Sistema de Controle para Balanceamento de
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU ROBSON LAGE FIGUEIREDO Sistema de Controle para Balanceamento de Cargas no Secundário do Transformador MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Ouro Preto, 2009 Robson Lage Figueiredo Sistema de Controle para Balanceamento de Cargas no Secundário do Transformador Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Dr. Paulo Marcos de Barros Monteiro Ouro Preto Escola de Minas – UFOP Dezembro/2009 F476s Figueiredo, Robson Lage. Sistema de controle para balanceamento de cargas no secundário do transformador [manuscrito] / Robson Lage Figueiredo. – 2009. 58 f. : il. color. ; tab. Orientador: Prof. Paulo Marcos de Barros Monteiro. Monografia (Graduação) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Colegiado do Curso de Engenharia de Controle e Automação. Área concentração: Automação industrial. Fonte de 1. Cargas. 2. Algoritmo. 3. CLP (Controle lógico programável). I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título. catalogação: [email protected] CDU: 681.5 CDU: 628 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus pôr ter me permitido alcançar tão valoroso objetivo em minha vida. A minha esposa e filha que me e incentivou em todos os momentos, me dando carinho, compreensão, e apoio. Aos meus pais e irmãos pôr desejarem a vitória de mais uma etapa em minha vida. Obrigado! Aos meus amigos que me apoiaram e me ajudaram no desenvolvimento deste trabalho como elaboração do texto: Davi Silva Leite, Fabiano Tomas Novais, Fernando Santos Alves Fernandes, Rodrigo Luis Guedes e Robson Numes Dal Col. Ao meu orientador, Professor Dr. Paulo Marcos de Barros Monteiro, pela orientação e oportunidade de desenvolvimento deste trabalho, e principalmente pela amizade e confiança. Em especial agradeço aos professores pela orientação e pela amizade: Agnaldo José de Rocha Reis, Karla Boaventura Pimenta, Luiz Fernando Ríspoli Alves e Sávio Augusto Lopes da Silva. RESUMO Em sistemas de distribuição de energia elétrica é comum a prática do balanceamento de cargas entre as fases de um circuito, a fim de melhorar suas condições de operação e aumentar a vida útil dos equipamentos. O balanceamento de carga entre alimentadores no sistema de distribuição corresponde a uma redistribuição de cargas entre os mesmos. Pela mudança do estado aberto/fechado dos relés no sistema distribuição algumas cargas podem ser transferidas de um alimentador para outro, tornando o sistema mais balanceado e reduzindo o risco de sobrecarga. Para evitar sobrecargas, resultantes da variação de demandas, é desejável executar o balanceamento de carga entre os alimentadores do sistema de distribuição. A reconfiguração das redes elétricas tem como finalidade: reduzir as perdas de energia, melhorar o perfil de tensão para os consumidores, aumentar os níveis de confiabilidade ou restabelecer o fornecimento de energia em situações de contingência. Neste trabalho é apresentada uma implementação do algoritmo de três fases para balanceamento de cargas no secundário do transformador da subestação, utilizando o software Proficy Machine Edition 5.9 para desenvolver a lógica e no supervisório Elipse Scada para monitoramento e atuação para alocação das cargas, garantindo todas as possíveis situações reais de um sistema. Como ferramentas computacionais utilizamos o Proteus 7 Professional para simular os circuitos eletrônicos e a programação do PIC 16F877A para determinar a defasagem de tensão e corrente. Na programação do CLP GE Fanux Versa Max o balanceamento é garantido pelo conhecimento prévio da corrente de cada carga e a decisão de alocar e realocar as cargas nas fases é tomado antecipadamente garantido um sistema balanceado e confiável. Palavras - Chaves: Balanceamento de cargas, implementação do algoritmo das três fases software Proficy Machine Edition 5.9, programação do CLP GE Fanux Versa Max e simulação. ABSTRACT In distribution systems of electric power is the common the practice of swaying load between circuit phases in order to improve their operation and increase the equipment’s life. The swaying load between feeders in the distribution system corresponds to charge redistribution between them. To change the state open / close relays in distribution system some charge may be transferred from one feeder to another, making the system more balanced and reducing the risk of overload. To avoid overload, resulting from the variation of demands is desirable to execute the swaying load among the feeders of the distribution system. The reconfiguration of the grids power is to: reduce the energy loses, improve the voltage profile for consumers, increase the levels of reliability or restore the power supply in contingency situations. This report presents an implementation of the algorithm in three-phase to swaying load in the secondary transformer substation, using the software Proficy Machine Edition 5.9 for developing logic and Elipse supervisory SCADA for monitoring and performance for allocation of charges, ensuring all possibles situations of a real system. The computational tools used is the Proteus 7 Professional to simulate the electronic circuits and the PIC 16F877A programation to determine the gap voltage and current. In the programming of the GE PLC Fanux Versa Max the swaying is guaranted by knowledge of the current of each charge and the decision to allocate and reallocate the charges is taken early ensuring a reliable and balanced system. Key words: swaying load, implementation of the algorithm three-phase software Proficy Machine Edition 5.9, planning for the GE PLC Fanux Versa Max and simulation. LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 2.6 Figura 4.1 Figura 5.1 Figura 5.2 Figura 5.3 Figura 5.4 Figura 5.5 Figura 6.1 Figura 6.2 Figura 6.3 Sistema Elétrico de potência............................................... 15 Diagrama Fasorial............................................................... 17 Ligação Estrela – Triângulo................................................ 18 Desequilíbrio de Tensão..................................................... 19 Tensão (V) e Corrente (I) em fase...................................... 22 Fator de Potência................................................................. 24 Componentes Simétricas..................................................... 26 Rede de Distribuição Primária............................................ 34 Detecção por Zero de Tensão.............................................. 38 Diagrama Elétrico do Circuito............................................ 40 Detecção por Zero de Tensão.............................................. 41 Detecção do Zero de Corrente............................................ 42 Defasagem de Tensão e Corrente........................................ 43 Diagrama do Circuito de Controle...................................... 45 Diagrama do Circuito de Entrada e Saída de Cargas.......... 45 Defasagem nas Três Fases.................................................. 46 Figura 6.5 Defasagem nas Três Fases.................................................. 47 Proficy Machine Main........................................................ 48 Figura 6.6 Proficy Machine Entradas de Cargas.................................. 49 Figura 6.7 Proficy Machine Verificação das Fases.............................. 50 Figura 6.8 Eclipse Scada Balanceamento de Cargas............................ 51 Figura 6.9 Figura 6.10 Circuito de Controle............................................................ 52 Supervisorio Eliplse Scada.................................................. 53 Figura 6.11 Maquete Alocação das Cargas............................................ 54 Figura 6.12 Maquete Alocação de um Banco de Cargas........................ 