CNPq, CAPES / O presente trabalho inclui a revisão das normas de qualidade de energia elétrica, a fim de normatizar o desenvolvimento do projeto seguindo normas nacionais e internacionais; a simulação de algoritmos como CFA e FFT, a fim de verificar a viabilidade de seu uso, bem como as limitações associadas ao processamento de formas de onda fortemente distorcidas. Inclui também a proposição e a verificação de um algoritmo capaz de calcular os índices (selecionados durante a revisão das normas) que pudessem avaliar a qualidade de energia através de sinais de tensão e corrente. Para o desenvolvimento do protótipo, foram selecionados sensores de tensão e de corrente confiáveis para o sistema de aquisição; um DSP, que executa os algoritmos previamente simulados, processando em tempo real os sinais adquiridos pelos sensores, a fim de reportar o estado da rede elétrica e/ou eventos ocorridos na rede através de um módulo ZigBee, responsável pela transmissão desses dados de forma segura. A classe de eventos de variação de tensão de curta duração foi incluída no processamento em tempo real realizado pelo DSP. Devido à imprevisibilidade e à rapidez da ocorrência desses eventos, foi desenvolvida uma ferramenta capaz de gerar essa classe de eventos, o gerador de VTCD. A análise de QEE em tempo real se mostrou viável mesmo com a utilização de dispositivos de baixo custo, permitindo, ainda que com algumas limitações, o levantamento de informações de QEE às quais cargas conhecidas estavam submetidas. / The present document includes a comprehensive literature review on power quality issues, to keep the development of this project aligned with national and international standards related; simulation algorithms such as FFT and CFA in order to verify the feasibility of its use, as well as limitations associated with the processing of strongly distorted waveform. It also includes the proposal and verification of an algorithm able to calculate the indices (selected during the standards review) that could assess the power quality through voltage and current signals. For prototype development, voltage and current sensors were selected for reliable acquisition system; a DSP, which running the previously simulated algorithms in order to process in real time the acquired voltage and current signals provided by sensors in order to report the status of the mains grid and/or events occurrence on the network through a ZigBee module, responsible for safety transmission data. The short term voltage change events class was also included in the real time processing performed by the DSP. Due to the unpredictability and short duration of these events, it was developed a tool capable of generating this class of events, the STVC generator. The PQ analysis in real time was feasible even with the use of low cost devices, allowing, although with some limitations, the survey of PQ information which known loads was submitted.

The development and expansion of the federal universities throughout the past years, due to the plans of expansion implemented with the funds from REUNI (The program of supporting for the restructuring and expansion of Federal Universities), suggest the necessity of improving the electrical installations of these institutions in order to meet the new power demand in a planned and efficient way. The subject which is related to the growing costs of electrical energy and investments in electrical installations in teaching institutions, faced with its economic relevance, represents, nowadays, an extremely relevant theme. Therefore, currently, it is possible to observe efforts directed to enhance the procedure of quality and efficiency diagnosis of the electrical energy of a campus. Embedded in this context is this dissertation, which is linked to a measurement plan, analysis methods and data comparison with reference values and the use of tools for modeling and computer simulation. This way, the present work presents four different kinds of contribution to the current state-of-the-art. The first contribution is associated to the obtention of typical charge curves and tax modal analysis chart which seem to be most adequate for a university campus. The second contribution is associated to the methodology of data analysis and the installation diagnosis in terms of power quality. As a third contribution of this work, we have the modeling of the electrical system of installation with the use of the ATP (Alternative Transients Program) computer tool. As a final contribution one can highlight the computer modeling and simulation to identify the harmonic contributions both to the local power utility and to the campus installations, together with the point of common coupling. The obtained results show that the methodology in use is very useful in the daily management of the processes associated with the use of the electrical energy in the installations of a university. / O crescimento e a modernização da carga