Desenvolvimento de um Thyristor Switched Capacitor (TSC)

Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Hélder Luís Oliveira Brito
UMinho | 2010
Hélder Luís Oliveira Brito
Desenvolvimento de um
Thyristor Switched Capacitor (TSC)
Desenvolvimento de um
Thyristor Switched Capacitor (TSC)
Outubro de 2010
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Hélder Luís Oliveira Brito
Desenvolvimento de um
Thyristor Switched Capacitor (TSC)
Tese de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores
Trabalho efectuado sob a orientação do
Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de
Freitas
Outubro de 2010
AGRADECIMENTOS
Não teria sido possível a realização deste trabalho sem o apoio, a orientação e o
empenho do meu orientador, Doutor Manuel Freitas.
Aos meus colegas, agradeço a paciência e boa companhia demonstrada.
E finalmente agradeço à minha família, que sempre me apoiaram e incentivaram ao
longo de todos estes anos de estudo.
iii
iv
RESUMO
Desde que apareceram os sistemas de tensão alternada sinusoidal que se depara com a
existência de energia reactiva, a qual deve ser atenuada para uma melhor eficiência no
transporte de energia.
Tendo em conta o objectivo de compensar a energia reactiva, uma das possibilidades é o
modelo em estudo, o TSC (Thyristor Switched Capacitor), o qual é a base deste
trabalho. Como o equipamento baseado neste modelo corrige o factor de potência de
forma dinâmica, torna o sistema mais flexível do que com a solução tradicional, a qual
utilizava módulos de condensadores estáticos.
Este tipo de equipamento é normalmente utilizado pelas entidades fornecedoras de
energia eléctrica, visto necessitarem de regular o valor da energia reactiva das linhas
eléctricas e a não compensada pelos clientes, os quais não têm de compensar o factor de
potência para a unidade. Devido ao seu elevado custo, as empresas optam habitualmente
por sistemas menos dispendiosos como os módulos de condensadores estáticos.
No desenvolvimento do equipamento, recorreu-se ao uso de programas informáticos
para simular o modelo em diferentes situações, com o objectivo de analisar as
características positivas e negativas deste.
Depois de simulado o modelo do equipamento, foi construído um protótipo de baixa
potência e monofásico, com o objectivo de analisar o funcionamento em condições
reais.
Por fim, foram realizados testes experimentais com recurso a uma carga indutiva, para
observar a capacidade de compensar o factor de potência, bem como interferências
causadas ao sistema pelo equipamento.
Palavras-chave: TSC, factor de potência, simulações Matlab e Pscad, protótipo de 7
níveis.
v
vi
ABSTRACT
Since the appearance of sinusoidal alternating current systems, the existence of reactive
energy has been discovered, which must be reduced for a more efficient energy
transport.
With the objective of cancelling a reactive energy, one of the possibilities is the model
in study, the Thyristor Switched Capacitor (TSC), which is the basis of this work. As
the equipment based in this model compensate the power factor dynamically, making
the system more flexible when compared with the traditional solution, which utilised
static capacitor modules.
This type of equipment is normally utilised by electric energy distribution companies,
because of the necessity to compensate the reactive power of the lines and the power not
compensated by clients, which haven’t to adjust the power factor to unit. Because their
high cost, the companies chose systems which are more accessible like the static
capacitor module.
In development of the equipment, computer programs for simulate de model in different
situations were used, with the objective of analyses the positive and negative
characteristics of this.
After simulating the model of equipment, a prototype of low power and a single phase
was built, with the objective of analysing the real conditions working.
At last, experimental tests were accomplished with the aid of an inductive load, to
observe the capability of compensating the power factor, and also interferences in the
system made by equipment.
Keywords: TSC, power factor, Matlab and Pscad simulations, 7 levels prototype.
vii
viii
ÍNDICE
AGRADECIMENTOS .................................................................................................... iii
RESUMO ......................................................................................................................... v
ABSTRACT ................................................................................................................... vii
ABREVIATURAS ......................................................................................................... xv
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 2
1.1 Energia Reactiva ..................................................................................................... 2
1.2 Inconvenientes da Energia Reactiva ....................................................................... 3
1.3 Correcção do Factor de Potência ............................................................................ 4
1.4 Enquadramento ....................................................................................................... 5
1.5 Objectivos deste Trabalho ...................................................................................... 5
1.6 Organização da Dissertação.................................................................................... 6
2 MÉTODOS PARA COMPENSAR O FACTOR DE POTÊNCIA ............................... 8
2.1 Módulo de Condensadores Estático ....................................................................... 8
2.2 Compensador Síncrono .......................................................................................... 9
2.3 STATCOM (Static Synchronous Compensator) .................................................. 11
2.4 Static Var Compensator (SVC) ............................................................................ 12
2.4.1 Thyristor Switched Capacitor (TSC) ............................................................. 12
2.4.2 Thyristor Commuted Reactor (TCR) ............................................................. 13
2.4.3 Thyristor Commuted Reactor (TCR) com Condensadores ........................... 15
2.4.4 Modelo Híbrido (TSC e TCR) ....................................................................... 16
2.5 Filtros Activos ...................................................................................................... 17
2.6 Equipamentos existentes ...................................................................................... 18
2.6.1 Equipamento DynaWind ............................................................................... 18
2.6.2 TSC da Areva ................................................................................................ 19
2.6.3 TSC da Claritas.............................................................................................. 20
2.6.4 Equipamento da BHEL.................................................................................. 20
3 SIMULAÇÃO DO TOPOLOGIA TSC ...................................................................... 22
3.1 Características das Simulações ............................................................................. 22
3.2 Carga linear .......................................................................................................... 24
3.2.1 PSCAD .......................................................................................................... 24
3.2.1.1 TCR em estrela ....................................................................................... 24
3.2.1.2 TCR em triângulo ................................................................................... 25
3.2.1.3 TSC em estrela ....................................................................................... 27
3.2.1.4 TSC em triângulo ................................................................................... 28
3.2.2 Matlab ............................................................................................................ 29
3.2.2.1 TCR em estrela ....................................................................................... 30
3.2.2.2 TCR em triângulo ................................................................................... 31
3.2.2.3 TSC em estrela ....................................................................................... 32
3.2.2.4 TSC em triângulo ................................................................................... 33
3.3 Carga não linear .................................................................................................... 34
3.3.1 PSCAD .......................................................................................................... 34
3.3.1.1 TCR em estrela ....................................................................................... 34
3.3.1.2 TCR em triângulo ................................................................................... 35
3.3.1.3 TSC em estrela ....................................................................................... 36
3.3.1.4 TSC em triângulo ................................................................................... 37
3.3.2 Matlab ............................................................................................................ 39
3.3.2.1 TCR em estrela ....................................................................................... 39
ix
3.3.2.2 TCR em triângulo ................................................................................... 40
3.3.2.3 TSC em estrela ....................................................................................... 41
3.3.2.4 TSC em triângulo ................................................................................... 42
3.4 Interferências no instante de comutação entre módulos de condensadores com
carga linear ................................................................................................................. 43
3.4.1 PSCAD .......................................................................................................... 43
3.4.1.1 TSC em estrela ....................................................................................... 44
3.4.1.2 TSC em triângulo ................................................................................... 45
3.4.2 Matlab ............................................................................................................ 47
3.4.2.1 TSC em estrela ....................................................................................... 47
3.4.2.2 TSC em triângulo ................................................................................... 48
3.5 Interferência no instante de comutação entre módulos de condensadores, com
carga não linear........................................................................................................... 50
3.5.1 PSCAD .......................................................................................................... 51
3.5.1.1 TSC em estrela ....................................................................................... 51
3.5.1.2 TSC em triângulo ................................................................................... 53
3.5.2 Matlab ............................................................................................................ 54
3.5.2.1 TSC em estrela ....................................................................................... 54
3.5.2.2 TSC em triângulo ................................................................................... 56
3.6 Conclusões ............................................................................................................ 58
4 CONCEPÇÃO DO PROTÓTIPO TSC ....................................................................... 62
4.1 Princípio de Funcionamento ................................................................................. 62
4.2 Estrutura do Equipamento .................................................................................... 67
4.2.1 Unidade de Medida........................................................................................ 67
4.2.2 Unidade de Controlo...................................................................................... 68
4.2.3 Unidade de Actuação ..................................................................................... 69
4.2.4 Fonte de Alimentação .................................................................................... 70
4.2.5 Sistemas de Protecção e Segurança ............................................................... 71
5 MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC ....................................................................... 74
5.1 Programador ......................................................................................................... 74
5.2 Interface com o LCD (Liquid Crystal Display) .................................................... 75
5.3 Fonte de alimentação ............................................................................................ 78
5.4 Unidade de medida ............................................................................................... 79
5.5 Unidade de controlo ............................................................................................. 80
5.6 Unidade de actuação ............................................................................................. 82
5.7 Soluções Abandonadas ......................................................................................... 83
5.8 Testes .................................................................................................................... 84
5.8.1 Valores das amostras obtidas para uma carga linear ..................................... 84
5.8.2 Sinal de controlo para accionar o semicondutor ............................................ 86
5.8.3 Condensador accionado pelo microcontrolador ............................................ 86
5.8.4 Carga utilizada nos testes .............................................................................. 88
5.8.5 Testes experimentais...................................................................................... 89
5.8.5.1 Carga com uma potência de 150 VA ...................................................... 90
5.8.5.2 Carga com uma potência de 550 VA ...................................................... 91
5.8.6 Conclusões ..................................................................................................... 92
6 CONCLUSÕES ........................................................................................................... 96
6.1 Objectivos Atingidos ............................................................................................ 96
6.2 Principais Resultados e Conclusões ..................................................................... 97
6.3 Sugestões para Trabalho Futuro ........................................................................... 99
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 102
x
A MODELOS DAS SIMULAÇÕES ........................................................................... 106
A.1 PSCAD .............................................................................................................. 106
A.1.1 TSC Ligado em Estrela............................................................................... 107
A.1.2 TSC Ligado em Triângulo .......................................................................... 108
A.1.3 TCR Ligado em Estrela .............................................................................. 110
A.1.4 TCR Ligado em Triângulo ......................................................................... 111
A.1.5 Módulos comuns......................................................................................... 112
A.1.5.1 Módulo Cargas .................................................................................... 113
A.1.5.2 Módulo de controlo ............................................................................. 114
A.1.5.3 Módulo de cálculo do factor de potência............................................. 115
A.1.5.4 Módulo de cálculo da distorção harmónica ......................................... 116
A.2 Matlab ................................................................................................................ 116
A.2.1 TSC Ligado em Estrela............................................................................... 117
A.2.2 TSC Ligado em Triângulo .......................................................................... 118
A.2.3 TCR Ligado em Estrela .............................................................................. 119
A.2.4 TCR Ligado em Triângulo ......................................................................... 120
B ESQUEMAS DO EQUIPAMENTO ........................................................................ 122
B.1 Unidade de Actuação ......................................................................................... 122
B.2 Unidade de medida ............................................................................................ 123
B.3 Unidade de controlo ........................................................................................... 124
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1: Módulo de condensadores estático ................................................................ 8
Figura 2.2: Modelo da máquina síncrona como compensador de reactivos ..................... 9
Figura 2.3: Diagrama fasorial da máquina síncrona ....................................................... 10
Figura 2.4: Modelo do STATCOM [5] .......................................................................... 11
Figura 2.5: Modelo do TSC ............................................................................................ 13
Figura 2.6: Modelo do TCR ........................................................................................... 14
Figura 2.7: Modelo do TCR com módulo de condensadores ......................................... 15
Figura 2.8: Modelo do Híbrido (TSC-TCR)................................................................... 16
Figura 2.9: Modelo do filtro activo ................................................................................ 17
Figura 2.10: DynaWind 6000 ......................................................................................... 19
Figura 2.11: TSC da Areva ............................................................................................. 19
Figura 2.12: TSC da Claritas .......................................................................................... 20
Figura 2.13: TSC da BHEL ............................................................................................ 20
Figura 3.1: Diagrama de blocos da simulação com carga linear .................................... 24
Figura 3.2: Tensão e corrente (a negrito) na carga ......................................................... 24
Figura 3.3: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ......................................................... 25
Figura 3.4: Tensão e corrente (a negrito) na carga ......................................................... 26
Figura 3.5: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ......................................................... 26
Figura 3.6: Tensão e corrente (a negrito) na carga ......................................................... 27
Figura 3.7: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ......................................................... 28
Figura 3.8: Tensão e corrente (a negrito) na carga ......................................................... 28
Figura 3.9: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ......................................................... 29
Figura 3.10: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 30
Figura 3.11: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 30
Figura 3.12: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 31
Figura 3.13: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 31
Figura 3.14: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 32
Figura 3.15: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 32
Figura 3.16: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 33
Figura 3.17: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 33
Figura 3.18: Diagrama de blocos da simulação com carga linear e não linear .............. 34
Figura 3.19: Tensão e corrente (a negrito) na carga ....................................................... 34
Figura 3.20: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ....................................................... 35
Figura 3.21: Tensão e corrente (a negrito) na carga ....................................................... 35
Figura 3.22: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ....................................................... 36
Figura 3.23: Tensão e corrente (a negrito) na carga ....................................................... 36
Figura 3.24: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ....................................................... 37
Figura 3.25: Tensão e corrente (a negrito) na carga ....................................................... 38
Figura 3.26: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ....................................................... 38
Figura 3.27: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 39
Figura 3.28: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 39
Figura 3.29: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 40
Figura 3.30: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 40
Figura 3.31: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 41
Figura 3.32: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 41
Figura 3.33: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 42
Figura 3.34: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 42
Figura 3.35: Diagrama de blocos da simulação de comutação, para carga linear .......... 43
xii
Figura 3.36: Tensão e corrente (a negrito) na carga ....................................................... 44
