Inversor multinível com função de filtro ativo paralelo para sistemas conectados à rede elétrica

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Inversor Multinível com Função de Filtro Ativo Paralelo para Sistemas Conectados à Rede Elétrica. Antônio Cabral dos Santos.

(2) UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA. Inversor Multinível com Função de Filtro Ativo Paralelo para Sistemas Conectados à Rede Elétrica por A NTÔNIO C ABRAL DOS S ANTOS. Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.. ORIENTADOR: Leonardo Rodrigues Limongi, D.Sc. CO-ORIENTADOR: Marcelo Cabral Cavalcanti, D.Sc.. Recife, 19 de Outubro de 2011.. c Antônio Cabral dos Santos, 2011 .

(3) Catalogação na fonte Bibliotecária Maria Luiza de Moura Ferreira, CRB-4 / 1469. S237i. Santos, Antônio Cabral dos. Inversor multinível com função de filtro ativo paralelo para sistemas conectados à rede elétrica / Antônio Cabral dos Santos. - Recife: O Autor, 2011. ix, 96 folhas; il., tabs. Orientador: Prof. Leonardo Rodrigues Limongi. Dissertação (Mestrado) ± Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2011. Inclui Referências. 1.Engenharia elétrica. 2. Filtro ativo paralelo. 3. Inversor de três níveis. 4. Controle de corrente. 5. Controle da tensão do ponto neutro. I. Limongi, Leonardo Rodrigues (orientador). II. Título 621.3 CDD (22. ed.). UFPE/BCTG/2012-01.

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(5) Dedico este trabalho aos meus pais Helena e Antônio, que sempre incentivaram e me apoiaram a minha formação.. iv.

(6) AGRADECIMENTOS Gostaria de agradecer primeiramente a Deus pela dádiva da vida e por ter me ajudado a superar todas as adversidades para a conclusão desse trabalho. A minha família, que sempre me apoiou e me incentivou nos estudos. À Arquiteta Fabiana dos Santos Silva pelo indispensável apoio técnico com o Autocad. Agradecimentos especiais faço aos professores Leonardo Rodrigues Limongi e Marcelo Cabral Cavalcanti, antes de mais nada pela paciência que vocês tiveram comigo, pelos ensinamentos e dicas de pesquisa e pelas horas de leituras gastas no meu trabalho. Suas sugestões foram sempre úteis, sempre bem-vindas e acabaram por constituir-se neste trabalho. Leonardo e Marcelo, muito obrigado. Aos membros da banca examinadora, Prof. Alexandre Cunha Oliveira e Prof. Zanoni Dueire Lins pelas correções e sugestões que foram de grande importância para a melhoria deste trabalho. Ao Prof. Francisco de Assis dos Santos Neves, sempre disponível e disposto a conversar sobre minhas dúvidas em Eletrônica de Potência, mesmo estando envolvido com suas atividades e com as dúvidas de muitos outros alunos. Aos amigos do GEPAE Alexandre Farias, Fabrício Bradaschia, Gustavo Medeiros, Kleber Carneiro e Pedro Ernesto, pois suas sugestões e ideias foram de imprescindível ajuda para desenvolver o tema e as propostas deste trabalho. À Capes, pelo apoio financeiro e ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Pernambuco, pela qualidade de ensino. A NTÔNIO C ABRAL DOS S ANTOS Universidade Federal de Pernambuco 19 de Outubro de 2011. v.

(7) Resumo da Dissertação apresentada à UFPE como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. I NVERSOR M ULTINÍVEL COM F UNÇÃO DE F ILTRO ATIVO PARALELO PARA S ISTEMAS C ONECTADOS À R EDE E LÉTRICA Antônio Cabral dos Santos. Outubro/2011. Orientador: Leonardo Rodrigues Limongi, D.Sc. Co-orientador: Marcelo Cabral Cavalcanti, D.Sc. Área de Concentração: Processamento de Energia Palavras-chaves: Filtro Ativo Paralelo, Inversor de Três Níveis, Controle de Corrente, Controle da Tensão do Ponto Neutro, Simulação Número de páginas: 96. O desenvolvimento da indústria de dispositivos eletrônicos de potência observado nas últimas décadas beneficiou a proliferação de cargas não lineares, tais como forno elétrico, fontes de alimentação chaveada, reguladores de tensão e retificadores. Essas cargas não lineares absorvem correntes distorcidas e dessa maneira "poluem"a rede elétrica com harmônicos. A circulação de harmônicos nos sistemas de potência representa um grande problema na qualidade de energia elétrica. Esses harmônicos distorcem as tensões de alimentação, aumentam as perdas nos sistemas elétricos e podem provocar problemas de ressonâncias e mau funcionamento de vários equipamentos eletroeletrônicos. Os prejuízos econômicos provocados por harmônicos são enormes e a questão da qualidade de energia elétrica entregue aos consumidores finais é motivo de grande preocupação. Essa dissertação aborda o inversor de três níveis com função de filtro ativo paralelo.. O princípio de. funcionamento do filtro, a técnica de modulação escolhida, as correntes na saída do inversor. vi.

(8) e o controle da tensão no ponto central dos capacitores são discutidos nessa dissertação. Também são apresentadas duas técnicas para obter as correntes de referência de controle do filtro, sendo feitas comparações por simulação. Além disso, é realizado um estudo comparativo das técnicas de controle de corrente para o filtro ativo paralelo trifásico. A comparação é feita em termos de conteúdo harmônico, esforço computacional e dificuldade de implementação.. vii.

(9) Abstract of Dissertation presented to UFPE as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering. M ULTILEVEL I NVERTER WITH ACTIVE F ILTER F UNCTION FOR THE E LECTRIC G RID C ONNECTED S YSTEMS Antônio Cabral dos Santos. October/2011. Supervisor: Leonardo Rodrigues Limongi, D.Sc. Co-supervisor: Marcelo Cabral Cavalcanti, D.Sc. Area of Concentration: Energy Processing Keywords: Shunt Active Filter, Three-level Inverter, Current Control, Neutral Point Voltage Control, Simulation Number of pages: 96. The development of the electronics industry in recent decades has benefited the proliferation of nonlinear loads. These nonlinear loads absorb distorted currents and thus "pollute"the grid with harmonics. The circulation of harmonics in power systems is a big problem in electric power quality. These harmonics distort the supply voltages, increases losses in electrical systems and can cause resonance problems and malfunctions of various electronic equipment. Economic losses caused by harmonics are huge and the issue of quality of electricity delivered to users is a great concern. This work studies the threelevel inverter with parallel active filter function. The operating principle of the filter, the modulation technique, the currents in the inverter output and the voltage control of the neutral point of the capacitors are discussed. A comparative study of two techniques to obtain the reference currents and current control techniques for the three-phase shunt active filter are also presented. The comparison is made by simulation taking into account harmonic content. viii.