das universidades federais ao longo dos últimos anos, em função de seus planos de expansão propostos e financiados com recursos do Programa de Apoio a Planos de Reestruturação e Expansão das Universidades Públicas (REUNI), sugerem a melhoria das instalações elétricas destas instituições para atender as novas demandas de energia elétrica de forma planejada e eficiente. O assunto relacionado aos crescentes custos com a energia elétrica e investimentos nas instalações elétricas em instituições de ensino, diante da sua relevância econômica, representa, na atualidade, tema de extrema importância. Por conseguinte, constata-se, no momento, esforços direcionados para melhor consubstanciar os procedimentos de um diagnóstico de eficiência e qualidade da energia elétrica de um campus universitário. Nesse contexto se insere a presente dissertação de mestrado, a qual se encontra associada a um plano de medição, a métodos para análise e comparação de dados com valores de referência e ao uso de ferramentas para modelagens e simulações computacionais. Nesse sentido, o presente trabalho apresenta quatro contribuições ao estado da arte atual. A primeira contribuição está associada com a obtenção de curvas de carga típicas e de tabelas de análise da modalidade tarifária mais adequada para um campus universitário. A segunda contribuição do trabalho, por sua vez, está vinculada com a metodologia de análise de dados e de diagnóstico da instalação quanto à qualidade da energia elétrica. Na sequência, como terceira contribuição do trabalho, tem-se a modelagem do sistema elétrico da instalação em estudo utilizando-se a ferramenta computacional ATP (Alternative Transients Program). Finalmente, propõe-se uma modelagem e simulação computacional para identificar as contribuições harmônicas tanto da concessionária de energia elétrica local quanto das instalações do campus, junto ao ponto de entrega de energia elétrica. Os resultados obtidos mostram que as metodologias utilizadas são de grande utilidade na gestão diária dos processos associados ao uso da energia elétrica nas instalações de uma universidade. / Mestre em Ciências

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The growing demand for energy in electric systems has resulted in major operational difficulties related to voltage level control. This has led specialists to deal more strictly with the control of reactive power and voltage, mainly in the case of radial electric systems supplying seasonal loads. Amongst a variety of commercial solutions to provide voltage regulation arise the static compensators. These represent an alternative of great potential to control the power flow and improve the voltage profile of electric systems. In this context, the SCRSC or Saturated Core Reactor Static Compensator - made up of a magnetic core with special characteristics and capacitors in series and in parallel - becomes an interesting alternative, when compared to other types of equipment. The main advantages related to this product are: robustness, low cost, lower maintenance requirements and good performance. Within this scenario, the purpose of the present dissertation is to carry on further investigation related to a more comprehensive model and computational studies of transient, dynamic and steady state performance of an overall electrical system. Using a given system several studies are performed so as to highlight the equipment energization phenomena as well as the device effectiveness at compensating for system operational condition changes that require the use of voltage regulators to accomplish the power utility standards. / A crescente demanda de energia nos sistemas elétricos tem resultado em dificuldades crescentes na sua operação. Isso tem levado os especialistas a tratar o controle da potência reativa e da tensão com mais rigor, principalmente em sistemas elétricos com características radiais conciliados com cargas sazonais. Para isso, dentre as várias possibilidades encontradas no mercado, os compensadores estáticos destacam-se como uma alternativa de grande potencial para a melhoria do perfil de tensão dos sistemas elétricos. Neste cenário aparece um equipamento denominado por Compensador Estático à base de Reator a Núcleo Saturado, constituído por uma unidade magnética especial e bancos de capacitores em paralelo e em série. As propriedades construtivas e operativas deste dispositivo oferecem uma possibilidade técnica robusta, de baixo custo, com menores requisitos de manutenção e ainda, com adequado desempenho operacional no que tange ao processo da regulação dinâmica da tensão. Dentro desta linha de trabalhos, esta dissertação, complementando pesquisas anteriores, avança no sentido de oferecer uma modelagem mais completa do dispositivo e sua respectiva implementação computacional. Utilizando tais recursos, são realizados estudos investigativos sobre o desempenho do compensador em pauta diante dos processos de energização e também quando da ocorrência de súbitas variações operativas do complexo elétrico que determinam a necessidade de dispositivos para a estabilização da tensão dentro dos patamares requeridos. / Mestre em Ciências

