Conversor CA-CA direto em frequência com aplicação em transformador híbrido para compensação de potência reativa

Abstract

A crescente penetração de geração distribuída (GD) em sistemas de distribuição, baseada predominantemente em fontes renováveis intermitentes, tem introduzido novos desafios operacionais. Dentre eles, destacam-se as flutuações de tensão e do fator de potência, além de alterações significativas nos perfis de carga dos transformadores convencionais. Nesse contexto, os transformadores híbridos emergem como uma solução promissora, pois combinam a robustez dos transformadores convencionais com a flexibilidade e a capacidade de controle de conversores eletrônicos de potência. Esta dissertação apresenta o estudo e o desenvolvimento de um conversor CA-CA direto, aplicado ao transformador híbrido, destinado especificamente à compensação de potência reativa e à correção do fator de potência em redes de baixa tensão. A pesquisa se fundamenta no conceito de capacitor equivalente variável, cuja capacitância é controlada dinamicamente por meio da razão cíclica do conversor, o que permite a geração regulável de potência reativa capacitiva. A metodologia adotada incluiu a análise teórica, a validação por simulação computacional para uma potência de até 2 kVAR e a construção de um protótipo experimental de 1 kVAR. Os resultados obtidos validaram a concepção do conversor e comprovaram a viabilidade da topologia como uma solução promissora para compensação dinâmica de potência reativa.

Abstract: The increasing penetration of distributed generation (DG) in distribution systems, predominantly based on intermittent renewable sources, has introduced new operational challenges. These include voltage and power factor fluctuations, as well as significant changes in the load profiles of conventional transformers. In this context, hybrid transformers emerge as a promising solution, as they combine the robustness of conventional transformers with the flexibility and control capability of electronic power converters. This dissertation presents the study and development of a direct AC-AC converter applied to the hybrid transformer, specifically designed for reactive power compensation and power factor correction in low-voltage networks. The research is based on the concept of an equivalent variable capacitor, whose capacitance is dynamically controlled through the converter's duty cycle, enabling adjustable generation of capacitive reactive power. The adopted methodology included theoretical analysis, validation through computer simulation for power levels up to 2 kVAR, and the construction of a 1 kVAR experimental prototype. The results obtained validated the converter design and confirmed the feasibility of the topology as a promising solution for dynamic reactive power compensation.