(10) and difficulty of implementation.. ix.

(11) C ONTEÚDO L ISTA DE F IGURAS. xiii. L ISTA DE TABELAS. xviii. L ISTA DE N OMENCLATURAS E S ÍMBOLOS 1. 2. xix. I NTRODUÇÃO. 1. 1.1 Problemas de qualidade de energia elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 1.2 Filtros Ativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.2.1 Classificação dos conversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.2.2 Inversor de dois níveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.2.3 Inversor de três níveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.2.4 Classificação quanto à configuração de conexão . . . . . . . . . . .. 6. 1.2.5 Classificação quanto ao número de fases . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 1.3 Geração das Referências de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10. 1.4 Controle de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 1.5 Objetivo da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 1.6 Síntese dos Capítulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. I NVERSOR DE TRÊS NÍVEIS COM PONTO DE NEUTRO GRAMPEADO. 13. 2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 2.2 Inversor Multinível NPC de Três Níveis com Função de FAP . . . . . . .. 14. 2.3 Inversor NPC de Três Níveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 2.3.1 Estrutura e funcionamento do inversor NPC . . . . . . . . . . . . .. 17. 2.3.2 Controle da tensão no ponto central . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. x.

(12) 3. 4. 2.3.3 PWM Vetorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 2.4 Resultados de Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2.5 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. G ERAÇÃO DAS C ORRENTES DE R EFERÊNCIA. 29. 3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 3.2 Descrição Geral do Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 3.2.1 Transformações de Clarke e Park . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 3.2.2 PLL e pré-filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 3.2.3 Gerador das correntes de referência . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 3.3 Teoria da Potência Ativa e Reativa Instantânea . . . . . . . . . . . . . . .. 38. 3.4 Teoria SRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. 3.5 Comparação de Desempenho das Teorias de Obtenção de Referência de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 3.5.1 Sem pré-filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.5.2 Com pré-filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.6 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. T ÉCNICAS DE C ONTROLE DE C ORRENTE. 53. 4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. 4.2 Controladores de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. 4.2.1 Controlador PI-SRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54. 4.2.2 Controlador PI-MRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55. 4.2.3 Controlador P-SSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57. 4.2.4 Controlador P-SSI-SRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 4.3 Resultados das simulações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62. 4.3.1 Desempenho em regime permanente . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. 4.3.2 Desempenho em regime transitório . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67. 4.4 Filtro Ativo Paralelo com o Inversor de Três Níveis para Sistema de Média Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72. 4.4.1 Desempenho em regime permanente . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 4.4.2 Desempenho em regime transitório . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74. xi.

(13) 5. 4.5 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. C ONCLUSÕES GERAIS E S UGESTÕES DE T RABALHOS F UTUROS. 78. 5.1 Conclusões gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 5.2 Sugestões para Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79. Apêndice A D IAGRAMA DE B LOCOS DO INVERSOR NPC DE TRÊS NÍVEIS COMO FAP NO S IMULINK /M ATLAB 80 A.1 Componentes da janela principal do programa . . . . . . . . . . . . . . .. 81. A.1.1 initialization CLICK!!! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. A.1.2 powergui . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. A.1.3 GP-timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82. A.1.4 Planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82. A.1.5 Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84. A.1.6 PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84. Apêndice B A LGORITMO USADO NA MODULAÇÃO DO INVERSOR NPC. 86. Referências Bibliográficas. 92. xii.

(14) L ISTA DE F IGURAS 1.1. Tipos de conversores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.2. Conversores de três níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 1.3. Diagrama do FAP conectado entre a fonte e a carga. . . . . . . . . . . . . .. 8. 1.4. Diagrama do filtro ativo conectado em série com a fonte e a carga. . . . . .. 8. 1.5. Tipos de filtros híbridos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 1.6. Diagrama do filtro ativo universal conectado ao sistema elétrico. . . . . . .. 10. 2.1. Esquema do FAP com inversor NPC de três níveis e carga não linear. . . . .. 15. 2.2. FAP com inversor NPC de três níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 2.3. Inversor NPC de três níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 2.4. Os três estados de operação de um inversor NPC de três níveis. . . . . . . .. 18. 2.5. Sinal de comando E x (k) de um braço do inversor NPC de três níveis. . . .. 20. 2.6. Diagrama vetorial de tensão do inversor NPC de três níveis. . . . . . . . . .. 21. 2.7. Controle da tensão no ponto central através das variáveis p e q. . . . . . . .. 23. 2.8. Limites das regiões de um setor A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 2.9. Inversor NPC de três níveis conectado a rede elétrica através do filtro de ripple. 26. 2.10 Controle da tensão nos capacitores do barramento CC. . . . . . . . . . . .. 27. 2.11 Correntes de saída do inversor e correntes injetadas na rede. De cima para baixo: (1) i1,abc (A); (2) i2,abc (A). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 2.12 Tensão de saída do inversor e tensão de linha. De cima para baixo: (1) Vao (V); (2) Vab (V). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. 3.1. FAP com inversor NPC de três níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. 3.2. Diagrama de blocos do sistema de controle do FAP com inversor NPC de três níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. Diagrama da transformação de Clarke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. 3.3. xiii.