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The search for solutions to the different power quality problems, in special the ones related to the voltage level compliance to the standard values has produced, up to now, an extensive range of commercial products using different techniques. Despite this recognition, the challenge for alternative strategies, presenting low cost and low maintenance properties, are very attractive and this subject is still motivating research worldwide. In this context, this dissertation is focused on the proposal of a voltage regulating device, here referred as CET (Electromagnetic Voltage Compensator), which presents an innovative design to obtain the process of voltage regulation. The main idea is based on the voltage injection, been as an additive or subtractive way, through a physical arrangement, presenting as a full electromagnetic power device. Aiming operative dynamic properties, the proposal in question, as far as their operational design concerns, is based on electronic switching and control device. The proposal outlined here will encounter emphasizes to the CET physical structure, the control unit composition and the evaluation of the electric complex performance under different voltage deviations occurrences. The studies are presented and then discussed, using the results provided by the computational simulation carried out in the time domain simulator ATP throughout its classical feature the MODELS language. / A busca por soluções para os distintos problemas da qualidade da energia elétrica, com destaque às variações das tensões de suprimento, conta, na atualidade, com uma extensa gama de produtos visando, sobretudo, a regulação dinâmica da tensão de suprimento. Não obstante tal reconhecimento, os desafios por estratégias alternativas por compensadores com propriedades operacionais e econômicas mais atrativas continuam motivando pesquisas em todo o mundo. Neste contexto, a presente dissertação encontra-se focada numa proposta de controle de um dispositivo regulador de tensão, aqui denominado por CET (Compensador Eletromagnético de Tensão), que se apresenta com uma concepção inovadora no que tange ao processo da regulação da tensão. A ideia central apoia-se na injeção série de reforços de tensão, aditiva ou subtrativa, através de um arranjo físico totalmente eletromagnético quanto às suas unidades de potência. Objetivando propriedades operativas dinâmicas, a proposta em pauta, no que tange a sua concepção operativa, fundamenta-se em chaveamentos eletrônicos controlados. À luz destes fatos, o trabalho vai de encontro a esta filosofia e ressalta a estrutura física do dispositivo, a composição da unidade de controle e avalia o desempenho do dispositivo sob condições associadas com a ocorrência de desvios de tensão. Quanto aos estudos feitos e discutidos, estes se encontram alicerçados em investigações computacionais conduzidas através da plataforma ATP e recursos oferecidos pela linguagem MODELS. / Mestre em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nowadays, the quality of the electric energy emerges as an important subject for both the consumers and the power utilities. In this context, it is recognized the existence of national and international guide lines towards the establishment of boundary or reference values for the power indexes so as to guarantee the desired standard of voltage quality. Amongst these indicators, the harmonic distortions appear as a quite important matter and the mitigation techniques to eliminate or to reduce the level of distortions have been largely discussed in the literature. The use of classical passive and active filters are the most traditional solutions, however, some authors have pointed the possibility of using a different approach based on electromagnetic devices. Focusing this subject, this thesis investigates the use of two distinct filtering devices for harmonic filtering. The first proposal is related to the well known zero sequence harmonic components and the second to the positive and negative components. The work considers the electromagnetic filter physical principles, modeling, computational implementation, investigation of ideal and non ideal operational conditions, laboratory scale prototypes and validation tests. / A qualidade da energia elétrica se apresenta como uma área de grande interesse para os consumidores e concessionários de energia. Buscando meios para regulamentar o assunto, reconhece-se, na atualidade, a existência de recomendações, normas e critérios nacionais e internacionais voltados para a orientação dos valores limites ou de referência para os diversos indicadores que caracterizam o padrão de qualidade desejado. Dentro deste contexto, as distorções