Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC Para

Nuno Fernando Carvalho Teixeira
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do
Lado CC Para Compensação de Harmónicos
Dissertação submetida na Universidade do Minho
para a obtenção do grau de Mestrado Integrado em
Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor João Luiz Afonso
Guimarães 2012
DECLARAÇÃO
Nuno Fernando Carvalho Teixeira
Endereço eletrónico: [email protected]
Telefone:916969843
Número do Bilhete de Identidade: 13230830
Título da Dissertação/Tese:
Filtro Ativo Série Para Compensação de Harmónicos Sem Fonte de
Tensão do Lado CC
Orientador:
Doutor João Luiz Afonso
Ano de conclusão: 2012
Mestrado Integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA TESE/TRABALHO APENAS PARA EFEITOS
DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE
COMPROMETE;
Universidade do Minho, ___/___/______
Assinatura: ________________________________________________
“First intention, then enlightenment.”
Yamamoto Tsunetomo
Agradecimentos
Queria começar por agradecer ao meu orientador o Professor João Luiz Afonso,
pelas sugestões oferecidas na elaboração desta dissertação e por me disponibilizar o
acesso ao laboratório de Eletrónica de Potência, permitindo assim a execução prática
deste trabalho que seria irrealizável de outra forma.
Desejo agradecer também aos investigadores Delfim Pedrosa, Gabriel Pinto, Vítor
Monteiro, Raúl Almeida, Henrique Gonçalves e especialmente ao Bruno Exposto, pela
ajuda e disponibilidade exibidas vezes sem conta e, principalmente por terem
promovido a todo o momento um clima de bem-estar e apoio no seio do laboratório.
Também não posso deixar de agraciar os meus colegas de mestrado Delfim Pinto,
Martinho Maurício, Nuno Manuel, Rui Araújo, Rui Moreira, Rui Pereira entre outros,
pelos inúmeros momentos de boa disposição e pelo espírito de cooperação e entreajuda
demonstrado.
Agradeço também à minha família e amigos pelo interesse e carinho demonstrado
no decorrer deste trabalho.
E o mais importante e sentido dos agradecimentos vai para os meus pais, Maria de
Fátima Carvalho e Carlos Teixeira, pela compreensão e pela paciência que só existem
no amor incondicional.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
i
Resumo
A disseminação em larga escala de cargas não-lineares em tempos recentes tornou
trivial a sua presença e o seu uso pela generalidade dos consumidores industriais e
domésticos. Isto, aliado ao facto deste tipo de cargas consumir correntes distorcidas que
provocam efeitos nocivos na qualidade de energia do sistema elétrico, traduz-se em
elevadas perdas, energéticas e monetárias, para todos os intervenientes no sistema de
distribuição de energia elétrica. Consciente deste problema, a comunidade científica
começou a desenvolver soluções para o resolver. No início as soluções propostas
consistiam apenas no sobredimensionamento de instalações elétricas e equipamentos,
mas com o decorrer dos anos foram-se desenvolvendo novas soluções cada vez mais
complexas e capazes de lidar com todo o tipo de situações. Uma dessas soluções é o
Filtro Ativo de Potência Série, que lida com os problemas de Qualidade de Energia
Elétrica atribuídos à tensão do sistema elétrico.
Esta dissertação descreve a implementação de um Filtro Ativo Série Para
Compensação de Harmónicos sem Fonte de Alimentação do Lado CC e sem
transformador de acoplamento ao sistema elétrico. O equipamento desenvolvido
sintetiza uma tensão que mitiga o conteúdo harmónico da tensão da carga, enquanto
mantém a tensão do lado CC regulada sem o apoio de uma fonte de tensão.
Neste documento é apresentada uma revisão bibliográfica de vários equipamentos
de correção de problemas de Qualidade de Energia Elétrica, e são também descritos e
analisados diversos algoritmos de controlo para o Filtro Ativo Série, que determinam a
tensão a ser injetada no sistema elétrico, a fim de garantir a compensação harmónica e a
regulação da tensão do condensador no lado CC.
A fim de validar as ilações teóricas, são apresentados em primeira instância os
resultados de simulação, seguidos dos resultados experimentais do Filtro Ativo Série
implementado. Para melhor avaliar o desempenho do Filtro Ativo Série são realizadas
simulações computacionais adicionais de um Condicionador Ativo Série, e os resultados
obtidos são comparados com os resultados do Filtro Ativo Série. De referir ainda que o
sistema de controlo implementado no equipamento assenta numa estratégia de controlo
da tensão por valores médios instantâneos.
É também relatado o processo de implementação do Filtro Ativo Série,
descrevendo os diferentes elementos que compõem o equipamento desenvolvido.
Palavras-Chave: Qualidade de Energia Elétrica, Filtro Ativo de Potência Série,
Compensação Harmónica, Regulação de Tensão, Simulações Computacionais, DSP.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
iii
Abstract
The dissemination on a large scale of non-linear loads in recent times, has made
trivial their presence and use by the generality of industrial and domestic consumers.
This, plus the fact, that this type of electric loads consumes distorted currents which are
harmful for the Power Quality of the electric system, has lead to high energy and
monetary losses for all parts involved in the power distributing system. Aware of this
problem, the Power Quality community started developing solutions to resolve it. At the
beginning the proposed solutions consisted just in the oversizing of installations and
equipment, but over the years the solutions became increasingly complex and capable of
dealing with every sort of situations. One of these solutions is the Series Active Power
Filter, which deals with the Power Quality problems that are related to the system
voltage.
This dissertation describes the implementation of a Series Active Power Filter for
Harmonic Compensation without Voltage Source in the DC Side and without a coupling
transformer with the electric system. The developed equipment synthesizes a voltage
which mitigates the harmonic content of the load voltage, while maintaining the voltage
on the DC side regulated without the support of a voltage source.
In this document is presented a review of several pieces of equipment that correct
Power Quality problems, and are also described and analyzed various control
algorithms for the Series Active Filter that determine the voltage to be injected in the
power system, in order to ensure harmonic compensation and voltage regulation on the
DC side capacitor.
In order to validate the theorical illations, at first instance are presented the
simulation results, followed by the experimental results of the implemented Series
Active Filter. To further evaluate the performance of the Series Active Filter, there are
performed additional computer simulations of a Series Active Conditioner, and the
obtained results are compared with the results from the Series Active Filter. Note also
that the control strategy adopted for the equipment relies on a voltage control strategy
by instantaneous mean values.
It also is reported, the implementation process of the Series Active Filter,
describing the different elements that compose the developed equipment and their role
in the overall system.
Keywords: Power Quality, Series Active Power Filter, Harmonic Compensation,
Voltage Regulation, Computer Simulations, DSP.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
v
Índice
Agradecimentos ................................................................................................................ i
Resumo ............................................................................................................................ iii
Abstract............................................................................................................................ v
Índice .............................................................................................................................. vii
Lista de Figuras .............................................................................................................. xi
Lista de Tabelas .......................................................................................................... xvii
Lista de Abreviaturas, Siglas e Símbolos ................................................................... xix
CAPÍTULO 1
1.1.
Qualidade de Energia Elétrica ............................................................................ 1
1.1.1.
1.1.2.
1.1.3.
1.1.4.
1.1.5.
1.1.6.
1.2.
Desequilíbrios do Sistema Trifásico ........................................................... 2
Distorção da Forma de Onda ...................................................................... 4
Flutuações da Tensão ................................................................................ 11
Variações da Frequência Fundamental ..................................................... 12
Variações do Valor Eficaz ........................................................................ 13
Transitórios ............................................................................................... 16
Cargas Não-Lineares ........................................................................................ 17
1.2.1.
1.2.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Fator K ...................................................................................................... 20
Dimensionamento do Condutor Neutro .................................................... 20
Enquadramento ................................................................................................ 23
Motivações ....................................................................................................... 23
Objetivos .......................................................................................................... 24
Organização da Dissertação ............................................................................. 24
CAPÍTULO 2
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série. 27
Introdução ........................................................................................................ 27
Thyristor-Controlled Series Capacitor (TCSC)............................................... 27
Dynamic Voltage Restorer (DVR) ................................................................... 29
Uninterruptible Power Supply (UPS) .............................................................. 30
2.4.1.
2.4.2.
2.4.3.
2.5.
Introdução .......................................................................................... 1
Off-Line UPS............................................................................................. 31
On-Line UPS ............................................................................................. 32
Line-Interactive UPS ................................................................................ 33
Filtros Ativos de Potência Série e Condicionadores Ativos Série ................... 35
2.5.1. Topologias dos Circuitos de Potência do Filtro Ativo de Potência Série e
do Condicionador Ativo Série ................................................................................. 35
2.5.2. Compensação de Variações do Valor Eficaz da Tensão........................... 37
2.6.
2.7.
2.8.
Unified Power Flow Controller (UPFC) .......................................................... 39
Unified Power Quality Conditioner (UPQC) ................................................... 40
Conclusões ....................................................................................................... 41
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vii
Índice
CAPÍTULO 3
3.1.
3.2.
Introdução ......................................................................................................... 45
Técnica Usada para Estimar a Referência de Tensão ....................................... 45
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.
3.3.
Síntese da Referência de Tensão ............................................................... 45
Phase-Locked Loop (PLL) ........................................................................ 46
Tabela de Senos ......................................................................................... 49
Teoria da Potência Instantânea (Teoria p-q)..................................................... 50
3.3.1.
3.3.2.
3.4.
3.5.
3.6.
Sistemas de Controlo para Filtros Ativos Série............................. 45
Significado Físico das Potências Instantâneas .......................................... 51
Teoria p-q no controlo de Filtros Ativos Série .......................................... 53
Estratégia de Controlo da Tensão por Valores Médios Instantâneos ............... 54
Estratégia de Controlo Baseada numa Malha Indireta de Corrente .................. 56
Conclusões ........................................................................................................ 59
CAPÍTULO 4
Simulações do Filtro Ativo Série .................................................... 61
4.1. Introdução ......................................................................................................... 61
4.2. Software de Simulação PSIM ........................................................................... 61
4.3. Modelo do Circuito de Potência do Filtro Ativo Série ..................................... 63
4.4. Modelos do Sistema de Controlo do Filtro Ativo Série e dos Circuitos para
Geração de Referência ................................................................................................. 64
4.4.1.
4.4.2.
4.4.3.
4.4.4.
4.5.
Resultados das Simulações ............................................................................... 69
4.5.1.
4.5.2.
4.5.3.
4.6.
Modelo de PLL Monofásica ...................................................................... 64
Modelo de PLL Trifásica .......................................................................... 65
Modelo do Sistema de Controlo para Circuitos Monofásicos ................... 66
Modelo da Técnica de Comutação Adotada ............................................. 67
Compensação dos Harmónicos de Tensão ................................................ 69
Carregamento e Regulação do Condensador no Barramento CC ............. 72
Compensação de Cavas e Sobretensões .................................................... 74
Comparação entre o Filtro Ativo Série e o Condicionador Ativo Série ........... 77
4.6.1. Modelo do Circuito de Potência do Condicionador Ativo Série ............... 77
4.6.2. Modelo do Sistema de Controlo do Condicionador Ativo Série ............... 78
4.6.3. Comparação dos Resultados das Simulações do Filtro Ativo Série e do
Condicionador Ativo Série ...................................................................................... 79
4.7.
Conclusões ........................................................................................................ 82
CAPÍTULO 5
5.1.
5.2.
Introdução ......................................................................................................... 85
Circuito de Potência do Filtro Ativo Série ....................................................... 85
5.2.1.
5.2.2.
5.2.3.
5.3.
viii
Implementação do Filtro Ativo Série ............................................. 85
Circuito de Comando do Filtro Ativo Série .............................................. 86
Conversor de Potência ............................................................................... 88
Filtro de Acoplamento RLC ...................................................................... 90
Sistema de Controlo do Filtro Ativo Série ....................................................... 92
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Índice
5.3.1.
5.3.2.
5.3.3.
5.3.4.
5.3.5.
5.4.
Sensores Utilizados ................................................................................... 93
Placa de Condicionamento de Sinal.......................................................... 94
DSP (Digital Signal Processor) ................................................................ 97
Placa de Comando do Inversor ............................................................... 102
Placa de Proteção do Barramento CC ..................................................... 103
Conclusões ..................................................................................................... 104
CAPÍTULO 6
6.1.
6.2.
6.3.
Introdução ...................................................................................................... 105
Resultados Obtidos......................................................................................... 105
Conclusões ..................................................................................................... 111
CAPÍTULO 7
7.1.
7.2.
Resultados Experimentais ............................................................. 105
Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros ........................ 113
Conclusões ..................................................................................................... 113
Sugestões para Trabalhos Futuros .................................................................. 116
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 119
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ix
Lista de Figuras
Figura 1.1 – Componentes Direta, Inversa e Homopolar. ................................................ 2
Figura 1.2 – Formas de ondas de um sistema trifásico de tensões desequilibrado. .......... 3
Figura 1.3 – Diagrama fasorial do sistema trifásico e componentes simétricas
correspondentes. ............................................................................................................... 4
Figura 1.4 – Forma de onda de tensão com valor médio de 11%. .................................... 5
Figura 1.5 – Forma de onda de tensão com conteúdo harmónico. ................................... 5
Figura 1.6 – Formas de onda da componente fundamental e das componentes
harmónicas do sinal da Figura 1.5. ................................................................................... 6
Figura 1.7 – Análise espectral do sinal da Figura 1.5. ...................................................... 7
Figura 1.8 – Representação gráfica das potências ativa, reativa e aparente. .................... 8
Figura 1.9 – Representação gráfica das Potências Ativa, Reativa, Harmónica e
Aparente. ........................................................................................................................... 9
Figura 1.10 – Forma de onda de tensão modificada pelos inter-harmónicos. ................ 10
Figura 1.11 – Forma de onda de tensão com micro-cortes. ............................................ 10
Figura 1.12 – Forma de onda de tensão com ruído eletromagnético. ............................. 11
Figura 1.13 – Forma de onda de tensão com flutuação. ................................................. 12
Figura 1.14 – Forma de onda de tensão com uma cava. ................................................. 13
Figura 1.15 – Forma de onda de tensão com uma sobretensão. ..................................... 14
Figura 1.16 – Forma de onda de tensão com uma interrupção. ...................................... 15
Figura 1.17 – Forma de onda de tensão com transitório impulsivo. ............................... 16
Figura 1.18 – Forma de onda de tensão com transitório oscilante. ................................ 17
Figura 1.19 – Relação entre a tensão e a corrente numa carga não-linear. ..................... 18
Figura 1.20 – Exemplos de cargas não-lineares. Em cima: computador desktop, lâmpada
fluorescente compacta, televisor LCD e conversor de potência; em baixo: impressora,
variador de velocidade para motores elétricos e forno a arco. ........................................ 18
Figura 1.21 – Representação de um sistema trifásico sem corrente no neutro. .............. 21
Figura 1.22 – Representação de um sistema trifásico com corrente no neutro............... 21
Figura 1.23 – Representação de um sistema trifásico com corrente harmónica no
condutor neutro. .............................................................................................................. 22
Figura 2.1 – Esquema unifilar do TCSC......................................................................... 28
Figura 2.2 – Zonas de operação do TCSC. ..................................................................... 28
Figura 2.3 – Esquema unifilar de um DVR. ................................................................... 30
Figura 2.4 – Esquema unifilar da Off-Line UPS. ............................................................ 31
Figura 2.5 – Esquema unifilar da On-Line UPS. ............................................................ 32
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xi
Lista de Figuras
Figura 2.6 – Esquema unifilar da Line-Interactive UPS. ................................................ 34
Figura 2.7 – Esquema unifilar do Filtro Ativo de Potência Série. .................................. 35
Figura 2.8 – Circuito de Potência do Condicionador Ativo Série com transformador de
acoplamento no lado do conversor série. ........................................................................ 36
Figura 2.9 – Circuito de potência do Filtro Ativo Série com transformador de
acoplamento e sem conversor paralelo............................................................................ 37
Figura 2.10 – Esquema representativo do fluxo de potência ativa na ocorrência de uma
cava de tensão.................................................................................................................. 38
Figura 2.11 – Esquema representativo do fluxo de potência ativa na ocorrência de uma
sobretensão. ..................................................................................................................... 39
Figura 2.12 – Esquema unifilar do UPFC. ...................................................................... 39
Figura 2.13 – Esquema unifilar do UPQC. ..................................................................... 40
Figura 3.1 – Esquema de um filtro passa-alto utilizado para gerar uma referência de
tensão. .............................................................................................................................. 46
Figura 3.2 – Esquema de um filtro passa-baixo utilizado para gerar uma referência de
tensão. .............................................................................................................................. 46
Figura 3.3 – Esquema de uma PLL monofásica.............................................................. 47
Figura 3.4 – Diagrama de blocos da PLL monofásica. ................................................... 47
Figura 3.5 – Diagrama de blocos de um Phase-Locked Loop trifásico........................... 48
Figura 3.6 – Esquema de sincronização por Tabela de Seno. ......................................... 49
Figura 3.7 – Esquema das potências instantâneas. .......................................................... 52
Figura 3.8 – Teoria p-q aplicada a Filtros Ativos Série .................................................. 54
Figura 3.9 – Esquema de um Filtro Ativo de Potência Série monofásico....................... 55
Figura 3.10 – Malha de controlo dos valores médios instantâneos com controladores PI
e PID. ............................................................................................................................... 55
Figura 3.11 – Esquema de Filtro Ativo Série sem Fonte CC aplicado a sistemas
trifásicos. ......................................................................................................................... 56
Figura 3.12 – Circuito monofásico equivalente de um Filtro Ativo Série adaptado
de [30]. ............................................................................................................................ 56
Figura 3.13 – Diagrama de blocos da estratégia de controlo baseada numa malha
indireta de corrente. ......................................................................................................... 59
Figura 4.1 – Ambiente gráfico do software PSIM........................................................... 62
Figura 4.2 – Ambiente gráfico do software Simview. ..................................................... 62
Figura 4.3 – Interação do software PSIM com ferramentas externas [49]. ..................... 63
Figura 4.4 – Modelo de Simulação do Filtro Ativo Série Monofásico. .......................... 64
Figura 4.5 – Modelo da PLL monofásica simulada. ....................................................... 65
xii
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Lista de Figuras
Figura 4.6 – Modelo da PLL trifásica simulada. ............................................................ 65
Figura 4.7 – Modelo da malha de controlo simulada. .................................................... 66
Figura 4.8 – Modelo da PLL com sistema trifásico virtual. ........................................... 66
Figura 4.9 – Bloco com o código C desenvolvido para controlo do sistema. ................ 67
Figura 4.10 – Diagrama de blocos da técnica CB-PWM. ............................................... 67
Figura 4.11 - Modelo de simulação da técnica de comutação PWM unipolar. .............. 68
Figura 4.12 – (a) Sinais de referência (vref e -vref) e portadora triangular (vtri); (b)
Tensões de saída nos braços no inversor em relação ao neutro (v1n e v2n); (c) Tensão de
saída aos terminais do inversor (v1n-v2n) e após o filtro de saída (vsaída). ........................ 68
Figura 4.13 – Formas de onda da tensão na fonte e na carga e da corrente na carga antes
da compensação: (a) Tensão na fonte (vfonte); (b) Tensão na carga (vcarga); (c) Corrente
na carga (icarga). ............................................................................................................... 69
Figura 4.14 – Forma de onda da tensão de referência (vref). ........................................... 70
Figura 4.15 – Formas de onda das tensões de compensação: (a) Tensão de regulação do
barramento CC (vcomp_cc); (b) Tensão de compensação harmónica (vcomp_har); (c) Tensão
de compensação total (vcomp_tt). ....................................................................................... 71
Figura 4.16 – Formas de onda das tensões de compensação e do barramento CC:
(a) Tensão de compensação de referência (vcomp_tt) e tensão de compensação sintetizada
pelo FAS (vca) que se encontram sobrepostas; (b) Tensão regulada no barramento CC
(vcc).................................................................................................................................. 71
Figura 4.17 – Formas de onda da tensão na fonte e na carga e da corrente na carga após
a compensação: (a) Tensão na fonte (vfonte); (b) Tensão na carga (vcarga); (c) Corrente na
carga (icarga). .................................................................................................................... 72
Figura 4.18 – Ciclo de carregamento do barramento CC. .............................................. 73
Figura 4.19 – Variação da tensão da carga durante o carregamento dos condensadores
do lado CC. ..................................................................................................................... 73
Figura 4.20 – Forma de onda da tensão na fonte durante uma cava de tensão (vfonte). ... 74
Figura 4.21 – Cálculo do valor eficaz da tensão da rede durante uma cava de tensão
(vfonte_rms). ........................................................................................................................ 74
Figura 4.22 – Formas de onda da tensão da rede e da carga durante uma cava:
(a) Tensão da fonte (vfonte); (b) Tensão da carga(vcarga). ................................................. 75
Figura 4.23 – Evolução da tensão do barramento CC antes (0,1 s a 0,2 s), durante (0,2 s
a 0,4 s) e após uma cava de tensão (0,4 s a 0,9 s) (vcc). .................................................. 75
Figura 4.24 – Cálculo do valor eficaz da tensão da rede durante uma sobretensão
(vfonte_rms). ........................................................................................................................ 76
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xiii
Lista de Figuras
Figura 4.25 – Formas de onda da tensão da rede e da carga durante uma sobretensão:
(a) Tensão da fonte (vfonte); (b) Tensão da carga(vcarga).. ................................................. 76
Figura 4.26 – Evolução da tensão do barramento CC antes (0,1 s a 0,2 s), durante (0,2 s
a 0,4 s) e após uma sobretensão (0,4 s a 0,9 s) (vcc). ....................................................... 76
Figura 4.20 – Modelo de simulação do Condicionador Ativo Série. .............................. 78
Figura 4.21 – Sistema de controlo do Condicionador Ativo Série: (a) Sistema de
controlo do condicionador paralelo; (b) Sistema de controlo do condicionador série. ... 79
Figura 4.22 – Formas de onda condicionadas pelo CAS: (a) Tensão na carga antes do
acionamento do CAS; (b) Corrente na carga antes do acionamento do CAS; (c) Tensão
na carga após o acionamento do CAS; (d) Corrente na carga após o acionamento do
CAS. ................................................................................................................................ 80
Figura 4.23 – Formas de onda condicionadas pelo FAS: (a) Tensão na carga antes do
acionamento do FAS; (b) Corrente na carga antes do acionamento do FAS; (c) Tensão
na carga após o acionamento do FAS; (d) Corrente na carga após o acionamento do
FAS. ................................................................................................................................. 81
Figura 4.24 – Formas de onda no Condicionador Ativo Série e no Filtro Ativo Série:
(a) Tensão no barramento CC do CAS; (b) Corrente de compensação do barramento CC
do CAS; (c) Tensão no barramento CC do FAS; (d) Tensão de compensação do
barramento CC do FAS. .................................................................................................. 82
Figura 5.1 – Circuito de Potência: (a) Circuito de potência na parte superior da bancada;
(b) Circuito de potência na parte inferior da bancada. .................................................... 86
Figura 5.2 – Esquema do circuito de comando implementado para o Fitltro Ativo de
Potência Série. ................................................................................................................. 87
Figura 5.3 – Esquema do circuito de potência do Filtro Ativo Série. ............................. 88
Figura 5.4 – Fotografia do conversor de potência (Inversor). ......................................... 88
Figura 5.5 – Representações do módulo de IGBTs SMK100GB176D: (a) Esquema
elétrico do módulo [59]; (b) Aspeto físico do módulo [59]. ........................................... 89
Figura 5.6 – Representações do circuito de drive SKHI22AH4: (a) Esquema elétrico do
circuito de drive [60]; (b) Aspeto físico do módulo [60] ................................................ 89
Figura 5.7 – Filtro de acoplamento RLC: (a) Esquema elétrico do filtro; (b) Aspeto
físico do filtro. ................................................................................................................. 90
Figura 5.8 – Diagrama de Bode do Filtro de Acoplamento (Lf = 1,5 mH; Cf = 30 µF). . 91
Figura 5.9 – Diagrama de Bode do Filtro de Acoplamento (Lf = 1,5 mH, Cf = 30 µF,
Rf = 8 Ω). ......................................................................................................................... 92
Figura 5.10 – Diagrama de Bode do Filtro de Acoplamento (Lf = 0,8 mH, Cf = 20 µF,
Rf = 12 Ω). ....................................................................................................................... 92
xiv
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Lista de Figuras
Figura 5.11 – Sensor de tensão CYHVS025 da ChenYang: (a) Esquema de
funcionamento do sensor; (b) Aspeto físico do sensor. .................................................. 93
Figura 5.12 – PCB de aquisição de sinais de medição de tensões. ................................. 94
Figura 5.13 – PCB para condicionamento dos sinais de medição. ................................. 95
Figura 5.14 – Esquema do circuito de condicionamento de sinal que adequa os sinais de
medição aos niveis de tensão do DSP. ............................................................................ 96
Figura 5.15 – Resultados de simulação do circuito de condicionamento de sinal da
Figura 5.14: Sinal de entrada (vin); Sinal de saída (vout); Sinal à entrada negativa do
AmpOp(vamp-); Sinal na enrtada positiva do AmpOp (vamp+). ........................................ 96
Figura 5.16 – Esquema do circuito de deteção de sobretensões no barramento CC. ..... 97
Figura 5.17 – Resultados de simulação do circuito de deteção de sobretensões no
barramento CC. ............................................................................................................... 97
Figura 5.18 – Placa do DSP (Digital Signal Processor)................................................. 98
Figura 5.19 – Emulador XDS 100 da Texas Instruments. ............................................... 98
Figura 5.20 – Placa do DAC. .......................................................................................... 99
Figura 5.21 – Algoritmo do programa criado para controlar o Filtro Ativo Série e
implementado no DSP. ................................................................................................. 100
Figura 5.22 – Diagrama de blocos do algoritmo de amortecimento e a sua interação com
o PID de saída. .............................................................................................................. 101
Figura 5.23 – PCB de sinais de comando do inversor. ................................................. 102
Figura 5.24 – Painel de controlo com os comandos para ativar/desativar as comutações,
realizar reset dos sinais de erro e com sinalizações luminosas de ocorrência de erros. 103
Figura 5.25 – Placa de proteção do barramento CC: (a) Esquema do circuito de proteção
do barramento CC; (b) Aspeto físico da placa de proteção do barramento CC. ........... 103
Figura 6.1 – Forma de onda da tensão da rede no Laboratório do GEPE (vfonte). ......... 106
Figura 6.2 – Espetro harmónico da tensão da rede no Laboratório do GEPE. ............. 106
Figura 6.3 – Esquema da montagem final com a fonte (ao lado esquerdo), o Filtro Ativo
Série (ao centro), as cargas (ao lado direito) e a carga adicionada para aumentar o
conteúdo harmónico da tensão (ao lado esquerdo sob a fonte). ................................... 107
Figura 6.4 – Forma de onda da tensão da rede (vfonte), com distorção harmónica
adicional. ....................................................................................................................... 107
Figura 6.5 – Espetro harmónico da tensão da fonte após a inclusão da carga a montante
do FAS. ......................................................................................................................... 107
Figura 6.6 – Forma de onda da tensão no barramento CC (vcc) antes de iniciar a
compensação. ................................................................................................................ 108
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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xv
Lista de Figuras
Figura 6.7 – Forma de onda da tensão sintetizada à saída do Filtro Ativo Série (vfiltro).
....................................................................................................................................... 109
Figura 6.8 – Forma de onda da tensão da carga (vcarga). ............................................... 109
Figura 6.9 – Espetro harmónico da tensão da carga. ..................................................... 109
Figura 6.10 – Forma de onda da tensão da rede (vfonte) com ressonância...................... 110
Figura 6.11 – Forma de onda da tensão da carga (vcarga) com algoritmo de
amortecimento. .............................................................................................................. 110
Figura 6.12 – Espetro da tensão da carga com algoritmo de amortecimento. ............... 111
Figura 6.13 – Formas de onda da tensão na fonte (vfonte), da tensão na carga (vcarga),e da
tensão na saída do Filtro Ativo Série (vfiltro). ................................................................. 111
xvi
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Lista de Tabelas
Tabela 1.1 – Valores das tensões harmónicas relativas permitidos em sistemas
BT [3, 5]. ........................................................................................................................... 7
Tabela 1.2 – Limites de interrupções mediante zonas geográficas. ................................ 15
Tabela 1.3 – Analogia entre a origem da poluição harmónica e atmosférica [7]. .......... 19
Tabela 2.1 – Tarefas desempenhadas pelo condicionador paralelo e pelo condicionador
série num UPQC. ............................................................................................................ 41
Tabela 2.2 – Problemas de QEE e equipamentos de compensação. ............................... 43
Tabela 4.1 – Componentes harmónicas da tensão na carga antes da compensação. ...... 70
Tabela 4.2 – Componentes harmónicas da tensão na carga após compensação. ............ 72
Tabela 4.3 – Componentes harmónicas da tensão na carga após a entrada em
funcionamento do CAS. .................................................................................................. 81
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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xvii
Lista de Abreviaturas, Siglas e Símbolos
ADC
Analog-to-Digital Converter
AT
Alta Tensão
BT
Baixa Tensão
CA
Corrente Alternada
CAS
Condicionador Ativo Série
CB
Carrier Based
CC
Corrente Contínua
CCS
Code Composer Studio
cos
Co-seno
DAC
Digital-to-Analog Converter
DSP
Digital Signal Processor
DVR
Dynamic Voltage Restorer
EVA/B
Event Manager A/B
FAP
Filtro Ativo de Potência Paralelo
FAS
Filtro Ativo de Potência Série
FP
Fator de Potência
FPT
Fator de Potência Total
GEPE
Grupo de Eletrónica de Potência e Energia
H
Potência Harmónica
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor
I/O
Input/Output
JTAG
Joint Test Action Group
LED
Light-Emitting Diode
MAT
Muito Alta Tensão
MSPS
Mega-Samples Per Second
MT
Média Tensão
P
Potência Ativa
PC
Personal Computer
PI
Proporcional Integral
PID
Proporcional Integral Derivativo
PLL
Phase-Locked Loop
PWM
Pulse Width Modulation
Q
Potência Reativa
QEE
Qualidade de Energia Elétrica
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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xix
Lista de Abreviaturas, Siglas e Símbolos
xx
Rel
Relativa
S
Potência Aparente
SCR
Silicon-Controlled Rectifier
STATCOM
Static Synchronous Compensator
sen
Seno
THD
Total Harmonic Distortion
TCR
Thyristor-Controlled Reactor
TCSC
Thyristor-Controlled Series Capacitor
UM
Universidade do Minho
UPFC
Unified Power Flow Controller
UPQC
Unified Power Quality Conditioner
UPS
Uninterruptible Power Supply
USB
Universal Serial Bus
VSI
Voltage Source Inverter
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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CAPÍTULO 1
Introdução
1.1. Qualidade de Energia Elétrica
O termo Qualidade de Energia Elétrica (QEE) engloba uma variedade de
fenómenos eletromagnéticos que caracterizam a tensão e a corrente num determinado
momento e numa determinada localização no sistema de distribuição de energia [1]. O
aumento dos equipamentos eletrónicos capazes de causar distúrbios eletromagnéticos,
assim como o aumento de equipamentos sensíveis a fenómenos deste género tem
ampliado o interesse na temática da QEE em anos recentes. Acompanhando o aumento
de problemas operacionais identificados foram definidas também várias maneiras para
descrever os fenómenos subordinados ao tema, o que conduziu à utilização de diversas
terminologias diferentes para descrever os eventos de QEE. Tendo isto em atenção
algumas organizações internacionais criaram normas e terminologia padrão que podem
ser utilizados pela comunidade científica da QEE para descreverem estes eventos. Uma
das normas mais utilizadas é a IEEE Std 1159™-2009, IEEE Recommended Practice
for Monitoring Electric Power Quality [1], onde é apresentada uma classificação
uniformizada para catalogar convenientemente os fenómenos relacionados com a QEE.
Esta norma organiza os fenómenos eletromagnéticos ocorrentes nos sistemas de energia
da seguinte forma:

Desequilíbrios do Sistema Trifásico;

Distorção da Forma de Onda;

Flutuações da Tensão;

Variações da Frequência Fundamental;

Variações do Valor Eficaz;

Transitórios.
A norma supracitada introduz definições para os eventos de Qualidade de Energia
Elétrica assim como limites para os mesmos, de acordo com uma série de normas
internacionais. Todavia em território nacional é vigente a norma europeia
NP EN 50 160, pelo que é importante atender aos limites impostos pela mesma para os
fenómenos analisados.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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1
Capítulo 1 - Introdução
1.1.1.
Desequilíbrios do Sistema Trifásico
Os desequilíbrios consistem num distúrbio exclusivo dos sistemas polifásicos,
sendo os sistemas trifásicos o exemplo mais comum destes sistemas. Geralmente
quando as cargas de um sistema trifásico são desequilibradas, estas causam um
desequilíbrio nas tensões do sistema trifásico.
O teorema de Fortescue é particularmente útil quando se pretende analisar um
sistema polifásico desequilibrado, já que este enuncia que um sistema desequilibrado de
n fasores pode ser convertido em n sistemas equilibrados de fasores que são
denominadas como componentes simétricas dos fasores originais. Para um sistema
trifásico são identificadas três componentes: Direta, Inversa e Homopolar (também
designadas por sequências Positiva, Negativa e Zero respetivamente). Na Figura 1.1
encontram-se três diagramas fasoriais representativos das três componentes simétricas
de um determinado sistema trifásico. O fasor a tracejado serve de referência.
Componente
Directa
Componente
Inversa
Componente
Homopolar
Va+
VaVa0
Vc+
Vb0
Vc0
VbVc-
Vb+
Figura 1.1 – Componentes Direta, Inversa e Homopolar.
Para efetuar a conversão de um sistema trifásico de tensões (ou correntes) para as
três componentes equilibradas basta aplicar a seguinte transformação:
Va  1 1
  
2
Vb   1 
Vc  1 
 
1  V0 
 
   V 
 2  V 
(1.1)
E para efetuar a inversa da transformação anterior basta aplicar o seguinte:
V0 
1 1
  1 
V   3  1 
V 
1  2
 
1  Va 
 
 2   Vb 
  Vc 
(1.2)
Em ambas transformações o operador angular α é traduzido pela equação (1.3):
  e j120º
2
(1.3)
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 1 - Introdução
Obtidas as componentes simétricas pode-se calcular o nível de desequilíbrio
existente no sistema trifásico. Este é descrito pela razão entre a magnitude da
componente inversa da tensão e a magnitude da componente direta [1]:
%Desequilib rio 
V
V
 100
(1.4)
Uma representação de um sistema trifásico desequilibrado surge na Figura 1.2
onde a tensão da Fase A tem 243,5 V de valor eficaz e está 70º adiantada em relação à
origem, a tensão da Fase B tem 229,6 V de valor eficaz e encontra-se 114º atrasada em
relação à origem, e por último a tensão da Fase C tem 180 V de valor eficaz e
encontra-se 164º atrasada em relação à origem.
Tensão A (V)
Tensão B (V)
Tensão C (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.01
0.02
0.03
0.04
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.2 – Formas de ondas de um sistema trifásico de tensões desequilibrado.
Este sistema trifásico desequilibrado é decomposto nas suas componentes
simétricas aplicando a transformação descrita na equação (1.2). Na Figura 1.3 está
representado um diagrama fasorial que relaciona os fasores das três fases com as suas
componentes simétricas correspondentes.
Uma vez calculadas as componentes simétricas resta aplicar a equação (1.4) para
determinar o nível de desequilíbrio existente no sistema trifásico.
Sobre os limites legais permitidos para desequilíbrios existentes na rede elétrica, a
norma portuguesa indica que em condições normais, nas redes de Muito Alta
Tensão (MAT) e de Alta Tensão (AT), para cada período de uma semana, 95% dos
valores eficazes médios de dez minutos da componente inversa das tensões não devem
ultrapassar 2% da correspondente componente direta [2]. Aplicam-se os mesmos limites
para Média Tensão (MT) e Baixa Tensão (BT) [3].
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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3
Capítulo 1 - Introdução
Figura 1.3 – Diagrama fasorial do sistema trifásico e componentes simétricas correspondentes.
1.1.2.
Distorção da Forma de Onda
A distorção da forma de onda é definida como um desvio em regime permanente
em relação à sinusoide de frequência fundamental (e.g., 50 Hz ou 60 Hz) idealizada
para um dado sistema energético [1]. Existem cinco tipos principais de distorção de
forma da onda:

Valor Médio;

Harmónicos;

Inter-harmónicos;

Micro-cortes;

Ruído.
Valor Médio
A presença de uma tensão ou corrente contínua (CC) num sistema energético de
corrente alternada (CA) é denominada como Valor Médio. Este fenómeno pode ocorrer
a partir de distúrbios geomagnéticos (e.g., Erupções Solares), ou devido ao efeito
originário numa assimetria num conversor eletrónico de potência [1]. A presença de
corrente contínua em redes CA pode causar problemas, pois provoca o aumento da
saturação de transformadores que por sua vez está associada ao seu aquecimento,
deterioração dos isolamentos e outros efeitos adversos para este tipo de
equipamento [1]. Na Figura 1.4 encontra-se representada uma onda com um valor
médio de 11% (25 V).
4
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 1 - Introdução
Tensão (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.01
0.02
0.03
0.04
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.4 – Forma de onda de tensão com valor médio de 11%.
Harmónicos
De acordo com o enunciado das Séries de Fourier, qualquer sinal periódico
não-sinusoidal pode ser decomposto num conjunto (potencialmente infinito) de
sinusoides com frequências múltiplas inteiras da frequência do sinal [4], sendo esses
sinais os harmónicos do sinal decomposto. Portanto, num sistema elétrico, os
harmónicos são abstrações representadas sobre a forma de tensões ou correntes
sinusoidais, cujas frequências são múltiplas inteiras da frequência para a qual o sistema
energético está concebido para funcionar (frequência fundamental normalmente de
50 Hz ou 60 Hz). Quando combinados com a corrente ou tensão fundamental, os
harmónicos, produzem uma onda periódica distorcida (não-sinusoidal). Na Figura 1.5
encontra-se um sinal não-sinusoidal que é composto por uma tensão fundamental com
valor eficaz de 230 V à qual foi acrescentada harmónicos de 3ª, 5ª e 7ª ordem que se
encontram em fase e têm valores eficazes de 21 V, 42 V, 28 V respetivamente.
Tensão (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.01
0.02
0.03
0.04
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.5 – Forma de onda de tensão com conteúdo harmónico.
Na Figura 1.6 são apresentadas todas as componentes do sinal anteriormente
representado na Figura 1.5. A ordem dos harmónicos é representada pela letra h.
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5
Capítulo 1 - Introdução
Tensão [h=1] (V)
Tensão [h=3] (V)
Tensão [h=5] (V)
Tensão [h=7] (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.01
0.02
0.03
0.04
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.6 – Formas de onda da componente fundamental e das componentes harmónicas do sinal da
Figura 1.5.
As cargas não-lineares são os equipamentos responsáveis pela introdução de
harmónicos no sistema elétrico, já que estes têm características que fazem com que
consumam correntes não-sinusoidais a partir da fonte. Por isso e, devido à impedância
de linha existente nos sistemas elétricos, os harmónicos de corrente de uma carga
não-linear provocam quedas de tensão com conteúdo harmónico, que por sua vez
alteram a forma de onda da tensão medida aos terminais da carga. Usualmente os
harmónicos de corrente são modelados como fontes de corrente que consomem
correntes harmónicas do sistema de alimentação. Estas correntes atravessam a
impedância do sistema, originando quedas de tensão de frequência múltipla à
fundamental, e como resultado surge distorção harmónica na tensão.
Existem diversas maneiras de determinar o nível de distorção de uma corrente ou
tensão. A grandeza mais frequentemente usada é a Taxa de Distorção Harmónica,
normalmente denominada por THD (do inglês Total Harmonic Distortion). Por
definição a THD da tensão é o valor eficaz da componente harmónica de uma forma de
onda distorcida e pode ser calculada através da equação (1.5):


