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V SBQEE

Seminário Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica

17 a 20 de Agosto de 2003

Aracaju – Sergipe – Brasil

Código: AJU 04 069 Tópico: Análise, Diagnósticos e Soluções

UMA NOVA PROPOSTA PARA A MELHORIA DA SUPORTABILIDADE DE CONVERSORES VSI-PWM FRENTE A AFUNDAMENTOS DE TENSÃO

Fernando Nunes Belchior* José Carlos de Oliveira Universidade Federal de Uberlândia Universidade Federal de Uberlândia

RESUMO Os conversores de freqüência são, reconhecidamente, dispositivos altamente sensíveis à qualidade da energia elétrica, especialmente, quando da manifestação de VTCD’s. Esta forte correlação tem, como fundamento, a filosofia de proteção que acompanha tais equipamentos, as quais, sob a ação de afundamentos ou elevações de correntes e tensões, prontamente promovem seus desligamentos, o que traz conseqüências bastante prejudiciais ao processo, produto e lucratividade das empresas. Contribuindo neste contexto, este artigo se propõe a investigar o desempenho de uma alternativa de baixo custo, envolvendo modificações junto ao controle V/Hz conjuntamente com pré-seleção de tap’s dos transformadores de alimentação dos conversores. Através de estudos computacionais empregando para tanto um simulador no domínio do tempo, são realizadas investigações que realçam a eficácia da solução proposta. PALAVRAS-CHAVE Conversores de freqüência, afundamentos de tensão, suportabilidade, controle.

1.0 - INTRODUÇÃO Reconhecendo que os fenômenos relacionados com os Afundamentos de Tensão constituem-se, na atualidade, num dos mais expressivos distúrbios relacionados com a qualidade da energia elétrica, e ainda, a forte correlação

operacional destes com o funcionamento dos conversores estáticos de freqüência, os temas “sensibilidade” e “suportabilidade” assumem crescente importância no contexto da confiabilidade dos complexos elétricos industriais. Neste cenário, surgem várias propostas para que os citados equipamentos possam apresentar melhorias de seu desempenho quando da ocorrência dos problemas mencionados. As soluções mencionadas e, muitas vezes empregadas, não são novas. Considerando-as em maior profundidade, críticas podem ser feitas quanto à correlação entre os custos envolvidos e os ganhos obtidos. Para os modernos equipamentos hoje produzidos, as facilidades atreladas ao emprego de estratégias operacionais vinculadas com software permitem o estabelecimento de mecanismos de menor custo, sem maiores interferências com o hardware, etc., que podem resultar em estratégias atrativas para amenizar os impactos dos Afundamentos de Tensão sobre os conversores destacados. Este tipo de solução para os problemas consiste na essência do presente artigo. Vale ressaltar que o emprego do termo “nova proposta” não tem a pretensão de inovar na idéia de alterações junto ao sistema de controle, visto ser este um tema já contemplado em referências bibliográficas [1]. O avanço está concentrado num processo conjunto que utiliza, além de alterações de controle, também e conjuntamente, ajustes dos tap’s dos transformadores de suprimentos das unidades aqui enfocadas. Esta filosofia operacional, como será demonstrado, conduz a uma melhor eficácia do desempenho dos

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conversores submetidos aos fenômenos aqui estudados. Os mecanismos freqüentemente adotados para tornar o equipamento menos sensível aos afundamentos de tensão são [2], [3], [4]:

• Reforço da capacitância no barramento CC; • Aumento do momento de inércia da carga

acionada; • Operação com carga reduzida/velocidade

reduzida [5]; • Alterações no controle do inversor.

Estes procedimentos serão resumidamente considerados neste artigo, muito embora o cerne das discussões e análises ficarão restritos à atuação no controle e ajuste de tap’s.

