Novas Topologias

Novas Topologias de Conversores de Potência
com Controlo "Inteligente"
Coordenador do Projecto: Vitor Manuel de Carvalho Fernão Pires
Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
Projectos de Investigação
IPS
1 - Introdução
De acordo com o programa de trabalhos do projecto, este iniciou com o estudo das
novas topologias de conversores de corrente alternada para corrente contínua (CA/CC)
que permitam obter correntes nas linhas de alimentação quase sinusoidais e factores de
potência quase unitário qualquer que seja a carga. A partir daqui, foi possível passar
para a segunda fase, onde foram desenvolvidas novas topologias, que apresentavam
maiores rendimentos relativamente às propostas por outros investigadores. De seguida,
foi efectuado o seu estudo teórico, do qual obtiveram-se modelos matemáticos que
permitiram fazer a sua análise em cadeia aberta e fechada. Finalmente, foram
efectuados prototipos laboratoriais que permitiram efectuar verificações experimentais
da análise teórica e da modelização matemática destes novos sistemas.
2 - Descrição da Execução dos Trabalhos Previstos
O projecto de investigação "Novas Topologias de Conversores de Potência com
Controlo ‘Inteligente’", teve como objectivo o desenvolvimento de novas topologias de
conversores CA/CC que permitam optimizar os existentes em termos de custo, volume e
peso, a modelização destes novos conversores e o seu controlo clássico e ‘inteligente’.
Constituiu aspecto fundamental a implementação de sistemas laboratoriais como suporte
ao desenvolvimento teórico efectuado. Este projecto desenvolveu-se em duas fases
relacionadas entre si. Aprimeira foi dedicada ao desenvolvimento de novas topologias de
conversores electrónicos de potência do tipo CA/CC, enquanto que, a segunda foi
dedicada ao desenvolvimento e ensaio de algoritmos de controlo resultantes de leis de
comando estabelecidas com recurso à aproximação por modo de deslizamento e à lógica
fuzzy. Assim, este projecto comportou as seguintes tarefas:
• Sistematização de soluções existentes
Foi efectuada uma análise sistemática de soluções existentes ao nível das topologias
dos conversores CA/CC, com factor de potência quase unitário e corrente de alimentação
quase sinusoidal, através da consulta de bibliografia da especialidade. Assim, foram
consultados revistas e "proceedings" de conferências nacionais e internacionais, relativas
à área de trabalho. Deste modo, foi possível fazer um levantamento das novas topologias
entretanto desenvolvidas, e respectivas técnicas de controlo.
• Apresentação de novas topologias
Após o levantamento das novas topologias existentes, foram desenvolvias duas
novas topologias de conversores CA/CC com factor de potência quase unitário e
corrente de alimentação com baixo teor harmónico. Estas topologias são do tipo
redutora elevadora (Buck-Boost), e apresentam um maior rendimento relativamente
aos conversores propostos por outros investigadores.
• Estudo das novas topologias
No seguimento das novas topologias propostas, foi efectuada uma análise
teórica destes novos conversores. Deste trabalho resultaram modelos matemáticos
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Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo “Inteligente”
para estes novos sistemas, que os permitam simular em cadeia aberta e fechada. De
salientar, que no âmbito deste estudo, foi desenvolvido um novo controlo da
corrente para os conversores monofásicos do tipo redutor elevador. Assim, foi
possível aplicar o controlo por modo de deslizamento, apresentando a vantagem de
ser robosto e fácil de implementar, ao contrário do que acontecia com as técnicas de
controlo propostas por outros investigadores.
• Montagem e verificação experimental
Para verificação experimental da análise teórica e da modelização matemática
destes novos conversores, foram concebidos e executados protótipos destes novas
topologias. De modo a poder efectuar o estudo destes e outros conversores, os prototipos
foram conbebidos de uma forma modular, sendo assim, possível alterar a topologia de
uma forma muito simples. De salientar, que foram utilizados componentes de última
geração, como foi o caso dos IGBT e na concepção das suas placas de disparo.
