Ângelo Miguel Ferreira Araújo
Implementação e Comparação de Diferentes
Técnicas de Comutação para Filtros Ativos
de Potência
Ângelo Miguel Ferreira Araújo
2 Im plement ação e Com paração de Difer entes Técnicas de Comut ação para F iltros A tiv os de P o tência
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Tese de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de
Mestre em Eletrónica Industrial e de Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor José Gabriel Oliveira Pinto
Ângelo Miguel Ferreira Araújo
Implementação e Comparação de Diferentes
Técnicas de Comutação para Filtros Ativos
de Potência
Universidade do Minho
Agradecimentos
O trabalho apresentado nesta Dissertação contou com a ajuda de algumas pessoas, às quais transmito os meus agradecimentos.
Ao meu orientador Doutor José Gabriel Oliveira Pinto pela dedicação, pelo rigor e pela solidariedade prestadas, que me ajudou a atravessar as dificuldades que foram aparecendo na realização deste trabalho.
Ao Doutor João Luiz Afonso pela criação desta proposta de dissertação, pela orientação inicial no trabalho e pelo auxílio prestado que foram fundamentais para a realização deste trabalho com sucesso.
Aos investigadores e bolseiros do GEPE, Vítor Monteiro, Henrique Gonçalves, Delfim Pedrosa, Bruno Exposto e Raul Almeida pelo companheirismo e esclarecimento de dúvidas no decorrer do trabalho.
Uma mensagem de apreço deve também ser endereçada aos meus colegas e amigos do laboratório de potência, pela criação de um ambiente de respeito e amizade.
Aos técnicos das oficinas Joel Almeida, Carlos Torres e Ângela Macedo que sempre se mostraram prestáveis na resolução de qualquer problema.
Um muito obrigado a todos os meus colegas de curso, em especial ao Diogo Sousa, Bruno Pereira, José Sousa, Nuno Ricardo e Rui Montenegro por toda a ajuda e amizade que prestaram quando foi necessária.
Um agradecimento especial à minha família e amigos, em especial aos meus pais e à minha irmã, que me apoiaram nos bons e nos maus momentos do meu percurso académico.
Resumo
O aparecimento de cargas elétricas com consumo de corrente não sinusoidal (como por exemplo variadores eletrónicos de velocidade para motores, ou computadores pessoais), a qualidade da energia elétrica passou a ter um papel importante na produção, distribuição e utilização de eletricidade. Como soluções para estes problemas, mais precisamente harmónicos, apareceram os filtros passivos. No entanto estes padecem pela não adaptação a novas cargas e a novos modos de operação. Em seguida foram estudadas diferentes metodologias para solucionar os problemas causados pela degradação da qualidade da energia elétrica. Deste modo, foram recentemente desenvolvidos equipamentos eletrónicos para monitorização e compensação dos problemas da energia elétrica entre os quais, os filtros ativos de potência.
O Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho encontra-se empenhado no estudo e desenvolvimento de equipamentos que mitiguem problemas de qualidade de energia elétrica. Com esse objetivo foi proposta a implementação e a comparação de diversas técnicas de comutação para filtros ativos de potência.
As técnicas de comutação propostas encontram-se i) comutação por modulação da largura de pulso (PWM – Pulse-width Modulation) em que, para ser implementada, um sinal de referência é comparado com um sinal triangular, ii) amostragem periódica (Periodic Sampling) que é conhecida por tem uma frequência fixa máxima de comutação, iii) técnica de comutação Space Vector onde, o sinal de entrada é convertido num vetor.
Esta Dissertação será dividida em 7 capítulos começando pelo “Estudo da Arte” onde serão abordadas as várias técnicas de comutação existentes bem como os filtros ativos existentes. Na tarefa seguinte são realizadas simulações no software PSIM, seguido pela implementação da parte de controlo e da parte de potência do filtro ativo. Realização de testes de bancada e comparação das três técnicas de comutação é a tarefa seguinte. Para terminar será feita uma análise comparativa das técnicas de comutação.
Palavras-chave Técnicas de Comutação de Inversores, Filtro Ativo Paralelo,
Eletrónica de Potência, Qualidade de Energia Elétrica, Sistemas de Energia
Abstract
With the increase use of electric loads with non-sinusoidal current consumption (such as electronic variable-speed drives, Personal Computers, etc.), electrical power quality began to have an important role in the production, distribution and use of electricity.
Passive filters are one of the traditional solutions to deal with power quality problems, more specifically, the deal with harmonics. Nevertheless they have limitations, because they cannot adjust dynamically to new loads and new modes of operation. Continuing the development of new solutions to deal with these problems appeared more recently electronic equipment for monitoring and compensation power quality problems amongst them, there are active power filters. This type of equipment mitigates numerous power quality problems, including power factor, harmonics, voltage and / or current imbalances, and more, depending on the filters configuration.
The Group of Energy and Power Electronics (GEPE) of University of Minho has researched and developed equipment for monitoring and suppressing electric power quality problems, namely active power filters. To extend the range of expertise in this area it has been proposed the study and implementation of power inverter switching techniques, that can be used in active power filters.
The switching techniques proposed for study are i) Pulse-width Modulation (PWM) in which, to be implemented, a reference signal is compared with a triangular carrier signal, ii) Periodic-Sampling which is known to have only a fixed maximum switching frequency, iii) Space Vector PWM where the input signals are converted to a vector, and the output signal corresponds to a sum of adjacent vectors of the input vector, corresponding to each of the possible switching combinations.
This Dissertation will be divided into several tasks starting with "State of Art" in which will be discussed several switching techniques, as well those that are applied to active power filters. The next task is perform simulations in PSIM software, followed by the implementation in the active power filter control and power circuits. Bench testing and comparison of the switching techniques is the next task. To finish there will be a comparative analysis of the switching techniques results.
Keywords: Inverter Switching Techniques, Shunt Active Power Filter, Power
Índice
Agradecimentos ... v
Resumo ... vii
Abstract ... ix
Lista de Figuras ... xiii
Lista de Tabelas ... xix
Lista de Acrónimos ... xxi
Nomenclatura ... xxiii
Introdução ... 1
CAPÍTULO 1 Enquadramento ... 1
1.1. Problemas de Qualidade da Energia Elétrica ... 2
1.2. Interrupção da Alimentação ... 4
1.2.1. Cava de Tensão ... 5
1.2.2. Sobretensão Temporária à Frequência Industrial ... 5
1.2.3. Tensões Harmónicas ... 6
1.2.4. Exemplos de Cargas Não Lineares... 8
1.2.5. Motivações ... 12
1.3. Objetivos e Contribuições ... 12
1.4. Organização e Estrutura da Dissertação ... 13
1.5. Técnicas de Comutação para Conversores de Potência ... 15
CAPÍTULO 2 Introdução ... 15
2.1. Filtros Ativos de Potência ... 15
2.2. Filtro Ativo Série ... 16
2.2.1. Filtro Ativo Paralelo ... 16
2.2.2. Inversor do Andar de Potência ... 17
2.3. Voltage Source Inverter (VSI) ... 18
2.3.1. Current Source Inverter (CSI) ... 20
2.3.2. Técnica de Controlo (Teoria p-q) ... 21
2.4. Técnicas de Comutação ... 25
2.5. Periodic Sampling ... 25
2.5.1. Comutação por Largura de Banda Fixa ... 26
2.5.2. Comutação por Largura de Banda Adaptativa ... 26
2.5.3. Comutação por Largura de Pulso ... 27
2.5.4. Space Vector PWM ... 28
2.5.5. Conclusão ... 47
2.6. Simulações das Técnicas de Comutação ... 49
CAPÍTULO 3 Introdução ... 49
3.1. Filtro Ativo Paralelo... 49
3.2. Comutação Periodic Sampling ... 53
3.3. Comutação por PWM ... 54
3.4. Comutação Space Vector ... 55
3.5. Resultados de Simulação ... 55
3.6. Retificador Monofásico com Carga RC ... 56
3.6.1. Carga RL Monofásica ... 62
3.6.2. Conclusão ... 67
3.7. Hardware do Filtro Ativo Paralelo ... 69
CAPÍTULO 4 Introdução ... 69 4.1. Circuito de Potência ... 69 4.2. Condensadores do Barramento DC ... 69 4.2.1. Bobines de Acoplamento ... 70 4.2.2. Inversor de Potência ... 71 4.2.3. Driver dos IGBTs ... 72
4.2.4. Circuito de Comando ... 74 4.3. Circuito de Controlo... 76 4.4. Sensores de Corrente ... 76 4.4.1. Sensores de Tensão ... 77 4.4.2.
