Neste capítulo é apresentada uma revisão do estado da arte sobre conversores CA-CC trifásicos. Contudo, como existem bastantes conversores identificados na literatura para diversos fins, serão apenas abordados alguns dos conversores com consumo de corrente sinusoidal e com controlo do fator de potência, que são os mais relevantes para esta dissertação, tendo em consideração a sua utilização em sistemas de carregamento rápido para baterias de veículos elétricos (VEs). De realçar que todo este capítulo incide sobre o que está descrito em [6], [62], [12].
Os conversores trifásicos CA-CC são bastante importantes para a indústria devido ao extenso número de aplicações em que podem ser utilizados, tais como, fontes de energia, drives de motores CC, transporte de energia em linhas HVDC, conversores front-end em drives CA de velocidade variável, interfaces de utilização com fontes de energia não convencionais, processos tecnológicos, como por exemplo, soldagem, fontes de energia para sistemas de telecomunicações, aplicações aeroespaciais, aplicações militares, entre outras [6].
Tradicionalmente, os conversores CA-CC eram implementados recorrendo a retificadores a díodos (ou retificadores não controlados) ou a retificadores de fase controlada, que atuam como cargas não lineares nos sistemas de energia e consomem correntes de entrada que têm uma componente harmónica elevada e fator de potência não unitário, criando assim, problemas de qualidade de energia elétrica na rede e para outros sistemas elétricos na vizinhança do retificador. Outros problemas associados com este tipo de conversores são [62]:
Consumo elevado de potência reativa pelos retificadores do sistema de potência, o que implica que os equipamentos de distribuição aguentem elevados níveis de potência;
Quedas de tensão nos barramentos de entrada e saída;
Harmónicos de corrente na entrada do conversor elevados que resultam na forma de onda da corrente distorcida e que afetam a forma de onda da tensão;
Aumento das perdas nos equipamentos, tais como em transformadores e motores (devido aos harmónicos);
Interferência eletromagnética com os circuitos de comunicação próximos;
Operação indevida dos dispositivos de proteção, como por exemplo falso acionamento dos relés e disjuntores, devido ao elevado fator de crista provocado pelos picos de corrente que os retificadores não controlados criam.
Novos tipos de conversores CA-CC têm vindo a ser desenvolvidos de forma a colmatar os problemas criados pelos conversores passivos e compensadores de potência ativa/reativa, utilizados normalmente para eliminar os problemas provocados pelos harmónicos, e compensar a potência reativa. Estes novos tipos de conversores são conhecidos por Power Factor Correction Converters (PFCs) [8], Switched Mode Rectifiers (SMRs) [9], PWM Converters [10], Improved Power Quality Converters (IPQCs) [6], e High Power Factor Converters (HPFCs) [11]. Eles são incluídos como parte intrínseca do sistema de conversão CA-CC que produzem excelente qualidade de energia, tanto na parte da rede como na parte da carga, grande eficiência e tamanho reduzido.
Os problemas de qualidade de energia criados através do uso de conversores convencionais CA-CC são mitigados através dos IPQCs. A tensão à saída do conversor torna-se regulada mesmo sob flutuações da tensão da fonte e mudanças bruscas na carga. O padrão de comutação de PWM controla as comutações dos semicondutores de potência para que a forma de onda da corrente de entrada se encontre praticamente sem harmónicos e em fase com a tensão da fonte, produzindo assim uma corrente de alimentação praticamente sinusoidal com fator de potência praticamente unitário, não sendo necessário recorrer ao uso de filtros ativos ou passivos para mitigar harmónicos e compensação de potência reativa. [63]
O tamanho reduzido dos dispositivos magnéticos utilizados no conversor e as técnicas de conversão de potência single-stage, resultaram no desenvolvimento de conversores de tamanho reduzido, de grande densidade de potência, eficientes e de baixo custo. Este tipo de conversores tornaram-se possíveis devido à utilização de semicondutores de potência modernos como é o caso dos MOSFETs, IGBTs, GTOs, entre outros. O progresso notório na capacidade e velocidade de comutação destes semicondutores tornou viável o desenvolvimento de IPQCs para aplicações de média e alta potência.
Os IPQCs estão a ser desenvolvidos com capacidade de condução do fluxo de potência de forma unidirecional e bidirecional. IPQCs trifásicos unidirecionais são
implementados utilizando uma ponte de díodos trifásica podendo ser seguidos de um circuito step-up, um circuito step-down, um circuito step-up-down, um circuito isolado, um flyback [64], um Zeta [65], um Cuk [66], um SEPIC [67], entre outros. A utilização de um transformador de isolamento de alta frequência oferece tamanho, peso e custo reduzido, tensão apropriada e isolamento. Por outro lado, os IPQCs trifásicos bidirecionais consistem em conversores básicos como push-pull, topologias de conversores fonte de tensão (Voltage Source Converters - VSC) e topologias de conversores fonte de corrente (Current Source Converters - CSC).
Devido a todas estas vantagens, os IPQCs geraram um interesse enorme entre investigadores e engenheiros de eletrónica de potência, com vista a resolver os crescentes problemas de qualidade de energia. [12]
Com o amadurecimento da tecnologia IPQC a um nível razoável para a conversão CA-CC com harmónicos de corrente reduzidos, fator de potência unitário, baixa interferência eletromagnética (Electromagnetic Interfernce - EMI) e baixa interferência de radiofrequência (Radio Frequency Interference - RFI) no lado da rede e qualidade de energia regulada no barramento CC para alimentar as cargas numa escala dos kW aos MW, estes tornaram-se adequáveis a um largo número de aplicações.