harmônicas nos sinais de tensão e corrente surgem como uma das questões mais preocupantes. Almejando, pois a preservação da qualidade do suprimento no que tange às distorções harmônicas, assim como para os demais itens de definição da qualidade, faz-se, muitas vezes necessário a utilização de técnicas para a mitigação dos fenômenos prejudiciais ao atendimento dos padrões definidos. Focando a questão do controle das distorções harmônicas, surge esta proposta de tese, a qual enfoca a utilização de duas metodologias distintas, baseadas em arranjos eletromagnéticos para a filtragem de correntes harmônicas. Uma das propostas destina-se a filtragem das correntes harmônicas de seqüência zero e outra voltada para as componentes de seqüência positiva e negativa. O trabalho apresenta os princípios de funcionamento, modelagens, análises computacionais e validação experimental dos dispositivos supramencionados. Os estudos são iniciados através da operação dos filtros sob condições ideais, seguido de investigações associados com situações não ideais de funcionamento. / Doutor em Ciências

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work introduces some proposals for the design of harmonic filters from a harmonic penetration computer program. Such procedures are developed by means of optimized techniques, taking in account, among other aspects, the filtering performance, the filter detuning as well as international guides referring to the supportability of the filter components, as far as voltage, current and power are concerned. The work shows the need for designing filters through a harmonic penetration program. Therefore, the filter parameters can be calculated not only from harmonic currents driven from a single harmonic source (as usually it is made), but also from other existing (and unwanted) harmonic sources eventually present in the system, which could eventually be attracted by the harmonic filter. The work also introduces some studies of cases, in which single tuned filters are compared to damped filter. This study is made in a typical industrial plant, where an arc furnace (that produces characteristic and non-characteristic harmonic) is present. The study shows, among other aspects that, depending on some important requirements made in the design of the filters, a damped filter arrangement can be more advantageous than a single tuned one. / Este trabalho propõe diretrizes para a elaboração de procedimentos sistemáticos que conduzem ao projeto de filtros harmônicos, a partir de um programa de fluxo harmônico. Tais procedimentos são desenvolvidos por meio de técnicas otimizadas, levando-se em conta, dentre outros aspectos, o desempenho de filtragem, a dessintonia dos filtros, bem como normas referentes à suportabilidade dos componentes frente às grandezas elétricas do sistema. A elaboração de um projeto de filtros a partir de um programa de fluxo harmônico foi introduzida com o intuito de se determinar os filtros não somente a partir das correntes harmônicas oriundas de uma determinada carga harmônica (como usualmente é feito), mas também para outras fontes harmônicas porventura existentes no sistema e que, eventualmente, poderão ser indesejavelmente (porém, inevitavelmente) atraídas pelo filtro harmônico. O trabalho também apresenta alguns estudos de casos, nos quais há a comparação de desempenho entre filtros sintonizados e amortecidos. Neste sentido, o trabalho usa o programa digital desenvolvido para apresentar uma análise sobre o uso de filtros sintonizados ou amortecidos, em uma instalação industrial típica de usinas siderúrgicas, que produz correntes harmônicas de ordens não-características, inclusive. Nesse tocante, este estudo de casos mostra, dentre outros aspectos, que, dependendo de certas considerações feitas no projeto dos filtros sintonizados, estes podem até dispensar somas de potência reativa maiores do que os filtros amortecidos. / Mestre em Ciências

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The search for solutions to the various problems of power quality, especially to voltage deviation from the standard values, account today, with an extensive range of products aiming above all the dynamic regulation of the supply voltage. Despite this recognition, the challenges to find alternatives technologies that take into account the use of compensators with more attractive operational and economic properties, are still motivating research worldwide. Among the devices based on the principle of consumption or supply of reactive power, in the 60 s came a product design nominated by Reactor Core Saturated Compensator- CERNS. This device is constituted by an inductive unit, comprising a magnetic core and windings with special features, connected in parallel with a capacitor unit. Although this equipment has been widely used in the past, the lack of publications on the subject resulted in a large gap in knowledge domain and dissemination of this technology. This