Categoria Blog Condutor Aberto

Estudo de caso – Conversor Buck Controlado por Controlador P

O presente estudo de caso busca apresentar as etapas necessárias para a realização do controle de um conversor CC/CC através do uso de um controlador. Nesse caso, o processo será descrito através de softwares, como Matlab e Typhoon HIL.  

O conversor Buck, o qual pode ser visto na figura 1, é caracterizado por ser um abaixador de tensão de modo que a sua tensão de saída é menor que a sua tensão de entrada.

Figura 1 – Conversor Buck

Enquanto isso, os controladores são utilizados em sistemas de malha fechada para controlar o valor de saída desse sistema. Com os devidos ajustes, é possível manter tal valor de forma estável e com erro mínimo. Para isso, deve ser feita a correta escolha para os parâmetros que compõem o referido controlador. Dessa maneira, o sistema deve apresentar um valor de referência de modo em que o controlador possa fazer o valor de saída se aproximar ao máximo desse valor. Ou seja, de forma a minimizar a variável de erro a qual consiste na diferença entre o valor de referência e o valor de saída atual, a representação de tal sistema de malha fechada com um controlador é mostrada na figura 2.

Neste desenvolvimento, será utilizado o controlador P no qual a letra P indica a ação proporcional promovida. Tal efeito é responsável pela promoção de uma resposta com maior velocidade sob variação do valor de referência. Esse controlador pode ser usado para o controle da tensão de saída do conversor ou até mesmo para o controle da corrente no indutor. Neste caso, será efetuado o controle para a tensão de saída do conversor Buck. Desse modo, o processo para se obter a simulação desejada é dado a partir das etapas apresentadas a seguir:

Modelagem do Conversor Buck

A primeira etapa consiste na obtenção da função de transferência do Conversor Buck através de sua respectiva modelagem. No caso do conversor Buck, tal função é conhecida, conforme mostrada na expressão abaixo, e pode ser usada diretamente. Porém, há sistemas em que a função de transferência do sistema é desconhecida e precisa ser obtida (fica como desafio ao leitor confirmar que a função de transferência desse conversor é válida a partir de sua modelagem). É importante ressaltar que a função de transferência se trata da relação entre a entrada e saída de um sistema, as quais são, no caso em questão, respectivamente tensão de saída do conversor Buck e duty cycle.

Obtenção dos Parâmetros do Controlador P

Após encontrar a função de transferência do sistema, faz-se uso do software de simulação MATLAB para se obter o parâmetro necessário para o controlador P (KP). O código para se definir a função de transferência do controlador P está dado a seguir:

Figura 3 – Código do MATLAB

Dessa forma, deve-se utilizar o recurso PID Tuner, presente nesse software. Tal ferramenta recebe como parâmetro a planta a ser controlada através de sua respectiva função de transferência, a qual foi obtida no item anterior. 
Com isso, é possível definir o tipo de controlador a ser projetado, as características do controle, entre outros. Após definir tais configurações, o parâmetro KP é obtido. As definições referentes ao controlador são mostradas a seguir:

Figura 4 – Características do Controlador

Desse modo, os resultados obtidos são os seguintes:

Figura 5 – Parâmetros do Controlador P
Figura 6 – Esquema de Sistema de Malha Fechada com Controlador

Ressalta-se que a oscilação em torno da amplitude que vale 1 na figura 6 é esperada e se deve ao fato do controlador escolhido ser do tipo P.

Montagem do Sistema de Malha Fechada

Com o parâmetro do controlador P, o código que realiza o controle já pode ser desenvolvido. Para isso, é importante ressaltar que a saída do controlador P (duty cycle) é dado pelo produto entre o parâmetro da ação proporcional e o erro, o qual consiste na diferença entre o valor esperado na saída do sistema e o valor atual:

Dessa maneira, o código, a ser aplicado no bloco de código em C do Typhoon HIL, é mostrado abaixo:

Figura 7 – Circuito do conversor Buck com Controlador P montado no software Typhoon HIL

Com isso, quando o código estiver configurado no bloco C function e o esquemático do circuito estiver montado conforme a imagem a seguir, a simulação pode ser executada.