Na Figura 3.1 está apresentada uma categorização dos conversores IPQCs trifásicos de acordo com [6].
Figura 3.1. – Classificação dos conversores IPQC (Improved Power Quality Converters).
Os IPQCs vêm sendo desenvolvidos ao longo das últimas três décadas com diferentes configurações, estratégias de controlo, semicondutores controlados, integração de circuitos e diferentes dispositivos magnéticos em topologias como boost, buck ou buck-boost para transferências de energia unidirecional e bidirecional, tal como referido anteriormente. Um vasto número de configurações de IPQCs foram evoluindo de forma
IPQC
Unidirecionais Boost Bidirecionais
Buck
a tornarem-se empregáveis nas mais diferentes aplicações, enquanto mantêm um nível de qualidade de energia elevado, tanto no lado da rede como no lado das cargas.
Em algumas aplicações, uma tensão no barramento CC regulada e constante é necessária com fluxo de potência unidirecional, como por exemplo UPSs ou ar condicionados, enquanto noutras um fluxo de potência bidirecional é o requerido. Desta forma, estes IPQCs são categorizados em conversores boost unidirecionais e bidirecionais. Por outro lado, existem aplicações que requerem uma tensão no barramento CC com grande variação, normalmente fornecida por conversores completamente controlados a tirístores com fluxo de potência uni ou bidirecional. Para substituir estes conversores convencionais surgiram os IPQCs classificados como conversores buck, que à semelhança dos boost podem ser unidirecionais e bidirecionais, que utilizam comutação PWM com semicondutores de potência controlados. Além destes, algumas aplicações necessitam da utilização de operações buck e boost no mesmo conversor, desta feita, nascem os conversores buck-boost, que mais uma vez e utilizando o melhor dos dois anteriores permitem fluxo de potência unidirecional e bidirecional.
Tal como foi dito anteriormente, estes conversores tornaram-se possíveis graças à utilização de semicondutores de potência controláveis, como é o caso dos já mencionados MOSFETs, IGBTs e GTOs. A utilização de cada um deles depende dos valores de potência a que irão ser submetidos. Para baixos valores de potência a utilização de MOSFETs é a mais adequada devido à sua taxa de comutação elevada com perdas negligenciáveis. Já para aplicações de média potência, o IGBT é considerado o semicondutor ideal para conversores com tecnologia PWM. Por fim, para grandes valores de potência o GTO é o semicondutor aplicado, devido à sua capacidade de bloqueio de tensões reversas, a uma frequência de comutação de poucos kHz.
Um número significativo de fabricantes estão a desenvolver um módulo de potência inteligente com diversos dispositivos com um custo baixo e tamanho compacto para os IPQCs. Outra razão para o avanço dos mesmos deve-se à rápida resposta dos sensores de efeito de Hall para a tensão e corrente, e amplificadores de isolamento normalmente requeridos para feedback que são utilizados no controlo dos conversores CA-CC, resultando num nível elevado de performance dinâmica e estado constante. Muitos fabricantes, tais como, ABB, LEM, HEME, Analog Devices, entre outros, estão a oferecer estes sensores a preços baixos e competitivos.
O progresso paralelo nos microprocessadores e DSPs possibilitou a implementação de algoritmos de controlo complexos e de elevada exigência de processamento a grandes velocidades para o controlo de IPQCs, como é o caso dos
controladores PI, sliding-mode, lógica fuzzy, entre outros. Na verdade, o grande avanço na área dos semicondutores de potência e DSPs revolucionou a área de eletrónica de potência.
Além disto, estão disponíveis instrumentos para a medição da performance dos IPQCs, que são chamados de power analyzers, power scopes, power monitors e spectrum analyzers. Estes instrumentos facultam o espetro harmónico direto, a THD até harmónicos de quinquagésima primeira ordem, fator de potência, fator de crista, fator de deslocamento, potência ativa, reativa, nominal e por hora, ripple, sags, swells, notchs, entre outros [6].
Em termos gerais, os IPQCs trifásicos, à semelhança do que foi anteriormente mencionado, são classificados com base na sua tecnologia de conversão.
No caso dos conversores boost, a tensão à sua saída é maior que o pico da sua tensão de entrada. Ao contrário dos conversores boost monofásicos, nos conversores boost trifásicos a tensão que passa pelo condensador de saída não tem ripple de baixa frequência em condições normais de operação.
Os conversores buck, contrariamente aos boost, produzem uma tensão à sua saída mais baixa que as tensões na sua entrada. No caso dos conversores buck trifásicos estes têm algumas funcionalidades atrativas em relação aos conversores boost, tais como, a proteção inerente contra curto-circuitos e corrente de inrush simples.
No que diz respeito aos conversores buck-boost trifásicos, estes têm caraterísticas buck e boost na tensão de saída e também a capacidade de limitar a corrente de inrush e correntes de curto-circuito. Assim sendo, este tipo de conversor é conveniente para diferentes fontes de alimentação, e é extremamente adequado para correção do fator de potência [62].