Proposta de Mitigação das Distorções Harmônicas

Proposta de Mitigação das Distorções Harmônicas
Geradas por Condicionadores de Ar Inverter Através
do Retificador Híbrido - Análise Computacional
Geraldo P. D. Neto, Gustavo B. Lima, Vinicius F. Bossa, Luiz Carlos G. de Freitas, Carlos E. Tavares
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia/MG, Brasil
Resumo – Este trabalho apresenta uma proposta para
contribuição na área de Qualidade da Energia Elétrica por meio da
mitigação de distorções harmônicas geradas, intrinsecamente, na
operação de condicionadores de ar do tipo inverter. A estratégia
empregada consiste na modelagem e análise de uma topologia de
retificador híbrido monofásico, como estágio pré-regulador,
conectado no circuito de entrada do equipamento objetivando a
redução substancial das distorções harmônicas de corrente causadas
pelo mesmo. A implementação computacional do retificador hibrido
e do condicionador de ar, bem como as análises dos impactos
produzidos pelo acoplamento de ambos são realizadas na
plataforma computacional ATP.
Palavras-Chave – ATP, Condicionador de ar inverter,
harmônicos, modelagem computacional.
I. INTRODUÇÃO
Com o grande progresso recente da eletrônica de
potência, foi possível a concepção e modernização de
equipamentos e tecnologias utilizados nos vários setores da
sociedade, tanto no ambiente produtivo como nos ambientes
domésticos e comerciais. Na área de acionamentos elétricos,
uma grande evolução foi a concepção dos chamados
conversores de potência. Não obstante as diversas vantagens,
sua utilização pode provocar a deformação da onda de
corrente na entrada dos equipamentos eletrônicos, conhecida
como distorção harmônica de corrente, se comportando como
uma carga não-linear. Além de alterações no funcionamento
dos próprios equipamentos eletrônicos, as distorções
harmônicas podem causar sobreaquecimentos e redução na
vida útil de transformadores e máquinas elétricas, erros em
medidores de energia elétrica, e outros diversos efeitos
prejudiciais [1].
À luz destes fatos, o crescimento substancial deste
tipo de tecnologia tem sido motivo de preocupação por parte
das distribuidoras de energia elétrica, fabricantes de
equipamentos e órgãos reguladores do setor. O crescimento
do uso dessa tecnologia relativamente nova, bem como a
grande quantidade de equipamentos em circulação e uso no
mercado, são os principais motivos para o grande interesse
nessa área de estudos, uma vez que diversos equipamentos
novos no mercado carecem de trabalhos mais aprofundados
no ponto de vista da qualidade da energia processada. Dentro
desta seguimento a nova geração de aparelhos
condicionadores de ar Split, conhecidos como do tipo
Inverter, merecem destaque devido a sua grande difusão nos
setores residencial, comercial e industrial. Estes fazem o
controle de velocidade de sua unidade condensadora por
meio de um inversor de frequência, que é acoplado à rede
elétrica por meio de um retificador. Esses modelos de ar
condicionado proporcionam um controle mais eficiente e
mais rápido da temperatura do ambiente, e também com
reduzido nível de ruído. Apesar da economia de energia, este
produto apresenta elevado nível de distorção harmônica de
corrente. Isto se deve à utilização, em sua operação, dos
conversores de potência supramencionados [2].
Nesse sentido, este trabalho encontra-se voltado
para a nova geração de aparelhos condicionadores de ar Split,
conhecidos como do tipo Inverter. Dentre as linhas de
pesquisa e desenvolvimento encontradas atualmente neste
setor, uma tecnologia tem se mostrado promissora no que
tange à mitigação de distorções harmônicas de corrente na
entrada do produto eletroeletrônico (in loco). Trata-se do préregulador retificador híbrido monofásico de alta potência e
elevado fator de potência. Este é composto por um retificador
monofásico não controlado, associado em paralelo com um
conversor chaveado [3]. Esta tecnologia tem sido proposta e
testada com sucesso para outras aplicações desta natureza, a
exemplo dos Sistemas Trólebus [4]. Algumas topologias já
promovem maior robustez frente aos afundamentos de
tensão[5]. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é o
acoplamento do retificador híbrido monofásico, utilizado
como estágio pré-regulador para promover uma substancial
redução das distorções harmônicas em comparação com a
tecnologia
atualmente
utilizada
nos
aparelhos
condicionadores de ar do tipo inverter atualmente utilizados.
