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UFPA

DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE EM LABVIEW PARA AUXÍLIO DO

APRENDIZADO SOBRE LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CORRENTE

CONTÍNUA

JOSÉ ANDERSON CUNHA E SILVA

2º Período / 2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ

TUCURUÍ – PARÁ - BRASIL

ii

JOSÉ ANDERSON CUNHA E SILVA

DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE EM LABVIEW PARA AUXÍLIO DO

APRENDIZADO SOBRE LINHAS DE TRANSMISSÃO EM CORRENTE

CONTÍNUA

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao colegiado de

Engenharia Elétrica – UFPA, Campus de Tucuruí, para

obtenção do título de bacharel em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Ewerton Ramos Granhen

Coorientador: Msc. Antenor Neves dos Santos Filho

Tucuruí/PA

2015

iv

DEDICATÓRIA

“Ao meu bom Deus que sempre tem estado comigo nessa

jornada e também à minha esposa Arielly e minhas filhas

Sara e Elisa por todo apoio.”

v

AGRADECIMENTOS

A Deus, por ter me concedido saúde, paz, sabedoria e força para lidar com cada

situação da vida.

Ao meu pai José Maria por, a sua maneira, sempre torcer por mim.

A todos os amigos que me apoiaram durante todo o curso.

À minha esposa Arielly, pelo apoio e pelos conselhos dados. Obrigado por ser tão

compreensiva e paciente.

Ao professor Ewerton Ramos Granhen pela orientação, mesmo em meio a tantos

afazeres.

Ao meu amigo e co-orientador Antenor Neves dos Santos Filho, por todo auxílio e

apoio.

vi

RESUMO

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um software que simula, de forma simplificada,

a operação de uma linha de transmissão em corrente contínua genérica, com a ajuda do

software LabVIEW. Inicialmente, é apresentada uma visão geral do sistema elétrico brasileiro

e também um panorama dos grandes empreendimentos de geração que estão sendo

construídos na região norte do Brasil, que escoarão a energia elétrica neles gerados por linhas

de transmissão em corrente contínua. Também é apresentado um breve histórico da evolução

desse sistema de transmissão, alguns dos principais elementos que o compõem, o

funcionamento do processo de conversão de corrente alternada para corrente contínua e a

inversão novamente para corrente alternada. Posteriormente, é desenvolvido o software de

simulação, incorporando alguns dos principais elementos que compõem esse sistema de

transmissão de forma a apresentar, de maneira didática, o funcionamento e as principais

características desse sistema, que está sendo cada vez mais utilizado no Brasil.

Palavras chaves: HVDC, Transmissão em Corrente Contínua, Retificação, Inversão.

vii

ABSTRACT

This paper presents the development of a software that simulates a simplified manner, the

operation of a transmission line in generic DC, with the help of LabVIEW software. An

overview of the Brazilian electric system and also an overview of the large generation

projects being built in northern Brazil, which will drain the electricity generated in them by

transmission lines in DC initially appears. Also a brief history of the evolution of this

transmission system is presented, some of the key elements that make it up and operation of

the AC conversion to DC and back to AC inversion. It is then developed the simulation

software, incorporating some of the main features of this transmission system in order to

present in a didactic way, the operation and the main features of this system being

increasingly used in Brazil.

Keywords: HVDC, Transmission in Direct Current, Rectification, Inversion.

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Estrutura básica de um Sistema Elétrico de Potência. ............................................. 1

Figura 1.2. Distância entre as subestações de Xingu-PA e Estreito-MG. .................................. 3

Figura 1.3. UHE Itaipu. .............................................................................................................. 4

Figura 1.4. Obras da UHE Santo Antônio. ................................................................................. 5

Figura 1.5. Maquete 3D da UHE Belo Monte. ........................................................................... 7

Figura 2.1. Estação conversora de Gotland com conversores de válvulas de arco de mercúrio.

.................................................................................................................................................. 10

Figura 2.2. Diagrama unifilar genérico de um sistema HVDC. ............................................... 11

Figura 2.3. Esquema de torres CC e CA para transmissão de mesma quantidade de energia. . 12

Figura 2.4. Conversor Back-to-Back. ....................................................................................... 13

Figura 2.5. Esquemático de Monopolo HVDC. ....................................................................... 14

Figura 2.6. Esquemático de um Bipolo HVDC. ....................................................................... 15

Figura 2.7. Estrutura e símbolo do tiristor. ............................................................................... 16

Figura 2.8. Válvulas de Tiristores. ........................................................................................... 17

Figura 2.9. Transformador Conversor. ..................................................................................... 18

Figura 2.10. Reator de Alisamento. .......................................................................................... 19

Figura 2.11. Banco de Filtros CA. ............................................................................................ 20

Figura 2.12. Processo de comutação com Conversor de 6 Pulsos. ........................................... 21

Figura 2.13. Formas de ondas obtidas com a variação do ângulo α. ........................................ 22

Figura 2.14. Comparação da posição da Ponte Inversora em relação a Ponte Conversora. ..... 23

Figura 2.15. Analogia entre os ângulos para o Retificador e para o Inversor. ......................... 23

Figura 2.16. Inversor monofásico e forma de onda quadrada de saída (carga indutiva). ......... 24

Figura 2.17. Diagrama esquemático de Conversor Multiníve. ................................................. 25

Figura 2.18. Forma de onda de Sinal Multinível, com modulação em escada. ........................ 25

Figura 3.1. Tela de abertura do LabVIEW 8. ........................................................................... 27

Figura 3.2. Interface do usuário do programa de simulação. ................................................... 28

Figura 3.3. Janela da Fonte CA apresentada ao usuário. .......................................................... 29

Figura 3.4. Lógica da Fonte CA. .............................................................................................. 30

Figura 3.5. Janela do Filtro CA apresentada ao usuário. .......................................................... 31

Figura 3.6. Sinal da fonte antes e depois da filtragem. ............................................................. 32

Figura 3.7. Lógica empregada no Filtro CA. ............................................................................ 32

ix

Figura 3.8. Janela do Transformador apresentada ao usuário. ................................................. 34

Figura 3.9. Janela do Retificador apresentada ao usuário. ....................................................... 35

Figura 3.10. Ondas retificadas para o ângulos de 0º. ............................................................... 36

Figura 3.11. Lógica empregada no Retificador. ....................................................................... 37

Figura 3.12. Lógica empregada no Retificador. ....................................................................... 37

Figura 3.13. Janela do Reator de Alisamento apresentada ao usuário. .................................... 39

Figura 3.14. Forma de onda retificada (preto), juntamente com o sinal CC (vermelho)

resultante da aplicação do Reator de Alisamento para um ângulo de disparo de 0º. ............... 39

Figura 3.15. Lógica empregada no Reator de Alisamento. ...................................................... 40

Figura 3.16. Janela do Inversor apresentada ao usuário. .......................................................... 42

Figura 3.17. Formas de onda geradas após o Inversor ............................................................. 42

Figura 3.18. Formas de onda “alisadas” após passar pelo filtro (Sobrepostas). ....................... 43

Figura 3.19. Lógica empregada no Inversor. ............................................................................ 44

Figura 3.20. Criação do executável do software. ..................................................................... 45

Figura 3.21. Localização do arquivo de instalação no Windows. ............................................ 46

Figura 3.22. Instalação do software. ......................................................................................... 47

x

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Função dos blocos usados na Fonte CA. .................................................................. 30

Tabela 2. Função dos blocos usados no Filtro CA. .................................................................. 33

Tabela 3. Função dos blocos usados no Retificador. ................................................................ 38

Tabela 4. Função dos blocos usados no Reator de Alisamento. ............................................... 41

Tabela 5. Função dos blocos usados no Inversor. .................................................................... 45

xi

SUMÁRIO

RESUMO ............................................................................................................................. vi

ABSTRACT ........................................................................................................................ vii

LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................... viii

LISTA DE TABELAS ......................................................................................................... x

1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 1

1.1 Visão Geral do Setor Elétrico no Brasil ..................................................................... 1

1.2 Ampliação da Geração de Energia no Brasil ............................................................. 2

1.3 O HVDC no Brasil Atualmente ................................................................................. 4

1.3.1 Itaipu ..................................................................................................... 4

1.3.2 Jirau e Santo Antônio ............................................................................ 5

1.3.3 Belo Monte ........................................................................................... 7

1.4 Justificativa ................................................................................................................ 8

1.5 Objetivos .................................................................................................................... 8

2 A TRANSMISSÃO EM HVDC ..................................................................................... 9

2.1 Introdução ao HVDC ................................................................................................. 9

2.2 Arranjos HVDC ....................................................................................................... 13

2.2.1 Conversores Back-to-Back .................................................................. 13

2.2.2 Transmissão de longa distância Monopolar ....................................... 14

2.2.3 Transmissão de longa distância Bipolar ............................................. 15

2.3 Principais Equipamentos da Transmissão HVDC ................................................... 16

2.3.1 Válvulas de Tiristores ......................................................................... 16

2.3.2 Transformador Conversor ................................................................... 17

2.3.3 Reator de Alisamento ......................................................................... 18

2.3.4 Filtros CA ........................................................................................... 19

2.4 A Teoria de Conversão ............................................................................................ 20

3 IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA SIMULADO ................................................... 26

3.1 Ambiente Virtual para Simulação ............................................................................ 26

3.2 Desenvolvimento do Software ................................................................................. 27

3.2.1 Fonte CA ............................................................................................. 29

3.2.2 Filtro CA ............................................................................................. 31

3.2.3 Transformador Conversor ................................................................... 33

3.2.4 Retificador .......................................................................................... 34

3.2.5 Reator de Alisamento ......................................................................... 38

3.2.6 Inversor ............................................................................................... 41

3.3 Criação de um Arquivo Executável ......................................................................... 45

xii

4 CONCLUSÃO ............................................................................................................... 48

4.1 Sugestões para Trabalhos Futuros ........................................................................... 48

REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 50

1

1 INTRODUÇÃO

A energia elétrica é de fundamental importância para o desenvolvimento da

sociedade atual. Ela pode ser convertida para gerar luz, força para movimentar motores e

fazer funcionar diversos produtos elétricos e eletrônicos utilizados no cotidiano como

computador, geladeira, micro-ondas, chuveiro e etc.

