necessidade de se dispor de normas com limites adequados, que possam ser satisfeitas pelo lado do fornecedor sem onerar os custos, e que atendam ao consumidor sem maiores prejuízos devido a perdas inaceitáveis. Além disso, deve-se levar em conta que a eletricidade atingiu o status de bem comum e essencial para o funcionamento da nossa sociedade, em todas as áreas. Deve- se, portanto, tratar de tal recurso, que é essencial à vida moderna, de modo que todas as atividades humanas possam utilizá-lo, sem criar interferências com outras atividades, sejam processos tecnológicos ou biológicos. Para tanto, os conceitos de QEE devem estar submetidos aos princípios que regem a compatibilidade eletromagnética (CEM). Para definir o que seja qualidade de energia elétrica, tem-se que tratar de vários problemas que afetam os consumidores da energia elétrica ou seus usuários indiretos. Esses problemas vão desde os incômodos visuais provocados pela variação luminosa devido à má regulação da tensão até a interferência em equipamentos eletrônicos sensíveis, causada por interrupções no fornecimento de energia ou por fenômenos de altas frequências.13 Condicionadores de Energia Verifica-se que tanto no nível de cargas domésticas e comerciais como em aplicações industriais, os consumidores e seus equipamentos estão cada vez mais sensíveis e dependentes das condições de operação do sistema de energia elétrica. Isso se deve ao aumento da complexidade das funções que as cargas elétricas desempenham através de controle de processos, mesmo em equipamentos domésticos (fornos de micro-ondas, máquinas de lavar, relógios digitais, etc.). Basta lembrar as dificuldades enfrentadas pelos consumidores quando se verificaram interrupções de energia elétrica, causando perda de produtos perecíveis, paralisação de serviços em escritórios, perda de sinalização no trânsito, desligamento de fornos, paralisação de atividades essenciais em redações de jornais, hospitais, etc. A complexidade do problema da avaliação e controle da qualidade da energia suprida não resulta apenas da grande variedade de perturbações a que o sistema elétrico está sujeito. São relevantes também os variados efeitos que podem causar o sobreaquecimento de máquinas elétricas devido às harmônicas; as vibrações de motores devido a desequilíbrios; as variações luminosas devidas a flutuações de tensão; as oscilações de potência sustentadas entre as cargas e a rede durante a operação de cargas não lineares e variáveis; até as interrupções momentâneas de tensão, cujas causas em geral são curtos-circuitos de difícil prevenção. Uma questão cada vez mais discutida no contexto de power quality é a definição dos objetivos e dos indicadores relevantes. Uma vez que existem diferenças significa- tivas entre as características de sistemas elétricos nos diversos países, dependendo, por exemplo, da predominância das fontes primárias (hidráulica, térmica, eólica, solar, etc.), pode-se esperar que os indicadores de QEE também variem. Além disso, as normas de operação para um sistema elétrico também variam de um país para outro, ficando difícil estabelecer critérios gerais para mensurar a qualidade da energia elétrica. 1.1.1 A R A Z ÃO PE L A Q UA L D E V E- S E M O N I TO R A R A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA Em geral, os problemas relacionados com a qualidade da energia elétrica são identificados quando um equipamento alimentado pela rede elétrica deixa de funcionar como deveria. Assim, uma lâmpada que apresenta variações luminosas, um motor que sofre vibrações mecânicas, equipamentos operando com sobreaquecimento, proteção atuando intempestivamente, capacitores com sobretensões ou sobrecorrentes podem ser indícios de problemas de QEE. Se tais problemas não forem devidamente tratados, pode haver prejuízos materiais (redução da vida útil de transformadores, motores, capacitores e equipamentos eletrônicos sensíveis), bem como ocorrer perturbações físicas em pessoas (incômodo visual devido ao efeito de cintilação, ou incômodo auditivo devido a ressonâncias eletromagnéticas), levando ao comprometimento da capacidade produtiva tanto das máquinas como das pessoas. Existem estudos que mostram os custos relacionados com a perda de qualidade da energia elétrica. Já há mais de 10 anos estimava-se que a indústria manufatureira americana tem custos da ordem de 10 bilhões de dólares associados a interrupções de processos. Já no cenário europeu, na mesma época, os custos estimados associados com vários tipos de distúrbios chegariam a 1,5% do PIB. 14 Condicionadores de Energia Além de os números serem elevados, estima-se que tais custos continuariam a subir rapidamente não fossem tomadas medidas saneadoras. Isso se deve aos efeitos cumulativos que a perda de qualidade pode impor, seja através da redução da vida útil de dispositivos, limitação da capacidade efetiva dos equipamentos e mau funcionamento de máquinas, além das perdas elétricas em si. Mesmo com o maior rigor nas normas, não existe indicação precisa de que tenha ocorrido melhoria sensível no cenário. 1.1.2 COMO MONITORAR A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA A partir da identificação de uma falha ou mau funcionamento de uma instalação ou equipamento, inicia-se uma pesquisa (estudo) para diagnosticar as causas do problema relativo à qualidade da energia elétrica. Como se trata de diagnosticar um problema de compatibilidade eletromagnética, essa pesquisa pode envolver questões que vão além de um simples problema tecnológico. Uma abordagem recomendável inclui os seguintes passos: y Em primeiro lugar, deve-se conhecer os problemas que se poderá encontrar; y Deve-se estudar as condições locais onde o problema se manifesta; y Se possível, medir e registrar as grandezas contendo os sintomas do problema; y Analisar os dados e confrontar os resultados obtidos com estudos ou simulações; y Finalmente, diagnosticar o problema, sua possível causa e propor soluções. Cada um desses passos requer um conhecimento ou estudo específico. Quando se tem uma ideia de como os problemas se manifestam, das suas causas, dos seus efeitos e das soluções usuais, fica mais fácil chegar a um diagnóstico correto. Conhecer as condições locais é fundamental para levantar corretamente as hipóteses que levam às causas do problema. As circunstâncias locais muitas vezes interferem na forma com que os sintomas se apresentam ao observador. Por exemplo, o afundamento da tensão pode ser a causa da falha na partida de um motor (dimen- sionamento errado do alimentador) ou a consequência (curto-circuito no enrolamento, falta de fase, etc.). Saber escolher corretamente os instrumentos de medida e os locais mais adequados para a sua instalação pode ser decisivo para se conseguir detectar e quantificar o problema. Por exemplo, surtos rápidos de sobretensão podem passar despercebidos mesmo quando se utilizam osciloscópios rápidos, se o nível de trigger não for ajustado adequadamente. Conhecer a faixa de frequências do distúrbio também é importante para escolher o tipo de registrador que deve ser usado. Fenômenos térmicos, por exemplo, costumam ser lentos, requerendo registradores contínuos para longos períodos de medição. Eventos intermitentes ou espúrios podem requerer regis- tradores contínuos para a sua detecção. Fenômenos periódicos, como ressonâncias harmônicas ou modulação de amplitude, podem requerer analisadores de espectro. A interpretação dos dados recolhidos exige conhecimento sobre as técnicas de medição. Isso é válido particularmente com os analisadores de espectro, devido às limitações impostas pelo truncamento do sinal amostrado. O efeito de vazamento espectral (aliasing), causado pelo truncamento da amostragem, pode ser confundido com componentes inter-harmônicas ou modulantes, que na verdade podem não existir. 