Simulação do Sistema

Na aba de simulação, denominada HIL Scada, é possível verificar os valores dos parâmetros presentes no sistema em tempo real. Se o arquivo de simulação disponibilizado for utilizado, nota-se que o circuito está reduzindo a tensão de entrada (24V) de modo que o valor de saída se aproxima do valor esperado (12V). É válido perceber ainda que, como o conversor buck é abaixador, a tensão de referência (valor esperado) não pode ser maior que o valor de entrada. Dessa forma, a sessão HIL Scada é apresentada abaixo, assim como o osciloscópio disponível pelo software para visualização dos sinais presentes no sistema:

Figura 8 – Simulação do conversor Buck com o controlador P no software Typhoon HIL 
Figura 9 – Osciloscópio Virtual do Typhoon HIL

Estudo de caso: Inversor de tensão monofásico


Este é um estudo de caso baseado no estudo realizado no capítulo 2 do livro Digital Control in Power Electronics escrito por Simone Buso (University of Padovia, Itália) e Paolo Mattavelli (Univerisity of Udina, Itália).


Há algum tempo, o esgotamento das energias convencionais, que provém de combustíveis fósseis, e também a constante e crescente demanda de energia vem voltando atenção para que a sociedade se torne cada vez mais sustentável e busque cada vez mais a utilização de energias consideradas renováveis.

A geração de energia centralizada, que é o modelo tradicional e que, muitas vezes emprega combustíveis fosseis é um modelo de geração insustentável em logo prazo e, por isso, as fontes de energias renováveis, que são reabastecidas de maneira continua pela natureza, vem ganhando bastante destaque e muita notoriedade na área da pesquisa e também no mercado.

Por essas e outras razões, o modelo de geração distribuída, que se opõe ao modelo tradicional, uma vez que ele é caracterizado pelo uso de geradores descentralizados, ou seja, eles vão ser instalados mais próximo do dos locais de consumo e, no modelo tradicional, os geradores são construídos mais distantes dos consumidores, tem ganhado cada vez mais destaque no Brasil e no mundo.

Fontes renováveis, como a fotovoltaica e a eólica, utilizam recursos da natureza para gerar energia em corrente contínua e, para que essa energia seja utilizada pelo consumidor ou até injetada na rede, de uma forma adequada, é necessário que haja o seu condicionamento. O condicionamento nada mais é que a conversão do sinal de tensão CC obtido da fonte renovável, para uma forma de onda de tensão com características de fase, de amplitude, de distorção harmônica e de frequência que vão satisfazer a operação da rede elétrica.

Por esse e outros motivos, o tópico deste texto está relacionado com a eletrônica de potência, que irá desempenhar um papel fundamental no condicionamento da forma de onda. Através dela, controlando os conversores eletrônicos de potência, é possível alcançar algumas funcionalidades do sistema de geração distribuída.

Um inversor é um circuito que irá converter CC em CA, transferindo potência de uma fonte CC para uma carga CA. Neste estudo de caso, avaliaremos um inversor na topologia de ponte H completa para o qual determinaremos o diagrama de blocos do controle do inversor e definiremos os ganhos Kp e Ki para o controlador.

Como definir o ganho do PWM?

É possível fazer uma interpretação geométrica da relação entre a modulação (m), a portadora triangular e o duty cycle, tornando possível determinar o ganho do PWM. Neste processo, algumas considerações precisam ser feitas. Entre elas, o período da modulante (m) tem de ser muito maior que o período da portadora, uma vez que há a necessidade de considerar uma variação infinitesimal em um determinado espaço de tempo, possibilitando a aproximação da curva m(t) para uma reta.

Figura 1 – Formas de onda da portadora e da modulante e estado lógico para cada momento de chaveamento
Fonte: Buso & Mattavelli (2015)

Na figura 1, é possível observar a forma de onda da portadora triangular e da modulação (m) com um período Ts de tempo.