Nesta seção é apresentada uma visão geral do setor elétrico nacional e um

panorama dos sistemas de transmissão em corrente contínua atualmente no Brasil.

1.1 Visão Geral do Setor Elétrico no Brasil

O atual modelo do setor elétrico brasileiro começou a ser formado devido a

reformas que ocorreram na década de 1990, assim como ocorreu no mundo todo. Seguindo os

moldes mundiais, os setores de geração, comércio e transporte passam a ser administrados e

operados por agentes distintos, visando em primeiro lugar, a livre concorrência, sempre que

possível. (ABRADEE, 2015). A Figura 1.1 apresenta de forma simplificada a configuração do

modelo do setor elétrico nacional atualmente.

Segundo Abradee (2015), os segmentos de geração e comercialização, foram

caracterizados competitivos, já nos segmentos de transmissão e distribuição, que são inviáveis

para a concorrência em uma mesma área devido à sua estrutura física, predominou o modelo

de regulação pelos agentes reguladores.

Fonte: ABRADEE, (2015)

Figura 1.1. Estrutura básica de um Sistema Elétrico de Potência.

2

A geração industrial de energia elétrica pode ser realizada de várias maneiras,

como por meio da energia potencial da água (geração hidrelétrica), da energia potencial dos

combustíveis (geração termoelétrica), da energia dos ventos (geração eólica), utilizando a

energia do sol (geração solar), entre outras.

No Brasil, cerca de 74,7% (69.946 MW) da energia gerada é através de

hidrelétricas, isso porque o nosso país possui um rico potencial hidráulico. Além do já

aproveitado, possui ainda um potencial estimado em mais de 1700.000 MW (CREDER,

2007).

A transmissão é responsável por transportar grandes quantidades de energia que

saem das unidades geradoras tendo um papel muito importante no atual setor elétrico

brasileiro, que é interligar o sistema elétrico nacional, que já o faz em mais de 97%. Em geral,

apenas poucos consumidores com um alto consumo de energia elétrica são conectados às

redes de transmissão onde predomina a estrutura de linhas aéreas (ANDRADE, 2014)

Segundo Creder (2007), a distribuição é a parte do sistema elétrico já dentro dos

centros de utilização (cidades bairros, indústrias, etc). A distribuição começa na subestação

abaixadora, onde a tensão da linha de transmissão é baixada para valores padronizados nas

redes de distribuição primária (13,8kV e 34,5kV).

As redes de distribuição alimentam consumidores industriais de médio e pequeno

porte, consumidores comerciais e de serviços, e consumidores residenciais (ANDRADE,

2014).

A comercialização é um segmento que surgiu no Brasil na década de 1990 junto

com as reestruturações que estavam acontecendo no setor elétrico mundialmente. Mais

precisamente em 1996, o governo implanta o Projeto de Reestruturação do Setor Elétrico

Brasileiro com o intuito de estimular o investimento no setor e assegurar a expansão da oferta

de energia no país. Em dezembro deste ano foi criada a Agência Nacional de Energia Elétrica

(ANEEL) como órgão regulador do setor elétrico, que em 1998 definiu as condições para o

exercício da atividade de comercialização de energia em geral. Este segmento relaciona-se

muito mais com os aspectos institucionais e econômicos do que com o processo físico de

geração e transmissão de energia (ABRADEE, 2015).

1.2 Ampliação da Geração de Energia no Brasil

Segundo Brasil et al. (2011), a partir de 2005 os resultados dos estudos de

planejamento elétrico e energético já indicavam a expansão da geração de energia elétrica a

3

partir da Amazônia. O planejamento do setor energético brasileiro indicava como a principal

alternativa para essa ampliação, a exploração da energia hidráulica nos rios da Amazônia.

Naquela época, os estudos sinalizavam para médio prazo a permanência da

participação majoritária da energia hidráulica na matriz energética, muito embora houvesse o

incremento da participação da energia das usinas térmicas e também da ampliação da

integração das fontes alternativas de energia, inclusive a geração eólica. Os grandes projetos

de geração previstos eram no Rio Madeira, com a construção das usinas de Jirau e Santo

Antônio, no Rio Xingu com a construção de Belo Monte, e outros aproveitamentos no Rio

Tapajós. O aproveitamento da energia gerada na Amazônia foi previsto para ocorrer sempre

em localidades com distâncias superiores a 2000 quilômetros dos grandes centros de carga,

conforme estudos de mercado (BRASIL et al. 2011).

Fonte: Eletrobrás (2015)

Figura 1.2. Distância entre as subestações de Xingu-PA e Estreito-MG.

Foco deste estudo, a transmissão em Corrente Contínua em Alta Tensão (CCAT)

ou “High Voltage Direct Current (HVDC)”, apesar de ainda não ser muito utilizada em nosso

país, foi apresentada como alternativa de melhor custo benefício para fazer a transmissão da

energia gerada nesses empreendimentos, até os grandes centros de carga.

4

1.3 O HVDC no Brasil Atualmente

O Brasil está começando a usufruir dos benefícios da transmissão em corrente

contínua. Embora ainda poucos, os atuais empreendimentos em corrente contínua nacionais

são estratégicos para a ampliação da matriz energética nacional.

1.3.1 Itaipu

Construída entre 1975 e 1984, a usina hidroelétrica (UHE) de Itaipu possui o

primeiro sistema de transmissão HVDC implantado no Brasil. Essa usina foi construída em

conjunto por Brasil e Paraguai no rio Paraná, na fronteira entre os dois países. Com uma carga

instalada de 14.000MW é composta por 20 unidades geradoras de 700MW cada, das quais, 10

geram em frequência de 50Hz para alimentar o sistema elétrico paraguaio e 10 em 60Hz que

alimentam o sistema elétrico brasileiro (ITAIPU, 2015).

Fonte: Odebrecht (2015)

Figura 1.3. UHE Itaipu.

5

Devido a acordos firmados entre os dois países, o Brasil compra a maior parte da

energia gerada no lado paraguaio. Como essa energia é gerada em 50Hz e não pode ser

integrada diretamente ao sistema de 60Hz brasileiro, foi necessário implantar em Itaipu um

Elo de Corrente Contínua. A energia é gerada em corrente alternada em Itaipu, depois é

convertida para corrente contínua e escoada até Ibiúna-SP, onde é convertida novamente para

corrente alternada, mas agora no padrão brasileiro de 60Hz.

O sistema de transmissão é formado por duas linhas de ±600 kV, com extensão de

aproximadamente 810 km, entre as subestações de Foz do Iguaçu-PR e Ibiuna-SP. A

conversão CA/CC é feita através de oito conversores em cada subestação, cada dois formando

um polo, que compõem os dois bipolos em ±600 kV, sendo transmissão realizada através de

quatro linhas, uma em cada polo (ITAIPU, 2015).

1.3.2 Jirau e Santo Antônio

Fonte: Ambiente Energia (2015)

Figura 1.4. Obras da UHE Santo Antônio.

Ao final de 2007 e início de 2008 foram realizados pela ANEEL os leilões para os

primeiros aproveitamentos hidroelétricos a serem construídos nessa fase de expansão da

geração do Sistema Interligado Nacional (SIN) na Amazônia, foram os leilões referentes às

6

usinas hidroelétricas de Santo Antônio e Jirau, que estão em fase final de construção no

estado de Rondônia, com capacidades instaladas previstas de 3150 MW e 3300 MW,

respectivamente. As usinas do Rio Madeira e o sistema de transmissão são considerados

projetos de grande interesse estratégico nacional, aumentando a oferta de energia elétrica e

garantindo a continuidade e a segurança do suprimento ao SIN de forma significativa.

Os estudos de planejamento que definiram a integração das usinas do Madeira

(UHE Jirau e UHE Santo Antônio) ao SIN contemplaram três alternativas de transmissão:

uma alternativa em corrente alternada (CA), uma alternativa híbrida (CA/CC) e uma

alternativa em corrente contínua (CC).