15 Condicionadores de Energia Dependendo do princípio de funcionamento do instrumento, as medidas podem ser contaminadas erradamente pela presença de harmônicas. Os modelos de simulação também são úteis para validar as conclusões e encontrar soluções. Modelos físicos ou matemáticos, que permitam realizar simulações compu- tacionais, ajudam a entender o fenômeno e permitem descobrir em que condições o problema se manifesta. Por outro lado, uma solução às vezes só é encontrada depois que o problema foi exaustivamente estudado através de simulação. Ou seja, não é porque o problema parece ser complexo, que a solução não possa ser simples. 1.2 REESTRUTURAÇÃO DE SETOR ELÉTRICO Durante a década de 1990 realizou-se, em níveis federal e estadual, a venda de partes do setor elétrico. A ideia básica foi privatizar a geração e a distribuição, mantendo sob controle estatal apenas a transmissão da energia elétrica. Esta ação estava de acordo com a política de privatização e desestatização implementada pelos governos para captar recursos para pagamento de dívidas e investimentos. Ao mesmo tempo, existiam mudanças tecnológicas que apontavam a possibilidade de promover mudanças na gestão do setor elétrico. Dentre essas razões, pode-se destacar: y Globalização da economia; y Crise energética mundial;y Pressões ambientalistas; y Desenvolvimento sustentado; y Geração distribuída de pequena potência; y Avanços tecnológicos. A primeira crise energética, que começou nos anos 70 com o boicote do petróleo árabe, impôs uma dependência maior da indústria em relação à energia elétrica, forçando uma mudança na maneira de gerenciar os recursos naturais. A conscientização sobre a limitação dos recursos materiais e energéticos teve muitos reflexos na economia mundial e na política de desenvolvimento dos países em geral. Restrições econômicas e preocupações com a conservação e recuperação do meio ambiente começaram a surgir em todo o mundo, forçando técnicos e autoridades a pensar em projetos de desenvolvimento autossustentados, utilizando recursos renováveis. Novos modelos de desenvolvimento, por sua vez, requerem novas soluções para sua implementação, estimulando o desenvolvimento de novas tecnologias. 1.2.1 NECESSIDADE DE FLEXIBILIZAÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO A ordem econômica mundial que se impôs nas últimas décadas criou um grande impacto sobre o setor energético em geral, e especialmente no setor elétrico em todos os países, uma vez que tanto a geração (nuclear, termoelétrica, hidroelétrica ou de fontes alternativas) como a transmissão e a distribuição interferem bastante no meio ambiente, seja pela matéria-prima utilizada na conversão da energia, seja no espaço físico ocupado para a sua transmissão e distribuição aos centros urbanos. A história dos sistemas elétricos já tem mais de 100 anos e desde seu início a expansão do sistema vinha sendo feita com vistas apenas aos interesses econômicos e à viabilidade técnica dos projetos de interligação dos centros de geração e de consumo. 16 Condicionadores de Energia Como consequência desse enfoque, podem-se apontar alguns projetos no Brasil que hoje parecem ter recebido tratamento inadequado como, por exemplo, o afogamento do Salto de Sete Quedas pela barragem de Itaipu, a inundação de enormes regiões de terras férteis e de florestas tropicais (barragens de Balbina, no Amazonas, e Tucuruí, no Pará), sem que estudos de impacto ambiental mais amplos se realizassem e sem que a população fosse devidamente consultada e esclarecida sobre a relação custo/ benefício social desses projetos na região envolvida. Projetos mais recentes, como a recuperação da cachoeira de Paulo Afonso, mostram que não se precisa destruir patrimônios naturais para obter a energia elétrica necessária, ou que, pelo menos, há alternativas que minimizam tais impactos. A sociedade atual já está mais atenta a esse tipo de intervenção no meio ambiente e começa a contestar a instalação de usinas térmicas e nucleares próximas de centros urbanos, assim como os impactos dos reservatórios das hidrelétricas. Tem até ques- tionado o direito de passagem para novas linhas de transmissão em regiões habitadas, preocupada com seus efeitos sobre a população próxima. Se, por um lado, esses questionamentos colocam barreiras para o atual modelo de expansão da rede, por outro forçam uma busca de soluções alternativas para essa nova situação. É o que vem acontecendo em praticamente todos os países, em vários níveis. No nível gerencial, uma mudança que já se solidificou em grande parte dos países foi a passagem da administração dos setores de geração e distribuição para empresas privadas, criando um efetivo mercado de energia elétrica, da produção ao consumo. Nessa nova estrutura, a transmissão da energia elétrica pode ou não continuar a ser de responsabilidade estatal. Este arranjo teria o benefício de garantir aos governos a possibilidade de disciplinar o mercado através de agências reguladoras, de uma maneira muito mais enxuta e eficiente. Com as novas regulamentações do setor elétrico, a meta é proporcionar o livre acesso dos agentes de geração e de consumo ao sistema de transmissão. Idealmente, os consumidores passam a poder comprar o produto energia elétrica em bases compe- titivas, exigindo qualidade e preço. Contratos de produção e de consumo de energia podem ser feitos diretamente entre os interessados finais. As empresas gestoras do sistema de transmissão seriam responsáveis pela circulação da potência, taxando o uso da rede pela transferência da energia entre o produtor e o consumidor. Outro aspecto que ganha cada vez mais relevância nesse cenário é a geração distribuída, principalmente de média e baixa potência. Tais fontes de energia tipicamente se situam nos locais onde, tradicionalmente, tinham-se apenas cargas. Os próprios procedimentos de gestão de redes nas quais se tenham estes geradores precisam de novos tratamentos, uma vez que aspectos de fluxo de carga, proteção, qualidade de energia, etc. são fortemente afetados por esta nova (e irremediável) realidade. Também a legislação precisa se adequar a estes novos paradigmas de produção de energia, fato que vai se consolidando, principalmente nos países que lideram este movimento, como os países da Europa, a Índia e os Estados Unidos. 