Figura 3 – Relação geométrica entre d e m
Fonte: Autora (2022)

Em busca da obtenção de uma relação geométrica entre as duas formas de onda, considera-se Cpk como sendo a amplitude da portadora e que ϴ e α são ângulos complementares. Sendo assim;

Consequentemente, é possível determinar a relação do duty cycle com a modulante e, em seguida, perceber que o ganho do PWM será de 1/Cpk.

Como definir o delay associado ao PWM?

Pela natureza do PWM ser digital, existe um delay que deve ser considerado. Ao considerar um atraso de Ts/2, obtém-se a seguinte função de transferência para o delay:

Utilizando a aproximação de Padé, é possível obter:

Como chegar na função de transferência do controlador PI?

O controlador Proporcional Integral irá gerar um resultado, u(t) da combinação das saídas proporcional e integral. Dessa forma, tem-se:

Deve-se então definir a função de transferência do controlador PI. Para isso, é aplicada a transformada de Laplace, obtendo:

Sendo, E(s) e u(s), respectivamente, a entrada e a saída do sistema, pode-se determinar a função de transferência como (Ogata, 2003):

Como encontrar o ganho do inversor com ponte H completa?

Para obter o ganho nesta etapa, utilizaremos um inversor em ponte H completa, que está sendo representada, com suas respectivas variáveis, na figura 4. É válido lembrar que esta figura é apenas um modo de representação simplificado e esboçado no software PSIM e que, nela não estão representadas os labels, que são as saídas do PWM, cujo código deverá ser implementado através do bloco C, e que irão controlar a comutação dos IGBTs. A implementação do PWM no bloco C do PSIM será tópico futuro de outro texto neste blog.

Figura 4 – Modelo de Ponte H completa
Fonte: Autora (2022)

Por conta da amplitude da modulação PWM, define-se que: 

Analisando o circuito, pode-se obter:

Sendo assim, é considerar três estados possíveis para a tensão Vab:

Como a modulação, neste caso, é unipolar, definimos :

Portanto, o ganho do inversor é dado por 2VDC.

Como definir a função de transferência da carga associada ao sistema?

Ainda utilizando o modelo da Figura 4, para definir a função de transferência da carga do sistema, considera-se que Vg é constante, uma vez que se deve observar apenas a dinâmica entre Vab e a corrente ig. Então:

Sendo assim:

Pode-se então, definir a função de transferência da carga como sendo

Abaixo é possível observar o diagrama de blocos da malha de controle completa para o sistema em questão. Existe ainda, a necessidade de determinar os parâmetros Kp e Ki para o controlador do sistema, cuja dedução será detalhada em um texto futuro, mas que, para o sistema em questão, podem ser encontrados através do código do exemplo. A funções de Kp e Ki implementadas neste código do matlab são oriundas do próprio livro texto Digital Control in Power Electronics.

Figura 5 – Diagrama de blocos da malha de controle
Fonte: Buso & Mattavelli (2015)

Exemplo

Como exemplo, Buso & Mattavelli sugerem em seu livro, um sistema com parâmetros (tensão do link DC, frequência de chaveamento, resistência e indutância da carga, entre outros) definidos. A partir deles, é possível encontrar os parâmetros Kp e Ki do controlador e definir a constante de tempo do controlador PI, executando o código abaixo no matlab.

clear all
close all
clc
 
%DADOS
Rs = 1; %phase resistence
Ls = 1.5e-3; %Phase inductance 

%fs = 125; % load frequency
Es = 100; %phase load voltage
w0 = 2*pi*125;
Vdc = 250; % DC link voltage 
fsw = 50e3;  %switching frequency / frequencia do PWM
wsw = 2*pi*fsw; %freq pwm em rad
Ts = 1/fsw; %periodo do chaveamento
Gti = 0.1; %current transducer gain
cpk = 4; % pwm carrier peak

%parametros de projeto
wCL = wsw/6;  % freq de cruzamento
phm = 60*pi/180;  % margem de fase


Kp = cpk*Rs*sqrt(1 + (wCL*Ls/Rs)^2)/(2*Vdc*Gti)

dKi = tan(-pi/2 + phm + 2*atan(wCL*Ts/4) + atan(wCL*Ls/Rs));
Ki = wCL*Kp/dKi


Ti = Kp/Ki  %constante de tempo do PI


Referências

BUSO, Simone; MATTAVELLI, Paolo. Digital control in power electronics. Synthesis Lectures on Power Electronics, v. 5, n. 1, p. 1-229, 2015.