• Sistematização de soluções existentes
Foi efectuada uma análise das soluções existentes em termos de controlo para este
tipo de conversores, tendo-se verificado que nos esquemas convencionais em cadeia
fechada, são utilizadas técnicas de controlo por modulação de largura de impulso
(PWM – pulse-with modulation). Contudo, estas técnicas utilizam normalmente um
padrão global pré-calculado, ou seja, a sequência de configurações do rectificador ao
longo do ciclo fica guardada numa memória que é lida ciclicamente, desencadeando a
actuação dos semicondutores convenientes. Este processo é pouco adequado para a
generalidade dos sistemas onde existem variações da fonte e da carga. De forma a obter
melhores desempenhos do controlador, tem-se optado por utilizar microcomputadores
ou processadores de sinal (DSP’s) para fazer o cálculo da modulação PWM durante o
funcionamento do conversor. No entanto, os resultados obtidos experimentalmente
para este segunda opção, apesar de apresentarem ligeiras melhorias, continuam a não
ser satisfatórios. Assim, verificou-se através desta análise, que era importante
desenvolver e aplicar novas metodologias de controlo em cadeia fechada a este tipo de
conversores e às topologias propostas.
• Estudo e obtenção das leis de comando
Com o objectivo de optimizar o controlo da corrente de entrada deste tipo de
conversores, foi proposto um novo controlador robusto da referida corrente por modo de
deslizamento. Para o controlo de tensão de saída optou-se por um compensador clássico
do tipo PI. Contudo de forma a obter-se melhores respostas para a tensão de saída,
desenvolveu-se um controlador global por modo de deslizamento para a corrente de
entrada e tensão de saída. Através do desenvolvimento de um controlador de tensão
baseado em algoritmos linguisticos (lógica fuzzy), também se verificou que era possível
melhorar a resposta para tensão de saída quando comparado com o compensador PI.
• Aplicação utilizando as novas topologias de conversores CA/CC
Utilizando os conversores desenvolvidos na primeira fase, efectuou-se a
implementação laboratorial correspondente aos estudos teóricos e de simulação da
fase dedicada ao desenvolvimento de controladores para este tipo de conversores.
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Projectos de Investigação
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3 - Novas Topologias de Rectificadores de Alto Factor de Potência
Os circuitos de rectificação a diodos ou tiristores são muito utilizados numa
grande variedade de aplicações, sobretudo como conversores de interligação à
rede eléctrica. A utilização deste tipo de rectificadores é muito atractivo devido à
sua inerente robustez e simplicidade. Estes circuitos de rectificação não
necessitam de muitos elementos semicondutores, e no caso dos rectificadores a
diodos não são necessários circuitos de controlo. Contudo, este tipo de
rectificadores apresentam características de carga não lineares, pelo que,
perturbam a corrente das linhas de alimentação alternada deixando de ser
sinusoidal e passando a conter harmónicas para além da fundamental. A presença
destas harmónicas na corrente em redes de energia eléctrica, origina perturbações
das tensões alternadas devidas ao facto da impedância de curto-circuito a
montante do rectificador não ser nula (Figura 1).
a) Circuito equivalente da rede eléctrica ligado a um rectificador a diodos.
b) Formas de onda da tensão e corrente no gerador
de energia eléctrica.
c) Formas de onda da tensão e corrente no ponto
de ligação do rectificador.
Figura 1: Rectificador a diodos ligado à rede eléctrica e respectivas formas de onda.