1.2.2 FACTS E CUSTOM POWER: NOVAS PERSPECTIVAS DE CONTROLE PARA O SISTEMA ELÉTRICO Para viabilizar esse novo modelo de gestão e operação do sistema elétrico não basta apenas a reestruturação administrativa. É necessário desenvolver as tecnologias que permitam o controle das variáveis elétricas em jogo, visando monitorar o fluxo de 17 Condicionadores de Energia potência através das linhas, otimizar o uso dos equipamentos, garantir a qualidade da energia suprida e aumentar a proteção e segurança do usuário, bem como a preser- vação do meio ambiente. Em 1988, N. G. Hingorani, pesquisador do EPRI (Electrical Power Research Institute) dos EUA, lançou o conceito básico de FACTS – Flexible Alternating Current Transmission Systems, no qual a noção de flexibilização do sistema estava claramente associada à capacidade do controle direto do fluxo de potência no nível de transmissão de energia elétrica. A chave para essa flexibilização está no uso do controle através de eletrônica de alta potência, em conversores de HVDC, compensadores estáticos reativos, controladores de fluxo de potência, conversores de frequência e sistemas CA/ CC, viabilizando o casamento direto entre sistemas de corrente alternada e de corrente contínua em todos os níveis de tensão e de potência. A incorporação de dispositivos FACTS na operação de sistemas elétricos, além de abrir um enorme campo para a aplicação da tecnologia de controle de alta potência, ao mesmo tempo permite utilizar melhor a infraestrutura de transmissão já disponível. Os principais benefícios que a tecnologia FACTS pode trazer são os seguintes: y Ampliar a capacidade de transmissão das linhas já existentes; y Operar linhas em paralelo, mesmo que tenham diferentes capacidades; y Dirigir o fluxo de potência por caminhos mais adequados; y Ajustar rapidamente o suporte de reativos durante a operação; y Estabilizar eficientemente oscilações de tensão e ângulo; y Fazer a integração entre sistemas CC e CA, aproveitando as vantagens de ambos. O IEEE define custom power como o conceito de se utilizar conversores estáticos controlados, baseados em eletrônica de potência, na faixa de 1 kV a 38 kV (sistema de distribuição), de modo a suprir os consumidores com energia elétrica com qualidade adequada ao desempenho dos equipamentos e processos alimentados. Este conceito é uma extensão do conceito de FACTS, aplicado a redes de distribuição, nas quais os aspectos de qualidade de energia se tornam muito mais relevantes do que na rede de transmissão. 1.2.2.1 EXEMPLOS DE FLEXIBILIZAÇÃO DA TRANSMISSÃO OBTIDA ATRAVÉS DE CONTROLE Para se ter uma ideia de como se obtém tal flexibilização, basta analisar o efeito na capacidade de transmissão de energia, que resulta da possibilidade de controle da reatância série de uma linha, conforme a figura 1.1. Figura 1.1: modelo de linha sem perdas. 18 Condicionadores de Energia Sabe-se que o fluxo de potência ativa através de uma linha sem perdas entre doispontos k - l é dado por: Pkl = . sen (θk - θl) (1.1) onde: Vk ∠ θk – tensão na barra k; Vl ∠ θl – tensão na barra l; Xkl – reatância série da linha. Variar as tensões terminais (Vk, Vl) visando aumentar a capacidade de transmissão tem suas restrições, pois afeta as condições de operação de todas as cargas. Sempre que possível deve-se operar próximo das tensões nominais. Controlar o fluxo de potência através do ângulo de abertura da linha (θk, θl) ou vice-versa não é simples, pois envolve medidas de potência no nível de transmissão. Algumas destas possibilidades são mostradas na figura 1.2. Figura 1.2: curvas comparativas de capacidade da linha. Instalar um controlador de tensão no meio da linha permite aumentar significativamente a capacidade de transmissão, porém requer a criação de uma subestação intermediária para a instalação desse regulador shunt. A tecnologia eletrônica FACTS permite controlar diretamente a reatância equivalente da linha (Xkl) através de compensação série. Um compensador capacitivo pode ser instalado em qualquer ponto da linha onde já exista uma subestação. Para a operação em regime permanente, controlar a reatância série significa que se poderá monitorar e direcionar o fluxo de potência através da rede, alterando as distâncias elétricas entre os nós da rede. Sob condições dinâmicas se poderá amortecer controladamente as oscilações de potência na rede através da modulação da reatância série. Esses são problemas típicos enfrentados hoje pelas empresas do setor elétrico, que necessitam operar com maior segurança e próximo dos limites de carregamento dos equipamentos. 19 Condicionadores de Energia Um exemplo desta aplicação é a interligação Norte-Sul, que traz energia da usina hidrelétrica de Tucuruí para a região Sudeste. Neste caso, o principal objetivo dos dispositivos instalados em série com a linha é o de amortecer oscilações de potência que tendem a ocorrer em determinados eventos, como a perda de geração em Tucuruí. A ação dos dispositivos controláveis é tal que são amortecidas as oscilações de potência, mantendo-se a linha em funcionamento. A figura 1.3 mostra a localização geográfica e o diagrama unifilar da interligação Norte-Sul. Figura 1.3: localização geográfica, diagrama unif ilar dos dispositivos de compensação na interligação Norte-Sul. Os dispositivos controláveis, localizados em Imperatriz (MA) e em Serra da Mesa (GO), seguem um controlador que amortece oscilações de potência (POD – Power Oscillation Damping). Sem estes dispositivos, na ocorrência de uma perda de geração significativa em Tucuruí o sistema se torna instável, como mostra a figura 1.4, levando, inevitavelmente, ao seu desligamento. 20 Condicionadores de Energia Figura 1.4: potência transmitida após redução de 300 MVA na geração em Tucuruí: a) sem compensação; b) com compensadores atuando em Imperatriz e em Serra da Mesa. 1.2.3 A TECNOLOGIA FACTS O que há de novo na chamada tecnologia FACTS é uma visão mais abrangente de aplicação dos dispositivos de controle e conversão eletrônica em todos os níveis de potência. Por essa razão, pode-se considerar que os primeiros dispositivos FACTS foram os retificadores e inversores para transmissão HVDC (por exemplo, a linha CC de Itaipu da parte do Paraguai em 50 Hz, que depois é convertida em 60 Hz) e os compensadores de reativos tiristorizados (reatores controlados por tiristores, RCT e capacitores chaveados por tiristores, CCT), desenvolvidos para aplicações especí- ficas de suprir deficiências de regulação da tensão da rede (exemplo: compensador da CHESF em Fortaleza) ou permitir a instalação das chamadas cargas especiais (exemplo: siderúrgica Belgo Mineira, em Juiz de Fora). Uma vez que os atuais equipamentos, baseados nos tiristores, sofrem limita- ções devido à impossibilidade de controle total dos interruptores, que não podem ser comandados para o desligamento, os principais esforços na área da eletrônica de alta potência se concentram em aperfeiçoar a tecnologia de chaves eletrônicas totalmente controladas, do tipo GTO (Gate Turn-off Thyristor), IGCT (Integrated Gate Controlled Thyristor) e IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor), que podem ligar e desligar circuitos com muito maior rapidez e repetitividade do que os tiristores. 