THD 
h2
Vh2
(1.5)
V1
Esta equação também é válida para calcular a THD da corrente, para tal basta
substituir as componentes fundamental e harmónica da tensão pelas componentes
correspondentes da corrente.
Outro método útil para analisar a distorção causada por harmónicos é a análise
espectral de um sinal. Através da transformada de Fourier, um sinal é convertido para o
domínio das frequências sendo mais simples identificar individualmente os harmónicos
de um sinal. Na Figura 1.7 é exibida a análise espectral do sinal previamente
apresentado na Figura 1.5.
6
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 1 - Introdução
Figura 1.7 – Análise espectral do sinal da Figura 1.5.
Sobre a distorção harmónica a norma portuguesa impõe que, para redes de
BT, 95% dos valores eficazes médios de dez minutos de cada tensão harmónica não
devem exceder os níveis apresentados na Tabela 1.1 [3, 5].
Tabela 1.1 – Valores das tensões harmónicas relativas permitidos em sistemas BT [3, 5].
Harmónicos ímpares
Harmónicos pares
Não múltiplos de três
Múltiplos de três
Ordem h
Tensão Rel. (%)
Ordem h
Tensão Rel. (%)
Ordem h
Tensão Rel. (%)
5
6,0
3
5,0
2
2,0
7
5,0
9
1,5
4
1,0
11
3,5
15
0,5
6-24
0,5
13
3,0
21
0,5
17
2,0
19-25
1,5
> 25
0,2+0,5 x 25/h
Outro aspeto relevante é a forma como os harmónicos condicionam a avaliação de
outros fenómenos de QEE, especialmente o cálculo do Fator de Potência (FP). O Fator
de Potência, é definido como a razão entre a potência que realiza trabalho (Potência
Ativa, P) e a potência total fornecida pelo sistema elétrico (Potência Aparente, S).
FP 
P
 cos 1
S
(1.6)
Em sistemas onde a forma de onda da tensão e da corrente é puramente
sinusoidal, sem qualquer conteúdo harmónico, existe apenas um ângulo de fase (φ1)
entre a tensão e a corrente, então o fator de potência é dado por cos φ1 e passa a ser
designado como Fator de Potência da Fundamental, termo em português equivalente à
terminologia anglo-saxónica Displacement Power Factor. Para além da Potência Ativa
e Aparente existe ainda outra componente que não realiza trabalho designado por
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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7
Capítulo 1 - Introdução
Potência Reativa (Q). Na Figura 1.8 encontra-se uma representação gráfica das relações
entre as componentes da potência elétrica supracitadas.
P  V  I1  cos 1
(1.7)
Q  V  I1  sen1
S  P2  Q2 
(1.8)
V  I1  cos 1 2  V  I1  sen1 2
 V  I1
(1.9)
y
Q
S
1
P
x
Figura 1.8 – Representação gráfica das potências ativa, reativa e aparente.
No caso em que a corrente tem uma forma de onda não-sinusoidal, o fator de
potência não pode ser calculado pelo co-seno do ângulo φ1. É necessário ter em
consideração as frequências harmónicas em conjunto com a frequência fundamental
para o cálculo do fator de potência, como enunciado na equação (1.6).
I  h1 I h  I12  I 22  I 32  I 42  ...  I h2

(1.10)
Nesta circunstância o fator de potência é designado por Fator de Potência Total
(True Power Factor) e no seu cálculo é levado em conta a contribuição dos harmónicos
de corrente. Muitos dispositivos como variadores de velocidade ou fontes de
alimentação podem ter um Fator de Potência da Fundamental próximo da unidade, mas
o seu Fator de Potência Total (FPT) pode ser bastante inferior. Neste caso, adicionar um
banco de condensadores à instalação elétrica traria poucos benefícios já que a
componente reativa à frequência da fundamental é quase zero [4]. Aliás esta ação pode
aumentar a distorção da forma de onda, o que faz com que o Fator de Potência Total se
degrade ainda mais. Na Figura 1.9 é apresentada a Potência Harmónica (H) que não é
mais do que a contribuição dos elementos harmónicos no cálculo da Potência Aparente.
Como foi referido anteriormente a Potência Ativa e a Potência Reativa são
dependentes da tensão e da corrente fundamental. Já a Potência Harmónica é igualmente
dependente da tensão, mas contrariamente às outras, esta é dependente apenas dos
8
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 1 - Introdução
harmónicos de corrente (de frequência superior à fundamental) existentes na instalação.
Nas equações (1.11), (1.12) e (1.13) traça-se a relação entre a Potência Harmónica e a
Potência Aparente.
z
H
S

x
Q
P
y
Figura 1.9 – Representação gráfica das Potências Ativa, Reativa, Harmónica e Aparente.
H  V  I12  I 22  I 32  I 42  ...  I h2
(1.11)
S  P2  Q2  H 2
(1.12)
FPT 
P V  I 1  cos 1

 cos 
S
V I
(1.13)
Resumindo, a distorção harmónica resulta em componentes de corrente adicionais
que fluem pelo sistema elétrico provocando perdas energéticas. Além disto podem
alterar a perceção de um observador sobre algumas grandezas, conduzindo a uma
avaliação deficiente de outros problemas de QEE existentes na instalação.
Inter-Harmónicos
As tensões e correntes cuja frequência não sejam um múltiplo inteiro da
frequência da rede são designados por inter-harmónicos. Existem casos particulares de
inter-harmónicos denominados sub-harmónicos cuja frequência é inferior à frequência
fundamental [6]. Este termo carece ainda de uma definição oficial, mas tem surgido em
várias referências dentro da comunidade científica [6].
Os inter-harmónicos podem ser encontrados em redes de todas as classes de
tensão. As principais fontes de distorção de onda por parte de inter-harmónicos são
cicloconversores, conversores estáticos de frequência, fornos de indução e dispositivos
de soldadura a arco, especialmente aqueles cujo controlo não está sincronizado com a
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9
Capítulo 1 - Introdução
frequência da rede [1]. Os efeitos dos inter-harmónicos ainda não são bem conhecidos e
a norma portuguesa não contempla nenhum limite para este fenómeno, contudo foi
demonstrado que afetam os sistemas de comunicação dos sistemas de transmissão de
energia e causam a tremulação visual em equipamentos de transmissão de imagem. Na
Figura 1.10 encontra-se representado um exemplo de uma tensão modificada pelos
inter-harmónicos.
Tensão (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.10 – Forma de onda de tensão modificada pelos inter-harmónicos.
Micro-Cortes
Os micro-cortes são perturbações periódicas da tensão causadas pela operação
normal dos semicondutores de conversores de potência que geram curto-circuitos
momentâneos [1, 4, 5]. Na Figura 1.11 encontra-se uma forma de onda de tensão com
micro-cortes.
Tensão (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.01
0.02
0.03
0.04
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.11 – Forma de onda de tensão com micro-cortes.
Os micro-cortes de tensão representam um caso especial, já que consistem num
fenómeno periódico embora com frequência bastante elevada, pelo que tem atributos
que podem ser considerados como transitórios e de distorção harmónica. A gravidade de
10
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 1 - Introdução
um micro-corte, em qualquer ponto do sistema, é determinada pela impedância de
linhas e a indutância de acoplamento entre o conversor, a magnitude da corrente e o
ponto a ser monitorizado [1].
Ruído
O ruído é o conjunto de sinais eletromagnéticos, cujo conteúdo espectral encontrase em larguras de banda inferiores a 200 kHz, que são adicionados aos sinais de
corrente e/ou tensão das fases ou do neutro [1, 4]. Na Figura 1.12 encontra-se uma
forma de onda de tensão com ruído de alta frequência.
Tensão (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.01
0.02
0.03
0.04
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.12 – Forma de onda de tensão com ruído eletromagnético.
O ruído pode ser causado por circuitos de controlo, dispositivos eletrónicos de
elevada potência, fontes comutadas, fornos de arco, etc. Com bastante frequência, os
problemas relacionados com o ruído são agravados quando as instalações têm uma
ligação à terra deficiente [1]. Os distúrbios devido ao ruído afetam dispositivos como os
microcomputadores e controladores programáveis e podem ser mitigados através do uso
de filtros, transformadores de isolamento e condicionadores de linha.
1.1.3.
Flutuações da Tensão
Flutuações da Tensão são variações sistemáticas da tensão ou uma série de
mudanças aleatórias da tensão, cujos índices de severidade da flutuação (Pst1, Plt2)
devem ser inferiores a 1 [2].
Qualquer carga que tenha variações cíclicas relevantes, especialmente na
componente reativa, pode causar flutuações da tensão. Cargas que exibam variações
rápidas de uma forma contínua da magnitude da corrente da carga podem causar
1
2
Pst - nível de planeamento de Flutuações da Tensão de curta duração.
Plt - nível de planeamento de Flutuações da Tensão de longa duração.
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11
Capítulo 1 - Introdução
variações da tensão que são designadas de uma maneira errónea como “tremulação”. O
termo tremulação provém da palavra de origem inglesa flicker que por sua vez deriva do
impacto que a flutuação de tensão tem sobre a intensidade luminosa [1]. A flutuação da
tensão é um fenómeno eletromagnético, e a tremulação é um sintoma indesejado deste
evento. Embora haja uma distinção clara entre os dois termos, estes são confundidos
amiúde. Os fornos de arco são a causa mais comum de flutuações da tensão no sistema
de transmissão e distribuição [1]. Uma possível situação com flutuações da tensão
encontra-se na Figura 1.13.
Tensão (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.13 – Forma de onda de tensão com flutuação.
1.1.4.
Variações da Frequência Fundamental
Variações da Frequência Fundamental ocorrem quando a frequência fundamental
da rede elétrica diverge do seu valor nominal específico (e.g., 50 Hz ou 60 Hz). A
frequência fundamental da rede, em regime permanente, depende do equilíbrio entre a
carga e a capacidade da geração disponível. Quando este equilíbrio dinâmico é alterado,
pequenas mudanças ocorrem na frequência. A dimensão do deslocamento da frequência
e a sua duração dependem das características da carga e da resposta do sistema de
geração a mudanças de carga.
A norma portuguesa é clara indicando que a frequência da tensão em sistema de
MAT e de AT deve estar entre 49,5 Hz e 50,5 Hz durante 95 % do tempo de medição
num período de uma semana [2]. Para MT e BT o limite temporal de medição
estreita-se, 49,5 Hz e 50,5 Hz durante 99 % do tempo de medição num período de uma
semana [3]. As variações de frequência que escapam dos limites aceites para o normal
funcionamento em regime permanente do sistema de energia são normalmente causadas
por falhas na estrutura de transmissão de energia, com a desconexão de um grande
bloco de cargas, ou quando uma grande fonte de geração de energia é desligada do
sistema energético [1].
12
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 1 - Introdução
Todavia as variações da frequência fundamental que podem afetar a operação da
maquinaria rotativa ou os processos que deduzem a sua temporização a partir da
frequência fundamental, são raros nos sistemas modernos interconectados. É mais
provável que ocorram variações na frequência fundamental em equipamentos que são
alimentados por geradores isolados afastados da rede.
1.1.5.
Variações do Valor Eficaz
As Variações do Valor Eficaz ocorrem quando a amplitude da tensão da rede
elétrica é alterada, e podem ser classificadas de acordo com a sua duração: curta ou
longa. As variações de curta duração são quase sempre causadas por condições de falha,
pelo acionamento de cargas com corrente de entrada elevada, ou por conexões soltas
intermitentes nas ligações do sistema de energia. Mediante a localização da falha e das
condições do sistema, esta pode causar subidas temporárias da tensão (Sobretensões),
quedas de tensão (Cavas), ou a falha completa da tensão (Interrupções).
As variações de longa duração englobam os desvios do valor eficaz que ocorrem
em intervalos de tempo superiores a 1 minuto.
Cavas de Tensão
A terminologia cava (sag em inglês) é usada para descrever uma redução abrupta,
para 90% a 1% do valor eficaz da tensão, seguida de uma restituição da tensão nominal
num período que pode alternar entre 10 ms e 1 minuto [2]. Na Figura 1.14 está uma
representação de uma cava de tensão com uma diminuição de 46 V, ou seja mais de
20 % inferior ao valor eficaz nominal.
Tensão (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.14 – Forma de onda de tensão com uma cava.
Este fenómeno está normalmente associado a falhas no sistema de alimentação
mas também pode ser causado pelo arranque de motores de elevada potência e por
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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13
Capítulo 1 - Introdução
mudanças no funcionamento de grandes cargas [1]. Sobre este ponto a norma
portuguesa indica que a maioria das cavas de tensão não excedem 1 s e a sua magnitude
é geralmente inferior a 60 % do valor eficaz da tensão nominal [3].
Sobretensões
Uma sobretensão é um aumento do valor eficaz da forma de onda da tensão que,
assim como as cavas, estão geralmente associadas a situações de falha no sistema
elétrico. Também podem ocorrer sobretensões quando uma grande carga é desconectada
do sistema de alimentação ou quando se liga um grande banco de condensadores ou
mesmo numa definição incorreta dos taps de um transformador. Na Figura 1.15
encontra-se representada uma situação de uma sobretensão em que a tensão aumenta
50 V, ou seja mais de 20 % acima do valor nominal.
Tensão (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.15 – Forma de onda de tensão com uma sobretensão.
As sobretensões são caracterizadas pela sua magnitude e duração. Numa condição
de falha também deve ser levada em conta a localização da falha, a impedância da
instalação e a ligação à terra do sistema. A magnitude da sobretensão situa-se
geralmente entre 10 % a 80 % acima da tensão eficaz nominal; em relação à duração
esta pode ser de curta (entre 10 ms e 60 s) ou de longa duração (mais de 60 s) [1].
A norma NP EN 50 160, na qual se baseia a norma portuguesa, é um pouco vaga e
com critérios bastante alargados, indicando apenas que as sobretensões temporárias à
frequência fundamental são usualmente inferiores a 1,5 kV de valor eficaz para BT [3].
Interrupções
Quando a tensão do sistema ou a corrente da carga diminuem para valores
inferiores a 1 % do seu valor nominal é dito que ocorreu uma interrupção. As
interrupções podem ser o resultado de falhas no sistema elétrico, defeitos do controlo e
14
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Capítulo 1 - Introdução
falhas de equipamentos. Este evento é caracterizado pelo seu tempo de duração que
varia de acordo com a sua origem. A Figura 1.16 mostra uma situação em que ocorreu
uma interrupção.
Tensão (V)
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.16 – Forma de onda de tensão com uma interrupção.
Por exemplo se ocorreu uma falha no sistema elétrico a duração da interrupção
dependerá dos dispositivos de proteção da instalação e do acontecimento particular que
provocou a falha. Uma interrupção pode também ser precedida por uma cava de tensão;
neste caso a interrupção ocorre no período de tempo entre a cava de tensão e o
acionamento do dispositivo de proteção [1].
Em relação aos limites impostos pela norma vigente [2], estes são estipulados
mediante zonas, duração e número de ocorrências anuais para interrupções de longa
duração, devendo ser cumpridas pelos operadores das redes de distribuição, e
encontram-se descritas na Tabela 1.2.
Tabela 1.2 – Limites de interrupções mediante zonas geográficas.
Zonas
Geográficas
Duração (horas)
Nº de interrupções
anuais
AT
MT
BT
AT
MT
BT
A3
4
4
6
8
8
12
B4
4
8
10
8
16
21
C5
4
16
20
8
25
30
3
Capitais de distrito e localidades com mais de 25 mil clientes.
Localidades com um número de clientes compreendido entre 2500 e 25 mil clientes.
5
Restantes locais.
4
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15
Capítulo 1 - Introdução
O tempo de duração de uma interrupção pode variar, pelo que encontra-se
dividido em diferentes classes. Se durar menos de 3 minutos é uma interrupção de curta
duração; se pelo contrário uma interrupção durar mais de 3 minutos diz-se de longa
duração. Esta classificação é fulcral, pois é ela que determina qual o equipamento e/ou
procedimento mais indicado para corrigir este problema de QEE.
No caso de interrupções de curta duração, a informação não se encontra tão bem
detalhada, mas está estabelecido que para MT e BT não podem exceder em número as
poucas centenas por ano, e 70 % delas devem ser inferiores a 1 s [3].
1.1.6.
Transitórios
O termo transitório é usado há muitos anos na análise das variações do sistema de
energia para descrever um evento de natureza momentânea e indesejado [1]. Em termos
gerais, os transitórios podem ser classificados em duas categorias, impulsivos e
oscilatórios. Para ambas as categorias estes fenómenos normalmente não excedem 6 kV
e o tempo de subida (rise time) está compreendido entre os microssegundos e os
milissegundos [3].
Transitório Impulsivo
Um transitório impulsivo é representado por uma alteração repentina das
condições nominais de tensão e/ou corrente, que é unidirecional na sua polaridade. Este
género de fenómeno pode ser caracterizado pelo seu tempo de subida e de descida e
pelo seu conteúdo espectral. Na Figura 1.17 encontra-se representada uma situação onde
ocorreu um transitório impulsivo.
Tensão (V)
700
525
350
175
0
-175
-350
-525
0
0.005
0.01
0.015
0.02
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.17 – Forma de onda de tensão com transitório impulsivo.
As causas mais comuns dos transitórios impulsivos são as descargas elétricas
atmosféricas. Os transitórios impulsivos, devido às altas frequências envolvidas, podem
16
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Capítulo 1 - Introdução
facilmente alterar a sua forma através de componentes de circuitos e podem ser
amortecidos através de circuitos resistivos. Também é possível este tipo de transitórios
excitarem a frequência natural de circuitos ressonantes existentes na rede elétrica dando
origem a transitórios oscilatórios.
Transitório Oscilatório
Um transitório oscilatório consiste numa tensão ou corrente cujo valor instantâneo
altera de polaridade rapidamente e é caracterizado pela sua magnitude, duração e
conteúdo espectral. Ao caracterizar um transitório oscilatório é importante indicar a sua
magnitude com e sem a componente fundamental Um exemplo de um transitório
oscilante encontra-se representado na Figura 1.18.
Tensão (V)
450
300
150
0
-150
-300
-450
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
Time (s)(s)
Tempo
Figura 1.18 – Forma de onda de tensão com transitório oscilante.
Embora este tipo de transitório de alta frequência possa ser originado na resposta
de um circuito ressonante a um transitório impulsivo, os transitórios oscilatórios estão
quase sempre associados a um fenómeno de comutação. Os equipamentos de eletrónica
de potência podem produzir transitórios oscilatórios de tensão como resultado da
comutação dos seus semicondutores e dos circuitos snubber RLC. Os transitórios
oscilatórios podem também ocorrer na energização de bancos de condensadores e
transformadores e na ocorrência de eventos ferrorressonantes.
1.2. Cargas Não-Lineares
Uma tensão sinusoidal aplicada a uma carga não-linear não resulta num consumo
de corrente sinusoidal por parte da carga. Na Figura 1.19 pode-se analisar a relação
entre a corrente e tensão numa carga não-linear genérica.
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17
Capítulo 1 - Introdução
i
t
i(t)
Carga não-linear
I
v
v(t)
t
V
Figura 1.19 – Relação entre a tensão e a corrente numa carga não-linear.
Como já referido na subsecção 1.1.2, estas correntes não sinusoidais, enquanto
fluem pela impedância de linha, provocam quedas de tensão não sinusoidais que
distorcem a forma de onda da tensão. Pode-se então pronunciar que a distorção
harmónica no sistema elétrico é uma causa direta da existência de cargas não-lineares.
Na Figura 1.20 encontram-se representadas diversas cargas lineares com funções,
dimensões e potências distintas.
Figura 1.20 – Exemplos de cargas não-lineares. Em cima: computador desktop, lâmpada fluorescente
compacta, televisor LCD e conversor de potência; em baixo: impressora, variador de velocidade para
motores elétricos e forno a arco.
Os retificadores a díodo ou tíristor de potências elevadas, os cicloconversores e os
fornos a arco são tipicamente caracterizados como cargas não-lineares identificadas,
uma vez que os concessionários de energia elétrica, em muitos casos, identificam as
cargas individuais não-lineares instaladas por consumidores de elevada potência nas
18
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Capítulo 1 - Introdução
redes de distribuição de energia. Os concessionários podem depois determinar o ponto
de acoplamento comum com os consumidores de elevada potência que detenham
grandes cargas não-lineares, o que possibilita que os utilitários possam determinar a
quantidade de corrente harmónica de cada consumidor [4].
Um retificador de baixa potência produz uma quantidade de harmónicos de
corrente negligenciável. Todavia, múltiplos retificadores de baixa potência podem
injetar uma grande quantidade de harmónicos na rede de distribuição de energia. Os
equipamentos com retificadores de baixa potência utilizados como interface de um
aparelho elétrico, como as lâmpadas fluorescentes compactas, fontes de alimentação de
computadores ou fotocopiadoras e impressoras, são tipicamente designados como
cargas não-lineares não identificadas.
Esta questão da classificação das cargas não-lineares é um ponto particularmente
relevante, já que permite escolher o método de compensação mais adequado para cada
carga ou conjunto de cargas. Uma boa maneira de perceber a diferenciação entre cargas
identificadas e não identificadas é através da Tabela 1.3 que estabelece uma analogia
entre as fontes de poluição harmónica e poluição atmosférica [7].
Tabela 1.3 – Analogia entre a origem da poluição harmónica e atmosférica [7].
Fontes
Poluição Harmónica
Poluição Atmosférica
Cicloconversores
Centrais Químicas
Fornos a Arco
Centrais Elétricas a Carvão
Não
Computadores
Veículos a combustíveis fosseis
Identificadas
Lâmpadas Fluorescentes
Sprays Aerossol
Identificadas
Quando se pretende mitigar os efeitos das cargas não-lineares no sistema elétrico
nem sempre são utilizados métodos ativos de compensação. Existem soluções mais
conservadoras e de baixo custo que se for levado em conta o conteúdo harmónico na
fase de projeto de uma instalação elétrica garantem que essa instalação esteja preparada
para lidar com o conteúdo harmónico que possa existir. Duas dessas soluções, que
surgem apresentadas de seguida, passam pelo correto dimensionamento do condutor
neutro em sistemas trifásicos e pela aplicação do Fator K na altura de escolher o
transformador que alimentará a instalação projetada.
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19
Capítulo 1 - Introdução
1.2.1.
Fator K
Quando uma carga não-linear é alimentada a partir de um transformador o núcleo
ferromagnético deste elemento exibe geralmente um sobreaquecimento anormal que
pode conduzir a falhas no isolamento ou até mesmo à destruição do equipamento. Estas
perdas caloríficas resultam sobretudo das correntes parasitas (eddy currents) existentes
nos enrolamentos do transformador, já que estas aumentam aproximadamente com o
quadrado da frequência [8]. Na realidade, com o aumento das perdas energéticas, um
transformador que foi dimensionado para uma carga expectável pode ser insuficiente;
portanto na presença de harmónicos de corrente os produtores e utilizadores aplicam
uma condição de desclassificação da potência do transformador conhecido como Fator
K que relaciona a capacidade do transformador servir graus variáveis de carga
não-linear sem exceder os limites de temperatura esperados, e o seu cálculo, baseado
nas práticas europeias BS 7821 Part 4 e HD 538.3.S1, é descrito pela equação (1.14).
2