fact contributed to a demand for dedicated efforts in recent years by national and international researchers. In the light of the attractions offered by this philosophy for voltage regulators, the subject has reawakened the interest for research and developments about the project, construction and operation of these compensators, thus aiming the technology domain. On the above, added to efforts previously made by national institutions, arises the present thesis aimed at providing a computational program to assist in the specification and basic design of saturated core reactors and means for determination of the equivalent electrical parameters needed to the model of the equipment proposed and implemented in the ATP simulator. Finally, performance studies are carried out to highlight and to validate the operational efficiency and computational model developed. / A busca por soluções para os distintos problemas da qualidade da energia elétrica, com destaque às variações das tensões de suprimento, conta, na atualidade, com uma extensa gama de produtos visando, sobretudo, a regulação dinâmica da tensão de suprimento. Não obstante tal reconhecimento, os desafios por estratégias alternativas em que pese o emprego de compensadores com propriedades operacionais e econômicas mais atrativas continuam motivando pesquisas em todo o mundo. Dentre os dispositivos fundamentados no princípio do consumo ou fornecimento de potências reativas, nos anos 60 surgiu uma concepção de produto, denominado Compensador a Reator a Núcleo Saturado CERNS. Este é composto, fundamentalmente, por um núcleo magnético com características e enrolamentos especiais e capacitores conectados em paralelo. Embora este equipamento tenha sido amplamente utilizado no passado, a ausência de publicações sobre o tema resultou numa grande lacuna para o conhecimento, domínio e difusão desta tecnologia. Tal fato corroborou para uma demanda de esforços dedicados nos últimos anos no âmbito nacional e internacional e, à luz dos atrativos oferecidos pela presente filosofia para os reguladores, o assunto voltou a despertar interesses para as pesquisas e desenvolvimentos visando o domínio da tecnologia para o projeto, construção e operação destes compensadores. Diante do exposto, somado a esforços já alcançados através de desenvolvimentos anteriores realizados por instituições nacionais, surge esta tese, a qual encontra-se fundamentada no desenvolvimento de uma estratégia computacional para o dimensionamento do compensador, projeto básico do reator saturado e análise de desempenho no domínio do tempo. Para tanto é utilizada a plataforma ATP, de domínio público e aceitação comprovada no cenário nacional. Por fim, estudos diversos de desempenho são conduzidos para a validação da eficácia operacional e do modelo computacional desenvolvido. / Doutor em Ciências

Nowadays, national and international electric utilities and end users are becoming more and more concerned about the quality of the electrical power. Such concerns are related with the occurrence of electric disturbances capable to effect the operation and the life expectance of equipments and devices, as well as affecting and interrupting varied industrial processes. Of the above mentioned phenomena, short-duration voltage variations deserve special attention once they are the disturbances that cause the largest damages to the consumers. As a consequence of that, there are several devices available that minimize the effects of such disturbances on the equipments. Among those devices, the Dynamic Voltage Restorer (DVR) represents a modern proposal for the solution of the problems caused by voltage sags and swells. In this work, three different system topologies for DVRs are analysed throughout computer implementations. Comparisons are made between these topologies, with focus on both the general performance and on the electrical power quality of the entire system. / As preocupações com os diversos assuntos relacionados à Qualidade da Energia Elétrica têm sido cada vez mais comuns às empresas de energia e aos consumidores em geral, e vêm assumindo importância destacada nos cenários nacional e internacional. Tais preocupações são voltadas para a ocorrência de distúrbios elétricos capazes de comprometer o desempenho e a vida útil de equipamentos e dispositivos, além de afetar ou interromper variados processos industriais. Desses distúrbios, as VTCDs (Variações de Tensão de Curta Duração) são consideradas as que mais causam prejuízos aos consumidores. Com isso, já existe na literatura técnica uma série de metodologias de prevenção e variados dispositivos de atenuação dos efeitos das VTCDs. Destes dispositivos, destaca-se o Restaurador Dinâmico de Tensão (DVR Dynamic Voltage Restorer) que é um compensador estático série avançado aplicado à distribuição de energia elétrica e que representa hoje o que há de mais moderno em termos de mitigação de afundamentos e elevações de tensão. O presente trabalho visa contribuir para o estudo do desempenho de algumas topologias de DVR, comparando a atuação de três opções de configuração através de simulações computacionais em plataforma SABER. A análise comparativa do desempenho das topologias não considera apenas a eficiência na compensação dos distúrbios elétricos, mas também os efeitos que causam na qualidade da tensão do sistema elétrico, sejam por injeção de harmônicos ou por oscilações transitórias. / Mestre em Ciências