21 Condicionadores de Energia Devido a essas características, espera-se ser possível nos próximos anos dotar o sistema de potência de recursos para o controle dinâmico do fluxo de potência em todos os níveis, desde a geração até o consumo. Como consequência, novos sistemas de proteção e rotinas de supervisão da operação também deverão ser desenvolvidos, prevendo que os parâmetros e a estrutura do sistema poderão variar continuamente. 1.2.4 EXEMPLOS DE DISPOSITIVOS FACTS 1.2.4.1 COMPENSADORES SÉRIE CONTROLADOS POR TIRISTORES (TCSC) São reatores série controlados por tiristores associados em paralelo com capa- citores, com a função de variar a reatância da linha e controlar o fluxo de potência transmitida. São constituídos de vários módulos em cadeia, cada qual com capacitores fixos em paralelo, para permitir compensação nos dois sentidos (aumentar ou diminuir a reatância total). Um exemplo deste reator é mostrado na figura 1.5. Figura 1.5: diagrama de TCSC, incluindo proteções. 1.2.4.2 ESTABILIZADORES SUB-SíNCRONOS DE ESTADO SóLIDO (SSSC) São conversores que, ao aplicarem uma tensão ou injetarem uma corrente em uma rede de transmissão, buscam amortecer oscilações devidas à ressonância sub-síncrona entre o sistema inercial turbina-gerador e o sistema elétrico principal. Esse tipo de problema causou muitos estragos em usinas antes de a causa ser diag- nosticada, rompendo o acoplamento mecânico entre a turbina e o gerador. A causa dessa ressonância foi a introdução de compensação capacitiva série na linha de transmissão com a finalidade de aumentar sua capacidade de transmissão. A solução para o problema foi dotar o compensador série com ações de controle capazes de atenuar as oscilações observadas. A ação de controle do conversor pode ser a de manter uma tensão constante, em quadratura com a corrente, ou ajustar a tensão de acordo com a corrente (reatância fixa) ou a de regular o fluxo de potência pela linha. Um exemplo de um SSSC é mostrado na figura 1.6. 22 Condicionadores de Energia Figura 1.6: Princípio do SSSC. 1.2.4.3 COMPENSADORES ShUNT CONTROLADOS POR TIRISTORES (SVC – STATIC VOLTAGE CONTROLLER) É uma associação de reatores shunt controlados por tiristores e capacitores fixos ou chaveados a tiristores com a função de, pela injeção de corrente reativa (em quadratura com a tensão), controlar o nível de tensão e/ou compensar o fator de potência da carga. A presença de reatores e capacitores permite a compensação reativa nos dois sentidos (indutivo e capacitivo). A comutação do reator controlado a tiristores (RCT) produz componentes harmônicas na corrente pelo sistema. Na figura 1.7, o banco capacitivo possui reatores em série de modo que, na frequência fundamental, o efeito é capacitivo, enquanto na frequência de sintonia o ramo atua como um filtro para as harmônicas do RCT. Figura 1.7: SVC trifásico. 23 Condicionadores de Energia 1.2.4.4 REGULADOR DE TENSÃO COM INVERSOR DE TENSÃO (STATCOM) Tem função semelhante ao do SVC, mas utilizando interruptores eletrônicos totalmente controláveis (GTO, IGCT, IGBT). Trata-se de um conversor CC/CA que permite injetar reativos na rede a partir de uma fonte CC, a qual pode ser realizada, em princípio, usando apenas capacitores. A função de controle é regular o nível de tensão da rede CA usando energia reativa. No entanto, a quantidade de reativos produzida não está diretamente relacionada com os capacitores presentes no lado CC (os quais servem apenas para estabilizar a tensão), mas sim com a capacidade de corrente dos interruptores eletrônicos (transistores e tiristores) do conversor. Um STATCOM é mostrado na figura 1.8. Figura 1.8: Princípio de operação do STATCOMa partir de um conversor fonte de tensão (VSC). 1.2.4.5 CONTROLADORES UNIFICADOS DE FLUXO DE POTêNCIA (UPFC) São compensadores baseados em interruptores eletrônicos totalmente controláveis (GTO, IGCT, IGBT) que combinam os controles shunt e série de modo que resulte o fluxo desejado de potência ativa e reativa. Os dois controles são combinados de forma que a potência absorvida pelo elemento shunt é usada para regular o fluxo da potência através da linha. O conversor pode injetar potência ativa na rede. A potência absorvida pelo conversor em derivação serve para compensar as perdas dos conversores e para fazer injeção de potência ativa pelo conversor série. Alguns autores denominam esta estrutura como fontes síncronas de estado sólido (SSVS). Este controlador está representado na figura 1.9. Figura 1.9: Princípio de operação do UPFC a partir de um conversor fonte de tensão (VSC). 24 Condicionadores de Energia 1.2.4.6 CONTROLADOR DE POTêNCIA INTER-FASES (IPC) Trata-se de um sistema de ajuste da impedância que interconecta dois sistemas síncronos que se deseja interligar. Com capacidade de controlar potência ativa e reativa, consiste de ramos capacitivo e indutivo submetidos a tensões com diferentes fases. As potências ativa e reativa podem ser ajustadas separadamente alterando os deslocadores de fase e/ou as impedâncias dos ramos, por meio de interruptores eletrônicos de potência. Dada sua configuração e aplicação, o fluxo de potência pode se dar em qualquer direção. Embora, em regime permanente, vários destes dispositivos tenham o mesmo comportamento, o que os diferencia é o regime transitório, devido à diferente variável de controle e objetivo da compensação. 1.2.4.7 FILTROS ATIVOS Um inversor (conversor CC-CA) controla a corrente de saída de forma que resulte uma corrente de linha com as formas desejadas, seja ela CA ou CC. Normalmente, se deseja eliminar as correntes harmônicas. Pode ser associado a filtros passivos, configurando filtros híbridos, bem como assumir a compensação de potência reativa na frequência fundamental. Sua função está mais diretamente relacionada a aplicações de custom power. Um IPC é mostrado na figura 1.10. Figura 1.10: Princípio de IPC. 1.3 QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA 1.3.1 SISTEMA ELÉTRICO OPERANDO EM CONDIÇõES IDEAIS Sabe-se que um sistema elétrico CA trifásico ideal deve satisfazer às seguintes condições de operação em regime permanente: y Formas senoidais de tensões e correntes; y Frequência síncrona constante; y Tensões nominais constantes; y Tensões trifásicas equilibradas; y Fator de potência unitário das cargas; y Perdas de transmissão e distribuição nulas. 25 Condicionadores de Energia Nessas condições, o fluxo de potência das fontes para as cargas torna-se cons- tante e pode ser considerado em condições de regime estacionário, com um mínimo de perdas e baixa interferência entre diferentes consumidores conectados à rede elétrica. Nos últimos anos, vem aumentando a preocupação com a qualidade da energia elétrica suprida aos consumidores. O próprio conceito de power quality, como é desig- nado em inglês, tem sido debatido em congressos nacionais e internacionais, uma vez que ainda não se chegou a um consenso sobre a forma de quantificar essa qualidade. Como as normas que definem as condições de operação aceitáveis para um sistema elétrico variam de um país para outro, fica difícil estabelecer critérios gerais para avaliar o que seria a qualidade da energia elétrica. Além disso, as necessidades de maior ou menor grau de continuidade e pureza da tensão de suprimento também variam em função do tipo de carga dos consumidores. No entanto, o balizamento e a padronização desse conceito são fundamentais para se poder implementar os sistemas de potência flexíveis, baseados no controle eletrônico de alta potência. Em princípio, pode-se avaliar a qualidade de energia elétrica em termos comparativos com as características de um sistema ideal. 