A modelagem computacional e os estudos são realizados no
software ATP.
II. O AR CONDICIONADO SPLIT INVERTER
O uso dos aparelhos condicionadores de ar modelo
split inverter tem crescido substancialmente. Essses modelos
de ar condicionado proporcionam um controle mais eficiente
e mais rápido da temperatura do ambiente, e também com
reduzido nível de ruído. O inversor é capaz de minimizar a
oscilação de energia no aparelho, resultando em uma
economia deenergia, que pode chegar a até 60% [2],
dependendo do modelo e da marca, se comparado com os
demais aparelhos Split. Isso ocorre devido ao sistema de
operação interno, que habilita o compressor a operar em
baixa rotação quando a temperatura fica estabilizada, o que
gera a redução no consumo de energia e no ruído produzido,
proporcionando também maior conforto aos usuários.
Apesar da economia de energia, este produto apresenta
elevado nível de distorção harmônica de corrente. A figura 1
mostra a forma de onda da corrente medida na entrada de
1
alimentação de em um aparelho condicionador de ar de 9000
BTU`s, enquanto a figura 2 indica o seu respectivo espectro
harmônico [2].
Fig. 1. Forma de onda da corrente do condicionador de
ar do tipo Inverter
Fig. 2. Espectro harmônico da corrente do condicionador
de ar do tipo Inverter
Como observado nas figuras anteriores, a
deformação de corrente produzida por este equipamento é
significativa. A distorção total de corrente foi de 84,5% com
destaque para a 3ª ordem (72%) e para a 5ª ordem (35%)[2].
Tendo em vista a grande disseminação dos condicionadores
de ar Inverter no mercado, motivada pela economia de
energia propiciada, tornam-se necessárias investigações
quanto aos impatcos e processos de mitigação deste efeito
produzido pelo produto. Seus impactos podem ser
substanciais quando comparados às pequenas cargas que já
são objeto de preocupação neste tema, a exemplo das
lâmpadas fluorescentes compactas. Somado a isto, este
equipamento é utilizado por várias horas ao longo do dia,
além de ter aplicação em ambientes residenciais, comerciais
e industriais.
corrente senoidal vinda da fonte de alimentação. Isso é
possível através da divisão do processamento desta corrente
entre o retificador não controlado e o conversor chaveado,
controlando a parcela processada pelo último. Trabalhando
com esta lógica de controle, este retificador tem obtido
sucesso em mitigar níveis de distorção de corrente, mesmo
para cargas altamente não-lineares. Esta configuração
apresenta também uma grande robustez, pelo fato de a maior
parte da corrente ser processada pelo retificador não
controlado [3]. A Fig. 3 apresenta sua estrutura. A estratégia
de controle é baseada na composição das correntes do
retificador [4]. A corrente drenada da rede (iin) é a
composição daquela requerida pelo retificador não
controlado (iL1), com a parcela do conversor chaveado (iL2),
sendo que a forma de onda da corrente i2 é diretamente
responsável pela característica final da forma de onda da
corrente CA drenada da fonte de alimentação.
Fig. 3. Arranjo topológico do Retificador Híbrido
Monofásico
Desta forma, resultam desta combinação na corrente
de linha, as correntes (iL1), e (iL2), sendo que (iL1), é a
corrente clássica dos retificadores monofásicos não
controlados de onda completa, operando no modo
descontínuo de condução, enquanto que a corrente(iL2) é
aquela imposta de acordo com a referência senoidal desejada.
