Comutador eletrônico de taps aplicado a um transformador de distribuição monofásico

• Main Author: Quevedo, Josemar de Oliveira
• Other Authors: Schuch, Luciano
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Santa Maria 2017
• Subjects: Engenharia elétrica; Eletrônica de potência; Comutador eletrônico de taps sob carga; Regulação de tensão; Electrical engineering; Power electronics; Electronic on load tap changer; Voltage regulation; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
• Online Access: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/8540

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior === Voltage regulation still is a problem faced by power utilities currently. In addition to the series impedance and the significant load variation of the distribution grids, the main causes of voltage regulation problems, the requirements for the enhancement of power quality by the electricity regulatory agencies, increasing energy consumption, the inclusion of distributed generation and the development of the smart grids tends to increase the complexity of the distribution systems. One of the most used methods for voltage regulation in alternating current systems is the employment of tap changer on transformers, this method allows voltage regulation by varying the transformation ratio, modifying the value of the secondary voltage. The application of these devices is primarily performed by manual commutation mechanical devices in distribution systems, and by automatic electromechanical on load tap changers in substations. In the case of manual devices, operating costs and the impossibility of automatic voltage regulation are limiting factors, while in the case of electromechanical devices the limitations are mainly related to the costs of employment and maintenance. Currently, the increase of voltage and current operating levels of semiconductor devices has allowed envision the application of semiconductor switches instead of the mechanical switches employed nowadays. However, due to the operating characteristics of these devices, a detailed analysis of the commutation process is necessary, in order to allow the proper design of the devices involved in the commutation and protection process of the electronic tap changer. In this context, this work presents the analysis, design and implementation of an electronic on load tap changer applied to a single-phase distribution transformer, proposed as an alternative to the existing mechanical and electromechanical tap changers. Such a system enables the automatic voltage regulation, avoiding the insulation oil degradation, resulting from the commutation process, and also the elimination of movable parts, the main cause of defects in current automatic commutation devices. In addition to allowing steady state voltage regulation, the system allows the regulation for momentary voltage sags, since they occur in the transformer operating range. The analysis of the commutation process is presented, allowing the design of the electronic switches, as well as the protection system to be employed. Experimental results show the correct voltage regulation for different kinds of load, demonstrating the potential application of electronic on load tap changers in the current distribution systems and in future smart grids. === A regulação dos níveis de tensão é um problema ainda enfrentado pelas companhias concessionárias de energia elétrica atualmente. Além da impedância série e da significativa variação de carga das linhas de distribuição, principais causas dos problemas de regulação, a maior exigência dos agentes reguladores do sistema elétrico para a melhoria da qualidade de energia, o aumento do consumo de energia, a inclusão de geração distribuída e o desenvolvimento das redes inteligentes (smart grids), tendem a aumentar a complexidade dos sistemas de distribuição. Um dos métodos mais empregados na regulação de tensão em sistemas de corrente alternada é a aplicação de comutadores de taps em transformadores. Este método permite a regulação da tensão através da variação da relação de transformação, modificando o valor da tensão secundária. A aplicação desta solução é feita, majoritariamente, através de dispositivos mecânicos de comutação manual nos sistemas de distribuição e de dispositivos automáticos eletromecânicos de comutação sob carga em subestações. No caso dos dispositivos manuais, os custos operacionais e a impossibilidade da regulação automática de tensão são fatores limitantes, enquanto que no caso dos dispositivos eletromecânicos, os limitantes estão relacionados principalmente aos custos de implantação e de manutenção. Atualmente, o aumento dos níveis de tensão e corrente de operação dos dispositivos semicondutores tem permitido vislumbrar a aplicação de chaves semicondutoras em substituição às chaves mecânicas empregadas. Entretanto, devido às características de funcionamento destes dispositivos, uma análise detalhada do processo de comutação do sistema é necessária, de modo a permitir um adequado projeto dos dispositivos envolvidos no processo de comutação e proteção dos comutadores eletrônicos de taps. Neste contexto, o presente trabalho apresenta a análise, projeto e implementação de um comutador eletrônico de taps aplicado a um transformador de distribuição monofásico, proposto como alternativa aos comutadores mecânicos ou eletromecânicos existentes. Tal sistema permite a regulação automática da tensão, eliminando o desgaste do óleo isolante, resultante do processo de comutação sob carga e também a eliminação de partes móveis, principal causa de defeitos nos comutadores automáticos atuais. Além de permitir a regulação da tensão em regime permanente, o sistema possibilita a regulação para afundamentos de tensão momentâneos, desde que estejam na faixa de operação do transformador. A análise do processo de comutação do dispositivo estudado é apresentada, permitindo o projeto das chaves eletrônicas, bem como do sistema de proteção a ser empregado. Resultados experimentais demonstram a correta regulação de tensão do sistema desenvolvido, dentro dos limites de operação do transformador, para diferentes tipos de carga, evidenciando a potencialidade dos comutadores eletrônicos de taps em aplicações nas atuais redes de distribuição e nas futuras redes inteligentes.