Figura 3.37: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ....................................................... 44
Figura 3.38: Tensão e corrente (a negrito) no módulo de maior potência...................... 45
Figura 3.39: Tensão e corrente (a negrito) na carga ....................................................... 45
Figura 3.40: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ....................................................... 46
Figura 3.41: Tensão e corrente (a negrito) no módulo de maior potência...................... 46
Figura 3.42: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 47
Figura 3.43: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 48
Figura 3.44: Tensão e corrente (direita) no módulo de maior potência ......................... 48
Figura 3.45: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 49
Figura 3.46: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 49
Figura 3.47: Tensão e corrente (direita) no módulo de maior potência ......................... 50
Figura 3.48: Diagrama de blocos da simulação da comutação, para carga linear e não
linear ............................................................................................................................... 50
Figura 3.49: Tensão e corrente (a negrito) na carga ....................................................... 51
Figura 3.50: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ....................................................... 52
Figura 3.51: Tensão e corrente (a negrito) no módulo de maior potência...................... 52
Figura 3.52: Tensão e corrente (a negrito) na carga ....................................................... 53
Figura 3.53: Tensão e corrente (a negrito) na fonte ....................................................... 53
Figura 3.54: Tensão e corrente (a negrito) no módulo de maior potência...................... 54
Figura 3.55: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 55
Figura 3.56: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 55
Figura 3.57: Tensão e corrente (direita) no módulo de maior potência ......................... 56
Figura 3.58: Tensão e corrente (direita) na carga ........................................................... 56
Figura 3.59: Tensão e corrente (direita) na fonte ........................................................... 57
Figura 3.60: Tensão e corrente (direita) no módulo de maior potência ......................... 57
Figura 4.1: Gráfico da cobertura da potência do equipamento baseado no TSC ........... 63
Figura 4.2: Diagrama de blocos da estrutura do protótipo ............................................. 67
Figura 4.3: Diagrama de blocos da unidade de medida por fase .................................... 68
Figura 4.4: Diagrama de blocos da unidade de controlo ................................................ 69
Figura 4.5: Diagrama de blocos da unidade de actuação ............................................... 70
Figura 4.6: Diagrama de blocos da fonte de alimentação............................................... 71
Figura 5.1: Ambiente visual do programador................................................................. 75
Figura 5.2: LCD utilizado no equipamento .................................................................... 76
Figura 5.3: Menu de créditos .......................................................................................... 76
Figura 5.4: Menu base .................................................................................................... 77
Figura 5.5: Menu de funcionamento .............................................................................. 77
Figura 5.6: Imagem da fonte de medida (esquerda) e de actuação (direita) ................... 78
Figura 5.7: Imagem da unidade de medida..................................................................... 79
Figura 5.8: Microcontrolador ATmega128 .................................................................... 80
Figura 5.9: Imagem da unidade de actuação .................................................................. 82
Figura 5.10: Módulos de condensadores ........................................................................ 83
Figura 5.11: Amostras da tensão .................................................................................... 85
Figura 5.12: Amostras da corrente ................................................................................. 85
Figura 5.13: Onda da tensão (10V/div) e sinal de controlo para os semicondutores
(2V/div), escala de tempo (2ms/div) .............................................................................. 86
Figura 5.14: Onda da Tensão (10V/div) e corrente (0,5A/div) no condensador accionada
pelo equipamento, escala de tempo (2ms/div)................................................................ 87
Figura 5.15: Onda da tensão (10V/div) e da corrente (0,5A/div) no condensador, escala
de tempo (2ms/div) ......................................................................................................... 87
xiii
Figura 5.16: VARIAC utilizado como carga .................................................................. 88
Figura 5.17: Onda da Tensão (10V/div) e corrente (1A/div) no VARIAC, escala de
tempo (2ms/div).............................................................................................................. 89
Figura 5.18: Diagrama de blocos do sistema dos testes ................................................. 89
Figura 5.19: Forma de onda da tensão (10V/div) e corrente (0,5A/div) na fonte, escala
de tempo (2ms/div) ......................................................................................................... 90
Figura 5.20: Imagem do LCD para o teste da carga de 150VA ..................................... 91
Figura 5.21: Forma de onda da tensão (10V/div) e corrente (2A/div) na fonte, escala de
tempo (2ms/div).............................................................................................................. 91
Figura 5.22: Imagem do LCD para o teste da carga de 550VA ..................................... 92
A MODELOS DAS SIMULAÇÕES ........................................................................... 106
Imagem 1: Visão geral do módulo base ....................................................................... 107
Imagem 2: Visão superior do módulo base .................................................................. 107
Imagem 3: Visão inferior do módulo base ................................................................... 108
Imagem 4: Visão geral do módulo base ....................................................................... 108
Imagem 5: Visão superior do módulo base .................................................................. 109
Imagem 6: Visão inferior do módulo base ................................................................... 109
Imagem 7: Visão geral do módulo base ....................................................................... 110
Imagem 8: Visão superior do módulo base .................................................................. 110
Imagem 9: Visão inferior do módulo base ................................................................... 111
Imagem 10: Visão geral do módulo base ..................................................................... 111
Imagem 11: Visão superior do módulo base ................................................................ 112
Imagem 12: Visão inferior do módulo base ................................................................. 112
Imagem 13: Visão geral do módulo cargas .................................................................. 113
Imagem 14: Visão superior do módulo cargas ............................................................. 113
Imagem 15: Visão inferior do módulo cargas .............................................................. 113
Imagem 16: Visão geral do módulo de controlo .......................................................... 114
Imagem 17: Visão superior do módulo de controlo ..................................................... 114
Imagem 18: Visão inferior do módulo de controlo ...................................................... 115
Imagem 19: Visão do módulo de cálculo do factor de potência .................................. 115
Imagem 20: Visão do módulo de cálculo da distorção................................................. 116
Imagem 21: TSC ligado em estrela .............................................................................. 117
Imagem 22: TSC ligado em Triângulo ......................................................................... 118
Imagem 23: TCR ligado em estrela .............................................................................. 119
Imagem 24: TCR ligado em triângulo .......................................................................... 120
B ESQUEMAS DO EQUIPAMENTO ........................................................................ 122
Imagem 25: Esquema da unidade de actuação ............................................................. 122
Imagem 26: Esquema da unidade de medida ............................................................... 123
Imagem 27: Esquema da unidade de controlo .............................................................. 124
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1.1: Variação da potência do transformador em função do valor do factor de
potência [1] ....................................................................................................................... 4
Tabela 1.2: Variação da secção relativa dos cabos eléctricos devido ao factor de
potência [1] ....................................................................................................................... 4
Tabela 4.1: Efeito do aumento do número de condensadores na percentagem de
compensação................................................................................................................... 65
xiv
ABREVIATURAS
STATCOM – (do inglês Static Synchronous Compensator)
Compensador Síncrono estático
SVC – (do inglês Static Var Compensator) Compensador Estático de Reactivos
TSC – (do inglês Thyristor Switched Capacitor) Condensador Accionado por Tirístor
TCR – (do inglês Thyristor Commuted Reactor) Bobina Comutada por Tirístor
SPI – (do inglês Serial Peripheral Interface) Interface de Periféricos Série
ADC – (do inglês Analogic to Digital Converter) Conversor Analógico para Digital
LCD – (do inglês Liquid Crystal Display) Ecrã de Cristais Liquidos
xv
1 - INTRODUÇÃO
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
1 INTRODUÇÃO
1.1 Energia Reactiva
Desde a implantação da estrutura da rede eléctrica em corrente alternada que esta se
depara com o problema da energia reactiva indutiva, a qual deve ser atenuada o máximo
possível para a melhor eficiência no transporte de energia.
A parte reactiva da energia eléctrica não produz trabalho útil, mas no entanto é
necessária ao correcto funcionamento da maioria dos equipamentos eléctricos. Esta
resulta da existência de elementos acumuladores de energia (e.g. condensadores e
bobinas). Quando se analisa fisicamente o fenómeno, verifica-se que estes provocam o
desfasamento da corrente em relação à tensão.
O factor de potência de um equipamento ou carga é obtido através do co-seno do ângulo
resultante do desfasamento entre a tensão e a corrente. Assim, o factor de potência será
igual a um quando o equipamento não possui energia reactiva (carga resistiva) e será
inferior a um quando este possui a componente correspondente à energia reactiva (carga
capacitiva ou indutiva).
Para resolver esta situação, como grande parte das cargas ligadas ao sistema eléctrico
são indutivas, utilizam-se elementos capacitivos como é o caso dos módulos de
condensadores.
2
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.2 Inconvenientes da Energia Reactiva
A energia reactiva quando não compensada apresenta diversos inconvenientes [1], tais
como:
- Aumento das perdas na rede;
- Redução da vida útil dos equipamentos;
- Penalizações tarifárias;
- Subutilização da potência instalada;
- Cabos eléctricos de maior secção.
As perdas energéticas na rede eléctrica variam com a intensidade da corrente ao
quadrado (efeito de Joule), a qual aumenta com o aumento da energia reactiva, assim, a
diminuição da energia reactiva na rede eléctrica tem um impacto directo na redução das
perdas desta.
Sendo as linhas de baixa tensão maioritariamente indutivas, a utilização de elementos
reactivos pode provocar sobretensões ou subtensões, devido a um fenómeno de
ressonância das reactâncias. Estes valores de tensão podem danificar os equipamentos
eléctricos mais sensíveis da rede.
Como a potência reactiva utiliza a capacidade de transporte da linha eléctrica, as
empresas fornecedoras de energia cobram pela energia reactiva, o que se reflecte na
factura energética.
Se uma instalação apresentar um factor de potência baixo e se pretender a ampliação da
potência instalada, sem compensar o factor de potência, vai ter custos avultados devido
à possível substituição ou adição em paralelo, do transformador e restante instalação
eléctrica. Enquanto que através da compensação da energia reactiva, obtém-se o
aumento da potência útil disponível, que pode ser suficiente para evitar as medidas
referidas. Na tabela 1.1 pode-se observar como varia a potência dos transformadores
com o factor de potência.
3
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Tabela 1.1: Variação da potência do transformador em função do valor do factor de potência [1]
A secção relativa dos cabos eléctricos necessária para transportar uma determinada
potência útil (activa), aumenta com o aumento da potência reactiva a transportar, ou
seja, aumenta com a diminuição do factor de potência. Na tabela 1.2 pode-se observar
este fenómeno.
Tabela 1.2: Variação da secção relativa dos cabos eléctricos devido ao factor de potência [1]
1.3 Correcção do Factor de Potência
Conforme referido no capítulo 1.1, grande parte das cargas ligadas ao circuito eléctrico
são indutivas, o que pressupõe a utilização de condensadores para a correcção do factor
de potência, embora existam técnicas que não recorrem a este elemento. Para tal,
actualmente existem vários métodos: o módulo de condensadores estático, o
compensador síncrono, Static Synchronous Compensator (STATCOM), os filtros
activos de potência e os compensadores estáticos de reactivos (SVC).
4
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.4 Enquadramento
Este trabalho engloba-se no estudo contínuo dos sistemas eléctricos, desde passados e
actuais como os que se prevêem vir a ser desenvolvidos, desde novas soluções a
algumas abandonadas.
Desde que existem sistemas eléctricos, o homem tenta constantemente melhorá-los de
modo a tornar estes sistemas mais eficientes, cómodos e seguros. Referindo-se à
eficiência dos sistemas eléctricos, este trabalho apresenta um estudo de um equipamento
para compensar o factor de potência de modo dinâmico. Esse equipamento é baseado na
tecnologia ou no modelo do TSC (Thyristor Switched Capacitor). Pretende-se com base
em simulações detectar problemas que este equipamento pode não conseguir resolver ou
que impeçam o bom funcionamento do equipamento, bem como problemas causados ao
sistema pela inclusão de equipamentos deste tipo. Visto este já ser um problema
conhecido, praticamente desde da implementação do sistema eléctrico, já existem
inúmeras soluções, muitas delas implementadas no mercado. Assim tendo em conta este
facto, outro objectivo deste trabalho é o desenvolvimento e implementação de um
equipamento de baixo custo, para uma utilização alargada pelos mais diversos tipos de
empresas, na compensação dinâmica do factor de potência. Como os equipamentos mais
tradicionais deixam de estar à altura dos novos desafios que são aplicados ao sistema
eléctrico, é necessário desenvolver novas tecnologias que consigam elevar o patamar de
qualidade com que a energia eléctrica é distribuída.
1.5 Objectivos deste Trabalho
O objectivo principal definido para o presente estudo é o desenvolvimento de um
protótipo de baixo custo do tipo “Thyristor Switched Capacitor” (TSC), que permita a
correcção do factor de potência de instalações eléctricas de baixa potência. Este está
dividido nas seguintes tarefas:
- Estudo das várias topologias possíveis para um TSC;
- Escolha de uma topologia a utilizar no equipamento;
- Simulação da topologia seleccionada;
5
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
- Desenvolvimento e implementação de um protótipo laboratorial;
- Realização de testes laboratoriais ao equipamento desenvolvido.
1.6 Organização da Dissertação
Este trabalho começa por apresentar uma revisão bibliográfica, incluída no capítulo 2,
sobre os métodos para corrigir o factor de potência (e.g. das diferentes topologias e dos
componentes mais relevantes). Neste capítulo, são ainda apresentados alguns dos
projectos em curso actualmente e equipamentos disponíveis no mercado.
No capítulo seguinte são apresentadas as simulações efectuadas, utilizando os
programas informáticos Pscad e Matlab, para os modelos do TSC e TCR (Thyristor
Commuted Reactor) com o objectivo de ter uma forma de avaliar as características e
potencialidades do equipamento a desenvolver.
No capítulo 4 é apresentada a descrição e demonstração de funcionamento da topologia,
bem como a definição e constituição do protótipo.
No capítulo 5 é apresentado o que foi desenvolvido, desde os módulos que integram o
protótipo como equipamentos auxiliares, necessários como suporte para os módulos
incluídos na estrutura. Para além da descrição da construção do equipamento, apresentase os testes que foram realizados.
Por fim são apresentadas as conclusões e as sugestões para trabalho futuro.
6
2 – MÉTODOS PARA COMPENSAR O FACTOR DE
POTÊNCIA
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
2 MÉTODOS PARA COMPENSAR O FACTOR DE
POTÊNCIA
Neste capítulo serão apresentados os modelos para a compensação do factor de
potência, bem como algumas vantagens e desvantagens. Por fim são apresentados
alguns equipamentos já disponíveis no mercado para o efeito, semelhantes ao modelo
abordado por este trabalho.
2.1 Módulo de Condensadores Estático
Uma solução para compensar o factor de potência, e que é a mais utilizada pelas
empresas, consiste em módulos de condensadores ligados enquanto as cargas estão
ligadas. Pode-se observar o esquema na figura 2.1. Esta solução funciona para a maior
parte das empresas, pois os equipamentos que causam mais energia reactiva são os da
unidade de produção, visto que estes equipamentos passam todo o dia de trabalho
ligados; o módulo de condensadores liga-se ao início do dia de produção e desliga-se no
fim do dia. Assim, como a maior parte das empresas ou utilizam um valor de potência
elevado ou um valor reduzido, desprezável quando comparado com o anterior,
determina-se o valor de potência reactiva indutiva que a empresa produz no seu
funcionamento e aplica-se um módulo de condensadores com um valor aproximado ao
da potência da empresa referida.
Figura 2.1: Módulo de condensadores estático
O equipamento deste modelo tem como vantagem o facto de ser simples de
implementar, o mais barato e possível de aplicar em grande parte das empresas.
8
CAPÍTULO 2 – MÉTODOS PARA COMPENSAR O FACTOR DE POTÊNCIA
Quanto a desvantagens, depara-se com o problema de ter que compensar cada
equipamento individualmente, pelo menos para as cargas de elevada potência. Pois ao
se compensar toda a instalação com um único módulo de condensadores por fase,
quando algumas cargas com maior potência forem desligadas, a instalação fica com
factor de potência capacitivo. O efeito ferrante [2], sobretensão nos pontos de
acoplamento do módulo de condensadores ao sistema eléctrico, é uma característica
destas instalações. Que pode danificar equipamentos mais sensíveis, como é o caso dos
computadores e outros equipamentos electrónicos. Para além do facto, que uma
instalação com factor de potência capacitivo é tão prejudicial para a eficiência do
sistema eléctrico como com factor de potência indutivo.
2.2 Compensador Síncrono
Outra possibilidade para compensar a energia reactiva é através da utilização de uma
máquina síncrona, a funcionar como compensador de energia reactiva, o esquema pode
ser observado na figura 2.2. Assim mediante a excitação da máquina, é possível ajustar
o factor de potência desde indutivo até capacitivo.
Figura 2.2: Modelo da máquina síncrona como compensador de reactivos
Assim quando a máquina está sobre-excitada a tensão à saída da máquina tem um valor
superior ao do sistema que está acoplado. A diferença de tensão entre a do sistema e a
máquina é negativa, como a impedância associada ao equipamento é indutiva, a corrente
fica atrasada em relação à diferença de tensão. Essa corrente em relação à tensão do
sistema está adiantada, assim quando sobre-excitada o compensador síncrono vai ter um
9
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
comportamento equivalente a um condensador [3]. Estas características podem ser
observadas nos diagramas fasoriais da figura 2.3.
Figura 2.3: Diagrama fasorial da máquina síncrona
Legenda:
Vrede : Tensão do sistema eléctrico a que a máquina síncrona está acoplada;
VMS : Tensão da máquina síncrona;
jX S .I MS : Tensão na reactância associada à máquina síncrona;
I MS : Corrente da máquina síncrona;
θ : Ângulo entre a tensão do sistema eléctrico e a da máquina síncrona;
φ : Ângulo entre a tensão do sistema eléctrico e a corrente da máquina síncrona.
Esta implementação tem como vantagem o facto de ser mais robusta do que as soluções
que utilizam condensadores. Por outro lado, tem perdas maiores do que os
condensadores, tem o problema do ruído, desgaste das partes mecânicas como
rolamentos e em algumas inclui-se o desgaste das escovas.
Outro problema deve-se ao facto da máquina síncrona ter um controlo mais complexo
que os módulos de condensadores estáticos, em que o controlo é manual. Apesar de a
máquina síncrona possuir um rendimento elevado, necessita de potência activa mesmo
que reduzida, devido às perdas no cobre, uma pequena carga que corresponde à massa
do rotor e perdas mecânicas. O tempo e complexidade para colocar em funcionamento
são superiores aos restantes equipamentos com unidade de controlo.