OGATA, Katsuhiko. Engenharia de controle moderno, Ed. Sao Paulo: 4o, 2003.

HART, Daniel W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. McGraw Hill Brasil, 2016.

Planejamento do Sistema Elétrico Brasileiro

Consumo de Energia

O uso da energia elétrica foi uma revolução na forma de se transmitir energia. Com ela, tornou-se possível que a fonte de energia esteja em um local e o consumidor esteja em outro com uma facilidade de transporte muito maior. Entretanto, o armazenamento de energia na forma de energia elétrica é custoso, por isso, na grande maioria dos casos a energia é produzida à medida que existe uma demanda para esta. Caso a demanda fosse fixa, este seria um problema bastante simples, todavia este não é o caso.

Sistema elétrico simplificado.

O consumo de energia elétrica varia consideravelmente ao longo do dia e, além disso, tende a crescer com o passar do tempo. Isto faz com que o planejamento seja uma tarefa complicada que demanda esforço constante de pesquisa, controle e expansão. Nesse contexto, os órgãos nacionais de energia dividem o planejamento do Sistema Elétrico Brasileiro (SEB) em dois: o planejamento da operação e o planejamento da expansão.

Planejamento da Expansão

O planejamento da expansão diz respeito às previsões de longo prazo num período de até 30 anos. De acordo com as pesquisas feitas pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) é feita uma projeção do aumento da carga. Junto a isso é feito o estudo da disponibilidade de recursos e da possibilidade de aumento da geração em cada tipo de fonte de energia e levam-se em conta os contratos já estabelecidos de construção de unidades geradoras de modo a produzir o Plano Decenal de Expansão de Energia (PDE).

Projeção do crescimento do consumo de energia ao longo dos anos.

Além do aumento na geração é preciso planejar a expansão do sistema de transmissão de energia, pois uma quantidade maior de energia sendo transmitida por vezes exige uma mudança nos equipamentos além de que áreas que antes não necessitavam de conexão com o sistema elétrico passam a consumir ao longo do tempo, tudo isso é tratado no Programa de Expansão da Transmissão / Plano de Expansão de Longo Prazo (PET/PELP).

Com isso, fica garantido que as demandas futuras poderão ser atendidas pelo SEB dada a existência de recursos para tal. Mas ainda faz-se necessário considerar o planejamento de curto e médio prazo, para isso existe o planejamento da operação.

Planejamento da Operação

O planejamento de operação determina como o sistema e as usinas irão operar, de modo a atender à variação, em curto prazo, da carga com o menor custo possível. Este planejamento é feito essencialmente considerando um sistema hidrotérmico que compreende a maior parte da geração de energia do país além de serem os tipos de geração dos quais se tem um controle maior.

O estudo leva em conta os conceitos de custo presente e custo futuro, isto porque, num cenário onde temos as instalações já feitas, as termelétricas demandam um custo maior para a geração da mesma quantidade de energia quando se compara com as hidrelétricas, o que é chamado de custo presente, entretanto não se pode usar a energia das hidrelétricas indiscriminadamente, pois os reservatórios acabarão vazios prejudicando a geração futura e ainda causando uma dificuldade no abastecimento de água para a população, o que é chamado de custo futuro.