(15) 3.4. Diagrama da transformação de Park. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 3.5. Phase Locked Loop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 3.6. Operação do PLL na anulação do erro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 3.7. Diagrama em blocos do esquema de filtragem. . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 3.8. Filtro baseado no integrador de sinal senoidal. . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 3.9. Diagramas de Bode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 3.10 Diagrama de blocos da teoria pq utilizando pré-filtro. . . . . . . . . . . . .. 39. 3.11 Diagrama de blocos da teoria SRF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 3.12 Diagrama simplificado de compensação de corrente. . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.13 Teoria pq sem pré-filtro sob condições de tensões da rede balanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . . . .. 44. 3.14 Teoria pq sem pré-filtro sob condições de tensões da rede balanceadas e distorcidas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). .. 44. 3.15 Teoria pq sem pré-filtro sob condições de tensões da rede desbalanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . .. 45. 3.16 Teoria pq sem pré-filtro sob condições de carga desbalanceada. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 3.17 Teoria SRF sem pré-filtro sob condições de tensões da rede balanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . . . .. 46. 3.18 Teoria SRF sem pré-filtro sob condições de tensões da rede balanceadas e distorcidas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). .. 46. 3.19 Teoria SRF sem pré-filtro sob condições de tensões da rede desbalanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . .. 47. 3.20 Teoria SRF sem pré-filtro sob condições de cargas desbalanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.21 Teoria pq com pré-filtro sob condições de tensões da rede balanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . . . .. 48. 3.22 Teoria pq com pré-filtro sob condições de tensões da rede balanceadas e distorcidas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). .. 48. 3.23 Teoria pq com pré-filtro sob condições de tensões da rede desbalanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . .. 49. 3.24 Teoria pq com pré-filtro sob condições de cargas desbalanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . . . . . . .. 49. xiv.

(16) 3.25 Teoria SRF com pré-filtro sob condições de tensões da rede balanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . . . .. 50. 3.26 Teoria SRF com pré-filtro sob condições de tensões da rede balanceadas e distorcidas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). .. 50. 3.27 Teoria SRF com pré-filtro sob condições de tensões da rede desbalanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . .. 51. 3.28 Teoria SRF com pré-filtro sob condições de cargas desbalanceadas. De cima para baixo: (1) vabc (V); (2) iS,abc (A); (3) iL,abc (A). . . . . . . . . . . . . .. 51. 4.1. Esquema do controlador PI-SRF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55. 4.2. Esquema do controlador PI-MRI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. 4.3. Processo de amostragem dos sinais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57. 4.4. Transformação rotacional inversa modificada para harmônico em sistema de referência síncrona para o controlador PI-MRI. . . . . . . . . . . . . . . .. 57. 4.5. Esquema do controlador P-SSI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59. 4.6. Diagrama de blocos esquemático do regulador P-SSI . . . . . . . . . . . .. 59. 4.7. Esquema do controlador P-SSI-SRF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62. 4.8. Operação em regime permanente para o controlador PI-SRF: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65. Operação em regime permanente para o controlador PI-MRI: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65. 4.10 Operação em regime permanente para o controlador P-SSI: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66. 4.11 Operação em regime permanente para o controlador P-SSI-SRF: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66. 4.12 Carga é conectada para o controlador PI-MRI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67. 4.13 Carga é desconectada para o controlador PI-MRI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 67. 4.14 Compensação é habilitada para o controlador PI-MRI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 68. 4.15 Compensação é desabilitada para o controlador PI-MRI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 68. 4.16 Carga é conectada para o controlador P-SSI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68. 4.9. xv.

(17) 4.17 Carga é desconectada para o controlador P-SSI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 4.18 Compensação é habilitada para o controlador P-SSI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 4.19 Compensação é desabilitada para o controlador P-SSI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 4.20 Carga é conectada para o controlador P-SSI-SRF compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 70. 4.21 Carga é desconectada para o controlador P-SSI-SRF compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 70. 4.22 Compensação é habilitada para o controlador P-SSI-SRF compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 70. 4.23 Compensação é desabilitada para o controlador P-SSI-SRF compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . .. 71. 4.24 Controle PI-MRI para eixo α quando a compensação harmonica é habilitada: (1) i∗F α (A) - curva 1 e iF α (A) - curva 2; (2) εα (A) - curva 3. . . . . . . . .. 71. 4.25 Controle P-SSI para eixo α quando a compensação harmonica é habilitada: (1) i∗F α (A) - curva 1 e iF α (A) - curva 2; (2) εα (A) - curva 3. . . . . . . . .. 72. 4.26 Controle P-SSI-SRF para eixo α quando a compensação harmonica é habilitada: (1) i∗F α (A) - curva 1 e iF α (A) - curva 2; (2) εα (A) - curva 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72. 4.27 Formas de ondas das correntes na operação em regime permanente para o controlador PI-MRI: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . .. 74. 4.28 Carga é conectada para o controlador PI-MRI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74. 4.29 Carga é desconectada para o controlador PI-MRI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 4.30 Compensação é habilitada para o controlador PI-MRI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 4.31 Compensação é desabilitada para o controlador PI-MRI compensar até 25a harmônica: (1) iSa (A); (2) iLa (A); (3) iF a (A). . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 4.32 Controle PI-MRI para eixo α quando a compensação harmonica é habilitada: (1) i∗F α (A) - curva 1 e iF α (A) - curva 2; (2) εα (A) - curva 3. . . . . . . . .. 76. A.1 Janela principal do programa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. xvi.

(18) A.2 Diagrama de blocos utilizado para o PWM. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82. A.3 Diagrama de blocos do sistema elétrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. A.4 Diagrama de blocos do inversor NPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. A.5 Diagrama de blocos do PWM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84. A.6 Tela de plotagem das grandezas de controle e o bloco do controle do FAP. .. 85. xvii.

(19) L ISTA DE TABELAS 2.1. Tensões de saída em função dos estados das chaves. . . . . . . . . . . . . .. 18. 2.2. Estados das chaves para um inversor trifásico de três níveis com ponto de neutro grampeado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 2.3. Possíveis combinações de chaveamentos do inversor NPC de três níveis. . .. 22. 2.4. Parâmetros do sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26. 3.1. Resultados das DHTs de simulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 4.1. Ordem e sequência dos harmônicos gerados por retificadores trifásicos. . .. 54. 4.2. Parâmetros do sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 4.3. Parâmetros do controle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 4.4. Parâmetros dos controladores implementados. . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. 4.5. Desempenho dos controladores de corrente em regime permanente. . . . . .. 66. 4.6. Parâmetros do sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. xviii.