I
e  I1 
n N
K  1 
   n 2  n q   n

 1 e  I 
 I1





2




0.5
(1.14)
Na equação (1.14): e são as perdas devido a correntes parasitas à frequência
fundamental a dividir por uma corrente contínua igual ao valor eficaz da corrente
sinusoidal; n é a ordem do harmónico; I é o valor eficaz da corrente contando com
harmónicos e componente fundamental; I1 é a magnitude da corrente à frequência
fundamental; In é a magnitude da corrente do harmónico de ordem n; q é uma constante
exponencial que depende do tipo de enrolamento e frequência.
A principal vantagem de um transformador ao qual foi aplicado o Fator K é que à
altura do seu dimensionamento foi levada em consideração a existência de cargas nãolineares o que reduz as perdas energéticas globais (nos enrolamentos e no circuito
magnético) inerentes ao funcionamento do transformador. Por outro lado, o
transformador é sobredimensionado o que o torna menos eficiente: continua a haver um
excesso de energia dissipada no transformador que deveria ser mitigada; também o
núcleo de ferro é maior do que o necessário o que acrescenta potenciais problemas de
instalação e manutenção [8].
1.2.2.
Dimensionamento do Condutor Neutro
Idealmente os sistemas trifásicos ligados em estrela onde as correntes estejam
equitativamente distribuídas pelas três fases designam-se como sistemas trifásicos
20
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Capítulo 1 - Introdução
equilibrados e, nestes casos, a soma dos fasores das correntes em qualquer momento é
igual a zero, implicando que a corrente no condutor neutro seja igualmente zero. Na
Figura 1.21 encontra-se uma representação do sistema descrito.
Figura 1.21 – Representação de um sistema trifásico sem corrente no neutro.
Numa situação real, como na Figura 1.22, as cargas em cada fase raramente se
encontram dispostas de maneira igual, o que se repercute na corrente do condutor neutro
que dificilmente é zero. Porém, geralmente a corrente no neutro é muito baixa e é
certamente muito inferior à corrente que passa nas linhas.
Figura 1.22 – Representação de um sistema trifásico com corrente no neutro.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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21
Capítulo 1 - Introdução
Num cenário em que existam cargas não-lineares, e mesmo que estas estejam
equilibradas nas 3 fases, é provável que a corrente do condutor neutro seja diferente de
zero, e que seja inclusive superior à corrente das linhas, como está representado no
cenário da Figura 1.23.
Ou seja, a soma das três correntes não sinusoidais provenientes das linhas, mesmo
com um valor eficaz idêntico, pode ter um valor diferente de zero. No caso do sistema
da Figura 1.23 existem harmónicos de ordem múltipla de três em cada uma das fases, e
que devido a serem de sequência homopolar encontram-se em fase uns com os outros
(ver subsecção 1.1.1) consequentemente somando-se no condutor neutro ao invés de se
cancelarem através da soma de fasores como de resto acontece com os restantes
harmónicos de sequência direta ou indireta.
Figura 1.23 – Representação de um sistema trifásico com corrente harmónica no condutor neutro.
Este problema deve ser levado em consideração para o dimensionamento do
condutor neutro em instalações onde sejam encontradas correntes não sinusoidais,
existindo como referência a norma IEC 60364-5-524 que providência regulamentação
para situações como a descrita anteriormente. Embora seja obrigatório as instalações
cumprirem com esta norma, para colocá-la devidamente em prática é necessário
conhecer o número de cargas, e as características das mesmas, que farão parte da
instalação após esta ser colocada em funcionamento.
Ora, isto raramente é possível, pelo que para além de conceber uma instalação que
cumpra com as diversas cláusulas, o projetista deve seguir as recomendações e boas
práticas propostas nos anexos da norma referente [9].
22
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Capítulo 1 - Introdução
1.3. Enquadramento
A Qualidade de Energia Elétrica (QEE) é um aspeto importante, que juntamente
com o preço, define o valor que os clientes atribuem à energia elétrica que consomem.
Ao longo da última década a atenção da comunidade científica sobre a QEE aumentou
de uma forma acentuada. Relacionado a este aumento de interesse encontram-se razões
como a iminente desregulação do mercado da energia, o aumento da complexidade das
redes de elétricas, a sensibilidade da maioria das cargas atuais e a preocupação em
aumentar a eficiência energética. É estimado que problemas relacionados com a QEE
custem à indústria e ao comércio da União Europeia mais do que € 150 mil milhões por
ano [10]. Este valor tenderá a aumentar no futuro com a introdução crescente de cargas
não-lineares sensíveis a problemas de QEE nas habitações, empresas de serviço e
comércio, e em indústrias. Todavia o impacto adverso dos problemas de QEE nas
cargas, e no sistema elétrico como um todo, pode ser minimizado, pois existem
equipamentos de compensação capazes de solucionar ou mitigar estes problemas.
Exemplos desses equipamentos de compensação são os Filtros Ativos de
Potência. Existem duas topologias básicas de Filtros Ativos, paralela e série, onde cada
uma é capaz de lidar com diferentes problemas de Qualidade de Energia Elétrica. A
topologia paralela é normalmente utilizada para corrigir problemas relacionados com a
corrente consumida por uma carga e com a potência reativa (distorção harmónica da
corrente, desequilíbrios de corrente e correção de fator de potência), ao passo que a
topologia série é mais indicada para lidar com os problemas relacionados com a tensão
(distorção harmónica da tensão, flutuações da tensão, subtensões e sobretensões,
desequilíbrios de tensão) [11].
Esta Dissertação de Mestrado Integrado debruça-se sobre os Filtros Ativos de
Potência do Tipo Série, e consiste no estudo, implementação e teste de um Filtro Série
Monofásico, para compensação de harmónicos de tensão, e sem alimentação do lado
CC. Desta forma, para além de produzir as tensões de compensação, o próprio
conversor série ficará encarregado de realizar a regulação da tensão do lado CC.
1.4. Motivações
É pretendido com esta Dissertação de Mestrado dar continuidade a uma linha de
investigação já iniciada na área dos Filtros Ativos de Potência no GEPE-UM (Grupo de
Eletrónica de Potência e Energia da Universidade do Minho). Ao longo dos anos foram
desenvolvidos e testados diversos equipamentos para melhorar a QEE, com o intuito de
reconhecer a aplicabilidade de cada solução para uma problemática específica.
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23
Capítulo 1 - Introdução
A interdisciplinaridade inerente a uma área como a Eletrónica de Potência
permitiu validar valências, que na sua maioria foram obtidas no decurso da formação
universitária, assim como adquirir novas capacidades e conhecimentos nas mais
variadas áreas de conhecimento da Engenharia Eletrónica, tornando todo o trabalho
desenvolvido uma experiência de aprendizagem especialmente proveitosa. Pode-se
afirmar que grande parte das principais áreas de estudo ministradas na formação
académica foram incorporadas neste projeto, já que, foi necessário adquirir saberes na
área da Instrumentação e Sensores de maneira a ler os sinais analógicos de elevada
potência e realizar o condicionamento apropriado dos valores obtidos a partir dos
sensores, deter conhecimentos em Teoria de Controlo de forma a desenvolver e adaptar
estratégias de controlo e identificar as suas limitações, e também a experiência na
Programação de Microcontroladores e os estudos de Processamento Digital de Sinais
saem fortalecidos no final desta prática.
Atendendo a um plano mais pessoal, e tendo em vista a inserção no mercado de
trabalho e o desenvolvimento profissional, a possibilidade de conceber um projeto numa
área com tanto potencial de crescimento e que incorpora um número tão elevado de
conhecimentos expande horizontes e aumenta o leque de opções no mundo laboral.
1.5. Objetivos
O principal objetivo desta dissertação é realizar um estudo aprofundado e
implementar um Filtro Ativo Série, apenas para compensação de harmónicos de tensão,
e sem alimentação do lado CC. Espera-se que o próprio conversor série realize a
regulação da tensão do lado CC. De acordo com os pontos anteriormente descritos, o
trabalho proposto pode ser resumido nas seguintes tarefas:
- Realização de simulações computacionais com recurso ao software PSIM;
- Desenvolvimento do sistema de controlo do Filtro Ativo Série;
- Desenvolvimento do andar de potência do Filtro Ativo Série;
- Teste do Filtro Ativo Série numa instalação (teste em bancada).
1.6. Organização da Dissertação
Esta Dissertação de Mestrado está dívida em sete capítulos que se encontram
estruturados da seguinte formato:
O primeiro capítulo serve como introdução ao documento em questão. São
analisados os problemas relacionados com Qualidade de Energia Elétrica, onde as
questões associadas a cargas não-lineares são alvo de especial enfoque.
24
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 1 - Introdução
No segundo capítulo são apresentados os equipamentos capazes de lidar com os
problemas examinados no capítulo precedente, centrando-se naqueles dispositivos que
são conectados em série com o sistema elétrico, sendo discutidos os seus métodos de
funcionamento, assim como as vantagens e desvantagens de cada um.
Após uma análise completa das soluções para os problemas de QEE, no terceiro
capítulo passa-se em revista algumas teorias de controlo para os Filtros Ativos Série,
assim como algumas técnicas para geração do sinal de referência da tensão.
O quarto capítulo integra as simulações realizadas no software PSIM, que
serviram para validar o que foi dito nos capítulos anteriores, projetando um sistema que
exiba as sinergias existentes entre o circuito de potência e o sistema de controlo.
A etapa alusiva à implementação do Filtro Ativo Série é documentada no quinto
capítulo. São abordados com especial atenção os principais elementos do sistema
projetado.
No sexto capítulo são apresentados os resultados obtidos e estabelecidas
comparações com o que era esperado a partir das simulações e com o que foi obtido nas
medições e testes do protótipo de bancada implementado.
Por último, no sétimo capítulo são apresentadas as conclusões retiradas do
trabalho realizado, as valências adquiridas na realização desta Dissertação de Mestrado
e sugeridas alterações futuras ao sistema implementado com intuito de melhorar e
otimizar esse mesmo sistema.
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25
CAPÍTULO 2
Sistemas de Compensação com Condicionadores do
Tipo Série
2.1. Introdução
Apresentados os problemas de Qualidade de Energia Elétrica (QEE) no capítulo
Introdução, neste capítulo pretende-se apresentar as atuais soluções para os mesmos
utilizando equipamentos de Eletrónica de Potência e concentrando atenções naqueles
sistemas que são colocados em série com o sistema elétrico ou que inserem uma parte
significativa do circuito potência em série com a rede elétrica.
Objetivamente estes dispositivos pretendem proteger as cargas de problemas de
QEE que têm origem, de forma direta ou indireta, a partir da sua fonte de alimentação.
De resto os condicionadores do tipo série apontam essencialmente para a correção de
problemas associados à tensão, onde sistemas como os DVRs (Dynamic Voltage
Restorer), as UPSs (Uninterruptible Power Supplies) e os FASs (Filtros Ativos de
Potência Série) são exemplos disso mesmo. Porém, apesar da sua particular disposição,
os condicionadores do tipo série, não se limitam a lidar com problemas relacionados
com a tensão, já que, por exemplo, equipamentos como o UPFC (Unified Power Flow
Controller), o UPQC (Unified Power Quality Conditioner) ou o TCSC (ThyristorControlled Series Capacitor) são capazes de corrigir problemas associados com a
corrente que passa na carga, ou com a potência reativa do sistema elétrico.
Neste capítulo será realizada uma análise a cada dispositivo apresentado,
apresentando o circuito de potência de cada equipamento e atentando para as vantagens
e desvantagens inerentes a cada um.
2.2. Thyristor-Controlled Series Capacitor (TCSC)
O Thyristor-Controlled Series Capacitor (TCSC) faz parte da primeira geração de
dispositivos condicionadores ligados em série com o sistema elétrico [12], e consiste na
ligação em paralelo de um Thyristor-Controlled Reactor (TCR) com um condensador
que por sua vez está conectado em série com a rede elétrica. Na Figura 2.1 é
representado o esquema de ligações de um TCSC.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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27
Capítulo 2 – Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
Figura 2.1 – Esquema unifilar do TCSC.
O TCSC permite o controlo contínuo da potência reativa do sistema de
transmissão de energia a partir do controlo do ângulo de disparo dos tirístores, que
permite regular a impedância equivalente do circuito LC [12]. Esta relação direta entre o
ângulo de disparo, α, e a impedância equivalente determina o tipo de potência reativa,
capacitiva ou indutiva, que o TCSC injeta no sistema. Tendo esta situação em
consideração, podem ser definidas três zonas de operação do TCSC: indutiva, capacitiva
e de ressonância [13, 14]. Na Figura 2.2 é possível identificar as três zonas de operação
do TCSC para além da forma como a impedância equivalente varia em função do
ângulo de disparo α.
XL
Zona
Capacitiva
Zona
Ressonância
90º
Zona
Indutiva
C lim
 L lim
180º
XC
Figura 2.2 – Zonas de operação do TCSC.
Assim sendo, enquanto α varia entre 90º αLlim e, a impedância equivalente do
TCSC comporta-se como uma indutância variando de acordo com a seguinte condição:
90º     L lim 
 0  X L  
28
(2.1)
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 2 - Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
De maneira análoga, para quando α variar entre
e 180 º, a impedância
equivalente do TCSC tem um comportamento similar a um condensador que varia
mediante a condição (2.2):
 C lim    180º 
   X c  0
(2.2)
Resta referir que para  L lim     C lim , a impedância equivalente do TCSC
encontra-se em ressonância.
As principais vantagens dos TCSC são a sua simplicidade, quer nos componentes
utilizados quer nas técnicas de controlo implementadas, e o seu custo reduzido em
relação a outras soluções. Também o próprio esquema de ligação é vantajoso, já que os
condensadores ligados em série têm algumas vantagens em relação a condensadores
ligados em paralelo. Por exemplo, para conseguir os mesmos benefícios para o sistema
elétrico, os condensadores ligados em paralelo necessitam de três a seis vezes mais
potência do que se estivessem ligados em série [15]. Porém, o TCSC apresenta também
algumas desvantagens, sendo a principal o facto de introduzir harmónicos no sistema de
transmissão devido à comutação dos semicondutores [14].
2.3. Dynamic Voltage Restorer (DVR)
Um Dynamic Voltage Restorer (DVR) é um dispositivo conectado em série com o
sistema elétrico que regula a tensão do lado da carga, e que é normalmente instalado no
sistema de distribuição entre a fonte e a carga cuja tensão se pretende regular. A sua
função principal é compensar rapidamente a tensão do lado da carga assim que se detete
um distúrbio na tensão de alimentação, permitindo assim que se mantenha um fluxo
constante de energia para a carga [16]. Basicamente, um DVR protege a carga de
variações no valor eficaz da tensão, quer sejam sobretensões, subtensões, flutuações do
valor eficaz ou desequilíbrios. Adicionalmente um DVR também pode ser utilizado para
mitigar transitórios de tensão [17].
Na sua estrutura básica um DVR engloba um conversor CA-CC, um banco de
condensadores no barramento CC, um conversor CC-CA, e um transformador como
interface entre o DVR e o sistema elétrico, embora este último elemento possa ser
preterido [17, 18]. Na Figura 2.3 está representada a forma como os diferentes
elementos se agrupam para formar o DVR.
O DVR funciona independentemente do tipo de falha existente no sistema,
mantém-se constantemente ligado à rede elétrica e apresenta dois modos de operação:
“standby” e “boost” [16, 19].
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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29
Capítulo 2 – Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
Figura 2.3 – Esquema unifilar de um DVR.
No “modo standby” o sistema encontra-se com a tensão estabilizada, pelo que não
existe tensão a ser compensada, então o enrolamento do transformador de saída do lado
do DVR é curto-circuitado através de um percurso estabelecido pelo conversor CC-CA
sendo neste modo que o DVR passa a maior parte do tempo. Neste modo não ocorre
nenhuma comutação nos interruptores do conversor, verificando-se apenas perdas de
condução que são muito inferiores comparativamente com as perdas energéticas
registadas devido à comutação dos semicondutores [16]. O segundo modo de operação,
o “modo boost”, entra em funcionamento quando o DVR necessita regular a tensão
fornecida à carga.
Os sistemas DVR utilizam bancos de condensadores como elementos
armazenadores de energia [20]. Estes são os dispositivos mais comuns para armazenar
energia no barramento CC sendo que recentemente passaram a ser utilizados baterias e
ultracondensadores [16].
2.4. Uninterruptible Power Supply (UPS)
A UPS é um sistema de Eletrónica de Potência que deve fornecer energia elétrica
a uma carga de uma forma contínua, confiável, e com qualidade 6. Este tipo de
equipamento garante a alimentação de cargas sensíveis durante interrupções, assim
como a sua proteção de distúrbios nas tensões de alimentação. Os regimes transitórios e
os problemas relacionados com harmónicos podem também ser mitigados com a
utilização de uma UPS.
Numa abordagem mais geral, a UPS é um equipamento que incorpora dois tipos
de conversores de potência, um conversor CA-CC e outro CC-CA. O conversor CA-CC
fica responsável pelo carregamento dos elementos armazenadores de energia
(geralmente um banco de baterias), enquanto o conversor CC-CA fica responsável pela
alimentação contínua da carga.
6
Contudo, cabe ressaltar que algumas UPSs não garantem a alimentação com qualidade, uma vez
que a tensão fornecida à carga é muito distorcida.
30
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 2 - Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
Os sistemas UPS podem ser agrupados em três tipos: estáticos, rotacionais e
híbridos (estáticos e rotacionais) [21], sendo que os sistemas do tipo estático, como são
os mais utilizados, serão os únicos a serem abordados neste secção.
2.4.1.
Off-Line UPS
Esta configuração, que também é conhecida como Standby UPS ou
Line-Preferred UPS, não realiza um condicionamento permanente da energia entregue às
cargas pois apenas entra em funcionamento quando ocorre uma anomalia . A Figura 2.4
mostra a topologia simplificada deste tipo de UPS que engloba um conversor CA-CC,
um inversor CC-CA e um banco de baterias. Este tipo de topologia tem dois modos de
funcionamento: “modo normal” e “modo energia armazenada” [22-24].
Figura 2.4 – Esquema unifilar da Off-Line UPS.
Durante a operação normal do sistema, ou seja, quando a carga é alimentada
diretamente a partir da rede, o conversor CA-CC carrega o banco de baterias e o
conversor CC-CA permanece em standby. Também é possível no “modo normal”
proteger a carga contra transitórios usando supressores de picos de tensão.
Uma vez detetada uma anomalia (interrupções, subtensões, variações da
frequência, etc.) no fornecimento de energia elétrica a partir da rede elétrica, é cortada a
ligação entre a fonte e a carga, e esta passa a ser alimentada pela energia armazenada
nas baterias do sistema UPS. Este modo de operação é denominado por “modo energia
armazenada”. Neste modo de operação a carga é alimentada pelo banco de baterias
através do inversor. A mudança do “modo normal” para o “modo energia armazenada”
é efetuada através de um comutador estático, e o seu tempo de transferência é
compreendido entre ¼ de ciclo e ½ ciclo da rede, o que é suficiente para manter o
correto funcionamento de grande parte das aplicações, como os computadores pessoais,
mas insuficiente para cargas mais sensíveis.
Esta topologia tem como principais vantagens a sua simplicidade, baixo custo, e
dimensões reduzidas. Por outro lado, tem como desvantagens principais a incapacidade
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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31
Capítulo 2 – Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
de regular a tensão de saída, o seu relativamente longo tempo de comutação entre
estados de funcionamento, e o fraco desempenho com cargas não-lineares. Por estas
razões os sistemas Off-Line UPS encontram-se limitados a aplicações abaixo dos
2 kVA [23].
2.4.2.
On-Line UPS
Os sistemas On-Line UPS, ou sistemas Double-Conversion UPS, ou ainda
sistemas Inverter-Preferred UPS, consistem num retificador, num banco de baterias,
num inversor, num comutador estático e em dois interruptores semicondutores. Na
Figura 2.5 encontra-se representado o esquema simplificado de um sistema On-Line
UPS.
Figura 2.5 – Esquema unifilar da On-Line UPS.
Esta topologia apresenta três modos de operação: “modo normal”, “modo energia
armazenada” e “modo bypass” [22-24].
No “modo normal” a carga é continuamente alimentada através do sistema UPS,
ou seja acontece uma dupla conversão: o conversor CA-CC está responsável por
carregar o barramento CC (banco de baterias) e fornecer energia ao conversor CC/CA
que por sua vez a usa para alimentar a carga. Neste modo de operação, o sistema UPS
pode ser utilizado para reduzir o conteúdo harmónico das correntes e das tensões e/ou
corrigir o fator de potência [25, 26] De facto, o retificador desta topologia tem que ter
um nível de potência mais elevado do que nas restantes topologias, o que, em conjunto
com o alto nível de proteção oferecido, aumenta os custos globais do sistema.
O segundo modo de operação, o modo “energia armazenada”, é ativado quando o
sistema deteta distúrbios do lado da fonte, que podem ser interrupções, variações nos
valores da frequência e variações nos valores da tensão. Neste caso, o sistema UPS
desliga-se da rede elétrica e fornece energia à carga enquanto houver energia
32
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 2 - Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
armazenada nas baterias ou enquanto a forma de onda da tensão proveniente da fonte
não voltar à normalidade. Uma vez restaurada a normalidade, é necessário um circuito