Índice
Condicionamento de Sinal ... 78 4.4.3.
Controlador Digital (DSP) ... 79 4.4.4.
Saídas Analógicas DAC ... 80 4.4.5. Placa de Comando ... 81 4.4.6. Circuito de Alimentação ... 81 4.5. Hardware Adicional ... 82 4.6. Conclusão ... 82 4.7.
Implementação do Sistema de Controlo ... 83 CAPÍTULO 5 Introdução ... 83 5.1. Phase-Locked-Loop (PLL) ... 83 5.2. IQMath ... 85 5.3. Técnica de Comutação ... 87 5.4.
Técnica de Comutação Periodic Sampling ... 87 5.4.1. Técnica de Comutação PWM ... 88 5.4.2. Técnica de Comutação SVPWM ... 89 5.4.3. Conclusão ... 90 5.5. Resultados Experimentais ... 91 CAPÍTULO 6 Introdução ... 91 6.1. Carga RL Desequilibrada ... 91 6.2.
Resultados obtidos com a técnica de comutação periodic sampling ... 94 6.2.1.
Resultados obtidos com a técnica de comutação PWM ... 96 6.2.2.
Resultados obtidos com a técnica de comutação SVPWM ... 98 6.2.3.
Primeiro teste com carga RL Desequilibrada e Retificador Trifásico ... 101 6.3.
Resultados obtidos com a técnica de comutação periodic sampling ... 103 6.3.1.
Resultados obtidos com a técnica de comutação PWM ... 106 6.3.2.
Resultados obtidos com a técnica de comutação SVPWM ... 108 6.3.3.
Segundo teste com carga RL Desequilibrada e Retificador Trifásico ... 111 6.4.
Resultados obtidos com a técnica de comutação periodic sampling ... 113 6.4.1.
Resultados obtidos com a técnica de comutação PWM ... 115 6.4.2.
Resultados obtidos com a técnica de comutação SVPWM ... 118 6.4.3.
Controlo do Barramento DC ... 120 6.5.
Resultados obtidos com a técnica de comutação periodic sampling ... 120 6.5.1.
Resultados obtidos com a técnica de comutação PWM ... 121 6.5.2.
Resultados obtidos com a técnica de comutação SVPWM ... 121 6.5.3.
Conclusão ... 122 6.6.
Conclusão e Trabalho Futuro ... 123 CAPÍTULO 7 Conclusão ... 123 7.1. Trabalho Futuro ... 125 7.2. Referências ... 127 Apêndice 1 ... 131
Lista de Figuras
Figura 1.1 - Distorção da forma de onda da tensão provocada por uma carga não linear. ... 2
Figura 1.2 - Interrupção breve na tensão de alimentação. ... 4
Figura 1.3 - Cava de tensão... 5
Figura 1.4 - Sobretensão temporária à frequência industrial. ... 6
Figura 1.5 - Forma de onda da tensão no laboratório do Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho [2]... 7
Figura 1.6 - Espetro harmónico da tensão: (a) Amplitude das harmónicas, expressa em Volts; (b) Amplitude das harmónicas, expressa em percentagem da fundamental [2]. ... 7
Figura 1.7 - Esquema de ligações de um retificador trifásico com carga RC. ... 8
Figura 1.8 - Formas de onda da tensão e corrente para o retificador trifásico com carga RC... 9
Figura 1.9 - Espectro harmónico e valor de THD% da tensão e da corrente para o retificador trifásico com carga RC. ... 9
Figura 1.10 - Esquema de ligações de um retificador trifásico com carga RL... 10
Figura 1.11 - Formas de onda da tensão e corrente para o retificador trifásico com carga RL. ... 10
Figura 1.12 - Espectro harmónico e valor de THD% da tensão e da corrente para o retificador trifásico com carga RL. ... 10
Figura 1.13 - Esquema de ligações para um retificador monofásico com carga RC. ... 11
Figura 1.14 - Formas de onda da tensão e corrente para o retificador monofásico com carga RC. ... 11
Figura 1.15 - Espectro harmónico e THD% da tensão e da corrente do retificador monofásico com carga RC. ... 12
Figura 2.1 - Diagrama de blocos de um filtro ativo série [1]. ... 16
Figura 2.2 - Diagrama de blocos do filtro ativo paralelo [1]. ... 17
Figura 2.3 - VSI trifásico com filtros passivos [1]. ... 18
Figura 2.4 - VSI com quatro braços e filtros passivos [1]... 19
Figura 2.5 - VSI com três braços com o ponto médio do condensador ligado ao neutro e filtros passivos[1]. ... 20
Figura 2.6 - CSI com três braços e filtros passivos [7]. ... 21
Figura 2.7 - Componentes da teoria p-q num sistema trifásico [1]. ... 23
Figura 2.8 – Componentes da teoria p-q com o acoplamento do filtro ativo paralelo à rede [1]. ... 24
Figura 2.9 - Diagrama de blocos da técnica de comutação periodic sampling. ... 25
Figura 2.10 - Diagrama de blocos da comutação por largura de banda fixa. ... 26
Figura 2.11 - Diagrama de blocos da comutação por largura de banda adaptativa. ... 27
Figura 2.12 - Diagrama de blocos da comutação por largura de pulso [3]. ... 27
Figura 2.13 - Diagrama fasorial com os vetores de comutação e definição dos setores. ... 28
Figura 2.14 - Sequência de comutação direta inversa com dois vetores nulos por período de comutação (DIH) [9]. ... 30
Figura 2.15 - Sequência de comutação direta inversa com vetor nulo por período de comutação (DIO) [9]. ... 30
Figura 2.16 - Sequência de comutação direta simples SVM (SDSVM) [9]. ... 30
Figura 2.17 - Sequência de comutação simetrical generated SVM (SGSVM) [9]. ... 30
Lista de Figuras
Figura 2.19 - Algoritmo para determinação do setor em que se localiza o vetor de corrente a
produzir [26]. ... 31
Figura 2.20 - Inversor trifásico com neutro a três braços. ... 34
Figura 2.21 - Espaço vetorial para um inversor trifásico com neutro a três braços [34]. ... 35
Figura 2.22 - Inversor trifásico com neutro e 4 braços... 38
Figura 2.23 - Localização dos vetores no espaço A-B-C [26]. ... 39
Figura 2.24 - Localização dos vetores no espaço α-β-0 [26]. ... 40
Figura 3.1 - Implementação em simulação da rede de distribuição e sensores de medida. ... 50
Figura 3.2 - Inversor trifásico a quatro braços implementado em simulação. ... 50
Figura 3.3 - Esquema de implementação do circuito de tempo-morto para os comutadores de um dos braços do inversor. ... 51
Figura 3.4 - Resultado da implementação em simulação do circuito de tempo-morto (a) IGBT superior (b) IGBT inferior. ... 51
Figura 3.5 - Cargas utilizadas para testar o filtro ativo paralelo... 52
Figura 3.6 - Implementação da teoria p-q num bloco codificado em linguagem C. ... 53
Figura 3.7 - Bloco C com a técnica de comutação periodic sampling. ... 53
Figura 3.8 - Bloco C com a implementação da técnica de comutação PWM... 54
Figura 3.9 - Bloco C com a implementação da técnica de comutação SVPWM. ... 55
Figura 3.10 - Carga monofásica - retificador a díodos com carga RC. ... 56
Figura 3.11 - Espectro harmónico (a) e espectro harmónico em % (b) da corrente no retificador monofásico a díodos com carga RC sem filtro ativo. ... 56
Figura 3.12 - Tensão e corrente na fonte e corrente na carga com periodic sampling. ... 57
Figura 3.13 - Tensão no barramento DC com periodic sampling. ... 57
Figura 3.14 - Corrente de referência e corrente injetada pelo inversor com periodic sampling. ... 58
Figura 3.15 - Espectro harmónico e THD% da corrente na fonte com retificador monofásico a díodos e com carga RC utilizando a técnica de comutação periodic sampling. ... 58
Figura 3.16 - Tensão e corrente na fonte e corrente na carga com PWM. ... 59
Figura 3.17 - Corrente de referência e corrente injetada pelo inversor com PWM. ... 59
Figura 3.18 - Tensão no barramento DC com PWM. ... 59
Figura 3.19 - Espectro harmónico e THD% da corrente na fonte com retificador monofásico a díodos e com carga RC utilizando a técnica de comutação PWM. ... 60
Figura 3.20 - Tensão e corrente na fonte e corrente na carga com SVPWM. ... 60
Figura 3.21 - Tensão no barramento DC com SVPWM. ... 61
Figura 3.22 - Corrente de referência e corrente injetada pelo inversor com SVPWM. ... 61