Desta forma, caso se use a energia das hidrelétricas e em seguida houver um período de chuvas a decisão é correta, se houver um período de seca haverá déficit de energia, caso não se use a energia das hidrelétricas e em seguida houver um período de seca a decisão é correta, se houver um período de chuvas haverá vertimento (desperdício de energia). Este problema é chamado de dilema do operador e leva em conta as previsões meteorológicas futuras e os volumes presentes em cada reservatório.

O estudo considera ainda a demanda prevista e a média prevista para a geração das outras fontes, segundo o Programa Mensal de Operação (PMO) feito pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). O ONS controla, ainda, a operação em tempo real. Por ter uma característica de controle mais imediato, o planejamento e controle de operação trabalha com horizontes temporais curtos, então requer informações mais detalhadas e precisas a respeito da disponibilidade de energia em cada fonte.

No que diz respeito às gerações renováveis, as fontes de energia variam de forma muito mais rápida e o controle é inviável, por isso ainda não entram no planejamento da operação, no entanto já existem diversos estudos na literatura que buscam maneiras de incorporar a geração renovável no planejamento através de modelos estatísticos ou de inteligência artificial para a previsão da disponibilidade de energia.

Referências

EPE (2021). Programa de Expansão da Transmissão (PET) / Plano de Expansão de Longo Prazo (PELP) Ciclo 2021 – 2º Semestre. Empresa de Pesquisa Energética, Brasília.

EPE (2022). Plano Decenal de Expansão de Energia 2031. Ministério de Minas e Energia/Empresa de Pesquisa Energética, Brasília.

ONS (2022). Sumário do Programa Mensal de Operação. Operador Nacional do Sistema Elétrico, Brasília.

O impacto da geração distribuída nos sistemas de distribuição

As Mudanças no Setor de Distribuição

A modernização e a adaptação dos meios tecnológicos é algo inevitável no que se diz respeito a qualquer ferramenta ou ciência utilizada pela sociedade moderna. Dentro deste contexto, verifica-se que os Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEEs) passam por mudanças estruturais importantes, de modo a desempenhar plenamente o seu papel.

Deste modo, um dos principais aspectos que vêm exigindo tais adaptações nos SDEEs é o crescimento da implantação das unidades de geração distribuída (GDs) ao longo dos alimentadores. No Brasil, por exemplo, é esperado que até 2024 o número de consumidores residenciais e comerciais que possuam geração própria aumente em 833,25%, atingindo 3.208 MW de potência instalada.

Ressalta-se que além de atender a necessidade de distribuição homogênea da geração de energia elétrica, a GD permite a criação de um novo conceito de consumidor, definido por prosumidor (produtor + consumidor). Tal aspecto traz ainda mais destaque para os estudos, principalmente pelo fato de afetar diretamente aspectos financeiros, o que incentiva o uso da tecnologia entre os consumidores finais.

Além da vertente monetária, o modelo de geração distribuída traz diversos aspectos positivos, dentre eles, pode-se citar: a redução da emissão de gases poluentes através do uso de fontes renováveis; a possibilidade de diminuição das perdas técnicas no sistema de distribuição, pois as cargas estão mais próximas à geração; e, o aumento da eficiência energética. Por esses e outros motivos, faz-se necessário voltar à devida atenção ao tema, afinal, atrelados aos benefícios estão todos os desafios que requerem estudo com uma análise profunda e cuidadosa.

Microrredes


Define-se uma microrrede como um grupo de cargas e de recursos de energia distribuída interconectadas dentro de um limite elétrico claramente definido que atua como uma entidade controlável única com relação à rede. Uma microrrede pode conectar e desconectar-se da rede de modo que lhe permita operar integrada ou isolada da rede (“modo ilha”). Essa conexão com o sistema elétrico de potência da concessionária local é feita, normalmente, com o auxílio da eletrônica de potência.

Geralmente, porém não obrigatoriamente, as microfontes presentes na microrrede são do tipo renovável. Vale ressaltar que no Brasil, a principal fonte vem sendo a solar, devido à boa incidência em diversas partes do país durante o ano, facilidade de implementação em centros urbanos e interessante relação custo benefício.