Para a transmissão e especificamente para o escoamento de todo esse montante de

6450 MW de energia gerada, foi realizado em novembro de 2008, o leilão ANEEL 007/2008,

relativo à licitação para contratação de serviço público de transmissão de energia elétrica,

mediante outorga de concessão, incluindo a construção, a operação e a manutenção das

instalações de transmissão do SIN. Nesse leilão, conforme definição do Ministério de Minas e

Energia- MME e da ANEEL foram oferecidas as duas alternativas mais atrativas, de acordo

com os estudos de planejamento: Uma alternativa híbrida (CA/CC) e uma alternativa em

corrente contínua (CC). A alternativa de transmissão em CC saiu vencedora. Esta alternativa é

constituída pelos seguintes elementos: dois bipolos de corrente contínua (2x3150 MW em

tensão de 600 kVCC), entre as SE Coletora Porto Velho (RO) e Araraquara (SP), com uma

extensão aproximada de 2.375 km; dois conversores “Back-to-Back” (2x400 MW); duas

linhas de transmissão em 230 kV entre as SE Coletora Porto Velho e Porto Velho e a SE

Araraquara e suas interligações (BRASIL et al., 2011).

O contrato para a construção do chamado “Linhão do Madeira’, como é conhecido

esse sistema de transmissão, foi assinado em fevereiro de 2009 com prazo de 3 anos para a

obtenção das licenças ambientais e conclusão das obras. Entretanto, devido a atrasos nas

liberações das licenças ambientais pelo Ibama, a obra só pôde ser entregue em julho de 2013,

17 meses após o fim do prazo oficial.

Embora o linhão já esteja concluído, ele ainda não está operando com toda sua

capacidade devido também a atrasos nas obras das usinas de Jirau e Santo Antônio que,

atualmente estão com 30 e 32 turbinas, respectivamente, operando comercialmente. O prazo

atualizado de conclusão das obras dessas usinas e entrada em operação das 50 turbinas de

cada uma delas é até o final de 2016.

7

1.3.3 Belo Monte

Fonte: Norte Energia (2011)

Figura 1.5. Maquete 3D da UHE Belo Monte.

Os estudos para aproveitamento energético do rio Xingu foram iniciados em 1975

ainda durante o governo militar, mas, foi somente em 23 de junho de 2011 que as obras da

usina hidroelétrica de Belo Monte tiveram início com prazo de entrega da última turbina em

janeiro de 2019.

Ao término das obras, Belo Monte será a terceira maior usina hidroelétrica do

mundo com uma potência instalada de 11.233 MW. Ao todo serão dezoito unidades geradoras

de potência unitária 611,1 MW do tipo Francis na casa de força principal denominada Belo

Monte e 6 unidades geradoras de potência unitária 38,85 MW do tipo Bulbo na casa de força

complementar denominada Pimental.

Após uma série de estudos coordenados pela EPE (Empresa de Pesquisas

Energéticas) ficou definido que a energia gerada no rio Xingu seria escoada por dois bipolos

em ±800kVCC, 4000MW de potência nominal cada, ambos se conectando na região norte na

subestação Xingu 500 kV e na região sudeste em subestações distintas: o primeiro bipolo na

subestação Terminal Minas 500 kV (MG), distante cerca de 2.140 km da SE Xingu; e o

segundo bipolo, na subestação Terminal Rio (RJ), distante cerca de 2.439 km da SE Xingu

(EPE, 2013).

O leilão do primeiro bipolo aconteceu em fevereiro de 2014 e foi vencido pelo

consórcio Interligação Elétrica Belo Monte (IE Belo Monte), formado por Furnas Centrais

8

Elétricas S.A. (24,5%), State Grid Brazil Holding S.A. (51%) e Centrais Elétricas do Norte do

Brasil S.A. – Eletronorte (24,5%). Essa vai ser a primeira linha de transmissão do país com

tensão de 800 kV e tem previsão de conclusão das obras em janeiro de 2019 (ALVARENGA,

2014).

O leilão do segundo bipolo aconteceu em julho de 2015 e foi vencido pela

empresa chinesa State Grid Brazil Holding. O prazo para construção desse linhão é de 50

meses a partir da assinatura do contrato (CAVALLINI, 2015).

1.4 Justificativa

A transmissão em HVDC tem ganhado cada vez mais espaço no cenário nacional,

como alternativa viável de transmissão para os novos empreendimentos de geração de energia

que estão sendo desenvolvidos no Brasil, devido às grandes distâncias que estes se encontram

dos grandes centros de carga.

Embora não seja um sistema novo, é uma área da Engenharia Elétrica pouco

explorada no meio acadêmico brasileiro. Isso fica claro quando nos deparamos com poucos

trabalhos nacionais ou mesmo traduzidos para o português sobre o assunto.

Frente a isso, começa a surgir a necessidade de firmar as bases para ampliar o

ensino desse tipo de transmissão e o desenvolvimento de materiais que auxiliem no ensino e

completo entendimento sobre o assunto. E nesse ponto, o software desenvolvido nesse

trabalho pode começar a desenvolver esse papel como ferramenta de auxílio ao ensino,

apresentando um ambiente simulado que demonstra de forma simples a visão geral do sistema

e sua principal composição.

1.5 Objetivos

O presente trabalho visa apresentar aos alunos de Engenharia Elétrica e a toda

sociedade, de forma didática, um pouco da evolução dos sistemas de transmissão em corrente

continua até os dias de hoje, seu atual panorama no sistema elétrico brasileiro e de maneira

introdutória o seu funcionamento, aplicação e principais componentes, através de software

desenvolvido com a linguagem de programação LabVIEW.

9

2 A TRANSMISSÃO EM HVDC

A história da transmissão em corrente contínua está totalmente ligada ao uso

comercial da energia elétrica. Embora subutilizada por um tempo, essa tecnologia sempre

esteve presente no cotidiano e a evolução tecnológica tem viabilizado seu uso.

Nesta seção é apresentado um breve histórico da evolução do HVDC, seus

principais arranjos, componentes e a teoria de conversão.

2.1 Introdução ao HVDC

No final do século XIX ocorreu nos Estados Unidos uma disputa tecnológica

conhecida como “Guerra das Correntes”. De um lado estava Thomas Edison defendendo o

seu modelo de geração e distribuição em corrente contínua, e do outro, financiado pelo

empresário George Westinghouse, estava Nikola Tesla que defendia o uso do seu sistema de

corrente alternada.

Nesse período, foi construída por Edison em Nova York a primeira central de

distribuição de energia elétrica do mundo, que utilizava o sistema CC. Embora tenha saído na

frente, o sistema de Edison possuía algumas limitações como o fato de a energia fluir em um

só sentido, não ser possível a variação da tensão, que nesse caso era de 110V, não poder

transportar por mais de 2 km, sendo necessária a montagem de vários geradores pela cidade,

entre outros (NOGUEIRA, 2009).

O sistema CA de Tesla resolveu, entre outros, o problema de transporte da energia

por longas distâncias elevando as tensões e podendo diminuí-la apenas no destino utilizando

transformadores também criados por ele. Por fim, o sistema CA de Tesla se mostrou mais

vantajoso na maioria das aplicações ficando o sistema CC a ser utilizado somente em

aplicações específicas, geralmente utilizando energia CA retificada.

Atualmente, devido a problemas relacionados com o trânsito de potência reativa

característicos dos sistemas de transmissão em CA, os avanços tecnológicos têm colocado a

corrente contínua a frente da alternada quando se trata de transmissão submarina e em longas

distâncias terrestres, embora a corrente alternada continue insuperável no que diz respeito à

geração e ao consumo de energia (SANTOS, 2011).

O cenário da transmissão CC começou a mudar quando no início do século XX

foi inventado o retificador de vapor de mercúrio, com a capacidade de converter corrente

alternada em corrente contínua.

10

A primeira aplicação comercial de transmissão em HVDC ocorreu entre a Suécia

e a ilha de Gotland, em 1954. O sistema possuía 90 km de extensão e provia 20 MW através

de cabos submarinos, utilizando válvulas de mercúrio (mercury-arc) como chaves nos

conversores.

Fonte: Fialho (2014)

Figura 2.1. Estação conversora de Gotland com conversores de válvulas de arco de mercúrio.

Até à década de 70 a tecnologia utilizada era baseada em válvulas de arco de

mercúrio, sobre as quais recaíam alguns problemas relacionados com a dificuldade do

controle e a elevada manutenção. No entanto, em 1967 na central de Gotland, foi dado início

ao teste de substituição de válvulas de mercúrio por tiristores, obtendo bons resultados. A esta

nova tecnologia onde se aplicam tiristores à conversão de energia em alta tensão deu-se o

nome de LCC-HVDC (Line Commutate Converter, Conversores Comutados pela Linha)

(FIALHO, 2014).

O primeiro sistema de potência a utilizar tiristores como chaves foi o esquema El

River, 1972, composto por uma interconexão assíncrona de 320 MW Back-to-Back (estações

conversoras próximas, sem linhas de transmissão CC entre ambas), que liga as províncias de

New Brunswick e Quebec, no Canadá. Na América do Norte, em 1987, já existia cerca 14.000

MW em sistemas HVDC (KUNDUR, 1994).

