Os filtros ativos de potência são conversores estáticos usados para compensar harmônicos de correntes e de tensões no sistema de distribuição [4]. Além de filtrar os harmônicos, existem outros benefícios que podem ser conseguidos com a utilização do filtro ativo. Entre eles, pode-se citar: compensação de potência reativa, minimização de desequilíbrios e de oscilações de potência ativa, tanto em cargas lineares, como não lineares, e amortecimento de eventuais ressonâncias do sistema.
O conceito de filtros ativos surgiu na década de 70, com o intuito de compensar harmônicos [5][6][7]. Contudo, na época não havia dispositivos de comutação rápida que permitissem sua construção. Em 1982, um filtro ativo paralelo que consistiu em um inversor fonte de corrente utilizando tiristores GTO (Gate-Turn-Off), foi posto em prática para compensação harmônica [4]. Os filtros ativos de potência pode ser classificados quanto ao tipo de conversor, à configuração de conexão e número de fases.
1.2.1 Classificação dos conversores
Existem dois tipos de conversores que são usados como filtros ativos trifásicos: o inversor fonte de tensão (VSI - Voltage Source Inverter) e o inversor fonte de corrente (CSI - Current Source Inverter) mostrados na Figura 1.1. No inversor fonte de corrente, o barramento funciona como uma fonte de corrente contínua (CC), onde o elemento armazenador de energia é o indutor Lc. As chaves modulam a corrente que é então absorvida/fornecida pela fonte. Neste caso, a corrente no indutor Lcdeve ser sempre menor do que a corrente de pico que se deseja impor na rede. No VSI, o barramento comporta-se como uma fonte de tensão CC, onde o elemento armazenador de energia é o capacitor CF. Pelo comando das chaves, o filtro fornece/absorve corrente da rede através dos indutores LF a, LF be LF c. Neste conversor, a tensão do capacitor CF deve ter valor sempre maior do que o valor de pico da tensão da rede.
O primeiro filtro ativo colocado em prática empregou o inversor fonte de corrente. Atualmente o VSI é mais utilizado devido a maior eficiência, menor custo e menor tamanho
(a) Fonte de tensão (b) Fonte de corrente Figura 1.1: Tipos de conversores.
comparado com o inversor fonte de corrente [4][8][9]. O VSI ainda pode ser dividido em: dois níveis e mais de dois níveis, também conhecido como multinível.
1.2.2 Inversor de dois níveis
O VSI de dois níveis é a configuração mais indicada para instalações de baixa tensão. Para média tensão o VSI de dois níveis conectado em paralelo com a rede requer o uso de transformador, elevando o custo e a complexidade da topologia, tornando o sistema inviável [10]. O VSI pode ser utilizado como filtro ativo, restaurador dinâmico de tensão, sistema de alimentação ininterrupta e variador eletrônico de velocidade. Esta topologia é apresentada na Figura 1.1(a), sendo possível aplicar dois valores de tensão à saída do VSI.
1.2.3 Inversor de três níveis
É provável que o termo multinível tenha surgido a partir dos arranjos de transformadores multifásicos, que foram bastante utilizados nos primórdios da eletrônica de potência [11]. A estrutura multinível surgiu da necessidade de um conversor adequado aos sistema de acionamentos de máquinas de corrente alternada (CA) de alta potência e alto desempenho. Essa estrutura foi desenvolvida a partir do inversor de três níveis com diodos de grampeamento (Fig. 1.2(a)), introduzido por Nabae et al [12], depois denominada de inversor com ponto de neutro grampeado (NPC - Neutral Point Clamped). Além das tensões de saída
apresentarem um menor conteúdo harmônico, esta topologia permite a utilização de chaves semicondutoras com a metade do limite de tensão das chaves utilizadas em um inversor de dois níveis equivalente. Posteriormente, a estrutura do conversor NPC foi generalizada para um maior número de níveis, fazendo uso do mesmo conceito de grampear níveis de tensão com diodos. Há três tipos de conversores multiníveis: NPC, capacitores flutuantes e conversores em cascata com fontes de tensão CC separadas. Eles são mostrados na Figura 1.2.
O inversor multinível com capacitores flutuantes, mostrado na Figura 1.2(b), foi introduzido no começo da década de 90 por Meynard e Foch [13]. Nesta topologia, os capacitores são utilizados para efetuar o grampeamento da tensão sobre as chaves ao invés de diodos de grampeamento, limitando a tensão sobre as chaves e reduzindo as perdas de chaveamento.
O conversor multinível em cascata utiliza vários módulos monofásicos constituídos por quatros chaves e um capacitor, chamados de ponte-H, em que cada módulo tem sua fonte CC. Esta topologia foi proposta por Baker e Bannister [14]. A grande desvantagem desta configuração é o fato de precisar de fontes CC individuais e isoladas em todos os módulos presentes, o que pode dificultar sua implementação.
Dentre as topologias citadas de VSI de três níveis, o inversor NPC tem sido o mais usado nas aplicações de eletrônica de potência. Portanto, nessa dissertação, o inversor NPC de três níveis é escolhido para operar como filtro ativo.
1.2.4 Classificação quanto à configuração de conexão Existem quatro configurações clássicas de filtros:
• Ativo paralelo; • Ativo série;
• Híbrido (associação de ativo com passivo); • Universal.
(a) NPC
(b) Capacitores flutuantes
(c) Cascata
Figura 1.3: Diagrama do FAP conectado entre a fonte e a carga.
