Present day electrical equipment is rapidly becoming more and more sensitive to power quality problems, especially voltage sags. Various voltage sag correction devices are avaliable. This thesis analyzes a two-switch, single-phase electronic voltage regulator for correcting voltage sags. The theory of this voltage regulator has been investigated. An analytical method for sizing the energy storage capacitors has been established. The voltage regulator has been modeled and its steady-state and dynamic behavior has been studied by means of detailed computer simulations. A 220-V, 50-Hz, 1-kW rated regulator has been designed, simulated, and built. The results on the performance of voltage regulator and conclusions are also given.

A inserção de fontes de geração distribuída (GD) traz a possibilidade de diversificação da matriz energética e a redução de perdas elétricas no transporte de EE – porque as fontes localizam-se próximas aos clientes finais. Entre elas destacam-se as fontes fotovoltaicas, eólicas, pequenas centrais hidrelétricas (PCH) e termelétricas à biomassa. As duas primeiras, apresentam a peculiaridade de normalmente serem conectadas à rede através de inversores de frequência. As outras duas costumam ser conectadas diretamente ao sistema. Todavia, a GD também propicia consequências ao SEP, muitas vezes indesejadas, como variações nos parâmetros da qualidade da energia elétrica (QEE). O compromisso que se deve manter com a QEE entregue aos consumidores é de vital importância para as empresas transmissoras e distribuidoras de energia elétrica, bem como para os utilitários dessa EE. Além disso, para que haja o correto funcionamento de equipamentos eletrônicos e de diversos processos industriais é necessário que a energia elétrica permaneça em uma faixa de tensão aceitável. Entre os fenômenos de interesse da área de qualidade de energia elétrica, os quais devem ser eliminados ou mitigados para a melhor operabilidade do SIN, pode-se citar: harmônicos, flutuação de tensão, subtensão, sobretensão e afundamentos de tensão. Devido a observabilidade rotineira e aos prejuízos (financeiros e/ou técnicos) associados ao fenômeno, o interesse desse estudo consiste nos afundamentos de tensão. Nesse contexto, apresenta-se uma proposta para análise dos afundamentos de tensão em um ambiente com geração distribuída (fotovoltaica, eólica, PCH e termelétrica à biomassa) através de simulações de curtos-circuitos. Os resultados obtidos através da metodologia proposta mostram que a inserção de GD pode trazer uma variação no número de afundamentos de tensão e melhorar os níveis de tensão nas barras, sobretudo nos locais onde foram inseridas bem como em suas proximidades. Também, há redução no número de afundamentos de maior severidade os quais causam mais prejuízos e preocupação a operabilidade do SEP. / The insertion of distributed generation (DG) sources brings the possibility of diversification of energy sources types and the reduction of electrical losses in the transport of EE - because the sources are located close to end users. Among these sources are photovoltaic, wind, small hydropower and biomass-fired power plants. The first two, are usually connected to the network through frequency inverters. The other two are usually connected directly to the system. However, DG also provides consequences to the electrical power system, often unwanted, such as variations in the parameters of power quality (PQ). The commitment should be retained with the power quality delivered to customers. Moreover, for the correct operation of electronic equipment and various industrial processes it is necessary that the voltage remains within an acceptable range. Among the phenomena of interest to electric power quality, which must be eliminated or mitigated, we can mention: harmonics, voltage fluctuation, undervoltage, overvoltage and voltage sags (dips). Due to losses (financial and/or technical) associated with the phenomenon, the interest of this study consists of the voltage sags. In this context, we present a proposal for analysis of voltage sags in an environment with distributed generation (photovoltaic, wind, thermal and biomass-fired power plants) through simulations of short circuits. The results obtained through the proposed methodology shows that the inclusion of DG can bring a change in the number of voltage sags and improve voltage levels in bars, especially in places where they were inserted and in its vicinity. Also, there is a reduction in the number of severe voltage sags which cause more harm and concern to end-users and utilities.