1.3.2 SISTEMA ELÉTRICO OPERANDO EM CONDIÇõES REAIS Em um sistema real, é impossível satisfazer totalmente essas condições ideais. Porém, várias dessas condições podem ser atingidas com maior ou menor grau de aproximação, dependendo dos controles que estiverem disponíveis no sistema. Usando como referência as condições de operação do sistema ideal, pode-se avaliar a qualidade da energia elétrica em função do afastamento observado dessas condições ideais. Essa abordagem não resolve o problema básico da definição de qualidade, mas permite estabelecer índices que avaliam a deterioração das condições acima, em função de distúrbios que são impostos ao sistema. No presente contexto, se supõe que distúrbio é qualquer evento que provoque a deterioração de pelo menos uma das condições ideais, consideradas desejáveis, o que de alguma forma compromete a qualidade da energia elétrica suprida. 1.4 PROBLEMAS TíPICOS DE CONDICIONAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA Por condicionamento da energia elétrica entende-se todo processo que visa adequar o fornecimento de energia às necessidades da carga e/ou melhorar a qualidade da energia absorvida da rede elétrica. Com base nessa definição, pode-se caracterizar como condicionamento da energia elétrica as seguintes ações de controle: y Regulação e balanceamento da tensão de suprimento; y Maximização do fator de potência nas cargas; y Estabilização das oscilações eletromecânicas entre geradores; y Redução do conteúdo harmônico da tensão e da corrente; y Flexibilização no uso do sistema de energia elétrica. Para fazer frente aos vários tipos de distúrbios e satisfazer às normas vigentes, os dispositivos de condicionamento devem ser cada vez mais sofisticados em termos de rapidez de resposta e precisão na atuação. Nestas aplicações de condicionamento, os dispositivos e conversores controlados eletronicamente estão encontrando cada vez mais aplicações. 26 Condicionadores de Energia A figura 1.11 mostra uma aplicação da Eletrônica de Potência em SEE. A ideia é mostrar como tem se configurado um sistema de energia elétrica nos anos recentes, ao qual se somam, cada vez mais, dispositivos controlados eletronicamente. Figura 1.11: Aplicações da Eletrônica de Potência em SEE. Conversores eletrônicos de potência estão presentes junto às cargas, nas inter- faces de fontes alternativas de energia e também em dispositivos nas redes. Por exemplo, um STATCOM está conectado junto a um parque eólico com a função de regular a tensão por meio de injeção de potência reativa, a qual varia muito fortemente devido à flutuação da potência gerada em função da variação do vento. Junto aos painéis fotovoltaicos tem-se um conversor CC-CA, que converte a energia produzida pelas células solares (em corrente contínua) antes de injetar esta potência na rede, sendo necessárias estratégias adicionais para garantir o sincronismo, bem como fazer a gestão de situações de ilhamento. Cargas sensíveis podem requerer ações de custom power, no sentido de garantir a qualidade da energia, evitando o mau funcionamento das cargas. Tipicamente, estas ações de condicionamento da energia elétrica se referem à regulação e ao balanceamento da tensão, minimização da distorção harmônica, etc. A proliferação de cargas não-lineares, consumindo correntes harmônicas, leva a uma deterioração da tensão que, em função do nível de curto-circuito da rede e das correntes, pode exceder limites aceitáveis e seguros para o bom funcionamento das cargas. Mesmo quando são estabelecidos limites para a distorção da corrente (pela facilidade de medição e de identificação da sua origem), o objetivo é preservar a qualidade da tensão, que é a grandeza elétrica compartilhada pelos consumidores. 27 Condicionadores de Energia Um outro enfoque na área de distribuição é o chamado sistema FREEDM – Future Renewable Electric Energy Delivery and Management. O desenvolvimento deste sistema conta com o suporte da National Science Foundation, dos Estados Unidos, e tem como objetivorepensar todo o sistema de distribuição de energia. Baseia-se no uso intensivo de eletrônica de potência, comunicação digital em banda larga e controle distribuído. É radicalmente diferente do sistema convencional porque substitui os dispositivos eletromagnéticos, como os transformadores, por conversores CA-CA. Também os dispositivos de proteção são todos de estado sólido. A presença de geração distribuída faz parte do cenário, como ilustra a figura 1.12. Figura 1.12: Concepção do sistema FREEDM. Estes transformadores de estado sólido, ao permitirem o fluxo bidirecional de potência, garantem a integração adequada das fontes distribuídas, bem como de dispositivos armazenadores de energia em CC, sem problemas para os usuá- rios. O sistema de controle é capaz de identificar as fontes limpas de energia e maximizar seu uso. A realização de vários destes dispositivos ainda depende de evoluções tecnológicas, por exemplo, na área de dispositivos semicondutores que superem as limitações atuais dos componentes de silício. No entanto, sua concepção e os investimentos que estão se realizando apontam claramente para um cenário muito diferente do atual. 28 Condicionadores de Energia 1.4.1 REGULAÇÃO E BALANCEAMENTO DA TENSÃO DE SUPRIMENTO Esse é o principal problema que afeta a qualidade da energia suprida. Uma boa parte dos distúrbios provoca variações do nível de tensão e/ou desequilíbrio. O problema básico reside no fato de que o consumidor detém a liberdade de poder ligar a sua carga no momento que quiser. Poucas são as cargas que têm restrições contratuais sobre o uso da energia elétrica (indústrias siderúrgicas que possuem fornos a arco, por exemplo, não podem operar essa carga no período de maior demanda de energia elétrica, das 18 h às 20 h). Como o aumento da carga implica em aumento de corrente, resultam maiores quedas de tensão na rede de transmissão e distribuição, prejudicando o perfil de tensões disponíveis para os demais consumidores. A figura 1.13 mostra o efeito na tensão ao ligar uma carga, bem como o que ocorre quando se utiliza um dispositivo capacitivo shunt para compensar a queda de tensão. Nota-se que o chaveamento do capacitor shunt pode resolver o problema da queda de tensão, mas cria outros problemas que precisam ser equacionados, como o transitório de chaveamento, mostrado na figura 1.14, com características de ressonância com as indutâncias do sistema e da carga, e a necessidade de ajustar os reativos requeridos ao nível de variação da tensão no ponto de conexão, que tem a ver com a capacidade de curto-circuito local. Figura 1.13: Compensação capacitiva shunt de variações da tensão: carga liga em 35 ms, causando afundamento da tensão; capacitor shunt entra em 85 ms, recuperando parcialmente a tensão. Figura 1.14: Transitório de chaveamento de capacitor shunt. 