Segundo Fialho (2014), a partir de 1997, iniciou-se o desenvolvimento de uma

nova tecnologia de conversão de energia em alta tensão, a que se deu o nome de VSC-HVDC

(Voltage Source Converters, Conversores Fonte de Tensão). A principal característica desta

11

tecnologia é a utilização de novos semicondutores tais como os IGBT (Insulated gate Bipolar

Transistors, Transistor Bipolar de Porta Isolada), os GTO (Gate Turn-Off Thyristors, Tiristor

Desligado pela Porta) ou os IGCT (Integrated Gate-Comutaded Thyristors, Tiristor

Comutado de Porta Integrada). Esta nova tecnologia não se encontra ainda capaz de ser

aplicada às mesmas características de tensão, potência e distância que a tecnologia LCC-

HVDC, embora seja substancialmente mais eficaz, barata e versátil. Por essas razões,

encontra-se presente em diversas aplicações por todo o mundo e representa o futuro do

HVDC.

Segundo Niquini (2009) estes sistemas são compostos basicamente pelas estações

conversoras, no caso um retificador e um inversor, pelos transformadores de conversão,

responsáveis pelo ajuste das tensões de entrada e de saída e pela linha de transmissão CC. No

caso de sistemas Back-to-Back, apenas as linhas de transmissão CC não estão presentes. Os

sistemas CA apresentados nos diagramas não precisam, logicamente, representar

necessariamente um sistema completo. Podem ser compostos, por exemplo, por apenas

grupos geradores, como ocorre em Itaipu, onde a metade das máquinas da usina opera em 50

Hz, tem-se que parte da energia gerada por essas máquinas é transmitida para o Brasil através

de um HVDC, como explicado no capítulo anterior.

Fonte: Saavedra (2012)

Figura 2.2. Diagrama unifilar genérico de um sistema HVDC.

Resumidamente, pode-se citar algumas das principais vantagens da utilização de

sistemas de corrente contínua, em relação aos de corrente alternada na interconexão de

sistemas (WOODFORD, 1998):

12

Linhas de transmissão e torres de sustentação HVDC são relativamente mais baratas

para uma mesma quantidade de energia transmitida;

Utilizam 1/3 do número de isoladores;

Utilizam 1/3 do comprimento total dos condutores;

Estrutura mais simples e leves;

Cabos submarinos e subterrâneos possuem o ponto de viabilidade HVDC, em relação

à distância, muito mais próximos, sendo a transmissão HVDC mais viável mesmo para

pequenas distâncias (em torno de 30 km para cabos submarinos);

Elevada capacidade de controle;

Capacidade de aprimoramento da estabilidade do sistema;

Interconexão assíncrona de sistemas (impossível em CA);

Para transmissão aérea, a partir de 600km, em média, é financeiramente mais viável o

sistema HVDC;

Não possui perdas por Efeito Peculiar;

Menores impactos ambientais, uma vez que as torres HVDC são menores e ocupam

menos espaço onde são construídas;

Entre outros.

Fonte: Siemens (2011)

Figura 2.3. Esquema de torres CC e CA para transmissão de mesma quantidade de energia.

13

2.2 Arranjos HVDC

Existem diversas configurações de conversores HVDC que podem ser utilizadas

na construção de um elo em corrente contínua.

2.2.1 Conversores Back-to-Back

Um arranjo HVDC Back-to-Back é usado principalmente quando dois sistemas de

corrente alternada assíncronos precisam ser interligados para transmissão de energia ou por

razões de estabilidade do sistema CA. Em uma estação Back-to-Back não existem linhas ou

cabos que separam o retificador e o inversor, portanto, as perdas de transmissão de energia

elétrica no lado da CC são praticamente nulas.

Figura 2.4. Conversor Back-to-Back.

Nesses sistemas, a corrente CC pode ser mantida alta e a tensão CC baixa,

contrariamente ao realizado em sistemas que possuem linhas de transmissão. Assim é exigido

menor nível de isolação e menor espaço, resultando em estações mais compactas e mais

baratas, permitindo o desenvolvimento de estações Back-to-Back modulares (NIQUINI,

2009).

O fato de uma estação Back-to-Back poder ser construída de maneira compacta,

exigindo um mínimo de espaço aberto pode ser considerado uma grande vantagem em áreas

ambientalmente sensíveis.

14

2.2.2 Transmissão de longa distância Monopolar

Segundo Niquini (2009) esse elo apresenta apenas um condutor CC, geralmente

com polaridade negativa, por resultar em menor efeito corona do que se a polaridade fosse

positiva. Além disso, na ocorrência de uma falta CC nesse condutor, o circuito CA do lado

retificador fica automaticamente isolado da falta devido ao posicionamento das válvulas que

impedem que a corrente flua por esse sentido (nessa situação apenas o circuito inversor é

capaz de alimentar a falta). O retorno ocorre por terra ou água. Onde isso não é possível,

pode-se utilizar um condutor para retorno, geralmente em baixa tensão, o que não requer

grandes níveis de isolação.

Figura 2.5. Esquemático de Monopolo HVDC.

Em muitos casos, por questões de infraestrutura ou ambiental, existem restrições

que impedem o uso de eletrodos. Em alguns casos, uma via de retorno metálico é utilizado,

apesar do aumento de custos e perdas.

15

2.2.3 Transmissão de longa distância Bipolar

Um bipolo é uma combinação em que se tem dois terminais acessíveis através dos

quais flui uma corrente elétrica. Em qualquer instante de tempo, a corrente que entra por um

dos terminais deve ser igual à que sai pelo outro terminal.

Esta configuração é utilizada, se a transmissão requerida excede a capacidade de

um único polo. É também usada quando há exigência de maior disponibilidade de carga, pois,

a divisão da capacidade traz mais segurança à continuidade do sistema em caso de falhas.

Figura 2.6. Esquemático de um Bipolo HVDC.

Durante a manutenção ou interrupções de um polo, ainda é possível transmitir

parte da carga de um para o outro. Mais de 50% da capacidade de transmissão pode ser

utilizada, limitado pela capacidade de sobrecarga real do polo remanescente. Existem algumas

vantagens de uma solução bipolar em detrimento utilização de dois monopolos, dentro das

quais, pode ser destacado o custo reduzido devido a um retorno comum e menores perdas. A

principal desvantagem é que a indisponibilidade do retorno com componentes adjacentes

afetará ambos os polos (SIEMENS, 2011).

Na configuração com retorno à terra existe um alto grau de flexibilidade, no que

diz respeito à operação com a sua capacidade reduzida durante contingências ou manutenção.

Após a falha de um polo, a corrente que atravessa o mesmo será assumida pelo caminho de

retorno à terra e o polo defeituoso será isolado.

16

Havendo restrições, mesmo que temporárias para o uso de eletrodos, ou se a

distância de transmissão for relativamente curta, um condutor de retorno LVDC (Low Voltage

Direct Current, Corrente Contínua em Baixa Tensão) metálico dedicado pode ser considerado

como uma alternativa para o uso como retorno à terra.

2.3 Principais Equipamentos da Transmissão HVDC

Em um sistema de transmissão HVDC, a quantidade de equipamentos que

compõem o sistema é muito grande, como por exemplo: disjuntores, chaves seccionadoras,

para-raios, transformadores, filtros, etc.

Devido a essa grande quantidade de equipamentos, podem ser destacados alguns

destes por seu grau de importância para o entendimento do funcionamento do sistema.

2.3.1 Válvulas de Tiristores

As Válvulas de Tiristores fazem a conversão CA/CC e CC/CA, portanto, são os

componentes centrais de qualquer estação conversora HVDC.

O nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam

em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa

sequência p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestável, indo do estado de não

condução para o estado de condução e possui 3 terminais: anodo e catodo, pelos quais flui a

corrente, e a porta (ou gate) que, a uma injeção de corrente, faz com que se estabeleça a

corrente anódica.

Figura 2.7. Estrutura e símbolo do tiristor.

17

Atualmente, essas válvulas são isoladas a ar, refrigerados a água, ficam suspensas

em um ambiente controlado e são sempre projetados de maneira personalizada, de forma a

atender cada empreendimento individualmente. Ele é especificado para atender a todas as

variações elétricas e mecânicas durante a operação.


Figura 2.8. Válvulas de Tiristores.

2.3.2 Transformador Conversor

Transformadores conversores são cruciais para um sistema de transmissão HVDC.

A sua robustez e confiabilidade são de extrema importância para a disponibilidade do sistema

de transmissão.

O transformador tem a função de transformar a tensão da barra coletora CA para a

tensão de entrada do conversor. Normalmente, eles são de fase única de três tipos de

enrolamento, mas consoante as necessidades de transporte e da potência nominal, eles podem

ser dispostos em outras formas.

Dependendo da potência transmitida, o transformador conversor pode ter uma ou

três fases, e pode ter uma ou duas válvulas de enrolamento por fase.

18

Adicionalmente, a corrente de carga contém uma quantidade considerável de

harmônicos que geram perdas elevadas e um maior ruído. Por esse e outros motivos, eles são

projetados especialmente para cada aplicação.


Figura 2.9. Transformador Conversor.

2.3.3 Reator de Alisamento

Sistemas de corrente contínua muitas vezes exigem um alisamento da forma de

onda da corrente para reduzir as perdas e melhorar o desempenho do sistema. Reatores de

alisamento são inseridos nesses sistemas para oferecer esta resposta e, adicionalmente

funcionar como dispositivos de limitação de corrente na eventualidade de uma falha.

