• Nenhum resultado encontrado

CAPÍTULO 5 - FILTROS ATIVOS DISTRIBUÍDOS PARA A CORREÇÃO DO

5.2 E STRATÉGIA DE CONTROLE E M ODULAÇÃO

Na Fig. 5.4 é apresentado o diagrama de blocos de controle do filtro ativo distribuído empregando o inversor de tensão em ponte completa modulado a três níveis, como mostra a Fig. 5.5, com controle por valores médios instantâneos.

A estratégia de controle é a mesma empregada para os inversores de tensão apresentados no capítulo 2. A malha de controle da tensão no barramento

CC do filtro ativo é responsável pela geração da corrente de referência senoidal.

A tensão no barramento CC deve apresentar um valor médio constante maior que o valor de pico da tensão da rede, caso contrário o filtro ativo não compensará adequadamente as cargas. O filtro ativo é conectado em paralelo com o conjunto de cargas a ser compensado e a corrente resultante (corrente nas cargas + corrente no filtro ativo) é comparada com a corrente de referência senoidal. O sinal de erro resultante passa por um controlador de corrente e o sinal de saída deste controlador é comparado com os sinais portadores triangulares, gerando as ordens de comando para os interruptores.

Filtro Ativo

+

-+

-+ Controlador de Corrente

Lc S1

D1

S2 D2

S4 D4

Cf S3

D3 Vf

Rvf1

Rvf2

Vref Hi(s)

Controlador de Tensão Hv(s) Cargas

is Vs

io if

__

S ,S1 2

S3,S4 __

VT1 VT2+

-+ a

b

A Bx A isref B

Vm

Vf'

Fig. 5.4 – Diagrama de blocos da estratégia de controle empregada.

wt

wt

wt

2π wt π

VT1 VT2

Vm

S1

S3

Vab Vf

-Vf ,S2 __

,S4 __

Fig. 5.5 – Modulação a três níveis.

5.3 PROCEDIMENTO DE PROJETO

O procedimento de projeto simplificado é apresentado nesta seção. Sejam as seguintes especificações:

V

O filtro ativo deve compensar cargas de até 6000W. Supondo que o filtro ativo em conjunto com a carga não-linear apresente para a rede uma característica resistiva, resultando em uma corrente da rede senoidal e em fase com a tensão da rede, seu valor de pico pode ser calculado.

A

A máxima ondulação de corrente no indutor Lc é definida em função da corrente de pico de entrada. Assim:

A

O índice de modulação é calculado de acordo com a equação (2.4).

7775

Para este índice de modulação a máxima ondulação de corrente parametrizada é obtida derivando-se a equação (2.44).

25

A função de transferência Gi(s) é calculada de acordo com a expressão (2.58).

O controlador de corrente é calculado de acordo com o procedimento apresentado no capítulo 2.

O zero do controlador é locado em aproximadamente 800Hz. Escolhendo-se Ri3 = 82kΩ, calcula-se o capacitor Ci1.

O pólo do controlador é locado em 80kHz. Escolhendo-se Ri2 = 10kΩ, calcula-se o capacitor Ci2.

F

A função de transferência resultante do controlador de corrente é:

( ) ( )

A corrente da rede é monitorada através de um sensor de efeito Hall com um ganho kis de 0,047 e o valor de pico do sinal portador triangular é de 5,5V. Assim, a função de transferência de laço aberto é calculada.

( ) ( ) ( ) ( ) função de transferência em malha aberta são apresentados na Fig. 5.6. A freqüência de cruzamento de ganho da função de transferência de malha aberta é de 2,48kHz e a margem de fase é de 53,34o.

Um banco de capacitores, para ser colocado no barramento CC do inversor, foi escolhido de acordo com a disponibilidade de componentes, resultando em uma capacitância total de 1,8×103F/400V. A tensão no barramento CC é monitorada com um ganho kv de 3,5x10-3.

