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7/23/2019 ENER06_sinus_Final (1).pdf

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Projecto SINUS - Tecnologias para Melhoria da Eficincia eda Qualidade de Energia em Sistemas Elctricos

Joo L. Afonso, Jlio S. Martins, M. J. Seplveda Freitas, Renato MorgadoJ. Gabriel Pinto, Ricardo Pregitzer, Jos Cunha, Jos Batista, Eduardo Pinto

[email protected] de Electrnica Industrial, Universidade do Minho

Campus de Azurm, 4800-058 Guimares, Portugal

Resumo

O Projecto SINUS Tecnologia para Compensao Dinmica de Harmnicos,Factor de Potncia e Desequilbrios, trata do desenvolvimento de prottipos deequipamentos para a melhoria da eficincia e da qualidade de energia em sistemaselctricos de baixa tenso. Os equipamentos tero a funo de monitorizar osconsumos e a Qualidade da Energia Elctrica, de compensar dinamicamenteharmnicos e desequilbrios de corrente, bem como de corrigir o factor de potncia.Estes equipamentos podero ainda, e simultaneamente, funcionar como interfacede fontes de energia renovvel com a rede elctrica.

Palavras-chave: Qualidade de Energia Elctrica, Filtro Activo Paralelo, Interface comEnergias Renovveis, Monitorizao de Energia, Eficincia Energtica.

1. Introduo

A qualidade da energia elctrica , actualmente, um assunto de grande importncia, queenvolve as empresas produtoras e distribuidoras de energia, os consumidores e osfabricantes de equipamentos [1]. Os prejuzos econmicos resultantes de problemas de

qualidade de energia elctrica so cada vez mais elevados, e por isso esta questo hoje, mais do que nunca, objecto de grande preocupao. de salientar que a EnergiaElctrica, enquanto um produto, tem caractersticas particulares, uma vez que a formacomo os consumidores a utilizam, influencia a qualidade da energia elctrica fornecida

pelas empresas produtoras e distribuidoras, ou seja, uma carga poluidora produzefeitos no s a jusante mas tambm a montante do local da sua instalao. Estacaracterstica faz com que os problemas de qualidade de energia elctrica sejam difceisde isolar, e por consequncia se propaguem a todo o sistema elctrico.Estudos realizados na Europa e Estados Unidos (nomeadamente pelo EuropeanCOPPER Institutee pelo EPRI - Electric Power Research Institute) comprovam que amaioria das empresas no tm as suas instalaes elctricas preparadas para lidar com

os problemas de qualidade de energia elctrica, tendo em conta a realidade dosequipamentos utilizados nos processos produtivos, com significativo impacto naeficincia dos sistemas de produo e distribuio de Energia Elctrica. Alm disso,verificou-se que, na maior parte dos casos os responsveis pelas instalaes elctricasnas empresas no associam os problemas que ocorrem ao facto das instalaes noestarem adequadas aos problemas de qualidade de energia a que esto sujeitos. Umaempresa que no esteja preparada para lidar com este tipo de problemas, para alm de

pagar mais energia elctrica do que aquela que efectivamente necessita (devido aoacrscimo de perdas nas instalaes), pode ter ainda que suportar custos acrescidossubstanciais devido a interrupes, deteriorao de processos produtivos, ou avariados equipamentos utilizados, o que pode ter como resultado produtos ou servios de

qualidade inferior e com custos superiores aos das empresas concorrentes.O nmero de conversores electrnicos de potncia utilizados, sobretudo na indstria,mas tambm pelos consumidores em geral, no pra de aumentar. Em resultado disso


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possvel observar uma crescente deteriorao das formas de onda de corrente e tensodos sistemas elctricos, com significativo impacto nas redes de distribuio. Cabesalientar que a eficincia dos sistemas de produo, transporte e distribuio estdirectamente relacionado com a qualidade no consumo da energia elctrica. De acordocom um estudo efectuado peloEuropean COPPER Instituteo custo total dos problemas