(20) Nomenclatura τnx. Tempo de aplicação dos pulsos nas chaves que sintetizam uma tensão negativa na saída do inversor para o PWM vetorial. τox. Tempo de aplicação dos pulsos nas chaves que sintetizam uma tensão nula na saída do inversor para o PWM vetorial. τpx. Tempo de aplicação dos pulsos nas chaves que sintetizam uma tensão positiva na saída do inversor para o PWM vetorial. θ∗. ângulo de sincronismo da rede elétrica. CF. Capacitância no barramento CC do inversor fonte de tensão. C1. Capacitância da parte superior do barramento CC do inversor NPC de três níveis. C2. Capacitância da parte inferior do barramento CC do inversor NPC de três níveis. Cf rt. Capacitância do filtro de ripple. CA. Corrente Alternada. CC. Corrente Contínua. CSI. Inversor Fonte de Corrente (Current Source Inverter). Dg1 ,Dg2. Diodos de grampeamentos na fase a do inversor NPC de três níveis. Dg3 ,Dg4. Diodos de grampeamentos na fase b do inversor NPC de três níveis. Dg5 ,Dg6. Diodos de grampeamentos na fase c do inversor NPC de três níveis. DHT. Distorção Harmônica Total. f. Frequência da rede elétrica. famost. Frequência de amostragem. fs. Frequência de chaveamento do inversor NPC de três níveis. F AP. Filtro Ativo Paralelo xix.

(21) GT O. Gate-Turn-Off. i∗dc,dq. Correntes de referência no sistema dq para manter o barramento CC carregado no valor especificado. i∗F,αβ. Correntes de referência do filtro no sistema αβ. iF,αβ. Correntes do filtro no sistema αβ. iF a ,iF b ,iF c. Correntes do filtro nas fases a, b e c. iL,αβ. Correntes de carga no sistema αβ. iLa ,iLb ,iLc. Correntes de carga nas fases a, b e c. iSa ,iSb ,iSc. Correntes da rede elétrica nas fases a, b e c. IEEE. Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (Institute of Electrical and Electronic Engineers). Lc. Indutância no barramento CC do inversor fonte de corrente. LF a ,LF b ,LF c. Indutâncias no lado CA do inversor fonte de tensão para as fases a, b e c. Lf r. Indutância em série com a rede do filtro de ripple. LF. Indutância do filtro ativo. Lr. Indutância de entrada da carga. Ls. Indutância da rede elétrica. LP F. Filtro Passa-Baixa (Low Pass Filter). NP C. Ponto de Neutro Grampeado (Neutral Point Clamped). p. Potência real trifásica instantânea. p,q. Variáveis responsáveis pelo balanceamento das tensões nos capacitores do barramento CC. P − SSI. Controlador em referencial estacionário com regulador proporcional e integrador de sinal senoidal(stationary frame controller with proportional regulator and sinusoidal signal integrators). P − SSI − SRF Controlador P-SSI com Múltiplos Integradores de Sinais Senoidais no Sistema de Referência Síncrono (P-SSI controller with multiple SSIs in a synchronous reference frame) p∗dc. Potência de referência para manter o barramento CC carregado no valor especificado. P AC. Ponto de Acoplamento Comum xx.

(22) PI. Proporcional-Integral (Proportional Integral). P I − M RI. Controlador PI com Múltiplos Integradores em Rotação (PI controller in a synchronous reference frame with multiple rotating integrators). P I − SRF. Controlador PI no Sistema de Referência Síncrono (PI controller in a Synchronous Reference Frame). P LL. Malha Travada em Fase (Phase Looked Loop). q. Potência imaginária trifásica instantânea. Rdc1. Resistência da parte superior do barramento CC do inversor NPC de três níveis. Rdc2. Resistência da parte inferior do barramento CC do inversor NPC de três níveis. Rf rt. Resistência de amortecimento do filtro de ripple. Rf r. Resistência parasita de Lf r. RF. Resistência do filtro ativo. Rr. Resistência de entrada da carga. Rs. Resistência da rede elétrica. S1a ,S2a ,S3a ,S4a. Chaves semicondutoras na fase a do inversor NPC de três níveis. S1b ,S2b ,S3b ,S4b. Chaves semicondutoras na fase b do inversor NPC de três níveis. S1c ,S2c ,S3c ,S4c. Chaves semicondutoras na fase c do inversor NPC de três níveis. SF,abc. Pulsos das chaves para as fases a,b,c. SRF. Sistema de Referência Síncrono (Synchronous Reference Frame). SSI. Integrador do Sinal Senoidal (Sinusoidal Signal Integrator). Tαβ0. Matriz da transformação de coordenadas abc para αβ0. −1 Tαβ0. Matriz da transformação de coordenadas αβ0 para abc. Tamost. Período de amostragem. Ts. Período de chaveamento do inversor NPC de três níveis. ∗ vdc. Tensão de referência do barramento CC. ∗ vF,αβ. Tensões de referência do filtro no sistema αβ. ∗ vF,abc. Tensões de referências do filtro no sistema abc. xxi.

(23) vαβ. Tensões de linha no PAC no sistema αβ. vabc. Tensões de linha no PAC no sistema abc. vdc1. Tensão da parte superior do barramento CC do inversor NPC de três níveis. vdc2. Tensão da parte inferior do barramento CC do inversor NPC de três níveis. vSa ,vSb ,vSc. Tensões da rede elétrica nas fases a, b e c. V SI. Inversor Fonte de Tensão (Voltage Source Inverter). xαβ0. Tensões ou correntes no sistema αβ0. xabc. Tensões ou correntes no sistema abc. xxii.

(24)

(25) 1. I NTRODUÇÃO. O desenvolvimento da indústria de dispositivos eletrônicos de potência observado nas últimas décadas beneficiou a proliferação de cargas não lineares, tais como forno elétrico, fontes de alimentação chaveada, reguladores de tensão e retificadores a diodo ou tiristor, ligadas aos sistemas elétricos. Essas cargas não lineares absorvem correntes distorcidas (não senoidais) e dessa maneira “poluem” a rede elétrica com harmônicos. A circulação de harmônicos nos sistemas de potência representa um grande problema na qualidade de fornecimento de energia elétrica. Esses harmônicos distorcem as tensões de alimentação, aumentam as perdas nos sistemas elétricos e podem provocar problemas de ressonâncias e mau funcionamento de vários equipamentos eletroeletrônicos. Os prejuízos econômicos provocados por harmônicos e por outros problemas de qualidade de energia nos sistemas elétricos são enormes, e portanto a questão da qualidade do fornecimento de energia elétrica entregue aos consumidores finais é atualmente motivo de grande preocupação.. 1.1. Problemas de qualidade de energia elétrica. Entre os vários distúrbios da rede elétrica, a interrupção do fornecimento é o mais grave, já que todos os equipamentos conectados à rede elétrica desligam, à exceção daqueles que sejam alimentados por fontes de alimentação ininterrupta ou geradores de emergência..

