Desenvolvimento de prptótipo para condicionamento da

Desenvolvimento de Protótipo para
Condicionamento da Qualidade de Energia Elétrica
em Ramais de Baixa Tensão
A.H.Oliveira, LACTEC, C.G.Bianchin, LACTEC, E.A.Vendruscolo, Unicamp
Resumo-Este
artigo
apresenta
uma
estratégia
de
condicionamento da qualidade de energia elétrica em ramais
de baixa tensão, visando a melhoria do fator de potência de
cargas lineares e não lineares, a regulação da tensão fornecida
aos consumidores e a redução do conteúdo harmônico das
correntes de cargas não lineares. São apresentadas as
topologias empregadas no equipamento, simulações de
desempenho para diferentes situações de carga e resultados
experimentais. As melhorias nos parâmetros mais críticos,
após instalação de um protótipo pré-comercial de 7 kVA, são
expostas e analisadas.
Palavras-chave- Fator de Potência, Regulação de Tensão,
Potência Aparente, Qualidade de Energia, Distorção
Harmônica de Corrente.
I. INTRODUÇÃO
O presente projeto tem por finalidade a melhoria da
qualidade de energia elétrica fornecida pela concessionária,
em relação às taxas de distorção harmônica de tensão
fornecida e corrente drenada. O grande desenvolvimento da
tecnologia dos conversores estáticos e dos componentes
semicondutores possibilitaram o uso da eletrônica de
potência na conversão CA-CC de energia para várias
aplicações industriais. A utilização generalizada de
retificadores de potência tende a provocar distorção
harmônica das correntes drenadas da rede elétrica e,
consequentemente, um baixo fator de potência. A estas
correntes distorcidas, que representam uma nova forma de
poluição, estão associados interferências eletromagnéticas e
desperdício de energia nas linhas das empresas fornecedoras
de energia elétrica. Sendo assim, pesquisas têm sido feitas a
fim de produzir equipamentos mais eficientes e que
busquem minimizar estes problemas.
Ii
Vi
Figura 1 - Diagrama de blocos para definição do fator de
potência.
A equação que define o fator de potência é apresentada a
seguir:
Vief .Ii(1)ef .cos  (1) Ii(1)ef
FP 

 cos  (1)
(1)
Vief .Iief
Iief
onde:
Vief - Valor eficaz da tensão senoidal de entrada.
Ii(1)ef - Valor eficaz da componente fundamental da corrente
de entrada.
Iief - Valor eficaz da corrente de entrada.
(1) - Ângulo de deslocamento entre a tensão e a
componente fundamental da corrente de entrada.
Usualmente a corrente de entrada possui harmônicas.
Assim:
Ii( t )  Ii(1) 
Ii( n )
(2)
onde:
Ii(t) - Corrente de entrada.
Ii(n) - Somatório das harmônicas de corrente.
2
Este projeto foi contratado pela concessionária CELPA, Centrais
Elétricas do Pará, e desenvolvido no Instituto de Tecnologia para o
Desenvolvimento – LACTEC – Curitiba-PR.
2
Iief  Ii(1)ef 
FP 
II. DESCRITIVO DO PROJETO
A seguir são apresentadas a definição do fator de potência
(FP) e algumas estratégias de pré-regulação da tensão de
saída e correção do fator de potência (1).
A figura 1 apresenta um diagrama de blocos com os
principais parâmetros para a obtenção da definição do fator
de potência.
A equação que define o fator de potência é apresentada a
seguir:
ef (1)ef .cos  (1)
Ii(1)ef
(1)
FP  Vi .Ii

 cos  (1)
Iief
Vief .Iief
CARGA
FONTE
I i( n )ef
Ii(1)ef
2
Ii(1)ef 
Ii( n )ef
2
(3)
 cos (1)
2
(4)
A taxa de distorção harmônica (TDH) é definida por:
TDH 
I
i( n )ef
2
(5)
Ii(1)ef
Assim:
FP 
cos (1)
1  TDH
2
(6)
Portanto, fator de potência unitário significa:
- Deslocamento entre Vi e Ii(1) igual a zero;
- Ausência de harmônica de corrente de entrada.
A estratégia utilizada para a correção do fator de potência
é o emprego do conversor pré-regulador Boost, operando no
modo de condução contínuo. Convém salientar novamente
as principais características deste modo de operação:
Vantagens:
- Frequência de operação constante;
- A corrente de entrada não é descontínua, por isso introduz
na rede baixa interferência eletromagnética (EMI)e baixa
interferência de rádio frequência (RFI), reduzindo o filtro de
entrada;
- Tensão máxima da chave é igual a tensão de saída;
- Redução do valor de corrente de pico nos componentes do
conversor Boost em relação a condução descontínua;
- Tensão de saída maior que o nível CC retificado da linha,
proporcionando menores correntes nos componentes do
conversor CC-CC;
- Potência e controle possuem a mesma referência de terra,
assim o drive PWM não necessita de isolamento;
Desvantagens:
- Controle em condução contínua proporciona problemas
de estabilidade, o que não acontece em condução
descontínua;
- Modelagem mais complexa, pois os circuitos equivalentes
de potência e controle são não lineares;
- Dissipação em ambas as comutações.
A figura 1 apresenta o circuito simplificado do protótipo
proposto, onde uma célula boost é colocada entre o
retificador trifásico de onda completa (Ponte de Graetz) e o
inversor de potência trifásico.
harmônicos da corrente de carga, os quais produzem a
distorção na tensão observada nos resultados experimentais.
Figura 2. Forma de onda obtida na entrada do condicionador
de energia elétrica (CEE), para uma carga de
aproximadamente 4 kW.
Figura 3. Inversor PWM e lógica de controle.
Figura 1. Diagrama simplificado do circuito proposto.
Através de simulações, utilizando o software
SIMCAD/PSIM,
obtém-se,
para
uma carga
de
aproximadamente 4 kW, as formas de onda mostradas na
figura 2.
O inversor PWM, conectado após os terminas do “boost”,
a
utiliza modulação senoidal com injeção de 3 harmônica
para realizar os disparos das chaves. A figura 3 mostra a
lógica para disparo dos IGBT´s.
Caso ocorra algum colapso no inversor o sistema deverá
ser capaz de desconectá-lo e conectar a fonte diretamente a
carga, como será visto mais adiante. Conectado a saída do
inversor, foi colocado um filtro passa-baixas com freqüência
de corte em 251 Hz com o objetivo de eliminar o
chaveamento do inversor PWM. Este filtro é mostrado na
figura 4.
Junto à saída do filtro passa-baixas estão outros dois
a
a
conjuntos de filtros casados para eliminar os 3 e 5
Figura 4. Filtro passa-baixas conectado na saída do inversor
A freqüência de ressonância para ambos os filtros casados
é calculada de acordo com a equação (7). Em RLC3, R = 1
Ω, L = 100 mH e C = 7,82 F e a ressonância é 180 Hz.
Para o conjunto RLC5, tem-se R = 1 Ω, L = 100 mH e C =
2,82 F resultando numa ressonância de 300 Hz.
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