de qualidade de energia na Europa estimado num valor entre 13 e 20 mil milhes deeuros por ano [2].A importncia da utilizao de fontes no poluentes de energia renovvel actualmentemaior do que nunca, devido aos problemas de aquecimento global, e ao custo crescentedos combustveis fsseis, que comprometem as economias dos pases importadores.Para Portugal, as fontes de energia renovvel assumem um papel de suma importncia,uma vez que Portugal est comprometido pelo Protocolo de Kyoto em produzir energiaa partir de fontes no poluentes, e tambm porque Portugal apresenta uma enormedependncia energtica do exterior, importando quase 90% do total da energia queconsome. Por outro lado, Portugal um importante mercado para equipamentos deenergia renovvel baseados no sol e no vento, uma vez que possui estes recursos emquantidade aprecivel. Alm disso, Portugal tem fortes laos com muitos pases aindaem desenvolvimento, que pertencem aos PALOP, que precisam desenvolver fontes deenergia elctrica a baixo custo. Dessa forma, o desenvolvimento de tecnologiasrelacionadas com a produo de energia a partir de fontes renovveis, assume umaenorme importncia para o Pas.Cabe enfatizar que o Projecto SINUS se insere na Poltica Energtica Nacional, umavez que 6 dos objectivos declarados nessa poltica so directamente abrangidos por este

projecto: reduo da intensidade energtica no produto; reduo da factura energtica;melhoria na qualidade de servio; diversificao das fontes e aproveitamento dosrecursos endgenos; minimizao do impacto ambiental; contribuio para o reforo dacompetitividade e da economia nacional.

2. Objectivos

Baseado em trabalhos de investigao e desenvolvimento tecnolgico realizados noDepartamento de Electrnica Industrial da Universidade do Minho [3-8], o ProjectoSINUS tem como objectivo a validao de tecnologia para a compensao dinmica deharmnicos, factor de potncia e desequilbrios, de forma a demonstrar ao pblicoespecializado, e em situao real, as suas vantagens tcnicas e econmicas. Assim

pretende-se implementar equipamentos-piloto que venham a comprovar em instalaesindustriais e de servios os resultados relativos ao desenvolvimento de: Filtros Activosde Potncia para a Rede Elctrica; Sistemas de Monitorizao de Qualidade de Energiae Sistemas de Interface de Fontes Alternativas de Energia com a Rede Elctrica. Com

este projecto almeja-se ainda contribuir para sensibilizar o sector especializado daEngenharia Electrotcnica em Portugal para as questes da Qualidade de EnergiaElctrica e para os problemas prticos enfrentados pelo sector elctrico nacional.

3. O Sistema de Monitorizao

A utilizao de monitorizadores nos sistemas elctricos permite detectar e diagnosticarproblemas de qualidade de energia e traar perfis de consumo. Contudo, usualmente osequipamentos comerciais so muito dispendiosos, inviabilizando a sua utilizao pelagrande maioria dos consumidores. Um dos objectivos do projecto SINUS odesenvolvimento de um sistema de monitorizao de baixo custo que possa ser

facilmente adquirido ou alocado em regime de aluguer pelas empresas. Foram jdesenvolvidos alguns prottipos desses sistemas de monitorizao (Fig. 1), que utilizam


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elementos de efeito Hall para a medio de tenses e correntes (ou ainda sensoresbaseados no princpio de Rogowski para a medio das correntes), uma carta deaquisio de dados, um PC (computador pessoal), e a linguagem de programaogrficaLabVIEW daNational Instruments[6, 7].O sistema de monitorizao adquire dados continuamente, armazenando em ficheiros a

informao que resulta da deteco de anomalias referentes qualidade da energiaelctrica. A informao pode ser visualizada directamente em grficos e tabelas, sendotambm possvel, produzir relatrios no formatoHTMLe Word. Estes relatrios podemser enviados directamente para uma impressora, ou armazenados em disco, onde ficamacessveis remotamente atravs de um web browser comum. Por motivos desimplicidade de utilizao o software desenvolvido foi dividido em vrias aplicaescomplementares que permitem a monitorizao e anlise de diversos parmetrosrelacionados com qualidade e consumos de energia elctrica: Osciloscpio e THD,Eventos PQ (Power Quality), Valores Clssicos e Teoria p-q.

Fig. 1 Prottipos do Sistema de Monitorizao desenvolvidos.