Figura 3.23 - Espectro harmónico e THD% da corrente na fonte com retificador monofásico a díodos e com carga RC utilizando a técnica de comutação SVPWM. ... 62
Figura 3.24 - Carga monofásica – RL série. ... 62
Figura 3.25 - Corrente nas fases e corrente no neutro consumidas pela carga RL monofásica. ... 63
Figura 3.26 - Correntes na carga e correntes na fonte com a carga RL desequilibrada utilizando a técnica de comutação periodic sampling. ... 63
Figura 3.27 - Corrente no neutro com a carga RL desequilibrada utilizando a técnica de comutação periodic sampling. ... 64
Figura 3.28 - Espectro harmónico e valor de THD% da corrente na fonte com carga RL desequilibrada utilizando a técnica de comutação periodic sampling. ... 64
Lista de Figuras
Figura 3.29 - Correntes na carga e correntes na fonte com a carga RL desequilibrada utilizando a
técnica de comutação PWM... 65
Figura 3.30 - Corrente no neutro com a carga RL desequilibrada utilizando a técnica de comutação PWM. ... 65
Figura 3.31 - Espectro harmónico e valor de THD% da corrente na fonte com carga RL desequilibrada utilizando a técnica de comutação PWM. ... 66
Figura 3.32 - Correntes na carga e correntes na fonte com a carga RL desequilibrada utilizando a técnica de comutação SVPWM. ... 66
Figura 3.33 - Corrente no neutro com a carga RL desequilibrada utilizando a técnica de comutação SVPWM. ... 67
Figura 3.34 - Espectro harmónico e valor de THD% da corrente na fonte com carga RL desequilibrada utilizando a técnica de comutação SVPWM. ... 67
Figura 4.1 - Barramento DC com as resistências de equalização. ... 69
Figura 4.2 - Bobine de acoplamento utilizada. ... 70
Figura 4.3 - Esquema do circuito de potência utilizado. ... 71
Figura 4.4 - Painel de ligação do filtro ativo paralelo. ... 71
Figura 4.5 - SEMIKRON SKM200GB176D – (a) Imagem do módulo de IGBTs (b) Esquema elétrico [40]. ... 72
Figura 4.6 - Driver SKHI22AH4R da SEMIKRON e a disposição dos pinos [41]. ... 73
Figura 4.7 - Placa com o driver SKHI22AH4R utilizada. ... 73
Figura 4.8 - Elementos constituintes de um braço do inversor. ... 73
Figura 4.9 - Inversor trifásico com neutro a quatro braços utilizado [42]. ... 74
Figura 4.10 - Esquema do circuito de comando do filtro ativo. ... 75
Figura 4.11 - Disjuntor principal utilizado. ... 75
Figura 4.12 - Diagrama de blocos do circuito de controlo. ... 76
Figura 4.13 - Sensor de corrente LA200-P da LEM. ... 76
Figura 4.14 - Esquema de ligações do LA200-P utilizado [44]... 77
Figura 4.15 - Sensor de tensão LV25P da LEM. ... 77
Figura 4.16 - Esquema de ligações do sensor LV25P utilizado [45]. ... 77
Figura 4.17 - Placa com os sensores de tensão utilizada. ... 78
Figura 4.18 - Placa de condicionamento de sinal utlizada. ... 78
Figura 4.19 - Placa eZdsp320F2812 da Spectrum Digital com o DSP TMS320F2812 da Texas Instruments. ... 79
Figura 4.20 - Diagrama de blocos interno do DAC7625 da Burr Brown [49]. ... 81
Figura 4.21 - Placa de interface com a eZdsp320F2812, incluindo o DAC DAC7625. ... 81
Figura 4.22 - Caixa de interface entre os sensores de corrente e o osciloscópio. ... 82
Figura 5.1 - Diagrama de blocos da estrutura básica de uma PLL [51]. ... 83
Figura 5.2 - Diagrama de blocos da PLL implementada [51]. ... 84
Figura 5.3 - PLL implementada em simulação - instante inicial... 85
Figura 5.4 - PLL implementada no filtro ativo. ... 85
Figura 5.5 - Diagrama de blocos geral da codificação no DSP. ... 87
Figura 5.6 - Fluxograma da técnica de comutação periodic sampling implementada no DSP. ... 88
Figura 5.7 - Fluxograma da técnica de comutação PWM implementada no DSP. ... 89
Lista de Figuras
Figura 6.1 - Equipamentos de medida utilizados. ... 91 Figura 6.2 - Diagrama da carga RL desequilibrada aplicada ao filtro ativo. ... 92 Figura 6.3 - Tensão e corrente na carga com carga RL desequilibrada e filtro ativo desligado. ... 92 Figura 6.4 - Resultados obtidos com a carga RL desequilibrada e com o filtro ativo desligado (a) -
Tensão e corrente na carga. (b) - Valor da potência ativa, reativa, aparente e do fator de potência. ... 93 Figura 6.5 - Carga RL desequilibrada com o filtro desligado - valor de THD% e espectro
harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 93 Figura 6.6 - Tensão e corrente na rede com carga RL desequilibrada e filtro ativo ligado com a
técnica de comutação periodic sampling. ... 94 Figura 6.7 - Resultados obtidos com a carga RL desequilibrada, filtro ativo ligado com técnica de
comutação periodic sampling (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência. ... 94 Figura 6.8 - Carga RL desequilibrada e filtro ligado com a técnica de comutação periodic sampling
- valor de THD% e espectro harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 95 Figura 6.9 - Valor de referência da teoria p-q e valor de compensação do inversor - carga RL
desequilibrada e filtro ativo com técnica de comutação periodic sampling. ... 96 Figura 6.10 - Tensão e corrente na rede com carga RL desequilibrada e filtro ativo ligado com a
técnica de comutação PWM. ... 96 Figura 6.11 - Carga RL desequilibrada e filtro ligado com a técnica de comutação PWM - valor de
THD% e espectro harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 97 Figura 6.12 - Resultados obtidos com a carga RL desequilibrada, filtro ativo ligado com técnica de
comutação PWM (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência. ... 97 Figura 6.13 - Valor de referência da teoria p-q e valor de compensação do inversor - carga RL
desequilibrada e filtro ativo com técnica de comutação PWM. ... 98 Figura 6.14 - Tensão e corrente na rede com carga RL desequilibrada e filtro ativo ligado com a
técnica de comutação SVPWM. ... 99 Figura 6.15 - Resultados obtidos com a carga RL desequilibrada, filtro ativo ligado com técnica de
comutação SVPWM (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência. ... 99 Figura 6.16 - Carga RL desequilibrada e filtro ligado com a técnica de comutação PWM - valor de
THD% e espectro harmónico a) Tensão na fonte b) Corrente na fonte. ... 100 Figura 6.17 - Valor de referência da teoria p-q e valor de compensação do inversor - carga RL
desequilibrada e filtro ativo com técnica de comutação SVPWM. ... 100 Figura 6.18 - Diagrama da carga RC desequilibrada com retificador trifásico com carga RC no
lado CC aplicada ao sistema - primeiro teste. ... 101 Figura 6.19 - Tensão e corrente na rede no primeiro teste com carga RL desequilibrada em
conjunto com o retificador trifásico com carga RC do lado CC e com o filtro ativo desligado. ... 102 Figura 6.20 - Primeiro teste com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico
com carga RC do lado CC e filtro ativo desligado - valor de THD% e espectro harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 102 Figura 6.21 - Resultados obtidos no primeiro teste com carga RL desequilibrada em conjunto com
o retificador trifásico com carga RC do lado CC e com o filtro ativo desligado (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência. ... 103 Figura 6.22 - Tensão e corrente na rede no primeiro teste com carga RL desequilibrada em
conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo ligado com a técnica de comutação periodic sampling. ... 104
Lista de Figuras