2.0 - CONSIDERAÇÕES SOBRE OS CONVERSORES DE FREQUÊNCIA VSI-PWM A figura 1 mostra a unidade de potência do conversor de freqüência VSI. Pode ser visto que essa unidade é caracterizada por uma ponte retificadora não controlada, uma barra CC e o inversor. O conversor é alimentado com tensão trifásica através do suprimento CA. As condições não ideais, tais como afundamentos de tensão, elevação de tensão, distorção harmônica, desbalanço, etc, são impostas pela fonte de suprimento. Na saída do conversor tem-se uma tensão trifásica aplicada à carga.

Figura 1 – Modelo de conversor de freqüência implementado

computacionalmente.

Para representar o sistema acima, os seguintes modelos são usados [5]:

• Suprimento CA - Este foi representado por uma fonte de tensão trifásica e uma impedância representando o nível de curto circuito local. Qualquer perda na qualidade da energia associada a situações não ideais pode ser incluída com facilidade, bastando, para tanto, alterar o citado suprimento para atender aos requisitos de perda de qualidade a serem impostos;

• Retificador - Usando a biblioteca do Simulador Saber, a template para o retificador de 6 pulsos a diodo é obtida. Os componentes para proteção necessários, tais como circuitos snubber e outros foram incluídos. Os diodos são tipos comerciais;

• Barramento CC - É composto de indutor e capacitor já disponíveis na biblioteca do simulador;

• Inversor - A unidade CC para CA é representada por transistores de potência comerciais. Estes se encontram também disponíveis na biblioteca do simulador. As devidas proteções também são implementadas.

• Carga – Esta consiste num motor de indução trifásico alimentando uma carga mecânica com torque constante. O motor é modelado com as fases independentemente representadas [6].

Para os estudos computacionais a serem realizados empregou-se um sistema como caracterizado através da tabela 1.

Tabela 1. Parâmetros do sistema simulado.

Tipo Características

Suprimento AC Trifásica Ideal balanceada, Tensão

senoidal 380V (RMS fase-fase) R=0,7Ω e L=0,05mH.

Conversor de Freqüência

Controle PWM senoidal, S=4,1kVA, fchaveamento=4kHz, Lcc=0,1mH e

Ccc=330µF.

Motor de Indução

Trifásico, tipo gaiola de esquilo, 3HP, 4 pólos, 60 Hz, rs=3,31Ω, xs=2,34Ω,

rr=2,29Ω, xr=3,50Ω, xm=83,18Ω, Carga mecânica correspondente a 75% do seu

valor nominal.

3.0 - DESEMPENHO TÍPICO DE CONVERSORES DE FREQUÊNCIA SOB CONDIÇÕES DE AFUNDAMENTOS DE TENSÃO As figuras 2 a 6 são relacionadas à operação do conversor durante a ocorrência de um afundamento trifásico que conduziu a uma tensão final de 80% do valor inicial, com duração de 30 ciclos. Como o sistema é equilibrado, apresentam-se as formas de onda para apenas uma das tensões fase-fase (vab) e uma das correntes de linha (ia). As figuras 3 e 4 representam, respectivamente, a tensão de suprimento vab e a corrente na entrada (ia) do conversor, antes, durante e após o afundamento.

Figura 3 – Tensão vab na entrada do conversor.

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Conforme esperado, o afundamento trifásico é refletido simetricamente nas tensões de linha, reduzindo para 80% as amplitudes dessas tensões e conseqüentemente, os valores eficazes.

Figura 4 – Corrente (ia) na entrada do conversor.

A partir da inserção do afundamento, as correntes inicialmente se anulam, pois, enquanto a amplitude das tensões de entrada for menor do que a tensão no capacitor, os diodos da ponte retificadora do conversor ficarão inversamente polarizados, impedindo, portanto, a circulação das correntes. A interrupção na condução permanece até que a tensão no capacitor atinja o novo nível da tensão CA de entrada (figura 5). Deste momento em diante, um outro estado de equilíbrio é estabelecido, possibilitando a retomada do processo de condução da corrente, embora, com valores de pico (e eficazes) ligeiramente maiores, de forma a compensar a redução na tensão e ainda manter a potência requerida pela carga. Finalmente, ao término do afundamento, a variação brusca da tensão sobre o capacitor, retornando ao seu valor pré-evento, provoca elevados picos na corrente de entrada, que podem comprometer os componentes da ponte retificadora e/ou sensibilizar eventuais dispositivos de proteção inseridos nos alimentadores do conversor, desenergizando-o. A forma de onda da tensão contínua no elo CC é apresentada na figura 6.

