Raul Fernando Silva Almeida
Desenvolvimento de um Filtro Ativo Paralelo
Monofásico Compacto e Didático Utilizando
MOSFETs
R aul F er nando Silv a Almeida outubro de 2013 UMinho | 2013 Desen vol vimento de um F iltro A tiv o P aralelo Monof ásico Compacto e Didático Utilizando MOSFET
s
Universidade do Minho
outubro de 2013
Tese de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de
Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor João Luiz Afonso
Raul Fernando Silva Almeida
Desenvolvimento de um Filtro Ativo Paralelo
Monofásico Compacto e Didático Utilizando
MOSFETs
Universidade do Minho
Agradecimentos
Este trabalho só foi possível graças à preciosa colaboração de algumas pessoas, às quais transmito os mais sinceros agradecimentos:
Ao meu orientador Doutor João Luiz Afonso, pelo empenho, dedicação e interesse demostrado ao longo da execução deste trabalho, bem como pelas sugestões e críticas apresentadas durante a orientação.
Aos meus colegas e amigos, bolseiros de investigação Gabriel Pinto, Vítor Monteiro, Henrique Gonçalves, Delfim Pedrosa, Bruno Exposto, Rui Moreira e Rui Araújo, pelo incondicional espírito de equipa e entreajuda, bem como pelo excelente ambiente vivido no laboratório.
Um especial e marcante agradecimento à minha mãe Maria Lúcia e irmã Susana Patrícia, pelo incondicional apoio e sacrifícios realizados para que eu pudesse completar esta importante etapa.
À Susana por me ter acompanhado em todos os momentos ao longo do desenvolvimento deste trabalho, pela amizade e carinho sempre demostrados.
A todos os alunos que realizaram a dissertação de mestrado no Laboratório de Eletrónica de Potência, pelo apoio constante e bom ambiente de trabalho proporcionado.
Resumo
A crescente modernização dos setores económicos e sociais, a par do aumento da qualidade de vida das pessoas, deve-se em larga escala à crescente utilização de equipamentos eletrónicos, capazes de realizar as mais variadas e complexas tarefas. Estes equipamentos absorvem correntes distorcidas, provocando efeitos prejudiciais à qualidade da energia no sistema elétrico, manifestando-se numa sequela de consequências, como aumento das perdas em diferentes dispositivos ou mesmo o mau funcionamento de determinados equipamentos. No sector industrial podem causar uma diminuição da eficiência na produção, e consequentemente reverter em perdas económicas elevadas.
No seguimento dos trabalhos de investigação na área da Qualidade de Energia Elétrica desenvolvidos pelo Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho, esta dissertação descreve o desenvolvimento de um Filtro Ativo Paralelo monofásico, utilizado para mitigar harmónicas na corrente e o baixo fator de potência. Pretende-se que o equipamento desenvolvido seja o mais eficiente e compacto possível, sendo a utilização de MOSFETs no inversor de potência um dos pontos fulcrais para conquistar esse objetivo. Através da utilização de frequências de comutação elevadas é conseguida a diminuição dos componentes constituintes do mesmo, tornando-o mais compacto e leve. Um dos desígnios deste equipamento é a sua utilização em demostrações públicas da tecnologia, para tal foi desenvolvida uma interface gráfica com o utilizador, onde é possível visualizar formas de onda do sistema, bem como outras variáveis importantes para o entendimento do funcionamento do equipamento e da tecnologia envolvida.
Ao longo deste documento é realizado um levantamento dos vários componentes constituintes do Filtro Ativo Paralelo, por forma a perceber o seu funcionamento, bem como as diversas topologias de hardware e teorias de controlo exequíveis de implementar. De forma a avaliar o funcionamento do Filtro Ativo Paralelo monofásico, são realizadas simulações computacionais, analisando a sua operação para diferentes condições de carga. Por fim, é apresentada toda a implementação prática deste equipamento, terminando com os resultados experimentais.
Palavras-Chave: Qualidade da Energia Elétrica, Filtro Ativo Paralelo Monofásico,
Inversor a MOSFETs, Compensação de Harmónicas, Interface Gráfica com o Utilizador.
Abstract
The growing modernization of economic and social sectors, along with the increase of quality of life, is due in large measure to the growing use of electronics equipment, capable of performing the most varied and complex tasks. These devices absorb distorted currents, causing pernicious effects to the power quality of the electrical system, manifesting itself in several consequences, such as, increased losses on different devices, or even malfunctioning of some equipment. In the industrial sector it may cause a decrease in production efficiency, and consequently revert to high economic losses.
Following the research in the area of Power Quality developed by the Group of Energy and Power Electronics (GEPE), of the University of Minho, this dissertation describes the development of a single-phase Shunt Active Power Filter, used to mitigate current harmonics and low power factor. The main goal is that the developed equipment is as efficient and compact as possible, and for that, the use of MOSFETs in the power inverter is of crucial importance in order to achieve this purpose. Through the use of high switching frequencies is achieved a reduction in the size of the components, making it more compact and lightweight. One of the purposes of this equipment is its use in public technology demonstrations, and in this way, an graphical user interface was developed, where is possible to view the waveforms of the system, as well as other important variables, in order to understand the operation of the equipment and the technology involved.
Throughout this document the various constituent components of the Shunt Active Power Filter are presented, in order to understand its operation, as well as the various hardware topologies and control theories feasible to be implemented. In order to evaluate the performance of the single-phase Shunt Active Power Filter, computational simulations are performed, and its operation is analyzed for different load conditions. Finally, every practical implementation of this equipment is presented, and this dissertation ends with the experimental results.
Keywords: Power Quality, Single-Phase Shunt Active Power Filter, MOSFETs
Índice
Agradecimentos ... v
Resumo ... vii
Abstract ... ix
Lista de Figuras ... xiii
Lista de Tabelas ... xix
Lista de Siglas e Acrónimos ... xxi
CAPÍTULO 1 Introdução ... 1
1.1. Qualidade da Energia Elétrica ... 1
1.2. Definição e Origem das Harmónicas ... 2
1.3. Efeitos das Harmónicas ... 4
1.4. Cargas em Sistemas Monofásicos ... 7
1.5. Motivações ... 12
1.6. Objetivos e Contribuições ... 13
1.7. Organização e Estrutura da Dissertação ... 14
CAPÍTULO 2 Filtro Ativo Paralelo Monofásico ... 15
2.1. Introdução ... 15
2.2. Filtros Ativos de Potência ... 15
2.3. Princípio de Funcionamento do Filtro Ativo Paralelo Monofásico ... 16
2.4. Topologias de Inversores de Potência ... 17
2.4.1. Inversor Fonte de Tensão em Meia Ponte ... 18
2.4.2. Inversor Fonte de Tensão em Ponte Completa ... 20
2.4.3. Inversores Fonte de Tensão Multinível ... 22
2.5. Modulação PWM Sinusoidal para Inversores Monofásicos ... 28
2.6. Estratégias de Controlo para Inversores Fonte de Tensão com Controlo de Corrente ... 30
2.6.1. Comparador com Histerese ... 30
2.6.2. Periodic Sampling ... 31
2.6.3. Controlo PI com Modulação PWM Sinusoidal ... 33
2.6.4. Controlo Preditivo com Modulação PWM Sinusoidal ... 34
2.7. Teorias de Controlo para Filtros Ativos Paralelos ... 37
2.7.1. Método de Fryze-Buchholz-Depenbrock (FBD) ... 37
2.7.2. Teoria p-q ... 38
2.7.3. Método de Cálculo Através da Tensão do Barramento CC ... 40
2.7.4. Método de Cálculo Utilizando a Transformada de Fourrier... 40
2.8. Conclusão ... 42
CAPÍTULO 3 Simulações do Filtro Ativo Paralelo Monofásico ... 43
3.1. Introdução ... 43