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No sentido de minimizar as harmónicas existentes nas redes de energia eléctrica,
têm sido utilizadas técnicas tais como a associação de rectificadores e/ou a
utilização de filtros. Contudo, com a utilização de elementos semicondutores
totalmente controlados e a aplicação das técnicas de comutação forçada, foi
possível resolver o problema das harmónicas de corrente ao nível do próprio
conversor de potência. Este tipo de conversores pode ser na generalidade dividido
em dois tipos de grupos:
• Grupo 1: conversores compostos por um rectificador não controlado e um
conversor do tipo CC/CC que permite regular a tensão de saída e controlar
a corrente de entrada. Normalmente os conversores CC/CC mais utilizados
são os do tipo Boost, Buck-Boost, Buck, SEPIC e Flyback. Por vezes,
também é utilizado antes do rectificador não controlado um filtro do tipo
passivo por forma a obter taxas de distorção harmónica da corrente de
entrada ainda mais reduzidas. Na Figura 2 é apresentado um exemplo deste
tipo de conversores, em que é utilizado um filtro de entrada, uma ponte
monofásica a diodos e um conversor CC/CC do tipo Boost.
• Grupo 2: conversores no qual foram efectuadas directamente modificações
no rectificador de entrada. Neste situação são normalmente utilizados
elementos semicondutores totalmente controlados ou tiristores com
comutação forçada. Estes conversores apresentam características similares
aos do tipo CC/CC, ou seja, consideram-se do tipo Boost, Buck-Boost ou
Buck consoante a tensão de saída for superior, superior-redutor ou redutor
relativamente ao máximo da tensão de entrada. Também neste grupo de
conversores, por vezes, é utilizado um filtro na entrada do rectificador.
Assim, será possível filtrar as harmónicas de corrente que estes tipo de
conversores ainda inserem na rede de energia eléctrica. Na Figura 3 é
apresentado um exemplo deste tipo de conversores, em que é utilizado um
filtro de entrada, e um rectificador monofásico com características do tipo
Boost.
Figura 2: Rectificador monofásico a diodos com um conversor CC-CC do tipo Boost e um filtro de entrada.
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Projectos de Investigação
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Figura 3: Rectificador monofásico do tipo Boost com filtro de entrada.
Estes rectificadores de comutação forçada, apresentam as seguintes vantagens:
• Solução compacta
• Factores de potência próximo do unitário para qualquer modo de
funcionamento
• Apresenta um excelente modo de funcionamento uma vez que é
independente da amplitude e forma da tensão da rede
Dos diversos tipos de rectificadores de comutação forçada, os mais
utilizados e estudados são os do tipo elevador (Boost), redutor-elevador (BuckBoost) e redutor (Buck). Destes, o que apresenta um rendimento superior e é
mais fácil de implementar e controlar é o do tipo elevador. Contudo, ao
contrário dos outros, estes rectificadores não têm a capacidade de limitar
crescimentos abruptos da corrente de entrada (sobretudo quando o condensador
de saída se encontra descarregado) e fazer a protecção contra curto-circuitos na
carga. Assim, com o objectivo de tornar ainda mais atractivo o uso dos
rectificadores do tipo redutor-elevador, são propostas duas novas topologias
(uma monofásica e a outra trifásica) que apresentam um maior rendimento e
fiabilidade. Também serão propostas novas técnicas de controlo para este tipo
de rectificadores, no sentido de os tornar mais robustos e rápidos às variações
de carga e referência. A técnica de modelização utilizada é baseada nas
equações de estado dos sistemas, o que permite analisar a resposta destes tipo
de conversores em regime estático e dinâmico, assim como, efectuar a
simulação em cadeia fechada permitindo deste modo desenvolver controladores
para este tipo de rectificadores.
Existem diversas topologias para rectificadores do tipo redutor-elevador,
tendo respectivamente 1, 2 ou 4 semicondutores totalmente comandados.
