Conclusões

Nesta Dissertação de Mestrado foi abordado o desenvolvimento de um Filtro Ativo Paralelo (FAP) monofásico com um inversor a MOSFETs, utilizado para a compensação do fator de potência e de harmónicas na corrente. Este trabalho teve como objetivo desenvolver um FAP eficiente, bem como compacto e leve, para ser embutido numa caixa de fácil transporte, com o intuito da sua utilização em demostrações públicas.

Ao longo deste documento foram apresentadas as diferentes etapas do desenvolvimento do FAP, sendo nesta secção apresentada, de um forma sucinta, as principais ideias e conclusões retiradas de cada capítulo elaborado.

Inicialmente foi realizada uma introdução ao tema da Qualidade da Energia Elétrica (QEE), que primitivamente indiciava apenas problemas no fornecimento contínuo da energia elétrica, sendo atualmente mais abrangente, uma vez que considera aspetos como a qualidade da tensão fornecida. Assim, foi versado o problema das harmónicas, sendo abordada a sua origem e forma de as analisar e classificar. Foram ainda apresentados os efeitos nefastos das harmónicas em alguns componentes de uma instalação elétrica. Para demostrar a existência de harmónicas em sistemas monofásicos, foram apresentadas várias formas de onda da corrente e tensão, bem como o espetro harmónico de cargas reais regularmente utilizadas em habitações e escritórios, medidas com um analisador de QEE Fluke 435, podendo-se concluir sobre a existência de harmónicas na corrente em praticamente todos os equipamentos monofásicos atualmente utilizados.

No segundo capítulo foi realizado um levantamento do estado da arte dos FAPs. Inicialmente foram abordados de forma muito breve os Filtros Ativos de Potência, que englobam os FAPs, tendo estes como função reduzir os problemas de QEE na corrente da fonte, e os Filtros Ativos Série (FAS) mitigar os problemas na tensão. O FAP foi abordado de forma minuciosa, sendo explicado o seu princípio de funcionamento, bem como todos os seus componentes. Iniciou-se com uma abordagem aos inversores com

Capítulo 6 – Conclusão e Sugestões de Trabalho Futuro

fonte de tensão no barramento CC, sendo apresentados em todos os casos o funcionamento dos mesmos acompanhados dos respetivos esquemas elétricos, indicando o percurso da corrente pelo inversor nos diferentes estados de funcionamento. Dessa forma, foi verificada a vantagem da utilização do inversor em ponte completa em relação ao inversor em meia ponte. Esta conclusão deve-se, por exemplo, à possibilidade de se obter três níveis de tensão na saída, o que melhora o sinal sintetizado, tendo também como vantagem o facto da necessidade dos MOSFETs suportarem apenas metade da tensão que teriam de suportar no caso de um inversor em meia ponte.

Posto a abordagem aos inversores, foram apresentadas as várias técnicas de comutação utilizadas para o controlo dos mesmos. Da análise realizada foi possível verificar a simplicidade e robustez das técnicas não lineares, como o comparador por histerese e o period sampling, que em contrapartida apresentam valores de ripple consideráveis na corrente sintetizada. Em comparação, os controlos lineares, controlo preditivo e PI, são mais complicados de implementar, mas apresentam performances superiores. Verifica-se que o controlo preditivo é vantajoso em relação ao PI, devido ao facto de não haver necessidade de ajustar ganhos do controlo.

Por último foram apresentadas algumas teorias de controlo utilizadas em FAPs monofásicos. Foi abordada a teoria Fryze-Buchholz-Depenbrock (FBD) que consiste na substituição da carga por uma condutância, que corresponde ao consumo de potência ativa da carga, e por uma fonte de corrente, que representa as harmónicas consumidas pela carga. Esta teoria é simples de implementar e apresenta bons resultados. Foram ainda descritas outras formas de calcular a corrente de compensação, como por exemplo, a teoria p-q adaptada a sistemas monofásicos, ou mesmo recorrendo à transformada de Fourier.