3.2. Modelo de Simulação do Filtro Ativo Paralelo Monofásico ... 43
3.3. Sistema de Controlo ... 44
3.3.1. Phase Locked Loop... 46
3.3.2. Teoria de Controlo ... 48
3.3.3. Técnicas de Comutação ... 50
3.4. Filtro Passivo RLC de Saída ... 51
3.5. Compensação do Dead-Time nas Comutações ... 52
Índice
3.7. Resultados de Simulação Obtidos... 56
3.7.1. Retificador com Carga RC ... 56
3.7.2. Retificador com Carga RL ... 60
3.7.3. Retificador com Carga RC e Indutância Série Baixa ... 62
3.7.4. Carga RL ... 64
3.7.5. Operação do FAP com Alteração de Cargas ... 66
3.8. Conclusão... 70
CAPÍTULO 4 Implementação do Filtro Ativo Paralelo Monofásico ... 71
4.1. Introdução ... 71
4.2. Andar de Potência... 72
4.2.1. Inversor em Ponte Completa ... 72
4.2.2. Bobina de Acoplamento à Rede Elétrica ... 75
4.2.3. Placa de Interface do FAP com o Sistema Monofásico ... 76
4.3. Sistema de Controlo ... 77
4.3.1. Sensor de Corrente ... 78
4.3.2. Sensor de Tensão ... 79
4.3.3. Sensor de Temperatura ... 80
4.3.4. Placa de Condicionamento de Sinal, Proteção e Comando ... 80
4.3.5. Placa de Drive e Sensores de Tensão ... 81
4.3.6. Ligação dos Vários Circuitos ... 83
4.3.7. Microprocessador DSP ... 83
4.3.8. Controlo Digital ... 85
4.4. Desenvolvimento da Interface com o Utilizador ... 88
4.4.1. Implementação da Interface Gráfica ... 88
4.4.2. Comunicação entre o DSP e a Interface Gráfica ... 91
4.5. Conclusão... 93
CAPÍTULO 5 Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo ... 95
5.1. Introdução ... 95
5.2. Resultados Obtidos do Filtro Ativo Paralelo ... 96
5.2.1. Regulação do Barramento CC ... 97
5.2.2. Retificador com Carga RC ... 97
5.2.3. Retificador com Carga RL ... 100
5.2.4. Carga RL ... 102
5.2.5. Retificador com Carga RC e Indutância Série Baixa ... 104
5.2.6. Operação do Filtro Ativo Paralelo com Alteração de Cargas ... 106
5.2.7. Rendimento do FAP ... 107
5.3. Resultados Obtidos da Interface Gráfica com o Utilizador ... 108
5.4. Conclusão... 111
CAPÍTULO 6 Conclusão ... 113
6.1. Conclusões ... 113
6.2. Sugestões de Trabalho Futuro ... 116
Referências ... 119
Apêndice I ... 123
Lista de Figuras
Figura 1.1 – Sinal com distorcido e respetivos sinais sinusoidais que o compõem. ... 2
Figura 1.2 – Espetro harmónico do sinal original mostrado na Figura 1.1. ... 2
Figura 1.3 – Distorção harmónica da tensão na carga devido às harmónicas da corrente... 3
Figura 1.4 – Esquema elétrico do circuito LC paralelo. ... 4
Figura 1.5 – Lâmpada incandescente: (a) Forma de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 8
Figura 1.6 – Lâmpada fluorescente compacta: (a) Forma de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 8
Figura 1.7 – Televisão com tecnologia LCD: (a) Forma de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 8
Figura 1.8 – Aspirador no modo máximo de aspiração: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 9
Figura 1.9 – Aspirador no modo mínimo de aspiração: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 9
Figura 1.10 – Secador de cabelo no modo mínimo de funcionamento: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 10
Figura 1.11 – Micro-ondas: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 10
Figura 1.12 – Frigorífico antigo: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 11
Figura 1.13 – Frigorífico moderno: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 11
Figura 1.14 – Computador portátil: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 11
Figura 1.15 – Impressora: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 12
Figura 1.16 – Máquina de Oxigénio: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. ... 12
Figura 2.1 – Diagrama de blocos simplificado da ligação de um FAP monofásico à rede elétrica. ... 16
Figura 2.2 – Diagrama de blocos simplificado da ligação de um FAS monofásico à rede elétrica. ... 16
Figura 2.3 – Diagrama de blocos com os principais constituintes de um FAP monofásico. ... 17
Figura 2.4 – Esquema elétrico do inversor do tipo VSI em meia ponte utilizando MOSFETs. ... 18
Figura 2.5 – Estado 1 de funcionamento do inversor em meia ponte: (a) iout > 0, barramento CC a fornecer energia; (b) iout < 0, barramento CC a receber energia. ... 19
Figura 2.6 – Estado 2 de funcionamento do inversor em meia ponte: (a) iout > 0, barramento CC a fornecer energia; (b) iout < 0, barramento CC a receber energia. ... 20
Figura 2.7 – Esquema elétrico do inversor tipo VSI em ponte completa. ... 20
Figura 2.8 – Estado 1 de funcionamento do inversor em ponte completa: (a) iout > 0, barramento CC a fornecer energia; (b) iout < 0, barramento CC a receber energia... 21
Figura 2.9 – Estado 2 de funcionamento do inversor em ponte completa: (a) iout > 0, barramento CC a receber energia; (b) iout < 0, barramento CC a fornecer energia... 21
Figura 2.10 – Estado 3 de funcionamento do inversor em meia ponte: (a) iout > 0; (b) iout < 0. ... 22
Figura 2.11 – Estado 4 de funcionamento do inversor em meia ponte: (a) iout > 0; (b) iout < 0. ... 22
Lista de Figuras
Figura 2.13 – Inversor do tipo Diode Clamped de 3 níveis. ... 23
Figura 2.14 – Estados de funcionamento do inversor do tipo Diode Clamped: (a) Vout = +Vcc/2 e iout > 0, barramento CC a fornecer energia; (b) Vout = -Vcc/2 e iout < 0, barramento CC a fornecer energia; (c) Vout = 0 V. ... 24
Figura 2.15 – Inversor do tipo Capacitor Clamped de 3 níveis. ... 25
Figura 2.16 – Estados 3 e 4 de funcionamento do inversor Capacitor Clamped: (a) iout > 0; (b) iout < 0. ... 26
Figura 2.17 – Inversor do tipo Cascade Multicell de 5 níveis. ... 27
Figura 2.18 – Tensão de saída do comparador utilizando a modelação PWM... 28
Figura 2.19 – Princípio de funcionamento do inversor com modulação PWM bipolar. ... 29
Figura 2.20 – Princípio de funcionamento do inversor com modulação PWM unipolar. ... 29
Figura 2.21 – Diagrama de blocos do controlo por comparador com histerese. ... 30
Figura 2.22 – Corrente na saída do inversor com controlo com comparador com histerese. ... 31
Figura 2.23 – Diagrama de blocos do controlo periodic sampling... 32
Figura 2.24 – Corrente na saída do inversor com controlo periodic sampling, frequência máxima de 20 kHz. ... 32
Figura 2.25 – Corrente na saída do inversor com controlo periodic sampling, frequência máxima de 100 kHz... 32
Figura 2.26 – Diagrama de blocos do controlo PI com modulação PWM bipolar. ... 33
Figura 2.27 – Corrente de referência e corrente de saída de um inversor controlado por corrente, utilizando o controlo PI: (a) Vista geral das correntes; (b) Vista pormenorizada da resposta da corrente de saída a uma variação brusca na corrente de referência. ... 34
Figura 2.28 – Esquema elétrico do inversor em ponte completa ligado à rede elétrica. ... 34
Figura 2.29 – Corrente de referência e corrente de saída de um inversor controlado por corrente, utilizando o controlo preditivo: (a) Vista geral das correntes; (b) Vista pormenorizada da resposta da corrente de saída a uma variação brusca na corrente de referência. ... 36
Figura 2.30 – Circuito equivalente da carga utilizando a teoria FBD. ... 37
Figura 2.31 – Fluxo de potência num sistema elétrico monofásico com carga não linear a ser compensada pelo FAP. ... 39
Figura 2.32 – Diagrama de blocos do controlo pela tensão do barramento CC. ... 40
Figura 3.1 – Modelo de simulação do FAP monofásico no software PSIM. ... 44
Figura 3.2 – Bloco de simulação em linguagem C e respetivo ambiente de programação. ... 45
Figura 3.3 – Sinal de comando dos MOSFETs com atualização no incremento e decremento da portadora triangular. ... 45
Figura 3.4 – Diagrama de blocos da PLL com ajuste de fase e amplitude. ... 46
Figura 3.5 – Sinal de entrada (tensão da rede no laboratório de eletrónica de potência) e correspondente sinal de saída da PLL: (a) Vista do ajuste da fase e amplitude do sinal de saída da PLL; (b) Vista pormenorizada do sinal de entrada e saída da PLL. ... 47