Os afundamentos de tensão são reduções de curta duração entre o 10% a 90% da magnitude de tensão eficaz. Usualmente, estes afundamentos são associados com falhas no sistema de energia elétrica, mas podem ser causados pela elevada corrente de partida de motores de indução ou energização de transformadores. Apesar de sua curta duração, tais eventos podem causar sérios problemas para alguns equipamentos. As conseqüências dos afundamentos de tensão sobre a máquina assíncrona são: perda de velocidade durante o afundamento e picos de corrente e de conjugado que aparecem na queda de tensão e no instante de restabelecimento. Este estudo visa analisar o comportamento da máquina assíncrona diante de afundamentos de tensão e as características destes, devido à influência do motor assíncrono como carga. Enfocando-se neste ponto, é que foram considerados diferentes tipos de afundamentos devido a diferentes falhas, que produziram quedas de tensão nos terminais da máquina assíncrona com variações na magnitude e no argumento de tensão. As simulações foram realizadas aplicando um método numérico tradicional e um método simplificado, o método simplificado lineariza as equações diferenciais elétricas da máquina assíncrona considerando a velocidade mecânica constante, para o cálculo dos transitórios elétricos no início da queda de tensão e no restabelecimento da mesma. Os transitórios obtidos pelo método numérico tradicional (Runge Kutta quarta ordem) e o método simplificado foram comparados, para verificar a precisão deste método com respeito ao numérico tradicional, concluindo-se, que o método simplificado poderá aplicar-se em máquinas de baixo escorregamento e elevada constante de inércia. Além disso, foram realizados experimentos, submetendo o sistema a diferentes quedas de tensão, considerando diferentes magnitudes e durações no afundamento. / Voltage sags are fast reductions between 10% to 90% in the voltage magnitude. Sags are usually associated with system faults, but can also be caused by motors starting or by the transformers energizing. Despite their small duration, such events can cause serious problems for a wide range of equipments. The consequences of voltage sags on the induction machine are: decrease of the speed during the sag and current and torque peaks in the voltage drop and recovery times. This study aims to analyze the behavior of the induction machine during voltage sags and find the characteristics of these sags due to the influence of the induction motor as load, taking into account the different voltage sags types due to different fault types, considering variations in the magnitude, phase angle voltage and variations of the mechanical load of the motor. The simulations were carried out by means of a linear and simplified induction motor model using Matlab, this simplified method separates the electric transient of the mechanical transient, resulting in a large speed of calculation when compared with the numerical method (fourth order Runge-Kutta). The transients obtained by the simplified method were compared with the calculated by the numerical method. Besides, the experiments were carried out under the same bases as the simulations, submitting the system to different voltage drops during several intervals of time.

Nesta dissertação, é apresentada uma metodologia para cálculo de afundamentos de tensão na presença de fontes alternativas de energia. Um método para determinar o grau de influência da reatância de outras unidades geradoras conectadas ao sistema elétrico no que se refere a afundamentos de tensão é desenvolvido. É utilizada a matriz impedância de barras – Zbus para a obtenção de expressões analíticas para a magnitude de afundamentos de tensão causados por faltas na rede. Uma análise matemática das expressões obtidas e uma análise de sensibilidade são feitas com observações acerca das características propiciadas pela inserção de novas fontes de geração. As expressões analíticas são utilizadas para classificar as barras quanto ao número de afundamentos causados por faltas trifásicas e fase-terra em todas as barras do sistema. De maneira similar, a alocação de uma unidade de geração específica é feita com o objetivo de reduzir o número de afundamentos de tensão observados na rede. As expressões em termos da reatância do gerador são usadas na solução de um conjunto de inequações observando a necessidade da manutenção de níveis mínimos aceitáveis de tensão requisitados por cargas sensíveis, a relação entre a reatância do novo gerador e sua capacidade de mitigação de afundamentos fica evidenciada. / This work presents a methodology for voltage sags analysis in the presence of alternative energy sources. The method determines the degree of influence of the reactance from the new generating units connected to the electrical system with regard to voltage sags magnitudes. The impedance matrix – Zbus is used to obtain analytical expressions voltage sags magnitude caused by faults in the grid. A mathematical analysis of the obtained expressions and a sensitivity analysis are made with observations about the characteristics afforded by the inclusion of new generation sources. The analytical expressions are used to rank the bars as the number of sags caused by three-phase and phase to ground faults on all system buses. Similarly, the allocation of a specific generation unit is done in order to reduce the number of voltage sags over the grid. The expressions in terms of the generator reactance are used on solving a set of inequalities, observing the need to maintain minimum acceptable voltage levels required by sensitive loads, the relationship between the reactance of the new generator and its sag mitigation capability is evidenced.