55 Figura 6.4 LISTA DE SÍMBOLOS Tensão de Pico Ângulo de Referência Operador Fasorial que gira o vetor 120º Freqüência angular [rd/s] Ie Ângulo de defasagem entre tensão fase e corrente de fase Ve Valor eficaz corrente alternada [A] I Valor eficaz da tensão da alternada [V] V Valor eficaz de corrente [A] V2 Valor eficaz de Tensão [V] V1 Componentes de seqüência negativa da tensão P Componentes seqüência positiva da tensão S Potência Ativa [w] Q Potência Aparente [VA] D Diodo K Potência Reativa [VAR] LISTA DE ABREVIAÇÕES CA Corrente Alternada CC Corrente Continua SEP Sistemas Elétricos de Potência FP Fator de Potência CLP Controlador Lógico Programável NEMA National Electrical Manufactures Association SCADA Supervisory Control And Data Acquisition LCD Liquid Crystal Display IEC International Engineering Consortium IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineer RMS Valor Eficaz FD Fator de Desequilíbrio PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico IEC International Electronical Comission GND Terra CPU Unidade Central De Processamento QEE Qualidade Energia Elétrica UFOP Universidade Federal de Ouro Preto SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 13 1.1. Sistema Elétrico de Potência .................................................................................................. 14 1.2. Objetivo................................................................................................................................... 15 1.3. Objetivos Específicos .............................................................................................................. 16 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ....................................................................... 16 2.1. Sistema Trifásico .................................................................................................................... 16 2.2. Principais Dispositivos Utilizados em um SEP ...................................................................... 18 2.3. Desequilíbrio de um Sistema Elétrico .................................................................................... 19 2.4. Fator de Potência .................................................................................................................... 21 2.5. Componentes Simétricas ........................................................................................................ 26 2.6. Controlador Lógico Programável .......................................................................................... 28 2.7. Sistema de Supervisório ......................................................................................................... 29 3. PRINCIPAIS TRABALHOS DESENVOLVIDOS ........................................... 30 4. METODOLOGIA ................................................................................................. 31 4.1. Parâmetro de Avaliação ......................................................................................................... 32 4.2. Balanceamento de Cargas ...................................................................................................... 32 4.3. Método para Balanceamento das Cargas nos Alimentadores ............................................... 34 4.3.1. Algoritmo das Três Fases ....................................................................................................... 34 4.3.2. FASE 1 (Alocação Inicial) ...................................................................................................... 35 4.3.3. FASE 2 (Fase de Balanceamento) .......................................................................................... 35 4.3.4. FASE 3 (Duplas Trocas) ......................................................................................................... 36 4.3.5. Passos do Algoritmo das Três Fases: ..................................................................................... 36 5. DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO....................................................... 37 5.1. Maquete .................................................................................................................................. 37 5.2. Sensor ...................................................................................................................................... 38 5.2.1. Circuito Defasagem de Tensão e Corrente ............................................................................ 39 5.3. Princípio de Funcionamento do Circuito ............................................................................... 40 5.3.1. A detecção de Zero de Tensão ................................................................................................ 40 5.3.2. A detecção de Zero de Corrente ............................................................................................. 41 5.3.3. Defasagem de Corrente e Tensão ........................................................................................... 43 6. RESULTADOS ..................................................................................................... 44 6.1. Simulação com Ferramentas Computacionais ...................................................................... 44 6.2. Circuito ................................................................................................................................... 51 6.3. Teste na Maquete .................................................................................................................... 52 7. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 56 8. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS .................................................... 57 13 1. INTRODUÇÃO Os elevados custos envolvidos na construção de sistemas elétricos de potência, linhas de transmissão e redes de distribuição, determinam cada vez mais que os diferentes segmentos da indústria de energia elétrica utilizem a energia disponível da maneira mais eficiente possível. Minimizar as perdas de um sistema de distribuição representa não só dispor de uma parcela maior da energia, mas também de melhorar a qualidade do produto oferecido aos clientes. Classificando como um distúrbio ligado à qualidade da energia elétrica, os desequilíbrios de fases, podem ter como origem a distribuição inadequada de cargas dentro de um sistema de alimentação, tendo como conseqüência o aparecimento de tensões de seqüência negativa, geração de componentes harmônicas na rede e outros problemas associados a uma alimentação de um sistema desequilibrado. O sistema secundário de distribuição possui um carregamento assimétrico das três fases, visto que é formado basicamente por cargas monofásicas que não estão distribuídas uniformemente. Existe ainda uma demanda de carga variável no tempo que, em alguns momentos, contribui para que a diferença da carga entre as três fases seja ainda mais acentuada. Esse carregamento assimétrico provoca desequilíbrio na corrente que circula pela rede elétrica e conseqüentemente o desbalanceamento na tensão da rede, propagando o problema para outros consumidores, especialmente trifásicos, ligados a partir do mesmo circuito primário. O desequilíbrio de fases em um sistema elétrico, seja ele monofásico bifásico ou trifásico causa diversos problemas e transtornos ás redes elétricas, pode-se apontar: O desequilíbrio de fases influi na variação da rotação nominal e aumento da temperatura dos motores elétricos, tendo uma consequências à redução do rendimento e aumento nos gastos com o consumo de energia elétrica, um desbalanceamento da ordem de 2,4% entre as tensões pode ocasionar na perda dos motores elétricos de aproximadamente 10% diminuindo tanto no seu rendimento quando na vida útil. (CAMPANA, 2007). 