Figura 3.6 – Resposta da PLL a uma variação de amplitude do sinal de entrada. ... 47
Figura 3.7 – Diagrama de blocos da implementação do controlo FBD. ... 48
Figura 3.8 – Teste ao funcionamento da teoria de controlo FBD: (a) Tensão da rede e corrente absorvida por uma carga não linear; (b) Corrente de compensação calculada pelo método FBD. ... 49
Figura 3.9 – Corrente teórica na fonte em virtude da corrente de compensação calculada. ... 49
Figura 3.10 – Diagrama de blocos do controlo PI com modelação PWM unipolar. ... 50
Figura 3.11 – Diagrama de blocos do controlo preditivo com modelação PWM unipolar. ... 50
Lista de Figuras
Figura 3.13 – Resposta em frequência e diagrama de fase do filtro passa-baixo. ... 52 Figura 3.14 – Sinais de gate dos MOSFETs de um braço do inversor em ponte completa, e
respetiva tensão de saída com efeito do dead-time. ... 52 Figura 3.15 – Corrente sinusoidal injetada na rede com controlo preditivo: (a) Sem compensação
do efeito do dead-time; (b) Com compensação do efeito do dead-time. ... 53 Figura 3.16 – Fases da regulação da tensão nos condensadores do barramento CC do inversor. ... 54 Figura 3.17 – Corrente no FAP e tensão da rede nos três estágios da regulação do barramento CC:
(a) Na pré-carga dos condensadores; (b) No by-pass do relé, ligado diretamente à rede; (c) A regular a tensão nos condensadores. ... 55 Figura 3.18 – Esquema elétrico do sistema simulado no PSIM. ... 56 Figura 3.19 – Esquema elétrico da carga utilizada na simulação (retificador em carga RC). ... 57 Figura 3.20 – Formas de onda da corrente e tensão na fonte do sistema monofásico (retificador
com carga RC): (a) FAP desligado; (b) FAP ligado com controlo preditivo. ... 57 Figura 3.21 – Formas de onda no sistema monofásico (retificador com carga RC), quando é ligado
o FAP: (a) Tensão e corrente na fonte; (b) Correntes de referência e de compensação, com
controlo preditivo. ... 58 Figura 3.22 – Tensão no condensador do barramento CC do inversor do FAP. ... 58 Figura 3.23 – Espetro harmónico da corrente na fonte do sistema (retificador com carga RC): (a)
FAP desligado, THD = 37,9%; (b) FAP ligado com controlo preditivo, THD = 0,69%... 59 Figura 3.24 – Forma de onda da corrente e tensão na fonte do sistema monofásico (retificador
com carga RC), com o FAP ligado utilizando o controlo PI. ... 59 Figura 3.25 – Esquema elétrico da carga utilizada na simulação (retificador em carga RL). ... 60 Figura 3.26 – Formas de onda da corrente e tensão na fonte do sistema monofásico (retificador
com carga RL): (a) FAP desligado; (b) FAP ligado com controlo preditivo. ... 60 Figura 3.27 – Formas de onda no sistema (retificador com carga RL), quando é ligado o FAP: (a)
Tensão e corrente na fonte; (b) Correntes de referência e de compensação, com controlo
preditivo. ... 61 Figura 3.28 – Espetro harmónico da corrente na fonte do sistema (retificador com carga RL): (a)
FAP desligado, THD = 39,8%; (b) FAP ligado com controlo preditivo, THD = 0,98%... 61 Figura 3.29 – Forma de onda da corrente e tensão na fonte do sistema monofásico (retificador
com carga RL), com o FAP ligado utilizando o controlo PI. ... 62 Figura 3.30 – Formas de onda da corrente e tensão na fonte do sistema monofásico (retificador
com carga RL e indutância série baixa): (a) FAP desligado; (b) FAP ligado com controlo
preditivo. ... 63 Figura 3.31 – Formas de onda no sistema (retificador com carga RC e indutância série baixa),
quando é ligado o FAP: (a) Tensão e corrente na fonte; (b) Correntes de referência e de
compensação, com controlo preditivo. ... 63 Figura 3.32 – Espetro harmónico da corrente na fonte do sistema (retificador com carga RC e
indutância série baixa): (a) FAP desligado, THD = 119,4%; (b) FAP ligado com controlo
preditivo, THD = 2,0%. ... 64 Figura 3.33 – Esquema elétrico da carga utilizada na simulação (carga RL)... 65 Figura 3.34 – Formas de onda no sistema (carga RL), quando é ligado o FAP: (a) Tensão e
corrente na fonte; (b) Correntes de referência e de compensação, com controlo preditivo. ... 65 Figura 3.35 – Esquema elétrico das duas cargas utilizadas nesta simulação... 66 Figura 3.36 – Correntes no sistema monofásico com a alteração de cargas, utilizando a
compensação do FAP: (a) Corrente na carga; (b) Corrente na fonte; (c) Corrente de referência e de compensação injetada pelo FAP. ... 67 Figura 3.37 – Tensão no barramento CC no instante em que é ligada a segunda carga ao sistema... 68
Lista de Figuras
Figura 3.38 – Formas de onda das correntes no sistema, com limitação da corrente do FAP: (a) Corrente na fonte com o FAP ligado; (b) Corrente de referência e de compensação no FAP,
limitada aos 30 A. ... 68
Figura 3.39 – Formas de onda da corrente no sistema: (a) Na carga, com saída de uma das cargas no sistema monofásico; (b) Na fonte com compensação do FAP. ... 69
Figura 3.40 – Tensão no barramento CC no instante em que é desligada uma das cargas do sistema. ... 69
Figura 4.1 – Diagrama de blocos dos elementos constituintes do FAP monofásico. ... 71
Figura 4.2 – Esquema elétrico do inversor em ponte completa desenvolvido. ... 72
Figura 4.3 – MOSFET IRFPS40N60K (Fonte: Vishay): (a) Encapsulamento; (b) Símbolo elétrico. ... 73
Figura 4.4 – Vista superior do inversor desenvolvido para o FAP monofásico. ... 73
Figura 4.5 – Vista inferior do inversor desenvolvido para o FAP monofásico. ... 74
Figura 4.6 – Inversor instalado no dissipador de calor. ... 74
Figura 4.7 – Condensadores constituintes do barramento CC do inversor. ... 75
Figura 4.8 – Gráfico do valor da indutância em função da Corrente (Fonte: Micrometals). ... 76
Figura 4.9 – Bobinas de acoplamento à rede com núcleos de pó de ferro. ... 76
Figura 4.10 – Esquema elétrico do circuito de interface entre o FAP e a rede elétrica. ... 77
Figura 4.11 – Placa desenvolvida para o interface entre o FAP, carga e rede elétrica. ... 77
Figura 4.12 – Sensor de efeito de Hall utilizado para medição das correntes do sistema (Fonte: LEM): (a) Aspeto físico; (b) Esquema elétrico... 78
Figura 4.13 – Sensor de tensão utilizado para medição das tensões do sistema: (a) Aspeto físico; (b) Esquema elétrico (Fonte: Chang Yang). ... 79
Figura 4.14 – Modelo elétrico do sensor de temperatura LM35 (Fonte: Texas Instruments). ... 80
Figura 4.15 – Placa de condicionamento de sinal, proteção e comando desenvolvida. ... 81
Figura 4.16 – Diagrama de blocos do driver ADUM3223 (fonte: Analog Device). ... 82
Figura 4.17 – Placa de drive e dos sensores de tensão. ... 82
Figura 4.18 – Implementação do sistema de controlo e inversor. ... 83
Figura 4.19 – Placa do DSP da Texas Instruments TMS320F28335. ... 84
Figura 4.20 – DSP TMS320F28335 inserido na placa de desenvolvimento da Texas Instruments. ... 84
Figura 4.21 – Placa do DAC. ... 85
Figura 4.22 – Diagrama de blocos da sequência de operações no controlo digital. ... 85
Figura 4.23 – Diagrama da máquina de estados do controlo do FAP... 86
Figura 4.24 – Fluxograma geral do sistema de controlo... 87
Figura 4.25 – Diagrama de blocos do processo de paragem de emergência do FAP. ... 87
Figura 4.26 – Aspeto gráfico do IDE de desenvolvimento Qt Creator. ... 88
Figura 4.27 – Página inicial quando se corre a interface gráfica. ... 89
Figura 4.28 – Aspeto gráfico do modo “Scope” selecionado. ... 90
Figura 4.29 – Aspeto gráfico do modo “Harmonics” selecionado. ... 91
Figura 4.30 – Aspeto gráfico do modo “Elearning” selecionado. ... 91
Figura 4.31 – Fluxograma da gestão da interface gráfica por parte do DSP. ... 92
Figura 5.1 – Vista geral da bancada de ensaios do FAP monofásico. ... 95
Figura 5.2 – Vista pormenorizada do FAP monofásico desenvolvido. ... 96
Lista de Figuras
Figura 5.4 – Retificador com carga RC ligado ao sistema monofásico, sem compensação do FAP: (a) Tensão e corrente na fonte (vS: 20V/div; iS: 10A/div); (b) Espetro harmónico da corrente
na fonte. ... 98 Figura 5.5 – Tensão e corrente na fonte com a compensação do FAP monofásico, retificador com