Figura 6.23 - Primeiro teste com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo ligado com a técnica de comutação periodic sampling - valor de THD% e espectro harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 104 Figura 6.24 - Resultados obtidos no primeiro teste com carga RL desequilibrada em conjunto com
o retificador trifásico com carga RC do lado CC e com o filtro ativo ligado e a técnica de comutação periodic sampling (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência. ... 105 Figura 6.25 - Valor de referência da teoria p-q e valor de compensação do inversor – primeiro teste
com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo a compensar com técnica de comutação periodic sampling. ... 105 Figura 6.26 - Tensão e corrente na rede no primeiro teste com carga RL desequilibrada em
conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo ligado com a técnica de comutação PWM... 106 Figura 6.27 - Primeiro teste com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico
com carga RC no lado CC e filtro ativo ligado e técnica de comutação PWM - valor de THD% e espectro harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 107 Figura 6.28 - Resultados obtidos no primeiro teste com carga RL desequilibrada em conjunto com
o retificador trifásico com carga RC do lado CC e com o filtro ativo ligado e a técnica de comutação PWM (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência. ... 107 Figura 6.29 - Valor de referência da teoria p-q e valor de compensação do inversor – primeiro teste
com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo a compensar com técnica de comutação PWM. ... 108 Figura 6.30 - Tensão e corrente na rede no primeiro teste com carga RL desequilibrada em
conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo ligado com a técnica de comutação SVPWM. ... 109 Figura 6.31 - Primeiro teste com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico
com carga RC no lado CC e filtro ativo ligado e técnica de comutação SVPWM - valor de THD% e espectro harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 109 Figura 6.32 - Resultados obtidos no primeiro teste com carga RL desequilibrada em conjunto com
o retificador trifásico com carga RC do lado CC e com o filtro ativo ligado e a técnica de comutação SVPWM (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência. ... 110 Figura 6.33 - Valor de referência da teoria p-q e valor de compensação do inversor – primeiro teste
com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo a compensar com técnica de comutação SVPWM. ... 111 Figura 6.34 - Diagrama da carga RC desequilibrada com retificador trifásico com carga RC no
lado CC aplicada ao sistema - segundo teste. ... 111 Figura 6.35 - Tensão e corrente na rede no segundo teste com carga RL desequilibrada em
conjunto com o retificador trifásico com carga RC do lado CC e com o filtro ativo desligado... 112 Figura 6.36 - Segundo teste efetuado com a carga RL desequilibrada em conjunto com o
retificador trifásico com carga RC do lado CC e filtro ativo desligado - valor de THD% e espectro harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 112 Figura 6.37 - Resultados obtidos no segundo teste com a carga RL desequilibrada em conjunto
com o retificador trifásico com carga RC do lado CC e com o filtro ativo desligado (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência... 113 Figura 6.38 - Tensão e corrente na rede no segundo teste com carga RL desequilibrada em
conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo ligado com a técnica de comutação periodic sampling. ... 114 Figura 6.39 - Resultados obtidos no segundo teste com a carga RL desequilibrada em conjunto
com o retificador trifásico com carga RC do lado CC e com o filtro ativo ligado e a técnica de comutação periodic sampling (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência. ... 114
Lista de Figuras
Figura 6.40 - Segundo teste com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico com carga RC do lado CC e filtro ativo ligado com a técnica de comutação periodic sampling - valor de THD% e espectro harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 115 Figura 6.41 - Valor de referência da teoria p-q e valor de compensação do inversor – segundo teste
com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo a compensar com técnica de comutação periodic sampling. ... 115 Figura 6.42 - Tensão e corrente na rede no segundo teste com carga RL desequilibrada em
conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo ligado com a técnica de comutação PWM. ... 116 Figura 6.43 - Segundo teste com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico
com carga RC do lado CC e filtro ativo ligado com a técnica de comutação PWM - valor de THD% e espectro harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 116 Figura 6.44 - Resultados obtidos no segundo teste com a carga RL desequilibrada em conjunto
com o retificador trifásico com carga RC do lado CC e com o filtro ativo ligado e a técnica de comutação PWM (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência. ... 117 Figura 6.45 - Valor de referência da teoria p-q e valor de compensação do inversor – segundo teste
com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo a compensar com técnica de comutação PWM. ... 118 Figura 6.46 - Tensão e corrente na rede no segundo teste com carga RL desequilibrada em
conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo ligado com a técnica de comutação SVPWM. ... 118 Figura 6.47 - Resultados obtidos no segundo teste com a carga RL desequilibrada em conjunto
com o retificador trifásico com carga RC do lado CC e com o filtro ativo ligado e a técnica de comutação SVPWM (a) - Tensão e corrente na fonte. (b) - Valor da potência ativa, reativa e aparente bem como o valor do fator de potência. ... 119 Figura 6.48 - Segundo teste com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico
com carga RC do lado CC e filtro ativo ligado com a técnica de comutação SVPWM - valor de THD% e espectro harmónico (a) Tensão na fonte (b) Corrente na fonte. ... 119 Figura 6.49 - Valor de referência da teoria p-q e valor de compensação do inversor – segundo teste
com carga RL desequilibrada em conjunto com o retificador trifásico com carga RC no lado CC e filtro ativo a compensar com técnica de comutação SVPWM. ... 120 Figura 6.50 - (a) - Tensão de referência e tensão no barramento DC antes e após a ativação do
inversor para compensar a carga RL desequilibrada (5,6 V/div)(0,1 s/div) (b) - ripple da tensão no barramento DC, com a técnica comutação periodic sampling (0,5 V/div)(10 ms/div). ... 121 Figura 6.51 - (a) - Tensão de referência e tensão no barramento DC antes e após a ativação do
inversor para compensar a carga RL desequilibrada (5,6 V/div)(0,1 s/div) (b) - ripple da tensão no barramento DC, com a técnica comutação PWM (0,5 V/div)(10 ms/div). ... 121 Figura 6.52 - (a) - Tensão de referência e tensão no barramento DC antes e após a ativação do
inversor para compensar a carga RL desequilibrada (5,6 V/div)(0,1 s/div) (b) - ripple da tensão no barramento DC, com a técnica comutação SVPWM (0,5 V/div)(10 ms/div). ... 122
Lista de Tabelas
Tabela 1.1 - Entidades normativas em compatibilidade eletromagnética. ... 3