14 Nos dias atuais onde se tem cada vez mais à preocupação com o consumo de energia, a criação de novos métodos e desenvolvimento de equipamentos tornou essencial para que venham possibilitar uma melhoria na gestão energética, principalmente na indústria, que é área mais afetada. O motor elétrico é o equipamento bastante afetado pelo desbalanceamento de tensões, como ele representa cerca de 50% do consumo de energia na indústria, a utilização de métodos e equipamentos que tendem a minimizar este problema é essencial. Outros efeitos negativos do desequilíbrio da carga são: saturação do transformador, desequilíbrio das suas tensões secundárias e aumento das perdas devido à circulação de corrente de neutro. Em ponte retificadora existe um efeito indesejável do desequilíbrio de corrente. Uma ponte retificadora CA/CC, controlada ou não, injeta na rede sob condições nominais, correntes harmônicas características de ordem 3, 5, 7, 11, 13, etc. Entretanto, quando o sistema encontra-se desequilibrado, os retificadores passam a gerar além das correntes harmônicas características, o terceiro harmônico e seus múltiplos. 1.1. Sistema Elétrico de Potência Sistemas Elétricos de Potência (SEP) têm como função principal fornecer energia elétrica de qualidade aos usuários, na capacidade solicitada a cada instante. Três etapas fundamentais compõem um sistema de energia elétrica: Geração, Transmissão e Distribuição. Segundo MONTICELLI e GARCIA, (1999) sistema de geração se encarrega de transformar energia hidráulica, térmica, nuclear, eólica, entre outras, em energia elétrica. No Brasil, devido ao grande potencial hídrico existente, predominância no modo hidroelétrico. Para que esta energia gerada seja transportada, a tensão deve ser elevada para a tensão de transmissão. Ainda seguindo MONTICELLI e GARCIA, (1999) o sistema de transmissão e subtransmissão transportam a energia demandada em altos níveis de tensão, que são estabelecidos pela distância a ser percorrida e pela quantidade de energia a ser transportada. A 15 energia transportada na tensão de transmissão é fornecida para alguns consumidores e reduzida para tensão de subtransmissão. Neste nível, a energia é fornecida para consumidores e também rebaixada para os padrões do sistema de distribuição conforme pode ser observado na figura 1.1. Figura 1.1: Sistema Elétrico de potência. Fonte: Monticelli e Garcia. 1.2. Objetivo Este trabalho faz parte de um trabalho mais amplo envolvendo o desenvolvimento de um sistema supervisório para correção do fator de potência e balanceamento de cargas de um sistema trifásico realizado simultaneamente pelos alunos Davi Leite, Rodrigo Guedes e Robson Lage Figueiredo, todos do curso de engenharia de controle e automação da Escola de Minas de Ouro Preto. A proposta desse trabalho é realizar uma análise sobre o problema de desbalanceamento de cargas no secundário do transformador, através de simulação e implementação de sistema de monitoramento e compensação no desequilíbrio nos alimentadores, utilizando um Controlador Lógico Programável (CLP GE Fanuc Versa Max) de forma que se apresentem correntes equilibradas à rede primária de distribuição. 16 1.3. Objetivos Específicos Pretendemos implementar o algoritmo de três fases para balanceamento de cargas nos secundário do transformador da subestação, utilizando o software Proficy Machine para desenvolver a lógica do algoritmo para balanceamento das cargas e no supervisório Elipse Scada para monitoramento e atuação para alocação das cargas garantindo todas as possíveis situações reais de um sistema. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste tópico tem como objetivo apresentar alguns dos conceitos necessários para compreensão do presente trabalho. Estes conceitos serão aqui tratados de uma forma superficial com uma breve introdução, e nos capítulos seguintes os itens mais importantes serão tratados com maior detalhamento. 2.1. Sistema Trifásico A maior parte da geração, transmissão e utilização em alta potência da energia elétrica envolve sistemas polifásicos, ou seja, sistemas nos quais são disponíveis diversas fontes de mesma amplitude com uma diferença de fase entre elas. O sistema trifásico possui vantagens econômicas, operacionais e uma maior flexibilidade de poder atender cargas monofásicas, bifásicas e trifásicas sem qualquer alteração em sua configuração permitindo uma transmissão de potência de forma mais econômica. Em sistemas trifásicos o módulo do campo girante total é constante, o que não ocorre em outros sistemas polifásicos (todos os sistemas polifásicos com n × 3 fases apresentam esta característica, mas com n>1 estes sistemas não são interessantes economicamente) e sua potência p(t) é constante, já que no monofásico é pulsante. Esta forma o sistema trifásico é mais difundida na de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica em corrente alternada. Este sistema incorpora o uso de três ondas senoidais com o valor e defasadas em 120º graus entre si e podemos expressá-la matematicamente da seguinte forma: 17 (2.1) (2.2) (2.3) Onde: =Tensão de Pico =Velocidade Angular =Ângulo de Referência Podemos demonstrar com a figura 2.1 o diagrama fasorial, portanto definimos que um sistema trifásico equilibrado é aquele em que a resultante da soma das tensões é igual a ZERO ou que seus vetores estejam defasados em 120 graus entre si. Figura 2.1 – Diagrama Fasorial. Fonte: Schweitzer Engineering Laboratories. As máquinas elétricas trifásicas tendem a ser mais eficientes pela utilização plena dos circuitos magnéticos. As linhas de transmissão permitem a ausência do neutro, e o acoplamento entre as fases reduz significantemente os campos eletromagnéticos. As cargas trifásicas podem ser interligadas ao sistema de dois modos distintos: 18 Estrela: um dos terminais das cargas é conectado a uma das fases do sistema enquanto o outro terminal é conectado a um ponto comum que é o neutro utilizado para se medir as tensões de fase, conforme a figura 2.2. Triângulo, também chamado de delta: nesta configuração um dos terminais das cargas é conectado a outro terminal de outra carga e as fases do sistema são interligadas nos pontos de junção dos terminais da carga, como pode ser observado na figura 2.2. Figura 2.2 – Ligação Estrela – Triângulo. Fonte: Schweitzer Engineering Laboratories. 2.2. Principais Dispositivos Utilizados em um SEP Um SEP típico é formado por várias estações geradoras conectadas através de linhas de transmissão a grandes centros de carga, onde a potência é distribuída aos consumidores pelo sistema de distribuição, formado por linhas de distribuição e transformadores. Geradores: são responsáveis pela geração de energia em corrente alternada no sistema elétrico e suprem a energia solicitada pelas cargas em um SEP, mantendo os níveis de tensão dentro de uma faixa estreita, e garantindo a continuidade e a estabilidade do sistema. Transformadores: possibilitam a conexão de vários equipamentos elétricos com tensões elétricas distintas, podendo ser abaixador ou elevador de tensão. Em um SEP ele é responsável pela elevação do nível de tensão para transmissão de energia elétrica. 19 Linhas de Transmissão: são os elementos do sistema elétrico que transportam toda a energia elétrica gerada até o consumidor. Dependendo do local da geração e do consumo, elas podem ter comprimentos variados. Disjuntores: dispositivos eletromecânicos de manobra, ou seja, ele pode abrir ou fechar parte do sistema elétrico. Tem função de proteção na instalação, proteção contra curto circuito ou sobre carga. Relés: são os elementos lógicos do sistema de proteção. Normalmente respondem a tensões e correntes e provem a abertura ou não dos disjuntores a ele associado. 2.3. Desequilíbrio de um Sistema Elétrico Segundo MCEACHERN (2004), o desequilíbrio ou assimetria é uma situação decorrente da forma de utilização do sistema elétrico, em que as tensões ou correntes apresentam amplitudes desiguais entre si, ou seja, é uma condição na qual as três fases apresentam diferentes valores de tensão em módulo ou defasagem angular entre fases diferentes de 120º elétricos ou ainda as duas condições simultaneamente, como ilustra a figura abaixo. Figura 2.3 – Desequilíbrio de Tensão. Fonte: Qualidade de Energia, Alex McEACHERN. 