A inserção de fontes de geração distribuída (GD) traz a possibilidade de diversificação da matriz energética e a redução de perdas elétricas no transporte de EE – porque as fontes localizam-se próximas aos clientes finais. Entre elas destacam-se as fontes fotovoltaicas, eólicas, pequenas centrais hidrelétricas (PCH) e termelétricas à biomassa. As duas primeiras, apresentam a peculiaridade de normalmente serem conectadas à rede através de inversores de frequência. As outras duas costumam ser conectadas diretamente ao sistema. Todavia, a GD também propicia consequências ao SEP, muitas vezes indesejadas, como variações nos parâmetros da qualidade da energia elétrica (QEE). O compromisso que se deve manter com a QEE entregue aos consumidores é de vital importância para as empresas transmissoras e distribuidoras de energia elétrica, bem como para os utilitários dessa EE. Além disso, para que haja o correto funcionamento de equipamentos eletrônicos e de diversos processos industriais é necessário que a energia elétrica permaneça em uma faixa de tensão aceitável. Entre os fenômenos de interesse da área de qualidade de energia elétrica, os quais devem ser eliminados ou mitigados para a melhor operabilidade do SIN, pode-se citar: harmônicos, flutuação de tensão, subtensão, sobretensão e afundamentos de tensão. Devido a observabilidade rotineira e aos prejuízos (financeiros e/ou técnicos) associados ao fenômeno, o interesse desse estudo consiste nos afundamentos de tensão. Nesse contexto, apresenta-se uma proposta para análise dos afundamentos de tensão em um ambiente com geração distribuída (fotovoltaica, eólica, PCH e termelétrica à biomassa) através de simulações de curtos-circuitos. Os resultados obtidos através da metodologia proposta mostram que a inserção de GD pode trazer uma variação no número de afundamentos de tensão e melhorar os níveis de tensão nas barras, sobretudo nos locais onde foram inseridas bem como em suas proximidades. Também, há redução no número de afundamentos de maior severidade os quais causam mais prejuízos e preocupação a operabilidade do SEP. / The insertion of distributed generation (DG) sources brings the possibility of diversification of energy sources types and the reduction of electrical losses in the transport of EE - because the sources are located close to end users. Among these sources are photovoltaic, wind, small hydropower and biomass-fired power plants. The first two, are usually connected to the network through frequency inverters. The other two are usually connected directly to the system. However, DG also provides consequences to the electrical power system, often unwanted, such as variations in the parameters of power quality (PQ). The commitment should be retained with the power quality delivered to customers. Moreover, for the correct operation of electronic equipment and various industrial processes it is necessary that the voltage remains within an acceptable range. Among the phenomena of interest to electric power quality, which must be eliminated or mitigated, we can mention: harmonics, voltage fluctuation, undervoltage, overvoltage and voltage sags (dips). Due to losses (financial and/or technical) associated with the phenomenon, the interest of this study consists of the voltage sags. In this context, we present a proposal for analysis of voltage sags in an environment with distributed generation (photovoltaic, wind, thermal and biomass-fired power plants) through simulations of short circuits. The results obtained through the proposed methodology shows that the inclusion of DG can bring a change in the number of voltage sags and improve voltage levels in bars, especially in places where they were inserted and in its vicinity. Also, there is a reduction in the number of severe voltage sags which cause more harm and concern to end-users and utilities.