Estes conversores, necessitam de um filtro de entrada do tipo passa baixo, um
rectificador de díodos monofásico e um semicondutor totalmente comandado
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ligado em série ou um rectificador composto por semicondutores totalmente
comandados com capacidade de bloqueio em tensão bipolar e/ou díodos, e
ainda uma bobine de corrente contínua com um díodo ligado em série a um
condensador para tensão contínua. Todas as topologias apresentam para uma
vasta gama de tensões contínuas, uma corrente de entrada com uma taxa de
distorção harmónica muito reduzida (forma de onda praticamente sinusoidal)
e um factor de potência quase unitário. Contudo, o rectificador de quatro
semicondutores (Figura 4) totalmente comandados permite obter melhor
factor de potência e menores taxas de distorção harmónica na corrente de
entrada. No entanto, este tipo de rectificador pode apresentar uma menor
fiabilidade devido ao elevado número de semicondutores totalmente
comandados, assim como apresenta um menor rendimento quando se utilizam
semicondutores totalmente comandados sem capacidade de bloqueio de
tensões inversas.
Figura 4: Rectificador redutor-elevador com um único estágio de conversão e quatro semicondutores
totalmente comandados.
De forma a diminuir o número de dispositivos semicondutores que a cada
instante é atravessado pela corrente eléctrica sem perder as características do
rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados, é apresentado
na figura 5 uma nova topologia. Este novo rectificador apenas necessita de dois
semicondutores totalmente comandados com capacidade de bloqueio de
tensões inversas, um filtro passa baixo de entrada, duas bobinas acopladas
magneticamente na parte da corrente contínua para transferências de energia
(bobinas intermédias) e uma ligação em série com um díodo para o
condensador de saída. Comparando com o rectificador de quatro
semicondutores totalmente comandados, verifica-se que esta nova topologia
necessita de mais uma bobina intermédia com ligação magnética à outra bobina
intermédia e ainda um díodo e um condensador de saída. São apenas
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Projectos de Investigação
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necessários dois semicondutores totalmente comandados, o que desde já
permite prever melhores rendimentos.
Figura 5: Rectificador monofásico do tipo redutor-elevador de dois semicondutores totalmente comandados.
Para os rectificadores trifásicos do tipo redutor-elevador também existem diversas
topologias, tendo respectivamente 1, 3 ou 6 semicondutores totalmente comandados.
Destes, o de seis semicondutores de potência totalmente comandados (Figura 6),
permite reduzir substancialmente a taxa de distorção harmónica das correntes de
entrada. De salientar, que este benefício resulta do facto desta topologia possibilitar o
controlo independente das correntes em duas das fases. No entanto, quando comparado
com os rectificadores de um e três semicondutores de potência totalmente
comandados, este rectificador apresenta um rendimento inferior (para as mesmas
perdas de comutação) quando se utilizar semicondutores de potência totalmente
comandados sem capacidade de bloqueio de tensão inversa, uma vez que existem
quatro semicondutores de potência no caminho das correntes de entrada.
Figura 6: Rectificador trifásico do tipo redutor-elevador com seis semicondutores totalmente comandados.
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Com o objectivo de reduzir as desvantagens do rectificador do tipo redutorelevador trifásico de 6 semicondutores totalmente comandados, é proposta uma
nova topologia que utiliza um menor número de semicondutores totalmente
comandados. Esta nova topologia apresentada na Figura 7, apenas necessita de
quatro semicondutores totalmente comandados com capacidade de bloqueio de
tensão inversa, um filtro passa baixo de entrada do tipo LC (com os condensadores
ligados em estrela ou em triângulo conforme se verifica pela figura 3.14) e duas
bobinas acopladas magneticamente (bobinas intermédias) na parte da corrente
contínua ligadas em série com dois díodos para dois condensadores de saída.
Comparando com o rectificador de seis semicondutores totalmente comandados,
verifica-se que esta nova topologia necessita de menos dois semicondutores
totalmente comandados, no entanto, é necessário mais uma bobina intermédia com
ligação magnética à outra bobina intermédia e ainda um díodo e um condensador de
saída.
Figura 7: Rectificador trifásico do tipo redutor-elevador de quatro semicondutores totalmente comandados com
os condensadores de entrada ligados em estrela.