20 O indicador para avaliar o desequilíbrio de tensão é o Fator de Desequilíbrio de Tensão (K), que exprime a relação entre as componentes de seqüência negativa (V2) e seqüência positiva (V1) da tensão, expresso em termos percentuais da componente de seqüência positiva, conforme a expressão abaixo. (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) Onde temos na equação acima: : é igual o vetor seqüência zero : é igual o vetor seqüência positivo : é igual o vetor seqüência negativa : é igual um operador que gira o vetor 120º A principal causa de desbalanceamentos é distribuição não uniforme de cargas monofásicas. Outras causas são, por exemplo, contatos e conexões oxidados, transformadores com impedâncias desiguais entre fases, dentre outras. As descargas atmosféricas em linhas de transmissão e/ou distribuição constituem a principal causa de desbalanceamentos não permanentes, uma vez que levam a dips e swells de forma desigual entre as fases. Em um sistema elétrico trifásico ideal, as tensões ou correntes estão equilibradas, as três tensões estão exatamente 120º defasadas. No mundo real, tensões e correntes não estão perfeitamente equilibradas. A amplitude em cada fase será diferente e o ângulo não poderá ser de 120º. 21 Outra maneira de entender os efeitos desta situação de desequilíbrio de tensão ou corrente é pensar nela como a soma de três conjuntos de vetores equilibrados: um conjunto, chamado de sequência positiva, que gira na direção correta; um conjunto de sequência negativa, que tem a ordem das fases invertidas, em outras palavras parece girar ao contrário, e um conjunto chamado de sequência zero, que não tem nenhum ângulo entre as fases. Isto ajuda em entender porque tensões e correntes desequilibradas fazem transformadores e motores sobreaquecer, pois parte da tensão ou corrente tenta girar o motor ou transformador no sentido inverso. Recomendação da norma IEC 1000-2-2 é que indica um nível aceitável para o fator de desequilíbrio em sistemas de baixa tensão é de 2 %. A norma EN50160 estabelece que, sob condições normais de suprimento, durante o período de uma semana, 95% dos valores RMS da componente de seqüência negativa, devem estar na faixa de 0 a 2% da componente de seqüência positiva. Tais valores RMS consistem da média dos pontos medidos durante dez (10) minutos consecutivos. Em algumas áreas, onde partes dos consumidores são monofásicos ou bifásicos, podem-se admitir desequilíbrios de até 3%. 2.4. Fator de Potência O fator de potência (FP), como demonstra a figura 2.5 de um sistema elétrico qualquer, que está operando em corrente alternada (CA), é definido pela razão da potência real ou potência ativa pela potência total ou potência aparente. 22 Figura 2.4. – Tensão (V) e Corrente (I) em fase Em circuitos de corrente alternada (CA) puramente resistivos, as ondas de tensão e de corrente elétrica estão em fase, ou seja, mudando a sua polaridade no mesmo instante em cada ciclo como pode ser observado na figura 2.4. Quando cargas reativas estão presentes, tais como capacitores ou condensadores e indutores, o armazenamento de energia nessas cargas resulta em uma diferença de fase entre as ondas de tensão e corrente. Uma vez que essa energia armazenada retorna para a fonte e não produz trabalho útil, um circuito com baixo fator de potência terá correntes elétricas maiores para realizar o mesmo trabalho do que um circuito com alto fator de potência. A potência ativa é a capacidade do circuito em produzir trabalho em um determinado período de tempo. Devido aos elementos reativos da carga, a potência aparente, que é o produto da tensão pela corrente do circuito, será igual ou maior do que a potência ativa. No caso da corrente alternada (CA) senoidal, a média de potência elétrica desenvolvida por um dispositivo de dois terminais pode ser determinada pela resolução da integral anterior, de onde resulta o produto dos valores quadrados médios (ou RMS, em inglês) ou eficazes da 23 diferença de potencial entre os terminais e da corrente que passa através do dispositivo com o cosseno do seu ângulo de defasagem. (2.9) Onde Ie é o valor eficaz da intensidade de corrente alternada senoidal, Ve é o valor eficaz da tensão senoidal e é o ângulo de fase ou defasagem entre a tensão e a corrente. O termo cos é denominado Fator de potência. Ie está em ampères e Ve em volts, P estará em watts. A energia transferida num determinado intervalo de tempo corresponde ao integral temporal da potência ativa. É esta a integração realizada pelos contadores de energia utilizados na faturação de consumos energéticos de instalações. Potência Aparente não se inclui o termo cosφ que haveria que contemplar, devido ao fato de que a corrente e a tensão estejam defasados entre si, obtemos o valor do que se denomina potência aparente ou teórica S que se expressa em volt ampères (VA): (2.10) No qual entende-se como o conjugado do número complexo Ie. É com base no valor desta potência (ou das correntes respectivas) que se faz o dimensionamento de sistemas de proteção das instalações elétricas. Na contratação de fornecimento de energia elétrica é normalmente especificada a taxa de potência que depende da potência aparente máxima a ser disponibilizada pelo fornecedor. A potência reativa é a medida da energia armazenada que é devolvida para a fonte durante cada ciclo de corrente alternada. Existe também em CA outra potência, que é a chamada potência reativa Q cuja unidade é (var) e é igual a: (2.11) Numa instalação que apenas possua potência reativa, a potência média tem um valor nulo, pelo que não é produzido nenhum trabalho útil. Diz-se, portanto que a potência reativa é uma 24 potência devatada (não produz watts ativos). Na indústria elétrica se recomenda que todas as instalações tenham um fator de potência (cos ) máximo, com o qual sen será mínimo e, portanto a potência reativa ou não útil será também mínima. A integração temporal da potência reativa resulta numa energia reativa, que representa a energia que circula de forma oscilante nas instalações, mas não é consumida por nenhum receptor. Em casos de consumidores especiais de energia elétrica (grandes consumidores), esta energia pode ser contabilizada em var-hora, e faturada adicionalmente à energia ativa consumida. O fluxo de potência em circuitos de corrente alternada tem três componentes: potência ativa (P), medida em watts (W); potência aparente (S), medida em volt-ampéres (VA); e potência reativa (Q), medida em volt-ampére-reativo (VAr). O fator de potência FP pode ser expresso como: (2.12) No caso de formas de onda perfeitamente senoidais, P, Q e S podem ser representados por vetores que formam um triângulo retângulo, também conhecido como triângulo de potências, sendo que: Figura 2.5 – Fator de Potência Fonte: Qualidade de Energia, Alex McEACHERN Triângulo retângulo que representa a relação entre as potências aparente (S), ativa (P) e reativa (Q) (2.13) 25 Por definição, o fator de potência é um número adimensional entre 0 e 1. Quando o fator de potência é igual a zero (0), o fluxo de energia é inteiramente reativo, e a energia armazenada é devolvida totalmente à fonte em cada ciclo. Quando o fator de potência é 1, toda a energia fornecida pela fonte é consumida pela carga. Normalmente o fator de potência é assinalado como atrasado ou adiantado para identificar o sinal do ângulo de fase entre as ondas de corrente e tensão elétricas. Se uma carga puramente resistiva é conectada ao sistema, a corrente e a tensão mudarão de polaridade em fase, nesse caso o fator de potência será unitário (1), e a energia elétrica flui numa mesma direção através do sistema em cada ciclo. Cargas indutivas tais como motores e transformadores (equipamentos com bobinas) produzem potência reativa com a onda de corrente atrasada em relação à tensão. Cargas capacitivas tais como bancos de capacitores ou cabos elétricos enterrados produzem potência reativa com corrente adiantada em relação à tensão. Ambos os tipos de carga absorverão energia durante parte do ciclo de corrente alternada, apenas para devolver essa energia novamente para a fonte durante o resto do ciclo. Frequentemente é possível corrigir o fator de potência para um valor próximo ao unitário. Essa prática é conhecida como correção do fator de potência e é conseguida mediante o acoplamento de bancos de indutores ou capacitores, com uma potência reativa Q contrário ao da carga, tentando ao máximo anular essa componente. Por exemplo, o efeito indutivo de motores pode ser anulado com a conexão em paralelo de um capacitor (ou banco) junto ao equipamento. As perdas de energia aumentam com o aumento da corrente elétrica transmitida. Quando a carga tem fator de potência menor do que 1, mais corrente é requerida para suprir a mesma quantidade de potência útil. As concessionárias de energia estabelecem que os consumidores, especialmente os que possuem cargas maiores, mantenham os fatores de potência de suas instalações elétricas dentro de um limite mínimo, caso contrário serão penalizados com cobranças adicionais. Engenheiros freqüentemente analisam o fator de potência de uma carga como um dos indicadores que afetam a eficiência da transmissão e geração de energia elétrica. 