Figura 5 – Tensão no elo CC do conversor.

As figuras 6 e 7 são representativas das grandezas monitoradas na saída do

equipamento, quando este não é provido de nenhuma solução para o aumento da sua suportabilidade. Na figura 6, como esperado, a relação entre o valor RMS da tensão na saída e entrada do dispositivo durante o distúrbio é cerca de 80%.

Figura 6 – Tensão vab na saída do conversor.

Na figura 7 é observada a corrente de saída do equipamento sob enfoque. O restabelecimento da tensão de entrada produz um alto pico de corrente, que pode danificar os componentes do inversor. Para prevenir este fato, a proteção do conversor deve desligá-lo ao ser sensibilizada por esta grandeza.

Figura 7 – Corrente de saída (ia).

Para exemplificar a atuação da proteção de subtensão no elo CC, resultados relativos a um afundamento de tensão trifásico de 75% durante 10 ciclos são apresentados nas figuras 8 e 9. A figura 8 corresponde à tensão no elo CC. A figura 9 é associada à tensão na saída do equipamento.

Figura 8 – Tensão no elo CC do conversor

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Figura 9 – Tensão vab na saída do conversor.

Observa-se na figura 8 uma significativa queda de tensão, suficiente para atingir o limite suportado pelo equipamento, causando o desligamento do mesmo. A figura 9 mostra, claramente, o total desligamento do equipamento.

4.0 - TÉCNICAS PARA A MELHORIA DA SUPORTABILIDADE De acordo com [2], diferentes estratégias podem ser empregadas para a melhoria da performance dos conversores de freqüência. Algumas delas são relacionadas na seqüência: 4.1 Reforço da sustentação capacitiva do

barramento CC Geralmente, o capacitor é dimensionado pelo fabricante do conversor para filtrar a tensão retificada pela ponte a diodos. Porém, o emprego deste componente armazenador de energia oferece outras propriedades, a exemplo de uma maior sustentação do barramento CC. Por este motivo, o incremento da capacitância original, com vistas à melhoria da suportabilidade do conversor, também implica em menor “ripple” CC e maior quantidade de energia armazenada para suprir o inversor e o conjunto motor-carga durante os afundamentos de tensão aqui considerados. Por outro lado, não se deve esquecer que tal alteração pode também resultar em maiores picos de corrente durante a operação normal e na ocorrência de afundamentos, o que pode comprometer os componentes do equipamento e/ou resultar em atuações do sistema de proteção contra sobrecorrentes. 4.2 Aumento do momento de inércia Uma das mais clássicas possibilidades para minimizar os efeitos dos afundamentos e interrupções da tensão de suprimento sobre as variações de velocidade consiste em aumentar o momento de inércia da carga, de forma que a energia cinética armazenada possa ser utilizada para sustentar o acionamento, diminuindo a desaceleração e as eventuais oscilações de

velocidade durante o afundamento. Este procedimento, todavia, implica em substanciais alterações da estrutura do arranjo e altos custos associados. 4.3 Operação com carga reduzida/velocidade