Os afundamentos de tensão são reduções de curta duração entre o 10% a 90% da magnitude de tensão eficaz. Usualmente, estes afundamentos são associados com falhas no sistema de energia elétrica, mas podem ser causados pela elevada corrente de partida de motores de indução ou energização de transformadores. Apesar de sua curta duração, tais eventos podem causar sérios problemas para alguns equipamentos. As conseqüências dos afundamentos de tensão sobre a máquina assíncrona são: perda de velocidade durante o afundamento e picos de corrente e de conjugado que aparecem na queda de tensão e no instante de restabelecimento. Este estudo visa analisar o comportamento da máquina assíncrona diante de afundamentos de tensão e as características destes, devido à influência do motor assíncrono como carga. Enfocando-se neste ponto, é que foram considerados diferentes tipos de afundamentos devido a diferentes falhas, que produziram quedas de tensão nos terminais da máquina assíncrona com variações na magnitude e no argumento de tensão. As simulações foram realizadas aplicando um método numérico tradicional e um método simplificado, o método simplificado lineariza as equações diferenciais elétricas da máquina assíncrona considerando a velocidade mecânica constante, para o cálculo dos transitórios elétricos no início da queda de tensão e no restabelecimento da mesma. Os transitórios obtidos pelo método numérico tradicional (Runge Kutta quarta ordem) e o método simplificado foram comparados, para verificar a precisão deste método com respeito ao numérico tradicional, concluindo-se, que o método simplificado poderá aplicar-se em máquinas de baixo escorregamento e elevada constante de inércia. Além disso, foram realizados experimentos, submetendo o sistema a diferentes quedas de tensão, considerando diferentes magnitudes e durações no afundamento. / Voltage sags are fast reductions between 10% to 90% in the voltage magnitude. Sags are usually associated with system faults, but can also be caused by motors starting or by the transformers energizing. Despite their small duration, such events can cause serious problems for a wide range of equipments. The consequences of voltage sags on the induction machine are: decrease of the speed during the sag and current and torque peaks in the voltage drop and recovery times. This study aims to analyze the behavior of the induction machine during voltage sags and find the characteristics of these sags due to the influence of the induction motor as load, taking into account the different voltage sags types due to different fault types, considering variations in the magnitude, phase angle voltage and variations of the mechanical load of the motor. The simulations were carried out by means of a linear and simplified induction motor model using Matlab, this simplified method separates the electric transient of the mechanical transient, resulting in a large speed of calculation when compared with the numerical method (fourth order Runge-Kutta). The transients obtained by the simplified method were compared with the calculated by the numerical method. Besides, the experiments were carried out under the same bases as the simulations, submitting the system to different voltage drops during several intervals of time.

Nesta dissertação, é apresentada uma metodologia para cálculo de afundamentos de tensão na presença de fontes alternativas de energia. Um método para determinar o grau de influência da reatância de outras unidades geradoras conectadas ao sistema elétrico no que se refere a afundamentos de tensão é desenvolvido. É utilizada a matriz impedância de barras – Zbus para a obtenção de expressões analíticas para a magnitude de afundamentos de tensão causados por faltas na rede. Uma análise matemática das expressões obtidas e uma análise de sensibilidade são feitas com observações acerca das características propiciadas pela inserção de novas fontes de geração. As expressões analíticas são utilizadas para classificar as barras quanto ao número de afundamentos causados por faltas trifásicas e fase-terra em todas as barras do sistema. De maneira similar, a alocação de uma unidade de geração específica é feita com o objetivo de reduzir o número de afundamentos de tensão observados na rede. As expressões em termos da reatância do gerador são usadas na solução de um conjunto de inequações observando a necessidade da manutenção de níveis mínimos aceitáveis de tensão requisitados por cargas sensíveis, a relação entre a reatância do novo gerador e sua capacidade de mitigação de afundamentos fica evidenciada. / This work presents a methodology for voltage sags analysis in the presence of alternative energy sources. The method determines the degree of influence of the reactance from the new generating units connected to the electrical system with regard to voltage sags magnitudes. The impedance matrix – Zbus is used to obtain analytical expressions voltage sags magnitude caused by faults in the grid. A mathematical analysis of the obtained expressions and a sensitivity analysis are made with observations about the characteristics afforded by the inclusion of new generation sources. The analytical expressions are used to rank the bars as the number of sags caused by three-phase and phase to ground faults on all system buses. Similarly, the allocation of a specific generation unit is done in order to reduce the number of voltage sags over the grid. The expressions in terms of the generator reactance are used on solving a set of inequalities, observing the need to maintain minimum acceptable voltage levels required by sensitive loads, the relationship between the reactance of the new generator and its sag mitigation capability is evidenced.