26 2.5. Componentes Simétricas Um sistema trifásico desequilibrado pode ser decomposto em três sistemas equilibrados. Para isso é utilizada a transformação em componentes simétricas, obtendo três seqüências: positiva, negativa e zero. Essa transformação pode ser aplicada tanto para tensões quanto para correntes. A figura 3.1 esquematiza as três sequência para as correntes de um sistema trifásico desequilibrado. Figura 2.6 – Componentes Simétricas Fonte: Schweitzer Engineering Laboratories Na sequência positiva os fasores apresentam o mesmo módulo, estão defasados de 120º entre si e se sucedem na seqüência abc, com velocidade angular ω. Na seqüência negativa os fasores apresentam o mesmo módulo, estão defasados de 120º entre si e se sucedem na sequência acb, com velocidade angular ω. Na seqüência zero os fasores são iguais em módulo e ângulo nas fases a, b e c. As componentes simétricas são definidas matematicamente como: (2.14 27 (2.15) Definimos o operador α,um número complexo de módulo unitário e argumento 120° , de modo que, quando aplicado a um fasor qualquer, transforma-o em outro de mesmo 120°. Em outras palavras, = (2.16) A potenciação do operador α possui as seguintes propriedades: (2.17) (2.18) De forma similar, os valores de fase das correntes, em termos das componentes simétricas, são dados matematicamente por: (2.19) (2.20) (2.21) Os sistemas equilibrados possuem apenas a componente simétrica de seqüência positiva. Os desequilíbrios são expressos pelas componentes de seqüências negativa e zero, estando a seqüência zero presente apenas nos sistemas trifásicos a quatro fios, em que a soma das correntes Ia, Ib e Ic pode ser diferente de zero. O fator de desequilíbrio de um sistema, como definido no PRODIST, é caracterizado percentualmente pela relação entre a componente de seqüência negativa e a componente de seqüência positiva. (2.22) 28 2.6. Controlador Lógico Programável Controlador Lógico Programável, ou CLP (Programmble Logic Controller) é definido por Georgini (2006, p 48, traduzido) como um dispositivo de estado sólido – um Computador Industrial, capaz de armazenar instruções para implementação de funções de controle (seqüência lógica, temporização e contagem, por exemplo), alem de realizar lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle de sistemas automatizados. Aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. (NEMA, 2009) Para a programação dos CLP’s sentiu-se a necessidade da construção de um padrão que fosse seguido pelos fabricantes. Isto teve inicio em 1979 o IEC (International Electronical Comission) iniciou seus trabalhos com este propósito e como resultado temos hoje a IEC 61131 onde se encontra com 8 partes sendo que algumas ainda não finalizadas. 29 2.7. Sistema de Supervisório Segundo Viana (2008) o termo SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) na automação refere-se a sistemas de supervisão, controle e aquisição de dados composto por um ou mais computadores monitorando e controlando um processo. O processo pode ser industrial, infra-estrutura ou facilidade conforme descrito a seguir: Processos industriais incluem manufatura, geração de energia, refino de petróleo e muitos outros. Podem ser executados de forma contínua ou descontinua. Os sinais tratados podem ser tanto analógicos quanto digitais. Processos de infra-estrutura podem ser públicos ou privados, e incluem tratamento e distribuição de água, coleta e tratamento de esgoto, linhas de óleo e gás, transmissão e distribuição de energia elétrica, e grandes sistemas de comunicação. O objetivo principal dos sistemas SCADA é propiciar uma interface de alto nível do operador com o processo informando-o "em tempo real" de todos os eventos de importância da planta. 30 3. PRINCIPAIS TRABALHOS DESENVOLVIDOS Na década de 80, foram desenvolvidos trabalhos propondo técnicas para a resolução do problema de balanceamento de carga através de operações de chaveamento (troca de ramos). Nos primeiros trabalhos, o balanceamento de carga foi formulado como um problema de programação inteira ( Aoki , 1988) e como problema de otimização não-linear ( Baran e Wu, 1989). Na década seguinte, o problema de balanceamento foi tratado como um problema de otimização multiobjetivo abordando metaheurísticas ( Chiang e Jean-Jumeau, 1990). Ainda nesta década, houve trabalhos que empregaram técnicas heurísticas ( Hsu 1993; Jwo-Hwu, 1997) e mais recentemente o problema foi abordado com um método gráfico, distance measurement technique . Aoki (1988) propõem um algoritmo para o problema de balanceamento de carga nos transformadores das subestações e nos alimentadores, visando a minimização de perdas tanto em estado normal de operação como em estados de falhas ou saídas programadas. O método procura chegar a soluções aproximadas e práticas para o sistema. O algoritmo aplica uma base de regras para manter a característica radial do sistema e para evitar repetições nas operações de chaveamento. Através de índices de balanceamento de carga para cada transformador e alimentador, operações de chaveamento (troca de ramos) são executadas entre dois alimentadores, com o maior e menor índice, e é repetido entre os outros alimentadores até que as cargas sejam o mais equalizado possível. Os autores comentam a dificuldade de se obter uma solução ótima, em função da dimensão do sistema e não explicam se o método é eficiente para aplicação em tempo real. 31 4. METODOLOGIA Pretendemos aplicar o método para balanceamento de cargas baseado no algoritmo de Três Fases no secundário do transformador, objetivando o chaveamento para as trocas dos alimentadores visando minimizar o desbalanceamento das fases garantindo um sistema equilibrado. Como ferramentas computacionais utilizamos o Proteus 7 Professional para simular os circuitos eletrônicos e a programação do PIC 16F877A. No software Proficy Machine Edition 5.9 foi desenvolvido a lógica do algoritmo para balanceamento das cargas e no supervisório Elipse Scada para monitoramento e atuação para alocação das cargas garantindo todas as possíveis situações reais de um sistema. Optamos na construção de uma maquete que utilizamos os seguintes componentes: • Conjunto de Born; • PIC 16F877A para cálculo da defasagem de tensão em relação à corrente; • CLP GE Fanuc Versa Max; • Disjuntores; • Liquid Crystal Display (LCD) para mostra os resultados no display; • Oito Push Botões com retenção; • Quatros Lâmpadas como Cargas Resistivas; • Relés; • Sensor com as seguintes características: Detecção de tensão por zero; Detector de corrente por zero; • supervisório Elipse Scada; • Transformador; • Três Ventiladores como Cargas Indutivas. A implementação de um supervisório Elipse Scada baseado no Controlador Lógico Programável (CLP GE Fanuc Versa Max) para o monitoramento e atuação no período de 32 desbalanceamento de cargas nas linhas de alimentação possibilitando a correção automaticamente dos valores de corrente entre as fases. 