29 Condicionadores de Energia Outra possibilidade para regular a tensão consiste em fazer a compensação série da reatância indutiva da linha. Essa solução se aplica em redes radiais, ou em ramos contendo linhas longas. A ideia básica é obter uma reatância série equivalente menor, de modo que limite a queda de tensão com o aumento da carga. A figura 1.15 mostra como atua a compensação série. Figura 1.15: Compensação capacitiva série para variações de tensão: carga liga em 35 ms e capacitor série entra em 85 ms. Como se vê, a compensação série também permite resolver o problema, mas tem as suas limitações e cuidados a serem tomados, pois pode provocar ressonâncias, especialmente as sub-síncronas, e aumentar demasiadamente a corrente de curto- circuito, alterando os ajustes da proteção. Existem várias alternativas para se realizar o controle do nível de tensão face aos mais variados impactos. A maioria dessas soluções já explora a ideia de FACTS para realizar o condicionamento da energia elétrica e ao mesmo tempo contribuir para a flexibilização do uso da rede. Como uma maior difusão do uso dessas tecnologias ainda depende de avanços no nível da potência controlável por meio eletrônico, tem-se que continuar contando com os dispositivos clássicos para controlar o nível da tensão do sistema. Dentre os dispositivos clássicos, tem-se: y Transformadores com relação ajustável (derivações); y Compensadores síncronos; y Reatores de núcleo saturado. Os transformadores com mudança de TAP sob carga são bastante utilizados porque se baseiam na tecnologia dos transformadores convencionais, que está bem dominada sob todos os aspectos: tecnologia, materiais, confiabilidade, rendimento, economia, etc. Acrescentar o mecanismo de mudança de derivação sob carga aumenta o custo de fabricação e a necessidade de manutenção preventiva. Entre os dispositivos girantes, destacam-se as máquinas síncronas, sejam as que operam nas usinas de geração de energia (hidro-, termo- ou núcleo-) elétrica, sejam as que operam como motores e condensadores síncronos. Sabe-se que pelo ajuste da corrente de campo de uma máquina síncrona é possível fazê-la absorver ou fornecer potência reativa. A desvantagem dessa solução é a manutenção e o espaço físico requerido e a grande constante de tempo de resposta (centenas de milissegundos). O reator de núcleo saturado, por sua vez, é uma solução com resposta bem mais rápida, porém introduz significativos níveis de harmônicas, apresentando aumento 30 Condicionadores de Energia das chamadas perdas ferro (histerese e correntes parasitas). Para reduzir o conteúdo harmônico, costuma-se utilizar as estruturas magnéticas conhecidas como twin-treble ou triple-treble, compensando magneticamente as harmônicas por associação de enrolamentos múltiplos sobre as diferentes pernas magnéticas, de modo a cancelar as principais tensões harmônicas, de ordens (5-7, 11-13, 15-17). Dentre os dispositivos estáticos tradicionais, destacam-se os compensadores reativos controlados por tiristores: y RCT – Reatores Controlados por Tiristores; y CCT – Capacitores Chaveados por Tiristores; y SVC – Controladores Estáticos de Tensão. Do ponto de vista do controle de regulação da tensão, as vantagens dos dispositivos estáticos sobre os girantes são significativas. Além de mais compactos e de exigirem menos manutenção, são modulares, o que facilita a sua instalação em diferentes locais. Além disso, apresentam tempo de resposta até duas ordens de grandeza menores que as máquinas girantes. No entanto, a desvantagem destes dispositivos eletrônicos à base de tiristores reside no maior nível de distorção provocado pelo chaveamento eletrônico. Recorda-se que um dos objetivos do condicionamento é justamente reduzir o conteúdo harmônico e o ruído na rede. Fica claro, portanto, que a ação de melhorar a qualidade da energia suprida deve ser vista globalmente. Cada dispositivo de controle deve evoluir no sentido de realizar a sua função principal, sem piorar as outras condições. 1.4.2 REDUÇÃO DO CONTEúDO hARMôNICO DA TENSÃO E DA CORRENTE Este é outro problema que está se tornando crucial para o condicionamento da energia elétrica. Uma vez que o sistema de alimentação é constituído por indutâncias e capacitâncias, pode-se prever que muito provavelmente ocorrerão ressonâncias entre cargas não lineares e a rede. O efeito que a injeção de harmônicos na rede pode causar depende de diversos fatores, como a impedância que o sistema apresenta à penetração harmônica, a atenuação na propagação, a sensibilidade das demais cargas à presença dos harmônicos, etc. No sistema elétrico, de modo geral, os efeitos produzidos pelas harmônicas tendem a ser nocivos, aumentando perdas, criando vibrações, erros de medidas e falhas de controle. Para minimizar o conteúdo harmônico em um sistema elétrico, contaminado por fontes harmônicas, recorre-se à filtragem da tensão e/ou da corrente. Os filtros podem ser do tipo passivo ou ativo. Filtros passivos são associações série/paralela fixas de capacitores, indutores e resistores, dimensionados de forma a bloquear ou drenar as componentesindesejáveis. Filtros ativos são conversores eletrônicos controlados, projetados para absorver as componentes harmônicas produzidas pela operação de cargas não-lineares. Filtros ativos requerem capacidade de resposta rápida e adaptativa e, por isso, utilizam estruturas com controle eletrônico de potência. a) Filtragem passiva: a filtragem passiva utiliza o princípio da ressonância para exercer a função de bloquear ou desviar as correntes harmônicas e evitar a contaminação de outras partes não afetadas pelo distúrbio. Sabe-se que na condição de ressonância série a impedância total vista assume um valor mínimo e, 31 Condicionadores de Energia na ressonância paralela, assume um valor máximo. Dessa forma, pode-se bloquear a propagação de uma determinada harmônica colocando um filtro com ressonância paralela em série com a fonte harmônica. Analogamente, um filtro com ressonância série, conectado em paralelo com a fonte harmônica, permite drenar a respectiva corrente sintonizada para a terra, a depender da impedância do restante do circuito. Este filtro está ilustrado na figura 1.16. Figura 1.16: filtragem passiva por ressonância série/paralelo. b) Penetração harmônica na rede: quando se têm fontes harmônicas no sistema, e se instalam filtros shunt para desviar as correntes harmônicas, esses filtros devem ser calculados para que não introduzam ressonância com a rede em outra frequência que poderia ser excitada. A presença de elementos capacitivos cria novas malhas de ressonância e modifica a resposta em frequência do sistema existente. Para observar esse efeito, vai-se considerar o exemplo mostrado na figura 1.17. Figura 1.17: fonte harmônica e filtro sintonizado ligados ao sistema. 