4 - Controlo dos Rectificadores de Alto Factor de Potência do Tipo Redutor-Elevador
A utilização dos rectificadores do tipo redutor-elevador tem sido
limitada, devido ao facto da generalidade dos circuitos de controlo
utilizados não serem robustos, apresentarem respostas transitórias lentas e
taxas de distorção harmónica da corrente de entrada acima do expectável.
O elevado custo e complexidade de implementação desses circuitos de
controlo também tem sido um factor impeditivo duma maior utilização
deste tipo de conversores.
Assim, optou-se por desenvolver e aplicar novas metodologias de controlo
em cadeia fechada aos rectificadores do tipo redutor-elevador de alto factor de
potência. Deste modo é proposto um novo controlador robusto da corrente de
entrada por modo de deslizamento. De salientar que os controladores por modo
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Projectos de Investigação
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de deslizamento, são particularmente interessantes devido às suas reconhecidas
características de robustez, redução da ordem do sistema, resposta dinâmica
rápida e de simples implementação. Na realidade, este tipo de controladores é
especialmente apropriado para ser aplicado aos conversores electrónicos de
potência devido ao funcionamento do tipo liga-desliga dos semicondutores de
potência.
Com a utilização de um controlador por modo de deslizamento para a
corrente de entrada, será possível obter um factor de potência quase unitário,
assim como, uma corrente com um teor harmónico muito reduzido. Como
este controlador modela activamente a forma de onda da corrente de entrada,
é possível manter uma onda quase sinusoidal mesmo com elevadas variações
da corrente na bobina de corrente contínua. Deste modo, com este tipo de
c o n t r o l a d o r, os rectificadores do tipo redutor-elevador não necessitam de
valores de auto-indução das bobinas para corrente contínua tão elevados
quanto os utilizados com as técnicas de controlo anteriormente referidas,
permitindo assim reduzir o tamanho, peso e custo deste tipo de
rectificadores.
Para o controlo da tensão de saída, é proposto um controlador do tipo
proporcional integral (PI). Como a referência do controlador de corrente é uma
sinusóide em fase com a tensão de entrada, este controlador externo da tensão
de saída tem como objectivo modular a amplitude da referida sinusóide (Figura
8).
Figura 8: Estrutura de controlo em cascata com controlo da tensão de saída Vo e da corrente de entrada i s.
O compensador PI deve variar lentamente o índice de modulação de forma a
garantir a estabilidade do sistema. Para obter um controlador mais rápido e robusto
às variações da carga e perturbações na tensão de alimentação, a utilização de um
controlador global por modo de deslizamento para a corrente de entrada e tensão de
saída apresenta-se como uma solução mais adequada (Figuras 9 e 10).
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Figura 9: Controlador por modo de deslizamento para a tensão de saída Vo e da corrente de entrada i s.
Figura 10: Estrutura do controlador por modo de deslizamento da tensão de saída e corrente de entrada.
De forma a ultrapassar as limitações impostas pelos controladores clássicos do
tipo PI, ou reduzir o número de sensores necessários para a leitura de variáveis de
estado no caso do controlador por modo de deslizamento, recorreu-se à teoria do
controlo não linear, baseada na lógica difusa (Fuzzy). Os controladores de lógica
difusa são baseados na heurística humana, permitindo facilmente integrar a intuição
e o conhecimento de um operador no desenvolvimento de controladores não
lineares. Este desenvolvimento é efectuado colocando de forma sistemática
considerações heurísticas qualitativas, e cuja integração não é possível em
controladores convencionais. Deste modo, os controladores de lógica difusa
apresentam um melhor desempenho do que os reguladores lineares convencionais
em sistemas complexos e/ou indefinidos, desde que exista um bom conhecimento
prático das suas dinâmicas. A utilização de controladores de lógica difusa em
conversores de electrónica de potência, tem-se apresentado como um caminho a
explorar, tendo-se inclusivamente obtido resultados muito promissores.