4.1. Parâmetro de Avaliação Como parâmetro de avaliação foi construído uma maquete para confrontar os resultados obtidos nos software de simulação com os resultados da implementação do sistema prático. 4.2. Balanceamento de Cargas O balanceamento de carga entre alimentadores no sistema de distribuição corresponde a uma redistribuição de cargas entre os mesmos. Pela mudança do estado aberto/fechado dos relés no sistema distribuição, algumas cargas podem ser transferidas de um alimentador para outro, tornando o sistema mais balanceado e reduzindo o risco de sobrecarga. Para evitar sobrecargas, resultante da variação de demandas, é desejável executar o balanceamento de carga entre os alimentadores do sistema de distribuição. Em condições normais de operação, o balanceamento de carga entre os alimentadores é obtido através da reconfiguração da rede, que redistribui as cargas entre os alimentadores. Com cargas mais balanceadas, o risco de sobrecarga pode ser reduzido (Hsu et al., 1993). Operações de chaveamento nos alimentadores da rede de distribuição são executadas em situações anormais, como sobrecargas, desbalanceamento, desligamentos inesperados e durante a manutenção ou expansão do sistema, onde equipamentos devem ser desligados por um período. Estas situações podem causar desenergizações no sistema de distribuição, e as áreas desenergizadas devem ser isoladas e a restauração do serviço deve ser executada. Nos algoritmos propostos para resolver o problema de reconfiguração de rede para transferência de cargas objetiva-se o balanceamento de carga, considerando restrições de limites de capacidade dos transformadores/alimentadores das subestações, limites do fluxo nas linhas, limites na queda de tensão nas barras de carga e radialidade da rede. 33 Propõem o método do algoritmo das Três Fases de alocação e troca de ramos que é provavelmente a alternativa mais utilizada para reduzir perdas em sistema de distribuição. O procedimento tem início com uma configuração inicial. Para cada chave aberta, onde haja uma diferença de tensões entre seus terminais, é identificado o ramo que se formará na rede se essa chave for fechada. Percorrendo esse ramo, a partir do terminal de maior diferença de potencial, procura-se uma chave que, quando aberta, proporcione a maior redução de perdas (em relação à configuração atual). Se existir tal chave, é realizado o fechamento da primeira e a abertura da segunda (a troca de ramos). As perdas resistivas são reduzidas sem se perder a estrutura do sistema. As configurações são modificadas por trocas de ramos até que não seja mais possível melhorar a solução (ou que os ganhos sejam insignificantes). Desta forma, consegue-se eliminar um grande número de operações indesejáveis, diminuindo o esforço computacional. Um método para o problema de balanceamento de carga nos transformadores das subestações e nos alimentadores é algoritmo visando à minimização de perdas tanto em estado normal de operação como em estados de falhas ou saídas programadas. O método procura chegar a soluções aproximadas e práticas para o sistema. O algoritmo das Três Fases aplica uma base de regras para manter a característica do sistema e para evitar repetições nas operações de chaveamento. Através de índices de balanceamento de carga para cada transformador e alimentador, operações de chaveamento (troca de alimentadores) são executadas entre dois alimentadores, com o maior e menor índice, e é repetido entre os outros alimentadores até que as cargas sejam o mais equalizado possível, demonstrado na figura 3.1. 34 Figura 4.1 Rede de Distribuição Primária. Fonte: Kuwabara, 2008. 4.3. Método para Balanceamento das Cargas nos Alimentadores Baseamos no algoritmo das Três Fases para a implementação da lógica de verificação, alocação e troca das cargas nos alimentadores do sistema trifásico. No software Proficy Machine Edition 6.0 desenvolvemos na lógica Ladder, baseada em símbolos semelhantes aos encontrados nos esquemas elétricos de contatos e bobinas para verificação e alocação das cargas nos alimentadores. 4.3.1. Algoritmo das Três Fases O algoritmo 3-FASES pode ser resumido do seguinte modo. Na FASE 1, as alocações das cargas são classificadas de acordo com as potencia pré definidas e alocadas as fases de maneira a obter um carregamento razoavelmente balanceado entre eles. Na FASE 2, a divisão de carga é melhorada, movendo-se, sucessivamente, uma carga em uma fase mais carregado para outra fase menos carregado usando o valor de um limitante pré calculado como alvo. Por fim, na FASE 3, tenta-se um balanço de cargas ainda melhor, por meio da troca simultânea de duas tarefas pertencentes a fases diferentes. O detalhamento do algoritmo 3-FASES (MULLER, 1993, p.28-43) será feito a seguir. 35 4.3.2. FASE 1 (Alocação Inicial) Esta fase pode ser vista como um procedimento construtivo, com a característica de não necessitar uma pré-ordenação das alocações, geralmente requerida na maioria dos algoritmos construtivos conhecidos. A única exigência é que se conheça a potência mínima, limitante inferior da carga e a potência máxima, limitante superior da carga para alocação das cargas em umas das três fases. 4.3.3. FASE 2 (Fase de Balanceamento) Esta fase pode ser vista como um procedimento de melhoramento, pois, a partir da solução encontrada pela FASE 1, ela procura diminuir as alocações de cargas, chaveando a fase mais carregado para a fase o menos carregado, até que não existam mais chaveamento que atinjam este objetivo. A escolha das fases a serem chaveado é orientada pela potência média das cargas já alocadas, definido como, que independe de qual fase a carga foi alocada. Onde: : Potência Média das Cargas, : Potência da Carga, m: Número de fases. O valor de indicará previamente qual fase esta menos sobrecarregada, ou seja, com menos potência alocada para decidir em qual fase será realocada a próxima carga e realizando a busca nos alimentadores para chaveamento das fases. Temos como objetivo da FASE 2 equalizar as potência de cargas nos alimentadores através de trocas simples. Aproximando-se as potências de cada fase o mais próximo possível do (Potência Média das Cargas), mantemos o sistema balanceado. 36 4.3.4. FASE 3 (Duplas Trocas) De modo a incorporar novas soluções ao espaço de busca, desenvolveu-se outra fase, que também pode ser vista como um algoritmo de melhoramento. Esta fase busca realizar duplas trocas, envolvendo uma alocação no alimentador mais carregado e uma de outro alimentador. Esta fase é um pouco mais elaborada, pois além de envolver duas tarefas, procura o melhor chaveamento dentre todos os possíveis, aproveitando a estrutura de realocação dos alimentadores para reduzir as possíveis combinações a pesquisar. 4.3.5. Passos do Algoritmo das Três Fases: Passo 1 – Identifique as fases mais e menos carregadas e chame os de FA, FB e FC, respectivamente. Passo 2 – Calcular a corrente média em cada fase e o grau de desbalanceamento em cada fase medido em porcentagem Passo 3 – Verificar cada fase possui menor módulo de corrente e alocar as cargas na respectiva fase menos carregada. Passo 4 – Verificar as entradas de novas cargas nas fases, aguardando solicitação do comando para que a carga possa ser alocada efetivamente Passo 5 – Programar as saídas das cargas na sua respectiva fase, através de solicitação do comando para que possa ser desligada efetivamente. Passo 6 – Programar as realocações das cargas nas fases menos carregadas para obter um sistema balanceado. 37 5. DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO Optamos na construção de uma maquete para desenvolvimento do protótipo do sistema de controle balanceamento de carga e correção do fator de potência para uma subestação. Onde foram realizadas todas possíveis as simulações de desbalanceamento de cargas nas fases e correção de fator de potência, possibilitando uma simulação real da subestação. 