Figura 1.4: Diagrama do filtro ativo conectado em série com a fonte e a carga.
O filtro ativo paralelo (FAP) é utilizado para compensar harmônicos de correntes. Conforme ilustra a Figura 1.3, o FAP injeta uma corrente na rede, de maneira que a corrente resultante suprida pela fonte seja uma senóide. Dependendo da estratégia de controle empregada, o FAP também pode compensar potência reativa e fazer o balanceamento de correntes desequilibradas.
O filtro ativo série (Fig.1.4) é utilizado para compensar os harmônicos de tensão, e também para fazer a regulação e o balanceamento da tensão próxima à carga ou na linha de distribuição. Essa configuração de filtro consiste na injeção de uma tensão fazendo uso de um transformador de acoplamento. Essa tensão produzida pelo filtro somada à tensão da fonte, resulta em uma forma de onda senoidal sem harmônicos. Uma das principais desvantagens dessa topologia é que a corrente na carga é a mesma do filtro, produzindo muitas perdas de chaveamento.
(a) Filtro ativo série com o filtro passivo paralelo. (b) Filtros ativo e passivo conectados em série. Figura 1.5: Tipos de filtros híbridos.
Filtros híbridos são utilizados a fim de reduzir custos e fazer ajustes em instalações onde já existe um filtro passivo. Os filtros híbridos são basicamente uma junção dos filtros passivos e ativos, utilizando um ou mais VSI em combinação com elementos passivos (capacitores e indutores). Há duas topologias principais de filtros híbridos: o filtro ativo série com o filtro passivo paralelo e a conexão série de um filtro ativo com um filtro passivo, sendo mostradas na Figura 1.5. A principal vantagem de um filtro híbrido é a atenuação das correntes harmônicas pelo filtro passivo, reduzindo consideravelmente o custo em comparação com um filtro ativo, devido à menor potência do VSI. Entretanto, esses equipamentos são relativamente complicados, principalmente no que diz respeito ao ajuste do filtro passivo.
A Figura 1.6 apresenta uma configuração básica de uma combinação entre um filtro ativo série e um FAP, compondo uma estrutura denominada de filtro ativo universal. Neste caso o barramento CC é divido entre as duas configurações de filtro ativo com o objetivo de compensar harmônicos de tensão e de corrente. As principais desvantagens deste filtro são o custo excessivo e o controle complexo.
1.2.5 Classificação quanto ao número de fases
Esta classificação é baseada no número de fases que é utilizado para conectar os filtros ativos. Os filtros podem ser monofásicos, trifásicos a três fios e trifásicos a quatro fios.
Figura 1.6: Diagrama do filtro ativo universal conectado ao sistema elétrico.
Existem muitas aplicações de filtros ativos monofásicos para cargas não lineares em baixa potência [15]. Quando as cargas não lineares estão conectadas aos filtros ativos trifásicos a três fios, não existem componentes de sequência zero circulando pelo filtro e geralmente esta topologia é empregada na compensação de distúrbios presentes no sistema de alimentação a três fios [9]. Na topologia de filtros ativos trifásicos a quatros fios conectados às cargas não lineares, há presença de componente de sequência zero circulando pelo filtro e geralmente ele é empregado para compensar as correntes de neutro, potência reativa e desbalanceamento de carga [9][16][17].
Nessa dissertação, o FAP é estudado visando uma futura implementação em um sistema de média tensão, sendo escolhido o inversor NPC trifásico a três fios. Para o correto funcionamento do FAP, sistemas eficientes de geração das referências e de controle das correntes são necessários.
1.3 Geração das Referências de Corrente
A técnica utilizada para a determinação das referências de corrente é um dos principais requisitos para o controle do FAP. Assim que foram apresentados os princípios básicos do FAP, vários trabalhos foram publicados, apresentando novas técnicas ou comparando as já existentes. Algumas técnicas se caracterizam pela facilidade de implementação, enquanto outras se destacam pela versatilidade, muitas vezes ao custo de uma maior complexidade. Existem vários algoritmos que permitem obter as referências de corrente do FAP, sendo estes
mais eficazes, quando comparados às técnicas no domínio da frequência [18][19][20]. Há várias técnicas no domínio do tempo, sendo as mais usuais a baseada na teoria da potência ativa e reativa instantânea ou teoria pq e a teoria do eixo de referência síncrono ou teoria SRF (Synchronous Reference Frame).
1.4 Controle de Corrente
Para compensar as harmônicas de corrente consumidas pelas cargas não lineares, as técnicas de controle de corrente usadas no FAP devem ser capazes de sintetizar os sinais de referência gerados pelas técnicas de controle. Em consequência disso, a escolha do algoritmo de controle que atenda tais exigências de projeto é, sem dúvida, uma das partes mais importantes na implementação do FAP. Levando-se em consideração cargas não lineares trifásicas a três fios constituídas de retificadores, tem-se que as componentes harmônicas mais comuns, presentes nas correntes são de ordem h = ∓6n + 1, onde n é um número inteiro.
1.5 Objetivo da Dissertação
Este trabalho tem por objetivo estudar um inversor NPC de três níveis como FAP a três fios, com o objetivo de diminuir o contéudo harmônico provocado por cargas não lineares. O inversor NPC é escolhido visando uma futura implementação em um sistema de média tensão, sendo a estrutura multinível mais usada nas aplicações de filtros ativos nos últimos anos. Para um bom projeto do FAP é necessário estudar:
• Técnicas para obtenção das correntes de referência; • Técnicas de controle de corrente.