Deste modo, na cadeia de comando externa utilizou-se o controlador de lógica
difusa, enquanto que, na cadeia de comando interna será mantido o controlador por
modo de deslizamento (Figuras 11 e 12), porque em geral a corrente de entrada tem
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de ser medida para poder ser controlada, e a utilização do modo de deslizamento
(processo com mais desempenho) não necessita neste caso de mais sensores.
Figura 11: Estrutura de controlo em cascata com controlo da tensão de saída Vo e da corrente de entrada i s .
Figura 12: Superfície de controlo do controlador de lógica difusa com o método de desfuzificação do centro
de somas.
Com este controlador de lógica difusa foi possível obter uma muito maior
insensibilidade às variações de parâmetros e perturbações na carga quando
comparado com o compensador PI. Contudo, esta solução ainda apresentou
algumas limitações, pelo que se optou por utilizar um controlador adaptativo de
lógica difusa. De forma a avaliar o desempenho do controlador de lógica difusa
foram desenvolvidos dois índices de desempenho. Assim, baseado nestes índices,
foi construído uma tabela de supervisão para mudar os parâmetros do controlador
difuso de acordo com as variações dos parâmetros do sistema. O diagrama de
blocos deste controlador adaptativo de lógica difusa é apresentado na Figura 13.
Este diagrama de blocos apresenta três partes principais: o processo, o controlador
de lógica difusa e o processo de adaptação (avaliação do desempenho e funções
adaptativas).
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Figura 13: Diagrama de blocos do controlador adaptativo de lógica difusa.
5 - Resultados de Simulação e Experimentais
De forma a analisar e confirmar o funcionamento das novas topologias, foram
efectuadas simulações numéricas e obtidos resultados experimentais através de
protótipos laboratoriais. Assim, é possível analisar e confirmar o funcionamento das
novas topologias, assim como, verificar que a utilização dos controladores de
corrente e tensão propostos neste trabalho, permite obter os resultados esperados
pelo estudo teórico.
Relativamente ao rectificador monofásico proposto, é possível verificar que os
resultados obtidos permitem confirmar os pressupostos teóricos. Assim, através da
Figura 14 a) é possível verificar que a corrente de entrada apresenta uma taxa de
distorção harmónica muito reduzida e que o factor de potência é praticamente
unitário (note-se que a forma de onda da corrente de entrada é praticamente igual à
da tensão de alimentação do conversor). Na Figura 14 b) apresenta-se um resultado
experimental da forma de onda da corrente na bobina intermédia Lo1, sendo possível
verificar que existe uma descontinuidade da corrente devido ao acoplamento
magnético entre as duas bobinas intermédias.
a) 1 – Tensão de alimentação (Vs-20V/div)
2 – Corrente de entrada (is-1A/Div).
b) Corrente na bobina intermédia (i Lo1=1A/ Div).
Figura 14: Resultados experimentais para o novo rectificador monofásico.
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Com o objectivo de efectuar a confirmação acerca do pressuposto teórico, de
que a nova topologia permite obter maiores rendimentos relativamente ao
rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados, foram efectuados
ensaios experimentais para diversas tensões de alimentação para estes dois tipos
de conversores (com uma corrente máxima de entrada de 3 A e uma carga de
50Ω). Conforme é possível verificar através da Figura 15, a nova topologia
apresentou sempre um rendimento superior em todos os ensaios efectuados.
Através destes resultados, também é possível verificar que com o aumento da
tensão de alimentação diminui a diferença de rendimentos entre a nova topologia
e o rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados (74.8% e 61 %
a 40 V, e 88.4% e 81.9% a 100 V respectivamente para a topologia de dois e
quatro semicondutores totalmente comandados). Esta diminuição na diferença de
rendimentos entre duas topologias, deve-se ao facto de que com o aumento da
tensão de alimentação, o peso das perdas nos semicondutores é cada vez menor
quando comparado com as potências em jogo nos referidos rectificadores.