Todavia, pode-se haver microfontes de cunho não renovável, como motogeradores movidos à diesel, mas que também podem trabalhar aproveitando subprodutos de outros processos (cogeração). Todo o dimensionamento do sistema pode ser projetado para cada necessidade especial, considerando aspectos como: a demanda, a confiabilidade no fornecimento de energia e a melhoria em índices da Qualidade da Energia Elétrica (QEE).

Impactos e Desafios da Geração Distribuída na Rede


Apesar dos benefícios serem proeminentes, o estudo do tema ainda é rodeado por diversos desafios e conflitos importantes. A inserção de GDs, por exemplo, pode causar consequências financeiras e técnicas na operação do sistema, devido ao aumento de conexões de fontes geradoras que podem provocar sobretensões, o que gera danos aos consumidores e prejudica a QEE.

Outro ponto crítico no estudo em questão é o fato de grande parte das microrredes possuírem fontes com comportamento intermitente, a exemplo dos painéis fotovoltaicos que dependem da irradiação solar durante o dia. Tal característica pode causar problemas operativos, destacando-se as variações de tensão em SDEEs, acarretando efeitos negativos, tais como: a violação dos limites de tensão normativos e o aumento do chaveamento de taps dos reguladores de tensão e de bancos de capacitores automáticos.

Ressalta-se que tais tipos de fonte são normalmente utilizadas em associação com alguma forma de armazenamento de energia, como banco de baterias, supercapacitores, células de combustíveis ou volantes de inércia (flywheels). Deste modo, há um aumento da dificuldade operacional e financeira de um projeto envolvendo esta tecnologia. Entretanto, tais dispositivos são vitais para garantir o equilíbrio carga/geração na microrrede e manter a frequência nos valores de operação ideais.


Por fim, um dos aspectos de maior destaque atualmente é a viabilidade de utilizar a GD como um investimento para retorno financeiro, já que é possível vender o excedente de energia para a concessionária, a depender do balanço geração/consumo. Todavia, a utilização deste recurso baseia-se na manipulação do fluxo de potência, ou seja, do caminho percorrido pelas potências ativa e reativa nos elementos da rede elétrica. Normalmente, quando um prosumidor está operando como consumidor, o fluxo de potência direciona-se da subestação abaixadora em direção à carga distribuída ao longo do alimentador. Porém, no modo produtor, o fluxo de potência é invertido e a energia passa a ser injetada na rede. Deste modo, apesar dos evidentes benefícios, tal inversão pode causar sobrecarga de transformadores, elevação das perdas e problemas na regulação de tensão, promovendo, assim, a necessidade em se estudar com profundidade a fim de se prever e contornar possíveis cenários indesejados.

Devido aos diversos desafios operacionais supracitados, a revisão dos estudos de coordenação da proteção e novos reforços e investimentos na rede secundária, mostra-se uma tarefa cada vez mais necessária.

Referências:

• LUCCHESE, F.C.; ANSELMINI, F.A.; MARTINS, C.C.; SPERANDIO, M.; Análise Do Impacto Da Geração Distribuída Fotovoltaica Na Rede Elétrica Da Universidade Federal De Santa Maria; VII Congresso Brasileiro de Energia Solar, Gramado, 2018.
• ANEEL,“Nota Técnica n° 0056/2017-SRD/ANEEL: Atualização das projeções de consumidores residenciais e comerciais com microgeração solar fotovoltaicos no horizonte 2017-2024”, 2017.
• I. Lampropoulos, G. M. A. Vanalme, and W. L. Kling, “A methodology for modeling the behavior of electricity prosumers within the smart grid”, in IEEE Innovative Smart Grid Technologies, 2010. pp. 1-8.
• RODRIGUES, Israel Resende Alves. Estudo de proteção elétrica de uma microrrede baseada na rede de 34 Barras do IEEE. 2017. Dissertação de Mestrado Pós – Graduação em Engenharia Elétrica – Universidade Federal de Minas Gerais, 2017.
• R.F. Coelho, “Concepção, análise e implementação de uma microrrede interligada à rede elétrica para alimentação ininterrupta de cargas CC a partir de fontes renováveis”, Universidade Federal de Santa Catarina, 2013.
• GRAINGER, J. J.; STEVENSON JR, W. D. Power System Analysis, McGraw-Hill, New York,
1994