4. O Filtro Activo Paralelo

A utilizao de um Filtro Activo Paralelo permite compensar de forma dinmica osproblemas de harmnicos e desequilbrios das correntes e corrigir o factor de potncia,contribuindo desta forma para a melhoria da qualidade de energia nos sistemaselctricos. A Fig. 2 representa o princpio de funcionamento de um Filtro ActivoParalelo. Nessa figura possvel visualizar as formas de onda de tenso e corrente numsistema elctrico, antes e depois da instalao do filtro activo. possvel reparar queantes da ligao do filtro activo (Fig. 2(a)) a corrente com grande contedo harmnicoda carga no linear provoca a distoro da tenso, fazendo com que a carga linear sejaafectada por essa distoro. Com a instalao do Filtro Activo Paralelo (Fig. 2(b)) os

harmnicos provocados pela carga no linear so compensados, e desta forma a tensoaplicada carga torna-se sinusoidal.O Filtro Activo Paralelo em desenvolvimento no mbito do Projecto SINUS, constitudo por vrios mdulos: Sensores de Tenso e Sensores de Corrente (sensoresde efeito Hal); DSP (Digital Signal Processor), que responsvel por adquirir os sinaisdas tenses e das correntes disponibilizados pelos sensores e por realizar os clculosnecessrios para determinar a cada instante o valor das correntes de compensao;Inversor de Electrnica de Potncia, utilizado para injectar na rede elctrica as correntesde compensao determinadas pelo DSP; Circuitos Electrnicos de Condicionamento deSinal, necessrios para adaptar os nveis dos sinais provenientes dos sensores de tensoe corrente para os valores adequados aos ADCs (Analog to Digital Converters) do DSP,

e para amplificar os sinais de sada do DSP para o disparo correcto dos semicondutoresdo Inversor. Na Fig. 3 so apresentadas fotos dos diversos mdulos que constituem oprottipo do Filtro Activo Paralelo em desenvolvimento.


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CARGA

NOLINEAR

CARGALINEAR

REDEELCTRICA

1Li

2Li

Si

LR

Sv

v L

v

a

1Li

2Li

Si

LR

Sv

v L

v

FILTROACTIVO

PARALELO

FAi

CARGANO

LINEAR

CARGALINEAR

REDEELCTRICA

b

Fig. 2 Exemplo de sistema elctrico: (a) Sem compensao;(b) Com compensao por Filtro Activo Paralelo.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Fig. 3 Mdulos do Filtro Activo Paralelo: (a) Sensores de Tenso; (b) Sensores de Corrente;(c) Circuitos de Condicionamento de Sinal; (d) DSP; (e) Inversor.

Na Fig. 4 possvel visualizar o desempenho do Filtro Activo Paralelo na compensaoda distoro harmnica e dos desequilbrios de corrente, e na correco do factor de

potncia, atravs de resultados de simulao do seu sistema de controlo baseado naTeoria p-q [3]. Observa-se que, embora as correntes na carga sejam distorcidas, ascorrentes na fonte, aps compensao, tornam-se sinusoidais, equilibradas e em fasecom as tenses, e que a corrente no neutro passa a ser nula. tambm importanteressaltar que, graas actuao do filtro activo, os valores eficazes das correntes nasfases diminuem (a corrente de neutro mesmo anulada), e dessa forma, as perdas noscondutores do sistema elctrico (que dependem do quadrado dos valores eficazes dascorrentes) so bastante reduzidas.Valores eficazes das correntes na carga:

aI = 73,74 A, bI = 55,53 A, cI = 36,50 A, nI = 69,68 A

Valores eficazes das correntes na fonte:

scsbsa III == = 45,23 A, snI = 0

Tambm possvel observar na Fig. 4 que, por aco do filtro activo, o valorinstantneo da potncia na fonte torna-se constante, significando que o sistema elctrico

passa a entregar apenas potncia activa ao conjunto constitudo pelo filtro activo e pelacarga.


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Potncia Instantnea na Carga:ccbbaa iviviv)t(p ++=3

Potncia Instantnea na Fonte: sccsbbsaas iviviv)t(p ++=3

Tempo (s)

0

Tenses de Fase (va , vb , vc)

Tempo (s)Correntes na Carga(ia , ib , ic , in )

Tempo (s)

Correntes na Fonte (isa , isb , isc , isn )

Tempo (s)

Fig. 4 Formas de onda das potncias, tenses e correntes na carga e na fonte para operaocom Filtro Activo Paralelo.