32 Condicionadores de Energia A corrente harmônica irá se dividir entre o circuito do filtro e a rede: h = Sh + Fh (1.2) A divisão segue a regra do divisor de corrente: Fh = h (1.3) Sh = h (1.4) Para um filtro sintonizado, onde se tem (XFC = –XFL), o resultado é ZF = 0 e, portanto: IFh = Ih ISh = 0 (1.5) ou seja, o filtro absorve toda a corrente harmônica gerada pela fonte local. Existe, porém, uma frequência de ressonância do filtro com o sistema, e que é dada por: ZF + ZS → 0 (1.6) fazendo com que Fh = – Sh, ou seja, o filtro e o sistema trocam energia nessa frequência de ressonância. Essa ressonância entre o filtro e o sistema poderá ser estimulada por outras fontes harmônicas do sistema e, portanto, não basta dimensionar o filtro sintonizado apenas em função das harmônicas da fonte local. É preciso verificar que a frequência de ressonância com o sistema esteja em uma região do espectro com poucas possibilidades de excitação. Um caso típico de ressonância ocorre na instalação de um banco capacitivo em um alimentador suprido através de um transformador, o que faz com que a reatância indutiva seja determinada, essencialmente, pela reatância de dispersão do transfor- mador, conforme é mostrado na figura 1.18. Figura 1.18: banco de capacitores alimentado através de transformador. A ordem harmônica da frequência de ressonância, supondo sistema infinito na barra (1), é dada por: n = = = = (1.7) 33 Condicionadores de Energia Essa relação pode ser obtida considerando-se que: Scc = pu Qc = pu (1.8) Portanto, conhecendo a potência de curto-circuito e a capacidade reativa do banco, pode-se estimar diretamente a ordem da frequência de ressonância. Essa informação é importante para prevenir que se escolha capacitores numa região crítica. Como forma de evitar a realimentação dos harmônicos usuais (ímpares: 3, 5, 7, 9, 11, ...), recomenda-se tomar algumas precauções como, por exemplo, escolher n de forma que resulte para grandes bancos capacitivos: n = = 4 (1.9) ou, para bancos menores (e, portanto, com Scc baixo): n = > 20 (1.10) A escolha de uma ordem baixa (n = 4) torna-se possível porque essa frequência harmônica, em geral, não aparece no sistema e a sua excitação é pouco provável que ocorra. c) Filtragem ativa: uma das mais promissoras áreas de aplicação dos conversores eletrônicos em sistemas de potência é a filtragem ativa. A filtragem ativa tem a finalidade de minimizar dinamicamente o conteúdo harmônico gerado pela operação de cargas não lineares. Através de conversores eletrônicos de potência, consegue-se produzir uma tensão ou corrente que, somada à da carga, resulte em uma forma de onda senoidal. Como, normalmente, não existe potência ativa associada às harmônicas, o conversor não precisa de uma fonte de potência ativa. 1.4.3 MELhORIA DO FATOR DE POTêNCIA DAS CARGAS Esse também é um problema antigo, mas sempre presente na operação de um sistema elétrico. A melhoria do fator de potência pode ser tratada como uma questão de suprir localmente a potência não ativa que a carga demanda. O fator de potência é definido pela fração da potência ativa (P) em relação à potência aparente (S). Pela regulamentação brasileira, este valor deve ser igual ou maior que 0,92, com procedimentos de medição definidos pelos órgãos competentes, ou seja: = FP = cos φ ≥ 0,92 (1.11) Para ondas de tensão e de corrente senoidais, φ corresponde à defasagem entre tais grandezas. Anteriormente a 1992, esse limite no Brasil era de FP ≥ 0,85. Reconhecendo- se que era insustentável que as empresas concessionárias bancassem os reativos 34 Condicionadores de Energia demandados pelos consumidores, suportando também as perdas de transmissão associadas, comprometendo a operação do sistema como um todo, foi feita a elevação do fator de potência. Discute-se atualmente um novo aumento neste valor para 0,95. Sabe-se da importância que a potência reativa tem na sustentação da estabilidade da tensão da rede; no entanto, como tal potência pode ser fornecida localmente, sem necessidade de circulação por toda a rede, procura-se deslocar o ponto de fornecimento para as regiões onde seja efetivamente necessário tal suporte. Além disso, o conceito de que o fator de potência é igual ao cosseno do ângulo de defasagem entre tensão e corrente para a forma de onda senoidal encontra aplica- bilidade apenas no sistema de transmissão, onde os níveis de distorção são pequenos. Já nas redes de distribuição, o nível de distorção cria problemas até de interpretação das medidas de potência e do fator de potência. Aceita-se como definição para fator de potência a relação entre as potências ativa P e aparente S, as quais são definidas como: P = . i(t) . dt (1.12) S = Vef . Ief (1.13) e os valores eficazes definidos, para qualquer forma de onda com período T, como: Vef = (V) (1.14) Ief = (A) (1.15) Usando essas definições, pode-se confirmar analiticamente que FP só é igual a cos φ se v(t) e i(t) forem ondas senoidais e defasadas do ângulo φ. A hipótese de que a tensão preserva sua forma senoidal é razoável na maioria das redes, embora existam situações anormais associadas a cargas distorcivas muito elevadas e redes com baixo nível de curto-circuito. No caso em que só a corrente é distorcida, pode-se escrever: FP = . cos φ1 (1.16) onde: – é chamado fator de forma da corrente; cos φ1 – é chamado de fator de deslocamento das ondas fundamentais. Como (1.17) 35 Condicionadores de Energia TDHI é a Taxa de Distorção Harmônica (THD – Total Harmonic Distortion, em inglês), que representa uma relação entre o somatório dos valores eficazes de todas as componentes harmônicas, Ih, dividido pelo valor eficaz da componente fundamental, I1. A mesma grandeza pode ser definida para a tensão. Como o valor fundamental da tensão é relativamente constante, sua TDH dá uma boa informação a respeito da totalidade das componentes harmônicas. Já para a corrente, em caso de carga vari- ável, como a componente fundamental da corrente varia significativamente, a simples informação da TDHI é de pouca valia pois não permite saber o valor das componentes harmônicas da corrente. São mais úteis os valores absolutos das grandezas. Pode-se também escrever que (1.18) Portanto, se a tensãofor senoidal, para ter-se FP = cos φ1 deve-se ter distorção nula também nas correntes (THDI = 0). Para ocorrer FP = 1 é necessário que a corrente siga a forma de onda da tensão, mesmo que esta seja distorcida. Portanto, para maximizar o FP, não basta compensar os reativos do circuito, é necessário minimizar o conteúdo harmônico também. 