Análise da ação feedforward e do sinal de referência para a forma de onda da corrente da rede

A impedância relativamente alta do alimentador afeta sensivelmente a tensão no PAC. Esta tensão, não mais senoidal, ao ser adotada como referência para a forma de onda da corrente da rede, transfere à corrente gerada pelo filtro ativo as distorções sofridas.

Simulações da Aplicação em Média Tensão Industrial

Observou-se que a interferência das distorções da tensão na corrente do filtro se dá por dois caminhos: o primeiro, pela forma regular, através da composição do erro de corrente “iERRO” que é processada pelo controlador PI da corrente do filtro. O segundo caminho é pela realimentação Feedforward que não sofre processamento do controlador PI e atua diretamente no modulador PWM.

O circuito simulado permite duas opções para a referência da forma de onda da corrente da rede. A primeira, igual à tensão do PAC e a segunda um sinal senoidal independente, com tensão e frequência iguais aos valores da componente fundamental da tensão nominal da rede.

Considerando as diferentes opções para a referência da forma de onda da corrente da rede e os diferentes caminhos que a distorção da tensão da rede pode tomar para alterar a forma da corrente do filtro ativo, verificam-se quatro diferentes possibilidades de operação do filtro ativo. Os efeitos da escolha do modo de operação do filtro ativo são examinados, individualmente, em duas etapas, sendo que a primeira trata apenas dos efeitos do controlador de corrente do filtro ativo e a segunda aborda as influências destas escolhas na qualidade do sinal obtido quando o filtro encontra-se em plena operação.

As simulações que seguem foram executadas com o retardo máximo da comutação igual a 2 ciclos de amostragem, que equivale a 20µs e o salto máximo na fila cruzada de comutação de 2 elementos.

6.3.1. Avaliação do controlador de corrente do filtro

A avaliação do controlador da corrente do filtro foi executada com um circuito específico, sem carga, onde os capacitores das células foram substituídos por fontes de tensão, o cálculo da média discreta foi efetuado com informações invariáveis de que dois capacitores estavam acima da tensão nominal e dois abaixo, o que faz com que o resultado seja sempre igual a zero. A saída do controlador da tensão dos capacitores foi mantida em valor constante e igual a zero. Estes ajustes anulam a referência para a forma de onda da corrente da rede no cálculo do erro de corrente, “iERRO”, independentemente da seleção entre PAC ou fonte senoidal. O controlador da corrente do filtro deve então acionar o circuito PWM de modo que a tensão do filtro ativo seja igual à tensão da rede e

consequentemente a corrente do filtro ativo seja nula. Os estudos prosseguiram como mostra o diagrama na Figura 6.4.

Figura 6.4 – Possibilidades avaliadas para determinação do ponto ótimo.

Bloqueando a ação feedforward, encontra-se o ponto ótimo de trabalho do controlador da corrente do filtro ativo variando-se as constantes Kp e Ki até obter a menor corrente na rede. Observou-se que grandes variações nas constantes, aumentando-as, causam menor impacto que as reduzindo na mesma proporção. A exemplo deste efeito, mede-se 36,9 A na corrente da rede, para os valores nominais das constantes do controlador, o equivalente a 2,7 % da corrente nominal da carga5. Nas simulações realizadas, o ponto ótimo foi atingido quando as constantes do controlador foram ajustadas com um fator igual a 1,6 do valor nominal. A corrente da rede observada nestas condições foi de 30,8 A, o equivalente a 2,2 % da corrente nominal da carga.

Ativando a ação feedforward e tomando a referência da forma de onda da corrente na tensão do PAC, abre-se o caminho para as distorções da tensão da rede afetarem a corrente do filtro ativo. Durante a operação do circuito em condições regulares, esta situação promoverá resultados diferentes dos obtidos no circuito de avaliação do controlador da corrente do filtro ativo, o qual teve o funcionamento totalmente comprometido. Verificou-se que o valor da corrente da rede ultrapassou 240 % da corrente

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nominal da carga, quando utilizado o valor nominal da constante de entrada feedforward, Kffw. O circuito de avaliação do controlador da corrente do filtro ativo só conseguiu manter a corrente da rede em nível inferior a 10 % da corrente da carga quando a constante

feedforward foi ajustada em 5 % do valor nominal, o que praticamente corresponde a

bloquear a ação feedforward, como foi feito anteriormente.