carga RC (vS: 20V/div; iS: 10A/div): (a) Utilizando o controlo preditivo; (b) Utilizando o
controlo PI. ... 98 Figura 5.6 – Espetro harmónico resultante da corrente da fonte após a compensação do FAP
(retificador com carga RC): (a) Com controlo preditivo; (b) Com controlo PI. ... 99 Figura 5.7 – Fator de potência total e potências no sistema monofásico (retificador com carga RC):
(a) Sem compensação do FAP; (b) Com compensação do FAP. ... 99 Figura 5.8 – Resposta transitória do FAP quando é iniciada a compensação (retificador com carga
RC): (a) Tensão e corrente na fonte (vS:20V/div; iS:10A/div); (b) Corrente de referência e de
compensação (iF e iF_ref:5A/div)... 100
Figura 5.9 – Espetro harmónico da tensão da rede elétrica (retificador com carga RC): (a) Sem o
FAP a compensar; (b) Com o FAP a compensar. ... 100 Figura 5.10 – Retificador com carga RL ligado ao sistema monofásico, sem compensação do FAP:
(a) Tensão e corrente na fonte (vS: 20V/div; iS: 10A/div); (b) Espetro harmónico da corrente
na fonte. ... 101 Figura 5.11 – Tensão e corrente na fonte com a compensação do FAP monofásico, retificador com
carga RL (vS:20V/div; iS:10A/div): (a) Utilizando o controlo preditivo; (b) Utilizando o
controlo PI. ... 101 Figura 5.12 – Espetro harmónico resultante da corrente da fonte após a compensação do FAP
(retificador com carga RL): (a) Com controlo preditivo; (b) Com controlo PI. ... 102 Figura 5.13 – Potências e fator de potência total no sistema (retificador com carga RL): (a) Sem
compensação do FAP; (b) Com compensação do FAP. ... 102 Figura 5.14 – Sistema monofásico com carga RL, sem compensação do FAP: (a) Tensão e
Corrente na fonte (vS:20V/div; iS:10A/div); (b) Espetro harmónico da corrente absorvida pela
carga. ... 102 Figura 5.15 – Tensão e corrente na fonte com a compensação do FAP monofásico, carga RL
(vS:20V/div; iS:10A/div): (a) Utilizando o controlo preditivo; (b) Utilizando o controlo PI. ... 103
Figura 5.16 – Espetro harmónico resultante da corrente da fonte após a compensação do FAP
(carga RL): (a) Com controlo preditivo; (b) Com controlo PI... 103 Figura 5.17 – Resposta transitória do FAP quando é iniciada a compensação (carga RL): (a)
Tensão e Corrente na fonte (vS:20V/div; iS:10A/div); (b) Corrente de referência e de
compensação (iF e iF_ref:5A/div)... 104
Figura 5.18 – Espetro harmónico resultante da corrente da fonte após a compensação do FAP
(carga RL): (a) Com controlo preditivo; (b) Com controlo PI... 104 Figura 5.19 – Retificador com carga RC e indutância série baixa ligado ao sistema monofásico,
sem compensação do FAP: (a) Tensão e corrente na fonte (vS: 20V/div; iS: 10A/div);
(b) Espetro harmónico da corrente na fonte. ... 105 Figura 5.20 – Tensão e corrente na fonte com a compensação do FAP monofásico, retificador com
carga RC e indutância série baixa (vS:20V/div; iS:10A/div): (a) Utilizando o controlo
preditivo; (b) Utilizando o controlo PI... 105 Figura 5.21 – Espetro harmónico resultante da corrente da fonte após a compensação do FAP
(retificador com carga RC e indutância série baixa): (a) Com controlo preditivo; (b) Com
controlo PI. ... 106 Figura 5.22 – Resposta transitório ao início da compensação FAP (retificador com carga RC e
indutância série baixa), com controlo PI (vS:20V/div; iS:10A/div; iF e iF_ref:5A/div). ... 106
Figura 5.23 – Alteração de cargas ligádas ao sistema monofásico: (a) Tensão e corrente na fonte
(vS:20V/div; iS:10A/div); (b) Corrente na carga (iL:5A/div). ... 107
Lista de Figuras
Figura 5.25 – Tensão e corrente na fonte (retificador com carga RL): (a) Sem compensação do
FAP; (b) Com compensação do FAP... 108 Figura 5.26 – Fotografia tirada ao wattímetro, Zimmer LMG95, instalado no sistema monofásico:
(a) A montante do FAP; (b) A jusante do FAP. ... 108 Figura 5.27 – Tensão e corrente na fonte do sistema monofásico sem compensação do FAP: (a)
No modo “Scope” da interface gráfica; (b) No analisador de QEE Fluke 435. ... 109 Figura 5.28 – Formas de onda no modo “Scope”, com o FAP ligado. ... 109 Figura 5.29 – Formas de onda do sistema monofásico com o FAP a compensar: (a) Corrente e
tensão na fonte; (b) Corrente no FAP. ... 110 Figura 5.30 – Gráfico do espetro harmónico da corrente na fonte sem compensação do FAP: (a)
Na interface gráfica; (b) No Fluke 435. ... 110 Figura 5.31 – Gráfico do espetro harmónico da corrente na fonte com compensação do FAP: (a)
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Estados válidos de funcionamento do inversor em meia ponte. ... 19
Tabela 2.2 – Estados válidos de funcionamento do inversor em ponte completa. ... 21
Tabela 2.3 – Estados válidos de funcionamento do inversor multinível do tipo Diode Clamped. ... 24
Tabela 2.4 – Estados válidos de funcionamento do inversor multinível do tipo Capacitor Clamped. ... 25
Tabela 2.5 – Estados válidos de funcionamento do inversor do tipo Cascade Multicell de 5 níveis. ... 27
Tabela 3.1 – Valores dos componentes utilizados nas simulações. ... 56
Tabela 3.2 – Valores dos componentes utilizados na carga (retificador com carga RC). ... 57
Tabela 3.3 – Valor eficaz, THD, e fator de potência total no sistema monofásico (retificador com carga RC), com o FAP ligado utilizando o controlo preditivo. ... 59
Tabela 3.4 – Valor eficaz, THD, e fator de potência total no sistema monofásico (retificador com carga RC), com o FAP ligado utilizando o controlo PI. ... 59
Tabela 3.5 – Valores dos componentes utilizados na carga (retificador com carga RL). ... 60
Tabela 3.6 – Valor eficaz, THD, e fator de potência total no sistema monofásico (retificador com carga RL), com o FAP ligado utilizando o controlo preditivo. ... 61
Tabela 3.7 – Valor eficaz, THD, e fator de potência total no sistema monofásico (retificador com carga RL), com o FAP ligado utilizando o controlo PI. ... 62
Tabela 3.8 – Valores dos componentes utilizados na carga (retificador com carga RC e indutância série baixa). ... 62
Tabela 3.9 – Valor eficaz, THD, e fator de potência total no sistema monofásico (retificador com carga RC e indutância série baixa), com o FAP ligado utilizando o controlo preditivo. ... 64
Tabela 3.10 – Valor eficaz, THD, e fator de potência total no sistema monofásico (retificador com carga RC e indutância série baixa), com o FAP ligado utilizando o controlo PI. ... 64
Tabela 3.11 – Esquema elétrico da carga utilizada na simulação (carga RL). ... 65
Tabela 3.12 – Valor eficaz, THD, e fator de potência total no sistema monofásico (carga RL), com o FAP ligado utilizando o controlo preditivo. ... 66
Tabela 3.13 – Valores dos componentes utilizados nas duas cargas. ... 66
Lista de Siglas e Acrónimos
ADC Analog to Digital Converter
CC Corrente Contínua
CSI Current Source Inverter
DAC Digital to Analog Converter
DFT Discrete Fourier Transform
DSP Digital Signal Processor
FAP Filtro Ativo de Paralelo
FAS Filtro Ativo Série
FBD Fryze-Buchholz-Depenbrock
FFTW Fastest Fourier Transform in the West
GEPE Grupo de Eletrónica de Potência e Energia
GPIO General Propose Input Output
IDE Integrated Development Environment
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
ISR Interrupt Service Routine
JTAG Join Test Action Group
MIT Massachusetts Institute of Technology
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
PCB Printed Circuit Board
PCC Point of Common Coupling
PI Proporcional Integral
PLL Phase Locked Loop
PWM Pulse With Modulation
QEE Qualidade de Energia Elétrica
Lista de Siglas e Acrónimos
RMS Root Mean Square
SCI Serial Communication Interface
SoC System on Chip
THD Total Harmonic Distortion
USB Universal Serial Bus
CAPÍTULO 1
Introdução
1.1. Qualidade da Energia Elétrica
A energia elétrica tem sido o grande motor para o crescimento da economia global, a par com o aumento da qualidade de vida das pessoas. Esta energia, há muito tempo se tornou fundamental para todos os setores de atividade económica e social.
