Foram realizados diversos testes experimentais no protótipo do SAPF para verificação do controlador com Feed-forward. Esses testes são apresentados nas figuras 6.21-6.24, que demonstram o desempenho do filtro ativo durante transientes e em regime perma- nente.
As correntes de fase da carga não-linear quando nenhuma estratégia de compensação está habilitada são apresentadas na Fig. 6.21. Nessa figura, pode-se observar que as correntes de fase na carga são distorcidas porém balanceadas.
Quando a estratégia de compensação é habilitada, o SAPF reduz harmônicos nas cor- rentes da rede elétrica. As correntes na rede se tornam quase senoidais e continuam balanceadas como observado na Fig. 6.22.
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) -20 -10 0 10 20 is1, is2,is3(A)
Figura 6.21: Resultados experimentais das correntes balanceadas na rede is123, antes da
partida do SAPF.
O desempenho do controle de tensão no barramento CC submetido a variações de carga também foi verificado experimentalmente. Os resultados do SAPF para variações de carga são apresentados nas figuras 6.23-6.25
A Fig. 6.23 apresenta a tensão no barramento CC durante uma diminuição da impedân- cia da carga. Essa figura mostra a comparação do desempenho do controlador do barra- mento CC com e sem o Feed-Forward. Para o teste, a referência de tensão no barramento CC é de 350V . Durante a variação da carga e sem a utilização do Feed-Forward, a tensão cai repentinamente atingindo 295V antes de retornar ao valor de referência. Para esse mesmo ensaio e utilizando o controle com Feed-forward, a tensão cai até 336V . Portanto, a utilização do Feed-forward reduziu 75% da variação de tensão durante o transiente na carga.
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) -20 -10 0 10 20 is1, is2,is3(A)
Figura 6.22: Resultados experimentais das correntes balanceadas na rede is123, após par-
tida do SAPF.
O SAPF foi submetido também a um aumento da impedância da carga. Nesse caso, para o controle sem Feed-forward, a tensão do barramento chegou a atingir 397V durante a variação da carga. Com o feed-forward, a tensão do barramento CC atingiu 364V , reduzindo assim a variação de tensão em 70%.
Em [Núñez-Zúñiga & Pomilio 2002], o controlador de tensão apresentou uma vari- ação de 10% na tensão do barramento quando submetido a um degrau de 50% na carga. Para a mesma variação de carga, o controlador com feed-forward proposto apresentou apenas 4% de variação na tensão do barramento CC.
7 7.5 8 8.5 9 9.5 t(s) 290 310 330 350 370 Vcc* ,Vcc,VccFF(V)
Figura 6.23: Tensão no barramento CC durante diminuição da impedância da carga.
Para avaliação da compensação de harmônicos, o conteúdo harmônico da corrente na rede is1 foi computado. A Fig. 6.25 apresenta o espectro de frequência da corrente na
7 7.5 8 8.5 9 9.5 t(s) 330 350 370 390 410 Vcc* ,Vcc,VccFF(V)
Figura 6.24: Tensão no barramento CC durante aumento da impedância da carga.
antes da compensação do SAPF e a corrente na rede após a compensação do SAPF com e sem a utilização do Feed-forward no controle de tensão. A partir desse gráfico, pode- se observar que o SAPF reduz os harmônicos nas correntes da rede especialmente os harmônicos de ordem 5 e 7. O resultado mais importante para o controlador feed-forward é que não há diferença significativa na compensação de harmônicos em comparação com o controlador sem feed-forward. Dessa forma, foi comprovado experimentalmente uma melhora na rapidez do controle durante transitórios de carga sem perda no desempenho da compensação de harmônicos.
O THD das correntes na rede foi calculado considerando até o 50o harmônico e é
apresentado na Tabela 6.2.