Distorções Harmônicas no sistema elétrico de potência

É possível que o estudante de engenharia elétrica escute falar a respeito de harmônicos muito antes de entender de onde eles vêm ou qual o real impacto da circulação dessas componentes no sistema elétrico de potência. Você sabe o que são harmônicos? Vamos apresentar um pouco a respeito do tema nesse texto.

Conceitos Gerais

Quando falamos de um sistema elétrico ideal, as tensões fornecidas devem seguir um contrato de fornecimento, sendo perfeitamente senoidais e equilibradas. No entanto, podemos verificar que, na prática, os sinais de corrente e tensão encontram-se distorcidos. Este desvio é normalmente expresso em termos das distorções harmônicas de corrente e tensão, e normalmente causadas pela operação de cargas com características não lineares.


Um dispositivo não linear é um equipamento que não produz uma corrente senoidal quando lhe é aplicada uma tensão senoidal. Esses elementos são classificados em três importantes categorias:

  • Dispositivos a arco: fornos a arco, máquinas de solda, etc.;
  • Dispositivos saturados: transformadores, reatores, etc.;
  • Equipamentos de eletrônica de potência: conversores, retificadores, etc.;

De forma simples, podemos dizer que um harmônico é um componente de uma onda periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental, que no caso da energia elétrica brasileira é de 60 Hz.

Distoções Harmônicas

Vale a pena ressaltar que harmônicos são fenômenos contínuos e não devem ser confundidos com fenômenos de curta duração, os quais duram apenas alguns ciclos. Distorção harmônica é um tipo específico de energia suja, que é normalmente associada à crescente quantidade de acionamentos estáticos, fontes chaveadas e outros dispositivos eletrônicos nas plantas industriais, isto é, associado com cargas não lineares.

Para determinar o grau de distorção presente na tensão e/ou corrente, recorremos à ferramenta matemática conhecida por série de Fourier. As vantagens de se usar a série de Fourier para representar formas de onda distorcidas é que cada componente harmônica pode ser analisada separadamente e a distorção final é determinada pela superposição das várias componentes constituintes do sinal distorcido

A natureza e a magnitude das distorções harmônicas geradas por cargas não lineares dependem de cada carga em específico, mas duas generalizações podem ser assumidas:

  • Os harmônicos que causam problemas geralmente são os componentes de números ímpares;
  • A magnitude da corrente harmônica diminui com o aumento da frequência.

Consequências das distorções harmônicas

Altos níveis de distorções harmônicas em uma instalação elétrica podem causar problemas para as redes de distribuição das concessionárias, para a própria instalação e para os equipamentos instalados. As consequências podem chegar até a parada total de importantes equipamentos na linha de produção.

As componentes harmônicas geradas por cargas não lineares propagam-se pela rede elétrica, resultando em sérios danos aos equipamentos elétricos e/ou eletrônicos. Dentre os principais efeitos causados podemos citar:

  • Má operação de equipamentos eletrônicos, de controle, de proteção, de medição e outros;
  • Sobretensões gerando comprometimento da isolação e da vida útil do equipamento;
  • Sobrecorrentes ocasionando efeitos térmicos nocivos aos equipamentos;
  • Efeitos sobre a resistência dos condutores elétricos.