Devido aos enormes benefícios da energia elétrica e sua utilização em massa no nosso quotidiano, tornou-se essencial que o seu fornecimento aos consumidores fosse efetuado com boa qualidade, para um correto e eficiente funcionamento dos equipamentos cada vez mais sensíveis e complexos alimentados com esta energia.
Quando surgiu o conceito de Qualidade da Energia Elétrica (QEE), somente eram indiciados problemas no fornecimento contínuo da energia elétrica [1-2], ou seja, que a tensão e frequência se mantivessem dentro de determinados limites. Contudo, com a grande evolução dos equipamentos e sistemas cada vez mais sofisticados conectados à rede elétrica, este conceito tem vindo a sofrer alterações [3]. Esses equipamentos originaram problemas anteriormente não conhecidos, devido aos seus consumos de energia de forma não linear. Atualmente, além da continuidade do fornecimento da energia elétrica tem-se considerado aspetos como a qualidade do sinal fornecido. Este especto é mais difícil de detetar aos olhos do consumidor, sendo normalmente apenas percebido através de falhas e mau funcionamento de certos equipamentos.
Com base nestes problemas têm surgido vários estudos do impacto da QEE na economia, apesar dos números de estudos distintos resultarem em valores bastante diferentes, todos apresentam em comum prejuízos de dezenas de milhares de milhões de euros [4-5]. Devido a este facto, a comunidade científica tem alocado recursos na investigação de várias soluções com o propósito de mitigar os problemas de QEE, reduzindo assim os prejuízos contabilizados.
Por forma a regular e definir os problemas de QEE existem uma série de entidades normativas, na União Europeia foi criada a IEC (International Electrotechnical
Commission), o CISPR (Comité International Spécial des Perturbations
Capítulo 1 – Introdução
1.2. Definição e Origem das Harmónicas
Segundo o Teorema de Fourier um qualquer sinal periódico pode ser representado por uma série de sinais sinusoidais, apelidados de harmónicas, com frequências múltiplas da frequência fundamental. Na Figura 1.1 pode-se ver um sinal distorcido e a sua respetiva decomposição em vários sinais sinusoidais, com frequências múltiplas da frequência fundamental e com diferentes amplitudes.
Figura 1.1 – Sinal com distorcido e respetivos sinais sinusoidais que o compõem.
Para a quantificação da distorção harmónica utiliza-se o conceito da THD (Total Harmonic Distortion), esta corresponde à razão entre a parcela dos valores eficazes das diferentes harmónicas de um sinal distorcido, em relação ao valor eficaz da componente fundamental desse sinal (equação (1.1)), podendo tomar valores superiores a 100%.
) ( 1 2 ) ( 2 ) ( 3 2 ) ( 2 ) ( 1 2 2 ) ( .... 100 (%) RMS RMS n RMS RMS RMS n RMS n I I I I I I THD
(1.1)Uma forma bastante útil para analisar um sinal com harmónicas é recorrer à análise espectral, onde o sinal é convertido para o domínio das frequências, sendo assim possível analisar cada harmónica individualmente. Na Figura 1.2 é mostrado o espetro harmónico do sinal apresentado na Figura 1.1, como se pode verificar são apresentadas as várias frequências que concebem o sinal original, e o respetivo valor percentual da amplitude em relação à harmónica fundamental.
Capítulo 1 – Introdução
As harmónicas são o problema mais recente e popular de QEE, a presença destas na corrente ou tensão traduz-se numa distorção do sinal sinusoidal. O aparecimento deste problema na corrente deve-se à grande evolução dos semicondutores de potência [6], utilizados em quase todos os equipamentos ligados atualmente à rede elétrica. Estes permitem um controlo cada vez mais preciso e eficiente do fluxo de energia entre sistemas, em contrapartida as cargas que possuem sistemas de eletrónica de potência absorvem correntes não sinusoidais, causando assim o aparecimento de harmónicas.
Com o aparecimento das harmónicas na corrente surge outro problema que se deve à impedância de linha da rede elétrica. Como ilustrado na Figura 1.3, a tensão da rede elétrica, vS, é sinusoidal, mas como a carga ligada ao sistema é não-linear, a
corrente da fonte, iS, possui harmónicas. Esta ao percorrer a impedância de linha faz
com que a queda de tensão na mesma, vz, seja distorcida, provocando assim a aparecimento de harmónicas na tensão da carga, vL.
Figura 1.3 – Distorção harmónica da tensão na carga devido às harmónicas da corrente.
A presença de harmónicas na corrente altera o conceito geralmente utilizado do fator de potência, este é definido como o ângulo entre a tensão e a corrente fundamental, sendo válido para o caso em que não existam harmónicas. O fator de potência é expresso como a razão entre a potência ativa e a potência aparente do sistema monofásico (equação (1.2)). ) cos( ) cos( 1 1 1 1 I U I U S P FP (1.2)
Com a presença de harmónicas na corrente, o fator de potência passa a ser calculado tendo em consideração a corrente eficaz resultante de todas as harmónicas, que contribuem apenas para o aumento da potência aparente. Nestas circunstâncias o fator de potência passa a ser designado por fator de potência total (equação (1.3)).
) cos( ) cos( ) cos( 1 2 2 3 2 2 2 1 1 1 1 n I I I I I I U I U S P FPT (1.3) Carga Rede Elétrica
v
Sv
Li
Sv
ZCapítulo 1 – Introdução
1.3. Efeitos das Harmónicas
As harmónicas de corrente e tensão conduzem a uma série de consequências prejudiciais à instalação elétrica e aos próprios equipamentos conectados a esta [7]. Tais como o aumento de perdas, perturbações ao funcionamento de cargas sensíveis, ineficácia de atuação de sistemas de proteção, perturbação de redes de dados (internet, telefone), entre outras. Nesta secção vão ser brevemente apresentadas algumas das principais consequências das harmónicas em sistemas elétricos.