10
CAPÍTULO 2 – MÉTODOS PARA COMPENSAR O FACTOR DE POTÊNCIA
2.3 STATCOM (Static Synchronous Compensator)
Quanto ao modelo STATCOM, apresentado na figura 2.4, utiliza um inversor de fonte
de tensão. Conforme o valor da tensão à saída do inversor o equipamento origina
energia reactiva capacitiva ou indutiva. Se a tensão à saída do inversor do STATCOM
for inferior à tensão do sistema que o equipamento está acoplado, a corrente circula do
sistema para o equipamento. Essa troca de energia origina energia reactiva indutiva e o
equipamento comporta-se como uma bobina, atrasando a corrente em relação à tensão
[4]. O tipo e o valor da potência reactiva são dados pela diferença das tensões: quanto
maior a diferença de tensão maior a potência, se a diferença for positiva é indutiva e
capacitiva se negativa. Assim este equipamento tem um conceito de funcionamento
similar à máquina síncrona, visto que a máquina síncrona também varia o valor da
tensão, para mediante o sentido da corrente na impedância indutiva, gerar energia
reactiva.
Figura 2.4: Modelo do STATCOM [5]
Quanto às vantagens, tal como a máquina síncrona consegue fornecer energia reactiva
capacitiva ou indutiva. Embora que para a maioria das empresas, a energia reactiva
capacitiva seja suficiente, pode ser uma mais valia em alguma situação menos habitual,
tornando o sistema mais flexível. Para além de conseguir ajustar o valor da energia
reactiva capacitiva ou indutiva, para um valor próximo do valor da energia reactiva da
instalação a compensar.
O STATCOM consegue responder mais rápido a distúrbios do que os modelos incluídos
no SVC, bem como ter uma resposta com melhor resolução a baixas tensões [4].
Para frequências em que os semicondutores conseguirem comutar, pode-se colocar o
STATCOM a funcionar como um filtro activo e desta maneira compensar harmónicos
do sistema [4].
11
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Como desvantagens, tem o seu preço e complexidade pois é necessário semicondutores
de potência totalmente controláveis e a sua interface, bem como a unidade de controlo e
medida, necessários ao seu funcionamento. Apesar de utilizar todo um conjunto de
módulos semelhante aos modelos constituintes do SVC (Static Var Compensator), o
custo deste equipamento é superior, principalmente devido ao custo dos
semicondutores.
Outra desvantagem, deve-se ao facto de gerar harmónicos, visto este equipamento não
se comportar como uma carga linear.
2.4 Static Var Compensator (SVC)
Os modelos englobados nesta categoria são capazes de gerar energia reactiva variável,
através da comutação de elementos armazenadores de energia. Recorre a
semicondutores para efectuarem a acção descrita, normalmente a módulos de tirístores
em anti-paralelo, com unidades de controlo que comutam os semicondutores em
instantes específicos.
2.4.1 Thyristor Switched Capacitor (TSC)
Este modelo é composto por um conjunto de módulos de condensadores ligados em
paralelo a cada fase, em que cada módulo de condensadores de uma fase está em série
com um bloco de tirístores em anti-paralelo, o que se pode verificar na figura 2.5.
Assim tendo em conta apenas uma fase, conforme a necessidade de energia reactiva
capacitiva, o equipamento adiciona ou retira módulos de condensadores. Assim, para o
mesmo valor de potência, quantos mais módulos de condensadores o equipamento tiver
por fase, maior vai ser a sua resolução em termos de energia reactiva gerada.
Os módulos de condensadores de uma fase podem ter valores iguais ou diferentes,
embora se forem iguais a resolução é menor, ou seja, tem menos níveis discretos de
energia reactiva capacitiva. Assim este equipamento possui um determinado número de
valores de energia reactiva capacitiva, mediante a necessidade selecciona o valor mais
adequado [6].
12
CAPÍTULO 2 – MÉTODOS PARA COMPENSAR O FACTOR DE POTÊNCIA
Figura 2.5: Modelo do TSC
Quanto a vantagens, este modelo tem o facto de não produzir harmónicos, assim como a
solução do módulo de condensadores estático. Embora possua ajuste da energia reactiva
como o STATCOM, a máquina síncrona, filtro activo e alguns dos modelos do SVC, só
produz energia reactiva capacitiva. Em relação ao STATCOM e filtros activos, os
semicondutores têm um custo inferior, visto não serem totalmente controláveis.
Quanto a desvantagens, mediante a potência do equipamento e o número de
condensadores utilizados por fase, o sistema eléctrico a controlar pode continuar com
um valor de energia reactiva indutiva bastante elevado. Nesse caso a diferença entre
cada nível é considerável, assim desde que o equipamento baseado neste modelo está
num nível até comutar para o seguinte, a energia reactiva do sistema eléctrico pode
variar entre os níveis sem qualquer reacção do equipamento.
O custo deste equipamento é superior ao módulo de condensadores estático, mas esta
desvantagem é partilhada por todos os modelos com controlo, que é o caso de todos os
equipamentos apresentados excepto o módulo de condensadores estático.
Os equipamentos baseados neste modelo e no híbrido, apresentado posteriormente no
tópico 2.4.4, podem ocupar mais espaço que os restantes. Para aumentar a potência ou o
número de níveis adicionam-se módulos de condensadores a cada equipamento, o que
para algumas aplicações pode impossibilitar a sua utilização.
2.4.2 Thyristor Commuted Reactor (TCR)
A estrutura deste modelo é bastante similar ao TSC, possui os tirístores em
anti-paralelo, a necessidade de unidade de controlo e equipamento de medida. A
13
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
diferença reside no tipo e número dos elementos armazenadores de energia, bobinas por
vez de condensadores, como apresentado na figura 2.6. Assim este equipamento apenas
gera energia reactiva indutiva, o que inviabiliza a sua aplicação na maior parte das
empresas. Remetendo a sua utilização para as empresas fornecedoras de energia
eléctrica, com vista a controlar a energia reactiva derivada do transporte de energia
eléctrica.
Enquanto o TSC varia a energia gerada por níveis, adiciona ou retira módulos de
condensadores, neste modelo a variação da energia é efectuada de uma forma contínua,
em que o elemento armazenador de energia é comutado entre 90 e 180 graus em relação
à tensão [6].
Figura 2.6: Modelo do TCR
Quanto a vantagens, este equipamento ajusta o valor da energia reactiva para um valor
próximo do necessário, ao contrário do modelo anterior que é por intervalos. Caso o
objectivo, seja desenvolver um equipamento para gerar energia reactiva indutiva
variável, é o que tem o custo inferior.
Como desvantagem, este equipamento não é possível ser aplicado para o projecto em
questão, pois não consegue gerar energia reactiva capacitiva, apenas foi apresentado por
ser incluído no conjunto do SVC.
Outra desvantagem do equipamento baseado neste modelo é o facto de gerar
harmónicos, para fazer o ajuste do valor de energia reactiva indutiva, os tirístores são
comutados com ângulos de disparo compreendidos entre 90 e 180 graus, e tirando o
ângulo de 90 graus a corrente não é sinusoidal.
14
CAPÍTULO 2 – MÉTODOS PARA COMPENSAR O FACTOR DE POTÊNCIA
2.4.3 Thyristor Commuted Reactor (TCR) com Condensadores
Nesta solução o modelo inclui uma parte igual ao anterior, em que é adicionado em cada
fase, um condensador com um valor de potência reactiva igual ao da bobina. Pode-se
observar o esquema na figura 2.7. Quando o equipamento baseado neste modelo entra
em funcionamento, para cada fase liga o condensador e comuta a bobina com um
determinado ângulo de disparo. Para que a diferença, seja a potência reactiva capacitiva
necessária para compensar o sistema eléctrico, em que o equipamento está inserido.
Caso seja necessário energia reactiva indutiva, o equipamento também consegue gerar,
sendo para isso suficiente não ligar os condensadores.
Figura 2.7: Modelo do TCR com módulo de condensadores
Quanto a vantagens, este equipamento consegue gerar energia reactiva capacitiva e
indutiva, como a máquina síncrona, o STATCOM e os filtros activos. Em comparação
com o modelo do TSC o ajuste de energia reactiva não é por níveis, mas de forma
contínua.
Por outro lado, tem como desvantagens o facto de gerar harmónicos, pois como já foi
referido devido à comutação da bobina, a corrente que passa nesta não é sinusoidal.
Esta solução comparada com a primeira tem custo superior, enquanto que com as outras
têm um custo e complexidade de controlo similar, excepto a máquina síncrona que
desde o custo da máquina aos elementos utilizados no controlo, praticamente é tudo
diferente.
15
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
2.4.4 Modelo Híbrido (TSC e TCR)
Este modelo baseia-se num TSC, assim ao conjunto de módulos de condensadores é
adicionado um módulo de bobinas, como é possível observar na figura 2.8. À
semelhança do modelo TSC, os condensadores são ligados e desligados fazendo um
determinado número de níveis de energia reactiva capacitiva. Quando a energia reactiva
capacita necessária, for superior a um determinado nível, mas ainda não chega para ligar
os condensadores correspondentes ao nível seguinte, o sistema eléctrico pode consumir
um valor de energia reactiva elevada. Para minimizar esta limitação do TSC, é
adicionado um módulo de bobinas, com um valor de energia reactiva indutiva igual à
diferença dos níveis de energia dos módulos de condensadores. Assim quando a energia
reactiva capacitiva necessária, for diferente de um dos níveis dos condensadores, o
equipamento liga os condensadores para o nível imediatamente acima e reduz a energia
reactiva capacitiva através da comutação do módulo de bobinas. Desta forma, atenua-se
a energia reactiva indutiva entre os níveis de módulos de condensadores.
Figura 2.8: Modelo do Híbrido (TSC-TCR)
Como vantagens, este equipamento consegue uma melhor correcção do factor de
potência em relação ao TSC, principalmente quando se pretende compensar potências
elevadas com poucos módulos de condensadores.
Em relação ao modelo do tópico 2.4.3, o consumo de corrente distorcida tem um valor
inferior, pois o valor da potência do módulo de bobinas é para o valor da diferença entre
níveis.
Em relação ao STATCOM, este equipamento gera menos harmónicos, pois só o módulo
de bobinas não é linear, e o valor da potência é para a diferença de níveis.
16
CAPÍTULO 2 – MÉTODOS PARA COMPENSAR O FACTOR DE POTÊNCIA
Como desvantagens, tem o facto do controlo ser mais complexo do que o TSC e o TCR
com condensadores pois é necessário o controlo dos dois modelos.
O aumento do custo, pois em relação ao TSC é necessário mais um modulo de bobinas,
bem com os semicondutores associados. Apesar de os semicondutores utilizados neste
modelo, terem um custo inferior que os utilizados no STATCOM e nos filtros activos,
devido ao número necessário podem ter um custo superior.
2.5 Filtros Activos
Quanto aos filtros activos, surgem para compensar harmónicos devido à expansão das
cargas não lineares acopladas à rede eléctrica, como a distorção harmónica gerada por
estas cargas pode levar ao mau funcionamento de determinados equipamentos e
inclusive a danificá-los permanentemente, torna-se necessário atenuar os harmónicos o
mais possível. Pode-se observar a parte de potência deste modelo na figura 2.9.
Para além de compensarem harmónicos, estes compensam dinamicamente o factor de
potência e corrigem problemas de desequilíbrios, ou seja, em que num sistema eléctrico
polifásico o valor da corrente das fases é diferente.
Figura 2.9: Modelo do filtro activo
Quanto a vantagens, o equipamento baseado neste modelo para além de ajustar a
energia reactiva de forma contínua, compensa desequilíbrios e harmónicos.
17
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Outra vantagem, reside no facto de tanto este modelo, o STATCOM e a máquina
síncrona não serem tão sensíveis aos efeitos dos harmónicos, devido a não recorrem ao
accionamento de condensadores para a correcção do factor de potência. Quando
acoplados a um sistema com a tensão bastante distorcida, os condensadores podem-se
danificar, a redução do tempo de vida destes deve-se às elevadas variações da tensão.
Este modelo tem como desvantagem o custo, pois é composto por semicondutores de
potência totalmente controláveis, estes têm um custo superior ao dos tirístores ou triacs,
semicondutores utilizados nos modelos SVC. Para compensar harmónicos estes
semicondutores têm de comutar a frequências elevadas, senão só compensam os
harmónicos com frequências mais baixas, mesmo com bobinas de alisamento este
modelo gera ruído no sistema acoplado.
Outra desvantagem, embora possa não ser tão significativa, é o facto de o modelo ter
mais perdas do que os que utilizam tirístores. Como tem que comutar a frequências mais
elevadas, os tirístores comutam na ordem da frequência da rede, as perdas de comutação
vão ser superiores.
2.6 Equipamentos existentes
Nesta secção pretende-se apresentar alguns produtos existentes no mercado. Como a
topologia do TSC é uma tecnologia já utilizada há algum tempo, existem várias
soluções para as diversas situações. Desde o valor da tensão que os equipamentos são
dimensionados, configurações e valor da potência.
2.6.1 Equipamento DynaWind
O equipamento seguinte é baseado no TSC, foi desenvolvido especificamente para
parques eólicos, pode ser observado na figura 2.10. Denominado de DynaWind 6000,
foi desenvolvido pela empresa alemã “MODL”, com componentes da empresa
“EPCOS”.
18
CAPÍTULO 2 – MÉTODOS PARA COMPENSAR O FACTOR DE POTÊNCIA
O equipamento tem uma potência de 400 kVA, consegue este nível quando os oito
módulos de condensadores de 50 kVA estão activos. São accionados por módulos de
tirístores, para módulos de condensadores de 50 kVA com uma tensão de 690 V [7].
Figura 2.10: DynaWind 6000
2.6.2 TSC da Areva
O próximo equipamento é um TSC da empresa “Areva”, apresentado na figura 2.11,
com uma potência compreendida entre 50 kVA e 450 kVA. O equipamento pode ser
seleccionado para tensões entre 400 V e 690 V, o número de módulo pode variar entre 2
e 12. Quanto à instalação, foi desenvolvido para funcionar no interior e o peso pode
variar entre os 250 kg e 700 kg [8].
Figura 2.11: TSC da Areva
19
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
2.6.3 TSC da Claritas
De seguida é apresentado o equipamento da empresa Claritas Power System Solution
(CPSS) [9], o qual pode ser observado na figura 2.12, as características deste são
equivalentes aos restantes, com a tensão compreendida entre os 400 V e os 690 V. A
potência de cada nível varia entre os 50 kVA e os 30 kVA, enquanto que a potência
total varia entre 50 kVA e os 1000 kVA.
Figura 2.12: TSC da Claritas
2.6.4 Equipamento da BHEL
O equipamento da empresa BHEL tem valores de tensão, potência e número de níveis
semelhantes aos anteriores, esses dados podem ser observados na figura 2.13, onde são
apresentados os dados mais relevantes do equipamento [10].
Figura 2.13: TSC da BHEL
20
3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
3 SIMULAÇÃO DO TOPOLOGIA TSC
O modelo foi simulado com recurso a dois programas informáticos, um mais genérico, o
Matlab e por outro lado um mais específico de electrónica de potência, o Pscad. Com os
resultados obtidos por estes dois programas, pretende-se compreender melhor o
funcionamento do equipamento baseado neste modelo. Os problemas que podem surgir,
bem como possíveis soluções obtidas através da análise das simulações.
Com utilização de dois programas, pretende-se que os resultados similares de ambos
sejam tomados em consideração e que os díspares sejam analisados, para verificar se o
problema é do modelo ou de alguma característica específica do programa.
Para se ter uma referência das características foi simulado também um modelo da
mesma categoria, um TCR com condensadores que tal como o TSC pertence ao grupo
dos SVC, afim de se ter um ponto de comparação.
As simulações são compostas por 4 configurações, para cada um dos programas de
simulação. Referentes aos modelos TSC e TCR com condensadores, em que cada
modelo é ligado em estrela e triângulo. Os modelos elaborados nos programas estão no
apêndice A.
Em cada gráfico não é apresentado mais de que uma fase, apesar do modelo ser
trifásico, pois seria sobreposição de informação, uma vez que nas configurações em
estrela os desequilíbrios do factor de potência, não são mais de que outras condições de
teste. Cada fase é independente, enquanto que nas configurações em triângulo não se
compensa o factor de potência das fases individualmente.
3.1 Características das Simulações
Nas diversas simulações, será utilizado um factor de potência de 0,707 para as cargas
lineares, em que o valor da potência reactiva e activa é igual. Valor escolhido depois de
verificar que segundo a EDP, grande parte das empresas em Portugal, caso a energia
reactiva não fosse compensada, teriam um factor de potência de 0,7. [1]
22
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
Embora os modelos tenham uma constituição semelhante nos dois programas
informáticos, as simulações podem apresentar diferenças devido a particularidades
destes, como é o caso do Matlab ter o passo de integração variável enquanto que no
Pscad é fixo. As impedâncias no Matlab incluem a componente capacitiva, para além da
resistiva e da indutiva, embora esteja anulada pela componente indutiva.