O reator de alisamento tem como finalidade minimizar as variações bruscas de

corrente da linha CC, consequentemente se reduz a variação na tensão CC. Por outro, lado a

indutância do lado CA dos conversores evita que as comutações de corrente de uma válvula para

outra sejam de forma excessivamente rápida (SAAVEDRA, 2012).

19


Figura 2.10. Reator de Alisamento.

Em sistemas HVDC, o reator de alisamento é normalmente ligado em série com a

linha CC. No entanto, em conversores Back-to-Back, o reator de alisamento pode ser ligado

ao terminal de baixa voltagem.

2.3.4 Filtros CA

Filtro é um circuito que apresenta um comportamento típico em função da

frequência do sinal a ele aplicado, permitindo a passagem de sinais com certas frequências,

enquanto suprime sinais com outras frequências.

Os filtros no lado CA de uma estação conversora tem, dentre outras, a função de

absorver as correntes harmônicas que chegam no conversor HVDC e também as geradas por

ele, reduzindo assim o impacto desses harmônicos na conexão CA do sistema, como,

distorção da tensão CA e interferências causadas por sistemas de telecomunicação.

20


Figura 2.11. Banco de Filtros CA.

2.4 A Teoria de Conversão

A retificação, propriamente dita, ocorre a partir do momento em que a corrente

chega nas válvulas de tiristores. Segundo Siemens (2011), a corrente passa através das

válvulas de tiristores quando a tensão entre o ânodo e o cátodo é positiva. Para a válvula

comutar a corrente, deve haver uma tensão positiva e o tiristor deve disparar com um

"impulso de disparo".

Quando o potencial entre o ânodo e o cátodo é negativo, um impulso de excitação

não tem efeito. O fluxo de corrente em uma válvula termina quando a diferença de potencial

entre o ânodo e o cátodo se torna negativa. No instante que a corrente começa a fluir através

de uma válvula, ou muda partir de uma válvula para outra, ela pode ser atrasada adiando o

disparo. Este método permite que o valor médio da tensão de saída do retificador seja

alterado.

21

Fonte: Cepel (2009)

Figura 2.12. Processo de comutação com Conversor de 6 Pulsos.

Os pulsos de disparo são gerados através da sincronização da rede utilizando um

dispositivo de controle eletrônico. Estes impulsos podem ser deslocados a partir do seu ponto

de "disparo natural", que é o ponto onde as duas tensões de fase se cruzam. O método de

deslocamento de pulso de disparo é chamado de controle de fase.

O ângulo de disparo, chamado de α, dos tiristores diz respeito ao intervalo de

tempo entre o momento em que a tensão ânodo-cátodo (de polarização) torna-se positiva, e o

instante no qual eles iniciam efetivamente a condução de corrente. Alterando-se esse ângulo

pode-se controlar a tensão no lado CC encontrando a tensão média do lado CC através da

fórmula (2.1):

𝑈𝑑 =3√2

𝜋𝑈𝑎𝑐 cos(𝛼) (2.1)

Variando o valor de α, encontramos as variações das formas de onda da tensão do

lado CC, como pode ser visto na Figura 2.13:

22

Fonte: Cepel (2009)

Figura 2.13. Formas de ondas obtidas com a variação do ângulo α.

O funcionamento do circuito inversor ocorre analogamente ao circuito retificador,

podendo inclusive ser relacionado em função dos mesmos ângulos do retificador. Segundo

Carvalho (2012), a estação inversora é responsável por converter a corrente contínua

novamente em alternada. A configuração das pontes inversoras é a mesma das retificadoras,

mas respeitando-se o sentido de condução de corrente unidirecional dos tiristores, a ponte é

ligada de “cabeça para baixo”, como mostra a Figura 2.14. Uma grande diferença entre suas

operações é que na ponte inversora o ângulo α já citado, é maior que 90°.

Na Figura 2.15, vemos o aparecimento de dois novos ângulos para a analogia do

circuito retificador com o inversor. O ângulo β é o ângulo de disparo do inversor e o ângulo γ

é o ângulo de extinção do inversor e são dados pelas fórmulas (2.2) e (2.3) respectivamente:

β = 180° − 𝛼 (2.2)

𝛾 = 180° − 𝛿 (2.3)

23

Fonte: Cepel (2009)

Figura 2.14. Comparação da posição da Ponte Inversora em relação a Ponte Conversora.

Fonte: Niquini (2009)

Figura 2.15. Analogia entre os ângulos para o Retificador e para o Inversor.

Ou seja, o ângulo de extinção é o tempo remanescente para que a tensão sobre a

válvula que vai apagar se torne positiva, uma vez concluída a comutação para a válvula que

acendeu após o seu disparo com o ângulo α (CARVALHO, 2012).

Segundo Pomilio (2010), as leis de modulação são numerosas, sendo a mais

simples talvez, a que produz uma onda retangular, na própria frequência de saída que se

24

deseja. Na Figura 2.16 temos um exemplo que utiliza diodos onde uma tensão positiva é

aplicada à carga quando T1 e T4 conduzirem (estando T2 e T3 desligados). A tensão negativa

é obtida complementarmente. O papel dos diodos é garantir um caminho para a corrente em

caso de a carga apresentar característica indutiva. Durante a condução dos diodos (D1 e D4 ou

D2 e D3) há retorno de corrente para a fonte. Note que a condução dos diodos não afeta a

forma da tensão desejada.

Fonte: Pomilio (2010)

Figura 2.16. Inversor monofásico e forma de onda quadrada de saída (carga indutiva).

Uma outra estratégia de modulação que produz reduzidas harmônicas é a

multinível. Neste caso, a tensão de saída é produzida por diversos módulos inversores

conectados em série, cada um acionado no momento adequado, de modo a tentar reproduzir

uma forma de onda que se aproxime de uma senóide (ou de uma outra forma desejada).

Nas Figura 2.17 e 2.18 podem ser vists um diagrama esquemático do conversor

multinível e um gráfico de um sinal gerado por esse tipo de conversor (POMILIO 2010).

25

Fonte: Pomilio (2010)

Figura 2.17. Diagrama esquemático de Conversor Multinível.

Figura 2.18. Forma de onda de Sinal Multinível, com modulação em escada.

26

3 IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA SIMULADO

Nesta sessão é implementado um software que pode ser utilizado por qualquer

usuário da plataforma Windows. Este software possui uma interface gráfica com um diagrama

unifilar HVDC genérico, e tem por objetivo apresentar os conceitos básicos do funcionamento

e descrição dos principais componentes de um sistema HVDC de maneira didática e intuitiva,

para que sirva como material de apoio à aprendizagem dos conceitos iniciais da teoria de

transmissão em corrente contínua. Vale ressaltar que não há opções para alteração dos

parâmetros do sistema, uma vez que o objetivo do software é ser uma ferramenta de auxílio ao

aprendizado

3.1 Ambiente Virtual para Simulação

Para o desenvolvimento do software, foi necessário utilizar uma linguagem de

programação que, ao término, pudesse apresentar ao usuário final uma interface gráfica

simples e de fácil entendimento. Partindo dessa premissa, foi escolhido o software LabVIEW

que o utiliza a linguagem “G”.

Segundo Sousa (2005), o LabVIEW é uma linguagem de programação gráfica que

usa ícones ao invés de linhas de texto para criar aplicações. Ao contrário das linguagens de

programação baseadas em texto, onde as instruções determinam a execução do programa, o

LabVIEW usa programação baseada em fluxo de dados, onde esse fluxo determina a

execução. Essa linguagem é denominada “G” e tem a mesma potencialidade de uma

linguagem textual, como C ou Pascal, por exemplo. Entretanto, seus comandos são

apresentados de forma gráfica, como ícones interconectados através de ligações, formando o

programa. O programa escrito em “G” constitui a base do instrumento virtual do LabVIEW.

A linguagem de programação G é a essência do LabVIEW, tanto que é

frequentemente chamada de “programação em LabView”. Com o uso dessa linguagem é

possível aliar rapidamente tarefas como aquisição de dados, análise e operações lógicas, e

ainda compreender como os dados são modificados. De um ponto de vista técnico, G é uma

linguagem gráfica de programação utilizada na forma de fluxo de dados, na qual os nós

(operações ou funções) trabalham sobre os dados assim que eles ficam disponíveis, melhor do

que a maneira sequencial linha-após-linha que muitas linguagens de programação empregam.

O fluxo de dados é distribuído graficamente através da aplicação com fios que conectam a

saída de um nó à entrada de outro (HOGG, 2014).

27

Figura 3.1. Tela de abertura do LabVIEW 8.

Ainda segundo o autor supracitado, o benefício prático da abordagem gráfica é

que ela foca mais nos dados e nas operações sendo executadas nesses dados, e abstrai muito

da complexidade administrativa da programação em computador, como alocação de memória

e sintaxe. Novos programadores comumente desenvolvem curvas de aprendizado menores

com a linguagem G do que outras linguagens de programação, pois eles podem racioná-la aos

fluxogramas ou outras representações visuais familiares de processos. Programadores

experientes podem também obter vantagem dos ganhos de produtividade trabalhando em um

nível maior de abstração, enquanto ainda empregam práticas avançadas de programação,

como programação orientada a objeto, encapsulamento e perfil de código.