Os afundamentos de tensão são reduções de curta duração entre o 10% a 90% da magnitude de tensão eficaz. Usualmente, estes afundamentos são associados com falhas no sistema de energia elétrica, mas podem ser causados pela elevada corrente de partida de motores de indução ou energização de transformadores. Apesar de sua curta duração, tais eventos podem causar sérios problemas para alguns equipamentos. As conseqüências dos afundamentos de tensão sobre a máquina assíncrona são: perda de velocidade durante o afundamento e picos de corrente e de conjugado que aparecem na queda de tensão e no instante de restabelecimento. Este estudo visa analisar o comportamento da máquina assíncrona diante de afundamentos de tensão e as características destes, devido à influência do motor assíncrono como carga. Enfocando-se neste ponto, é que foram considerados diferentes tipos de afundamentos devido a diferentes falhas, que produziram quedas de tensão nos terminais da máquina assíncrona com variações na magnitude e no argumento de tensão. As simulações foram realizadas aplicando um método numérico tradicional e um método simplificado, o método simplificado lineariza as equações diferenciais elétricas da máquina assíncrona considerando a velocidade mecânica constante, para o cálculo dos transitórios elétricos no início da queda de tensão e no restabelecimento da mesma. Os transitórios obtidos pelo método numérico tradicional (Runge Kutta quarta ordem) e o método simplificado foram comparados, para verificar a precisão deste método com respeito ao numérico tradicional, concluindo-se, que o método simplificado poderá aplicar-se em máquinas de baixo escorregamento e elevada constante de inércia. Além disso, foram realizados experimentos, submetendo o sistema a diferentes quedas de tensão, considerando diferentes magnitudes e durações no afundamento. / Voltage sags are fast reductions between 10% to 90% in the voltage magnitude. Sags are usually associated with system faults, but can also be caused by motors starting or by the transformers energizing. Despite their small duration, such events can cause serious problems for a wide range of equipments. The consequences of voltage sags on the induction machine are: decrease of the speed during the sag and current and torque peaks in the voltage drop and recovery times. This study aims to analyze the behavior of the induction machine during voltage sags and find the characteristics of these sags due to the influence of the induction motor as load, taking into account the different voltage sags types due to different fault types, considering variations in the magnitude, phase angle voltage and variations of the mechanical load of the motor. The simulations were carried out by means of a linear and simplified induction motor model using Matlab, this simplified method separates the electric transient of the mechanical transient, resulting in a large speed of calculation when compared with the numerical method (fourth order Runge-Kutta). The transients obtained by the simplified method were compared with the calculated by the numerical method. Besides, the experiments were carried out under the same bases as the simulations, submitting the system to different voltage drops during several intervals of time.