Nas simulações para além de analisar a capacidade de compensar o factor de potência, o
qual é considerado compensado para valores iguais ou superiores a 0,93, vai ser
analisada a distorção da forma de onda da tensão e da corrente para os vários gráficos.
A distorção é apresentada em percentagem e corresponde ao valor da deformação na
forma de onda da tensão ou da corrente em relação à onda sinusoidal da fundamental,
para o sistema das simulações a frequência fundamental é 50 Hz.
Nas simulações do TSC, os modelos têm uma unidade de controlo na configuração de
malha aberta, ou seja, o cálculo da potência reactiva indutiva para determinar o nível é
obtido apenas da potência da carga, não inclui a potência do TSC. Para além de se
pretender analisar as distorções de forma de onda, pretende-se analisar o valor das
tensões e correntes no momento das transições de nível. Pode-se verificar mais uma das
interferências do equipamento no sistema eléctrico em que está inserido.
Este modelo é constituído por três módulo de condensadores, com uma potência total de
50 kVA. Os módulos têm todos valores de potência diferentes, duplicando o valor entre
cada módulo a partir do com menor potência. Os valores dos módulos são de 7142 VA,
14284 VA e 28568 VA, em que quando combinados conseguem fazer 7 níveis de
potência.
Como o modelo TCR com condensadores não possui parte de controlo, o ângulo de
disparo dos tirístores vai ser ajustado manualmente, para um valor em que o factor de
potência esteja dentro de valores aceitáveis. O objectivo consiste em analisar a distorção
nas formas de onda, causada pelo equipamento ao sistema eléctrico e as interferências
deste no funcionamento do equipamento.
Este modelo é constituído por um módulo de condensadores e um de bobinas, em que
cada um tem uma potência de 50 kVA. Enquanto que o módulo de condensadores tem
dois estados, ligado e desligado, o módulo de bobinas é controlado para ajustar a
potência para cada instante.
23
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
3.2 Carga linear
Nesta simulação, pretende-se utilizar apenas uma carga linear, em que esta possui uma
potência reactiva indutiva de 10 kVAr e factor de potência de 0,707. Como se pode
observar na figura 3.1. Deste modo, pretende-se analisar as formas de onda da tensão e
corrente, para determinar a capacidade de correcção de factor de potência, bem como
interferências devido à introdução do equipamento num sistema com cargas lineares.
Figura 3.1: Diagrama de blocos da simulação com carga linear
3.2.1 PSCAD
De seguida serão apresentados os resultados dos modelos, obtidos no Pscad, quando
simulados para uma carga linear.
3.2.1.1 TCR em estrela
Nas figuras 3.2 e 3.3 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.2: Tensão e corrente (a negrito) na carga
24
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,73, a potência reactiva
indutiva corresponde a 9 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 1,7%,
enquanto que a da corrente é igual a 0,4%.
Na figura 3.3 observa-se que a forma de onda da corrente está bastante distorcida, tendo
em conta que a única carga é linear, a acção conjunta do módulo de condensadores e de
bobinas são os responsáveis pela distorção. A comutação do módulo de bobinas através
do consumo de corrente não linear, distorce a tensão devido à impedância da linha. Para
além desta corrente distorcida, a distorção na tensão faz com que o consumo de corrente
no módulo de condensadores seja não linear.
Figura 3.3: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,98, a potência reactiva
indutiva corresponde a 500 VAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
1,7%, enquanto que a da corrente é igual a 70%.
Para compensar o factor de potência o módulo de condensadores está ligado e o módulo
de bobinas está a comutar com um ângulo de 97,35 graus atrasado em relação à tensão.
3.2.1.2 TCR em triângulo
Nas figuras 3.4 e 3.5 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
25
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Figura 3.4: Tensão e corrente (a negrito) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,73, a potência reactiva
indutiva corresponde a 8,6 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
1,37%, enquanto que a da corrente é igual a 0,3%.
Figura 3.5: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,94, a potência reactiva
capacitiva corresponde a 4 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 2%,
enquanto que a da corrente é igual a 48%.
Na figura 3.5 a potência reactiva é capacitiva, esse facto deve-se à dificuldade de acertar
o ângulo de comutação das bobinas. O valor de 50 kVA do módulo de condensadores
tem que ser quase anulado pelo módulo de bobinas. Devido a ser nesses instantes que o
valor da potência reactiva tem a maior variação em relação à variação do ângulo.
26
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
O ângulo de disparo do módulo de bobinas é de 94,59 graus atrasado em relação à
tensão, como próximo do ângulo de 90 graus é quando mais varia o valor da potência
foi difícil ajustar correctamente o ângulo.
3.2.1.3 TSC em estrela
Nas figuras 3.6 e 3.7 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.6: Tensão e corrente (a negrito) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,73, a potência reactiva
indutiva corresponde a 9 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,001%, enquanto que a da corrente é igual a 0,042%.
Como se pode ver na figura 3.7, as formas de onda da tensão e corrente na fonte são
sinusoidais, a interferência causada pela inclusão do modelo para compensar o factor de
potência, é quase nula.
27
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Figura 3.7: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,97, a potência reactiva
indutiva corresponde a 2,5 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,001%, enquanto que a da corrente é igual a 0,065%.
Para compensar o factor de potência, o modelo activa o módulo de condensadores com
a potência de 7142 VA.
3.2.1.4 TSC em triângulo
Nas figuras 3.8 e 3.9 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.8: Tensão e corrente (a negrito) na carga
28
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,73, a potência reactiva
indutiva corresponde a 8,8 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,003%, enquanto que a da corrente é igual a 0,051%.
As formas de onda da tensão e corrente na fonte também são sinusoidais, e apresentam
o desfasamento entre a tensão e corrente menor que o verificado na carga.
Figura 3.9: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,97, a potência reactiva
indutiva corresponde a 2,5 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,003%, enquanto que a da corrente é igual a 0,16%.
Para compensar o factor de potência, o modelo activa o módulo de condensadores com
a potência de 7142 VA.
3.2.2 Matlab
De seguida serão apresentados os resultados dos modelos, obtidos no Matlab, quando
simulados para uma carga linear.
29
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
3.2.2.1 TCR em estrela
Nas figuras 3.10 e 3.11 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.10: Tensão e corrente (direita) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,709, a potência reactiva
indutiva corresponde a 9,94 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,9%, enquanto que a da corrente é igual a 0,4%.
Figura 3.11: Tensão e corrente (direita) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,998, a potência reactiva
indutiva corresponde a 400 VAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,9%, enquanto que a da corrente é igual a 68%.
Para compensar o factor de potência o módulo de condensadores está ligado e o módulo
de bobinas está a comutar com um ângulo de 98,63 graus atrasado em relação à tensão.
30
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
3.2.2.2 TCR em triângulo
Nas figuras 3.12 e 3.13 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.12: Tensão e corrente (direita) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,718, a potência reactiva
indutiva corresponde a 10 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,45%, enquanto que a da corrente é igual a 0,4%.
Figura 3.13: Tensão e corrente (direita) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,999, a potência reactiva
indutiva corresponde a 300 VAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,45%, enquanto que a da corrente é igual a 21%.
Para compensar o factor de potência o módulo de condensadores está ligado e o módulo
de bobinas está a comutar com um ângulo de 98,63 graus atrasado em relação à tensão.
31
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
3.2.2.3 TSC em estrela
Nas figuras 3.14 e 3.15 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.14: Tensão e corrente (direita) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,71, a potência reactiva
indutiva corresponde a 10 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,2%, enquanto que a da corrente é igual a 0,2%.
Figura 3.15: Tensão e corrente (direita) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,962, a potência reactiva
indutiva corresponde a 2,8 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,2%, enquanto que a da corrente é igual a 1,2%.
Para compensar o factor de potência, o modelo activa o módulo de condensadores com
a potência de 7142 VA.
32
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
3.2.2.4 TSC em triângulo
Nas figuras 3.16 e 3.17 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.16: Tensão e corrente (direita) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,71, a potência reactiva
indutiva corresponde a 9,9 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,2%, enquanto que a da corrente é igual a 0,2%.
Figura 3.17: Tensão e corrente (direita) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,97, a potência reactiva
indutiva corresponde a 2,8 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
0,2%, enquanto que a da corrente é igual a 1%.
Para compensar o factor de potência, o modelo activa o módulo de condensadores com
a potência de 7142 VA.
33
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
3.3 Carga não linear
Nesta simulação, como se pode observar na figura 3.18, é ligado ao sistema uma carga
linear com uma potência reactiva de 10 kVAr, com um factor de potência de 0,707. Para
além desta carga ainda é adicionada uma carga não linear, que consiste num rectificador
trifásico com uma potência de 31,5 kVA e inclui um condensador para a filtragem.
Figura 3.18: Diagrama de blocos da simulação com carga linear e não linear
3.3.1 PSCAD
De seguida serão apresentados os resultados dos modelos, obtidos no Pscad, quando
simulados para uma carga linear e uma não linear.
3.3.1.1 TCR em estrela
Nas figuras 3.19 e 3.20 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.19: Tensão e corrente (a negrito) na carga
34
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,83, a potência reactiva
indutiva corresponde a 12 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 4%,
enquanto que a da corrente é igual a 21%.
Figura 3.20: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,99, a potência reactiva
indutiva corresponde a 1 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 4%,
enquanto que a da corrente é igual a 71%.
Para compensar o factor de potência o módulo de condensadores está ligado e o módulo
de bobinas está a comutar com um ângulo de 93,44 graus atrasado em relação à tensão.
3.3.1.2 TCR em triângulo
Nas figuras 3.21 e 3.22 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.21: Tensão e corrente (a negrito) na carga
35
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,825, a potência reactiva
indutiva corresponde a 12 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 4%,
enquanto que a da corrente é igual a 23%.
Figura 3.22: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,99, a potência reactiva
indutiva corresponde a 1 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 4%,
enquanto que a da corrente é igual a 71%.
Para compensar o factor de potência o módulo de condensadores está ligado e o módulo
de bobinas está a comutar com um ângulo de 92,87 graus atrasado em relação à tensão.
3.3.1.3 TSC em estrela
Nas figuras 3.23 e 3.24 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.23: Tensão e corrente (a negrito) na carga
36
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,77, a potência reactiva
indutiva corresponde a 15 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 3%,
enquanto que a da corrente é igual a 38%.
Figura 3.24: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,93, a potência reactiva
capacitiva corresponde a 7,5 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
4%, enquanto que a da corrente é igual a 52%.
Para compensar o factor de potência, o modelo activa o módulo de condensadores com
a potência de 14284 VA, devido à distorção da tensão e da corrente do sistema, o bloco
de cálculo do Pscad determinou um valor de potência reactiva superior a 14284 VA,
quando na realidade era inferior. O qual é possível constatar pois a carga que produz a
potência reactiva indutiva é a mesma da simulação anterior.
3.3.1.4 TSC em triângulo
Nas figuras 3.25 e 3.26 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
37
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Figura 3.25: Tensão e corrente (a negrito) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,78, a potência reactiva
indutiva corresponde a 13,5 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
3%, enquanto que a da corrente é igual a 35%.
Figura 3.26: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,93, a potência reactiva
capacitiva corresponde a 9 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 3%,
enquanto que a da corrente é igual a 41%.
Para compensar o factor de potência, o modelo activa o módulo de condensadores com
a potência de 14284 VA, devido à distorção da tensão e da corrente do sistema, o bloco
de cálculo do Pscad determinou um valor de potência reactiva superior a 14284 VA,
quando na realidade era inferior. O qual é possível constatar pois a carga que produz a
potência reactiva indutiva é a mesma da simulação anterior.
38
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
3.3.2 Matlab
De seguida serão apresentados os resultados dos modelos, obtidos no Matlab, quando
simulados para uma carga linear e uma não linear.
3.3.2.1 TCR em estrela
Nas figuras 3.27 e 3.28 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.27: Tensão e corrente (direita) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,865, a potência reactiva
indutiva corresponde a 11,5 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
3%, enquanto que a da corrente é igual a 46%.
Figura 3.28: Tensão e corrente (direita) na fonte
39
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,999, a potência reactiva
indutiva corresponde a 150 VAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 3%,
enquanto que a da corrente é igual a 61%.
Para compensar o factor de potência o módulo de condensadores está ligado e o módulo
de bobinas está a comutar com um ângulo de 100,37 graus atrasado em relação à tensão.
3.3.2.2 TCR em triângulo
Nas figuras 3.29 e 3.30 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.29: Tensão e corrente (direita) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,868, a potência reactiva
indutiva corresponde a 11,2 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
3%, enquanto que a da corrente é igual a 51%.
Figura 3.30: Tensão e corrente (direita) na fonte
40
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,999, a potência reactiva
indutiva corresponde a 250 VAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 3%,
enquanto que a da corrente é igual a 39%.
Para compensar o factor de potência o módulo de condensadores está ligado e o módulo
de bobinas está a comutar com um ângulo de 99,79 graus atrasado em relação à tensão.
3.3.2.3 TSC em estrela
Nas figuras 3.31 e 3.32 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.31: Tensão e corrente (direita) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,862, a potência reactiva
indutiva corresponde a 11,6 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
3%, enquanto que a da corrente é igual a 42%.
Figura 3.32: Tensão e corrente (direita) na fonte
41
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,975, a potência reactiva
indutiva corresponde a 4,5 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 3%,
enquanto que a da corrente é igual a 58%.
Para compensar o factor de potência, o modelo activa o módulo de condensadores com
a potência de 7142 VA.
3.3.2.4 TSC em triângulo
Nas figuras 3.33 e 3.34 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente, para a
carga e a fonte respectivamente.
Figura 3.33: Tensão e corrente (direita) na carga
O factor de potência na carga para esta simulação é igual a 0,866, a potência reactiva
indutiva corresponde a 11,4 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a
3%, enquanto que a da corrente é igual a 44%.
Figura 3.34: Tensão e corrente (direita) na fonte
42
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
O factor de potência na fonte para esta simulação é igual a 0,977, a potência reactiva
indutiva corresponde a 4,3 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 3%,
enquanto que a da corrente é igual a 54%.
Para compensar o factor de potência, o modelo activa o módulo de condensadores com
a potência de 7142 VA.
3.4 Interferências no instante de comutação entre módulos de
condensadores com carga linear
Esta simulação tem como objectivo observar a distorção nas formas de onda no
momento da comutação de módulos de condensadores. Assim com o sistema a
funcionar com a carga linear de 10 kVAr vai ser ligada a carga de 30 kVAr, ambas as
cargas com um factor de potência de 0,707, como se pode observar na figura 3.35.
Como as configurações do modelo do TCR com condensadores não possui unidade de
controlo, as simulações para determinar as interferências causadas pelo equipamento no
sistema quando se altera a carga só inclui o modelo do TSC.
Figura 3.35: Diagrama de blocos da simulação de comutação, para carga linear
3.4.1 PSCAD
De seguida serão apresentados os resultados dos modelos, obtidos no Pscad, quando
simulados para analisar o instante de comutação de módulos de condensadores num
sistema com cargas lineares.
43
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
3.4.1.1 TSC em estrela
Nas figuras 3.36, 3.37 e 3.38 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente,
para a carga, a fonte e o módulo de condensadores de maior potência.
Figura 3.36: Tensão e corrente (a negrito) na carga
Para a carga no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,5, a potência
reactiva indutiva corresponde a 33 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 3%, enquanto que a da corrente é igual a 51%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,74, a potência reactiva indutiva
corresponde a 33 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 0,1%,
enquanto que a da corrente é igual a 0,02%.
Figura 3.37: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
44
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
Para a fonte no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,87, a potência
reactiva indutiva corresponde a 13,5 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 3%, enquanto que a da corrente é igual a 65%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,97, a potência reactiva indutiva
corresponde a 7,5 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 0,1%,
enquanto que a da corrente é igual a 0,02%.
Figura 3.38: Tensão e corrente (a negrito) no módulo de maior potência
Para compensar o factor de potência devido à alteração da carga, o modelo substitui o
módulo de condensadores com a potência de 7142 VA pelo de 28568 VA.