Portanto, tem-se que a composição das correntes (iL1 + iL2)
assume a forma aproximadamente senoidal (iin), se assim for
desejado. A Fig. 4 ilustra as formas de ondas teóricas das
correntes iL1 e iL2 e da corrente de entrada (iin) do retificador.
A forma de onda tracejada representa a tensão de entrada.
III. O RETIFICADOR HÍBRIDO MONOFÁSICO
A retificação de ondas senoidais, apesar de necessárias
para a operação de eletrônicos, incluindo os aparelhos de ar
mencionados, é também responsável pela distorção da forma
de onda da corrente da carga. Neste aspecto, o retificador
híbrido monofásico apresenta-se como uma alternativa
bastante promissora para mitigar as distorções causadas por
esse processo.
Para tanto, o retificador híbrido monofásico é
composto por um retificador monofásico não controlado
associado em paralelo com um conversor monofásico
chaveado. Por meio desta associação, é possível promover a
retificação da onda de tensão e ao mesmo tempo impor uma
Fig. 4. Formas de onda teóricas das correntes iL1, iL2 e iin.
2
Destaca-se que, apesar de iin ser uma forma de onda
atípica, seu espectro harmônico apresenta níveis harmônicos
adequados, tomando, indicativamente, como referência as
normas internacionais IEC61000-3-2[6] e IEC61000-3-4[7]
para o nível de potência adotado.
IV. IMPLEMENTAÇÃO DO RETIFICADOR VIA ATP
A implementação computacional do retificador
híbrido monofásico foi feita utilizando a ferramenta
ATPDraw, na plataforma ATP. A Fig. 5 ilustra o circuito do
retificador híbrido monofásico implementado no ATP.
coletado no indutor do retificador não controlado. A onda
oriunda desta multiplicação configura o primeiro sinal de
referência.
O segundo sinal de referência é obtido diretamente
da corrente no elo inferior do circuito de potência. Assim, é
obtida a soma das correntes em cada um dos conversores em
paralelo. Este sinal é comparado com a referência de
corrente, gerada pelo processo anteriormente descrito, e é
usado na comparação, com o intuito de forçar a corrente final
a seguir o primeiro sinal de referência, que é uma onda
basicamente senoidal. Essa imposição se dá através do
controle dos pulsos de ataque de gatilho da chave do
conversor controlado. Estes são gerados pela comparação dos
dois sinais de referência [8,9].
V. MODELAGEM DO AR CONDICIONADO
MODELO SPLIT INVERTER
Fig. 5. Circuito do retificador híbrido monofásico.
A montagem do circuito de potência compreende
um retificador não-monofásico tradicional, em paralelo com
um conversor chaveado, do tipo SEPIC. Para a
implementação dos diodos, foi necessária a utilização de um
circuito snubber, representado pelos blocos com o subscrito
RLC, mostrados na Fig. 5.
O ATP possui ferramentas para a execução da estratégia
de controle, por meio das TACs, que fornecem diversos
recursos para a coleta e o processamento de sinais, o que
permitiu um processamento eficiente dos sinais de corrente,
bem como dos sinais de referência. A título de exemplo, a
Fig. 6 mostra um detalhe onde o sinal de gatilho da chave, no
conversor controlado, é obtido pela comparação entre dois
sinais de referência.
O principal componente da unidade condensadora do
equipamento, com relação ao carregamento de corrente é o
compressor hermético, sendo basicamente constituído de um
motor trifásico. Assim, foi dado ênfase à modelagem
computacional deste motor.
De posse das informações de funcionamento e
características do motor trifásico, foi utilizado o modelo de
máquina de indução assíncrona alimentada por três fases
disponibilizada na biblioteca do ATP.