reduzida Uma vez que a queda de tensão no elo CC é também função da energia drenada do capacitor durante o afundamento de tensão, o funcionamento do conversor, em condições tais que menores correntes sejam requeridas, pode propiciar o aumento da suportabilidade dos conversores durante os afundamentos. O subcarregamento (“derating”) do conversor, ou seja, a operação com menor carga aplicada ao eixo do motor, ou ainda, a operação com menor velocidade, quando passíveis de serem realizadas, constituem-se em algumas das soluções que poderiam ser utilizadas para o aumento da suportabilidade do equipamento. 4.4 Atuação na característica V/Hz de controle [1] Estudos realizados concluem que somente 25% da energia armazenada no barramento CC de um conversor de freqüência são utilizados durante um afundamento de tensão. Dependendo do tipo de conversor e como é feito o controle do inversor, essa energia adicional pode ser utilizada, a fim de compensar a perda de velocidade ou até mesmo o desligamento do equipamento durante o distúrbio. Essa é a idéia dessa estratégia, que não utiliza qualquer outro suprimento de energia senão aquela já armazenada no próprio conversor. A proposta encontra sustentação em modificações sistemáticas e apropriadas da relação Volts/Hertz do inversor de freqüência, quando da manifestação da variação da tensão de suprimento. Em regime permanente, ou seja, quando a tensão no elo CC é nominal ou próxima desse valor (acima de 90%), a saída do circuito compensador apresenta um valor igual a 1 (um), mantendo a relação V/Hz na sua forma original. Sempre que a mesma se torna menor que este valor, devido ao fenômeno do afundamento, o circuito atua no sentido de aumentar temporariamente a relação V/Hz, resultando em um valor RMS superior de tensão na saída do conversor. Como resultado, tem-se uma menor variação da tensão que alimenta o motor, diminuindo assim, a oscilação da velocidade da carga acionada por este equipamento. No item a seguir, serão feitas maiores considerações dessa estratégia, apresentando resultados computacionais destinados a avaliação de sua eficácia.

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5.0 - CONCEITOS E ESTRATÉGIAS PARA MELHORIA DA SUPORTABILIDADE VIA CARACTERÍSTICA V/HZ A figura 10 ilustra o circuito utilizado para a compensação das perdas produzidas pelo afundamento de tensão. Como indicado, este é constituído basicamente por dois amplificadores operacionais ligados em cascata, caracterizando dois estágios funcionais.

Figura 10 – Circuito de compensação utilizado para o controle

do inversor.

A entrada do primeiro estágio, terminais A e B, é alimentada pelo barramento CC do conversor. Este estágio é um sensor de tensão que tem como objetivo diminuir a tensão provinda do barramento CC, fornecendo em sua saída, terminal C, uma tensão proporcional à tensão de entrada. Para tanto, apresenta um ganho de tensão menor que a unidade, o qual pode ser regulado de acordo com a relação R2/R1. O segundo estágio é um circuito comparador, que monitora a tensão obtida do primeiro estágio comparando-a com a tensão regulada pela resistência R3. O erro dessa comparação é amplificado, resultando na tensão no terminal D, que atua diretamente na relação tensão/freqüência do inversor, aumentando a amplitude da onda senoidal moduladora, a fim de aumentar o valor RMS da tensão na saída do conversor de freqüência. As resistências R4 e R5 podem ser reguladas para um melhor aproveitamento do circuito. Na seqüência serão mostrados resultados de uma situação onde não foram realizados ajustes do tap do transformador e outra, onde o ajuste foi incorporado. 5.1 Mudança da relação V/Hz sem ajuste do tap do transformador As figuras 11 (a) e (b) mostram resultados obtidos para o comportamento da tensão de saída do conversor antes, durante e após o afundamento, com e sem a inclusão do circuito de alteração do controle do conversor. É importante observar que, mesmo sem a alteração no tap do transformador de entrada, o valor RMS da tensão é aumentado,

através do circuito implementado. O incremento do valor RMS, todavia, se mostra modesto e, provavelmente, não conduziria a níveis apropriados à preservação da operação da carga.

a) Tensão na saída do conversor - sem a implementação do

circuito.

b) Tensão na saída do conversor - modificação no controle do

inversor.

Figura 11 – Tensão vab na saída do conversor, sem o ajuste do tap do transformador.