Tabela 1.2 - Principais normas para imunidade de equipamentos. ... 3
Tabela 1.3 - Principais normas para limite de emissão de ruído eletromagnético. ... 4
Tabela 1.4 - Valores das harmónicas de tensão até à ordem 25 nos pontos de fornecimento, expressos em percentagem da tensão nominal [2]. ... 8
Tabela 2.1 - Combinações possíveis de comutações do VSI com três braços e tensões aos seus terminais. ... 18
Tabela 2.2 - Combinações possíveis de comutações do VSI com quatro braços e tensões aos seus terminais. ... 19
Tabela 2.3 - Combinações possíveis do inversor trifásico com neutro a 3 braços. ... 20
Tabela 2.4 - Combinações possíveis de comutações do CSI com três braços e correntes aos seus terminais. ... 21
Tabela 2.5 - Estados do Flip-Flop D. ... 26
Tabela 2.6 - Combinações dos braços do VSI trifásico com o estado e vetor correspondentes. ... 28
Tabela 2.7 - Características das sequências de comutação [9]. ... 31
Tabela 2.8 - Combinações dos elementos comutadores do inversor trifásico com neutro e 3 braços, tensões nas fases em A-B-C e α-β-0 e nome do vetor. ... 35
Tabela 2.9 - Valor de N associado ao tetraedro equivalente [37]. ... 36
Tabela 2.10 - Relação entre o tetraedro atual e a ordem de comutação tanto do braço como do tempo [37]. ... 38
Tabela 2.11 - Combinações dos elementos comutadores do inversor trifásico com neutro e 4 braços, tensões nas fases em A-B-C e α-β-0 e nome do vetor [33]. ... 39
Tabela 2.12 - Relação entre os valores de J, N para determinação do prisma e do tetraedro resultando nos vetores a utilizar [33]. ... 41
Tabela 2.13 - Relação entre tetraedro com a ordem dos braços a atuar [33]. ... 47
Tabela 3.1 - Carga RL desequilibrada simulada. ... 62
Tabela 4.1 - Características principais do DSP [48]. ... 79
Tabela 4.2 - Pinos do DSP utilizados e a sua função. ... 80
Tabela 4.3 - Características da fonte de alimentação do filtro ativo. ... 82
Tabela 5.1 - Variável em IQMath - gama de valores e resolução [53]. ... 86
Tabela 6.1 - Resultados obtidos nos testes efetuados das técnicas de comutação em termos de THD%. ... 122
Lista de Acrónimos
AC Alternating Current
ADC Analog to Digital Converter
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CPU Central Processing Unit
CSI Current Source Inverter
DAC Digital to Analog Converter
DC Direct Current
DIH Direct Inverse Half
DIO Direct Inverse One
DSC Digital Signal Controller
DSP Digital Signal Processor
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
ISR Interrupt Service Routine
PI Proporcional-Integral
PLL Phase-Locked Loop
PS Periodic Sampling
PWM Pulse Width Modulation
RAM Random Access Menory
RMS Root Mean Square
ROM Read Only Memory
RQS Regulamento da Qualidade de Serviço
SDSVM Simple Direct SVM
SGSVM Symmetrically Generated SVM
SVM Space Vector Modulation
SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation
THD Total Harmonic Distortion
UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
UPQC Unified Power Quality Conditioner
VSI Voltage Source Inverter
Nomenclatura
Símbolo Significado Unidade
vα, vβ, v0 Tensões instantâneas no sistema de coordenadas α-β-0 V
iα, iβ, i0 Correntes instantâneas no sistema de coordenadas α-β-0 A
vsa, vsb, vsc Tensões do lado da fonte (Filtro Ativo Série) V
ifa, ifb, ifc Correntes do lado da fonte (Filtro Ativo Paralelo) A
ica, icb, icc, icn Correntes na saída do controlador (Filtro Ativo Paralelo) A
erroα, erroβ,
erro0
Diferença entre a referência e a valor obtido em coordenadas α-β-0 V ou A
Uh Tensão harmónica (h – ordem do harmónico) V
VDC
Tensão no barramento de corrente contínua dos inversores de potência dos
condicionadores ativos V
p Potência real instantânea W
p
~ Valor alternado da potência real instantânea W
p Valor médio da potência real instantânea W
q Potência imaginária instantânea VA
q
~ Valor alternado da potência imaginária instantânea VA
q Valor médio da potência imaginária instantânea VA
0
p Potência instantânea de sequência zero VA
0
~
p Valor alternado da potência instantânea de sequência zero VA
0
p Valor médio da potência instantânea de sequência zero VA
Req Resistência de equalização Ω
f Frequência Hz
fC Frequência de comutação Hz
t1, t2, t3, t7, t0 Período de tempo associado a cada vetor s
TS Período de amostragem s
THD Distorção harmónica total calculada com base nas primeiras 40 harmónicas
Nomenclatura
THD% Distorção harmónica total calculada em percentagem da amplitude da
fundamental com base nas primeiras 40 harmónicas do sinal. %
CAPÍTULO 1
Introdução
Enquadramento
1.1.
Na atualidade a grande maioria dos dispositivos eletrónicos têm, como principal constituinte, semicondutores. Os semicondutores, quando ligados à rede de distribuição de energia, provocam deterioração nas formas de onda da tensão e da corrente, por não consumirem corrente sinusoidal. Cargas com semicondutores que não consumem corrente sinusoidal também são designadas por cargas não lineares [1].
Para mitigar problemas de qualidade de energia elétrica são utilizados vários equipamentos, entre os quais os filtros ativos de potência. Estes equipamentos conseguem reduzir o impacto das cargas não lineares na rede de distribuição, compensando problemas de qualidade de energia, como por exemplo:
Fator de potência não unitário; Desequilíbrios de corrente; Corrente de neutro;
Harmónicas na tensão da rede; Harmónicas na corrente da carga;
Os filtros ativos de potência podem ser classificados em filtros ativos série, que compensam problemas relacionados com a tensão e em filtros ativos paralelos, que compensam problemas de corrente. Existe também uma junção entre os filtros ativos série e os filtros ativos paralelo, podendo ser filtros ativos híbridos (filtros ativos série com filtros passivos para harmónicos de corrente) e UPQC (Unified Power Quality
Conditioner) [2]. Este trabalho foi baseado nos filtros ativos paralelos.
O Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho encontra-se empenhado no estudo e desenvolvimento de equipamentos que mitiguem problemas de qualidade de energia [1], [3–7]. Com esse objetivo foi proposta a implementação e comparação de diversas técnicas de comutação para filtros ativos de potência. Estas técnicas de comutação são responsáveis por sintetizar as correntes de compensação calculadas pelo controlador. A técnica mais utilizada nos filtros ativos do GEPE é a técnica designada por periodic sampling [8]. Esta técnica, embora seja de
Capítulo 1 - Introdução
fácil implementação acarreta problemas como por exemplo a frequência de comutação que é variável, dificultando assim o ajuste dos filtros passivos para a compensação da frequência de comutação. Uma das técnicas propostas para implementação é baseada na modulação de largura de pulso (PWM), permitindo uma redução do conteúdo harmónico da onda sintetizada. A técnica de comutação Space Vector também foi proposta para esta Dissertação. Embora seja complexa e exija um processamento maior do DSP também permite um melhor uso do barramento DC do inversor e uma redução dos harmónicos [9].
Depois das técnicas de comutação estarem implementadas será efetuada uma comparação, salientando as vantagens e desvantagens de cada uma delas, especificando qual a melhor técnica de comutação a utilizar.
Problemas de Qualidade da Energia Elétrica
1.2.