Para simular o funcionamento deste dispositivo,
escolheu-se um motor trifásico de 1CV de linha padrão, pelo
motivo de grande parte de condicionadores de ar inverter de
9.000 Btu/h utilizarem motores de potência equivalente para
o acionamento do compressor.
O bloco representativo da unidade em questão no ATP,
bem como seu circuito equivalente está representado na Fig.
7.
Fig. 7. Bloco representativo da unidade condensadora do
Equipamento.
Fig. 6. Circuito de ataque de gatilho para o controle do
conversor controlado.
Neste processo, o primeiro sinal é formado,
inicialmente, por uma senóide retificada, que é obtida através
de uma fonte separada, com uma ponte retificadora ideal. A
esta onda é somada uma onda do tipo dente de serra, de baixa
amplitude, por meio de um somador disponível via TACS. A
este sinal, é multiplicado o valor RMS do sinal de corrente,
O acionamento desta unidade se dá através de um
inversor de freqüência, característica primordial do modelo
Inverter deste equipamento. O inversor estático de frequência
é composto por uma ponte retificadora, um elo CC e
transistores IGBT´s que são responsáveis pela inversão da
tensão contínua em um sinal alternado com tensão e
frequência variáveis. O arranjo é mostrado na Fig. 8 e
compreende as seguintes unidades básicas:
-Retificador; constitui-se de uma ponte retificadora não
controlada, cuja saída alimenta o elo CC. Esta também é a
responsável pela elevada distorção harmônica de corrente
3
injetada no suprimento e, portanto, é, posteriormente,
substituída pelo retificador híbrido aqui modelado para
mitigação deste problema.
-Elo CC; contém um filtro capacitivo com o objetivo de
manter o “ripple” da onda reduzido, mesmo na ocorrência de
distúrbios no lado CA.
-Inversor; consiste de uma ponte inversora trifásica
controlada. Permite a variação da tensão CA em amplitude e
frequência, alterando dessa maneira a velocidade de rotação
do rotor.
-Circuito de controle de disparo; é a unidade responsável
pela abertura e fechamento das chaves semicondutoras do
inversor, utiliza-se a técnica PWM.
Fig. 10. Acoplamento do Retificador híbrido monofásico
na entrada do inversor de freqüência.
VII. ANÁLISE DOS RESULTADOS PARA O
ACOPLAMENTO
Fig. 8. Arranjo do Inversor de frequência do Ar Inverter
Utilizou-se o recurso MODELS do ATP para a
modelagem do equipamento em questão. Para tal finalidade,
o inversor foi feito em blocos testados separadamente para
obter um resultado fiel ao equipamento real. A Fig 9
apresenta as partes interligadas do inversor no ATP.
Fig. 9: Bloco representativo da unidade condensadora do
Equipamento.
Após a definição do acoplamento proposto, procedeu-se
para as simulações computacionais objetivando a validação
dos modelos obtidos e a verificação do atendimento aos
objetivos almejados, ou seja, a redução das distorções
harmônicas na corrente de entrada do equipamento, sem
alteração no seu funcionamento normal. Neste sentido, a Fig.
11 mostra as leituras de corrente que compõem a corrente
CA de entrada, sendo estas medidas nos indutores L1 e L2.
Já a Fig. 12 ilustra a combinação destas duas correntes,
formando a corrente total CA (em vermelho) drenada na
entrada do circuito, juntamente com a tensão de entrada (cor
verde). Observa-se que o fator de potência na entrada do
circuito continua unitário, mesmo tendo como carga o
inversor de frequência alimentando um motor trifásico.
Observa-se que a corrente imposta no retificador
controlado é tal que a forma de onda de corrente resultante
na linha é muito próxima de uma forma senoidal, conforme
esperado, apresentando reduzida taxa de distorção
harmônica, conforme observado em seu espectro harmônico
(Fig. 13).