de sincronismo (e.g., Phase-Locked Loop - PLL) para que a tensão da carga esteja em
fase com a tensão de entrada, para só depois o sistema voltar ao “modo normal” de
operação.
Por último, o “modo bypass” é implementado no sistema para lhe conceder um
determinado nível de redundância, sendo acionado quando ocorre algum problema com
o funcionamento interno da UPS como sobrecargas ou baterias descarregadas. Este
modo é também utilizado na depuração de falhas e na manutenção do equipamento
(usualmente existe um circuito de bypass de manutenção). Convém salientar que é
necessário a tensão da carga estar em fase com a tensão de entrada e ambas terem a
mesma frequência para ingressar neste modo de funcionamento, e tal pode ser
conseguido através de um circuito de sincronismo como já foi referido.
A topologia On-Line UPS tem como principais vantagens, a forma precisa como a
tensão da carga pode ser regulada, o facto de praticamente não haver tempo de
transferência entre o “modo normal” e o “modo energia armazenada”, o que garante à
carga uma alimentação estável, e de ser possível regular e alterar a frequência de saída
(esta última não é possível no modo “bypass”) [24]. Esta configuração apresenta
também uma elevada tolerância a variações da tensão de entrada e uma regulação
precisa da tensão de saída, não permitindo que os problemas de qualidade de energia da
rede elétrica afetem a carga (existe um isolamento efetivo dos problemas da rede
elétrica em relação à carga), contando que o sistema funcione ou em “modo normal” ou
em “modo energia armazenada”. Outro aspeto positivo prende-se com o desempenho,
que é superior aos das restantes topologias. Em contraponto este sistema apresenta
também algumas desvantagens, como o seu custo inicial elevado, justificado pelo maior
valor de potência do seu conversor CA-CC e pelo nível de proteção apresentado [27].
Também apresenta um menor rendimento devido à sua natureza de dupla conversão e
funcionamento contínuo. Durante o funcionamento no “modo normal” a energia
atravessa dois conversores, o que conduz a perdas energéticas mais elevadas e
consequentemente a um rendimento mais baixo.
2.4.3.
Line-Interactive UPS
Como é mostrado na Figura 2.6, um sistema UPS Line-Interactive é composto por
um comutador estático, um conversor bidirecional, e um banco de baterias. Esta
topologia tanto pode funcionar como uma On-Line UPS ou como uma Off-Line UPS,
porém grande parte dos sistemas UPS Line-Interactive operam on-line de maneira a
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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33
Capítulo 2 – Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
melhorar o fator de potência da carga ou para regular a tensão da carga [21, 28].
Existem dois modos de operação de uma Line-Interactive UPS: o “modo normal” e o
“modo energia armazenada” [22-24].
Figura 2.6 – Esquema unifilar da Line-Interactive UPS.
No “modo normal” de funcionamento a carga é alimentada a partir da rede
elétrica e o conversor bidirecional assume o papel de carregador do banco de baterias,
embora também possa ser utilizado para manter a tensão de saída estabilizada ou para
melhorar o fator de potência da carga [21]. Para regular a tensão da carga, a LineInteractive UPS fornece ao sistema elétrico potência reativa em caso de cava de tensão,
ou consome potência reativa em caso de sobretensão [28].
Quando a ligação à rede não se encontra disponível ou encontra-se fora dos
limites aceitáveis, a UPS passa a funcionar no “modo energia armazenada”, o conversor
bidirecional passa a funcionar como inversor e fornece energia à carga a partir do banco
de baterias. O comutador estático é aberto de forma a evitar o fornecimento de energia à
rede. O sistema UPS mantém-se neste regime de operação até a ligação à rede ser
restaurada dentro dos limites estabelecidos ou enquanto houver energia nas baterias.
A Line-Interactive UPS apresenta como vantagens o facto de no “modo normal” a
corrente retirada da rede servir essencialmente para alimentar a carga, pelo que não
injeta harmónicos adicionais de corrente na rede, o que é uma vantagem importante em
relação à topologia do sistema On-Line UPS. Ainda em comparação com sistemas
On-Line UPS, a topologia Line-Interactive UPS denota uma maior simplicidade o que
se traduz em custos mais baixos e maior fiabilidade. Todavia a falta de isolamento
efetivo da carga em relação à rede e a impossibilidade de regular a frequência são
desvantagens evidenciadas pelo sistema Line-Interactive UPS. Também a deficiente
regulação da tensão no modo “normal”, devido ao inversor não estar ligado em série
com a carga, e a ausência de proteção contra transitórios, são limitações deste sistema.
34
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 2 - Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
2.5. Filtros Ativos de Potência Série e Condicionadores Ativos Série
As configurações do circuito de potência dos Filtros Ativos de Potência, estão
intimamente relacionadas com as aplicações para as quais são concebidos, sendo certas
configurações mais indicadas para lidar com alguns problemas de qualidade de energia
do que outras. Algumas topologias podem apenas ser utilizadas para certas gamas de
potência e devem incluir aspetos de controlo específicos.
Na sua configuração série, o filtro ativo de potência, sintetiza uma tensão em
oposição de fase em relação às componentes harmónicas da tensão de alimentação, para
garantir uma forma de onda da tensão sinusoidal para alimentar a carga. Os Filtros
Ativos de Potência Série (FAS) são ideais para eliminar os harmónicos existentes na
forma de onda da tensão. De facto, esta categoria de filtros ativos é usada para melhorar
a qualidade de energia do sistema de tensões para o benefício da carga, já que fornecelhe uma tensão de alimentação com uma forma de onda sinusoidal, o que é bastante
importante para dispositivos sensíveis a variações na forma de onda da tensão. Já os
Condicionadores Ativos Série têm o mesmo princípio de operação do FAS, todavia uma
alteração no seu circuito de potência permite que este tipo de equipamento compense
uma maior gama de problemas de QEE (equilibrar as tensões num sistema trifásico,
compensar sobretensões e cavas de tensão de longa duração).
Na Figura 2.7 encontra-se representada de uma forma simplificada a função
desempenhada pelo Filtro Ativo de Potência Série no sistema de transmissão de energia.
De referir que o funcionamento do Condicionador Ativo Série é idêntico.
Figura 2.7 – Esquema unifilar do Filtro Ativo de Potência Série.
2.5.1.
Topologias dos Circuitos de Potência do Filtro Ativo de Potência Série e
do Condicionador Ativo Série
A topologia do circuito de potência de um Condicionador Ativo Série (FAS)
agrupa um inversor (conversor série), um filtro passivo LC e um retificador (conversor
paralelo) para regulação da tensão no barramento CC. Esta topologia, apresentada na
Figura 2.8, pode ser configurada para regular a tensão fornecida à carga enquanto reduz
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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35
Capítulo 2 – Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
os harmónicos existentes na forma de onda da tensão. Esta terminologia, embora difira
de muita da literatura existente (que mantém a designação de Filtro Ativo Série mesmo
quando são utilizados dois conversores de potência), é útil para distinguir os dois modos
de operação distintos e as diferenças na topologia do circuito de potência.
v ca
a
a
v cb
b
b
v cc
c
c
n
i ca
i cb
i cc
a
b
c
Conversor
Paralelo
n
+
V cc
a
b
c
Conversor
Série
Figura 2.8 – Circuito de Potência do Condicionador Ativo Série com transformador de acoplamento no
lado do conversor série.
Como já foi referido o CAS, para além de mitigar o conteúdo harmónico da
tensão da carga pode também compensar variações do valor eficaz da tensão (Cavas e
Sobretensões), e Flutuações da Tensão enquanto mantém a tensão do elo CC regulada.
Outro aspeto assinalável no CAS é o facto de a sua topologia ser em tudo similar à do
UPFC (Unified Power Flow Controller) e à do UPQC (Unified Power Quality
Conditioner), o que permite que o CAS seja reconvertido num dos outros dois
equipamentos sem alteração do hardware implementado. Todavia, como é evidente é
necessário utilizar uma metodologia de controlo diferente para o CAS funcionar como
um UPFC ou um UPQC.
Quando apenas é pretendido mitigar o conteúdo harmónico e compensar variações
de curta duração do valor eficaz da tensão de um sistema elétrico, o circuito de potência
pode ser simplificado, sendo possível retirar o conversor paralelo [29, 30] e o
equipamento passa a ser designado por Filtro Ativo de Potência Série. Também é
possível remover o elemento que faculta isolamento galvânico, ligando desta maneira a
saída do inversor diretamente à rede elétrica. Ao prescindir do transformador de
acoplamento e do conversor paralelo a dimensão total do sistema diminui, assim como
as perdas energéticas. Um exemplo desta topologia pode ser visto na Figura 2.9.
36
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 2 - Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
v ca
a
a
v cb
b
b
v cc
c
c
C R
C R
C R
L
L
a
L
b
c
+
VCC
Figura 2.9 – Circuito de potência do Filtro Ativo Série com transformador de acoplamento e sem
conversor paralelo.
Podem também ser adicionados filtros passivos, ligados em paralelo com o
sistema elétrico para compensação de harmónicos de corrente para algumas frequências,
convertendo, desta maneira, o Filtro Ativo Série num Filtro Ativo Híbrido [31].
Outras topologias possíveis para o circuito de potência são sugeridas em [31],
embora algumas delas não sejam muito usuais.
2.5.2.
Compensação de Variações do Valor Eficaz da Tensão
Como já foi referido anteriormente um dos pontos que distingue o Condicionador
Ativo Série (CAS) do Filtro Ativo Série (FAS) é a sua capacidade em lidar com os
problemas de QEE associados às Variações do Valor Eficaz e às Flutuações da Tensão.
O CAS é capaz de compensar os problemas supra referidos enquanto mantém a tensão
no elo CC regulada, o que permite ao CAS manter a tensão aplicada à carga em regime
permanente dentro das normas vigentes e em conformidade com os valores nominais da
mesma, algo que o FAS é incapaz de fazer. Todavia, se estes problemas ocorrerem em
transitórios de duração instantânea ou momentânea (entre 10 ms e 3 s [1]) o FAS pode
suspender a função de regulação do barramento CC e utilizar a energia nele armazenada
para compensar as Variações do Valor Eficaz da Tensão [32].
Para que tal aconteça deve-se garantir que a potência ativa da carga, Pc, se
mantém constante durante a ocorrência de uma cava ou de uma sobretensão, ou seja, a
soma da potência ativa da fonte, Ps ,com a potência ativa do filtro, Pf ,deve ser sempre
igual a Pc (Ps + Pf = Pc).
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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37
Capítulo 2 – Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
Ora num sistema ideal, em que não existam perdas energéticas no FAS e na
impedância de linha, e caso não ocorram Variações do Valor Eficaz da Tensão, a
potência ativa proveniente da fonte é aproveitada na totalidade pela carga, ou seja:
Ps  Pc  Vs I s cos   Vc I s cos 
(2.3)
Pf  0
(2.4)
No entanto quando ocorre uma cava de tensão a potência proveniente da fonte
diminui, portanto para manter a potência fornecida à carga constante pode-se utilizar a
energia armazenada no condensador do FAS para assim compensar a diminuição da
potência da fonte originada pela cava de tensão. Na Figura 2.10 encontra-se um
esquema representativo do fluxo de potência ativa na ocorrência de uma cava de tensão.
Vs  Vc  Ps  Pc
(2.5)
Pc  Ps  Pf
(2.6)
Ps
Pc
Cargas
Pf
Rede Elétrica
a
b
Figura 2.10 – Esquema representativo do fluxo de potência ativa na ocorrência de uma cava de tensão.
Caso ocorra uma sobretensão a potência da fonte aumenta pelo que, para manter a
potência da carga constante, o Filtro Ativo Série deve absorver a componente
excedentária de potência ativa proveniente da fonte, como está descrito nas equações
(2.7) e (2.8). Na Figura 2.11 encontra-se um esquema representativo do fluxo de
potência ativa na ocorrência de uma sobretensão.
38
Vs  Vc  Ps  Pc
(2.7)
Pc  Ps  Pf
(2.8)
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 2 - Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
Ps
Pc
Cargas
Pf
Rede Elétrica
a
b
Figura 2.11 – Esquema representativo do fluxo de potência ativa na ocorrência de uma sobretensão.
2.6. Unified Power Flow Controller (UPFC)
Inicialmente proposto por Gyugyi et al. [33], o Unified Power Flow Controller
(UPFC) integra num só sistema dois conversores de potência, um ligado em série e
outro ligado em paralelo com a rede elétrica, possibilitando o controlo da potência ativa
e reativa do sistema de transmissão de energia elétrica e a regulação da tensão desse
mesmo sistema. Isto é, o UPFC possibilita controlar ao mesmo tempo três parâmetros
essenciais do sistema elétrico: a amplitude e fase da tensão da carga, e a impedância em
série da rede elétrica; o que permite gerir o fluxo de potência no sistema de transmissão
de energia elétrica. Na Figura 2.12 encontra-se um esquema unifilar de um UPFC.
Figura 2.12 – Esquema unifilar do UPFC.
No cerne do funcionamento do UPFC estão os conversores back-to-back que
partilham o mesmo elo CC, o que permite à potência ativa fluir livremente entre os
terminais dos dois conversores e a cada conversor gerar ou absorver a parcela reativa da
potência. Para garantir o controlo desse fluxo de potência, o UPFC sintetiza uma
corrente (ic) e uma tensão (vc) de compensação pelo conversor paralelo e pelo conversor
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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39
Capítulo 2 – Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
série respetivamente. Ambos os conversores são capazes de introduzir potência ativa e
reativa no sistema elétrico, apesar de executarem diferentes funções de regulação: o
conversor paralelo tem um comportamento similar a um STATCOM (Static
Synchronous Compensator) [34], gerindo a potência reativa do sistema através do
controlo da corrente
; já o conversor série comporta-se como um DVR (descrito na
secção 2.3) compensando abaixamentos de tensão através do controlo da tensão vc e
mantendo a tensão da carga em quadratura com a corrente da mesma [35, 36]. Porém,
nesta configuração back-to-back, e para manter o seu elemento armazenador de energia
regulado, a potência ativa média que entra num dos conversores deve ser igual à
potência ativa média que sai no outro conversor: Psérie=Pparalelo. Na prática, a potência
ativa média que entra no sistema conversor back-to-back deve ser ligeiramente superior
à que sai, de maneira a compensar as perdas nos elementos semicondutores.
No circuito de potência do UPFC podem ser utilizados transformadores como
interface com a rede elétrica. Não sendo obrigatório que ambos os conversores tenham
um transformador acoplado na sua saída, é prática comum que pelo menos um dos
conversores tenha isolamento galvânico utilizando um transformador para prevenir
curto-circuitos na rede elétrica quando o UPFC entra em funcionamento [35, 37].
2.7. Unified Power Quality Conditioner (UPQC)
O Unified Power Quality Conditioner (UPQC) combina as potencialidades do
Filtro Ativo de Potência Paralelo (FAP) e do Filtro Ativo de Potência Série (FAS) num
só dispositivo, existindo apenas um barramento CC partilhado pelos dois. A Figura 2.13
é um esquema representativo do funcionamento de um UPQC.
Figura 2.13 – Esquema unifilar do UPQC.
40
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 2 - Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
O UPQC é capaz de compensar simultaneamente problemas de Qualidade de
Energia Elétrica existentes quer na tensão quer na corrente, o que demonstra a
versatilidade deste equipamento. O FAP é responsável por compensar os harmónicos e
os desequilíbrios existentes nas correntes da carga, e o FAS executa a mesma função
mas sobre as tensões provenientes da fonte. O FAS já foi explanado na secção 2.5,
sendo preferível nesta secção concentrar atenções no funcionamento do FAP.
O Filtro Ativo de Potência Paralelo é um inversor controlado por corrente que
injeta para o sistema elétrico, correntes que reduzem o conteúdo harmónico da corrente
fornecida pela fonte a uma dada carga não-linear. Ou seja, o FAP fornece à carga o
conteúdo harmónico da corrente que esta necessita para funcionar convenientemente,
evitando que este seja fornecido pela fonte, o que iria prejudicar outras cargas com
alimentação comum. O FAP também está encarregue das tarefas associadas com a
regulação da tensão do barramento CC, permitindo uma redução da capacidade do
condensador utilizado no elo CC. Outra tarefa que o FAP pode desempenhar dentro de
um sistema UPQC é a compensação da potência reativa da carga. Todavia, do ponto de
vista económico, é preferível que a compensação de reativos seja realizada por outros
dispositivos mais simples e menos dispendiosos pois se o FAP não tiver que eliminar o
conteúdo reativo é possível reduzir a potência do mesmo significativamente [38]. As
ações desempenhadas por ambos os filtros ativos de potência que constituem um UPQC
encontram-se resumidas na Tabela 2.1. Em termos de circuito de potência o que é
válido para o UPFC (descrito na secção 2.6) é também aplicável ao UPQC.
Tabela 2.1 – Tarefas desempenhadas pelo condicionador paralelo e pelo condicionador série num UPQC.
Unified Power Quality Conditioner
Condicionador Ativo Série
Condicionador Ativo Paralelo
Compensa harmónicos de tensão
existentes no lado da carga.
Compensa harmónicos de corrente,
existentes no lado da fonte.
Bloqueia os harmónicos de corrente,
impedindo que fluam para a fonte.
Compensa a potência reativa da carga.
Melhora a estabilidade do sistema.
Compensa Cavas, Sobretensões e
Flutuações.
Regula a tensão no barramento CC do
UPQC.
Compensa Desiquilibrios.
Compensa corrente de neutro em
sistemas a 4 fios.
2.8. Conclusões
Neste capítulo foram apresentados diversos sistemas capazes de lidar com alguns
dos problemas de Qualidade de Energia Elétrica (QEE), tendo estes dispositivos a
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
41
Capítulo 2 – Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
particularidade de terem pelo um condicionador ligado em série com a rede elétrica (o
que não exclui a presença de um condicionador paralelo). Devido a esta singularidade
estes sistemas estão geralmente mais habilitados para lidar com os problemas de QEE
relacionados com a forma de onda da tensão, embora alguns deles possam corrigir
problemas associados à corrente e ao fator de potência. A Tabela 2.2 exibe as
potencialidades de compensação de cada dispositivo estudado neste capítulo.
O TCSC (Thyristor-Controlled Series Capacitor) é o dispositivo mais simples e
também o mais limitado já que apenas consegue reduzir a potência reativa existente no
sistema e ajustar a impedância de Linha.
Os sistemas DVR (Dynamic Voltage Restorer), UPS (Uninterruptible Power
Supply), FAS (Filtro Ativo de Potência Série) e CAS (Condicionador Ativo de Potência
Série) são centrados na correção dos problemas relacionados com a tensão, sendo
alguns mais completos na função que desempenham comparativamente a outros. O
DVR será dos quatro equipamentos supracitados o mais incompleto em termos de
capacidade para resolver problemas de QEE relacionados com os harmónicos de tensão
e/ou interrupções na alimentação da carga, limitando-se a compensar as variações na
tensão de alimentação e desequilíbrios que possam existir num sistema trifásico.
A UPS é um dispositivo mais abrangente, especialmente na sua configuração OnLine UPS, onde é mantido um fornecimento de energia constante à carga mesmo
durante um período de interrupção da alimentação por parte da fonte. A On-Line UPS
está constantemente ligada à carga, o que elimina o tempo de mudança entre os
diferentes modos de operação e garante um isolamento superior entre a fonte e a carga,
mas também implica um aumento nas perdas energéticas, uma vez que os conversores
de potência estão sempre em funcionamento. As UPSs também têm sistemas de
armazenamento de energia, geralmente baseados em baterias, o que conduz a dimensões
e custos superiores.
Entre os três equipamentos condicionadores de tensão chega-se à conclusão que o
Condicionador Ativo Série é a solução mais completa, já que para além de mitigar o
conteúdo harmónico da tensão é também capaz de regular a tensão fornecida à carga.
Porém o Condicionador Ativo Série pode ser um equipamento sobredimensionado para
algumas situações onde apenas seja imposta uma compensação de harmónicos de
tensão. Nesses casos, o Filtro Ativo Série, o equipamento implementado neste trabalho,
pode obter melhores desempenhos em comparação com o Condicionador Ativo Série.
Para o funcionamento do Condicionador Ativo Série são indispensáveis dois
conversores de potência, para além de um ou dois transformadores para isolar
galvanicamente os conversores da rede elétrica, o que significa um aumento do tamanho
42
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Capítulo 2 - Sistemas de Compensação com Condicionadores do Tipo Série
do equipamento, assim como um aumento das perdas energéticas. Em sistemas
monofásicos, o Filtro Ativo Série, particularmente numa topologia que empregue um
único conversor de potência sem transformador de acoplamento é uma solução mais
otimizada, quer em termos de economia de espaço e custos, quer em termos de
desperdício energético. O Filtro Ativo Série pode também, em regime transitório (entre
10 ms e 3 s), compensar Variações do Valor Eficaz da Tensão.
Por último foram também estudados o UPFC (Unified Power Flow Controller) e o
UPQC (Unified Power Quality Conditioner), que devido a terem a mesma topologia do
circuito de potência que o Condicionador Ativo Série, podem ser projetados a partir
deste último. O UPFC condensa as funções de um STATCOM e de um DVR num único
equipamento, ou seja, é capaz de regular a tensão da carga assim como corrigir o fator
de potência. Todavia, o UPFC demonstra algumas deficiências na redução do conteúdo
harmónico do sistema. Já o UPQC é um equipamento mais abrangente, capaz de lidar
com todos os problemas de QEE apresentados na Tabela 2.2 exceto as interrupções no
fornecimento de energia elétrica.
Tabela 2.2 – Problemas de QEE e equipamentos de compensação.
TCSC
DVR
UPS
FAS
CAS
UPFC
UPQC
Potência Reativa