(26) 2. No entanto, outros problemas da qualidade de fornecimento de energia elétrica, como os descritos a seguir, além de levarem ao mau funcionamento de alguns equipamentos, também podem deteriorá-los [1][2]. • Distorção harmônica: é causada pela presença de cargas não lineares conectadas à rede elétrica. A corrente que circula nas linhas possuem harmônicos e as quedas de tensão ocasionadas pelos harmônicos nas impedâncias das linhas fazem com que as tensões de alimentação sejam também não senoidais; • Ruído (interferência eletromagnética): é uma superposição de sinais de alta frequência na forma de onda da corrente ou tensão do sistema de potência. O ruído em sistema de potência pode ser causado por dispositivos eletrônicos, circuitos de controle, fornos a arco, cargas com retificadores de estado sólido e aterramento inadequado. Como efeito distúrbios nos equipamentos eletrônicos sensíveis, geralmente podem causar perda de dados e erros de processamento de dados; • Inter-harmônicos: são tensões ou correntes com frequências que não são múltiplas inteiras da frequência fundamental da alimentação.. Algumas fontes de inter-. harmônicos são fornos a arco e cicloconversores. Essas correntes são particularmente preocupantes pela possibilidade de ressonância no sistema; • Interrupção momentânea: uma interrupção acontece quando a tensão de suprimento cai para um valor inferior a 10% da tensão nominal. Este fenômeno pode surgir quando o sistema elétrico dispõe de disjuntores com religador automático; • Afundamento de tensão: este distúrbio é caracterizado pela redução momentânea da tensão de alimentação abaixo do valor nominal. Conforme o Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers), na norma IEEE 1346-1998, afundamento é uma diminuição entre 10 a 90% do valor eficaz da tensão ou corrente na frequência fundamental com uma duração de meio ciclo a um minuto. Este afundamento de tensão pode ser causado, por uma falta momentânea em outro sistema alimentador em paralelo, que é eliminado após alguns milissegundos pela abertura do disjuntor do ramal em curto;.

(27) 3. • Sobretensão momentânea:. este tipo de distúrbio é caracterizado pela elevação. momentânea da tensão acima do valor nominal. Conforme a norma IEEE 519-1992, sobretensão é uma elevação entre 10 a 80% do valor eficaz da tensão ou corrente na frequência fundamental com duração de meio ciclo a um minuto; • Flutuações de tensão: acontecem devido às variações intermitentes de certas cargas, causando flutuações na tensão de suprimento e que são visíveis, por exemplo, quando a luminosidade elétrica varia; • Micro-corte de tensão: é uma alteração na forma de onda da tensão com duração inferior a 1 ms, provocando harmônicos de ordem alta. Pode ser causado pela operação normal de equipamentos de eletrônica de potência quando a corrente é comutada de uma fase para outra; • Transitórios: são fenômenos eletromagnéticos causados pelas mudanças súbitas nas condições de funcionalidade do sistema elétrico.. Geralmente, a duração de um. transitório é muito pequena, mas de grande importância, uma vez que submetem equipamentos a grandes tensões e/ou correntes. Existem dois tipos de transitórios: os impulsivos, causados por descargas atmosféricas, e os oscilatórios, causados por chaveamentos. Em linhas gerais, qualquer distúrbio na rede que possa causar a operação inadequada de um equipamento é considerado um problema de qualidade do fornecimento de energia elétrica. Entre os problemas mencionados, nessa dissertação é dada ênfase à compensação das harmônicas geradas pela presença de cargas que contêm elevado conteúdo harmônico. Uma forma de minimizar os efeitos provocados pelos harmônicos da rede é utilizar os filtros passivos. Entretanto, os filtros passivos são sensíveis à impedância do sistema e características de carga e os problemas de ressonância série e paralela são difíceis de serem resolvidos [3]. Portanto, essa alternativa mostra-se pouco viável. O reconhecimento dessas limitações impulsionou o surgimento dos filtros ativos de potência, que constituem-se em uma opção interessante para redução de harmônicos na rede elétrica..

(28) 4. 1.2. Filtros Ativos. 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 Lc deve 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 b e 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.

(29) 5. (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.

(30) 6. 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..

(31) 7. (a) NPC. (b) Capacitores flutuantes. (c) Cascata Figura 1.2: Conversores de três níveis..

(32) 8. 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..

(33) 9. (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..

(34) 10. 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.

(35) 11. divididos no domínio da frequência e do tempo. Os algoritmos no domínio da frequência são pouco utilizados, pois sua implementação é complexa e exige um esforço computacional elevado. Já os algoritmos no domínio do tempo são mais simples e com resultados até mesmo 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..

(36) 12. 1.6. Síntese dos Capítulos. O capítulo 1 apresenta uma abordagem geral em relação à qualidade do fornecimento de energia elétrica, filtros ativos, inversores multiníveis, geração de referência e controle de corrente. No capítulo 2 é apresentado um FAP com um inversor NPC de três níveis. O princípio de funcionamento do FAP e a técnica de modulação escolhida são discutidos neste capítulo e resultados de simulação onde mostram as correntes na saída do inversor e o controle da tensão no ponto central dos capacitores no barramento CC são apresentados. No capítulo 3 são apresentadas duas técnicas no domínio do tempo para obter as correntes de referência para o FAP. São apresentadas as comparações das teorias de obtenção da geração de referência de controle através de resultados de simulação. O objetivo principal do capítulo 4 é realizar um estudo comparativo, com base em resultados de simulação, das mais representativas técnicas de controle de corrente para o FAP trifásico. A comparação é feita em termos de conteúdo harmônico, esforço computacional e dificuldade de implementação. O capítulo 5 é destinado às conclusões e considerações finais em relação ao trabalho desenvolvido, bem como propostas para trabalhos futuros..