Com o avanço da tecnologia foi possível uma massificação na utilização de dispositivos semicondutores. Estes dispositivos trouxeram inúmeras vantagens para a sociedade atual. Foi possível reduzir drasticamente o tamanho dos equipamentos e a criação de dispositivos que, numa configuração tradicional, seriam enormes e com custo elevado. Atualmente, os semicondutores são utilizados em praticamente tudo, desde lâmpadas eficientes a veículos elétricos. A utilização desta tecnologia não trouxe só vantagens, pois também criaram problemas que até à data não existiam.
As cargas não lineares, compostas por semicondutores, quando ligadas à rede elétrica, podem provocar diversos problemas de qualidade de energia [1].
Estes dispositivos para além não consumirem corrente sinusoidal (obrigando o gerador a não funcionar nos seus parâmetros nominais) também afeta outras cargas, pois deformam a forma de onda da tensão devido à impedância de linha. A Figura 1.1 apresenta o problema criado por uma carga não linear e como esta afeta uma carga linear ligada na sua proximidade [10].
Figura 1.1 - Distorção da forma de onda da tensão provocada por uma carga não linear.
Carga Linear Carga Não Linear Rede Elétrica vs is vl il1 il2 Δv
Capítulo 1 - Introdução
O estado da rede elétrica de distribuição foi intitulado de “Power Quality”, ou em português, Qualidade de Energia Elétrica. No IEEE Standard Dictionary of Electrical
and Electronics Terms, a qualidade de energia elétrica é definida como: “O conceito de
alimentação e ligação à terra de equipamentos eletrónicos sensíveis de uma forma adequada ao seu funcionamento” [11].
Para regular a rede de distribuição foram criadas normas e definições para restringir as perturbações que possam existir, tanto na tensão como na corrente.
Na Tabela 1.1 estão referenciadas as entidades reguladoras da qualidade de energia elétrica na União Europeia [12].
Tabela 1.1 - Entidades normativas em compatibilidade eletromagnética.
IEC International Electrotechnical Commission
CISPR Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques – IEC
CEN Comité Européen de Normalisation
Na Tabela 1.2 são representadas as normas relativamente à imunidade dos equipamentos assim como o procedimento para realizar testes de imunidade às perturbações da rede [12].
Tabela 1.2 - Principais normas para imunidade de equipamentos. IEC 61000-4-2 Testes de imunidade contra descargas eletrostáticas
IEC 61000-4-3 Testes de imunidade contra campos eletromagnéticos de rádio frequência irradiados
IEC 61000-4-4 Testes de imunidade contra transitórios elétricos rápidos IEC 61000-4-5 Testes de imunidade contra surtos
IEC 61000-4-6 Testes de imunidade contra distúrbios conduzidos provocados por campos de rádio frequência
IEC 61000-4-8 Testes de imunidade contra campos magnéticos à frequência da rede IEC 61000-4-11 Testes de imunidade contra quedas de tensão, interrupções
momentâneas e variações de tensão
Na Tabela 1.3 estão listadas as principais normas referentes a limites de emissão de ruído eletromagnético [12].
Aos fornecedores de energia elétrica também foram impostas regras que devem ser cumpridas para que haja qualidade na energia elétrica da rede. Em Portugal, no Decreto-Lei nº 182/95, de 27 de Julho foi criado o Regulamento da Qualidade de Serviço – RQS que regula o transporte e distribuição da energia elétrica [13].
Capítulo 1 - Introdução
De seguida serão apresentados alguns problemas de qualidade de energia elétrica que afetam os sistemas elétricos bem como os seus valores máximos segundo as normas. Depois serão apresentados alguns exemplos de cargas que, quando ligadas à rede de distribuição, distorcem a forma de onda da corrente.
Tabela 1.3 - Principais normas para limite de emissão de ruído eletromagnético. CISPR 11 Equipamentos médicos, industriais e científicos
CISPR 12 Automóveis
CISPR 13 Áudio visual e aparelhos similares
CISPR 14 Eletrodomésticos e aparelhos elétricos similares CISPR 15 Iluminação elétrica e equipamentos similares CISPR 22 Equipamentos de tecnologia da informação
IEC 61000-3-2 Limites de emissão de harmónicas de corrente (< 16 A por fase)
Interrupção da Alimentação 1.2.1.
A norma NP EN 50 160 define a interrupção do fornecimento ou da entrega de energia como a situação pelo qual a tensão de alimentação entregue aos clientes é inferior a 1% da tensão declarada, dando origem a cortes de energia nos consumidores.
Na Figura 1.2 está representada uma interrupção breve na tensão de alimentação com uma duração de 100 ms.
Figura 1.2 - Interrupção breve na tensão de alimentação.
Segundo a norma NP EN 50 160 as interrupções de alimentação podem ser classificadas como:
Interrupção prevista, quando os clientes recebem a informação da interrupção com antecedência, para que sejam efetuadas revisões programadas na rede; Interrupção acidental, quando provocada por defeitos, permanente ou
transitórios. Dentro destas as interrupções acidentais podem ser de dois tipos:
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s) 0 -200 -400 200 400 Vrede (V) Tempo (s)
Capítulo 1 - Introdução
- Interrupção breve, quando o período de interrupção não supera os 3 minutos; - Interrupção longa, quando o período de interrupção é superior a 3 minutos.
Cava de Tensão 1.2.2.
A norma EN 50 160 define a cava de tensão quando, num determinado ponto da rede, a tensão de uma ou mais fases tem uma queda brusca num valor entre os 90% e os 1% da tensão declarada, e termina quando a tensão retorna a um valor superior a 90%. Por definição uma cava de tensão dura de 10 ms a 1 min. O valor de uma cava de tensão é definido como sendo a diferença entre a tensão eficaz durante a cava de tensão e a tensão declarada. As cavas de tensão podem ter origem nas mais diversas formas, entre elas pode salientar-se a entrada em operação de cargas com elevadas correntes de arranque que, devido à impedância de linha, provocam uma queda de tensão nas fases. Outro fenómeno provocador de cavas são os curto-circuitos em linhas de distribuição nas proximidades [14].
Na Figura 1.3 está representada uma cava de tensão de 35% com a duração de 100 ms.
Figura 1.3 - Cava de tensão.
Sobretensão Temporária à Frequência Industrial 1.2.3.
As sobretensões temporárias são sobretensões de duração longa que ocorrem num determinado local.
Na Figura 1.4 está representada uma sobretensão momentânea à frequência industrial, onde o valor eficaz da tensão atinge os 270 V durante 100 ms.
As sobretensões temporárias geralmente proveem de um defeito à terra numa rede ou em instalações de clientes, que provocam uma sobretensão temporária à frequência industrial que desaparece com a eliminação do defeito.
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s) 0 -200 -400 200 400 Vrede (V) Tempo (s)
Capítulo 1 - Introdução
Figura 1.4 - Sobretensão temporária à frequência industrial.
Tensões Harmónicas 1.2.4.
Tensões harmónicas são tensões sinusoidais cuja frequência é múltipla da frequência fundamental a que estão sobrepostas. Estas tensões podem ser pares ou ímpares. As tensões harmónicas impares podem ser divididas em três categorias:
Componente direta ou positiva: associada à frequência fundamental, ao 7º harmónico, ao 13º harmónico e aos restantes harmónicos com a mesma sequência de fases que a fundamental.
Componente inversa ou negativa: associado ao 5º harmónico, ao 11º harmónico, ao 17º harmónico e aos restantes harmónicos com a sequência de fases inversa à fundamental.
Componente homopolar ou de sequência zero: associado ao 3º harmónico, ao 9º harmónico, ao 15º harmónico e aos restantes harmónicos onde os vetores têm o mesmo módulo e fase.
A distorção harmónica total ou THD pode ser calculada pela equação (1.1) [14]. Esta pode ser expressa em valor relativo ou em percentagem, sendo a segunda fórmula mais utilizada e expressa pela equação (1.2).