Variações de Tensão







Harmónicos de Tensão







Harmónicos de Corrente







Desequilibrios de Tensão







Desequilibrios de Corrente







Interrupções







Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
43
CAPÍTULO 3
Sistemas de Controlo para Filtros Ativos Série
3.1. Introdução
O sistema de controlo é um dos principais aspetos de um Filtro Ativo de Potência
Série (FAS), pelo que um estudo das diferentes técnicas de controlo é apresentado neste
capítulo para verificar as potencialidades e limitações de cada estratégia. Assim sendo
são apresentados três estratégias de controlo para um FAS:

Teoria da Potência Instantânea (Teoria p-q);

Estratégia de controlo da tensão por valores médios instantâneos;

Estratégia de controlo baseada em malha indireta de corrente.
São também apresentadas algumas soluções para estimar uma forma de onda de
referência para a tensão. Este aspeto de controlo não foi considerado pertencente à
malha de controlo, já que realiza uma operação independente fornecendo à malha a
referência necessária para o cálculo das componentes de compensação.
3.2. Técnica Usada para Estimar a Referência de Tensão
A referência de tensão a ser processada pela malha de controlo implementada é
uma das partes mais importantes de todo sistema de controlo. As técnicas de estimação
de referência não são consideradas como pertencentes à malha de controlo, já que elas
realizam uma tarefa independente do método de controlo implementado.
3.2.1.
Síntese da Referência de Tensão
Esta técnica usa um filtro analógico para determinar os harmónicos contidos na
tensão da rede e tem como principal vantagem a sua simplicidade de implementação
usando dispositivos analógicos para obter a referência necessária [11].
Para esta técnica podem ser utilizados quer filtros passa-alto quer filtros
passa-baixo. Caso sejam empregues filtros passa-alto (Figura 3.1), as componentes de
baixa frequência são removidas do sinal lido a partir do sistema elétrico e as
componentes de alta frequência obtidas são compostas pelo conteúdo harmónico a ser
compensado. Este processo é similar à diferenciação, o que o torna sensível ao ruído. Já
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
45
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
o método que emprega filtros passa-baixo (Figura 3.2) é tido como um método indireto
e reduz a influência do ruído em comparação com os filtros passa-alto. Neste caso é
filtrada a componente fundamental do sinal lido, que depois é subtraída ao sinal original
de forma a obter a referência com a componente harmónica do sinal. Todavia, esta
abordagem sofre de diversos inconvenientes relacionados essencialmente com erros
elevados na magnitude e na fase do sinal de saída.
Filtro
Passa-alto
Vcomp
Ventrada
Figura 3.1 – Esquema de um filtro passa-alto utilizado para gerar uma referência de tensão.
Filtro
Passa-baixo
Ventrada
V fundamental
_
+
Ʃ
Vcomp
Figura 3.2 – Esquema de um filtro passa-baixo utilizado para gerar uma referência de tensão.
3.2.2.
Phase-Locked Loop (PLL)
O Phase-Locked Loop (PLL) é um circuito de sincronização que também pode ser
utilizado para obter a referência pretendida. A partir deste circuito obtém-se um sinal de
saída em fase com o sinal de entrada, e cuja amplitude pode ser unitária ou igual à
amplitude da tensão da rede. Uma das principais vantagens desta abordagem é a sua
robustez, já que mesmo que o sinal de entrada tenha conteúdo harmónico ou variações
na magnitude do sinal, o circuito PLL é capaz de sintonizar o sinal de saída com a
frequência de entrada. Existem diversos modos de implementar um circuito PLL,
existindo uma vasta bibliografia neste ponto em particular. De seguida apresentam-se
duas dessas formas para implementação de uma PLL, uma para sistemas monofásicos e
outra para sistemas trifásicos.
PLL Monofásica
O circuito PLL monofásico que de seguida se apresenta é baseado nos trabalhos
de Masoud Karimi-Ghartemani [39, 40]. De acordo com o diagrama da Figura 3.3, uma
estrutura PLL genérica apresenta três blocos: o bloco de deteção de fase (phase
detection scheme), que mede a diferença entre a fase do sinal de entrada e a fase do sinal
46
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
de saída; o bloco de filtragem (loop filter), que gera o sinal de erro; e o bloco oscilador
controlado por tensão (voltage-controlled oscillator, VCO), que gera o sinal de saída.
Input
Detetor
de Fase
Filtro
VCO
Figura 3.3 – Esquema de uma PLL monofásica.
Uma análise mais elaborada da estrutura da PLL pode ser feita a partir da
Figura 3.4. A entrada u é comparada com a saída y obtendo-se o sinal de erro, e. O sinal
e é multiplicado pelo resultado obtido a partir da função seno e o produto dessa
operação é inserido num controlador PI. À saída do controlador é adicionada uma
componente com a frequência do sinal de entrada, sendo de seguida integrado o
resultado da soma, obtendo-se desta forma o deslocamento de fase Φ, que servirá de
argumento para as funções trigonométricas seno e co-seno. O resultado da função
co-seno é multiplicado por e e é sucessivamente integrado e multiplicado por uma
constante k, obtendo-se desta forma a amplitude A. Por fim, através da multiplicação
entre A e o resultado da função co-seno, é obtido o sinal de saída y, sendo fechada desta
forma a malha externa da PLL.
cos
X
y
A
k
_
ʃ
X
ω0
+
u
+
Ʃ
e
X
PI
+
Ʃ
ʃ
Φ
sin
Figura 3.4 – Diagrama de blocos da PLL monofásica.
O bloco de deteção de fase representa a maior inovação deste esquema, já que
compreende três multiplicações, um deslocamento de fase, uma integração e uma
subtração, ao invés da estrutura de deteção de fase de uma PLL convencional que
apresenta apenas uma multiplicação [40].
Esta estratégia de PLL para além do encravamento da fase, apresenta também
bloqueio da amplitude do sinal de saída, sendo ambas estimadas diretamente. O seu
desempenho é imune às pequenas variações da sua estrutura interna e ao conteúdo com
ruído do sinal de entrada.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
47
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
PLL Trifásica
Embora esta abordagem seja mais indicada para sistemas trifásicos, pode também
ser aplicada a sistemas monofásicos, bastando para o efeito se provocar um
desfasamento da tensão de entrada de modo a replicar um sistema trifásico virtual.
Os sinais de sincronismo obtidos servem de referência para o sistema, bastando
multiplicá-los por um valor constante correspondente ao valor de pico pretendido para a
sinusoide de referência, caso o sistema elétrico em questão seja monofásico. Para
situações em que o sistema seja trifásico basta submeter os sinais de sincronismo à
transformada inversa de Clarke, obtendo-se à saída os sinais de referência que irão ser
comparados posteriormente com os sinais da tensão de entrada. Na Figura 3.5
encontra-se representado o diagrama de blocos de um circuito PLL trifásico.
-cos
i
X
va
vb
vc
–
v
abc
αβ
Ʃ
v
PI

ʃ
t
+
αβ
abc
ia
ib
ic
X
i
sin
Figura 3.5 – Diagrama de blocos de um Phase-Locked Loop trifásico.
As tensões instantâneas
e
são projeções das tensões do sistema trifásico no
sistema de coordenadas ortogonal α-β, e são obtidas através da aplicação da
transformada de Clarke.
 v0 
12 
1 2 1 2
2 
 

 v   3  1  1 2  1 2 
v  
 0
3 2  3 2
 
v a 
v 
 b
v c 
(3.1)
O mesmo procedimento é válido também para as correntes do sistema trifásico
que podem ser remetidas para o plano α-β, obtendo-se as correntes
e
. Com as
correntes e tensões no plano α-β, procede-se ao cálculo das potências real, p’, e
imaginária, q’:
 p'  vα
 '   v
q   β
48
v β  iα 
 vα  i β 
(3.2)
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
Em conformidade com o modelo exibido na Figura 3.5, utiliza-se no cálculo dos
sinais de sincronismo apenas a potência imaginária. Todavia poderia ser utilizada a
potência real para o mesmo efeito, bastando reconfigurar o método de cálculo
aplicado [41]. A parcela q’ é portanto fornecida a um controlador PI de modo a se obter
à saída a frequência angular, ω, que após atravessar um bloco de integração origina o
sinal de sincronismo ωt. Este sinal é depois sujeito às funções trigonométricas seno e
co-seno que geram os sinais de realimentação, as correntes iα e iβ. Estes dois sinais, com
valor máximo unitário, podem ser usados como referência, para tal basta multiplicá-los
por um valor constante de modo a que fiquem na mesma ordem de grandeza das
tensões, va, vb e vc.
3.2.3.
Tabela de Senos
Esta estratégia, amplamente analisada e implementada em [42-44] e cujo esquema
pode ser analisado na Figura 3.6, será porventura das mais simples para gerar uma
referência de tensão, uma vez que consiste na comparação direta de amostras do sinal
obtido. Para a sua implementação é necessário conhecer previamente algumas
condições da forma de onda da tensão com que se pretende alimentar a carga, como a
frequência e a amplitude, bastando depois sincronizar o sinal de referência com a tensão
da fonte.
Sinusóide Ideal
Amostragem
v fonte
Detetor de Fase
Tabela de Seno
Sincronização
vreferência
Figura 3.6 – Esquema de sincronização por Tabela de Seno.
Na base desta estratégia está um sinal sinusoidal com frequência fixa igual à da
rede elétrica (50 Hz) e com amplitude de acordo com o valor máximo da tensão na
carga. Este sinal é amostrado com a mesma frequência de amostragem que as variáveis
de controlo, de maneira a serem recolhidas o mesmo número de amostras, e as amostras
resultantes serem armazenadas numa tabela para posteriormente serem comparadas com
as amostras da variável de controlo. Todavia, antes de se proceder à comparação é
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
49
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
necessário sincronizar os valores de referência com a tensão de entrada, o que é
facilmente realizado através de circuitos detetores de passagem por zero.
Apesar da sua simplicidade e bom desempenho, esta abordagem apresenta
também algumas limitações, nomeadamente quando ocorrem variações na frequência
fundamental. Quando a frequência do sinal de sincronismo se afasta do valor do sinal
que foi utilizado como referência para a tabela de seno, surgem distorções na forma de
onda que serve de referência para o sistema de controlo. Portanto esta estratégia é mais
indicada para situações em que a frequência do sinal pelo qual a tabela é sincronizada é
bastante estável, como no caso da rede elétrica, já que esta cumpre com a cláusula da
norma NP EN 50 160 para a frequência da rede, que garante que a frequência
fundamental do sistema terá variações inferiores a 1% e estará sempre próxima dos
50 Hz (ver subsecção 1.1.4).
3.3. Teoria da Potência Instantânea (Teoria p-q)
A Teoria da Potência Instantânea foi proposta por Akagi et al. [45] em 1983 para
o controlo de Filtros Ativos, sendo inicialmente pensada para sistemas trifásicos a três
condutores e sendo brevemente mencionada a sua aplicabilidade a sistemas trifásicos
com neutro [46]. Todavia, no decurso da década de 90 esta teoria tornou-se mais
abrangente devido a Aredes e Watanabe [47] que expandiram a teoria inicialmente
proposta, conseguindo demonstrar efetivamente que a Teoria p-q poderia também ser
aplicada em sistemas trifásicos desequilibrados com quatro condutores.
Sendo a Teoria p-q uma técnica de controlo baseada no domínio dos tempos é
portanto indicada para o controlo em tempo real de Filtros Ativos de Potência, tanto em
regime permanente como em regime transitório. Partindo dos valores instantâneos das
tensões e das correntes a Teoria p-q é capaz de calcular as correntes e/ou tensões de
compensação a serem sintetizadas. Outras das características relevantes da Teoria p-q é
o facto, das grandezas que a compõem terem um significado físico o que facilita a sua
compreensão.
A Teoria p-q converte as tensões e as correntes do sistema trifásico para um novo
referencial de coordenadas estacionário denominado por referencial α-β-0, através da
transformação de Clarke.
 v0 
 
v  
v  
 
50
1 2
2 
1
3 
 0
12
1 2
3 2
12 
 1 2 
3 2
v an 
v 
 bn 
vcn 
(3.3)
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
 i0 
 
i  
i  
 
1 2
2 
1
3 
 0
12 
 1 2 
3 2
12
1 2
3 2
ian 
i 
 bn 
icn 
(3.4)
Partindo dos sistemas de equações (3.3) e (3.4), a potência real instantânea (p), a
potência imaginária instantânea (q) e a potência instantânea de sequência zero (p0),
podem ser calculadas através das seguintes equações tendo em conta as tensões e as
correntes no sistema de coordenadas α-β-0:
p  v  i  v  i
(3.5)
q  v  i  v  i
(3.6)
p 0  v 0  i0
(3.7)
Analisando as equações (3.5), (3.6) e (3.7), pode-se reagrupá-las da seguinte
forma:
 p 0  v 0
 p  0
  
 q   0
0
v
v
0 

v 
 v 
 i0 
 
i 
i  
 
(3.8)
Após a aplicação da transformação de Clarke podem ser retiradas diversas ilações
sobre os dois sistemas de coordenadas. Por exemplo a potência trifásica pode ser
determinada no plano α-β-0 através da seguinte equação:
p3  p  p0  v i  v i  v0 i0
(3.9)
A potência imaginária instantânea pode também ser expressa a partir do sistema
trifásico a-b-c:
q
( va  vb )ic  ( vb  vc )ia  ( vc v a )ib
3
(3.10)
Analisando a equação (3.10) pode-se afirmar que a potência instantânea
imaginária difere da potência reativa trifásica, já que a primeira leva em consideração o
conteúdo harmónico dos sinais da tensão e da corrente ao invés da segunda.
3.3.1.
Significado Físico das Potências Instantâneas
Como já foi referido anteriormente, as grandezas da Teoria p-q detêm um
significado físico, o que facilita a sua compreensão. No caso das potências instantâneas
(p, q e p0), expressas no plano ortogonal α-β-0, todas elas podem ser decompostas nas
suas componentes constante, correspondente ao valor médio, e alternada.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
51
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
A Figura 3.7 pretende representar graficamente o significado físico das grandezas
da teoria p-q, tendo em conta o sistema elétrico trifásico convencional.
q
a
b
p
~
p
p0
~
p0
Cargas
c
N
Rede Elétrica
Figura 3.7 – Esquema das potências instantâneas.
p → Valor médio da potência real instantânea.
Corresponde à energia média transferida de forma equilibrada da fonte de energia
para a carga por unidade de tempo, de uma forma equilibrada, através das fases do
sistema trifásico. Idealmente, num sistema trifásico a três fios, esta parcela é a única que
a fonte deverá enviar para a carga.
~p → Valor alternado da potência real instantânea.
Corresponde à energia trocada entre a fonte e a carga e vice-versa por unidade de
tempo. Esta é uma das parcelas a ser compensada já que não existe transferência efetiva
de energia da fonte e para a carga.
p 0 → Potência instantânea de sequência zero.
Corresponde à energia transferida da fonte para a carga por unidade de tempo,
através das componentes de sequência zero das tensões e das correntes. Equivale no
plano a-b-c, à energia transportada para através do neutro e de uma ou mais fases. Pode
ser divida em duas parcelas, p e ~p , valor médio e valor alternado respetivamente.
0
0
p 0 → Valor médio da potência instantânea de sequência zero.
Corresponde à energia média transferida da fonte para a carga por unidade de
tempo através da componente de sequência zero do sistema de coordenadas α-β-0.
Equivale no plano a-b-c, à energia transportada através do neutro e de uma ou mais
fases.
~p → Valor alternado da potência instantânea de sequência zero.
0
Corresponde à energia trocada entre a fonte e a carga por unidade de tempo
através da componente de sequência zero do sistema de coordenadas α-β-0. Equivale no
plano a-b-c, à energia transportada para através do neutro e de uma ou mais fases.
q → Potência imaginária instantânea.
Corresponde a uma energia trocada entre as fases do sistema por unidade de
tempo, não havendo contribuição para qualquer transferência energética entre fonte e
52
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
carga. Pode ser divida em duas parcelas, q e q~ , valor médio e valor alternado
respetivamente. Em situações onde não exista distorção harmónica ou desequilíbrios no
sistema, a parcela q~ é equivalente à potência reativa do sistema trifásico convencional.
Convém ainda referir que a Teoria p-q foi estruturada para ser aplicada a sistemas
elétricos trifásicos, porém isso não impede a sua aplicação a sistemas monofásicos. Para
tal basta implementar um sistema trifásico virtual, o que todavia acrescenta uma dose
extra de complexidade à estratégia de controlo.
3.3.2.
Teoria p-q no controlo de Filtros Ativos Série
Para calcular as tensões de compensação a ser introduzidas pelo filtro ativo série é
utilizada a transformada de Clarke para converter o sistema trifásico a-b-c para um
sistema de coordenadas α-β-0, através da equação (3.1). No final espera-se determinar
as tensões de compensação no sistema α-β-0 subtraindo às tensões de referência os
sinais da tensão de entrada, como está descrito na equação (3.11).
vc  v ref  v 
 v   v  v 

