Análise da Aplicação da Tecnologia de Controle PLC em Reguladores Inteligentes de Tensão Elétrica

Ao avaliar a qualidade da energia, a tensão é um fator crítico de influência. A qualidade da tensão geralmente é avaliada medindo-se a variação de tensão, flutuação, distorção de onda e simetria trifásica - sendo a variação de tensão o indicador mais importante. Para garantir uma alta qualidade de tensão, é geralmente necessária a regulação de tensão. Atualmente, o método mais amplamente utilizado e eficaz para a regulação de tensão envolve o ajuste do rebaixador de tensão dos transformadores.

Este artigo integra principalmente as tecnologias PLC e microcomputador para projetar e analisar um regulador inteligente de tensão elétrica, alcançando assim uma regulação rápida de tensão enquanto evita surtos de tensão transitórios durante o processo de ajuste.

1. Princípio de Funcionamento e Características Principais do Regulador Inteligente de Tensão Elétrica

1.1 Princípio Principal de Funcionamento

O regulador inteligente de tensão elétrica consiste em uma unidade principal e unidades auxiliares. A unidade principal compreende capacitores primários e secundários, além de um transformador regulador, permitindo tanto a compensação de reativa quanto a regulação automática de tensão.

As unidades auxiliares incluem uma unidade de controle inteligente e três unidades de ajuste de execução. A unidade de controle inteligente gera e transmite comandos de controle, que são recebidos sem fio pelas unidades de execução para permitir a regulação de tensão em tempo real na linha de distribuição.

Como componente central, a unidade de controle inteligente determina o nível de automação, inteligência e precisão de regulação do dispositivo. Ela monitora com precisão a tensão da alimentação, gera comandos apropriados e os envia ao módulo de controle do rebaixador de tensão para manter a tensão da alimentação no ponto de referência desejado. Suas principais funções incluem:

• Monitoramento e controle em tempo real da tensão da alimentação - corrigindo prontamente qualquer desvio;

• Monitoramento e controle em tempo real da corrente de carga de saída;

• Fornecimento de funções de proteção contra sub-tensão, sobrecorrente e condições de superaquecimento.

1.2 Características Principais

O regulador inteligente de tensão elétrica oferece as seguintes vantagens:

• Funcionalidade dupla: fornece simultaneamente compensação de reativa e regulação de tensão. Durante a regulação de tensão, também compensa parcialmente a reativa da rede, melhorando o fator de potência, prevenindo danos na linha, aumentando a capacidade de carga da rede e garantindo a qualidade da tensão. Além disso, pode monitorar tensão e corrente trifásicas.

• Estrutura otimizada e ecológica: o design utiliza isolamento graduado para aumentar a resistência dielétrica. A transmissão de dados entre as unidades de controle e execução usa isolamento de tensão, permitindo a transferência de sinais sem óleo. Todos os sensores de tensão e corrente são integrados internamente, eliminando a necessidade de transformadores de potencial ou corrente externos - aumentando a confiabilidade, estabilidade e facilidade de instalação.

• Regulação de tensão inteligente: mede automaticamente as posições do rebaixador com base nos limites definidos pelo usuário e corrige automaticamente configurações inapropriadas para garantir a operação estável da rede.
  Operação do rebaixador sem manutenção: conectando o transformador regulador em série com capacitores de compensação reativa, as correntes de curto-circuito durante a regulação de tensão permanecem baixas, minimizando o impacto operacional.

• Proteção inteligente: monitora continuamente a carga da linha e a temperatura do transformador; sai automaticamente do modo de regulação ao detectar anomalias e retoma a operação quando as condições normalizam.

• Registro de dados em tempo real: a unidade de controle registra com precisão a tensão, corrente e o número de mudanças de posição do rebaixador antes e depois de cada evento de regulação.

• Comunicação sem fio eficiente: os dados no local podem ser lidos diretamente, e os parâmetros de regulação (por exemplo, intervalos de tempo, limiares de tensão) podem ser ajustados remotamente - simplificando a operação.

• Devido à sua alta relação custo-benefício, confiabilidade e segurança, o regulador inteligente de tensão elétrica é adequado para implantação generalizada em redes elétricas rurais, reduzindo significativamente problemas de variação de tensão.

2. Aplicação da Tecnologia de Controle PLC no Design de Hardware do Regulador Inteligente de Tensão Elétrica

Com base nos requisitos funcionais e especificações técnicas do regulador inteligente de tensão elétrica, sua arquitetura de hardware é ilustrada na Figura 1.

2.1 Configuração do Sistema Básico do Microcontrolador

O sistema básico do microcontrolador adota principalmente um computador pessoal industrial (IPC), utilizando um cartão CPU chamado All2In2One com 256MB de memória, apresentando duas interfaces seriais e uma paralela. Além disso, utiliza um chip de aceleração gráfica compatível com PCI2S3, com o tamanho do cartão gráfico variando de 1 a 2MB. Para melhorar a confiabilidade do sistema, componentes de baixa potência são empregados para reduzir o consumo de corrente.