5.1. Maquete Devido aos altos custos envolvidos a aquisição de equipamentos de alta e media potência, optou-se na construção de uma maquete de baixa tensão (12 v) conforme a figura 6.1. Na construção da maquete foram utilizados os seguintes equipamentos: • Transformador com as seguintes características: Monofásicos; Corrente máxima: 400 mA; Freqüência 60 Hz; • Oito Push Botões com retenção; • Conjunto de Born; • Disjuntores; • Liquid Crystal Display (LCD); • CLP GE Fanuc Versa Max; • Quatros Lâmpadas como Cargas Resistivas; • Relés; • supervisório Elipse Scada; • Três bancos de capacitores, que serão inseridos em paralelo com as cargas indutivas como forma de correção do fator de potência; • Três Ventiladores como Cargas Indutivas; • Sensor com as seguintes características: Detecção de tensão por zero; Detector de corrente por zero; • Prancha de madeira, usada como suporte para o painel. 38 Figura 5.1 – Detecção por Zero de Tensão. 5.2. Sensor Para a detecção do grau de desbalanceamento entre as fases e o controle do fator de potência foi desenvolvido um sensor para medir a defasagem entre tensão e corrente na fase. Depois de várias tentativas mal sucedidas com o circuito eletrônico, devido ao não sincronismo do sinal, tivemos sucesso na escolha da opção de um sensor utilizado o micro controlador PIC 16F877A, pois se mostrou mais eficiente para a resolução do problema apresentado. Segundo Pereira (2002) o micro controlador PIC 16F877A os estados das portas é acessado diretamente em duas posições distintas da memória. Quando um pino dessas portas é configurado como entrada, ao ler o seu bit relacionado, encontra-se diretamente o nível lógico aplicado a esse pino. Da mesma maneira, configurando um pino como saída, pode-se alterar o seu estado, escrevendo diretamente no bit relacionado. 39 O módulo capture TIMER1 é utilizado para medir o tempo entre dois eventos ocorridos no específico. Esses eventos são, na verdade, transições positivas (bordas de subida) ou transições negativas (bordas de descidas) ocorridas nesse pino, dependendo da configuração adotada para o modo de Capture. 5.2.1. Circuito Defasagem de Tensão e Corrente Conforme a figura 5.1, a alimentação do circuito estamos utilizando um transformador de 12 v, cuja função é baixar a tensão da rede de distribuição de 127 v alternada com uma freqüência de 60 Hz, para uma tensão alternada de 12 v na alimentação do circuito de baixa potência. Usamos um amplificador operacional, LM324 na função de comparador com alimentação simétrica (5 v). Ele faz a comparação do sinal de entrada com o “GND”, e a cada passagem por zero temos a saída alternando entre +5 v e -5 v. Para verificar a defasagem entre tensão e corrente na fase, usou-se o critério da captura do tempo entre os instantes da passagem por zero de tensão e a passagem por zero de corrente. 40 Figura 5.2 – Diagrama Elétrico do Circuito. 5.3. Princípio de Funcionamento do Circuito Conforme o diagrama elétrico mostrado na figura 5.2 é a representação do funcionamento do sensor para as três fases. 5.3.1. A detecção de Zero de Tensão Conforme a figura 5.2, o sinal de tensão medido no secundário do transformador, passando por dois diodos ligados em paralelo com polaridade invertida (D3 e D4). Estes diodos têm a função de limitar o valor de tensão entre +0,7 V e – 0,7 V para entrada no pino 3 da porta não inversora do LM324 (comparador). A porta inversora do LM324 (pino 2) foi ligada ao GND, não havendo assim inversão do na porta de saída (pino 1). O diodo D5, ligado a porta de saída do LM324, tem a função de alimentar o pino1 do HFE4081 ( Porta lógica AND) apenas com a parte positiva deste sinal, ou seja, eliminando a parte negativa. 41 Figura 5.3 – Detecção por Zero de Tensão. No software do Proteus 7 Professional, podemos observar o sistema de detecção de passagem por zero da tensão. Foram realizadas as simulações e obtidos os resultados conforme a figura 5.3, em amarelo representa o sinal de entrada da rede de alimentação e em azul o sinal medido no catodo do diodo D5. Desta forma quando o sinal de tensão passa do semicírculo negativo para o positivo, ocorrem eventos de subida, mostrados em azul. De forma análoga ocorrem eventos de descida quando o sinal de tensão passa do semicírculo positivo para o negativo. 5.3.2. A detecção de Zero de Corrente Para a detecção de zero de corrente o sinal de corrente conforme a figura 5.2 é medido junto ao R3, cuja função é manter um fluxo de corrente mínimo para que a leitura possa ser realizada. Este sinal é levado ao pino 6 do LM324, porta inversora, é importante ressaltar uma 42 inversão de sinal, isto se da em função do sinal estar alimentando a porta inversora que se configura como um novo comparador. O diodo D7 tem a função de ceifar a onda na parte negativa do sinal. Figura 5.4 - Detecção do Zero de Corrente . No software do Proteus 7 Professional, podemos observar o sistema de detecção de passagem por zero da corrente. Foram realizadas as simulações e obtidos os resultados conforme a figura 5.4, em amarelo representa o sinal de corrente proveniente da rede de alimentação das cargas e em azul representa o sinal da saída do comparador (catodo do diodo D7). Neste momento observamos que quando a corrente passa do semicírculo negativo para o positivo tem eventos de descida na saída do comparador. De forma análoga temos eventos de subida na saída do comparador quando a corrente faz o caminho inverso, ou seja, sai do semicírculo positivo e entra no negativo. 43 5.3.3. Defasagem de Corrente e Tensão Na figura 5.5 pode ser observado o sinal de defasagem de corrente e tensão é capturado pelo sensor de detecção de tensão e corrente descrito acima, quando o sinal de tensão é representado pela linha de cor amarela passa por zero, a tensão do semicírculo negativo para o semicírculo positivo. No momento em que o sinal de corrente representa pela linha de cor Azul passa por zero, do semicírculo positivo para o negativo, que é representado por eventos de descida do sinal temos o intervalo de tempo que mostra a de defasagem entre os sinais de tensão e corrente. Figura 5.5 – Defasagem de Tensão e Corrente. Por se tratar de um sistema trifásico a composição final do sensor contém de três circuitos idênticos ao que acaba de ser descrito, sendo cada circuito vinculado a uma fase e responsável por realizar as medidas de defasagem referente a esta fase. Os sinais recolhidos nas três fases são multiplexado por meio de uma porta and digital. Esta multiplexação é realizada por três diodos e tem a função de juntar os sinais provenientes das três fases (em fios diferentes) para então levar ao micro controlador através de um único fio. 44 6. RESULTADOS O balanceamento de cargas no secundário do transformador foi implementado na lógica Ladder no software Proficy Machine Edition 5.9 baseado no algoritmo das três fases. O balanceamento de carga entre alimentadores no sistema de distribuição consiste em uma redistribuição de cargas entre os mesmos pela mudança do estado aberto/fechado dos relés no sistema distribuição, algumas cargas podem ser transferidas de um alimentador para outro, tornando o sistema mais balanceado e reduzindo o risco de sobrecarga. O balanceamento é garantido pelo conhecimento prévio da corrente de cada carga e a decisão de alocar a carga na fase A, B ou C é tomada antecipadamente, ou seja, antes da carga ter sido acionada. 6.1. Simulação com Ferramentas Computacionais Na simulação do circuito de controle para medir a defasagem as três fases com a entradas de cargas utilizamos o Proteus 7 Professional como podemos observar na figura 6.1 e na figura 6.2 o circuito para chaveamento das fases balanceamento das cargas no secundário do transformador. 45 Figura 6.1 – Diagrama do Circuito de Controle. Figura 6.2 – Diagrama do Circuito de Entrada e Saída de Cargas. Para realizamos as simulações adotaram as distribuições de cargas com os seguintes valores de indutância e resistências. 46 1º Teste: Alocação Inicial das cargas Fase 1: R=50Ω; Fase 2: L= 10mH , R=50 Ω; Fase 3: L= 100mH , R=50 Ω. Podemos observar na figura 6.3 a defasagem nas três fases de acordo com os valores das cargas acima: Figura 6.3 – Defasagem nas Três Fases. 