A função de transferência Gv(s) é calculada de acordo com a expressão (2.63):

O controlador proporcional integral é projetado como mostrado a seguir. O zero é locado em aproximadamente 4Hz. Escolhendo-se Rv1=33k e Cv1=220nF, calcula-se o resistor Rv2.

O diagrama de Bode de módulo e de fase da função de transferência Gv(s) Hv(s) e da função de transferência em malha aberta é apresentado na Fig. 5.7. A freqüência de cruzamento de ganho para a função de transferência de malha aberta é de 20,3Hz e a margem de fase de 78,8o.

5.4 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO

Para comprovar o funcionamento dos filtros ativos distribuídos foi feita uma simulação do filtro ativo compensando três cargas, como mostra a Fig. 5.8. O circuito simulado e o arquivo de dados estão em anexo. Na Fig. 5.9 pode-se observar a tensão e a corrente da rede e o espectro harmônico da corrente da rede e da corrente total de carga. A corrente resultante da rede é senoidal e em fase com a tensão da rede, resultando em um fator de potência de 0,999. Sem a presença do filtro ativo o fator de potência seria de 0,83. Na Fig. 5.10 pode-se observar a corrente em cada uma das cargas e a corrente total de carga e na Fig.

5.11 a corrente no filtro ativo.

+

-+

-+ Controlador de Corrente

-Lc

Vf Rvf1 Rvf2

Vref Hi(s)

Controlador de Tensão Hv(s) is

Vs

if

__

S ,S1 2

S3,S4 __

VT1 VT2 +

-+

A Bx A is ref B

Vm

Vf' io total

io1

500µH 39

1mF

io2

200µH 60mH

20 io3

96mH 20,93Ω

Completa Filtro Ativo VSI em Ponte

Fig. 5.8 – Sistema simulado.

184 186 188 190 192 194 196 198 200

Time (ms) 80

40

0

-40

-80

i s Vs / 5

5 10 15 20

0 10 20 30 40

2

componente harmônica (N) FP = 0,999 Rede: TDH = 1,04%

FP = 0,83 Carga não-linear : TDH = 50,47%

fase = -21o

fase = 0,97o TDHN

(%)

(a) (b)

Fig. 5.9 – Tensão e corrente da rede (a) e espectro harmônico da corrente da rede e da corrente total de carga (b).

184 186 188 190 192 194 196 198 200 Time (ms)

80

40

0

-40

-80 Vs / 5

iototal

184 186 188 190 192 194 196 198 200

Time (ms) 10

-10 20

-20 50

-50

io1

io2

io3

(a) (b)

Fig. 5.10 – Tensão da rede e corrente total de carga (a) e corrente em cada uma das cargas (b).

184 186 188 190 192 194 196 198 200

Time (ms) 80

40

0

-40

-80 Vs / 5

i f

184 186 188 190Time (ms)192 194 196 198 200

5.0

0.0

-5.0 Vm

(a) (b)

Fig. 5.11 – Tensão da rede e corrente no filtro ativo (a) e sinal modulador Vm (b).

Na Fig. 5.12 é apresentada uma instalação de 18kW que está dividida em três ramais de 6kW, com três cargas agrupadas em cada ramal. A indutância de linha é de 150µH. Na Fig. 5.13 pode-se observar a tensão da rede e a tensão no ponto de acoplamento comum (PCC) juntamente com seu espectro harmônico. A tensão no PCC apresenta uma taxa de distorção harmônica total de 4,7%. Esta distorção é devido às harmônicas de corrente que circulam na instalação, provocando uma queda de tensão em Ls.

iototal 1 iototal 2 iototal 3

is

Vs Ls

PCC 150µH

Fig. 5.12 – Sistema simulado.

Nas Figs. 5.14 e 5.15 são apresentadas a corrente total em cada ramo, a corrente total da rede e o espectro harmônico da corrente da rede, que apresenta uma taxa de distorção harmônica de 45,23%, resultando em um fator de potência de 0,88.