Efeito em condensadores
Numa instalação elétrica, principalmente em meios industriais, predominam elementos de natureza indutiva, são estes as próprias linhas da instalação elétrica, transformadores, motores, entre outros. Muitas vezes torna-se necessário recorrer a bancos de condensadores para diminuir o fator de potência da instalação. Com a presença destes dois elementos na mesma instalação, e com a existência de frequências elevadas na corrente e na tensão devido às harmónicas, podem surgir fenómenos de ressonância. Estes traduzem-se numa ampliação do valor de algumas harmónicas presentes na corrente ou tensão [7], podendo ser prejudiciais ao funcionamento de alguns equipamentos, em especial aos próprios bancos de condensadores. Na Figura 1.4 encontra-se o esquema elétrico de um circuito LC paralelo capaz de provocar um fenómeno de ressonância.
L
C
Figura 1.4 – Esquema elétrico do circuito LC paralelo.
A impedância do circuito LC é dada pela equação (1.4), neste circuito a ressonância acontece quando a impedância do circuito tende para infinito, para isso acontecer o denominador 1LC2 tem de tender para zero. A frequência de ressonância do circuito é dada pela equação (1.5).
2 1 LC jL Z (1.4) LC f 2 1 (1.5)
Capítulo 1 – Introdução
Efeito em condutores
Nos condutores de uma instalação elétrica a presença de corrente com harmónicas provoca um aumento nas perdas por efeito de joule. Estas perdas devem-se em primeira instância ao aumento do valor eficaz da corrente, consequentemente, maiores são as perdas devido à resistência intrínseca ao condutor.
Em segundo lugar, o facto de existirem harmónicas na corrente com frequências elevadas reflete-se num aumento do efeito pelicular [8], este efeito ocorre em condutores tubulares, quando percorridos por corrente alternada. Essa condução de corrente tende a ser efetuada na periferia do condutor, assim, a secção efetiva do condutor que é percorrida pela corrente diminui, aumentando a resistência do mesmo, provocando consequentemente um aumento das perdas por efeito de joule. Quanto maior for a frequência da corrente e a secção do condutor, maior proporção tem o efeito pelicular.
Por último, o efeito de proximidade [8] também é afetado pela presença de harmónicas nos condutores. Este efeito deve-se aos campos magnéticos do condutor que distorcem a distribuição da corrente em condutores próximos deste, agravando-se com a presença de harmónicas na corrente.
Efeito nos condutores de neutro em sistemas trifásicos
No caso de sistemas trifásicos, a corrente que circula no neutro resulta da soma vetorial da corrente nas três fases (equação (1.6)). Se o sistema for equilibrado, ou seja, a corrente consumida nas três fases apresenta o mesmo valor, a corrente no neutro vai se anular devido ao ângulo de desfasamento entre estas. Já no caso da corrente da carga possuir terceira harmónica, esta tem a particularidade de apresentar o mesmo ângulo nas três fases do sistema trifásico (equação (1.7)), o mesmo acontece com harmónicas múltiplas da terceira. Devido a este facto, as correntes de terceira harmónica e múltiplas desta somam-se no neutro. Com isto, a corrente no neutro pode assumir valores muito elevados, por vezes maiores que a própria corrente nas fases.
) 3 2 sin( ) 3 2 sin( ) sin( 1 1 1 1 1 1 t I i t I i t I i p c p b p a (1.6)
Capítulo 1 – Introdução ) 2 3 sin( ) 2 3 sin( ) 3 sin( 3 3 3 3 3 3 t I i t I i t I i p c p b p a (1.7)
Como as correntes num sistema equilibrado sem harmónicos se anulam, muitas das instalações trifásicas possuem um fio de neutro com uma secção menor que as fases. Com o aparecimento de terceira harmónica este fio pode estar subdimensionado para a instalação, o que pode provocar o seu aquecimento e possível rompimento do isolamento elétrico.
Efeito em transformadores
A distorção harmónica na corrente e tensão provoca sérios problemas ao bom funcionamento dos transformadores de potência [9]. Um dos problemas é o aumento da vibração, esta vibração resulta do movimento provocado pela variação do fluxo magnético nas chapas de ferro que constituem o núcleo do transformador. Com o aumento da frequência da variação do fluxo magnético, devido às harmónicas, a vibração aumenta, aumentando por sua vez o ruido audível.
Outro problema das harmónicas nos transformadores é o aumento das perdas por efeito de joule e magnéticas. As perdas por efeito de joule ocorrem nos enrolamentos do transformador da mesma forma como as perdas nos condutores mencionados anteriormente, sobreaquecendo os enrolamentos. Nas perdas magnéticas, as correntes de Foucault também se agravam devido à maior dispersão magnética provocada pelas harmónicas, provocando assim um maior aquecimento do núcleo do transformador. Da mesma forma também existe um aumento das perdas por histerese, estas são devidas à energia necessária para magnetizar o material do núcleo.
Devido a todos estes problemas a que os transformadores estão sujeitos na presença de harmónicas, tanto na tensão como na corrente, o seu tempo de vida pode ser bastante reduzido. Para combater este problema foi desenvolvido o conceito de K-Factor e Factor K [10]. O K-Factor é dado na fabricação do transformador, significa que este suporta uma certa percentagem de cargas não lineares. Já o Factor K representa uma forma de desclassificar transformadores que já se encontram em utilização numa dada instalação, reduzindo assim a potência nominal a que este pode operar, sendo este valor inferior ao atribuído inicialmente na sua conceção.
Capítulo 1 – Introdução
Efeito em sinais de telecomunicações
As harmónicas podem degradar sinais de correntes fracas devido a perturbações indutivas, como os sinais de telecomunicações [7]. Por vezes pode ser necessário aumentar a distância entre cabos de potência e os cabos de sinal.
Efeito nos sistemas de proteção
Em certos sistemas de proteção, o corte no fornecimento de energia pode ser dificultado devido a uma elevada concentração de harmónicas na corrente [7]. Este facto deve-se às elevadas frequências e aos elevados valores de di/dt que podem acorrer durante a transição na passagem por zero, dificultando assim a interrupção do sistema.
Outro problema associado às harmónicas da corrente em sistemas de proteção deve-se à existência de sinais com elevados picos de corrente, mas com valores eficazes reduzidos, característicos de algumas cargas, como por exemplo equipamentos de escritórios (computadores, impressoras, entre outros). Esses valores elevados da corrente de pico podem levar ao disparo intempestivo de sistemas de proteção mais sensíveis, apesar do valor eficaz ser baixo. Em sistemas de proteção termomagnéticos pode ainda um existir sobreaquecimento relacionado com o elevado conteúdo harmónico, levando estes dispositivos a atuar de forma indevida.
1.4. Cargas em Sistemas Monofásicos
As harmónicas na corrente encontram-se presentes em praticamente todos os equipamentos eletrónicos utilizados atualmente no nosso quotidiano. Nesta secção vão ser apresentadas formas de onda da corrente e tensão, bem como o espetro harmónico da corrente em cargas de uso comum em habitações e escritórios. As medições foram realizadas recorrendo a um analisador de Qualidade da Energia Elétrica, o Fluke 435.
Como foi referido anteriormente, a evolução dos semicondutores de potência tem permitido o desenvolvimento de equipamentos mais eficientes, em contrapartida a corrente absorvida passa a ser distorcida. Um bom exemplo disso são as lâmpadas de iluminação, antigamente eram utilizadas lâmpadas incandescentes que consumiam corrente sinusoidal, como se pode constatar na Figura 1.5 (a), esta apenas apresenta as harmónicas que se encontram na tensão da rede elétrica (Figura 1.5 (b)). Em contrapartida a sua eficiência é muito baixa. Atualmente as lâmpadas, como as fluorescentes compactas, já possuem eficiências muito elevadas, o reverso da moeda é a elevada distorção harmónica presente na corrente absorvida (Figura 1.6 (a)). Na Figura 1.6 (b) pode-se observar o elevado conteúdo harmónico presente na corrente.