3.4.1.2 TSC em triângulo
Nas figuras 3.39, 3.40 e 3.41 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente,
para a carga, a fonte e o módulo de condensadores de maior potência.
Figura 3.39: Tensão e corrente (a negrito) na carga
45
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Para a carga no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,55, a potência
reactiva indutiva corresponde a 33 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 3%, enquanto que a da corrente é igual a 58%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,74, a potência reactiva indutiva
corresponde a 33 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 0,1%,
enquanto que a da corrente é igual a 0,02%.
Figura 3.40: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
Para a fonte no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,83, a potência
reactiva indutiva corresponde a 13 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 4%, enquanto que a da corrente é igual a 69%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,99, a potência reactiva indutiva
corresponde a 4 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 0,1%, enquanto
que a da corrente é igual a 0,02%.
Figura 3.41: Tensão e corrente (a negrito) no módulo de maior potência
46
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
Para compensar o factor de potência devido à alteração da carga, o modelo substitui o
módulo de condensadores com a potência de 7142 VA pelo de 28568 VA.
3.4.2 Matlab
De seguida serão apresentados os resultados dos modelos, obtidos no Matlab, quando
simulados para analisar o instante de comutação de módulos de condensadores num
sistema com cargas lineares.
3.4.2.1 TSC em estrela
Nas figuras 3.42, 3.43 e 3.44 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente,
para a carga, a fonte e o módulo de condensadores de maior potência.
Figura 3.42: Tensão e corrente (direita) na carga
Para a carga no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,5, a potência
reactiva indutiva corresponde a 39 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 150%, enquanto que a da corrente é igual a 150%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,71, a potência reactiva indutiva
corresponde a 39 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 0,01%,
enquanto que a da corrente é igual a 0,02%.
47
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Figura 3.43: Tensão e corrente (direita) na fonte
Para a fonte no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,8, a potência
reactiva indutiva corresponde a 25 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 150%, enquanto que a da corrente é igual a 150%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,99, a potência reactiva indutiva
corresponde a 5 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 0,01%,
enquanto que a da corrente é igual a 0,02%.
Figura 3.44: Tensão e corrente (direita) no módulo de maior potência
Para compensar o factor de potência devido à alteração da carga, o modelo adiciona o
módulo de condensadores com a potência de 28568 VA ao módulo de 7142 VA,
corresponde ao nível 5 com a potência de 35710 VA.
3.4.2.2 TSC em triângulo
Nas figuras 3.45, 3.46 e 3.47 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente,
para a carga, a fonte e o módulo de condensadores de maior potência.
48
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
Figura 3.45: Tensão e corrente (direita) na carga
Para a carga no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,8, a potência
reactiva indutiva corresponde a 28 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 140%, enquanto que a da corrente é igual a 125%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,72, a potência reactiva indutiva
corresponde a 39 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 0,01%,
enquanto que a da corrente é igual a 0,02%.
Figura 3.46: Tensão e corrente (direita) na fonte
Para a fonte no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,85, a potência
reactiva indutiva corresponde a 30 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 140%, enquanto que a da corrente é igual a 135%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,99, a potência reactiva indutiva
corresponde a 4 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 0,01%,
enquanto que a da corrente é igual a 0,02%.
49
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Figura 3.47: Tensão e corrente (direita) no módulo de maior potência
Para compensar o factor de potência devido à alteração da carga, o modelo adiciona o
módulo de condensadores com a potência de 28568 VA ao módulo de 7142 VA,
corresponde ao nível 5 com a potência de 35710 VA.
3.5 Interferência no instante de comutação entre módulos de
condensadores, com carga não linear
Nesta simulação tem-se como objectivo observar a distorção nas formas de onda quando
o modelo comuta os módulos de condensadores. Assim com o sistema a funcionar com
a carga linear de 10 kVAr e com a carga não linear que é o rectificador, vai ser ligada a
carga de 30 kVAr, ambas as cargas lineares têm um factor de potência de 0,707, como
se pode observar na figura 3.48.
Figura 3.48: Diagrama de blocos da simulação da comutação, para carga linear e não linear
50
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
3.5.1 PSCAD
De seguida serão apresentados os resultados dos modelos, obtidos no Pscad, quando
simulados para analisar o instante de comutação de módulos de condensadores num
sistema com carga linear e uma não linear.
3.5.1.1 TSC em estrela
Nas figuras 3.49, 3.50 e 3.51 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente,
para a carga, a fonte e o módulo de condensadores de maior potência.
Figura 3.49: Tensão e corrente (a negrito) na carga
Para a carga no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,65, a potência
reactiva indutiva corresponde a 33 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 5%, enquanto que a da corrente é igual a 54%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,78, a potência reactiva indutiva
corresponde a 37 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 5%, enquanto
que a da corrente é igual a 13%.
51
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Figura 3.50: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
Para a fonte no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,88, a potência
reactiva capacitiva corresponde a 15 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 3%, enquanto que a da corrente é igual a 65%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,98, a potência reactiva indutiva
corresponde a 7 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 4%, enquanto
que a da corrente é igual a 30%.
Figura 3.51: Tensão e corrente (a negrito) no módulo de maior potência
Para compensar o factor de potência devido à alteração da carga, o modelo substitui o
módulo de condensadores com a potência de 14284 VA pelo de 28568 VA.
52
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
3.5.1.2 TSC em triângulo
Nas figuras 3.52, 3.53 e 3.54 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente,
para a carga, a fonte e o módulo de condensadores de maior potência.
Figura 3.52: Tensão e corrente (a negrito) na carga
Para a carga no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,67, a potência
reactiva indutiva corresponde a 31 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 3%, enquanto que a da corrente é igual a 51%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,75, a potência reactiva indutiva
corresponde a 38 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 4%, enquanto
que a da corrente é igual a 12%.
Figura 3.53: Tensão e corrente (a negrito) na fonte
53
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Para a fonte no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,89, a potência
reactiva capacitiva corresponde a 15 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 3%, enquanto que a da corrente é igual a 53%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,98, a potência reactiva indutiva
corresponde a 7 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 4%, enquanto
que a da corrente é igual a 30%.
Figura 3.54: Tensão e corrente (a negrito) no módulo de maior potência
Para compensar o factor de potência devido à alteração da carga, o modelo adiciona o
módulo de condensadores com a potência de 28568 VA ao módulo de 7142 VA,
corresponde ao nível 5 com a potência de 35710 VA.
3.5.2 Matlab
De seguida serão apresentados os resultados dos modelos, obtidos no Matlab, quando
simulados para analisar o instante de comutação de módulos de condensadores num
sistema com carga linear e uma não linear.
3.5.2.1 TSC em estrela
Nas figuras 3.55, 3.56 e 3.57 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente,
para a carga, a fonte e o módulo de condensadores de maior potência.
54
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
Figura 3.55: Tensão e corrente (direita) na carga
Para a carga no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,65, a potência
reactiva indutiva corresponde a 32 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 210%, enquanto que a da corrente é igual a 400%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,78, a potência reactiva indutiva
corresponde a 41 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 5%, enquanto
que a da corrente é igual a 16%.
Figura 3.56: Tensão e corrente (direita) na fonte
Para a fonte no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,78, a potência
reactiva indutiva corresponde a 17 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 130%, enquanto que a da corrente é igual a 220%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,99, a potência reactiva indutiva
corresponde a 6,5 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 5%, enquanto
que a da corrente é igual a 23%.
55
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Figura 3.57: Tensão e corrente (direita) no módulo de maior potência
Para compensar o factor de potência devido à alteração da carga, o modelo adiciona o
módulo de condensadores com a potência de 28568 VA ao módulo de 7142 VA,
corresponde ao nível 5 com a potência de 35710 VA.
3.5.2.2 TSC em triângulo
Nas figuras 3.58, 3.59 e 3.60 são apresentadas as formas de onda da tensão e corrente,
para a carga, a fonte e o módulo de condensadores de maior potência.
Figura 3.58: Tensão e corrente (direita) na carga
Para a carga no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,57, a potência
reactiva indutiva corresponde a 37 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 91%, enquanto que a da corrente é igual a 89%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,78, a potência reactiva indutiva
corresponde a 40 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 4%, enquanto
que a da corrente é igual a 18%.
56
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
Figura 3.59: Tensão e corrente (direita) na fonte
Para a fonte no instante da comutação, o factor de potência é igual a 0,9, a potência
reactiva indutiva corresponde a 27 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é
igual a 82%, enquanto que a da corrente é igual a 135%.
Depois de estabilizado, o factor de potência é igual a 0,98, a potência reactiva indutiva
corresponde a 6 kVAr. A distorção da forma de onda na tensão é igual a 4%, enquanto
que a da corrente é igual a 32%.
Figura 3.60: Tensão e corrente (direita) no módulo de maior potência
Para compensar o factor de potência devido à alteração da carga, o modelo adiciona o
módulo de condensadores com a potência de 28568 VA ao módulo de 7142 VA,
corresponde ao nível 5 com a potência de 35710 VA.
57
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
3.6 Conclusões
Para cargas com o factor de potência igual a 0,707 e nas simulações efectuadas, tanto o
modelo do TSC como o do TCR, conseguem compensar o factor de potência para
valores considerados aceitáveis, pelas empresas de distribuição de energia eléctrica.
Na simulação das cargas lineares, a interferência no sistema devido à utilização do
modelo do TSC é reduzida, tanto no programa Matlab como no Pscad. As formas de
onda do modelo do TCR são diferentes entre os programas informáticos, apesar de os
valores da distorção, potência reactiva e factor de potência serem semelhantes, excepto
na ligação em triângulo do modelo do Pscad que tem uma potência reactiva capacitiva,
devido à dificuldade de ajustar o ângulo do módulo de bobinas. Os modelos baseados
no TCR, para esta simulação apresentam uma taxa de distorção considerável, tendo em
conta que a carga é linear.
Na simulação de carga linear com um rectificador como carga não linear, a inclusão dos
modelos do TSC aumenta a distorção da carga não linear do sistema, os modelos com
ligação em estrela tem valores superiores aos ligados em triângulo, pois o valor da
corrente é superior. Devido à limitação, para sistemas com distorção, do bloco utilizado
para o cálculo da potência reactiva indutiva, pelos modelos do TSC no Pscad, obteve-se
um valor de potência superior ao que o sistema possui, deste modo foi accionado um
módulo de condensadores com um valor superior ao necessário, a potência reactiva
desses modelos é capacitiva. Nesta simulação, a utilização dos modelos do TCR
aumenta a distorção do sistema, excepto para o modelo ligado em triângulo do Matlab,
em que esta diminuiu. No programa Matlab a ordem de valores da distorção dos
modelos do TCR é a mesma dos do TSC, para o Pscad os modelos do TCR têm um
valor ligeiramente superior. Assim para sistemas com distorção, os modelos do TSC
deixam de ter a vantagem de reduzida interferência.
Para a simulação com adição de carga linear ao sistema linear, o valor da distorção da
corrente no instante de accionamento, para os modelos do Matlab é cerca de três vezes
superior à dos modelos do Pscad. O sistema necessita de cerca de três ciclos para
estabilizar, nesses ciclos o valor da distorção aumenta, o factor de potência pode durante
58
CAPÍTULO 3 – SIMULAÇÃO DA TOPOLOGIA TSC
certos instante ser capacitivo. O valor de distorção do modelo de TSC ligado em estrela
é praticamente igual ao ligado em triângulo.
Na simulação em que é adicionada uma carga linear ao sistema composto por uma carga
linear e uma não linear, a distorção dos modelos do Matlab para o instante de
comutação é superior aos do Pscad e necessita de três ciclos para estabilizar. No
intervalo seguinte a estabilizar, o modelo do Pscad ligado em estrela e o ligado em
triângulo têm distorções quase iguais, enquanto que no Matlab o modelo ligado em
estrela é inferior ao ligado em triângulo.
Os modelos do TCR têm quase a mesma taxa de distorção, para sistema com apenas
cargas lineares, como para sistemas em que além de cargas lineares inclui cargas não
lineares.
As diferenças observadas entre os modelos do Matlab e do Pscad não são significativas,
embora algumas formas de onda sejam diferentes, a razão pode ser de particularidades
dos programas, como o caso da carga e da impedância das linhas nos modelos do
Matlab ter uma componente capacitiva para além da indutiva e resistiva. Embora esta
esteja anulada pela indutiva, para sistemas com distorção na tensão e corrente o peso
desta componente pode aumentar e alterar as condições de simulação. Outra diferença
entre os programas reside no facto do Pscad ter passo de integração fixo e o Matlab ter
variável.
Para sistemas em que a tensão está pouco distorcida, os modelos baseados no TSC
praticamente não perturbam o sistema em que são inseridos. Por outro lado, os modelos
baseados no TCR, mesmo quando aplicados a sistemas com apenas cargas lineares,
distorcem a tensão e a corrente do sistema, devido ao consumo de corrente não linear
pelo módulo de bobinas.
O modelo do TCR com condensadores tem taxas de distorção menores, quanto maior
for o valor da energia reactiva capacitiva necessária para compensar o sistema, o ângulo
de disparo do módulo de bobinas o maior possível. Apesar de a distorção da forma de
onda da corrente na bobina ser maior, o valor da corrente é menor.
59
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Para sistemas com uma distorção na tensão de cerca 5%, os modelos baseados no TSC
têm uma distorção na corrente bastante elevada, devido às correntes distorcidas nos
módulos de condensadores. Pode mesmo ficar com uma percentagem de distorção
semelhante à dos modelos baseados no TCR.
Como nas simulações efectuadas, o modelo baseado no TSC teve quase sempre, na
medida correspondente à fonte, valores de distorção inferiores ao TCR, excepto para a
situação do tópico 3.3.2.2 e tendo em conta que para as condições da simulação sempre
compensou o factor de potência é uma solução com aplicabilidade e funcional.
Nas simulações do TSC as transições de carga, bem como a comutação dos módulos de
condensadores, não interferem muito o normal funcionamento do sistema. Embora a
distorção da corrente aumente no momento da transição.
Como o modelo do TSC ligado em estrela nunca apresenta desvantagens significativas
em relação ao ligado em triângulo, é uma solução com boas possibilidades de ser
implementada. A principal dificuldade face ao TSC ligado em triângulo é o facto de a
corrente que circula nos condensadores ser superior.
Para utilizar equipamentos baseado no modelo do TSC em sistemas com alguma
distorção é necessário recorrer a filtros passivos.
Os modelos ligados em triângulo apresentam taxas de distorção ligeiramente inferiores
aos ligados em estrela, para sistemas com a mesma potência. A queda não linear na
linha é menor, pois a corrente nos condensadores também é menor, bem como o facto
de os ligados em triângulo eliminarem a componente de terceira ordem. Com a tensão
menos distorcida, a corrente no condensador também é menos distorcida, pois o
condensador comporta-se como um filtro de tensão.
60
4 – CONCEPÇÃO DO PROTÓTIPO TSC
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
4 CONCEPÇÃO DO PROTÓTIPO TSC
O modelo que tem por base o trabalho utiliza módulos de condensadores ligados a cada
fase, assim, conforme vá necessitando de mais energia reactiva o equipamento baseado
neste modelo adiciona mais módulos. Atinge o máximo que consegue gerar, quando
todos os módulos dessa fase estiverem ligados.
O equipamento vai utilizar três módulos de condensadores por fase, todos com valores
diferentes, o que faz com que tenha sete níveis de energia reactiva. Os valores entre os
módulos de condensadores variam na proporção do dobro, assim consegue-se que o
intervalo entre níveis de energia gerada seja igual.
Para aumentar as funcionalidades do equipamento, este será ligado em estrela, sendo
assim possível compensar individualmente as fases do sistema eléctrico, fases com
factor de potência diferentes. Desta maneira consegue-se um equipamento mais
completo e versátil, embora que se num sistema eléctrico as cargas forem bem
distribuídas, o consumo de energias pelas fases é muito similar, para além do facto de
na industria a maior parte das cargas serem trifásicas, e logo, equilibradas.
4.1 Princípio de Funcionamento
O equipamento dimensionado utiliza três módulos de condensadores, com base no que
foi referido é possível fazer sete níveis de potência, como se pode ver na figura 4.1.
Caso se tivesse optado por quatro módulos seria possível ter quinze níveis, e no caso de
cinco o número de níveis podia ir até os trinta e um.