(37) 2. I NVERSOR DE TRÊS NÍVEIS COM PONTO DE NEUTRO GRAMPEADO. 2.1. Introdução. Em sistemas trifásicos, harmônicos, potência reativa e correntes desequilibradas são as causas principais de problemas de qualidade de energia no ponto de acoplamento comum (PAC) (Figura 2.1). A proliferação de cargas não lineares nos sistemas de potência tem provocado a injeção de elevada quantidade de harmônicas de corrente/tensão. Potência reativa gera uma maior perda de potência ativa nos cabos, diminuindo a eficiência global do sistema de potência e o desbalanço das cargas é a principal causa para o desequilíbrio das correntes no sistema de distribuição. Nas últimas três décadas, o FAP surgiu como uma solução eficiente para melhorar a qualidade de energia no PAC, ou seja, em termos práticos o FAP deve atenuar harmônicos e compensar potência reativa e desequilíbrio de carga.. Mas, devido à limitação da. capacidade de tensão das chaves semicondutoras é difícil lidar com cargas não lineares para o inversor de dois níveis em rede de média e alta tensão. Em anos recentes, a tecnologia do inversor multinível tornou-se uma solução prática e efetiva para média e alta tensão. Como relatado na literatura [10][21], utilizar a tecnologia do conversor multinível, evita a complexidade associada com conexões em série das chaves semicondutoras ou transformadores de acoplamento volumosos, fornece menos estresse de tensão para chaves semicondutoras, aumenta a capacidade de potência e reduz os harmônicos de corrente/tensão.

(38) 14. [22]. Entre todas as topologias de conversores multiníveis existentes, o inversor NPC de três níveis é o mais utilizado e investigado no presente. Por este motivo, o FAP com inversor NPC de três níveis tem recebido mais atenção nos últimos anos [3].. 2.2. Inversor Multinível NPC de Três Níveis com Função de FAP. A Figura 2.1 mostra uma representação geral de um sistema elétrico onde estão conectados uma carga não linear e FAP. O FAP consiste de um inversor NPC de três níveis, conectado ao PAC através das indutâncias de entrada LF , utilizando dois capacitores em série C1 e C2 do barramento CC. O FAP tem como objetivo compensar as correntes harmônicas da carga, não permitindo sua circulação na rede elétrica. A indutância Lr é utilizada para limitar elevados di/dt das correntes da carga. Geralmente, Lr deve ser calculada para ter uma queda de tensão em torno de 5% da tensão da rede elétrica. As indutâncias LF do FAP, que podem limitar o ripple de corrente, devem ser projetadas para ser pelo menos da mesma ordem de grandeza das indutâncias Lr da carga. Se isso não for respeitado, o FAP não conseguirá impor os harmônicos de corrente necessários para compensação efetiva. Assim, não é possível aumentar LF de forma que esta sirva como um filtro de ripple. Desta forma, um filtro de ripple, como mostrado na Figura 2.1, é necessário para que o chaveamento do conversor não perturbe a qualidade das tensões da rede, especialmente quando a potência do FAP aumenta [23] [24]. Para facilitar a compreensão foi mostrado o diagrama unifilar Figura 2.2, onde destacamse três subsistemas principais: a rede de alimentação, o FAP e a carga não linear. A rede é composta por uma fonte de tensão alternada com tensão vS,k , resistência RS e a indutância LS equivalentes por fase, fornecendo uma corrente iS,k . A carga não linear é formada por retificador não controlado e uma carga RL, drenando da rede uma corrente iL,k , que pode estar distorcida e/ou desbalanceada. O FAP drena da rede uma corrente iF,k , e é formado de um inversor NPC de três níveis tendo dois capacitores no barramento CC e pelas indutâncias de entrada LF . Para todos os componentes e sinais do sistema mostrados na Figura 2.2, o subscrito "k"representa cada uma das fases do sistema trifásico, onde k = a, b, c..

(39) 15. Figura 2.1: Esquema do FAP com inversor NPC de três níveis e carga não linear.. O FAP opera como uma fonte de corrente controlada não senoidal drenando da rede os harmônicos de corrente de mesma amplitude, porém de fase oposta à gerada pela carga não linear ( iLh,k com h = 1). A rede elétrica fica responsável em fornecer apenas a componente fundamental da corrente da carga iL1,k . Como resultado, as correntes da rede no ponto de acoplamento comum (PAC) serão senoidais [25]. Na Figura 2.2, observa-se que o FAP absorve da rede elétrica uma componente de corrente fundamental ativa iF 1,k . Essa parcela de corrente é usada para manter os capacitores do barramento CC carregados a uma tensão maior que a tensão de linha, para manter tensão suficiente para controlar as correntes iLh,k , que devem ser injetadas no PAC. Portanto, a corrente total iF,k vai conter iF 1,k e como mostrado na Figura 2.2. Como as referências de corrente são não senoidais, obter erro nulo em estado estacionário é uma tarefa difícil. Além disso, o indutor de entrada da carga, conforme a Figura 2.2 é projetado para uma queda de tensão inferior a 5% da tensão da rede à corrente nominal. Como consequência para cargas de alta potência, as correntes de carga tem valores altos.

(40) 16. Figura 2.2: FAP com inversor NPC de três níveis.. de. di , dt. exigindo variações de inclinação muito elevada das referências de corrente. Assim a. questão chave no controle do FAP é a estratégia de controle de corrente.. 2.3. Inversor NPC de Três Níveis. Para aplicações em médias e altas tensões alguns conversores fazem uso de chaves semicondutoras em série e/ou paralelo, o que pode não ser interessante, visto que não garante que os níveis de tensão sobre as chaves sejam semelhantes [26]. O emprego de inversores multiníveis permite utilizar chaves semicondutoras com baixos limites de tensão, mesmo funcionando em elevados níveis de tensão, aumentando assim a viabilidade do sistema. As topologias com três ou mais níveis permitem obter as formas de onda com baixo conteúdo harmônico, se comparadas com as formas de onda de tensão obtidas com os inversores de dois níveis. Entre as diversas topologias de inversores multiníveis comentadas no capítulo anterior, a NPC é uma das mais desenvolvidas e comercializadas, abrangendo aplicações em acionamentos CA, filtros ativos e compensadores estáticos de reativos [27]..