2º Teste: Alocando mais carga na fase 1 como podemos observar na figura 6.4 a defasagem no circuito. Fase 1: R=20mH , R=50 Ω; Fase 2: L= 10mH , R=50 Ω; Fase 3: L= 100mH , R=50 Ω. 47 Figura 6.4 – Defasagem nas Três Fases. Na programação do CLP GE Fanux Versa Max o balanceamento é garantido pelo conhecimento prévio da corrente de cada carga e a decisão alocar a carga na fase A, B ou C é tomada antecipadamente, ou seja, antes da carga ter sido acionada. Podemos dividir o algoritmo em alguns passos: Passo 1 – Identifique as fases mais e menos carregadas e chame os de FA, FB e FC, respectivamente. Passo 2 – Calcular a corrente média em cada fase e o grau de desbalanceamento em cada fase medido em porcentagem. Passo 3 – Verificar cada fase possui menor módulo de corrente e alocar as cargas na respectiva fase menos carregada. Passo 4 – Verificar as entradas de novas cargas nas fases, aguardando solicitação do comando para que a carga possa ser alocada efetivamente Passo 5 – Programar as saídas das cargas na sua respectiva fase, através de solicitação do comando para que possa ser desligada efetivamente. Passo 6 – Programar as realocações das cargas nas fases menos carregadas para obter um sistema balanceado. 48 No diagrama da programação Ladder no Proficy Machine Edition 5.9 simulamos os passos acima do algoritmo das três fases. No programa principal, Main como podemos observar na figura 6.5 chamamos os blocos das rotinas para calcular o corrente média, desbalanceamento de cargas, grau desbalanceamento e a verificação de qual fase está com menos corrente para a realocação na fase. Figura 6.5 - Proficy Machine Main. Adotamos os seguintes valores de corrente para as cargas: • C1= 3[A]; • C2= 4[A]; • C3= 5[A]; • C4= 4[A]; • C5= 3[A]. A figura 6.6 podemos observar a alocação de cargas nas fases onde apresentamos a diagrama ladder para simular a entrada de novas cargas no sistema, cuja PW_Manual é um botão para ligar as cargas e o bloco EQ_INT realiza a verificação de qual fase pode ser alocada a carga. 49 Figura 6.6 - Proficy Machine Entradas de Cargas. Na figura 6.7 pode ser observado os cálculos para verificação da quantidade de corrente médio das três fases, o desbalanceamento e o grau de desbalanceamento em cada fase medido em porcentagem. 50 Figura 6.7 - Proficy Machine Verificação das Fases. O controle e monitoramente de entradas e saídas de cargas são realizados no supervisório Elipse Scada como podemos obervar na figura 6.8. 51 Figura 6.8 - Eclipse Scada Balanceamento de Cargas. 6.2. Circuito A descrição do diagrama elétrico mostrado na figura 5.2 representa as ligações do sensor nas três fases e a figura 6.9 mostra o circuito montado no protoboard. 52 Figura 6.9 – Circuito de Controle. 6.3. Teste na Maquete Realizamos os testes de alocação de cargas no supervisório Elipse Scada como podemos observar a figura 6.10 baseados no algoritmo das Três Fases. 53 Figura 6.10 – supervisório Eliplse Scada. O supervisório aciona as cargas na maquete, como pode ser observado na figura 6.11, primeiramente entrando com um conjunto de duas lâmpadas, a seguir entrado com ventiladores e mais um conjunto de duas lâmpadas com mostra a figura 6.12. 54 Figura 6.11 – Maquete Alocação das Cargas. Figura 6.12 – Maquete Alocação de um Banco de Cargas. 55 Os resultados obtidos foram satisfatórios, pois o supervisório identificou as fases mais e menos carregadas e chame os de FA, FB e FC, respectivamente. Calcularam a corrente média em cada fase e o grau de desbalanceamento em cada fase medido em porcentagem, verificaram cada fase possui menor módulo de corrente e alocou as cargas na respectiva fase menos carregada. As entradas de novas cargas nas fases, aguardando solicitação do comando para que a carga possa ser alocada efetivamente. Programaram as saídas das cargas na sua respectiva fase, através de solicitação do comando para que possa ser desligada efetivamente. Programaram as realocações das cargas nas fases menos carregadas para obter um sistema balanceado. 56 7. CONCLUSÃO A crescente competitividade nos mercados de bens duráveis onde a eletricidade se apresenta como um importante insumo tem provocado a busca por tecnologias mais eficientes visando à modernização da planta industrial e minimização do consumo. Neste contexto a proporção de venda de equipamentos com tecnologias avançadas do ponto de vista operacional e energético vem crescendo de forma notável. Ocorre, entretanto que, sendo estes equipamentos, em geral, muito mais sensíveis a problemas associados à qualidade da energia elétrica, têm sido registradas inúmeras paradas da linha produtiva devido à má operação ou desligamentos intempestivos pelo sistema de proteção, provocando muitas vezes grandes prejuízos financeiros. Entre os distúrbios na qualidade da energia destacam-se os desbalanceamento do sistema de suprimento de energia elétrica, provocados pela alimentação de cargas desequilibradas de grande e médio porte. Os resultados obtidos por simulação digital na plataforma computacional “Proteus 7 Professional” mostraram-se, coerentes para a compreensão das influências das cargas no sistema e identificação e minimização dos desbalanceamento nas fases do secundário do transformador. Os resultados deste trabalho apresentaram satisfatórios, pois a implementação de um supervisório Elipse Scada baseado na programação do CLP GE Fanuc Versa Max para o monitoramento e atuação no período de desbalanceamento de cargas nas linhas de alimentação possibilitando a correção automaticamente dos valores de corrente entre as fases. Neste trabalho apresentou-se uma implementação do algoritmo das três fases para balanceamento carga entre alimentadores no sistema de distribuição corresponde a uma redistribuição de cargas entre os mesmos. Pela mudança do estado aberto/fechado dos relés no sistema distribuição, algumas cargas podem ser transferidas de um alimentador para outro, tornando o sistema mais balanceado e reduzindo o risco de sobrecarga. 57 8. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS Pelo tempo em que o trabalho foi executado, e pelo tema complexo tratado, algumas lacunas foram deixadas, mas uma continuação deste trabalho com estudos mais detalhados pode ser realizada para que o chaveamento dinâmico das cargas entre as fases seja um mecanismo ideal para o problema. O principal objetivo foi atingido a implementação do algoritmo das três fases no chaveamento de cargas utilizando como equipamentos CLP (Controlador Lógico Programável), contatos elétricos e dispositivos eletrônicos para problema do desbalanceamento do sistema elétrico. Com os resultados satisfatórios obtidos com a conclusão deste trabalho e visando a implementação do trabalho com a inclusão de técnicas as apuradas e equipamentos com o objetivo de acrescentar melhorias que virão contribuir expressivamente para viabilização do projeto para desenvolvimento de novas soluções industriais de baixo custo para controle de demanda de carga. Um estudo mais detalhado para o algoritmo das três fases, para melhorar a sua adaptação na utilização para o problema do desbalanceamento de tensões entre fases elétricas; Implementação do algoritmo das três fases via programação estrutura, torna se importante para evitar repetições nas operações de chaveamento Priorizar a entrada e saída de cargas no sistema. A utilização de outros algoritmos ou até mesmo a elaboração de um novo algoritmo próprio para o problema, também se torna um caminho aberto para novos trabalhos. 58 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AOKI, K., Kuwabara, H., Satoh, T. And Kanezashi M. An efficiente algorithm for load balancing of transformers and feeders by switch operation in large scale distribution systems, IEEE Transactions on Power Delivery, 1988. ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica Legislação. Básica do Setor Elétrico Brasília – DF, 1998. CAMPANA, S. Filho, D. O; Adequação de Força Motriz em Sistema de Irrigação por Aspersão Convencional e Pivô Central. 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