VI. ACOPLAMENTO DO RETIFICADOR HÍBRIDO
MONOFÁSICO
De posse dos modelos computacionais dos dispositivos
enfocados, a continuidade dos trabalhos caminhou para o
acoplamento do retificador híbrido monofásico ao ar
condicionado modelo Split Inverter. Em substituição ao
retificador originalmente utilizado no condicionador de ar, o
retificador entra como estágio pré-regulador para o inversor
de freqüência, fornecendo a este o elo CC necessário para
seu funcionamento. O objetivo deste acoplamento é eliminar
as distorções harmônicas de corrente causadas pelo
retificador tradicional, já mostradas anteriormente.
A Fig 10 representa o novo circuito, agora com o
retificador híbrido monofásico na entrada do inversor de
freqüência. O retificador continua a fornecer a tensão CC
necessária ao funcionamento do inversor, ao mesmo tempo
em que proporciona uma redução das distorções harmônicas
de corrente, pela imposição da corrente CA na entrada do
circuito.
Fig. 11. Correntes nos indutores L1 e L2.
4
Fig. 12. Corrente de entrada e tensão de entrada
(corrente multiplicada por 100).
frequência. Mesmo com um motor trifásico sendo alimentado
como carga final, o retificador foi capaz de manter um elo
CC estável na entrada do inversor de frequência, o que
permite a alimentação da carga sem grandes alterações. É
perceptível que a onda de tensão no barramento CC
apresenta uma leve variação, em torno de 0.55 segundos.
Esta variação se dá devido ao acionamento do motor, que
causa essa variação na tensão CC na entrada do inversor.
Porém, a simulação mostra como a configuração com o
retificador híbrido foi capaz de estabilizar o circuito após
esse momento transitório, levando à operação normal do
sistema.
Outra observação relevante é forma de onda da corrente
de linha que alimenta o motor da unidade condensadora.
Conforme mostrado na Fig. 15, o seu comportamento é
condizente com o esperado para cargas desta natureza (força
motriz)
Como pode ser visto na Fig. 12, a corrente de entrada do
condicionador de ar apresenta uma forma praticamente
senoidal na entrada do circuito, estando em conformidade
com os limites impostos pela norma internacional IEC610003-4. Este fato é comprovado pela análise do espectro
harmônico da corrente de entrada, indicado na Fig. 13. Ao se
comparar com os dados da configuração original do
equipamento, apresentados na Fig. 2, a componente de 3ª
ordem que, originalmente, se apresentava com 72% caiu para
7% com esta nova topologia. A redução da 3ª ordem também
foi significativa (de 35% para 6%). Estes valores resultaram
em uma substancial diminuição da distorção harmônica total
que foi de 72% para 10,6% após o acoplamento do
retificador híbrido. Estas observações comprovam a eficácia
da solução proposta no que tange à mitigação do conteúdo
harmônico da corrente CA de alimentação do condicionador
de ar inverter, além de validar a modelagem computacional
obtida. Vale salientar que a corrente foi multiplicada por um
fator de escala para ser melhor visualizada no gráfico
apresentado.
Fig. 14. Sinal de tensão no barramento CC, entrada do
inversor de frequência.
Fig. 15. Sinal da corrente de linha no motor trifásico.
VIII. CONCLUSÕES
Fig. 13. Espectro harmônico da onda de corrente de
entrada, em valores por unidade.
Para melhor ilustrar a potencialidade do modelo
computacional obtido, A Fig. 14 mostra o efeito do
Retificador Híbrido Monofásico, no fornecimento da tensão
CC necessária para o funcionamento do inversor de
Este trabalho apresentou uma proposta para
mitigação das distorções harmônicas de corrente
injetadas no sistema elétrico quando da operação
de aparelhos de ar condicionado do tipo split
inverter. Há uma tendência da predominância desta
5
tecnologia no âmbito da refrigeração uma vez que
resulta em maior conforto e economia ao usuário.