Os programas feitos no LabVIEW são chamados de VIs (Virtual Instruments)

porque tem a aparência de instrumentos reais, tais como multímetros e osciloscópios.

Entretanto, um VI corresponde a uma função de uma linguagem de programação

convencional.

3.2 Desenvolvimento do Software

O primeiro passo para o desenvolvimento do Software foi a escolha da

configuração do sistema a ser implementado. Os conversores mais comuns são os conversores

28

de 6 pulsos, que podem ser arranjados de forma a trabalhar em conjunto, formando sistemas

multipulsos. Atualmente, os novos empreendimentos de transmissão em HVDC que estão

sendo implementados no Brasil são formados por dois conversores de 6 pulsos que

conectados formam conversores de 12 pulsos, conforme os editais 007/2008, 011/2013 e

007/2015 da ANEEL, referentes aos leilões das linhas de transmissão que escoarão a energia

gerada nas usinas de Jirau, Santo Antônio e Belo Monte.

Entretanto, as diferenças na implementação desse sistema em relação ao sistema

simples de 6 pulsos residem apenas na contribuição cumulativa de cada um dos conversores

nas barras comuns a ambos e a necessidade de utilização de transformadores adequados para a

realização da defasagem das tensões de entrada e saída dos conversores. Todos os demais

cálculos são realizados da mesma forma.

Como a simulação desenvolvida tem fim didático, foi escolhido o conversor de 6

pulsos conforme o arranjo da Figura 1.3, para que haja um melhor e mais fácil entendimento.

Uma vez escolhido o tipo de conversor a ser abordado, foi montado no LabVIEW

o arranjo de um sistema HVDC bipolar que serve como interface do usuário. O resultado está

apresentado na Figura 3.2.

Figura 3.2. Interface do usuário do programa de simulação.

Pode ser visto na Figura 3.1 a estrutura básica do sistema simulado e cada um dos

seus componentes. Conforme detalhado na figura, são eles:

29

1. Fonte CA;

2. Filtro CA;

3. Transformador Conversor;

4. Retificador;

5. Reatores de Alisamento;

6. Inversor.

3.2.1 Fonte CA

Para ter uma descrição sobre a Fonte CA, o usuário deve acessar acessar na

interface principal da simulação o botão “Fonte CA”. Uma janela contendo o descritivo sobre

o componente é apresentado ao usuário.

Figura 3.3. Janela da Fonte CA apresentada ao usuário.

3.2.1.1 Lógica da Fonte CA

A fonte CA consiste na utilização de 3 geradores de sinais senoidais defasados de

120º representando um sistema trifásico com amplitude 1 e frequência de 60Hz. Os blocos

30

utilizados na composição do diagrama da Figura 3.4, bem como as suas respectivas funções

na lógica estão descritas na Tabela 1.

Figura 3.4. Lógica da Fonte CA.

Bloco Descrição Função na Lógica

Noise Especifica um nível em RMS do

ruído gaussiano.

Simula o ruído comumente presente

na geração de energia.

Tones Contém os parâmetros para cada sinal

senoidal.

Definição de frequência, amplitude e

fase da forma de onda.

Tones and

Noise

Waveform

Gera uma forma de onda composta

pela somatória de um sinal senoidal,

ruído, sinal CC.

Foram inseridos 3 blocos para

simulação de uma forma de onda

trifásica.

Sampling

Info

Contém as informações de

amostragem, como número de

amostras e taxa de amostragem.

Foi definida uma taxa de 360

amostras por segundo em um número

de 360 amostras.

Tabela 1. Função dos blocos usados na Fonte CA.

31

3.2.2 Filtro CA

Para ter uma descrição sobre a Filtro CA, o usuário deve acessar na interface

principal da simulação o botão “Filtro CA”. Uma janela contendo o descritivo sobre o

componente é apresentada ao usuário. Na janela que se abre existe um botão chamado

“Gráfico” onde é possível ver um gráfico que mostra o comportamento do sinal antes e após a

filtragem.

Figura 3.5. Janela do Filtro CA apresentada ao usuário.

Ainda na interface principal, o usuário tem a opção de clicar sobre o componente

para abrir a janela do gráfico citada anteriormente.

32

Figura 3.6. Sinal da fonte antes e depois da filtragem.

3.2.2.1 Lógica do Filtro CA

A lógica por trás do Filtro CA consiste na aplicação de três filtros digitais passa

alta, um para cada forma de onda gerada, como pode ser visto na Figura 3.7. Pode ser

observado que o LabVIEW já possui um bloco de filtragem de sinais pronto para o

desenvolvedor utilizar em seus aplicativos. Os blocos utilizados na composição do diagrama

da Figura 3.7, bem como as suas respectivas funções na lógica estão descritas na Tabela 2.

Figura 3.7. Lógica empregada no Filtro CA.

33


Digital FIR

Filter

Filtrar formas de ondas simples ou

múltiplas.

Filtra o ruído inserido pelo bloco

noise.

Get

Waveform

Componentes

Obtém dados dos componentes da

forma de onda definidos pelo usuário.

Obtém a magnitude da forma de

onda.

Numéric

Constant

Representa um numeral inteiro e

constante.

Defini o número de interações do

loop.

For Loop Executa uma sub-rotina n vezes. Gera um vetor de 360 posições.

Bundle Faz a junção de 2 ou mais tipo de

dados.

Faz a junção da magnitude da forma

de onda filtrada e o número de pontos

definidos no For Loop.

Build Array Concatenar vetores múltiplos. Agrupa as 3 formas de onda filtradas

no gráfico XY.

XY Graphs Plota um gráfico com 2 ou mais

vetores.

Exibe as 3 formas de ondas.

Tabela 2. Função dos blocos usados no Filtro CA.

3.2.3 Transformador Conversor

Para ter uma descrição sobre a Transformador Conversor, o usuário deve acessar

na interface principal da simulação o botão “Transformador Conversor”. Uma janela contendo

o descritivo sobre o componente é apresentada ao usuário.

34

Figura 3.8. Janela do Transformador apresentada ao usuário.

3.2.3.1 Lógica do Transformador Conversor

Não foi desenvolvida uma lógica para o funcionamento do transformador uma vez

que somente o detalhamento teórico de sua função atinge o objetivo do trabalho.

3.2.4 Retificador

Para ter uma descrição sobre a Retificador, o usuário deve acessar na interface

principal da simulação o botão “Retificador”. Uma janela contendo o descritivo sobre o


“Gráfico” onde é possível ver as formas de ondas geradas de acordo com o ângulo de disparo

escolhido. O usuário tem a opção de escolher entre 0º, 30º e 60º para ajuste do ângulo de

35

disparo. Para cada ajuste o gráfico é mudado para a resposta correspondente. As formas de

ondas coloridas representam o sinal trifásico original e a forma de onda em preto representa a

retificação.

Figura 3.9. Janela do Retificador apresentada ao usuário.



36

Figura 3.10. Ondas retificadas para o ângulos de 0º.

3.2.4.1 Lógica do Retificador

A lógica por trás do Retificador consiste na aplicação de 6 formas de onda

defasadas de 30° para aplicação da retificação, baseada em vetores booleanos que exibem a

forma de onda resultante totalmente retificada e de acordo com o ângulo de disparo escolhido

para os tiristores. Diferentemente dos filtros, o LabVIEW não possui um bloco de retificação

pronto, o que justifica a aplicação de vetores na forma de onda resultante (ver figuras 3.11 e

3.12). Os blocos utilizados na composição do diagrama da Figura 3.11, bem como as suas

respectivas funções na lógica estão descritas na Tabela 3.

37

Figura 3.11. Lógica empregada no Retificador.

Figura 3.12. Lógica empregada no Retificador.


Frequency Representa o valor numérico

associado da forma de onda.

Define a frequência da forma de

onda.

Sampling

Info

Contém as informações de

amostragem, como número de

amostras e taxa de amostragem.

Foi definida uma taxa de 360

amostras por segundo em um número

de 360 amostras.

Phase Representa a fase inicial em graus da

forma de onda.

Foram definidas 6 fases para as

formas de onda (0º, 60º, 120º, 180º,

38

240º, 300º).

Sine

Waveform

Gera uma forma de onda senoidal Foram inseridos 6 blocos que

simulam as seis formas de onda

geradas na saída de cada tiristor.

Get

Waveform

Componentes

Obtém dados dos componentes da

forma de onda definidos pelo usuário.

Obtém a magnitude da forma de

onda.

Numeric

Component

Representa um vertor com n posições

contendo a magnitude das formas de

onda

Representa um vertor com 360

posições contendo a magnitude das 6

formas de onda.

Case

Structure

Possui uma ou mais condições (Ex:

verdadeiro ou falso).

O conjunto dos 6 cases simula a

retificação por uma ponte de

tiristores de 6 pulsos.


dados


de onda retificada e o número de

pontos definidos no For Loop.

Build Array Concatenar vetores múltiplos Agrupa as 3 formas de onda filtradas

no gráfico XY.

XY Graphs Plota um gráfico com 2 ou mais

vetores

Exibe as 3 formas de ondas.