Mitigação de Harmônicos

Diante de tantos problemas causados por harmônicos, torna-se necessário tomar medidas preventivas ou corretivas, no sentido de reduzir ou eliminar os níveis harmônicos presentes nos barramentos e linhas de um sistema elétrico

Dentre as diversas técnicas utilizadas destacam-se:

  • Filtros passivos: são constituídos basicamente de componentes R, L e C por meio dos quais se obtêm os filtros sintonizados e amortecidos. Estes filtros são instalados geralmente em paralelo com o sistema supridor, proporcionando um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas. Podem ser utilizados para a melhoria do fator de potência, fornecendo o reativo necessário ao sistema. Entretanto, existem alguns problemas relacionados à utilização destes filtros, dentre os quais se destacam o alto custo, a complexidade de sintonia e a possibilidade de ressonância paralela com a impedância do sistema elétrico.
  • Filtros ativos: um circuito ativo gera e injeta correntes harmônicas com defasagem oposta àquelas produzidas pela carga não linear. Assim, há um cancelamento das ordens harmônicas que se deseja eliminar. Embora bastante eficiente, este dispositivo apresenta custos elevados (superiores aos filtros passivos), o que tem limitado sua utilização nos sistemas elétricos.
  • Compensadores eletromagnéticos
  • Moduladores CC

Gostou do tema e gostaria de aprofundar um pouco mais o seu entendimento? Só dar uma conferida nas referências e boa leitura!

Referências:

https://www.osetoreletrico.com.br/wp-content/uploads/2013/03/Ed85_fasciculo_qualidade_cap2.pdf
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4449923/mod_resource/content/1/Aula_08_a.pdf

A PRIMEIRA USINA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Embora seja comum pensar que o físico Nicolas Tesla foi o responsável pela criação da primeira usina geradora de eletricidade, não foi isso que ocorreu. Na realidade, a primeira usina elétrica do mundo, a estação de geração de Pearl Street, foi colocada em funcionamento pelo inventor Thomas Edison em 1882.

Ideia empreendedora

Thomas Alva Edison nasceu em Milan, no estado de Ohio, meio oeste americano, no dia 11 de fevereiro de 1847. Filho de um marceneiro e de uma professora. Thomas foi um grande inventor e empreendedor, ficando marcado por suas ilustres invenções, chegando a registrar um total de 1.033 patentes dentre as quais se destaca a lâmpada incandescente. De sua autoria a frase “Um gênio se faz com um por cento de inspiração e noventa e nove de esforço”. Em 1880, a lâmpada era a única invenção que funcionava através de eletricidade. Para ampliar esse uso, Thomas iniciou o planejamento da primeira estação de energia elétrica. Dessa forma, seria possível vender suas lâmpadas incandescentes e a energia gerada na sua nova estação. Tal projeto teve êxito em sua implementação após dois anos

Dificuldades enfrentadas

Em busca de promover o prosseguimento do projeto, foram montadas estações de energia experimentais. Apesar disso, a construção do projeto Pearl Street apresentava alguns empecilhos. A exemplo dessas dificuldades, encontra-se a forma de geração (até então era gerado somente corrente contínua) e distribuição da energia elétrica requerida. Para resolver essa problemática, Edison desenvolveu o Dynamo Jumbo. Trata-se de uma máquina de 27 toneladas, capaz de produzir 100 kW e alimentar 1200 lâmpadas a qual foi instalada em Holborn Viaduct Station, em Londres, no ano de 1882.

Distribuição da energia

A distribuição da energia também promoveu muitas dificuldades para o projeto, pois, naquela época, essa etapa ainda era feita por fios e tubos subterrâneos. Então, toda a cidade precisou ser “desenterrada” para a concretização de tal projeto. Assim, a implementação da distribuição de energia exigiu 30 km de fiação; tornando-se, com isso, a parte mais cara do projeto.

Referências

Edison’s Electric Light and Power System. . Disponível em: https://ethw.org/Edison%27s_Electric_Light_and_Power_System. Acesso em: 10 de julho de 2022.

Como era a primeira usina geradora de eletricidade. Disponível em: https://www.dicasdeeletricidade.com.br/como-era-a-primeira-usina-geradora-de-eletricidade/#:~:text=A%20primeira%20usina%20el%C3%A9trica%20do,de%20eletricidade%20em%20Nova%20York. Acesso em: 10 de julho de 2022.

Power station. Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Power_station. Acesso em: 10 de julho de 2022.