(41) 17. Figura 2.3: Inversor NPC de três níveis.. 2.3.1. Estrutura e funcionamento do inversor NPC. A Figura 2.3 apresenta uma diagrama elétrico do inversor trifásico de três níveis com ponto de neutro grampeado. Neste inversor uma fonte de tensão é ligado em paralelo com os dois capacitores em série C1 e C2 . O ponto entre os dois capacitores é chamado pela letra "O"e pode ser definido como ponto de neutro ou ponto central. Nesta topologia, existem três braços, onde cada braço possui quatros chaves semicondutoras do tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) com seus respectivos diodos em antiparalelo, além de dois diodos grampeadores ligados ao ponto de neutro. Este ponto central entre os capacitores é o ponto de referência para gerar os três níveis de tensão. Os diodos grampeadores Dg1 a Dg6 são responsáveis por fixar a tensão sobre as chaves igual a tensão dos capacitores. vdc . 2. Para o. circuito mostrado as chaves de cada braço devem operar dois a dois e que os pares de chaves (Sx1 e Sx3 ) e (Sx2 e Sx4 ) são complementares. A Tabela 2.1 mostra os possíveis estados das chaves de cada fase do inversor e as respectivas tensões de saída, vxN , onde x representa cada braço, x ∈ {a, b, c}. A Figura 2.4 mostra os três estados de operação possíveis das chaves do braço A do inversor NPC: no estado P, para uma corrente positiva, as chaves Sa1 e Sa2 estão em.

(42) 18. Tabela 2.1: Tensões de saída em função dos estados das chaves.. Estado. Sx1. Sx2. Sx3. Sx4. vxN. P. ON. ON. OFF. OFF. vdc. O. OFF. ON. ON. OFF. vdc 2. N. OFF. OFF. ON. ON. 0. (a) estado P. (b) estado O. (c) estado N. Figura 2.4: Os três estados de operação de um inversor NPC de três níveis.. condução, e a corrente é negativa, quando os diodos D1 e D2 estão em condução; no estado O, para uma corrente positiva, a chave Sa2 está em condução, e a corrente é negativa, quando a chave Sa3 está em condução; no estado N, para uma corrente positiva, os diodos D3 e D4 estão em condução, e a corrente é negativa, quando as chaves Sa3 e Sa4 estão em condução. A análise para os demais braços é feita de forma semelhante. De posse do raciocínio exposto, chega-se a Tabela 2.2 com os possíveis estados de operação das chaves de um braço do inversor NPC de três níveis e seus valores de tensão de pólo vx0 são (− v2dc ,0, v2dc ), em que x ∈ {a, b, c} e Ex representa os estados de operação em um braço do inversor, podendo assumir valores 1, 0 ou -1. Tabela 2.2: Estados das chaves para um inversor trifásico de três níveis com ponto de neutro grampeado.. Estado. Ex. Sx1. Sx2. Sx3. Sx4. vxO. P. 1. ON. ON. OFF. OFF. vdc 2. O. 0. OFF. ON. ON. OFF. 0. N. −1. OFF. OFF. ON. ON. − v2dc.

(43) 19. As equações a seguir introduzem as tensões relacionadas com o circuito da Figura 2.3. A tensão de saída de cada braço do inversor em relação ao ponto N é função do estado das chaves, sendo obtida por:. vxN =. (1 + Ex ) (vdc1 + vdc2 ), 4. (2.1). onde x representa cada braço do inversor, x ∈ {a, b, c}. A partir da Figura 2.3, as tensões de saída em relação ao neutro da carga, ponto n, é: ⎧ ⎪ ⎪ van = Ria + L didta + va ⎪ ⎪ ⎨ vbn = Rib + L didtb + vb ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ vcn = Ric + L dic + vc dt. (2.2). Como o sistema é equilíbrado, então: ⎧ ⎪ ⎪ va + vb + vc = 0 ⎪ ⎪ ⎨ ia + ib + ic = 0 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ dia + dib + dic = 0 dt dt dt. (2.3). Substituindo-se as condições de (2.3) em (2.2):. van + vbn + vcn = 0.. (2.4). As tensões de saída podem ser escritas da seguinte forma: ⎧ ⎪ ⎪ van = vaN − vnN ⎪ ⎪ ⎨ vbn = vbN − vnN ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ vcn = vcN − vnN. (2.5). Somando (2.5) e substituindo na (2.4), chega-se a:. 1 vnN = (vaN + vbN + vcN ). 3. (2.6).

(44) 20. Figura 2.5: Sinal de comando E x (k) de um braço do inversor NPC de três níveis.. Substituindo (2.6) em (2.5) e usando (2.1), obtém-se a tensão de saída vxn (t), que pode ser expressa em termos da variável de controle Ex (t), como segue: ⎡. ⎤. ⎡. ⎤⎡. ⎢ 2 −1 −1 ⎥ ⎢ Ea (t) ⎢ van (t) ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎥⎢ 1 ⎢ v (t) ⎥ = vdc ⎢ −1 2 −1 ⎥ ⎢ E (t) ⎢ ⎢ bn ⎥ ⎥⎢ b 6⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ vcn (t) Ec (t) −1 −1 2. ⎤ ⎥ ⎥ ⎥. ⎥ ⎦. (2.7). A partir desta expressão, o valor médio das tensões fase-neutro no k-ésimo período de modulação por largura de pulsos (PWM - Pulse Width Modulation), v xn pode ser calculado por: ⎡. ⎤. ⎡. ⎤⎡. ⎢ 2 −1 −1 ⎥ ⎢ E a (k) ⎢ v¯an (k) ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎥⎢ 1 ⎢ v¯ (k) ⎥ = vdc ⎢ −1 2 −1 ⎥ ⎢ E (k) ⎢ ⎢ bn ⎥ ⎥⎢ b 6⎣ ⎣ ⎦ ⎦⎣ v¯cn (k) E c (k) −1 −1 2 E x (k) =. τpx (k) − τnx (k) , T. ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦. (2.8). (2.9). onde E x (k) é o valor médio do sinal de comando da fase x no k-ésimo período, conforme a Figura 2.5. De acordo com o demostrado na Tabela 2.2, têm-se três modos de operação possíveis das chaves de cada braço. A Figura 2.6 mostra todos os vetores gerados pelo inversor de.