Global

Variable

Acessa e trafega dados por múltiplos

VIs simultaneamente.

Trafega a forma de onda retificada.

Tabela 3. Função dos blocos usados no Retificador.

3.2.5 Reator de Alisamento

Para ter uma descrição sobre a Reator de Alisamento, o usuário deve acessar na

interface principal da simulação o botão “Reator de Alisamento”. Uma janela contendo o

descritivo sobre o componente é apresentada ao usuário. Na janela que se abre existe um

botão chamado “Gráfico” onde é possível ver a forma de onda retificada, juntamente com o

sinal em corrente contínua obtido através da fórmula (2.1), onde Ud é o sinal CC, Uac é o

sinal retificado e α é o ângulo de disparo (ver figura 3.14).

39

Figura 3.13. Janela do Reator de Alisamento apresentada ao usuário.



Figura 3.14. Forma de onda retificada (preto), juntamente com o sinal CC (vermelho) resultante da aplicação do

Reator de Alisamento para um ângulo de disparo de 0º.

40

3.2.5.1 Lógica do Reator de Alisamento

A lógica por trás do Reator de Alisamento consiste em aplicar a fórmula (2.1) no

sinal retificado. Observe que é calculado o valor eficaz do sinal retificado antes de aplicá-lo

na referida fórmula, como mostra a Figura 3.15. Os blocos utilizados na composição do

diagrama da Figura 3.4, bem como as suas respectivas funções na lógica estão descritas na

Tabela 4.

Figura 3.15. Lógica empregada no Reator de Alisamento.


Global

Variable

Acessa e trafega dados por múltiplos

VIs simultaneamente.

Trafegar a forma de onda retificada e

o gatilho α do tristor. Este último

entrará no cálculo do sinal CC.

Decimal

String To

Number

Converte um caractere string

numérico em decimal inteiro.

Converte a string α em um valor

numérico.

Multiply Calcula o produto de duas entradas

ou mais.

Utilizado no cálculo da função 2.1.

Divide Calcula o quociente de duas entradas

ou mais.

Utilizado no cálculo da função 2.1.

Cosine Calcula o cosseno de uma entrada em Utilizado no cálculo da função 2.1.

41

radianos.

Unbundle Divide um conjunto de entradas em

elementos individuais.

Extrai do cluster “sinal retificado” o

vetor de magnitude da forma de onda

para cálculo do valor RMS.

Array Size Calcula o tamanho do vetor É utilizado no cálculo do valor eficaz

do sinal retificado.

For Loop Executa uma sub-rotina n vezes. Auxilia no plot do sinal retificado e

CC.


dados.


de onda retificada, do sinal CC

proveniente da fórmula 2.1 e o

número de pontos definidos no For

Loop.

Build Array Concatenar vetores múltiplos. Agrupa o sinal retificado e o sinal

CC.

XY Graphys Plota um gráfico com 2 ou mais

vetores.

Plota o gráfico contendo o sinal após

a retificação e o sinal após o

“alisamento”.

Tabela 4. Função dos blocos usados no Reator de Alisamento.

3.2.6 Inversor

Para ter uma descrição sobre a Inversor, o usuário deve acessar na interface

principal da simulação o botão “Inversor”. Uma janela contendo o descritivo sobre o


“Gráfico” onde é possível ver três gráficos com os sinais alternados, gerados após o inversor.

Nota-se que os sinais estão em forma de degrau devido à ação dos tiristores, conforme pode

ser visto na Figura 3.17. Ainda nessa janela pode ser acionado o botão “Filtrar” que mostra o

efeito do Filtro CA sobre a forma de onda alternada, como pode ser visto na Figura 3.18. O

princípio de funcionamento do Filtro CA foi mostrado no item 3.2.2.

42

Figura 3.16. Janela do Inversor apresentada ao usuário.



Figura 3.17. Formas de onda geradas após o Inversor

43

Figura 3.18. Formas de onda “alisadas” após passar pelo filtro (Sobrepostas).

3.2.6.1 Lógica do Inversor

Foram implementados três sub-VIs que simulam a forma de onda quadrada

oriunda de um inversor baseado em tiristores e defasados de 60º. Como o LabVIEW não

possui uma função específica para o inversor em referência, foi utilizada também uma lógica

contendo vetores booleanos dispostos de tal forma a exibir satisfatoriamente a forma de onda

alternada em degraus. Os blocos utilizados na composição do diagrama da Figura 3.19, bem

como as suas respectivas funções na lógica estão descritas na Tabela 5.

44

Figura 3.19. Lógica empregada no Inversor.


Alisamento Botão que habilita a condição

verdadeiro ou falso da estrutura.

Incluir no gráfico XY a forma de

onda “alisada”.

Square Gera um vetor contendo a forma de

onda alternada com degraus.

Gera um vetor contendo a forma de

onda alternada com degraus.

Case

Structure

Possui uma ou mais condições (Ex:

verdadeiro ou falso).

Quando verdadeiro, apresenta um

vetor contendo o sinal alternado em

degraus e o sinal “alisado”. Quando

falso apresenda somente o sinal

alternado em degraus.


dados.


alternada com degraus e o número de

pontos definidos no For Loop

pertencente ao sub-VI “square”.

Build Array Concatenar vetores múltiplos. Agrupa o sinal alternado em degraus

e o sinal alternado “alisado”.

45

Alisador Gera um vetor contendo a forma de

onda alternada e “alisada”.

Gera um vetor contendo a forma de

onda alternada e “alisada”.

XY Graph Plota um gráfico com 2 ou mais

vetores.

Plota o gráfico contendo o sinal

alternado em degraus e o sinal

alternado “alisado”.

Tabela 5. Função dos blocos usados no Inversor.

3.3 Criação de um Arquivo Executável

Uma das grandes vantagens de softwares que são baseados em linguagens de

programação é a possibilidade da criação de executáveis. Isso é de grande importância porque

o usuário de um determinado programa desenvolvido não precisa, necessariamente, ter o

software no qual este foi criado. De maneira similar às outras linguagens, o LabVIEW

também pode criar executáveis de VIs.

Figura 3.20. Criação do executável do software.

46

Depois de concluídos todos os testes/validação do aplicativo desenvolvido, foi

criado o seu executável. Isso para que qualquer usuário possa instalar o ambiente de

simulação em HVDC em qualquer computador sem a necessidade da presença do LabVIEW.

Ao pressionar o botão “Build”, é criada uma pasta no diretório selecionado.

Dentro dessa pasta, existe um arquivo chamado “setup” dentro da pasta “installer” o qual

serve para instalar o sistema desenvolvido em qualquer computador. O arquivo pode ser visto

na Figura 3.21.

Figura 3.21. Localização do arquivo de instalação no Windows.

Ao abrir o arquivo de instalação, o Windows iniciará um procedimento normal de

instalação de um programa. O software instalará automaticamente na pasta “Arquivos de

Programas” do computador, mas o usuário poderá selecionar um outro diretório, se desejar.

47

Figura 3.22. Instalação do software.

Uma vez instalado o software, o usuário poderá utilizar todas as funções aqui

apresentadas, mas não terá acesso aos códigos fontes.

48

4 CONCLUSÃO

Nesse trabalho foram apresentados os principais conceitos que envolvem os

sistemas de transmissão em corrente contínua, e ficou clara a grande relevância que este

assunto terá no cenário elétrico brasileiro nos próximos anos, se mostrando cada vez mais

presente.

Foram cumpridos os objetivos propostos pois, o trabalho serve tanto como uma

fonte histórica quanto teórica para quem inicia os estudos em HVDC. O software

desenvolvido também atingiu todas as expectativas de ser uma ferramenta de auxílio ao

ensino com interface simples e didática que pode ser utilizada tanto em sala de aula, em casa,

ou até mesmo disponibilizada em uma página na internet, devido à interação do LabVIEW

com outras plataformas, por exemplo, o Java.

É importante ressaltar a contribuição que esse trabalho proporcionou no meu

aprendizado pessoal, uma vez que apresentou diversos novos conceitos que, possivelmente

farão parte do meu dia a dia profissional como engenheiro eletricista, além de poder colocar

em prática diversos conhecimentos adquiridos durante a graduação como, Eletrônica de

Potência, LabVIEW, Circuitos Elétricos, entre outros.

4.1 Sugestões para Trabalhos Futuros

No desenvolver desse trabalho foi observado que, em sua totalidade, a

transmissão em HVDC é um sistema complexo com uma infinidade de componentes e

subsistemas como proteção, controle, e etc. Com isso, podem ser apresentadas uma infinidade

de temas para trabalhos futuros que venham a agregar conteúdo esse assunto.

Futuramente, alunos que possuam um contato maior com esse tipo de transmissão,

por exemplo, alguém que tenha acesso às instalações de um desses sistemas, poderia

aperfeiçoar o software aqui desenvolvido apresentando com maiores detalhes os componentes

e equipamentos envolvidos, bem como, desenvolver o trabalho baseado em dados reais de

placa dos equipamentos. Ao se trabalhar com os dados reais, seria interessante a utilização do

software desenvolvido pela Cepel chamado ANAREDE, pois é nesse software que são

desenvolvidas as simulações iniciais que são entregues aos ganhadores dos leilões de

transmissão.