 c   ref
(3.11)
Os sinais de referência nas coordenadas α-β-0 têm a mesma fase e frequência dos
sinais de entrada, mas poderão ter amplitude e formas de onda diferentes. Para calcular
a frequência, a fase e sintetizar a forma de onda sinusoidal do sinal de referência, as
tensões vα e vβ são inseridas num circuito PLL, como o descrito na subsecção 3.2.2,
obtendo-se à saída dois sinais sinusoidais de amplitude unitária denominados por iα e iβ.
Estes dois sinais estão também em fase e têm a mesma frequência dos sinais de entrada
do circuito PLL. Resta calcular a amplitude do sinal de referência que se obtém a partir
do valor da potência instantânea fictícia, pfict, que pode também ser decomposta em
componente média e alternada:
p fict  p fict  ~
p fict  v i v  i
(3.12)
Apenas a componente média é efetivamente usada traduzindo o cálculo dos sinais
de referência para a equação (3.13).
vref 
i
1
v   2 2 i
 ref  i  i  
 i   p fict 
i   0 
(3.13)
Obtidos os sinais de referência, procede-se com a determinação das tensões de
compensação como foi descrito na equação (3.11). Essas tensões de compensação são
reconvertidas para as coordenadas a-b-c através da transformada inversa de Clarke e são
válidas apenas para sistemas balanceados.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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53
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
0 
vca   1
v     1 2
 vc 
3
2
cb
  
 v 
vcc   1 2  3 2  c 
(3.14)
Na Figura 3.8 encontra-se um diagrama que demonstra o processo completo
acima descrito.
va
abc
vb
 0
vc
vca
v
v
v c
v –
Ʃ
+
PLL
i
i
v
v
Cálculo
pfict
p fict
v
v ref 
Filtro
Passa-baixo
i
i
–
Ʃ
v c
vcb
vcc
 0
abc
+
v ref 
p fict
Gerador
Referência
Figura 3.8 – Teoria p-q aplicada a Filtros Ativos Série
3.4. Estratégia de Controlo da Tensão por Valores Médios
Instantâneos
O controlo de filtros ativos através dos valores médios instantâneos da tensão é
uma teoria proposta na Tese de Doutoramento de Ennio Ribeiro [48], e consiste na
monitorização permanente dos valores das tensões de entrada (vs); do barramento CC
(vd) e da saída do filtro ativo (vf), de forma a desenvolver uma teoria de controlo para
um filtro ativo série monofásico. Esta teoria de controlo é particularmente interessante,
já que para além de não ser necessário equipamento auxiliar para regular a tensão no
barramento CC, as equações deduzidas permitem determinar alguns parâmetros e
componentes a serem implementados no filtro ativo. Na Figura 3.9 encontra-se a
representação do sistema elétrico a partir do qual é desenvolvida esta teoria de controlo.
Em relação à estratégia de controlo, o valor medido de vs é comparado com a
tensão que se espera obter no lado da carga, ou seja a tensão de referência vs*, que
resulta no sinal vh, variável que condensa o conteúdo harmónico a ser compensado. A
tensão de referência vs* pode ser obtida a partir de uma técnica de geração de referência
descrita na secção 3.2, enquanto vs1 é obtida dividindo vs* pela sua amplitude.
Para controlar a tensão no barramento CC do filtro ativo, mantendo um valor
médio de tensão constante no condensador Cd, a tensão vd é comparada com um valor
54
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
de referência, vd*. O erro obtido da comparação é inserido num controlador PI cujo sinal
de saída é posteriormente multiplicado pelo sinal sinusoidal de amplitude unitária vs1, de
onde resulta um sinal também ele sinusoidal responsável por compensar as perdas
existentes no barramento CC.
s2
s1
D2
D1
Cd
a
vd
b
il
s3
D3
Lf
s4
Cf
is
D4
io
vf
vs
Zo
Figura 3.9 – Esquema de um Filtro Ativo de Potência Série monofásico
Então, os sinais de compensação das componentes harmónicas e das perdas no
barramento CC são somados, resultando o sinal de compensação vcomp, que serve de
referência para a tensão de saída do filtro ativo. Todavia este sinal é ainda comparado
com o sinal medido à saída do filtro ativo, descrevendo uma malha de realimentação
para o cálculo do sinal de saída, e é inserido num controlador PID. O sinal de saída
deste controlador é finalmente comparado com a portadora triangular que fecha assim a
malha externa de controlo. Na Figura 3.10 encontra-se uma representação da malha de
controlo proposta. Convém salientar que a malha apresentada na figura difere um pouco
da originalmente apresentada em [48], sobretudo ao nível dos controladores PI e PID.
vs
+
vs
vd
*
vs1
–
X
+
–
Ʃ
vh
+
vd
*
+
Ʃ
PI
v comp +
Ʃ
v
f
–
Ʃ
PID
v pwm
Figura 3.10 – Malha de controlo dos valores médios instantâneos com controladores PI e PID.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
55
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
3.5. Estratégia de Controlo Baseada numa Malha Indireta de
Corrente
A estratégia de controlo que de seguida se apresenta é adaptável a sistemas
trifásicos e é capaz de corrigir os harmónicos de tensão enquanto regula a tensão no
barramento CC. Esta decompõe o sistema trifásico em três sistemas monofásicos,
calculando a tensão de compensação de maneira independente para cada uma das três
fases [30]. Na Figura 3.11 encontra-se uma representação do sistema trifásico, com a
carga sombreada a verde, e o Filtro Ativo Série, sombreado a amarelo. As variáveis do
sistema de controlo também se encontram representadas.
Filtro Ativo Série
Carga
s1
vlb
Zl
+
Ls
ic
vlc
Zl
Lf
D3
D2
a
ib
Cd
vd
b
Lf
ic
c
Cf
s6
s5
s4
D5
D4
Cf
_
Ls
ib
s3
s2
+
ia
D1
_
+
Lf
Zl
+
v sc
+
vla
_
_
v sb
Ls
ia
+
_
v sa +
_
_
D6
Cf
Figura 3.11 – Esquema de Filtro Ativo Série sem Fonte CC aplicado a sistemas trifásicos.
Análise do Sistema em Regime Estacionário
De modo a compreender esta estratégia de controlo e, em concordância com
Jacobina et al. [30], é necessário proceder a uma análise do comportamento do sistema
em regime estacionário. Desprezando as tensões associadas à parte não-linear da carga e
aos harmónicos de tensão, pode ser estabelecido um modelo simplificado como o
exibido na Figura 3.12 através do qual facilmente se retira as equações do circuito:
Vs  V f  Z s Is  Vl
(3.15)
Vl  Z l Is
(3.16)
Is
Vs
Zs
Vf
Il
Vl
Figura 3.12 – Circuito monofásico equivalente de um Filtro Ativo Série adaptado de [30].
56
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
Sabendo que Vs  Vs  j 0 ;
Is  I sr  jI si  I s e js ; V f  V fr  jV fi  V f e js ;
Vl  Vlr  jVli  Vl e jl ; Z s  Rs  jLs ; e Z l  Rl  jLl ; pode-se reescrever as
equações (3.15) e (3.16) da seguinte forma:
V fr  Vs  Rs  Rl I s cos s  Ls  Ll I s sin s
(3.17)
V fi  Ls  Ll I s cos s  Rs  Rl I s sin s
(3.18)
l   zl   s
(3.19)
Conhecida a tensão de entrada, Vs, e o ângulo do fator de potência de entrada ϕs,
pode-se inferir sobre a potência ativa proveniente da fonte, pf, requerida pelo o Filtro
Ativo Série para o seu funcionamento. Distinguem-se duas situações: o Filtro Ativo
Série pode requerer alguma potência ativa proveniente da fonte (i.e., para compensação
de harmónicos e perdas energéticas na comutação) ou não necessitar de potência ativa
(i.e., caso não haja elementos a serem compensados).
No caso de o FAS não necessitar de potência ativa, pf = 0, então a potência
fornecida pela fonte (ps) é absorvida na totalidade pela carga (pl), podendo estabelecerse a seguinte relação para corrente da fonte Is:
p f  0  p s  pl 
 Vs I s cos  s  Rs  Rl I s2 
 Is 
Vs
I cos  s
Rs  Rl  s
(3.20)
Já se o FAS estiver em modo de compensação vai requerer uma parcela de
potência ativa à fonte (pf = pf*), então estabelece-se a seguinte relação para Is:
p f  p*f  p s  pl  p*f 
 Vs I s cos s  Rs  Rl I s2  p*f 
 Vs I s cos s  Rs  Rl I s2  p*f  0
(3.21)
Calculado Is e substituindo-o nas equações (3.17) e (3.18) é possível calcular as
tensões no filtro e na carga para pf = 0 ou pf = pf*. Efetivamente, para pf=0, a
equação (3.16) pode ser reescrita da seguinte forma:
Vl 
Zl
V cos  s
Rs  Rl  s
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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(3.22)
57
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
E quando pf = pf* a equação (3.16) é convertida para:
Vl
Vs 2cos  s  Vs 22 cos 2  s  Rs  Rl  p*f

Rs  Rl  Z l
(3.23)
Aprofundando um pouco a análise para o caso em que pf = 0, depressa se chega a
uma simples mas crucial conclusão. Assumindo que a amplitude da tensão da carga
necessária é Vl*, e a partir da equação (3.23), pode-se obter o valor do ângulo ϕs:
 Rs  Rl  Vl* 