Corrente Valor THD (%) Corrente na carga 17,1 Corrente na rede sem FF 3,23 Corrente na rede com FF 3,43
1
5
9
13
17
21
25
0
5
10
15
18
Ordem harmônica (n)
i
l1(n), i
s1(n),i
s1FF(n)(A)
Figura 6.25: Espectro de frequência da corrente na rede is1.
6.4
Conclusão
Nesse capítulo foram apresentados os resultados experimentais do SAPF. O controle indireto necessitou de uma partida suave do sistema na qual foi introduzida uma rampa de tensão na referência. A partida do sistema consumiu 1s devido a limitação dos sensores de corrente. É possível diminuir o tempo da partida utilizando sensores com maior corrente nominal.
Os resultados experimentais comprovaram que a estratégia proposta tem a capacidade de mitigar harmônicos de corrente enquanto fornece compensação de potência reativa. Durante os ensaios, o THD de corrente na rede elétrica passou de 29% para 3,5%. O fator de potência não foi calculado. Porém, os gráficos das correntes de fase em conjunto com as tensões de fase mostraram que a utilização do filtro ativo fez com que as correntes na rede elétrica ficassem em fase com as tensões, comprovando assim a compensação de potência reativa.
O SAPF foi submetido a cargas não-lineares desbalanceadas com assimetria de cor- rente da ordem de 40%. A utilização do filtro ativo fez com que as correntes de fase na rede elétrica apresentassem amplitudes bastante próximas, reduzindo assim o desba- lanceamento, ao mesmo tempo em que houve compensação de harmônicos e potência
reativa. Quando submetida a um desbalanceamento de tensão de 50%, a carga não-linear apresentou correntes distorcidas e assimétricas. A utilização do SAPF tornou as correntes na rede elétrica quase senoidais e balanceadas.
A estratégia de controle de corrente proposta (VS-APPC) demonstrou ser robusta a variações paramétricas do sistema. Nos experimentos realizados, os parâmetros do sis- tema foram variados a partir da alteração da carga. A estratégia alterou os ganhos do controlador mantendo o desempenho de compensação. Assim, foi demonstrada a capaci- dade de adaptação do V S − APPC proposto para obter o desempenho de compensação quando o modelo do sistema altera seus parâmetros.
Os resultados experimentais comprovaram também que o controlador de tensão do barramento CC com Feed-Forward tem bom desempenho quando submetido a variações de carga. Comparado ao controlador sem FF, o controlador proposto reduziu significativa- mente a variação na tensão do barramento CC com uma perda desprezível de desempenho referente a compensação de harmônicos.
Conclusões e Trabalhos Futuros
7.1
Conclusões Gerais
Nesta tese foi proposta uma estratégia de controle adaptativa robusta para um SAPF com o objetivo de compensar os harmônicos de corrente na rede elétrica, aumentar o fator de potência e balancear as correntes em cargas não lineares. Além disso, foi pro- posta também uma estratégia para o controlador de tensão com o objetivo de melhorar o desempenho do controle indireto a variações da carga.
A maior contribuição desse trabalho está concentrada no controle do SAPF. A estraté- gia de controle proposta foi implementada sem a necessidade de detecção de harmônicos na carga e os requisitos de compensação foram atendidos controlando indiretamente as correntes na rede elétrica. Dessa forma, a modelagem do SAPF considerou a influência das tensões do filtro sobre as correntes na rede. Devido ao fato de não precisar de um es- quema de detecção de harmônicos, o número de sensores de corrente utilizados no SAPF é reduzido, diminuindo o custo efetivo para a implementação do SAPF. Além disso, existe uma diminuição da carga computacional nesse método em comparação com os métodos
SRF e IPT . Isso pode refletir em requisitos computacionais menos exigentes para a im- plementação prática do método. No entanto, é possível observar que o fato desse método gerar correntes senoidais e em fase com a rede elétrica, impõe automaticamente para o filtro ativo, a necessidade de drenar a potência reativa da carga. No projeto dos com- ponentes do filtro ativo foi mostrado que a potência reativa drenada aumenta a potência nominal do filtro, retirando assim a vantagem com relação à redução de peso, volume e custo. Com base nisso, o método do controle indireto é mais indicado em aplicações que necessitam de um equipamento único para solução de vários tipos de problemas de qua- lidade de energia. Algumas aplicações sugeridas são sua utilização em aeronaves MEA (More Electric Aircraft), em residências e em sistemas de baixa potência.