Outro trabalho que acrescentaria bastante em conhecimento seria um especifico

sobre o funcionamento das pontes de tiristores reais aplicadas dentro de uma subestação

49

HVDC. Poderiam ser abordados os aspectos construtivos delas além de um detalhamento

profundo do processo de comutação.

A apresentação de uma estação conversora Back-to-Back com toda sua

complexidade utilizando os parâmetros exigidos nos editais dos leilões já realizados também

seria de grande acréscimo para um melhor entendimento da transmissão em HVDC.

Enfim, são inúmeras possibilidades de temas para ampliar ainda mais os

conhecimentos sobre esse tipo de tecnologia que vem ampliando sua aplicação no atual

modelo do setor elétrico nacional.

50

REFERÊNCIAS

ABB LTDA. A Evolução do HVDC. < http://www.abb.com.br/cawp/db0003db002698/40de

6db612a98a1ec12576e40047e6cc.aspx>. Acesso em 11 de junho, 2015.

ALMEIDA, Thaís Brandão Ribeiro de. Análise de um Sistema de Transmissão VSC

HVDC Submarino para Alimentação de Unidades de Produção de Petróleo Offshore.

Dissertação de Mestrado, Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade

Federal do Rio de Janeiro, 2011.

ALVARENGA, Darlan. Consórcio de Chineses e Eletrobras Vence Leilão de Linha de

Belo Monte. <http://g1.globo.com/economia/noticia/2014/02/consorcio-de-chineses-e-

eletrobras-vence-leilao-de-linha-de-belo-monte.html>. Acesso em: 20 de agosto, 2015.

ANDRADE, Wendell Esdras Alves. Realização de Estudos de Fluxo de Carga, Curto-

Circuito e Proteção de um Alimentador Real de Distribuição com o Auxílio dos

Softwares Anafas e Anared. Trabalho de Conclusão de Curso. Faculdade de Engenharia

Elétrica, Universidade Federal do Pará, Campus de Tucuruí. 2014.

AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – Aneel. Edital do Leilão Nº 007/2008.

<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/audiencia/arquivo/2008/047/documento/edital_007_200

8-madeira_09jul2008.pdf>. Acesso em: 20 de agosto, 2015


<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/editais_transmissao/documentos/Edital%20Leil%C3%A

3o%20011-2013.pdf>. Acesso em: 20 de agosto, 2015.


<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/audiencia/arquivo/2015/016/documento/minuta_edital_l

eilao_007-2015_ap.pdf>. Acesso em: 20 de agosto, 2015.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA – Abradee.

Visão Geral do Setor. < http://www.abradee.com.br/setor-eletrico/visao-geral-do-setor>.

Acesso em: 09 de junho, 2015.

BARONI, Bruno Randazzo. Aplicação do Conversor Multinível Modular em Transmissão

HVDC com Eliminação Seletiva de Harmônicos. Dissertação de Mestrado, Programa de

Pós Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Minas Gerais, 2012.

BARROS, João Guedes de Campos; CARVALHO, Antônio Ricardo C. D.; ALMEIDA,

Leonardo Pinto de. Tutorial Sobre Linha de Transmissão CCAT. Apostila – Centro de

Pesquisas de Energia Elétrica - Cepel, 2009.

BARROS, João Guedes de Campos. Introdução aos Equipamentos e aos Arranjos Físicos

das Estações Conversoras para Transmissão em CCAT. Apostila – Centro de Pesquisas de

Energia Elétrica - Cepel, 2009.

51

BORGES, André. Linhão do Madeira Pode Ter Custo Extra de R$ 700 Milhões.

<http://economia.estadao.com.br/noticias/geral,linhao-do-madeira-pode-ter-custo-extra-de-r-

700-milhoes-imp-,1546522 > . Acesso em: 20 de agosto, 2015.

BRASIL Dalton de O. C. do; MUNIZ Mauro P.; ZARONI Delfim M.; GOMES Paulo.

Projeto Básico do Sistema de Transmissão Associado às Usinas do Rio Madeira e a

Aplicação dos Procedimentos de Rede do Ons. Artigo, XIV ERIAC, 2011.

CARVALHO, Antônio Pedro Santos Dias de. Análise Técnico-Econômica de Linhas de

Transmissão em Corrente Contínua em Alta Tensão: Estudos de Casos. Trabalho de

Conclusão de Curso, Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2012

CAVALLINI, Marta. Chinesa State Grid vence leilão da 2ª linha de transmissão de Belo

Monte. < http://g1.globo.com/economia/negocios/noticia/2015/07/comeca-leilao-da-2-linha-

de-transmissao-de-belo-monte.html>. Acesso em: 20 de agosto, 2015.

CORDEIRO, Tiago. Como Funciona Itaipu? Guia do Estudante, Editora Abril,

<http://guiadoestudante.abril.com.br/estude/atualidades/como-funciona-itaipu-512318.shtml>.

Acesso em: 19 de agosto, 2015.

CREDER, Hélio. Instalações Elétricas. 15 Edição, Editora LTC, 2007.

ELETROBRÁS, Relatório Anual de Sustentabilidade 2013. Relatório, Centrais Elétricas

Brasileiras S.A., 2014

EMPRESA DE PESQUISAS ENERGÉTICAS - Epe - Estudos Para a Licitação da

Expansão da Transmissão - Detalhamento da Alternativa de Referência: Relatório R2.

Relatório, 2013.

FIALHO, João Miguel Praça. Sistema de Transmissão em HVDC Utilizando Conversores

de Potência Multinível Baseados em Inversores Trifásicos Duplos de Dois Níveis.

Dissertação de Mestrado - Instituto Politécnico De Setúbal, 2014.

GIUSTI, Dominik. Obras de Belo Monte Incentivam Indústria do Sexo no Pará.

<http://g1.globo.com/pa/para/noticia/2014/06/obras-de-belo-monte-incentivaram-industria-

de-sexo-no-para-diz-estudo.html>. Acesso em 20 de agosto, 2015.

HOGG, Simon. O que é LabVIEW?. <www.ni.com/newsletter/51141/pt/pdf>. Acesso em 19

de agosto, 2015.

52

ITAIPU BINACIONAL, Integração ao Sistema Brasileiro,

<https://www.itaipu.gov.br/energia/integracao-ao-sistema-brasileiro>. Acesso em: 19 de

agosto, 2015.

KUNDUR, Prabha. Power System Stability and Control, 1 Edição, Editora McGraw-Hill,

1994.

MUKHEDKAR, Radnya A. Introduction to HVDC LCC & VSC – Comparison. Apostila –

Alston, 2014.

NIQUINI, Felipe Magno Mayrink. Modelagem do Elo de Corrente Contínua para Análise

Harmônica Utilizando o Método de Injeção de Correntes Trifásico Harmônico com

Solução Iterativa. Dissertação de Mestrado - Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Elétrica, Universidade Federal de Juiz de Fora, 2009.

NOGUEIRA, Joaquim. A Guerra Das Correntes Elétricas.

<http://wwwnovas.blogspot.com.br/2009/07/guerra-das-correntes-electricas.html>. Acesso

em: 20 de agosto, 2015.

NORTE ENERGIA. Conheça a UHE Belo Monte. Cartilha, Consórcio Norte Energia, 2011.

ODEBRECHT. O Brasil Como Grande Beneficiário.

<http://www.odebrechtonline.com.br/materias/02601-02700/2641/?lang=pt#4>. Acesso em

20 de agosto, 2015.

POMILIO, José Antenor. Técnicas de Modulação de Potência. Apostila, Faculdade de

Engenharia Elétrica e Computação, Unicamp, 2010.

RASHID, Muhammad H. Eletrônica de Potências – Circuitos, Dispositivos e Aplicações.

Makron Books Ltda, 1999.

RUDERVALL, Roberto; CHARPENTIER, J. P.; SHARMA Raghuveer. High Voltage Direct

Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper. Artigo, Energy Week

2000, 2000.

SAAVEDRA, Luiz Alberto Martinez. Estudo de um Sistema CCAT com Capacitor de

Comutação. Dissertação de Mestrado - Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica,

COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2012.

SANTOS, Carlos Alberto dos. Guerra e Paz no Mundo da Eletricidade. Artigo. Instituto

Ciência Hoje, 2011

SIEMENS AG. HVDC - Proven Technology for Power Exchange. Apostila – Setor de

Energia, Divisão de Transmissão, Alemanha, 2011.

53

SOUSA, Walter dos Santos. Desenvolvimento de um Sistema Aplicativo em LabVIEW

para o Monitoramento de Máquinas Rotativas Com Módulo de Balanceamento de

Rotores. Trabalho de Conclusão de Curso, Centro Tecnológico, Universidade Federal do

Pará, 2005.

TAHIM, André Pires Nóbrega; COELHO, Marcos Tadeu. Retificadores Trifásicos de Ponte

Completa Controlados. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade Federal de Santa

Catarina, 2010.

WOODFORD, Dennis A. HVDC Transmission, Manitoba HVDC Research Centre.

Apostila, Winnipeg. Canadá, 1998.

ufpa · 2019. 4. 10. · ufpa desenvolvimento de software em labview para auxÍlio do aprendizado...

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