Assim, conclui-se que para certos tipos de aplicações (tensão reduzidas e
correntes elevadas), a nova topologia permitirá aumentar significativamente o
rendimento da rectificação, quando comparada com o rectificador de quatro
semicondutores totalmente comandados. Para tensões elevadas o rendimento
será ainda superior, mas a diferença de rendimentos entre os dois rectificadores
será menos marcante.
Figura 15: Resultados experimentais comparativos do rendimento para:
(1 – rectificador de dois semicondutores totalmente comandados,
2 – rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados).
Relativamente aos ensaios efectuados com os controladores de tensão para
o conversor monofásico, através de simulações numéricas e resultados
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experimentais foi possível confirmar os pressupostos teóricos. Assim, na
Figura 16 é possível verificar na maior rapidez de resposta obtida pelo
controlador por modo de deslizamento quando comparado com o compensador
PI.
a) com um controlador PI (R 0=70Ω)
1 – Referência da tensão de saída (10V/div)
2 – Tensão de saída do rectificador (10V/Div).
b) com um controlador por modo de deslizamento (R0=70Ω)
1 – Referência da tensão de saída (10V/div)
2 – Tensão de saída do rectificador (10V/Div).
Figura 16: Resultados experimentais para a tensão de referência do controlador e para a tensão de saída
do rectificador.
Através da Figura 17 é possível verificar que a utilização dos controladores por
lógica difusa permite obter uma maior insensibilidade às variações de parâmetros e
perturbações na carga quando comparado com o compensador PI.
a) Resposta à variação da carga de b) Resposta à variação da carga de
R0 = 150Ω para R0 = 50Ω,
R0 = 150Ω para R0 = 50Ω,
utilizando um compensador PI.
utilizando um controlador de lógica
difusa.
c) Resposta à variação da carga
de R0 = 150Ω para R 0 = 50Ω,
utilizando um controlador
adaptativo de lógica difusa.
Figura 17: Resultados de simulação para a tensão de referência do controlador
e para a tensão de saída do rectificador.
Relativamente ao rectificador trifásico proposto, também é possível verificar
que os resultados obtidos permitem confirmar os pressupostos teóricos. Assim,
através das Figuras 18 a) e b) é possível verificar que as correntes de entrada têm
uma taxa de distorção harmónica reduzida, e que o rectificar apresenta um factor de
potência quase unitário.
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a) Correntes de entrada (i s1,2,3 -1A/Div).
b) 1 – Tensão de alimentação (V s1-50V/div)
2 – Corrente de entrada (i s1-1A/Div).
Figura 18: Resultados experimentais para o novo rectificador trifásico.
Na figura 19, apresentam-se os resultados experimentais obtidos para o rendimento
do rectificador de seis semicondutores totalmente comandados e para o novo
rectificador proposto, em função da tensão de alimentação. Através desta figura é
possível verificar que a nova topologia apresenta sempre um rendimento superior
relativamente ao rectificador de três braços, em qualquer dos ensaios efectuados. Com
o aumento da tensão de alimentação, verifica-se que diminui o valor da diferença de
rendimentos entre os dois rectificadores (para os 20 V obtêm-se valores de 48.7% e
59%, enquanto que para 100V os valores obtidos foram de 82.7% e 89.6%). Esta
redução na diferença de rendimentos entre as duas topologias, justifica-se pelo facto do
peso das perdas nos semicondutores ser cada vez menor quando comparadas com as
potências em jogo nos referidos rectificadores. Estes resultados experimentais,
permitem concluir que na realidade, os pressupostos teóricos de que a nova topologia
permitia aumentar o rendimento de conversão relativamente ao rectificador de seis
semicondutores totalmente comandados, estão correctos.
Figura 19: Resultados experimentais comparativos do rendimento para:
(1 – rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados,
2 – rectificador de seis semicondutores totalmente comandados).