Capítulo 1 – Introdução
(a) (b)
Figura 1.5 – Lâmpada incandescente: (a) Forma de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
(a) (b)
Figura 1.6 – Lâmpada fluorescente compacta: (a) Forma de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
Um equipamento muito utilizado numa habitação nos tempos modernos é a televisão. Na Figura 1.7 (a) pode-se ver a forma de onda da corrente e tensão de uma televisão com tecnologia LCD. A corrente possui uma forma muito distorcida. Na Figura 1.7 (b) é apresentado o espetro harmónico da corrente, onde se pode constatar a presença de muitas componentes harmónicas, algumas com amplitudes próximas à amplitude da fundamental, a THD apresenta um valor elevado de 133,1%. Por outro lado o consumo de energia é muito baixo, influenciando pouco a THD total do sistema monofásico.
(a) (b)
Figura 1.7 – Televisão com tecnologia LCD: (a) Forma de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
Capítulo 1 – Introdução
Algumas cargas utilizadas numa habitação são constituídas por componentes que consomem corrente linear, como por exemplo secadores de cabelo, aquecedores, aspiradores, entre outros. Atualmente os mesmos utilizam sistemas de eletrónica de potência para controlar o fluxo de energia, por exemplo em aquecedores para permitir diferentes níveis de aquecimento. Esses sistemas de eletrónica são construídos para serem o mais barato e simples possível, muitas das vezes são só utilizados díodos ou tirístores. Os próximos exemplos mostram equipamentos que se previam lineares, mas que produzem bastantes harmónicas em determinados modos de funcionamento.
Um primeiro exemplo é um aspirador, este possui cerca de quatro velocidades de aspiração, isso significa aumentar ou diminuir a velocidade do motor. Na Figura 1.8 pode-se observar a corrente no aspirador no modo de aspiração máxima, este apresenta alguma THD, cerca de 15,4%.
(a) (b)
Figura 1.8 – Aspirador no modo máximo de aspiração: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
Na Figura 1.9 pode-se observar a corrente e o espetro harmónico do mesmo aspirador, mas agora no modo mínimo de aspiração, como se pode constatar a forma de onda da corrente piorou muito, ficando com um valor da THD de 92,4%.
(a) (b)
Figura 1.9 – Aspirador no modo mínimo de aspiração: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
Capítulo 1 – Introdução
Outro exemplo muito interessante deste tipo de cargas é o secador de cabelo, este no modo máximo possui uma THD muito baixa, devida apenas à tensão da rede elétrica. Contudo, no modo mínimo de funcionamento a corrente absorvida fica assimétrica como se pode verificar na Figura 1.10, ficando esta com uma grande percentagem de harmónicas pares, traduzindo-se num aparecimento de valor médio na corrente. Este fenómeno causa sérios problemas ao bom funcionamento de transformadores [11-12].
(a) (b)
Figura 1.10 – Secador de cabelo no modo mínimo de funcionamento: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
Um equipamento de cozinha que tem ganho muita popularidade e tornou-se um bem essencial em muitas habitações é o micro-ondas, mais uma vez é uma carga que absorve uma quantidade significativa de harmónicos como se pode ver na Figura 1.11.
(a) (b)
Figura 1.11 – Micro-ondas: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente. Um dos equipamentos mais essenciais para uma habitação é o frigorífico, é o único equipamento que se encontra ligado em permanência durante todos os dias. Na Figura 1.12 é apresentado o consumo de corrente do um frigorífico. Pode-se verificar que a corrente é praticamente sinusoidal, possui apenas uma THD de cerca de 8%, apresentando um fator de potência baixo.
Na Figura 1.13 pode se ver o consumo de energia de um desumidificador, como no caso do frigorífico, este exibe baixo valor da THD na corrente, contudo apresenta um baixo fator de potência.
Capítulo 1 – Introdução
(a) (b)
Figura 1.12 – Frigorífico antigo: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
(a) (b)
Figura 1.13 – Desumidificador: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
Quanto a equipamentos de escritório, o mais utilizado é o computador. Este apresenta um consumo de corrente baixo, Figura 1.14, mas com elevado conteúdo harmónico. Pode-se constatar que a corrente consumida possui uma THD de 192,9%.
Um só computador não representa qualquer problema para a instalação elétrica, devido ao seu baixo consumo. No entanto se se considerar por exemplo um edifício de escritórios no qual podem encontrar-se ligados à rede elétrica centenas de computadores, existe já uma grande possibilidade do aparecimento de consequências negativas para a instalação elétrica [13].
(a) (b)
Figura 1.14 – Computador portátil: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
Capítulo 1 – Introdução
Outro equipamento vulgarmente utilizado em escritórios é a impressora. Esta apresenta durante a impressão uma forma de onda da corrente idêntica a outras analisadas anteriormente, e mais uma vez com um elevado conteúdo harmónico neste caso cerca de 153,2%.
(a) (b)
Figura 1.15 – Impressora: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
Para finalizar analisou-se uma carga pouco vulgar mas interessante devido à forma da corrente absorvida. Trata-se de uma máquina de oxigénio assistido para pessoas idosas durante o sono. A Figura 1.16 apresenta a corrente na carga e o espetro harmónico. O que se destaca nesta carga relativamente às apresentadas anteriormente é o consumo de praticamente todas as harmónicas pares e impares medidas pelo analisador de QEE.
(a) (b)
Figura 1.16 – Máquina de Oxigénio: (a) Formas de onda da tensão e corrente; (b) Espetro harmónico da corrente.
1.5. Motivações
A necessidade crescente do consumo de energia elétrica, de forma controlada e eficiente, tem provocado um decréscimo na qualidade da mesma. Este facto advém da utilização de sistemas de eletrónica de potência em praticamente todas as cargas ligadas atualmente à rede elétrica. Este decréscimo da qualidade da energia traduz-se num mau funcionamento de certos dispositivos e consequente desconforto para os seus
Capítulo 1 – Introdução
utilizadores, o que no caso das indústrias ou do comércio se pode traduzir em grandes prejuízos económicos. Estes factos implicam que atualmente sejam alocados grandes esforços no estudo e desenvolvimento de soluções para melhorar os problemas de QEE.
O Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho tem vindo a realizar um enorme contributo no que diz respeito a esta área, sendo que esta dissertação se enquadrada nesse trabalho desenvolvido. Um dos equipamentos desenvolvidos por este grupo é o Filtro Ativo Paralelo (FAP), utilizado para compensar problemas de energia elétrica, mais precisamente na corrente elétrica.
Como os FAPs desenvolvidos são para grandes potências e sistemas trifásicos, isto torna-os grandes e pesados. Deste modo foi proposto desenvolver um FAP monofásico com elevada eficiência, compacto e didático para realizar demostrações públicas. Uma das técnicas para diminuir o seu peso e tamanho é o aumento da frequência de comutação através da utilização de um inversor com MOSFETs.
Para o desenvolvimento do FAP monofásico será necessário efetuar simulações computacionais, desenvolver o software e hardware, bem como a parte da interface com o utilizador para tornar este equipamento didático. Todos estes processos no desenvolvimento do trabalho proporcionam uma aprendizagem multidisciplinar e um grande contacto com a parte prática da montagem e desenvolvimento de hardware.
No final deste trabalho pretende-se possuir um equipamento eficiente, embutido numa caixa de fácil transporte para demostrações públicas da tecnologia desenvolvida.
1.6. Objetivos e Contribuições
O principal objetivo para este trabalho de dissertação é desenvolver um Filtro Ativo Paralelo monofásico compacto e com perdas reduzidas. Embutir o mesmo numa caixa de fácil transporte para futura utilização em demostrações públicas da tecnologia. Espera-se ainda que o equipamento seja munido com uma interface gráfica para comandar o mesmo e simultaneamente possibilitar a interação com os utilizadores, de forma a que estes percebam o seu funcionamento. De acordo com os objetivos acima mencionados, estes podem ser resumidos às seguintes tarefas:
- Realização de simulações computacionais, utilizando a ferramenta PSIM; - Desenvolvimento do controlo digital;
- Desenvolvimento do hardware para o sistema de controlo e andar potência; - Desenvolvimento de uma interface gráfica com o utilizador;
- Testar a operação do FAP em bancada, para diferentes condições carga; - Implementação do FAP monofásico numa caixa de fácil transporte.