Submitted by Liliane Ferreira (ljuvencia30@gmail.com) on 2018-09-14T11:19:37Z No. of bitstreams: 2 Tese - José Mário Menescal de Oliveira - 2018.pdf: 3555364 bytes, checksum: 7da381c5690449c518f20f2a3fd49fea (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-09-17T10:48:33Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - José Mário Menescal de Oliveira - 2018.pdf: 3555364 bytes, checksum: 7da381c5690449c518f20f2a3fd49fea (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-17T10:48:33Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - José Mário Menescal de Oliveira - 2018.pdf: 3555364 bytes, checksum: 7da381c5690449c518f20f2a3fd49fea (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-07-13 / This thesis demonstrates the effects of harmonic pollution in a salient pole synchronous generator and an induction generator operating in parallel on an isolated system, supplying a non-linear load. The main contributions of this research-study consist of identifying and quantifying the oscillations that non-linear load cause on the electric variables of synchronous and induction generators, such as, the electromagnetic conjugate that presents oscillations of sixth harmonic due to the distorted currents. / Este trabalho mostra os efeitos da poluição harmônica em um gerador síncrono de polos salientes e um gerador de indução operando em paralelo em um sistema isolado suprindo carga não linear. As principais contribuições deste trabalho consistem em identificar e quantificar as oscilações que a carga não linear utilizada provoca nas variáveis elétricas dos geradores síncronos e dos geradores de indução, tal como, o conjugado eletromagnético que apresenta oscilações de sexto harmônico devido as correntes distorcidas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The increase in linear and non-linear loads experienced by Brazil in recent years has changed the way distribution networks are planned and Operated. In addition, the competitiveness of the market and the demand for the improvement in power quality indexes mean that current e orts are increasingly focused on areas such as voltage profile control and voltage harmonic distortion control. This work deals, exactly, with the Integrated control of voltage and harmonic voltage distortion (volt/thd) in distribution systems, within the scope of planning, through the insertion of passive harmonics filters and voltage regulators. To solve the problem in question, a multiobjective algorithm, the NSGA-II, is applied, since the presented problem can be treated as a combinatorial optimization problem. The power summation method is used as an alternative for the resolution of the load flow. While the current injection method is used as a calculation of the harmonic flow. The mathematical models of the network components were presented, taking into account the influence of frequency, in a detailed way. The proposed algorithm was applied in benchmark systems, a 34-bus and a 104-bus, the systems were simulated with and without the presence of the devices for comparison and validation of the results. / O aumento de cargas, lineares e não-lineares, vivenciado pelo Brasil nos últimos anos, tem alterado a maneira com as redes de distribuição são planejadas e operadas. Além disso, a competitividade do mercado e exigência pela melhoria nos índices de qualidade da energia fazem com que os esforços atuais sejam cada vez mais direcionados para áreas como o controle do perfil de tensão e o controle das distorções harmônicas de tensão. Esta dissertação trata, exatamente, do controle integrado de tensão e distorção harmônica de tensão (volt/dht) em sistemas de distribuição, no âmbito do planejamento, através da inserção de filtros harmônicos passivos e reguladores de tensão. Para resolver o problema em questão, um algoritmo multiobjetivo, o NSGA-II, é aplicado, uma vez que o problema apresentado é tratado como um problema de otimização combinatória. O método da soma de potências é utilizado como alternativa para a resolução do fluxo de carga. Enquanto que o método da injeção de correntes é utilizado como cálculo do fluxo de harmônicos. Os modelos matemáticos dos componentes da rede foram apresentados, levando-se em consideração a influência da frequência, de forma detalhada. O algoritmo proposto foi aplicado em sistemas teste de 34 e 104 barras e os sistemas foram simulados com e sem a presença dos dispositivos para efeito de comparação e validação dos resultados.