Assim para um determinado número de módulos identificado por n , o número de níveis
rege-se pela seguinte função 2 n − 1 .
62
CAPÍTULO 4 – CONCEPÇÃO DO PROTÓTIPO TSC
Potência
TSC
TSC
0
1
2
3
4
5
6
7
Nivel
Figura 4.1: Gráfico da cobertura da potência do equipamento baseado no TSC
Para um equipamento com uma potência de compensação de 50 kVA, com três módulos
de condensadores a potência entre dois níveis seria de 7142 VA. Enquanto que para um
equipamento de 4 módulos de condensadores já seria 3333 VA e por sua vez o
equipamento com cinco módulos uma potência entre níveis de 1612 VA. Com base nos
valores anteriores, pode-se observar como aumenta a resolução do equipamento com o
aumento do número de módulos de condensadores.
Tendo em conta que para o sistema estar compensado tem que ter um factor de potência
maior ou igual a 0,93. De seguida são apresentadas as expressões para calcular que
percentagem da potência total do equipamento, para a qual o sistema eléctrico fica
compensado, independentemente se o sistema tiver a potência reactiva indutiva entre
níveis. Assim para o equipamento de três módulos de condensadores, mesmo que o
sistema tenha a potência de 7142 VA, a partir de um determinado valor de potência, o
factor de potência é sempre superior a 0,93.
Expressões utilizadas nos cálculos:
fp comp = 0,93
(1)
fp comp : Variável que correspondente ao valor do factor de potência, para o qual o
sistema eléctrico está compensado, nos cálculos foi utilizado o valor 0,93.
63
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
cos ϕ = fp comp
(2)
ϕ : Variável do ângulo do factor de potência para o qual o sistema está compensado.
ϕ = a cos( fp comp )
(3)
cos θ = fp c arg a
(4)
fp c arg a : Variável do factor de potência da carga, num determinado instante.
θ : Variável do ângulo do factor de potência da carga, num determinado instante.
θ = a cos( fp c arg a )
P=
QLentre _ níveis
tan (ϕ )
(5)
(6)
P : Variável da potência activa correspondente a um sistema com o factor de potência
compensado, com uma potência reactiva igual ao valor entre níveis.
QLentre _ níveis : Variável que correspondente ao valor da potência reactiva da diferença
entre níveis.
QL = P × tan (θ )
(7)
QL : Variável da potência reactiva indutiva correspondente à variável P com o factor de
potência da carga.
64
CAPÍTULO 4 – CONCEPÇÃO DO PROTÓTIPO TSC
⎛ QL
Val não _ comp = ⎜⎜
⎝ QC total
⎞
⎟⎟ × 100
⎠
(8)
Val não _ comp : Valor em percentagem até ao qual o sistema não está compensado, se o
valor da potência reactiva indutiva é igual à potência entre níveis.
QCtotal : Variável que contem o valor da potência reactiva capacitiva máxima, que o
equipamento consegue gerar, neste caso 50 kVA.
Val comp = 100 − Val não _ comp
(9)
Val comp : Percentagem do valor da potência reactiva capacitiva total que o equipamento
compensa.
A tabela 4.1 apresenta a percentagem da potência reactiva capacitiva total para a qual o
sistema que está compensado, mesmo que possua a potência reactiva indutiva entre
níveis.
Tabela 4.1: Efeito do aumento do número de condensadores na percentagem de compensação
3 Módulos de
4 Módulos de
5 Módulos de
Condensadores
Condensadores
Condensadores
0,7 (45,5º)
63,8 %
83,12 %
91,84 %
0,5 (60º)
37,38 %
70,78 %
85,87 %
0,25 (75,5º)
-39,8 %
34,76 %
68,45 %
Nº de módulos
Factor de potência (ângulo)
Como se pode ver na tabela 4.1, o equipamento com 3 módulos de condensadores e
potência de 50 kVAr, num sistema eléctrico em que o factor de potência é de 0,7, tem
uma prestação aceitável. Deste modo, para a parte superior da potência de 50 kVA,
63,8% dos valores têm o factor de potência dentro dos limites aceitáveis pela empresa
65
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
distribuidora de energia eléctrica. Isto verifica-se neste intervalo, mesmo que o valor por
compensar seja igual ao da potência entre níveis, neste caso 7142 VAr.
Para a parte inferior da potência de 50 kVA, valores correspondentes a 36,2%, é
possível corrigir o factor de potência, embora a diferença entre o nível do equipamento
e a potência reactiva indutiva do sistema não possa ser a potência entre níveis. Assim se
a potência reactiva indutiva por compensar for próxima do nível, a percentagem de
valores que o equipamento consegue compensar aumenta.
Para o factor de potência de 0,5, a percentagem do equipamento de três módulos reduziu
bastante, embora se o equipamento não funcionar com potências muito inferiores a 2/3
da potência de 50 kVA, terá um funcionamento aceitável.
Com um factor de potência de 0,25, o equipamento de três módulos de condensadores
apresenta uma percentagem negativa. Devido ao factor de potência ser muito baixo, o
valor da potência activa para conseguir corrigir o factor de potência da potência reactiva
entre níveis, faz com que a potência reactiva indutiva seja maior do que a potência do
equipamento. Assim, se o valor da potência reactiva for igual à entre níveis, o
equipamento não consegue compensar o sistema eléctrico em que está inserido. Para
este factor de potência, apenas são compensados os valores, em que a diferença potência
entre níveis e a potência reactiva indutiva do sistema é quase nula. Para além, que são
raros os sistemas eléctricos que têm um factor de potência com um valor tão reduzido.
Para os equipamentos de quatro e cinco módulos de condensadores, com um factor de
potência de 0,7, a percentagem de valores compensados é elevada, tendo em conta que
os valores da tabela são para a potência entre níveis.
Nos valores correspondentes ao factor de potência de 0,5, estes equipamentos
continuam com a percentagem elevada, a descida em relação à situação anterior é
reduzida, o que faz com que para esta potência possam ser utilizados em sistemas com
factor de potência muito baixo.
Por outro lado, para o factor de potência de 0,25, o equipamento com cinco módulos de
condensadores continua com uma boa cobertura de valores, enquanto que o de quatro já
teve uma queda acentuada, a percentagem passou para aproximadamente metade.
Embora não seja razão para excluir este equipamento, como já foi referido antes, devido
ao facto de estes valores serem para a potência reactiva entre níveis, bem como o facto
de não haver muitos sistemas eléctricos com um factor de potência tão reduzido.
66
CAPÍTULO 4 – CONCEPÇÃO DO PROTÓTIPO TSC
4.2 Estrutura do Equipamento
Este equipamento é composto por uma unidade de medida, controlo, actuação e a fonte
de alimentação, pode-se observar na figura 4.2 o diagrama de blocos correspondente.
A unidade de medida é o módulo onde as tensões e as correntes são adquiridas e
devidamente acondicionadas, bem como a obtenção de sinais de controlo para o cálculo
da potência reactiva.
A unidade de controlo é composta por uma unidade de processamento, em que mediante
a informação recebida da unidade de medida, decide quais os semicondutores que deve
accionar.
A unidade de actuação é composta pelos semicondutores e pelo circuito de drive, esta
unidade é responsável pela interface entre a unidade de controlo e os condensadores.
A fonte de alimentação engloba a adequação e isolamento da tensão fornecida aos
outros módulos.
Figura 4.2: Diagrama de blocos da estrutura do protótipo
4.2.1 Unidade de Medida
A unidade de medida é dividida em três partes, a aquisição do valor da tensão, corrente
e um conjunto de sinais auxiliares. O diagrama de blocos desta unidade pode ser
observado na figura 4.3.
Para a aquisição da tensão, o módulo de medida é composto por três transformadores,
um por fase, com o objectivo de adequar a tensão ao conversor analógico para digital
(ADC), bem como isolar a tensão do sistema do módulo. Para além dos
67
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
transformadores, é necessário para cada fase, o recurso a um rectificador para converter
a tensão alternada para contínua.
A corrente de cada linha vai ser adquirida por sensor de efeito Hall. Através deste
consegue-se o isolamento da corrente com o equipamento, visto este sensor, tal como o
transformador para a tensão, interrompe o contacto eléctrico entre o equipamento e o
sistema eléctrico acoplado. Como no caso da tensão, para a obtenção da corrente pela
unidade de medida, torna-se necessário a rectificação da tensão de saída do sensor.
Quanto aos sinais auxiliares, estes são obtidos com o objectivo de identificar em que
semiciclo as tensões e correntes se encontram, para cada valor obtido pelo conversor
analógico para digital. Estes sinais tornam-se necessários pois as ondas da tensão e
corrente são rectificadas, para detectar os semiciclos, o positivo do negativo, utiliza-se
um comparador com o valor zero.
Figura 4.3: Diagrama de blocos da unidade de medida por fase
4.2.2 Unidade de Controlo
A unidade de controlo, a qual pode ser observada no diagrama da figura 4.4, engloba a
parte de conversão dos sinais analógicos para digitais, a componente de cálculo da
potência reactiva, outra para determinar quais os módulos de condensadores necessários
e o sincronismo dos sinais de comando para actuação dos condensadores.
68
CAPÍTULO 4 – CONCEPÇÃO DO PROTÓTIPO TSC
Para o cálculo da potência reactiva, determinar e accionar os módulos de condensadores
nos vários instantes, necessita-se de um módulo de processamento. Entre as soluções
possíveis, o microcontrolador surge o como o mais apropriado, pois para além da parte
de processamento inclui outras componentes como é o caso do conversor analógico para
digital. Com recurso a este módulo, deixa de ser necessário ter um módulo extra para
efectuar a conversão.
Deste modo, a unidade de controlo fica mais compacta, embora possa sobrecarregar o
microcontrolador, pois tem que repartir a capacidade de processamento por todas as
tarefas.
Para ter esta unidade dimensionada, torna-se necessário seleccionar o microcontrolador
que cumpra os requisitos, como a frequência de relógio para conseguir obter o número
de amostras suficiente e números de portos para os sinais de entrada e saída, analógicos
e digitais, bem como desenvolver o programa, essencial ao seu funcionamento.
Figura 4.4: Diagrama de blocos da unidade de controlo
4.2.3 Unidade de Actuação
O módulo de actuação é composto pelo circuito de drive e pelos semicondutores de
potência, o qual pode ser observado na figura 4.5.
O circuito de drive é responsável pela interface entre a unidade de controlo e os
semicondutores, mediante o sinal de comando recebido acciona o semicondutor
correspondente. A sua constituição inclui o circuito que adequa a tensão para controlar o
semicondutor, elementos para isolar a unidade de controlo e a utilização de circuito
auxiliar de comutação.
69
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
O circuito de drive vai ser isolado da unidade de controlo, necessário devido ao número
de semicondutores e tensões desfasadas, bem como método de protecção da unidade de
controlo.
O equipamento vai utilizar circuitos auxiliares de comutação, para evitar os danos no
semicondutor derivados das comutações.
Por outro lado, esta unidade no que diz respeito aos semicondutores vai utilizar
elementos do tipo TRIAC, uma vez que serão necessários apenas metade do número de
tirístores, caso se tivesse optado por estes semicondutores, para além de simplificar o
circuito de drive.
Figura 4.5: Diagrama de blocos da unidade de actuação
4.2.4 Fonte de Alimentação
A fonte de alimentação é responsável por garantir um conjunto de valores de tensão,
mediante as necessidades dos vários componentes, para que seja possível o
funcionamento do equipamento. Caso seja necessário, deve possuir isolamento das
tensões para as diferentes unidades a alimentar, para este protótipo a tensão da unidade
de actuação tem de estar isolada das restantes. Na figura 4.6, pode-se observar que a
unidade de actuação tem a fonte isolada da unidade de medida, dentro da unidade de
medida existe isolamento do conjunto de tensões utilizadas para a aquisição da tensão e
da corrente.
70
CAPÍTULO 4 – CONCEPÇÃO DO PROTÓTIPO TSC
Figura 4.6: Diagrama de blocos da fonte de alimentação
4.2.5 Sistemas de Protecção e Segurança
Nesta área os sistemas de protecção serão os definidos pelo regulamento em vigor,
desde disjuntores de protecção para sobrecargas e curtos circuitos, bem como elemento
seccionador para isolar o equipamento do sistema eléctrico.
Quanto a componentes adicionais e específicos do equipamento, colocar em paralelo
com os condensadores, relé controlado electronicamente, com uma resistência em série
para fazer a descarga dos condensadores, quando o equipamento é desligado. Desta
forma, consegue-se que quando for para efectuar a manutenção ou reparação do
equipamento, seja em condições de segurança, desde que o equipamento seja desligado
com antecedência.
71
5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
5 MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
Neste capítulo, pretende-se descrever os passos seguidos para a realização do protótipo,
desde equipamentos auxiliares a partes integrantes do protótipo.
Na elaboração deste trabalho, foi desenvolvido todo um conjunto de módulos, tais como
o programador do microcontrolador e a interface com um LCD. Equipamentos não
necessários ao funcionamento do protótipo, mas indispensáveis para o seu
desenvolvimento.
O protótipo será monofásico, a diferença caso fosse trifásico ligado em estrela, consiste
no número de componentes e na unidade de controlo considerar o desfasamento ao
accionar os semicondutores, visto cada fase ser independente.
O controlo do protótipo será em malha fechada, ao contrário do verificado nas
simulações em que era em malha aberta. Entre cada alteração o equipamento espera 3
semiciclos, este tempo foi definido depois de se verificar através das simulações que é o
tempo necessário para o sistema estabilizar.
O protótipo, como já referido, será baseado no modelo do TSC com três módulos de
condensadores. A potência total do equipamento é de 581 VA, quando os três módulos
de condensadores estão ligados. A potência entre níveis é igual a 83 VA com a
capacidade de gerar 7 níveis.
5.1 Programador
No sistema de controlo, a unidade de processamento é composta pelo microcontrolador
ATmega128 da Atmel, para o programar foi elaborado um programador, que recorre à
característica do microcontrolador ser programado por SPI (Serial Peripheral Interface).
O programador é constituído pelo programa desenvolvido no ambiente Microsoft Visual
Studio. O programa abre o ficheiro em formato hexadecimal, gerado pelo simulador da
74
CAPÍTULO 5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
Atmel o avr studio 4, retira a informação referente ao código do programa. De seguida,
adiciona as linhas de controlo para a programação por SPI e envia por porta paralela
para o microcontrolador da Atmel.
Na figura 5.1 pode-se observar a janela de interface com o utilizador, o espaço
destinado ao endereço de localização do ficheiro hexadecimal ainda não está
implementado, torna-se necessário colocar o ficheiro na mesma localização do
executável do programador.
Figura 5.1: Ambiente visual do programador
5.2 Interface com o LCD (Liquid Crystal Display)
Outro módulo auxiliar consiste na utilização de um LCD, apresentado na figura 5.2,
para se conseguir analisar os resultados do microcontrolador, como o resultado do
cálculo da potência reactiva, bem como para calibrar correctamente a leitura das tensões
e correntes. Desenvolveu-se um módulo do programa para o microcontrolador, para a
interface com o LCD.
O módulo do LCD não é essencial para o funcionamento do protótipo, mas para além
das funcionalidades referidas de ajuda ao desenvolvimento do equipamento, fornece a
interface com o utilizador.
75
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
O LCD tem as dimensões de 52 mm de largura com 38,35 mm de altura, com uma
resolução de 128 pixeis de largura por 64 pixeis de altura.
Figura 5.2: LCD utilizado no equipamento
Na secção seguinte são apresentados os menus do equipamento, a interface com o
utilizador efectuada por um botão de pressão e três menus visualizados no LCD.
Figura 5.3: Menu de créditos
Na figura 5.3 pode-se observar o menu dos créditos, surge durante 3 segundos, quando
se liga o equipamento.
76
CAPÍTULO 5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
Figura 5.4: Menu base
Passado o tempo correspondente ao menu dos créditos, este é substituído pelo menu
base, pode-se observar na figura 5.4, em que o equipamento fica em espera até que o
utilizador pressione o botão, não efectua nenhuma operação.