A inserção de fontes de geração distribuída (GD) traz a possibilidade de diversificação da matriz energética e a redução de perdas elétricas no transporte de EE – porque as fontes localizam-se próximas aos clientes finais. Entre elas destacam-se as fontes fotovoltaicas, eólicas, pequenas centrais hidrelétricas (PCH) e termelétricas à biomassa. As duas primeiras, apresentam a peculiaridade de normalmente serem conectadas à rede através de inversores de frequência. As outras duas costumam ser conectadas diretamente ao sistema. Todavia, a GD também propicia consequências ao SEP, muitas vezes indesejadas, como variações nos parâmetros da qualidade da energia elétrica (QEE). O compromisso que se deve manter com a QEE entregue aos consumidores é de vital importância para as empresas transmissoras e distribuidoras de energia elétrica, bem como para os utilitários dessa EE. Além disso, para que haja o correto funcionamento de equipamentos eletrônicos e de diversos processos industriais é necessário que a energia elétrica permaneça em uma faixa de tensão aceitável. Entre os fenômenos de interesse da área de qualidade de energia elétrica, os quais devem ser eliminados ou mitigados para a melhor operabilidade do SIN, pode-se citar: harmônicos, flutuação de tensão, subtensão, sobretensão e afundamentos de tensão. Devido a observabilidade rotineira e aos prejuízos (financeiros e/ou técnicos) associados ao fenômeno, o interesse desse estudo consiste nos afundamentos de tensão. Nesse contexto, apresenta-se uma proposta para análise dos afundamentos de tensão em um ambiente com geração distribuída (fotovoltaica, eólica, PCH e termelétrica à biomassa) através de simulações de curtos-circuitos. Os resultados obtidos através da metodologia proposta mostram que a inserção de GD pode trazer uma variação no número de afundamentos de tensão e melhorar os níveis de tensão nas barras, sobretudo nos locais onde foram inseridas bem como em suas proximidades. Também, há redução no número de afundamentos de maior severidade os quais causam mais prejuízos e preocupação a operabilidade do SEP. / The insertion of distributed generation (DG) sources brings the possibility of diversification of energy sources types and the reduction of electrical losses in the transport of EE - because the sources are located close to end users. Among these sources are photovoltaic, wind, small hydropower and biomass-fired power plants. The first two, are usually connected to the network through frequency inverters. The other two are usually connected directly to the system. However, DG also provides consequences to the electrical power system, often unwanted, such as variations in the parameters of power quality (PQ). The commitment should be retained with the power quality delivered to customers. Moreover, for the correct operation of electronic equipment and various industrial processes it is necessary that the voltage remains within an acceptable range. Among the phenomena of interest to electric power quality, which must be eliminated or mitigated, we can mention: harmonics, voltage fluctuation, undervoltage, overvoltage and voltage sags (dips). Due to losses (financial and/or technical) associated with the phenomenon, the interest of this study consists of the voltage sags. In this context, we present a proposal for analysis of voltage sags in an environment with distributed generation (photovoltaic, wind, thermal and biomass-fired power plants) through simulations of short circuits. The results obtained through the proposed methodology shows that the inclusion of DG can bring a change in the number of voltage sags and improve voltage levels in bars, especially in places where they were inserted and in its vicinity. Also, there is a reduction in the number of severe voltage sags which cause more harm and concern to end-users and utilities.

Power Quality (PQ) has gained a lot of importance in the last decade. Several solutions to power quality problems have been proposed and developed. With the advent of solid state technology and power electronics in the power system protection devices, faster switching is achievable. In order to control and minimize the power quality problems which occur in extremely short times of less than 100ms, the need arises for a selection of devices that can switch faster than today. Also, the economic losses that occur in the network due to the power quality problems increase the incentive to transform the existing devices into faster and e fficient devices. This transformation can be seen as valuable from both a technical and economical point of view to the distribution networks today where a large number of customers are connected. However, in order to interpret the value these fast switching devices render to the distribution network a prior study is required. This thesis presents a picture of the devices that can be suitable for fast switching in today’s distribution network, and how to determine their value to the distribution network. Further it summarizes the research work related to this field. The description of the devices and technical aspects is presented first. A literature review of proposed devices is given. The technical aspects of power quality and its problems is described. An approach to estimate the value of the fast switching devices is detailed from different literature. The study shows that fast switching devices can be worthy to invest in when seen from a distribution network’s perspective provided that different technical aspects are taken into account.