√∑
(1.1)
As tensões harmónicas são usualmente provocadas por cargas não lineares ligadas por clientes. Como o consumo de corrente destas cargas não é sinusoidal, provocam
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s) 0 -200 -400 200 400 Vrede (V) Tempo (s) √∑ (1.2)
Capítulo 1 - Introdução
quedas de tensão não sinusoidais nas impedâncias da rede, dando origem à distorção da forma de onda da tensão.
Na Figura 1.5 está representada a forma de onda medida, numa das fases, da tensão de alimentação do Laboratório do Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho. Numa análise à figura pode ver-se que a forma de onda não é perfeitamente sinusoidal, podendo ver-se principalmente os picos superiores e inferiores achatados.
Figura 1.5 - Forma de onda da tensão no laboratório do Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho [2].
A Figura 1.6 apresenta a distorção harmónica total da forma de onda da Figura 1.5. Na Figura 1.6 (a) a distorção harmónica total é expressa em Volts enquanto que, na Figura 1.6 (b) a THD é expressa em %. Numa análise às figuras pode ver-se que a componente harmónica de sétima ordem (350 Hz) é a que mais se destaca com um valor eficaz de aproximadamente 7,8 V, correspondendo a cerca de 2,2% do valor eficaz da tensão fundamental da rede. A distorção harmónica total é de aproximadamente 2,4%.
(a) (b)
Figura 1.6 - Espetro harmónico da tensão: (a) Amplitude das harmónicas, expressa em Volts; (b) Amplitude das harmónicas, expressa em percentagem da fundamental [2].
A norma NP EN 50160 decreta que, em condições normais para uma semana, 95% dos valores eficazes médios de 10 minutos de cada tensão harmónica não devem
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s) 0 -200 -400 200 400 Vrede (V) Tempo (s) 0 V 2 V 4 V 6 V 8 V 10 V 0 Hz 250 Hz 500 Hz 750 Hz 1000 Hz THD = 7,75 V 324 V 0% 1% 2% 3% 4% 5% 0 Hz 250 Hz 500 Hz 750 Hz 1000 Hz THD% = 2,39% 100%
Capítulo 1 - Introdução
exceder os valores apresentados na Tabela 1.4. Além disso a distorção harmónica total não deve ultrapassar os 8%.
Tabela 1.4 - Valores das harmónicas de tensão até à ordem 25 nos pontos de fornecimento, expressos em percentagem da tensão nominal [2].
Harmónicas ímpares
Harmónicas pares
Não múltiplas de 3 Múltiplas de 3
Ordem h Tensão relativa
(%) Ordem h Tensão relativa (%) Ordem h Tensão relativa (%) 5 7 11 13 17 19 23 25 6,0 5,0 3,5 3,0 2,0 1,5 1,5 1,5 3 9 15 21 5,0 1,5 0,5 0,5 2 4 6…24 2,0 1,0 0,5
Exemplos de Cargas Não Lineares 1.2.5.
Nesta secção serão abordados alguns exemplos de cargas não lineares mais comummente ligadas à rede de distribuição e o seu efeito nas formas de onda tanto na tensão como na forma de onda de corrente.
1.2.5.1. Carga composta por retificador trifásico com filtro RC
Os valores para a impedância de linha foram de 20 mΩ para a resistência e de 70 µH para a indutância. Já o filtro é composto por um condensador de 2 mF em paralelo com uma resistência de 6 Ω. Este tipo de cargas é muito utilizado pois permite converter de corrente alternada para corrente continua a partir de uma rede de alimentação trifásica. A Figura 1.7 mostra o esquema de ligações utilizando a ferramenta de simulação PSIM da Powersim.
Figura 1.7 - Esquema de ligações de um retificador trifásico com carga RC.
A Figura 1.8 mostra as formas de onda da tensão e corrente que alimentam a carga. Numa análise mais cuidada pode ver-se que a corrente tem dois picos a cada semiciclo. Isto acontece porque o condensador se descarrega através da resistência e
Capítulo 1 - Introdução
carrega quando a tensão aos seus terminais é inferior à tensão de alimentação, fenómeno que acontece duas vezes a cada semiciclo. Como a forma de onda da corrente não é sinusoidal aparecem quedas de tensão na impedância de linha que provocam a deformação da forma de onda da tensão.
Figura 1.8 - Formas de onda da tensão e corrente para o retificador trifásico com carga RC.
A Figura 1.9 mostra o espectro harmónico da corrente e da tensão, na qual pode ver-se que não existem harmónicas de sequência zero ou homopolar pois esta carga não tem ligação ao neutro. Os harmónicos de corrente de ordem 5 e 7 tem quase a mesma amplitude que a componente fundamental da corrente. A THD% é aproximadamente de 100,6% para a corrente e de 4,7% para a tensão.
Figura 1.9 - Espectro harmónico e valor de THD% da tensão e da corrente para o retificador trifásico com carga RC.
1.2.5.2. Carga composta por retificador trifásico com filtro RL
Outra carga muito utilizada é composta por um retificador trifásico com filtro RL. O valor da indutância é de 2 mH que é colocada em série com uma resistência de 6 Ω, como pode ser visto na Figura 1.10.
0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 Time (s) 0 -200 -400 200 400 Va (V) Ia (A) Tempo (s) 0 A 28 A 56 A 84 A 112 A 140 A 0 Hz 250 Hz 500 Hz 750 Hz 1000 Hz 0 V 3 V 6 V 9 V 12 V 15 V Tensão THD% = 4,7% Corrente THD% = 100,6% 324 V
Capítulo 1 - Introdução
Figura 1.10 - Esquema de ligações de um retificador trifásico com carga RL.
Numa análise à Figura 1.11 pode ver-se que a forma de onda da corrente não é tão deformada como a da Figura 1.8 mas mantém-se sem ser perfeitamente sinusoidal. Já a forma de onda da tensão parece sinusoidal, no entanto são visíveis uns pequenos
notches nos instantes de entrada em condução dos díodos.
Figura 1.11 - Formas de onda da tensão e corrente para o retificador trifásico com carga RL.
Na Figura 1.12 podem ver-se os harmónicos existentes nas formas de onda na corrente e na tensão (até ao 19º harmónico), Analisando a figura é visível que os valores eficazes dos harmónicos são inferiores aos obtidos no exemplo anterior. A THD% da tensão é de 1,8% e o da corrente é de 28,4%.
Figura 1.12 - Espectro harmónico e valor de THD% da tensão e da corrente para o retificador trifásico com carga RL. 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 Time (s) 0 -200 -400 200 400 Va (V) Ia (A) Tempo (s) 0 A 26 A 52 A 78 A 104 A 130 A 0 Hz 250 Hz 500 Hz 750 Hz 1000 Hz 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V Tensão THD% = 1,8% Corrente THD% = 28,44% 324 V
Capítulo 1 - Introdução
1.2.5.3. Carga composta por retificador monofásico com filtro RC
Este tipo de cargas é muito utilizado por consumidores domésticos. É o esquema básico de um retificador utilizado em praticamente todos os eletrodomésticos. A Figura 1.13 mostra a carga que é composta por um retificador monofásico com filtro capacitivo de 5 mF e uma resistência de 20 Ω.
Figura 1.13 - Esquema de ligações para um retificador monofásico com carga RC.
A forma de onda da tensão e da corrente que alimentam a carga anterior pode ser vista na Figura 1.14.
Figura 1.14 - Formas de onda da tensão e corrente para o retificador monofásico com carga RC.
Como foi explicado anteriormente a corrente existe apenas quando a tensão no condensador é inferior â tensão na entrada. Quando o condensador absorve corrente a forma de onda da tensão fica deformada pois o di/dt é elevado aumentado a queda de tensão na impedância de linha.