Figura 5.5: Menu de funcionamento
Quando o utilizador pressiona o botão do equipamento, o menu base é substituído pelo
de funcionamento, que pode ser observado na figura 5.5, o equipamento começa a
compensar a energia reactiva. O menu é utilizado para informar o utilizador dos valores
de potência do sistema, que corresponde à medida na fonte, identifica o factor de
potência, quais os módulos em condução, o valor da tensão e corrente. Caso o botão
seja pressionado quando o equipamento está neste estado, volta para o menu base e
interrompe o funcionamento.
77
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
5.3 Fonte de alimentação
Mediante a necessidade das unidades do equipamento, foi elaborada uma fonte a
incorporar em cada unidade, o ajuste do valor da tensão recorre a reguladores lineares,
os diferentes valores das tensões são 12 V, -12 V e 5 V.
A unidade de medida necessita das tensões de 12 V e -12 V para o sensor de corrente,
os detectores de semiciclo da tensão e da corrente, devido ao uso de amplificadores
operacionais. A alimentação do módulo de aquisição da tensão e da corrente têm que
estar isolados, a fonte tem dois módulos de tensão de 12 V e -12 V independentes.
Para a unidade de controlo apenas é necessária a tensão de 5 V, para a alimentação do
microcontrolador, e a parte de interface com o LCD.
Na unidade de actuação é necessário a tensão de 5 V, para a interface dos
semicondutores, composta por optoacopladores. Este módulo de tensão tem que estar
isolado das outras componentes da fonte.
Na figura 5.6 pode-se observar a fonte incluída na unidade de medida à esquerda e a
fonte para accionar os semicondutores da unidade de actuação à direita.
Figura 5.6: Imagem da fonte de medida (esquerda) e de actuação (direita)
78
CAPÍTULO 5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
5.4 Unidade de medida
A unidade de medida é composta pelo módulo de aquisição de tensão e de corrente,
ambos com alimentação independente.
O módulo de tensão utiliza um transformador de 230 V para 5 V, com o objectivo isolar
e adequar a tensão para a aquisição pela unidade de controlo. Visto a tensão ser
alternada recorre-se a um rectificador a diodos, um potenciómetro é acoplado para ser
possível calibrar as amostras da tensão, para o ADC (Analogic to Digital Converter) da
unidade de controlo.
Para obter a medida da corrente utiliza-se um sensor de efeito Hall, neste caso o LEM
LA 55-P, o qual foi definido para um corrente de 10 A. Como a saída do sensor é uma
corrente proporcional à da medida, esse sinal de corrente é convertido para tensão,
através de uma resistência. Como o sinal é alternado, utiliza-se um rectificador de onda
completa, com recurso a amplificadores operacionais. Para nivelar os valores máximos
dos dois semiciclos no sinal rectificado, o semiciclo correspondente ao positivo em
relação ao negativo, num dos ramos do rectificador é utilizada uma resistência variável.
Quanto aos detectores de semiciclo, tanto o da tensão como da corrente utilizam
amplificadores operacionais, na configuração de comparador com zero.
Na figura 5.7 pode-se observar a placa da unidade de medida e o esquema eléctrico
pode ser encontrado no apêndice B.2.
Figura 5.7: Imagem da unidade de medida
79
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
5.5 Unidade de controlo
A unidade de controlo é composta por um microcontrolador ATmega128 do fabricante
Atmel. Para além de efectuar toda a gestão dos semicondutores, em que com base no
valor da potência reactiva, liga em determinados instantes os condensadores
necessários. Efectua uma parte de medida, visto que o microcontrolador inclui um
conversor analógico para digital de 8 bits com 8 entradas, cada uma pode ser
seleccionada através de um multiplexer. Tendo isto em consideração, coloca-se o
microcontrolador a percorrer alternadamente a entrada da tensão e da corrente. Depois
de obter as medidas da tensão e da corrente, calcula o valor da potência reactiva.
Este microcontrolador foi seleccionado para integrar a unidade de controlo, devido a
possuir 64 pinos, dos quais 54 são configuráveis para entrada e saída, 128 kB de
memória de código e funcionar com uma frequência de 16 MHz.
Na figura 5.8 pode-se observar a placa da unidade de medida e o esquema eléctrico
pode ser encontrado no apêndice B.3.
Figura 5.8: Microcontrolador ATmega128
Para que o microcontrolador da unidade de controlo efectue a sua função - calcular a
potência reactiva do sistema e gerar os sinais de controlo dos semicondutores - necessita
do programa para o microcontrolador. De seguida serão apresentadas algumas
características referentes ao programa, configurações e soluções das várias funções.
80
CAPÍTULO 5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
Na parte de medida, o conversor analógico digital (ADC) do microcontrolador
ATmega128, apresentado na figura 5.8, foi configurado para utilizar uma frequência de
125 kHz, como o ADC é de aproximações sucessivas necessita de 13 ciclos para obter
uma amostra. O conversor para cada ciclo de 50 Hz obtém cerca de 96 amostras por
cada entrada, para a tensão e corrente.
Para obter a potência reactiva, calcula-se através do teorema de Pitágoras entre a
potência aparente e activa. A potência aparente obtém-se da multiplicação entre o valor
eficaz da tensão e da corrente, enquanto que a potência activa é calculada através da
média das amostras da potência instantânea.
Depois de obtida a potência reactiva, o tipo e valor desta a considerar para comparar
com os vários níveis do equipamento, é determinada pela proporção dos valores da
corrente correspondentes à energia recebida na primeira metade do semiciclo da tensão,
em relação aos valores da segunda. Desta maneira, se o maior valor da corrente
pertencer à primeira parte do semiciclo, a potência reactiva é considerada indutiva, caso
contrário considera-se capacitiva.
Na parte de actuação, para determinar os instantes em que se activa os semicondutores,
utilizam-se as amostras obtidas pelo ADC do microcontrolador, depois de sincronizar o
equipamento com o sistema através do detector de semiciclo. O tempo em que o sinal
de controlo tem de estar activo, necessário para o semicondutor entrar em condução, é
controlado pelo número de amostras obtidas pelo ADC, deste modo não precisa de
utilizar um temporizador dedicado.
Quando um condensador é accionado pela primeira vez, desde que o equipamento
entrou em funcionamento, é ligado no instante que corresponde ao zero da tensão. Das
próximas vezes que for accionado, vai ser nos instantes em que a tensão está no valor
máximo. O semiciclo é guardado numa variável para que quando for accionado depois
de ter estado desligado, seja no semiciclo correcto.
81
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
5.6 Unidade de actuação
Esta unidade inclui a parte da fonte para activar os semicondutores e o resto do drive,
como a unidade está isolada das outras unidades do equipamento, a fonte tem que ser
independente. O isolamento é conseguido através de optoacopladores do tipo 4n26,
enquanto que a fonte tem uma saída de 5 V.
Os semicondutores são do tipo TRIAC, concretamente o BTA16, suportam uma tensão
de 800 V e uma corrente máxima de 16 A, visto que o módulo com a corrente maior é
de 1,5 A, possui as características necessárias.
A unidade de actuação para além de ser composta pelos semicondutores, componentes
de isolamento e de accionamento dos semicondutores, inclui os circuitos auxiliares de
comutação.
Na figura 5.9 pode-se observar a placa da unidade de medida e o esquema eléctrico
pode ser encontrado no apêndice B.1.
Figura 5.9: Imagem da unidade de actuação
Os condensadores utilizados são de 10μF de 250 V, em que associados dois em série,
fica de 5μF e 500 V. Para efectuar os três módulos, associa-se conjuntos de
condensadores em paralelo, o de 5uF é composto por um, o de 10μF por dois conjuntos
82
CAPÍTULO 5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
e o de 20μF por quatro. Na figura 5.10 pode-se observar os três módulos de
condensadores.
Figura 5.10: Módulos de condensadores
5.7 Soluções Abandonadas
Os semicondutores de potência inicialmente seriam tirístores, depois foram substituídos
pelos do tipo TRIAC, visto ser necessário apenas metade destes para ligar os
condensadores. O circuito de drive também fica mais simples, pois apenas é necessário
accionar um semicondutor.
Por vez do sinal analógico da corrente ser convertido para um sinal de tensão, ajustado o
valor máximo para 5 V de pico e depois rectificado com amplificadores operacionais.
Na solução anterior o valor de saída do sensor de efeito de Hall seria ajustado para ter
2,5 V de pico, utilizando na saída deste um somador de 2,5 V. Assim, para uma corrente
alternada sinusoidal, o valor da tensão de saída do sensor seria entre 0 e 5 volts e com
valor médio de 2,5 V. Esta solução foi abandonada devido ao facto de a resolução no
conversor analógico para digital passar para metade.
Esta solução abandonada depende da anterior, refere-se ao modo como era detectado o
semiciclo da corrente. Deixou de ser por software, onde tinha a tensão de 2,5 V definida
como zero, se o valor obtido pelo ADC do microcontrolador fosse superior era
determinado como semiciclo positivo, caso fosse inferior seria o semiciclo negativo. A
83
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
solução utilizada passa por utilizar um amplificador operacional, para a entrada
alternada analógica da corrente, em que é utilizado como um comparador com zero.
Para sincronizar o instante de comutação dos semicondutores com o instante correcto da
tensão, depois de identificar o início do semiciclo da tensão, utiliza-se o número das
amostras do ADC. Na solução anterior, em vez utilizar a temporização do ADC
utilizava outro temporizador do microcontrolador para obter o instante para accionar os
semicondutores.
5.8 Testes
Depois de construído o protótipo foi realizado um conjunto de testes para analisar o
funcionamento, tendo como objectivo abordar as diversas situações. Nos testes em que
é utilizado o osciloscópio, para a aquisição de tensão utilizou-se um divisor de tensão
com duas resistências, a corrente foi obtida através da inclusão de uma resistência em
série com a carga. O valor das resistências para a tensão são de 1 MΩ e 100 kΩ com
uma potência de 0,25 W, a resistência da corrente é de 0,1 Ω e 5 W de potência.
5.8.1 Valores das amostras obtidas para uma carga linear
Para testar a parte de aquisição de valores por parte do ADC do microcontrolador, foi
utilizada uma carga linear com uma potência de 40 VA. Neste caso, o equipamento
guarda um conjunto de amostras, obtidas através do ADC e o estado dos sinais de
detecção de semiciclo para cada amostra, depois apresenta-as com recurso ao LCD.
Foram recolhidas amostras de quatro sinais, sendo a onda da tensão, da corrente, de
indicação de semiciclo da tensão e da corrente. Na figura 5.11 pode-se observar o
gráfico elaborado com as amostras da tensão.
84
CAPÍTULO 5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
Valores da Tensão
350
1,2
300
1
250
0,8
(V)
200
0,6
150
Tensão
Semiciclo
0,4
100
0,2
50
96
91
86
81
76
71
66
61
56
51
46
41
36
31
26
21
16
11
6
0
1
0
Nº de Amostras
Figura 5.11: Amostras da tensão
As amostras da corrente de um semiciclo para o outro são ligeiramente diferentes, como
se pode observar na figura 5.12. O mesmo acontece com as ondas que indicam a
detecção de semiciclo, visto que o atraso do sinal da corrente em relação à da tensão é
superior no semiciclo positivo do que no negativo.
Valores da Corrente
250
1,2
1
200
(mA)
0,8
150
0,6
Corrente
Semiciclo
100
0,4
50
0,2
96
91
86
81
76
71
66
61
56
51
46
41
36
31
26
21
16
11
6
0
1
0
Nº de Amostras
Figura 5.12: Amostras da corrente
85
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
5.8.2 Sinal de controlo para accionar o semicondutor
Nesta secção, com recurso ao osciloscópio pode-se observar na figura 5.13 o instante
em que o microcontrolador activa o sinal de controlo dos semicondutores, bem como o
tempo que de cada estado.
Figura 5.13: Onda da tensão (10V/div) e sinal de controlo para os semicondutores (2V/div), escala
de tempo (2ms/div)
Como o TRIAC conduz nos dois sentidos, o sinal de comando define o estado activo,
em dois instantes por ciclo. O semicondutor vai ser accionado no segundo e terceiro
quadrante, tendo em consideração que o primeiro quadrante consiste quando o valor da
corrente do sistema e a da gate no TRIAC são positivas. Deste modo, deixa de ser
necessário uma corrente negativa e positiva na gate, para colocar o semicondutor em
condução nos dois semiciclos é suficiente uma corrente negativa.
5.8.3 Condensador accionado pelo microcontrolador
Este teste tem como objectivo observar a forma de onda da corrente no condensador,
quando accionado pelo equipamento, apresentado na figura 5.14, verificar a capacidade
de colocar o semicondutor em condução, bem como diferenças em relação à
configuração com interruptor. Deste modo, o programa do equipamento foi alterado
para enviar o sinal de controlo do semicondutor, sem potência reactiva indutiva no
86
CAPÍTULO 5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
sistema por compensar, o módulo de condensadores utilizado no teste tem uma potência
de 83 VA.
Figura 5.14: Onda da Tensão (10V/div) e corrente (0,5A/div) no condensador accionada pelo
equipamento, escala de tempo (2ms/div)
Na figura 5.15 pode-se observar a forma de onda da tensão e da corrente do módulo de
condensadores ligado através de um interruptor.
A diferença entre o módulo accionado pelo equipamento e o ligado manualmente
consiste numa pequena interferência, no instante em que o sinal de controlo muda de
estado, quando controla o semicondutor que acciona no condensador.
Figura 5.15: Onda da tensão (10V/div) e da corrente (0,5A/div) no condensador, escala de tempo
(2ms/div)
87
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
5.8.4 Carga utilizada nos testes
Para efectuar os testes, o sistema deve apresentar energia reactiva indutiva, a carga
utilizada foi um auto-transformador variável, ligado para funcionar como uma bobina
variável. Com esta carga, apresentada na figura 5.16, consegue-se variar o valor da
potência reactiva. O factor de potência é praticamente zero, visto a potência ser
praticamente toda indutiva.
Quanto a características técnicas, a carga quando aplicada uma tensão de 230 V, a
corrente pode atingir o valor de 5 A, o que permite uma potência de 1150 VA.
Figura 5.16: VARIAC utilizado como carga
A forma de onda da corrente da carga não é linear, como se pode verificar na figura
5.17, a potência é praticamente toda reactiva indutiva e concentrada na zona
correspondente a 180 graus da tensão.
88
CAPÍTULO 5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
Figura 5.17: Onda da Tensão (10V/div) e corrente (1A/div) no VARIAC, escala de tempo (2ms/div)
5.8.5 Testes experimentais
De seguida são apresentadas as imagens dos testes experimentais, o objectivo passa por
verificar o funcionamento do equipamento. Para um conjunto de valores regulados pela
variação da carga, verificaram-se os valores apresentados pelo equipamento e a forma
de onda da tensão e da corrente depois de compensada. Os testes foram baseados no
diagrama apresentado na figura 5.18.
Como a carga é praticamente toda indutiva, quando forem accionados os
condensadores, o valor da potência vai diminuir mas o factor de potência vai manter-se
inalterado com o valor próximo de zero.
Figura 5.18: Diagrama de blocos do sistema dos testes
89
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
5.8.5.1 Carga com uma potência de 150 VA
Como se pode ver na figura 5.19, a carga é não linear e a corrente associada a esta, está
concentrada nos instantes próximos dos 180 graus da tensão. Como a corrente do
condensador tem uma forma mais aproximada a uma onda sinusoidal, a corrente da
carga é atenuada nesses instantes, nos restantes a corrente corresponde à do
condensador. Como o módulo de condensadores tem um valor de potência próximo da
potência da carga, no instante em que a corrente da carga é máxima, esta não é toda
compensada.
Como o programa do equipamento quando calcula o valor da potência reactiva,
distingue entre a componente da energia recebida na primeira metade do semiciclo da
tensão da componente recebida na segunda, neste caso tem energia recebida nas duas
partes.
Figura 5.19: Forma de onda da tensão (10V/div) e corrente (0,5A/div) na fonte, escala de tempo
(2ms/div)
Na figura 5.20 pode-se observar os valores obtidos e apresentados no LCD, para uma
potência reactiva indutiva de 150 VAr com o módulo de 83 VA, o valor depois de
compensado é igual a 124 VAr.
90
CAPÍTULO 5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
Figura 5.20: Imagem do LCD para o teste da carga de 150VA
5.8.5.2 Carga com uma potência de 550 VA
Neste teste pode-se observar o mesmo que na anterior, embora os valores de potência da
carga e do módulo de condensadores sejam maiores, na figura 5.21 pode-se observar as
características referidas.