1.4.4 AMORTECIMENTO DAS OSCILAÇõES ELETROMECÂNICAS DE GERADORES SíNCRONOS Esse problema afeta a estabilidade dinâmica de todo o sistema interligado, pois atua sobre o sincronismo dos geradores que operam em paralelo, mesmo estando conectados em pontos distantes entre si. A dinâmica do rotor de uma máquina síncrona obedece à segunda lei de Newton para corpos girantes, que diz que o torque (conjugado) de aceleração é igual ao produto do momento de inércia pela aceleração angular: (1.19) onde: J – momento de inércia das massas girantes (kg · m); θm – posição angular do rotor com respeito à referência fixa (rad); Ta – torque acelerante (N · m); Tm – torque de acionamento da turbina; Te – torque elétrico resistente. O sistema eletromecânico estará em equilíbrio dinâmico se a derivada segunda da posição angular for nula, resultando Ta = 0. Sendo nula a derivada segunda, resulta que a derivada primeira deve ser constante, ou seja: (1.20) 36 Condicionadores de Energia Essa velocidade (ωms) corresponde à velocidade mecânica síncrona. Para o estudo da dinâmica do rotor é melhor usar um referencial síncrono ao invés do referencial fixo. Para isso, considera-se que a posição angular absoluta possa ser expressa por: θm = ωms · t + δm (1.21) onde δm = posição angular do rotor em relação à referência síncrona. As derivadas primeira e segunda são: (1.22) (1.23) Conclui-se daí que a equação do balanço de torque (1.19) pode ser expressa igualmente em função da referência angular síncrona (1.20), resultando: (1.24) Como potência é dada pelo torque multiplicado pela velocidade, pode-se também escrever: (1.25) onde: Jωm – momento angular na velocidade síncrona; Pm – potência mecânica da turbina; Pe – potência elétrica no entreferro do gerador. Para simplificar a notação, costuma-se definir o produto Jωm como sendo a constante de inércia M, resultando: (1.26) Na verdade, M só é constante se ωm também for. Como de fato a velocidade angular (frequência) da rede varia muito pouco, essa hipótese é válida na prática. Os fabricantes, em geral, apresentam como parâmetro dado a constante H, definida por: (1.27) ou seja, (1.28) 37 Condicionadores de Energia Utilizando essa grandeza na equação de torque, resulta: (1.29) Essa equação expressa o balanço de potência em pu (por unidade) na velocidade síncrona (elétrica ou mecânica) da máquina: (1.30) onde: ωs – velocidade síncrona elétrica (rad/s); δ – ângulo elétrico de carga da máquina (rad). Em termos da frequência angular, resultam duas equações diferen- ciais de primeiro grau: (1.31) (1.32) As equações (1.31) e (1.32) podem ser representadas no domínio da frequência através do diagrama de blocos da figura 1.19. Figura 1.19: modelo angular dinâmico para o conjunto turbina-gerador síncrono. Na condição de equilíbrio (Pa = 0), resulta ω = ωs e, portanto, δ = cte. Para uma perturbação em torno do ponto de equilíbrio, pode-se escrever as relações linearizadas: (1.33) (1.34) que correspondem ao diagrama de blocos da figura 1.20. 38 Condicionadores de Energia Figura 1.20: modelo dinâmico incremental para oscilações angulares. Em condições transitórias, a potência elétrica gerada por uma máquina de polos lisos com reatância transitória , ligada a uma barra infinita com tensão V0 ∠ 0, desprezando as perdas, é dada por: (1.35) onde: – tensão transitória interna do eixo q, referido a uma barra infinita; Vt ∠ θt – tensão terminal com ângulo referido à barra infinita. Este circuito está retratado na figura 1.21. Figura 1.21: gerador ligado a barramento infinito. Além de a potência gerada ser função explícita do ângulo δ do gerador, sabe-se que a demanda de potência das cargas depende também da frequência da rede. Portanto, pode-se assumir que, sob tensões constantes, a variação da potência pode ser linearizada: (1.36) onde: KS – é chamado de coeficiente sincronizante ; KD – é chamado de coeficiente de amortecimento . Essa expressão (1.36) permite fechar a malha de realimentação do diagrama de blocos que representa a equação swing da máquina síncrona conforme mostra a figura 1.22: 39 Condicionadores de Energia Figura 1.22: modelo angular do gerador com amortecimento da carga e resposta típica a um degrau na entrada. A função de transferência entre variação angular e variação da potência mecânica é expressa por: (1.37) que é de segunda ordem, com equação característica: (1.38) ou, na forma canônica, (1.39) onde: (1.40) ωn – é a frequência natural da oscilação eletromecânica. (1.41) ξ – é a taxa de amortecimento da oscilação. Pode-se também expressar as raízes da equação característica como sendo os autovalores ou polos do sistema dinâmico (1.42) onde: σ – coeficiente de atenuação; ωd – frequência de oscilação eletromecânica amortecida. 40 Condicionadores de Energia Para que se tenha um sistema estável, esses polos devem estar no semi-plano esquerdo (σ < 0) do plano complexo de s = σ + jω. Nessas condições, resultam osci- lações angulares e de frequência amortecidas conforme mostra a figura 1.23. Figura 1.23: plano das raízes ou polos complexos. Nos sistemas elétricos, resultam frequências típicas de oscilação eletromecâ- nica na faixa entre 0,5 a 2 Hz, com taxas de amortecimento baixas (ξ < 5%). Assim, o controle da excitação, se não estiver devidamente ajustado, pode cancelar esse pouco amortecimento natural disponível e provocar instabilidade angular com amplitudes crescentes até provocar o desligamento da máquina. Para prevenir esse tipo de problema, são usados os estabilizadores de sistemas de potência (PSS – Power System Stabilizers). Algumas aplicações de dispositivos FACTS podem ajudar a atenuar essas oscilações, principalmente quando ocorrem entre diferentes conjuntos de máquinas ao longo da rede. A ação de amortecimento é obtida realimentando-se os desvios de frequência ou as oscilações da potência elétrica como um sinal de erro para variar a excitação do gerador ou a tensão terminal da linha onde se observaram as oscilações. Com isso, produz-se amortecimento artificial das oscilações às custas de variações temporárias da tensão. Como a faixa de frequências dessas oscilações é bastante baixa, não se criam problemas perceptíveis, como flicker. 1.5 ALGUMAS SITUAÇõES ILUSTRATIVAS DE PROBLEMAS DE QEE 1.5.1 A MáQUINA DE REFRIGERANTE Especialistas em qualidade de energia elétrica nos Estados Unidos foram chamados para investigar um problema no sistema de alimentação de um centro de processamento de dados de uma grande empresa. Foram instalados equipamentos para monitorar a tensão de alimentação do computador que era mais afetado e se constatou que, aproximadamente a cada 15 minutos, ocorria um transitório na tensão que interferia no funcionamento dos computadores. Feito o levantamento das cargas ligadas ao ramal, verificou-se que no corredor em frente à sala dos computadores havia uma máquina de refrigerante para uso dos funcionários. Na falta de alimentador próprio, o refrigerador havia sido ligado no mesmo circuito que alimentava a sala dos computadores. Quando o motor do refrigerador partia a cada 15 minutos, ocorria uma subtensão que interferia no funcionamento dos 41 Condicionadores de Energia computadores. Identificado o problema e a sua causa, a solução óbvia era mudar a alimentação da máquina de refrigerante. Por falta de outra tomada, deslocou-se a máquina para outro local no mesmo corredor, verificando-se que o problema estava resolvido. Quinze dias depois, os especialistas foram novamente chamados, porque o problema tinha voltado a aparecer. Nova monitoração na sala dos micros e os tais transitórios
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