As figuras 12 (a) e (b) mostram, de forma mais detalhada, os efeitos da modificação no controle do inversor de freqüência. Numa situação sem a implementação do circuito (figura 12 (a)), a tensão durante o afundamento atinge o valor RMS de 0,8pu, tal como acontece na tensão na entrada do equipamento. O efeito dessa estratégia pode ser visto no aumento do valor RMS da tensão na saída do equipamento, este é incrementado para 0,85 pu, muito embora o nível da tensão CC tenha sido idêntico para as duas situações.

a) Detalhe do chaveamento - sem alteração no controle do

inversor.

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b) Detalhe do chaveamento - com alteração no controle do

inversor.

Figura 12 – Tensão vab na saída do conversor.

5.2 Mudança da relação V/Hz com ajuste do tap do transformador Adicionando-se, agora, um procedimento através do qual o transformador de suprimento do conversor opera, numa condição pré-distúrbio, com tensão superior àquela anteriormente utilizada, são realizados novos estudos do desempenho do conjunto. A tensão CA que alimentava o conversor, que era de 380V foi ajustada para 460V. Esta elevação do nível do suprimento, na situação anterior à ocorrência do afundamento é devidamente compensada pela modulação PWM, a qual conduz a um valor RMS inicial para a tensão de saída da mesma ordem de grandeza que a situação anteriormente estudada. Isto é evidenciado na figura 13. Após a manifestação do fenômeno relacionado com um afundamento de 20% durante 30 ciclos, constata-se, na mesma figura, que a tensão oferecida pelo conversor passa para 389V (antes o nível atingido foi 326V – com o controle atuante). Estes fatos ratificam a eficácia da solução considerada.

Figura 13 – Tensão vab na saída do conversor, com o ajuste

do tap do transformador.

A figura 14 ilustra, de forma detalhada, o avanço conseguido ao ajustar o tap do transformador alimentador do conversor de freqüência sobre análise. Pode ser verificada a significativa melhoria no valor RMS da tensão na saída do equipamento, que passou para 0.95pu durante um distúrbio da ordem de 0.8pu na entrada do

mesmo. Observa-se que, em relação ao caso sem ajuste do tap, a tensão CC, como esperado, é maior.

Figura 14 – Detalhe do chaveamento na tensão vab na saída

do conversor, com o ajuste do tap do transformador.

6.0 - CONCLUSÕES Este artigo, relacionado com técnicas para a melhoria de desempenho de conversores de freqüência frente a afundamentos de tensão contemplou uma estratégia fundamentada em reforço da relação V/Hz e ajuste de tap’s dos transformadores que suprem tais dispositivos. A análise da eficácia da solução foi investigada computacionalmente e os resultados obtidos apontam para uma estratégia promissora. Esta afirmativa se baseia não apenas nos desempenhos ilustrados, mas também nas expectativas de simplicidade e baixo custo de implementação. Pesquisas adicionais, envolvendo experimentos laboratoriais deverão ser enfocados nos desenvolvimentos futuros.

7.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Tunaboylu, N. S., Collins, Jr. E. R., “Ride-Through

Compensation of An Industrial Mixer Drive Subjected to Voltage Sags”, 10th ICHQP, 2002.

[2] A.Von Jouanne, P. N. Enjeti, and B. Banerjee, “Assessment of ride-through alternatives for adjustable-speed drives”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35, pp. 908-916, July/Aug. 1999.

[3] A. V. Jouanne, P. N. Enjeti, “ASD ride-though technology alternatives and development”, Electric Power Research Institute, Palo Alto, CA, Final Rep. TR-109903, Dec 1997.

[4] R. A. Epperly, F. L. Hoadley, R. W. Piefer, “Considerations when applying ASD's in continuous processes”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 33, no. 2, pp. 389-396, Mar./Apr. 1997.

[5] Leão, P.C.A., “Desempenho de Conversores de Freqüência VSI-PWM submetidos a afundamentos momentâneos de Tensão”. Uberlândia: UFU, 2002.

[6] Fitzgerald, A. E., Kingsley, C., Kusko, A., “Máquinas Elétricas: conversão eletromecânica da energia, processos, dispositivos e sistemas”, Editora McGraw-Hill, 1975.