2.2 Configuração dos Canais de Entrada

Durante a configuração dos canais de entrada, os sinais de entrada são identificados como sinais secundários de transformadores de tensão e corrente. Esses sinais passam por condicionamento antes de serem convertidos via ADC para entrada no MCU. O circuito de condicionamento de sinal consiste principalmente em transformadores de corrente e tensão, juntamente com um amplificador operacional de três estágios. Os transformadores de corrente e tensão convertem eficazmente altas tensões e correntes em menores, com alta precisão e boa linearidade. O amplificador operacional de três estágios amplifica esses sinais convertidos e retificados.

2.3 Configuração da Unidade de Controle PLC

Para este regulador de tensão inteligente, foi selecionado um PLC Panasonic série FP1, oferecendo capacidade de programa de até 5000 passos, comandos de operação simples e funcionalidades completas. Ele também utiliza cabos em par trançado RS485, alcançando uma taxa de transmissão de 100bps e permitindo a interconexão de até 32 PLCs em um alcance de 1200 metros. Este modelo de PLC apresenta excelentes capacidades de monitoramento, capaz de monitorar em tempo real diagramas de escada e temporização dinâmica para garantir a regulação suave da tensão.

2.4 Configuração dos Canais de Saída

Os canais de saída adotam métodos de saída lógicos. Para alcançar uma regulação de tensão estável através de comutação de tensão mínima e corrente de cruzamento, é necessário o disparo em zero-cruzamento, juntamente com a configuração de chaves eletrônicas sem contato.

3. Aplicação da Tecnologia de Controle PLC no Design de Software do Regulador de Tensão Inteligente

3.1 Processo Específico de Operação do Programa

Após a alimentação e a inicialização do regulador de tensão inteligente, devem ser realizados procedimentos de inicialização e auto-teste. Após o auto-teste bem-sucedido, determina-se se o dispositivo está no modo de operação ou no modo de configuração. No modo de configuração, os parâmetros podem ser definidos usando um teclado, acessando o menu de configuração, selecionando as configurações específicas e ajustando os valores com as teclas de cima/baixo. No modo de operação, ocorrem amostragem e filtragem digital, seguidas pela escolha de métodos apropriados de regulação de tensão:

• Regulação Automática: Executa programas correspondentes para julgar se a tensão está dentro do intervalo especificado. Se sim, nenhuma ajuste é necessário; caso contrário, são feitos ajustes para trazer a tensão de volta aos limites.

• Regulação Manual: Ajustes de tensão por meio de botões do painel. Após a conclusão dos ajustes de tensão, os programas de exibição mostram os valores de tensão e corrente secundários do transformador, bem como as ações diárias do regulador, garantindo a operação contínua.

3.2 Algoritmo Específico para Controle do Programa

Para atender às exigências do usuário em relação à variação de tensão, é essencial a aplicação eficaz de algoritmos de controle. Isso envolve o cálculo de valores independentes dos pontos de amostragem a partir de conjuntos de dados discretos através de operações matemáticas, comparando-os com as especificações de projeto e realizando operações lógicas para ajustes do interruptor de derivação. As fórmulas de cálculo para medição de corrente, tensão e potência ativa são as seguintes:

(Nota: As fórmulas específicas para a medição de corrente, tensão e potência ativa não foram fornecidas no seu texto, mas geralmente envolvem cálculos padrão de engenharia elétrica, como a lei de Ohm, cálculos de fator de potência, etc.)

Essas descrições fornecem uma explicação detalhada de como o regulador de tensão inteligente opera, sua configuração de hardware e os processos de software envolvidos na manutenção da regulação de tensão ideal.

Nas fórmulas, i(k) e u(k) representam, respectivamente, o valor de amostragem de corrente e tensão k-ésimo. Com base nisso, outras quantidades, como Q e cosφ, podem ser derivadas e calculadas.

4. Conclusão

Através do teste do regulador de tensão inteligente, este artigo constata que o dispositivo pode ajustar a tensão efetivamente em um curto período de tempo, evitando problemas como surtos e curtos-circuitos, garantindo a estabilidade da regulação de tensão e alcançando um efeito de regulação de tensão relativamente ideal. Pode-se ver que a aplicação da tecnologia de controle PLC no regulador de tensão inteligente pode efetivamente realizar a detecção e regulação automática de tensão, acelerar a velocidade de regulação de tensão e a operação real é relativamente simples. Além disso, não ocorre surto durante o ajuste de tensão, e o computador superior pode monitorar vários estados de trabalho do dispositivo em tempo real, o que desempenha um grande papel na transformação e gestão de subestações e postos de distribuição.