184 186 188 190 192 194 196 198 200

Time (ms) 0

-320 320 0

-320 320

Vs

Vpcc

5 10 15 20

0 2 4 6 8 10

2

TDHTotal= 4,7%

Espectro Harmônico da Tensão no PCC

componente harmônica (N) TDHN

(%)

(a) (b)

Fig. 5.13 – Tensão da rede, tensão no ponto de acoplamento comum PCC (a) e espectro harmônico da tensão no PCC (b).

184 186 188 190 192 194 196 198 200

Time (ms) 400

200

0

-200

-400 Vpcc

istotal

5 10 15 20

0 10 20 30 40

2

Espectro Harmônico de i TDHTotal = 45,23%

fase = 14,65 o FP = 0,88

componente harmônica (N) TDHN

(%)

s

(a) (b)

Fig. 5.14 – Tensão no PCC e corrente total de carga (a) e espectro harmônico da corrente total de carga (b).

184 186 188 190 192 194 196 198 200

Time (ms) -60

60 -90 90 -60

60 i s1

i s2

is3

Fig. 5.15 – Correntes nos três ramos das cargas.

Na Fig. 5.16 é apresentado o mesmo sistema da Fig. 5.12, porém com um filtro ativo monofásico em cada ramal, compensando um conjunto de cargas. Na

Fig. 5.17 podem-se observar a tensão da rede, a tensão no ponto de acoplamento comum e seu espectro harmônico. Na Fig. 5.18 são apresentadas a corrente resultante da rede e seu espectro harmônico. A corrente da rede é praticamente senoidal e em fase com a tensão da rede resultando em um fator de potência de 0,998. Na Fig. 5.19 podem-se observar a corrente total em cada ramal e a corrente nos filtros ativos. Verifica-se que com a presença dos filtros ativos distribuídos a distorção de tensão no PCC foi praticamente eliminada e o fator de potência da instalação é praticamente unitário.

iototal 1 iototal 2 iototal 3

is

Vs Ls

PCC 150µH

FA 1 if1

FA 1 if2

FA 1 if3

φ φ φ

Fig. 5.16 – Sistema simulado.

84ms 86ms 88ms 90ms 92ms 94ms 96ms 98ms 100ms Time

400

0

-400 400

0

-400 Vs

VPCC

5 10 15 20

0 2 4 6 8 10

2

TDHTotal= 1,6%

Espectro Harmônico da Tensão no PCC

componente harmônica (N) TDHN

(%)

(a) (b)

Fig. 5.17 – Tensão da rede tensão no ponto de acoplamento comum PCC (a) e espectro harmônico da tensão no PCC (b).

84ms 86ms 88ms 90ms 92ms 94ms 96ms 98ms 100ms Time

400

200

0

-200

-400 Vs

is

5 10 15 20

0 2 4 6 8 10

2

Espectro Harmônico de i TDHTotal = 2,05%

fase = 1,6 FP = 0,999

o

componente harmônica (N) TDHN

(%)

s

(a) (b)

Fig. 5.18 – Tensão no PCC e corrente da rede (a) e espectro harmônico da corrente da rede (b).

84ms 86ms 88ms 90ms 92ms 94ms 96ms 98ms Time

0

-70 70 0

-70 70

iototal1

if1

84ms 86ms 88ms 90ms 92ms 94ms 96ms 98ms Time

0

-120 120 0

-120 120

iototal2

if2

84ms 86ms 88ms 90ms 92ms 94ms 96ms 98ms Time

0

-80 80 0

-80 80

iototal3

if3

(a) (b) (c)

Fig. 5.19 – Corrente total no ramo 1 e no filtro ativo 1 (a), corrente total no ramo 2 e no filtro ativo 2 (b) e corrente total no ramo 3 e no filtro ativo 3 (c).