Numa análise à Figura 1.15 pode ver-se que a componente homopolar da corrente não tem valor nulo pois esta carga tem ligação ao neutro. Isto é um problema pois o condutor de neutro é de secção inferior que o condutor utilizado nas fases (aplica-se onde a (aplica-secção das fa(aplica-ses é, no mínimo, de 16 mm2 para condutores de cobre e de 25 mm2 para condutores de alumínio, segundo a Portaria Nº949-A/2006 de 11 de Setembro alínea 524.2), fazendo com que este não suporte valores iguais aos dos outros
0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 Time (s) 0 -200 -400 200 400 Va (V) Ia (A) Tempo (s)
Capítulo 1 - Introdução
condutores. O terceiro e quinto harmónico de corrente tem praticamente o mesmo valor eficaz que o da fundamental, resultando num valor de THD% aproximado de 155%, enquanto a tensão apresenta uma THD% de 2,1%.
Figura 1.15 - Espectro harmónico e THD% da tensão e da corrente do retificador monofásico com carga RC.
Motivações
1.3.
Os problemas de qualidade de energia influenciam tanto os consumidores como o produtor de energia. Segundo um estudo feito pela Copper Development Association estima que os problemas de qualidade de energia na União Europeia custam, todos os anos, 10 mil milhões de euros. Segundo o mesmo estudo, com um investimento de 5% desse valor podiam-se mitigar todos os problemas [15].
Sendo esta uma área em forte expansão e com muito trabalho por fazer são fatores relevantes para a escolha deste projeto. Já sobre o trabalho em si como engloba praticamente todas as áreas da eletrónica (programação, hardware, processamento de sinal), é um bom trabalho para por em prática todos os conhecimentos adquiridos no decorrer do curso.
Objetivos e Contribuições
1.4.
Nesta Dissertação é estudado o desempenho de diferentes técnicas de comutação em filtros ativos paralelos de potência. As técnicas de comutação são responsáveis pela sintetização do valor calculado pelo controlador no inversor trifásico de potência. É efetuado um estudo prévio do estado da arte das técnicas de comutação bem como todos os constituintes do filtro ativo paralelo. Depois do estudo são simuladas as várias técnicas e comparado o seu desempenho em duas cargas distintas, que usualmente são ligadas à rede de distribuição. Com as simulações estudadas é abordada a
0 A 15 A 30 A 45 A 60 A 75 A 0 Hz 250 Hz 500 Hz 750 Hz 1000 Hz 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V Tensão THD% = 2,14% Corrente THD% = 155% 324 V
Capítulo 1 - Introdução
implementação prática das técnicas de comutação. Com isso são estudados os resultados e posteriormente comparados com os da simulação.
A implementação prática será efetuada num filtro ativo paralelo desenvolvido anteriormente no GEPE para o projeto SINUS, sendo que este foi adaptado para a implementação das várias técnicas.
Com esta Dissertação pretende-se contribuir para a expansão do conhecimento na área das técnicas de comutação para inversores de potência, testando a sua implementação numa aplicação pratica que, neste caso corresponde a um filtro ativo de potência paralelo.
Organização e Estrutura da Dissertação
1.5.
No capítulo 1 é realizada uma pequena introdução ao tema da qualidade de energia com alguns exemplos de problemas que existem bem como as suas classificações segundo as normas. São apresentados alguns exemplos de cargas que provocam problemas de qualidade de energia bem como a sua análise em termos de forma de onda da tensão e corrente.
No capítulo 2 são abordadas as principais técnicas de comutação que são atualmente utilizadas, bem como uma introdução a inversores trifásicos a dois níveis. Uma introdução é feita para enquadrar as técnicas de comutação.
No capítulo 3 são apresentadas as simulações das técnicas de comutação implementadas. Neste capítulo pode ver-se as formas de onda das correntes de compensação que são calculadas pela técnica de controlo. São comparadas as diferentes técnicas de comutação em termos de THD%.
No capítulo 4 é abordado o hardware utilizado para a implementação prática do filtro ativo de potência paralelo. São estudadas as diversas partes constituintes do filtro ativo paralelo (controlo, potência, comando). A cada secção são explicados os componentes constituintes bem como as razões para a implementação de cada circuito.
No capítulo 5 é descrita a implementação das técnicas de comutação. Neste capítulo serão explicadas as opções tomadas em relação à codificação das técnicas e os passos tomados para a sua implementação.
No capítulo 6 são analisados os resultados experimentais obtidos na implementação prática do filtro ativo de potência. São apresentadas as formas de onda obtidas e os valores de THD% para uma comparação entre as várias técnicas de comutação implementadas.
Capítulo 1 - Introdução
No capítulo 7 são apresentadas conclusões e algumas opiniões sobre o trabalho futuro acerca desta Dissertação. Neste capítulo é feita uma revisão dos capítulos e explicados alguns pontos que podem ser relevantes para desenvolvimentos futuros.
CAPÍTULO 2
Técnicas de Comutação para Conversores de Potência
Introdução
2.1.
Com a massificação na utilização de semicondutores controlados foi necessário desenvolver técnicas de comutação para controlar os semicondutores. Este tipo de componentes são atualmente utilizados nas mais variadas aplicações. O tirístor foi o primeiro deste tipo de semicondutores que, nos anos 50 do século XX contribuiu para a massificação da eletrónica de potência. O transístor é uma evolução do tirístor e permitiu a massificação de eletrónica de consumo, como por exemplo computadores [16], [17].
Neste capítulo são abordadas as diferentes técnicas de comutação para semicondutores controlados. Inicialmente é feita uma nota introdutória aos filtros ativos de potência, tanto no série como no paralelo e suas combinações. São também abordadas as diferentes técnicas de controlo para os filtros ativos. O inversor também é abordado bem como algumas das suas topologias.
Filtros Ativos de Potência
2.2.
Um filtro ativo de potência é um equipamento que permite a mitigação de problemas relacionados com a qualidade de energia. Dependendo do tipo de filtro ativo, este pode resolver problemas relacionados com a corrente (filtro ativo paralelo) ou relacionados com a tensão (filtro ativo série) [18]. Estes equipamentos podem ser divididos em duas componentes: potência e controlo. O andar de potência é constituído por um conversor eletrónico comutado. No barramento DC podem ser utilizadas fontes de alimentação, condensadores ou bobines. No andar de controlo é feito o condicionamento de sinal, os cálculos do controlador, implementada a técnica de comutação. No andar de comando é feito o circuito de driver para os semicondutores de eletrónica de potência.
Capítulo 2 – Técnicas de Comutação para Conversor de Potência
Filtro Ativo Série 2.2.1.
O filtro ativo série permite a mitigação de problemas relacionados com a tensão [4]. Na Figura 2.1 é apresentado o diagrama de blocos de um filtro ativo série.
Figura 2.1 - Diagrama de blocos de um filtro ativo série [1].
O controlador mede as tensões na rede ( , , ), as correntes que atravessam as linhas ( , , ) e a tensão no barramento DC ( ) calculando os valores de compensação que o inversor tem que produzir.
Os valores de compensação são sintetizados através da técnica de comutação pelo inversor e ligado à rede pelos transformadores de isolamento [7].
As tensões geradas pelo filtro ativo série dependem do barramento DC. Se não for utilizada uma fonte de alimentação é necessário um controlador que, nos cálculos dos valores de compensação, considere a queda de tensão para manter o barramento DC regulado. O sistema consegue compensar aceitavelmente harmónicos até 1/10 da frequência de comutação, pelo que é preciso ter em atenção os harmónicos que são precisos compensar, e a frequência máxima a que os semicondutores controlados podem operar [1].
Este equipamento tem como principal aplicação a proteção de cargas que são sensíveis a harmónicos na tensão de alimentação e outros problemas de qualidade de energia relacionados com a tensão.
Filtro Ativo Paralelo 2.2.2.
O filtro ativo paralelo tem o objetivo de resolver problemas relacionados com a corrente do lado do fornecedor de energia para que, a corrente não sinusoidal consumida pelas cargas não lineares não afetem o distribuidor de energia, nem as cargas lineares e não lineares ligadas na proximidade.