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Através dos ensaios efectuados com os referidos controladores de tensão para o
conversor trifásico, foi possível verificar através de simulações numéricas e
resultados experimentais que estes apresentavam um comportamento similar aos
obtidos com o conversor monofásico.
6 - Conclusões
Através deste trabalho, desenvolveram-se novas topologias de rectificadores do
tipo redutor-elevador de alto factor de potência. Estas novas topologias (uma
monofásica e uma trifásica) permitem aumentar o rendimento deste tipo de
rectificadores.
Também foram propostas estratégias de controlo para serem utilizadas nos
rectificadores monofásico e trifásico do tipo redutor-elevador, de forma que as suas
correntes de entrada tivessem uma forma de onda quase sinusoidal (teor harmónico
reduzido), praticamente em fase com as respectivas tensões de alimentação, e com
a possibilidade de regular a respectiva tensão de saída.
Anexo - Publicações Resultantes deste Projecto
A partir do trabalho desenvolvido neste projecto, foi possível publicar um
conjunto de artigos científicos em congressos internacionais e numa revista
internacional, conforme se descreve:
V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "A Single Phase Two-Switch Buck-Boost Type AC-DC
Converter with a High Power Factor and Sinusoidal Source Current", IEEE Power Electronics
Specialists Conference (PESC'99), vol. 1, pp 230-237, June 27-July 2, 1999, Charleston, Estados
Unidos da América.
V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "Sliding Mode Controller for Single Phase AC/DC Buck-Boost
Converter", 8th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'99), pp 1-10,
September 7-9, 1999, Lausanne, Suiça.
V. Fernão Pires, Tito G. Amaral, J. Fernando Silva, Manuel Crisóstomo, "Fuzzy Logic Control of
a Single Phase AC/DC Buck-Boost Converter", 8th European Conference on Power Electronics and
Applications (EPE'99), pp 1-10, September 7-9, 1999, Lausanne, Suiça.
V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "Modelling, Simulation and Control of Step-Up/Down Current
Source Rectifiers", 6 th International Conference ELECTRIMACS 99, vol 3, pp 31-36, September 1416, 1999, Lisboa, Portugal.
V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "Half Bridge Single Phase Buck-Boost Type ac-dc with Sliding
Mode Control of the Input Source Current", , IEE Proceedings – Electric Power Applications, vol. 147,
no. 1, pp. 61-67, January 2000.
Tito G. Amaral, V. Fernão Pires, Manuel Crisóstomo, J. Fernando Silva, "Adaptive Fuzzy Logic
Control of a Single Phase Sinusoidal Rectifier with Step-Up/Down Characteristics", IEEE
International Conference on Industrial Technology (ICIT’2000), vol 1, pp 330-336, January 19-22,
2000, Goa, India.
Tito G. Amaral, V. Fernão Pires, Manuel Crisóstomo, J. Fernando Silva, "Low Sensitivity
Adaptive Fuzzy Controller for Single Phase Step-Up/Down Voltage PWM Front End Rectifier", World
Automation Congress (WAC’2000), pp 1-7, June 11-16, 2000, Maui, Hawai.
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Projectos de Investigação
IPS
V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "Sliding Mode Current Controller for the Three Phase SingleStage AC/DC Buck-Boost Converters", 9th International Conference on Power Electronics & Motion
Control (EPE-PEMC 2000), vol 1, pp 151-156, September 5-7, 2000, Kosice, Republica Eslovaca.
V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "A New Single Stage Three Phase Step-Up/Down Rectifier
with Low Effects on the Mains", 35st Annual Meeting IEEE Industry Applications Society, vol. 4, pp
2389-2396, Octuber 8-12, 2000, Roma, Italia.
Equipa de investigação
Vitor Manuel de Carvalho Fernão Pires
Vitor Manuel Esteves Antunes
Tito Gerardo Batoreo Amaral
Filipe Duarte dos Santos Cardoso
João Francisco Alves Martins
José Fernando Alves da Silva
Paulo José da Costa Branco
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