adaptativo robusto. Esse controlador é indicado para garantir estabilidade e desempenho do sistema quando submetido a variações paramétricas e condições de desbalanceamento da carga. A base teórica do controlador proposto foi detalhada e o procedimento de pro- jeto também foi apresentado de uma forma genérica. Nesse trabalho, o controlador de corrente foi integrado ao controle indireto para a implementação do SAPF. Todos os cál- culos e resultados obtidos tiveram como base essa integração. Porém, nos casos em que não for interessante utilizar o controle indireto de corrente como método de geração das correntes de referência, é possível utilizar o controlador V S −APPC com outros métodos, tais como o SRF e IPT .
Para o controle do barramento CC foi utilizado um controlador PI e a técnica SOTO, para o projeto desse controlador. A particularidade desse controlador em relação a um filtro ativo convencional é que a saída do controlador é uma referência de corrente na rede elétrica e não a corrente no filtro. Com isso, o controlador do barramento CC possui uma maior responsabilidade uma vez que a qualidade do sinal de referência afeta diretamente a distorção de corrente na rede elétrica e o fator de potência.
Várias simulações computacionais foram realizadas para comparação dos controladores propostos com estratégias já conhecidas. O chaveamento de parâmetros no controlador VS-APPC causou uma pequena perda na compensação de harmônicos de corrente. Esse chaveamento foi necessário para estimação de parâmetros a ser usada na adaptação do controlador para aumento de robustez. As simulações também mostraram vantagens do controle indireto em SAPFs em relação ao desempenho com carga desbalanceada e com tensões de alimentação desbalanceadas.
O desempenho da estrutura do SAPF proposta foi comprovada a partir de resultados experimentais. O filtro ativo apresentou resultados satisfatórios quanto à compensação de harmônicos, aumento do fator de potência e balanceamento das correntes na rede elétrica. Com relação à compensação de harmônicos, o filtro ativo reduziu a distorção harmônica nas correntes da rede elétrica para um patamar abaixo de 5% de T HD.
O filtro ativo foi submetido à variação paramétrica. Nesse caso, os ganhos do contro- lador sofreram variações nas suas médias para o desempenho do SAPF seguir o polinômio adequado A∗
s(s).
O controle da tensão do barramento CC apresentou também resultados satisfatórios, com erro de regime permanente baixo. Pelo fato do controle de tensão gerar uma refe- rência de corrente na rede elétrica, o transitório na partida necessita de uma estratégia de partida suave. Nesse trabalho foi utilizada a inicialização dos estados do controlador e uma rampa de subida na referência de tensão. O projeto do controlador do barramento CC possui uma relação de compromisso entre desempenho do controle de tensão e o
THD de corrente na rede elétrica. Quanto mais rápido o controle, maior a quantidade de harmônicos presentes na referência de corrente. Essa restrição faz com que o controlador de tensão seja projetado para uma banda passante reduzida. O inconveniente acontece quando há variações de carga: como a dinâmica da referência de corrente é lenta, o filtro ativo absorve a potência excedente da rede elétrica ou fornece o déficit de potência para a carga. Consequentemente, a tensão no barramento CC sofre uma queda ou um aumento repentino. Para superar esse problema, foi utilizado um controlador Feedforward para antecipar a referência de corrente na rede elétrica com o objetivo de minimizar a variação de tensão no barramento CC. Os resultados experimentais comprovaram uma melhora significativa no controle da tensão do barramento CC com a inclusão do feed-forward.