Neste sentido, a estratégia utilizada foi a de
mitigação in loco através do emprego do
retificador híbrido monofásico como estágio préregulador do inversor de frequência da unidade
condensadora. Os resultados das simulações
computacionais mostraram que a nova topologia
proposta atendeu aos objetivos almejados. A
implementação e validação na plataforma ATP
mostrou a eficiência da estratégia de controle
utilizada, mantendo o elo CC necessário, e
reduzindo
as
distorções
harmônicas
do
equipamento, além de permitir estudos de
impactos em sistemas elétricos mais complexos.
Apesar dos resultados positivos e encorajadores,
maiores investigações devem ser realizadas para
consolidação do modelo e da estratégia como um
todo. Além disso, a viabilidade de implementação
comercial, ponderando o custo x benefício, deve
ser avaliada devido ao elevado valor agregado a
esta tecnologia.
IX. AGRADECIMENTOS
Os autores expressam seus agradecimentos a
FAPEMIG, CAPES e CNPq pelas bolsas de Iniciação
Científica, mestrado e de doutorado.
X. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] R. C. Dugan, M. F. McGranaghan., S. Santoso., H. W.
Beaty, Electrical Power Systems Quality, 2nd Edition.
USA: McGraw-Hill, 2003.
[2] TAVARES, Carlos Eduardo ; Rezende P. H. O. ;
OLIVEIRA, J. C. . Uma Análise Comparativa de
Condicionadores de Ar no contexto da Qualidade e da
Racionalização da Energia Elétrica. X CBQEE – X
Conferência Brasileira Sobre Qualidade da Energia
Elétrica, Araxá-MG, 2013.
[3] Rodrigues, D. B. ; Costa, A. V. ; Lima, G. B. ; FREITAS,
L. C. ; COELHO, E. A. A. ; FARIAS, V. J. ; Freitas, L.
C. G. . DSP-Based Implementation of Control Strategy
for Sinusoidal Input Line Current Imposition for a Hybrid
Three-Phase Rectifier. IEEE Transactions on Industrial
Informatics, v. 9, p. 1947-1963, 2013.
[4] LIMA, G. B. ; FINAZZI, Antônio de Pádua ; FREITAS,
L. C. ; COELHO, E. A. A. ; VIEIRA JUNIOR, J. B. ;
FARIAS, V. J. ; CANESIN, Carlos Alberto ; Freitas, L.
C. G. . Análise e desenvolvimento de um novo conversor
CA-CC Híbrido Monofásico para Aplicações em
Sistemas Trólebus. Eletrônica de Potência (Impresso), v.
15, p. 263-274, 2010.
[5] Costa, A. V. ; Rodrigues, D. B. ; Lima, G. B. ; FREITAS,
L. C. ; COELHO, E. A. A. ; FARIAS, V. J. ; Freitas, L.
C. G. . New Hybrid High-Power Rectifier With Reduced
THDI and Voltage-Sag Ride-Through Capability Using
Boost Converter. IEEE Transactions on Industry
Applications, v. 49, p. 2421-2436, 2013.
[6] IEC 61000-3-2, "Part 3-2: Limits for harmonic current
emissions (equipment input current lower than 16A per
phase)", International Electrotechnical Commission,
second edition, 2000-08;
[7] IEC 61000-3-4, "Part 3-4: Limits for harmonic current
emissions (equipment input current greather than 16A per
phase)", International Electrotechnical Commission, first
edition, 1998-10;
[8] Barreto L. H. S. C.; Vieira Jr. J. B.; Coelho E. A. A.;
Farias V. J.; de Freitas L. C. The Bang-Bang Hysteresis
Current Waveshaping Control Technique Used to
Implement a High Power Factor Power Supply. IEEE
Transactions on Power Electronics, v. 19, n. 1, p. 160168, 2004.
[9] de Freitas L. C.; et al. A lossless Commutation PWM
Boost Converter with Unity Power Factor Operation. in
Proc. of IEE-European Conference on Power Electronics
and Applications, EPE’97, Vol.4., 1997, pp. 4454-4458.
6