Após o estudo de todos os componentes que constituem o FAP monofásico e da análise dos inversores e teorias de controlo mais profícuas, foram apresentadas no terceiro capítulo as simulações computacionais realizadas, utilizando a ferramenta de simulação PSIM. Inicialmente foram apresentadas particularidades para tornar o sistema o mais aproximado ao sistema real, estando entre elas a utilização da impedância de linha, características não ideais dos componentes, dead-time entre as comutações, entre outras. O sistema de controlo foi implementado em blocos de programação em C, tendo sido testados individualmente todos os elementos do mesmo (PLL, teoria de controlo e técnica de comutação), e verificado o correto funcionamento destes. Em seguida foi testado todo o sistema, com andar de potência e sistema de controlo, compensando

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assim os problemas de QEE com diferentes tipos de carga. Dessa forma, foi aferido o correto funcionamento teórico do FAP para compensar as harmónicas e a potência reativa. A THD na corrente da fonte para as diferentes cargas diminui drasticamente após a compensação efetuada pelo FAP monofásico, obtendo-se valores próximos ou mesmo abaixo da unidade percentual. Da mesma forma, pela ação do FAP o fator de potência total torna-se muito próximo da unidade. Foram obtidos resultados com duas técnicas de comutação, controlo PI e controlo preditivo, obtendo-se resultados muito semelhantes em ambos os casos. Por último foi testado o funcionamento do FAP com a entrada e a saída de cargas, onde foi verificado que o FAP também ajuda a reduzir correntes transitórias elevadas devido à entrada de cargas no sistema monofásico.

Apurado o funcionamento teórico do FAP, no quarto capítulo foi abordada a implementação prática do mesmo, onde foram apresentados todos os constituintes do FAP, quer do andar de potência, quer do sistema de controlo. Inicialmente foi abordado o inversor do FAP, sendo este construído com MOSFETs discretos. Em seguida foram apresentadas as bobinas de acoplamento desenvolvidas, em que foram utilizados núcleos de pó de ferro, fazendo assim com que o seu tamanho seja reduzido, e que não produzam ruídos, característicos de bobinas com núcleo de chapas de ferro. Por último, no andar de potência foi apresentada uma placa que serve para interligar o FAP com a carga e a rede.

Relativamente ao sistema de controlo, foram apresentados os diversos sensores utilizados, bem como todos os circuitos auxiliares, como condicionamento de sinal, proteções e comando. Posteriormente foi apresentado o microcontrolador utilizado para o controlo digital do FAP, sendo que este apresenta uma arquitetura especializada em processamento de sinal DSP, realizando operações matemáticas com elevada precisão e em poucos ciclos de relógio. Foi mostrado o processo estrutural e as várias rotinas de controlo digital implementadas no DSP.

Por último foi abordada a implementação de uma interface gráfica com o utilizador, de forma a tornar o sistema mais apelativo e didático. Este possui uma parte de comando do FAP, e outra onde se pode visualizar as formas de onda do sistema, bem como a espetro harmónico da corrente na fonte.

No quinto capítulo são apresentados os resultados experimentais obtidos com o protótipo de FAP monofásico desenvolvido. Foram realizados testes de operação com diferentes condições de carga, e com diferentes técnicas de controlo do inversor (controlo preditivo e PI) sendo aferido o bom funcionamento do mesmo para a correção do fator de potência e para a redução do conteúdo harmónico da corrente fornecida pela

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fonte. Para quase todas as cargas ensaiadas o valor de THD obtido na corrente da fonte foi próximo ou inferior a dois pontos percentuais (isto apenas não ocorreu para uma carga, cujo THD de corrente tinha um valor de cerca de 100%). Em todas as cargas o fator de potência total foi corrigido para a unidade. Foi também avaliado o rendimento do FAP, sendo para isso medida a potência a montante e a jusante do FAP com este a compensar, recorrendo-se a um wattímetro de precisão, obtendo-se um rendimento de 95%. Para finalizar este capítulo foram apresentados os resultados da interface gráfica em comparação com os mesmos resultados obtidos através do analisador de QEE, fluke 435. Foi comprovado o bom funcionamento do modo “Scope” e do modo “Harmonics”, existindo apenas uma pequena discrepância no valor calculado da THD, devido ao número de amostras e à resolução dos valores lidos.

Pode-se afirmar que os objetivos desta Dissertação de Mestrado foram alcançados, com o desenvolvimento de um protótipo de Filtro Ativo Paralelo compacto e didático, que utiliza MOSFETs que operam com uma elevada frequência de comutação (100 kHz), e que apresenta um excelente desempenho na compensação de harmónicas de corrente e na correção do fator de potência, ao mesmo tempo em que possui um bom rendimento. Cabe ressaltar que este protótipo de Filtro Ativo Paralelo monofásico, bem como a interface o utilizador, foram integralmente desenvolvidos no âmbito deste trabalho.