Figura 5.21: Forma de onda da tensão (10V/div) e corrente (2A/div) na fonte, escala de tempo
(2ms/div)
91
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Neste teste o valor da potência da carga é igual a 550 VA e com a utilização do
equipamento este valor passou para 441 VA, está no nível 3 de compensação para um
total de 7. Os valores apresentados na LCD do microcontrolador podem ser observados
na figura 5.22.
Figura 5.22: Imagem do LCD para o teste da carga de 550VA
5.8.6 Conclusões
As amostras obtidas pelo equipamento são suficientes, bem como a diferenciação entre
amostras, tendo em conta que a carga tem uma potência reduzida. A detecção de
semiciclos não é exactamente igual de um semiciclo para o outro, mas a diferença é
desprezável.
Os equipamentos auxiliares revelaram-se importantes para a elaboração do protótipo, o
LCD na visualização de resultados do microcontrolador, bem com na calibração das
medidas para o conversor analógico para digital.
Devido ao programa da unidade de controlo ter sido desenvolvido para sistemas
lineares, quando aplicado a sistemas com a distorção na forma de onda da corrente
acentuada como é o caso da carga disponível para os testes, o valor da potência reactiva
tem algum erro. Tendo em consideração que a tensão pode ser considerada sinusoidal,
92
CAPÍTULO 5 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO TSC
com o método de cálculo a potência reactiva obtida corresponde à parte da potência
aparente que não é activa, assim essa potência inclui a potência reactiva e harmónica.
Independentemente do sistema eléctrico, com o acoplamento da carga não linear
utilizada nos testes, o equipamento não compensaria a totalidade da potência reactiva
associada à carga, mesmo que esta tivesse um valor de potência igual a um dos níveis
do equipamento.
A corrente nos condensadores está distorcida devido à distorção da tensão, a
deformação da corrente do módulo de condensadores não é tão pronunciada como a da
carga.
O equipamento ao accionar os condensadores gera uma pequena distorção na forma de
onda da corrente, embora seja desprezável, principalmente quando comparada com a
distorção devido à distorção da tensão.
Caso o equipamento active um módulo de condensadores, com um valor de potência
igual à potência da carga, o sistema eléctrico a que estes estão acoplados vai receber
energia na primeira metade e na segunda do semiciclo da tensão, quando se analisa as
figuras 5.19 e 5.21. Enquanto que com apenas a carga acoplada, ou seja o equipamento
desligado, a energia recebida pelo sistema corresponderia à primeira parte do semiciclo.
A energia recebida na segunda parte do semiciclo, corresponde à corrente do
condensador que não possui correspondência com uma corrente de valor oposto, nesses
instantes.
Se o equipamento compensar a parte reactiva indutiva totalmente, o sistema fica com
potência reactiva capacitiva, a potência reactiva indutiva é máxima no ângulo de 180
graus em relação à tensão.
93
6 – CONCLUSÕES
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
6 CONCLUSÕES
6.1 Objectivos Atingidos
As simulações do modelo do TSC foram efectuadas com sucesso, para duas
configurações, ligado em estrela e em triângulo.
Como trabalho adicional, foram efectuadas simulações para o TCR, ligado em estrela e
em triângulo, a fim de se ter uma referência para determinar se algumas características
do TSC são vantagens, desvantagens ou características comuns aos vários modelos.
As simulações referidas nos tópicos anteriores, foram efectuadas em dois programas de
simulação, o Pscad e o Matlab, com o objectivo de analisar os modelos em diferentes
situações.
Como sistemas auxiliares para o desenvolvimento do protótipo, foram elaborados o
programador e a interface com o LCD.
Desenvolveu-se o código para a unidade de controlo, com as funcionalidades de cálculo
da potência reactiva e gestão da entrada em funcionamento dos semicondutores.
Realizou-se a construção de um equipamento com três módulos de condensadores e
uma potência de 581 VA, constituído por unidade de medida, de controlo e de actuação.
O protótipo é monofásico, para além de baixa potência, visto ser um equipamento para
análise e de demonstração de funcionamento.
Com o protótipo desenvolvido foram realizados testes, com recurso a uma carga
reactiva indutiva, com o objectivo de analisar as características deste.
96
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES
6.2 Principais Resultados e Conclusões
O modelo do TSC cumpre com os requisitos, quanto à compensação do factor de
potência. No entanto para sistemas com um factor de potência muito baixo, nem sempre
consegue obter os mesmos resultados, devido a baixa resolução dos níveis ser mais
realçada para estes valores do factor de potência.
Para sistemas com um conteúdo harmónico na tensão reduzido, a inclusão do
equipamento não afecta significativamente o sistema. Por outro lado, para sistemas que
tenham alguma distorção na forma de onda da tensão, torna-se necessário a utilização de
filtros passivos, para o equipamento não distorcer a tensão do sistema ainda mais,
através da corrente com conteúdo harmónico. A partir de certo valor de distorção da
tensão, o modelo baseado em TSC tem uma taxa de distorção da corrente na fonte à
volta de 50 %, semelhante ao modelo do TCR que apresenta nessas situações uma
distorção de 60 %.
Nas transições entre módulos de condensadores, a distorção causada pelo modelo
aumenta, com um valor superior no Matlab do que no Pscad, mas estabiliza em poucos
ciclos.
O equipamento apesar de conseguir medir uma potência de 2300 VA, a resolução para
uma potência de 40 VA é aceitável, tendo em conta que o ADC do microcontrolador
está configurado para 8 bits. Para aumentar o valor máximo possível de ser medido,
depois de esgotado o número de bits do ADC, passa por duplicar o circuito de aquisição
de corrente calibrado para um valor superior. Para valores reduzidos utiliza o circuito de
menor potência, se a potência for superior a esse circuito, o equipamento utiliza o outro.
Se o número de módulos de condensadores ou o valor de potência do protótipo
aumentar, o regulador de tensão da unidade de actuação tem de ser substituído,
possivelmente por uma fonte comutada.
O microcontrolador utilizado na unidade de controlo é suficiente para as funções
desenvolvidas, pelo menos para um sistema monofásico. O programa cumpre os
97
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
requisitos, tanto no cálculo da potência como accionamento dos semicondutores, foi
optimizado para minimizar o tempo das tarefas.
A carga disponível para ser utilizada nos testes não é linear e a potência é praticamente
toda reactiva indutiva, estas características não são as ideais para o tipo de equipamento,
como resultado a potência reactiva apenas é atenuada. Tendo em consideração a figura
5.19 e que para o valor negativo da potência é considerado como energia recebida para
esses intervalos. Com o incremento do nível de potência do equipamento, a parte da
energia recebida correspondente à carga diminui até ser cancelada, mas a parte da
energia recebida associada aos módulos de condensadores aumenta.
A inclusão do equipamento não causa interferências significativas, embora devido à
corrente distorcida nos condensadores pela tensão, a distorção da tensão aumenta
ligeiramente. Pode-se recorrer ao uso de filtros passivos, para reduzir a distorção da
tensão e por consequência diminuir o erro do cálculo da potência reactiva pelo
programa.
Nos testes realizados a potência reactiva reduziu ligeiramente, embora seja accionado
um módulo de condensadores, com um valor de potência próximo ao da potência
reactiva a compensar, a descida do valor da potência reactiva não é proporcional ao
aumento do valor de potência do módulo de condensadores.
A construção do protótipo foi efectuada com sucesso, desde a aquisição da tensão e
corrente ao cálculo da potência e determinação e accionamento dos módulos de
condensadores. Com a elaboração deste projecto, pode-se verificar que é possível
efectuar um equipamento do tipo TSC com um custo acessível, embora para as
condições em que foram efectuados os testes não tem o funcionamento desejado, devido
às características da carga indutiva utilizada nos testes.
Com o contínuo desenvolvimento dos componentes electrónicos, estes encontram-se
cada vez mais acessíveis. Assim, o custo adicional da unidade de controlo pode
compensar tendo em conta as vantagens. Fornece energia reactiva para diversos valores
e permite ter uma maior flexibilidade no manuseamento dos equipamentos.
98
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES
Para o estado actual e futuro, com a proliferação das cargas não lineares, torna o
equipamento obsoleto, incapaz de cumprir na totalidade os objectivos para que foi
projectado. Assim para o futuro prevê-se a sua substituição por filtros activos, pois não
sofrem dos problemas deste equipamento, para além de solucionar os problemas
relacionados com os harmónicos.
6.3 Sugestões para Trabalho Futuro
Para trabalho futuro, pode-se optimizar as placas da unidade de medida e de actuação,
com vista a atenuar as interferências a que os circuitos estão sujeitos.
A interface com o utilizador pode ser melhorada, pode-se aumentar o número de botões
para ser possível colocar várias opções no menu base, como um menu para
monitorização onde o equipamento apenas recolhe informação.
Para melhorar o equipamento, pode-se aplicar o sistema de segurança, para a descarga
dos módulos de condensadores, quando o equipamento é desligado.
Por fim pode-se efectuar o equipamento baseado no modelo Híbrido, em que para além
do modelo TSC, utiliza um módulo de bobinas para compensar a energia reactiva entre
níveis do TSC.
99
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1].http://www.edp.pt/EDPI/Internet/PT/Group/Clients/Energy_services/Reactive_energ
y/Reactive_energy_effectc.htm , (02/10/2009)
[2].FUCHS, E. F. e MASOUM, M. A. S., Power Quality in Power Systems and
Electrical Machines, Elsevier Inc., 2008
[3].DORF, R. C., The Electrical Engineering Handbook, 2ª Edição, CRC Press LLC
1997
[4].RYAN, H. M., High Voltage and Testing, 2ª Edição, The Institution of Electrical
Engineers, 2001
[5].RASHID, M. H., Power Electronics Handbook, 2ª Edição, Elsevier Inc., 2007
[6].ACHA, E., AGELIDIS, V., ANAYA, O. e MILLER, T.J.E, Power Electronic
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[7].Components Magazine – EPCOS AG,
http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/Components/Page,locale=
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[8]. AREVA T&D – Low voltage products,
http://www.areva-td.fi/scripts/finland_home/publigen/content/templates/show.
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[9]. Thyristor switched capacitor Banks,
http://www.claritasindia.com/thyristor_swithched_capacitor_banks.html,
(04/10/2010)
102
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[10]. Revised SPECIFICATION FOR 300 KVAR STATIC COMPENSATOR Enq No
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http://www.bhel.com/dynamic_files//tender_files/pdf/Revised%20SPECIFICA
TION%20FOR%20300%20KVAR%20STATIC%20COMPENSATOR%20E
nq%20No%20570903381.pdf, (04/10/2010)
103
APÊNDICE A – MODELOS DAS SIMULAÇÕES
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
A MODELOS DAS SIMULAÇÕES
Este apêndice apresenta as imagens dos modelos utilizados nas simulações, para os
programas informáticos Pscad e Matlab. Em primeiro será apresentado os modelos do
Pscad, com as configurações TSC em estrela e triângulo, seguidas do TCR em estrela e
triângulo. Depois serão apresentadas as mesmas configurações para o Matlab.
A.1 PSCAD
Os modelos do Pscad são compostos por um conjunto de módulos, todos incluem um
módulo base diferente, cada modelo tem associado um conjunto de módulos auxiliares,
para fazer tarefas específicas ou simplesmente para expansão.
Da secção A.1.1 até à A.1.4, são apresentadas imagens do módulo base de cada um dos
modelos. Para demonstrar os módulos base são utilizadas três imagem, em que a
primeira tem a vista geral, seguindo-se duas imagens onde é possível ver a parte
superior e inferior mais a pormenor A secção A.1.5 apresenta os módulos comuns,
utilizados em todos os modelos, excepto o módulo de controlo que é utilizado apenas
nos modelos do TSC.
106
APÊNDICE A – MODELOS DAS SIMULAÇÕES
A.1.1 TSC Ligado em Estrela
Imagem 1: Visão geral do módulo base
Imagem 2: Visão superior do módulo base
107
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Imagem 3: Visão inferior do módulo base
A.1.2 TSC Ligado em Triângulo
Imagem 4: Visão geral do módulo base
108
APÊNDICE A – MODELOS DAS SIMULAÇÕES
Imagem 5: Visão superior do módulo base
Imagem 6: Visão inferior do módulo base
109
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
A.1.3 TCR Ligado em Estrela
Imagem 7: Visão geral do módulo base
Imagem 8: Visão superior do módulo base
110
APÊNDICE A – MODELOS DAS SIMULAÇÕES
Imagem 9: Visão inferior do módulo base
A.1.4 TCR Ligado em Triângulo
Imagem 10: Visão geral do módulo base
111
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
Imagem 11: Visão superior do módulo base
Imagem 12: Visão inferior do módulo base
A.1.5 Módulos comuns
Para além do módulo base, denominado de main no Pscad, as simulações incluem um
conjunto de módulos para expansão. O módulo cargas, onde inclui um conjunto de
cargas lineares e não lineares, bem como os interruptores para seleccionar as que estão
ligadas num determinado momento. O módulo de controlo, utilizado apenas nas
simulações do modelo TSC, em que recebe o valor da energia reactiva indutiva do
sistema e liga os condensadores correspondentes. O seguinte é utilizado para o cálculo
do factor de potência, na carga e na fonte, para se ter um ponto de comparação. Por fim,
este módulo calcula o valor da distorção na tensão e corrente de uma das fases,
apresenta o resultado em percentagem.
112
APÊNDICE A – MODELOS DAS SIMULAÇÕES
A.1.5.1 Módulo Cargas
Imagem 13: Visão geral do módulo cargas
Imagem 14: Visão superior do módulo cargas
Imagem 15: Visão inferior do módulo cargas
113
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
A.1.5.2 Módulo de controlo
Imagem 16: Visão geral do módulo de controlo
Imagem 17: Visão superior do módulo de controlo
114
APÊNDICE A – MODELOS DAS SIMULAÇÕES
Imagem 18: Visão inferior do módulo de controlo
A.1.5.3 Módulo de cálculo do factor de potência
Imagem 19: Visão do módulo de cálculo do factor de potência
115
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
A.1.5.4 Módulo de cálculo da distorção harmónica
Imagem 20: Visão do módulo de cálculo da distorção
A.2 Matlab
De seguida são apresentados os modelos em Matlab, em que se mostra a vista geral do
modelo, com o objectivo de se ter uma ideia acerca da constituição dos modelos.
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APÊNDICE A – MODELOS DAS SIMULAÇÕES
A.2.1 TSC Ligado em Estrela
Imagem 21: TSC ligado em estrela
117
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
A.2.2 TSC Ligado em Triângulo
Imagem 22: TSC ligado em Triângulo
118
APÊNDICE A – MODELOS DAS SIMULAÇÕES
A.2.3 TCR Ligado em Estrela
Imagem 23: TCR ligado em estrela
119
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
A.2.4 TCR Ligado em Triângulo
Imagem 24: TCR ligado em triângulo
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APÊNDICE B – ESQUEMAS DO EQUIPAMENTO
DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
B ESQUEMAS DO EQUIPAMENTO
Neste apêndice, serão apresentados os esquemas das placas que constituem o
equipamento, a unidade de medida, controlo e actuação. A fonte está distribuída pelas
placas, mediantes as necessidades para o funcionamento, inclui também os
transformadores. Os esquemas apresentados foram elaborados no programa EAGLE.
B.1 Unidade de Actuação
A unidade de actuação é composta pela interface entre a unidade de controlo e os
semicondutores, a fonte de alimentação necessária com o objectivo de isolar do resto do
equipamento.
Imagem 25: Esquema da unidade de actuação
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APÊNDICE B – ESQUEMAS DO EQUIPAMENTO
B.2 Unidade de medida
De seguida é apresentado o esquema da unidade de medida, composta pela aquisição e
adequação para a tensão e corrente, detecção de semiciclos e a parte da fonte necessária
para a alimentação desta unidade.
Imagem 26: Esquema da unidade de medida
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DESENVOLVIMENTO DE UM THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR
B.3 Unidade de controlo
Esta unidade é constituída praticamente pelo microcontrolador ATmega 128, tem dois
portos como entradas, uma para sinais analógicos e outra digital para os detectores de
semiciclo, as saídas têm três portos, um para os sinais de controlo dos TRIACS e duas
para a comunicação com o LCD.
Imagem 27: Esquema da unidade de controlo
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