(45) 21. Figura 2.6: Diagrama vetorial de tensão do inversor NPC de três níveis.. três níveis. A área do hexágono pode ser dividida em seis setores, de A até F, e cada setor em quatro regiões, totalizando portanto 24 regiões de operação. Estes vetores podem ser classificados em quatro grupos (Figura 2.6, Tabela 2.3: o grupo Z (vetores nulos) representa as três configurações das chaves que originam o vetor de tensão zero e não tem qualquer efeito sobre o carregamento e descarregamento dos capacitores do barramento CC; no grupo S (vetores pequenos - V13 , V14 , V15 , V16 , V17 e V18 ), todos os vetores de tensão fase-neutro têm amplitude igual a. vdc , 3. podendo ser obtidos por duas configurações diferentes das chaves. do inversor; o grupo M (vetores médios - V7 , V8 , V9 , V10 , V11 e V12 ) representa os vetores de √. amplitude. 3vdc 3. e o grupo L (vetores grandes - V1 , V2 , V3 , V4 , V5 e V6 ) representa os vetores. de maior amplitude. 2vdc , 3. sendo que cada vetor dos grupos M e L é criado por apenas uma. configuração das chaves.. 2.3.2. Controle da tensão no ponto central. A Figura 2.7 mostra o diagrama do controle da tensão no ponto central. A tensão de referência no ponto médio que é igual a média das tensões dos capacitores é comparada com a tensão no capacitor C1 . Essa comparação gera o sinal de erro εv que é levado e processado pelo controlador PI (proporcional-integral) produzindo uma corrente idc . Esse.

(46) 22. sinal de corrente passa por uma saturação para garantir que as variáveis de p e q assumam valores no intervalo [−1,1]. Os valores de p e q são obtidos através da multiplicação da saída dos blocos comparadores (define o sinal das correntes de saída nas fases a e c) pela saída do bloco de saturação. Tabela 2.3: Possíveis combinações de chaveamentos do inversor NPC de três níveis.. S1a. S2a. S1b. S2b. S1c. S2c. Vetor. 0. 0. 0. 0. 0. 0. V0. 1. 1. 1. 1. 1. 1. V0. 0. 1. 0. 1. 0. 1. V0. 1. 1. 0. 0. 0. 0. V1. 1. 1. 1. 1. 0. 0. V2. 0. 0. 1. 1. 0. 0. V3. 0. 0. 1. 1. 1. 1. V4. 0. 0. 0. 0. 1. 1. V5. 1. 1. 0. 0. 1. 1. V6. 1. 1. 0. 1. 0. 0. V7. 0. 1. 1. 1. 0. 0. V8. 0. 0. 1. 1. 0. 1. V9. 0. 0. 0. 1. 1. 1. V10. 0. 1. 0. 0. 1. 1. V11. 1. 1. 0. 0. 0. 1. V12. 0. 1. 0. 0. 0. 0. V13. 1. 1. 0. 1. 0. 1. V13. 0. 1. 0. 1. 0. 0. V14. 1. 1. 1. 1. 0. 1. V14. 0. 0. 0. 1. 0. 0. V15. 0. 1. 1. 1. 0. 1. V15. 0. 1. 1. 1. 1. 1. V16. 0. 0. 0. 1. 0. 1. V16. 0. 1. 0. 1. 1. 1. V17. 0. 0. 0. 0. 0. 1. V17. 0. 1. 0. 0. 0. 1. V18. 1. 1. 0. 1. 1. 1. V18.

(47) 23. Figura 2.7: Controle da tensão no ponto central através das variáveis p e q.. 2.3.3. PWM Vetorial. Para obter as larguras dos pulsos das chaves do inversor NPC pela modulação proposta em [28], os seguintes passos são executados: 1. Inicialmente deve-se obter as tensões de referência:va∗ , vb∗ e vc∗ . 2. As tensões de referência devem ser ordenadas das seguinte maneira: vmax , vmed , vmin . Essa condição garante que elas sempre fiquem dentro dos limites de um determinado setor do plano vetorial na Figura 2.8 fazendo com que os limites definidos sejam usados corretamente. 3. Determinar as regiões de um setor: a partir das condições abaixo e depois calcular as larguras dos pulsos. Em cada região, um conjunto de equações define os tempos de aplicação dos pulsos nas chaves. De acordo com a Figura 2.5, uma tensão positiva na saída do inversor é definida pelo estado de chave P , que aciona S1x e S2x pelo período de tempo τpx . A tensão nula é definida pelo estado de chave O, que aciona S2x e S 1x pelo período de tempo τox . Finalmente, a tensão negativa é definida por N , enquanto as chaves S 1x e S 2x são acionadas pelo período de tempo τnx . Dessa forma cada região apresenta um.

(48) 24. Figura 2.8: Limites das regiões de um setor A.. conjunto de equações. Para a região 1 (va∗ − vc∗ <. Vdc ): 2. ⎧ ⎪ τpa = T4s + 2VTsdc [(1 − 2p + 4q)va∗ − (1 + 4p − 2q)vc∗ ] ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ τna = T4s − 2VTsdc [va∗ − vc∗ ] ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ τpb = Ts + Ts [(3 + 2p)v ∗ + (3 + 4p)v ∗ ] a c 4 2Vdc ⎪ T T ∗ ⎪ τnb = 4s − 2Vsdc [(3 − 4q)va + (3 − 2q)vc∗ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ τ = T4s + 2VTsdc [(1 − 4q + 2p)va∗ − (1 + 2q − 4p)vc∗ ] ⎪ ⎪ pc ⎪ ⎪ ⎩ τ =τ nc pa Para a região 2 (va∗ − vb∗ > V2dc ): ⎧ ⎪ τpa = qTs + VTdcs [(1 − q)va∗ − (1 − q)vc∗ ] ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ τna = 0 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ τpb = 0 ⎪ ⎪ τnb = −qTs + Ts [(3 + q)va∗ + (3 − q)vc∗ ⎪ Vdc ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ τpc = 0 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ τ = −qT + Ts [(1 + q)v ∗ − (1 + q)v ∗ ] nc s a c Vdc. (2.10). (2.11).