Capítulo 1 – Introdução
Com esta dissertação pretende-se contribuir para uma melhoria dos Filtros Ativos Paralelos desenvolvidos pelo GEPE, através da utilização de MOSFETs discretos no inversor de potência. Desta forma é possível utilizar frequências de comutação mais elevadas e obter um bom rendimento. Ao utilizar frequências de comutação elevadas, a indutância de acoplamento à rede vai ser pequena, e com isso torna-se possível utilizar núcleos toroidais de pó de ferro para a construção da bobina, fazendo assim com que esta seja mais pequena e que não produza ruídos.
Com todas estas características o equipamento fica bastante compacto e leve e torna o muito interessante para uma futura utilização em residências.
1.7. Organização e Estrutura da Dissertação
Esta dissertação encontra-se dividida em seis capítulos que se encontram organizados da seguinte forma:
No primeiro capítulo é realizada uma breve introdução ao problema de QEE, em especial aos problemas causados pelas harmónicas de corrente. Posteriormente são exibidos casos reais de cargas monofásicas, utilizadas em habitações e escritórios que apresentam problemas de QEE na corrente.
O segundo capítulo aborda o FAP monofásico e todos os seus componentes de forma pormenorizada, sendo apresentadas diferentes topologias de inversores de potência, bem como as principais técnicas de comutação por controlo de corrente. Por último, são apresentadas diferentes teorias de controlo utilizadas para o cálculo da corrente de compensação do FAP monofásico.
Após o estudo de todos os elementos e teorias de controlo, são realizadas no capítulo três as simulações computacionais, já com todos os elementos utilizados para a implementação real. É simulada a operação do FAP com diferentes condições de cargas em regime permanente e transitório.
Todo o processo de implementação do FAP é apresentado no capítulo quatro, onde é apresentado todo o hardware, andar de potência e sistema de controlo, e software desenvolvido para o controlo digital. Por último é apresentada a implementação da interface gráfica com o utilizador.
No quinto capítulo são expostos os resultados experimentais do funcionamento do FAP desenvolvido. É mostrada a operação deste com diferentes condições de carga, bem como os resultados obtidos da interface gráfica com o utilizador.
Esta dissertação é finalizada no capítulo seis, que contém a conclusão do trabalho e sugestões de trabalho futuro para melhoria do equipamento desenvolvido.
CAPÍTULO 2
Filtro Ativo Paralelo Monofásico
2.1. Introdução
Neste capítulo são descritos de uma forma sucinta os Filtros Ativos de Potência, nomeadamente o Filtro Ativo Paralelo (FAP) e o Filtro Ativo Série (FAS). Posteriormente é apresentado com maior detalhe o FAP monofásico. Desta forma, são descritas as várias topologias de inversores com fonte de tensão no barramento CC, que podem ser utilizadas num FAP monofásico. É efetuada uma análise às principais técnicas de comutação com controlo de corrente, utilizadas nesses inversores. Por último são apresentadas as principais teorias de controlo utilizadas para se obter a corrente de compensação a injetar na rede elétrica.
2.2. Filtros Ativos de Potência
Os Filtros Ativos de Potência são soluções versáteis para atenuar os problemas da Qualidade de Energia Elétrica (QEE) [14]. Estes são dotados da capacidade de compensar vários problemas simultaneamente e de forma dinâmica, adaptando-se à entrada e saída de cargas do sistema a compensar. O FAP compensa os problemas da corrente elétrica, que podem ser desequilíbrios (no caso de sistemas trifásicos), harmónicas e fator de potência. O FAS compensa os problemas da tensão, tais como desequilíbrios, harmónicas, sobretensões e subtensões momentâneas. Dependendo da configuração do FAS, pode existir uma fonte de energia externa (ex: banco de baterias, fonte de energias renováveis, entre outras) e assim compensar sobretensões, subtensões ou mesmo interrupções da rede elétrica de forma mais prolongada.
Os Filtros Ativos de Potência possuem como elemento principal um inversor de potência. Este pode ser constituído por uma fonte de tensão ou de corrente no barramento CC [15-16], sendo o primeiro o mais usual. No caso do FAP, o inversor é controlado por corrente, podendo este ser equiparado a um fonte de corrente. No FAS, o inversor é controlado por tensão, podendo portanto ser comparado com uma fonte de tensão. Os FAPs e FASs são ligados à rede elétrica em paralelo e série respetivamente, como se pode verificar nas Figura 2.1 e Figura 2.2.
Capítulo 2 – Filtro Ativo Paralelo Monofásico Filtro Ativo Paralelo Rede Elétrica Carga
Figura 2.1 – Diagrama de blocos simplificado da ligação de um FAP monofásico à rede elétrica.
Carga Filtro Ativo
Série Rede
Elétrica
Figura 2.2 – Diagrama de blocos simplificado da ligação de um FAS monofásico à rede elétrica. O princípio básico de funcionamento de um Filtro Ativo de Potência passa pela injeção de corrente, no caso do FAP, ou de tensão no caso do FAS, na rede elétrica, de forma a reduzir os problemas de QEE. Esta corrente ou tensão é gerada pelos inversores constituintes dos Filtros Ativos de Potência.
O controlo destas correntes ou tensões é efetuado recorrendo a microcontroladores, sendo mais usual a utilização de microprocessadores com uma arquitetura especializada em processamento digital de sinal, que são conhecidos como DSPs (Digital Signal Processor).
2.3. Princípio de Funcionamento do Filtro Ativo Paralelo Monofásico
Normalmente associam-se os FAPs a sistemas trifásicos, usados principalmente na indústria. Estes podem ser utilizados para compensar várias cargas ligadas ao mesmo sistema, ou uma carga trifásica específica, sendo geralmente de elevada potência. Com o FAP monofásico é possível obter um equipamento de mais baixo custo, que pode ser utilizado em pontos mais específicos de uma instalação, onde seja necessário compensar os problemas de corrente numa dada carga monofásica, mesmo estando esta ligada a uma das fases de um sistema trifásico [17].
Na Figura 2.3 é apresentado um diagrama de blocos com os principais módulos do FAP monofásico, em que o princípio de funcionamento passa pela aquisição da corrente da carga, iL, e da tensão na rede, vs. Com estas duas componentes e através da teoria de
controlo adotada, é calculada a corrente de compensação, iF, a ser injetada pelo FAP na
Capítulo 2 – Filtro Ativo Paralelo Monofásico
a aquisição da tensão do barramento CC do inversor, vcc. Esta tensão deve ser regulada e
mantida constante num valor suficientemente elevado, para ser possível gerar a corrente de compensação pretendida. Esta componente entra também na teoria de controlo do FAP monofásico.
Figura 2.3 – Diagrama de blocos com os principais constituintes de um FAP monofásico.
Para o controlo da corrente produzida pelo inversor é necessário fazer a aquisição da corrente de saída do mesmo, para assim se obter a diferença entre a corrente de compensação calculada e a que realmente está a ser injetada na rede elétrica.
A corrente na fonte resultante da utilização do FAP monofásico para compensar os problemas da QEE é dada pela lei dos nós, aplicada ao PCC (Point of Common Coupling) entre o FAP, a rede e a carga. Fazendo assim com que a corrente na fonte apenas contenha as componentes que fornecem potência ativa à carga, e ainda a parcela de potência ativa necessária para regular a tensão barramento CC do inversor.
2.4. Topologias de Inversores de Potência
Como já foi referido na secção 2.2 o inversor é o principal elemento do FAP. Podendo ser constituído por uma fonte de tensão no barramento CC, denominado de VSI (Voltage-Source Inverter), ou com fonte de corrente, designado por CSI (Current-Source Inverter), sendo que nesta secção apenas são abordados os inversores do tipo VSI. Estes inversores possuem semicondutores de potência totalmente controlados, sendo os mais utilizados os IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) e os MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Estes semicondutores têm vindo a evoluir rapidamente, permitindo frequências de comutação mais elevadas e melhores rendimentos aos sistemas de eletrónica de potência [6].
Teoria de Potência Controlo Inversor vs L i vs L i vcc F_ref i Inversor vcc F i Gn G1 Carga Rede Elétrica F i