Por fim, ativando a ação feedforward e tomando a fonte senoidal independente como referência da forma de onda da corrente da rede, verifica-se que os resultados obtidos nesta configuração repetem aqueles da primeira situação, com feedforward bloqueada. Esta resposta é justificada pelo fato da frequência natural do controlador PI da corrente do filtro ser muito superior à frequência da rede que, nesta instância, está imune a ruídos em frequências mais altas. A resposta obtida com as constantes do controlador em seus valores nominais está ilustrada na Figura 6.5.

Figura 6.5 – Resposta do circuito de estudo do controlador da corrente do filtro.

A corrente da rede observada nesta análise demonstra, na melhor das situações, o ruído inserido pela operação do filtro ativo. A redução desta grandeza pode ser trabalhada

através do aumento da frequência de chaveamento, do número de células que compõem o filtro ativo ou da associação de elementos passivos adicionais.

Ainda que se tenha verificado a possibilidade de alterar os valores das constantes KpCF e KiCF para otimizar a resposta do circuito de estudo do controlador da corrente do filtro, as análises da operação do circuito regular serão efetuadas com os valores nominais, visto que as condições de operação regular do filtro são mais severas.

6.3.2. Avaliação da influência do modo de operação na qualidade da corrente da rede

A influência do modo de operação na qualidade da corrente da rede é avaliada utilizando o mesmo circuito das simulações deste capítulo. O desbloqueio do controlador da tensão nos capacitores e seus circuitos periféricos faz com que as respostas obtidas sejam distintas para as quatro opções possíveis de operação. O estudo do desempenho de cada modo de operação é feito através das comparações das distorções do sinal de saída (corrente da rede), visto que esta grandeza melhor caracteriza a reposta do sistema proposto.

Os resultados obtidos estão apresentados na Tabela 6.4. A primeira coluna aponta qual foi a referência adotada da forma de onda da corrente da rede e a condição da ação feedforward, manipulada por meio da constante Kffw.

Tabela 6.4 – Influência do modo de operação na qualidade da corrente da rede.

Modo de operação Distorção na corrente da rede (%) Rfoc Ação Feedforward DT DHT DHTp PAC Bloqueada 4,07 2,83 0,91 PAC Ativa 7,97 7,50 3,59 Seno Bloqueada 3,88 3,53 0,85 Seno Ativa 3,94 3,58 0,88

Inspecionando a Tabela 6.4, verifica-se que a ação feedforward, nas condições avaliadas neste estudo, é desfavorável à qualidade do sinal de saída, pois, para as mesmas referências da forma de onda da corrente do filtro, as distorções medidas com feedforward bloqueado são inferiores às ativas.

A Figura 6.6 reproduz os dados da Tabela 6.4 tornando mais ágil a comparação e análise dos dados apurados.

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Figura 6.6 – Influência do modo de operação na qualidade da corrente da rede.

A rede feedforward tem uma ação praticamente desprezível quando adotada a fonte senoidal independente como referência para a forma de onda da corrente da rede, o que traz forte semelhança aos valores exibidos no lado direito do gráfico. Quando tomada a referência da forma de onda da corrente da rede no PAC, a ação feedforward é mais expressiva, porém, elevando o nível das distorções na corrente da rede.

Ainda que adotada uma fonte senoidal independente, com o objetivo de evitar a penetração dos ruídos de chaveamentos, refletidos na tensão da rede, para a referência da forma de onda da corrente da rede, observa-se que a menor medida da distorção harmônica total foi efetuada quando tomada a referência da forma de onda da corrente da rede no PAC. Tal resultado aponta que as interferências sofridas no sinal de referência da forma de onda da corrente da rede podem ser favoráveis à qualidade do sinal de saída. Ainda assim, pela estabilidade dos resultados obtidos, durante os estudos das respostas computacionais, a seguir, optou-se pelo uso da fonte senoidal independente como referência para a forma de onda da corrente da rede e por manter a rede feedforward inativa.

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% Rfoc = PAC Kffw = 0 Rfoc = PAC Kffw nominal Rfoc = Seno Kffw = 0 Rfoc = Seno Kffw nominal Porcenta gem DT DHT DHTp