5. Concluses

Este artigo descreve os equipamentos que esto a ser desenvolvidos no mbito doProjecto SINUS, cujo esquema representativo do sistema integrado mostrado naFig. 5. O monitorizador aqui apresentado embora ainda alvo de algumas optimizaesde software j foi utilizado com sucesso na monitorizao de qualidade de energiaelctrica em industrias e empresas de servios, revelando-se um equipamento de grandeversatilidade, e em alguns aspectos superior maioria dos equipamentos comerciais. OFiltro Activo Paralelo encontra-se em fase de prottipo laboratorial e tem apresentado

bons resultados em diversos tipos de testes e ensaios, tanto para a compensao de

harmnicos de corrente, de desequilbrios e de factor de potncia, quanto para ainjeco de energia na rede elctrica. Um prottipo a ser instalado e testado emindstrias e empresas de servios est em fase de desenvolvimento.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao PRIME (Programa de Incentivos Modernizao daEconomia) pelo financiamento do Projecto SINUS - DEMTEC/020/1/03, e FCT(Fundao para a Cincia e a Tecnologia), pelo financiamento dos ProjectosPOCTI/ESE/41170/2001 e POCTI/ESE/48242/2002.


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icc*icb

*ica

*

H1

H2

H3 H5 H7

H4 H6 H8

1

2

3

4

5

86

7

Vd-

a b c n

icaicb icc i

M DUIGB

ReElctr Car

ica

icb

icc

INVERS

H1 -H2 - H3 -H4 -H5 -H6 -H7 -H8

CircuitoDri do IGB

ab

c

NR C

Circuito de Tem o

Cd

H1

H2

H3 H5 H7

H4 H6 H8

1

2

3

4

5

86

7

Vd

+

a b c n

icn

MDULOIGBTS

RedeElctrica Carga

INVERSOR

H1 - H2 - H3 - H4 - H5 - H6 - H7 - H8

Circuito de Drive dos IGBTsDeteco de

Sobrecorrente

Sistema de Monitorizao para Anlise da Qualidade de Energia

Aquisio de Dados(Sensores de Tenso e Corrente) ic

ib

iavavb

vcvdc

Controlador Digital(DSP / Microcontrolador)

Fig.5 Esquema representativo do sistema integrado dos equipamentos do Projecto SINUS.

Referncias

[1] R. Redl, P. Tenti, J. Van Wyk, Power Electronics Polluting Effects, IEEE Spectrum, Maio1997, pp. 33-39.

[2] David Chapman, The Cost of Poor Power Quality, Power Quality Application Guide,Copper Development Association, November 2001

[3] Joo Afonso, Carlos Couto, Jlio Martins, Active Filters with Control Based on the p-q

Theory, IEEE Industrial Electronics Society Newsletter, vol. 47, n 3, Set. 2000, pp. 5 10.[4] Joo Afonso, Maurcio Aredes, Edson Watanabe, Jlio Martins, Shunt Active Filter forPower Quality Improvement, International Conference UIE 2000 - Electricity for aSustainable Urban Development, Lisboa, Portugal, 1-4 Novembro 2000, pp. 683- 691.

[5] Joo L. Afonso, M. J. Seplveda Freitas, and Jlio S. Martins, p-q Theory PowerComponents Calculations ISIE2003 - IEEE International Symposium on IndustrialElectronics, Rio de Janeiro, Brasil, 9-11 Junho de 2003, ISBN: 0 7803 7912 8.

[6] Jos Batista, Jlio S. Martins, Joo L. Afonso, Low-Cost Power Quality Monitor Based ona PC, ISIE2003, Rio de Janeiro, Brasil, 9-11 Junho de 2003, ISBN: 0-7803-7912-8.

[7] Jos Batista, Jlio S. Martins, Joo L. Afonso, Sistema de Monitorizao da Qualidade daEnergia Elctrica Baseado em PC, 8 Congresso Luso-Espanhol de EngenhariaElectrotcnica, pp. 4.53-4.58, Vilamoura, Algarve, Portugal, 3-5 Julho de 2003.

[8]

Ricardo L. Pregitzer, Tiago N. Sousa, Jlio S. Martins, Joo L. Afonso, Interface entreFontes de Energia Renovvel e a Rede Elctrica, ENER05 Conferncia sobre EnergiasRenovveis e Ambiente, Figueira da Foz, Portugal, 5-7 de Maio de 2005, pp. 1.143-1.148.

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