Vs 
 Zl
 s  cos 1 
(3.24)
Ao olhar com atenção para a equação (3.24) pode-se identificar situações limite.
Caso a amplitude da tensão da carga desejada seja igual ou superior à amplitude da
tensão da fonte ( Vl*  Vs ), ou se a resistência de linha for muito grande ( Rs  0 ), o
argumento da equação supracitada pode ser maior que 1, o que torna impossível de
obter a amplitude da tensão da carga desejada. Estes limites impostos pela análise em
regime estacionário são importantes para compreender alguns aspetos da metodologia
de controlo que se apresenta de seguida, assim como para identificar potenciais
resultados do controlo.
Estratégia de Controlo
Como o nome, indica esta estratégia de controlo, cujo diagrama de blocos se
encontra Figura 3.13, é baseada numa malha indireta de corrente. A tensão do
barramento CC, Vd, é comparada com o valor de referência Vd*, e a diferença existente é
conduzida para um controlador PI, e a sua saída é a amplitude da corrente de referência,
Is*. A amplitude da tensão da carga de referência Vl*, é comparada com a amplitude da
tensão da carga medida Vl, e o resultado de tal operação é inserido num controlador PI,
definindo desta forma a referência do ângulo de fator de potência ϕs*. O bloco limitador
impõe que o valor de referência ϕs* seja inferior a zero (de acordo com a análise
realizada para equação (3.24), consequentemente limitando a amplitude máxima da
tensão na carga ao seu valor máximo possível. As correntes de referência Isn* são
geradas em sincronismo com a tensão de cada fase Vsn (n = 1, 2, 3) e com um
desfasamento determinado pelo ângulo ϕs*. Isto é conseguido através de uma
abordagem similar a uma PLL representada na Figura 3.13 pelo bloco Gene-is. A saída
deste bloco é depois comparada com a corrente medida em cada fase, Isn, e o resultado
dessa comparação é inserido num controlador PI, obtendo-se à saída a tensão de
compensação Vcomp.
58
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
Esta estratégia permite obter a amplitude máxima da tensão independentemente
do seu fator de potência, todavia para o caso da carga ser predominantemente indutiva o
controlo apresentado é incapaz de melhorar o fator de potência do sistema.
vd
+
–
vd
*
vl
*
+
i sn
v sn
Ʃ
is
PI
Ʃ
PI
 s*
*
Gene-is
i sn
*
+
–
Ʃ
PI
vcomp
Lim
–
v
l
Figura 3.13 – Diagrama de blocos da estratégia de controlo baseada numa malha indireta de corrente.
3.6. Conclusões
Neste capítulo foram apresentadas técnicas para a geração de referência de tensão,
juntamente com teorias para o controlo de Filtros Ativos de Potência Série (FAS).
Foram indiciadas três técnicas de geração de referência (síntese da referência de tensão,
Phase-Locked Loop e tabela de senos), e foram referidas as vantagens e desvantagens
de cada uma delas. Sobre as teorias de controlo para FAS foram também abordadas três
estratégias de forma a identificar a mais adequada para a implementação num FAS
monofásico: uma centrada na teoria da potência instantânea (Teoria p-q), outra baseada
na amostragem de valores médios instantâneos de tensão, e por último uma estratégia de
controlo assente numa malha indireta de corrente.
Tanto a Teoria p-q como a estratégia baseada numa malha indireta de corrente
foram desenvolvidas para sistemas trifásicos, embora ambas possam ser aplicadas a
sistemas monofásicos (basta converter o sistema monofásico para um sistema trifásico
virtual). A teoria p-q não é clara na abordagem sobre a maneira como se regula o
barramento CC do conversor de potência, indicando apenas que deve ser adicionada
uma parcela de compensação para regulação do barramento CC, não indicando o modo
de cálculo dessa mesma parcela. Já a estratégia baseada numa malha indireta de corrente
é inequívoca na forma como expressa o cálculo das diferentes componentes de
compensação. A componente harmónica a ser compensada e a componente que mantém
a tensão no lado CC equilibrada fazem parte na mesma malha de controlo.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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59
Capítulo 3 – Sistemas de controlo para Filtros Ativos Série
Por outro lado, o controlo da tensão por valores médios instantâneos é aplicável
exclusivamente a sistemas monofásicos. A componente harmónica e a componente de
regulação da tensão do barramento CC são juntas numa componente de compensação
global. Atendendo ao facto de que o filtro ativo de potência série a implementar é
monofásico, esta teoria de controlo adequa-se melhor que as restantes teorias (que
foram concebidas para sistemas trifásicos) no âmbito do que é pretendido neste projeto,
logo esta teoria foi a escolhida para ser implementada no FAS desenvolvido.
60
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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CAPÍTULO 4
Simulações do Filtro Ativo Série
4.1. Introdução
Existem equipamentos cujo funcionamento é potencialmente perigoso para a vida
humana. Quando a mínima falha pode resultar num desastre, é imperioso que todas as
medidas de segurança sejam adotadas e o equipamento seja submetido a diversos testes.
Uma alternativa ao teste do sistema físico pode ser encontrada em sistemas virtuais,
onde os softwares capazes de simular circuitos elétricos têm assumido uma importância
vital no projeto e dimensionamento de novos dispositivos.
Outro aspeto particularmente relevante, talvez o mais importante, que torna
imperioso o uso de simulações computacionais é a questão económica. Quando se
pretende testar diferentes soluções para uma determinada problemática, os softwares de
simulação são opções bem mais económicas quando comparado com o custo material e
temporal espetável para o teste físico das mesmas soluções.
Portanto, tendo isto em conta, neste capítulo serão apresentadas simulações de um
Filtro Ativo de Potência Série monofásico em diversos cenários de funcionamento.
Estas simulações serviram como teste, validação, e mais tarde de referência para a
implementação física do Filtro Ativo de Potência Série (FAS) monofásico.
Adicionalmente foi elaborada uma comparação entre as simulações de um FAS e de um
Condicionador Ativo Série de Potência.
4.2. Software de Simulação PSIM
O PSIM é um software de simulação especialmente concebido para sistemas de
eletrónica de potência. O seu ambiente gráfico, exibido na Figura 4.1, é bastante
intuitivo, e as ferramentas disponibilizadas, para além de permitirem emular sistemas de
eletrónica de potência, também permitem simular e analisar sistemas de controlo
analógico e digital, equipamentos magnéticos, e dispositivos de controlo de motores.
Em conjunto com o PSIM é disponibilizado o programa Simview, que permite
visualizar as formas de onda quer no domínio do tempo quer no domínio da frequência.
Na Figura 4.2 encontra-se uma representação de formas de onda no ambiente Simview.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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61
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
Figura 4.1 – Ambiente gráfico do software PSIM.
Figura 4.2 – Ambiente gráfico do software Simview.
Outra característica importante deste software é a possibilidade de integrar
elementos externos ao programa para o ambiente de simulação, ou, de maneira similar,
realizar a operação inversa e exportar elementos da simulação para contextos externos
ao programa. Para além de ser possível acoplar uma simulação do PSIM a outros
softwares de simulação como o JMAG ou o MATLAB, também é exequível incorporar
código C/C++ externo através de DLL externas no contexto da simulação, de forma a
simular os sistemas de controlo digitais existentes. Esta particularidade, juntamente com
o facto de já existir alguma experiência de trabalho com este software, acabou por ser
preponderante na preferência do PSIM como sendo o utilizado para a realização das
simulações [49]. Na Figura 4.3 pretende-se mostrar a forma como o PSIM se relaciona
com ferramentas externas ao programa.
62
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
PSIM
DSP
HARDWARE
Hardware
Targets
DLL
Auto Geração
Código
Análise Térmica
SimCoder
Thermal
SOFTWARE
EXTERNO
Eletrónica de
Potência
MATLAB /
SIMULINK
SimCoupler
Controlo
Acionamento
Motores
Digital Control
Motor Drive
- Sistemas de Controlo
- Eletrónica de Potência
- Controlo Analógico/Digital
- Acionamento Motores
MagCoupler /
MagCoupler-RT
JMAG /
JMAG-RT
- Análise de elementos finitos
- Máquinas Elétricas e outros
dispositivos magnéticos
Figura 4.3 – Interação do software PSIM com ferramentas externas [49].
4.3. Modelo do Circuito de Potência do Filtro Ativo Série
As simulações do Filtro Ativo de Potência Série (FAS) foram realizadas a partir
do modelo exibido na Figura 4.4, a partir do qual foram realizados diversos testes de
modo a descobrir as capacidades e limitações do arquétipo. O sistema compreende
cinco fontes de tensão, sendo que uma representa a rede elétrica com tensão eficaz de
230 V, e frequência de 50 Hz, e as restantes representam o conteúdo harmónico da fonte
de alimentação, mais propriamente os harmónicos de 3ª, 5ª, 7ª e 11ª ordem, que se
encontram em fase, e com valores eficazes de 16 V, 14 V, 8 V, e 7 V respetivamente.
O transformador de entrada tem uma relação de transformação 230 V // 115 V e
uma potência de 11 kVA. O sistema de cargas utilizado, assim como o Filtro Ativo de
Potência Série encontram-se a jusante do secundário do transformador. Também a
impedância de linha encontra-se conectada em série com o secundário do
transformador, sendo representada através de um circuito RL, onde R = 20 mΩ e
L = 300 µH.
Dentro da caixa sombreada a azul está o FAS, que possui uma resistência de
pré-carga para limitar os picos de corrente em situações de carregamento onde os
condensadores do barramento CC se encontrem descarregados. A essa resistência foi
atribuído um valor de 5 Ω, e esta é desativada assim que o carregamento dos
condensadores esteja concluído. O filtro passivo à saída do Filtro Ativo Série é um
circuito RLC com L = 1,63 mH, C = 35 µF e R = 2 Ω, onde a indutância encontra-se em
paralelo com os restantes elementos. O conversor de potência monofásico CC/CA usa
dois braços com dois IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) cada, e no barramento
CC encontra-se um condensador com uma capacidade de 4700 µF.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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63
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
Carga Não-Linear
Filtro Ativo Série
Monofásico
Carga Linear
Figura 4.4 – Modelo de Simulação do Filtro Ativo Série Monofásico.
As condições de carga do modelo incluem combinações de cargas lineares e nãolineares, como se pode verificar na Figura 4.4. A carga linear é um circuito RL, com
R = 30 Ω e L = 5 mH, enquanto a carga não-linear consiste num circuito retificador de
onda completa com uma resistência, R = 20 Ω, e um condensador, C = 330 µF, do lado
CC. Todavia, estas condições variam em algumas simulações de modo a testar o modelo
em condições mais extremas.
O Filtro Ativo Série é ligado ao sistema pelo intermédio de um contactor e é
desligado pela mediação de um segundo contactor, que realiza um bypass à saída do
FAS. Os sinais de controlo dos contactores são mutuamente exclusivos, de maneira que
em nenhum momento estejam os dois contactores ativos. No modelo de simulação
ambos os contactores encontram-se representados de forma simplificada por dois
interruptores ideais.
4.4. Modelos do Sistema de Controlo do Filtro Ativo Série e dos
Circuitos para Geração de Referência
Nesta secção são apresentados os modelos de simulação usados no comando do
FAS e na geração de uma referência de tensão. Uma vez que as metodologias de
controlo já foram explicadas anteriormente, pretende-se salientar agora apenas aspetos
inerentes à mecânica da simulação.
4.4.1.
Modelo de PLL Monofásica
O modelo de simulação da Figura 4.5 representa o circuito de sincronismo
monofásico analisado na subsecção 3.2.2 do Capítulo 3. O sinal de saída deste modelo
apresenta apenas a componente fundamental do sinal de entrada com encravamento de
fase e amplitude, filtrando componentes harmónicas e ruído. O bloco de ganho
64
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
proporcional que antecede o integrador serve para um ajuste do valor da amplitude do
sinal de saída, enquanto a constante ω0 é a frequência central do VCO.
Figura 4.5 – Modelo da PLL monofásica simulada.
4.4.2.
Modelo de PLL Trifásica
O modelo de simulação que se apresenta na Figura 4.6 foi testado para geração de
referências de tensão em sistemas trifásicos, e de modo a comparar com o desempenho
da PLL monofásica.
Figura 4.6 – Modelo da PLL trifásica simulada.
A perceção do modelo de simulação é bastante fácil pois é em tudo similar ao
diagrama descrito na subsecção 3.2.2. Todavia este modelo apresenta cinco sinais de
saída: os sinais aref, bref, e cref são utilizados quando se aplica esta estratégia de PLL a
sistema trifásicos, já que estes sinais estão desfasados 120º entre si, necessitando apenas
de um ajuste na sua amplitude; e os sinais Pllaf e Pllbe, que se encontram desfasados 90º,
têm amplitude unitária e são particularmente úteis como sinais de controlo, podendo
também ser utilizados na geração de uma referência, bastando para tal ajustar a sua
amplitude convenientemente.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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65
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
4.4.3.
Modelo do Sistema de Controlo para Circuitos Monofásicos
A malha de controlo foi implementada de acordo com o que foi proposto por
Ribeiro et al. [29, 48, 50], e que foi descrito anteriormente na secção 3.4 do Capítulo 3.
Percebe-se olhando para a Figura 4.7 que se procede a uma amostragem dos sinais
vsource, vd, e vca*, sendo de seguida o sinal amostrado a partir de vs inserido no bloco de
geração de referência PLL 1-Phase que implementa o modelo apresentado na
subsecção 4.4.1. A saída desta PLL tem a amplitude da mesma ordem de grandeza que
o sinal de entrada, e deve portanto ser redimensionada para ter uma amplitude unitária
antes de ser multiplicada pelo sinal proveniente do controlador PI. De salientar também
o bloco limitador utilizado à saída do controlador PI, que serve para evitar que ocorram
fenómenos de windup no controlador visado [51]. A referência de tensão para o lado CC
foi fixada em 200 V nas simulações conduzidas.
Figura 4.7 – Modelo da malha de controlo simulada.
Adicionalmente, e de modo a testar diversas alternativas, substituiu-se o bloco da
PLL monofásica por uma PLL trifásica, representada pelo bloco PLL 3-phase, que
implementa o modelo descrito em 4.4.2. Todavia o modelo teve de ser adaptado para
um sistema trifásico virtual, como está representado na Figura 4.8, e a sua saída tem que
ser multiplicada por uma constante, já que apresenta uma amplitude unitária.
Figura 4.8 – Modelo da PLL com sistema trifásico virtual.
66
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
Uma vez validado o funcionamento do modelo de controlo através de diagramas
de blocos, procedeu-se à transposição progressiva deste sistema para código C. Desta
forma precaveu-se a implementação prática do modelo projetado, desenvolvendo todas
as funções que seriam mais tarde necessárias para a sua integração num DSP (Digital
Signal Processor). Na Figura 4.9 encontra-se uma representação do bloco C criado, com
as variáveis de entrada dispostas no lado esquerdo, e com as variáveis de saída e
monitorização dispostas no lado direito.
Figura 4.9 – Bloco com o código C desenvolvido para controlo do sistema.
4.4.4.
Modelo da Técnica de Comutação Adotada
Nesta secção é descrita a técnica de comutação adotada. Foi elaborada uma
pesquisa de modo a encontrar uma técnica de comutação adequada para Filtros Ativos
de Potência Série [52], e no final optou-se pela utilização da técnica CB-PWM (Carrier
Based Pulse-Width Modulation), que foi aplicada a vários projetos de desenvolvimento
de Filtros Ativos de Potência [43, 44, 53]. Esta técnica consiste na comparação de um
sinal de referência (vref) com uma onda portadora triangular de frequência fixa, que
assim gera os pulsos que serão fornecidos aos IGBTs. Na Figura 4.10 encontra-se um
diagrama de blocos simplificado que descreve a CB-PWM.
Referência
Pulsos
IGBTs
Comp
Portadora
Triângular
Figura 4.10 – Diagrama de blocos da técnica CB-PWM.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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67
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
A técnica CB-PWM apresenta dois esquemas de funcionamento: unipolar e
bipolar. Após comparar os dois esquemas optou-se pelo unipolar, já que a frequência de
comutação é dobrada no que diz respeito aos harmónicos do sinal de saída
comparativamente com o esquema bipolar [54]. Este último aspeto é particularmente
útil, pois permite o uso de componentes de filtragem menores para obter formas de onda
de melhor qualidade do que no esquema bipolar [55]. Outra característica é que neste
esquema os braços do inversor são controlados separadamente. Na Figura 4.11 está o
modelo de simulação deste esquema de comutação.
-1
Figura 4.11 - Modelo de simulação da técnica de comutação PWM unipolar.
Na Figura 4.12 estão representadas as ondas vref, -vref e vtri , assim como as tensões
dos terminais de saída de cada braço do inversor para o neutro (v1n e v2n), bem como a
tensão de saída sem filtragem (v1n-v2n) e com filtragem (vsaída) do inversor ao sintetizar
uma sinusoide.
(a)
vref (V)
-vref (V)
v1n (V)
v2n (V)
vtri (V)
40
0
-40
(b)
50
40
30
20
10
0
(c)
v1n-v2n (V)
vsaída (V)
40
0
-40
0.02
0.024
0.028
0.032
0.036
0.04
Time (s)(s)
Tempo
Figura 4.12 – (a) Sinais de referência (vref e -vref) e portadora triangular (vtri); (b) Tensões de saída nos
braços no inversor em relação ao neutro (v1n e v2n); (c) Tensão de saída aos terminais do inversor (v1n-v2n)
e após o filtro de saída (vsaída).
68
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
O erro entre a tensão de referência, vca*, e a tensão de saída do filtro, vca, alimenta
um controlador PID que tal como o controlador PI usado no modelo do sistema de
controlo, tem um limitador de modo a mitigar os fenómenos de windup do controlador.
A saída do controlador é replicada e invertida (-vref). Os sinais vref e -vref são comparados
com a portadora triangular e os pulsos obtidos são enviados para os interruptores dos
braços 1 e 2 respetivamente.
4.5. Resultados das Simulações
Depois de apresentados os modelos de simulação do circuito de potência, do
sistema de controlo e dos circuitos de sincronismo, seguem-se os resultados obtidos a
partir das simulações realizadas. As condições e variáveis de simulação foram sendo
alteradas para encontrar as limitações do modelo e para avaliar a capacidade do sistema
em compensar problemas de Qualidade de Energia Elétrica relacionados com os
harmónicos de tensão. Ou seja, nesta fase pretende-se verificar se os resultados obtidos
a partir da interação entre o circuito de potência e o sistema de controlo cumprem com
os objetivos traçados para compensação de problemas de QEE.
4.5.1.
Compensação dos Harmónicos de Tensão
Nesta secção procede-se à análise do desempenho do Filtro Ativo de Potência
Série na compensação de harmónicos de tensão, comparando a distorção harmónica da
carga em períodos anteriores e posteriores à entrada em funcionamento do FAS.
Portanto, na Figura 4.13 tem-se as formas de onda da tensão na fonte (vfonte) e do lado da
carga (vcarga), que coincidem uma com a outra num momento prévio à compensação.
Também é possível observar a forma de onda da corrente na carga (icarga).
(a)
vfonte (V)
200
100
0
-100
-200
(b)200
vcarga (V)
100
0
-100
-200
(c)
icarga (A)
10
5
0
-5
-10
0.3
0.32
0.34
0.36
0.38
0.4
Time (s)(s)
Tempo
Figura 4.13 – Formas de onda da tensão na fonte e na carga e da corrente na carga antes da compensação:
(a) Tensão na fonte (vfonte); (b) Tensão na carga (vcarga); (c) Corrente na carga (icarga).
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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69
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
A forma de onda da tensão na Figura 4.13 apresenta uma THD de 10,28%, e o
contributo de cada harmónico encontra-se descriminado na Tabela 4.1. Todavia, é a
tensão da rede que uma vez amostrada serve como sinal de entrada para o circuito PLL
descrito na subsecção 4.4.1, e cujo sinal de saída (vref) se encontra registado na
Figura 4.14.
Tabela 4.1 – Componentes harmónicas da tensão na carga antes da compensação.
Ordem
Valor relativo [%]
Valor eficaz [V]
3ª
6,76
7,78
5ª
6,27
7,21
20
7ª
3,50
4,03
0
11ª
2,88
3,31
vcomp_tt
40
-20
-40
vref (V)
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0.3
0.32
0.34
0.36
0.38
0.4
Time (s)(s)
Tempo
Figura 4.14 – Forma de onda da tensão de referência (vref).
O sinal obtido da comparação entre o sinal vref e o sinal vcarga é designado por
vcomp_har, que é no fundo o sinal de compensação do conteúdo harmónico do sistema.
Porém o FAS não deve apenas reduzir os harmónicos de tensão, este deve também
compensar as perdas energéticas verificadas na comutação dos semicondutores, pelo
que deve ser acrescentada uma parcela de compensação para esse efeito. Essa
componente, denominada por vcomp_cc, é obtida comparando o valor da tensão do lado
CC com um valor de referência (registado nos 200 V), e multiplicando o resultado por
uma sinusoide unitária. Esta parcela é somada ao sinal vcomp_har e juntas compõem o
sinal de compensação vcom_tot, que engloba a totalidade das componentes de
compensação e que será sintetizado na saída do inversor. Na Figura 4.15 estão
representadas as componentes de compensação vcomp_cc, vcomp_har e vcomp_tot.
O sinal de saída do filtro ativo, vca, segue a referência oferecida pelo sinal vcomp_tot,
sintetizando as harmónicas existentes do lado da fonte em oposição de fase, e
requerendo à fonte a potência ativa necessária para regular o barramento CC. Aliás, o
70
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
processo de regulação da tensão do barramento produz uma pequeníssima queda de
tensão (na ordem das centenas de milivolts) aos terminais do FAS que pode ser
minimizada através da correção dos ganhos dos controladores PI e PID. Na Figura 4.16
pode-se verificar como a tensão vca segue a sua referência vcomp_tot e como a tensão no
barramento CC (vcc) se mantém regulada.
Com a entrada em funcionamento do FAS a THD do sistema baixa de 10,28%
para 1,5%, o que é corroborado pelos novos valores dos harmónicos apresentados na
Tabela 4.2.
vcomp_cc (V)
(a)
1
0.5
0
-0.5
-1
vcomp_har (V)
(b)
40
20
0
-20
-40
(c)
vcomp_tt
40
20
0
-20
-40
0.3
0.32
0.34
0.36
0.38
0.4
Time (s)(s)
Tempo
Figura 4.15 – Formas de onda das tensões de compensação: (a) Tensão de regulação do barramento CC
(vcomp_cc); (b) Tensão de compensação harmónica (vcomp_har); (c) Tensão de compensação total (vcomp_tt).
(a)
vcomp_tt (V)
vca (V)
40
20
0
-20
-40
vcc (V)
(b)
200.04
200
199.96
199.92
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
Time (s)(s)
Tempo
Figura 4.16 – Formas de onda das tensões de compensação e do barramento CC: (a) Tensão de
compensação de referência (vcomp_tt) e tensão de compensação sintetizada pelo FAS (vca) que se encontram
sobrepostas; (b) Tensão regulada no barramento CC (vcc).
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
71
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
Tabela 4.2 – Componentes harmónicas da tensão na carga após compensação.
Ordem
Valor relativo [%]
Valor eficaz [V]
3ª
0,56
0,65
5ª
0,63
0,72
7ª
0,72
0,83
11ª
0,72
0,83
Na Figura 4.17 estão comprovadas graficamente, as melhorias apresentadas pela
tensão e corrente na carga após o FAS entrar em funcionamento.
(a)
vfonte (V)
200
100
0
-100
-200
(b)200
vcarga (V)
100
0
-100
-200
(c)
icarga (A)
10
5
0
-5
-10
0.3
0.32
0.34
0.36
0.38
0.4
Time (s)(s)
Tempo
Figura 4.17 – Formas de onda da tensão na fonte e na carga e da corrente na carga após a compensação:
(a) Tensão na fonte (vfonte); (b) Tensão na carga (vcarga); (c) Corrente na carga (icarga).
4.5.2.
Carregamento e Regulação do Condensador no Barramento CC
O carregamento e regulação do condensador no barramento CC é uma ação
essencial no projeto e conceção do FAS, especialmente tendo em conta a topologia
adotada. O procedimento habitual de carregamento do barramento CC consiste numa
fase inicial em permitir que a potência flua pelos díodos em antiparalelo com os
interrutores, e numa segunda fase usar o sistema de controlo para gerir a potência
requerida à fonte até atingir os valores da tensão de referência, e posteriormente regular
efetivamente a tensão no barramento CC. Geralmente este tipo de carregamento é
controlado por corrente e conta com a adição de um condicionador paralelo para
executá-lo. Todavia a técnica de controlo adotada não implementa nenhuma malha de
corrente, e a topologia idiossincrática proposta para o FAS não permite a inclusão de
um condicionador paralelo, pelo que teve-se que conceber um novo método para a carga
72
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
do condensador do lado CC. Em primeiro lugar excluiu-se a possibilidade de usar os
díodos em antiparalelo para o carregamento, já que após algumas simulações verificouse que tal causaria um grande abaixamento da amplitude da tensão na carga (na ordem
dos 80%). Levando isso em consideração, optou-se por utilizar a técnica de controlo
para carregar o condensador do lado CC desde os 0 V até aos 198 V, e a partir daí
manter a tensão regulada enquanto o FAS corrige os problemas de QEE existentes na
instalação. O carregamento, apesar de ser bastante lento quando comparado com outros
métodos, é realizado de uma forma linear e constante, sendo mitigados os efeitos
nocivos verificados na tensão da carga durante o carregamento (apresenta quedas
máximas de 15% na amplitude). Numa fase inicial do carregamento é também utilizada
uma resistência de pré-carga para evitar variações bruscas na tensão aos terminais do
vcarga (V)
condensador do lado CC. A Figura 4.18 mostra a evolução da tensão durante um ciclo
200
de
100carga do condensador do lado CC, ilustrando como o carregamento ocorre até aos
0 s e daí em diante o FAS mantém a da tensão no barramento regulada em torno do
3,04
-100
valor de referência.
-200
vcc (V)
250
Carregamento do Condensador do Barramento CC
200
Regulação do
Barramento CC
150
100
50
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Time(s)
(s)
Tempo
Figura 4.18 – Ciclo de carregamento do barramento CC.
Similarmente, na Figura 4.19, podem ser avaliados os efeitos causados pelo
vcc (V)
processo
de carregamento na forma de onda da tensão da carga. No início da carga a
200
tensão
150 na carga tem amplitude de 162,5 V, e no final do período de carregamento esta
situa-se
nos 145,5 V; todavia com a entrada em funcionamento do ciclo de regulação a
100
50
amplitude
da tensão na carga é restituída para o seu valor inicial.
0
vcarga (V)
200
162,5 V
145,5 V
100
0
-100
-200
2.6
2.7
2.8
2.9
3
Time (s)(s)
Tempo
Figura 4.19 – Variação da tensão da carga durante o carregamento dos condensadores do lado CC.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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73
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
4.5.3.
Compensação de Cavas e Sobretensões
Como foi referido na subsecção 2.5.2, em condições excecionais o Filtro Ativo
Série é capaz de compensar alterações no valor eficaz da tensão da rede. Com isto em
mente foram recolhidos resultados de simulação que comprovassem esta capacidade do
FAS em mitigar este problema de QEE. Ao modelo de simulação apresentado na
Dig_Vs_rms
200
secção
4.3 foi provocado um afundamento na tensão da rede com 0,2 ms de duração e
100 uma magnitude de 25% (29 V). Durante a cava, a tensão da fonte passa 86 V de
com
0 eficaz. Na Figura 4.20 pode-se ver os efeitos provocados pela cava na tensão da
valor
-100
rede.
-200
vfonte (V)
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Time (s)
Tempo
(s)
Figura 4.20 – Forma de onda da tensão na fonte durante uma cava de tensão (vfonte).
De forma a compensar esta cava, é preciso em primeiro lugar detetar a ocorrência
vfonte (V)
200
deste
fenómeno, para tal é necessário calcular o valor eficaz da tensão e monitorizar o
150
100 comportamento ao longo do tempo. A Figura 4.21 mostra a evolução do valor eficaz
seu
50
da0tensão da rede durante a cava de tensão
-50
-100
inerente ao método de cálculo utilizado.
-150
-200
e onde se pode visualizar também o atraso
vfonte_rms (V)
130
120
110
100
90
80
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Time (s)
Tempo
(s)
Figura 4.21 – Cálculo do valor eficaz da tensão da rede durante uma cava de tensão (vfonte_rms).
Uma vez detetada a cava, o Filtro Ativo Série interrompe a regulação da tensão no
barramento CC e utiliza a energia armazenada previamente no condensador deste
barramento para fornecer à carga a potência que esta necessita para continuar a
funcionar nas condições nominais. Na Figura 4.22 encontra-se a forma de onda da
tensão rede e forma de onda da carga durante o período de compensação da cava. De
74
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
notar na Figura 4.22 (b) que, durante a cava de tensão, o Filtro Ativo Série mantém a
compensação harmónica da tensão da carga enquanto compensa também a variação do
valor eficaz. Todavia, terminada a cava, o FAS interrompe as tarefas de compensação
para retornar o vcc ao seu valor de referência.
(a)
(b)
vfonte (V)
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
vcarga (V)
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Time (s)
Tempo
(s)
Figura 4.22 – Formas de onda da tensão da rede e da carga durante uma cava: (a) Tensão da fonte (vfonte);
(b) Tensão da carga(vcarga).
Também é importante avaliar a conduta da tensão do barramento CC no momento
vcarga (V)
de
200compensação da cava e até a tensão regressar para próximo do valor de referência.
100
Como
se pode ver na Figura 4.23, durante a cava a tensão do barramento CC desce dos
2000 V para os 170 V e, uma vez terminada a cava, a tensão do barramento CC regressa
-100
lentamente para o seu valor de referência.
-200
vcc (V)
205
200
195
190
185
180
175
170
0.2
0.4
Tempo
(s)
Time (s)
0.6
0.8
Figura 4.23 – Evolução da tensão do barramento CC antes (0,1 s a 0,2 s), durante (0,2 s a 0,4 s) e após
uma cava de tensão (0,4 s a 0,9 s) (vcc).
Para avaliar o comportamento do FAS durante uma sobretensão recorreu-se a um
procedimento análogo ao descrito para o caso da cava de tensão. Nesta situação foi
provocada uma sobretensão na tensão da rede com uma duração de 0,2 s e com uma
magnitude de 20% (23 V). Em primeiro lugar é necessário detetar a sobretensão, algo
que é conseguido calculando o valor eficaz da tensão da fonte e analisar as suas
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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75
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
vfonte (V)
variações
ao longo do tempo como é visível na Figura 4.24. Já na Figura 4.25 (a)
200
pode-se
verificar o aumento da tensão da rede entre 0,2 s e 0,4s, enquanto na
100
0
Figura
4.25 (b) pode-se verificar a forma como a tensão da carga se mantém
-100
praticamente inalterada durante esse período.
-200
vfonte_rms (V)
140
135
130
125
120
115
110
105
100
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Time (s)
Tempo
(s)
Figura 4.24 – Cálculo do valor eficaz da tensão da rede durante uma sobretensão (vfonte_rms).
(a)
(b)
vfonte (V)
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
vcarga (V)
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Time (s)
Tempo
(s)
Figura 4.25 – Formas de onda da tensão da rede e da carga durante uma sobretensão: (a) Tensão da fonte
vcarga (V)
(vfonte); (b) Tensão da carga(vcarga)..
200
100
Durante a sobretensão, e como se pode comprovar pela Figura 4.26, verifica-se
um0 aumento da tensão do barramento CC. Terminada a sobretensão, a tensão do
-100
barramento CC regressa ao seu valor de referência.
-200
vcc (V)
230
225
220
215
210
205
200
195
190
0.2
0.4
0.6
0.8
Tempo
(s)
Time (s)
Figura 4.26 – Evolução da tensão do barramento CC antes (0,1 s a 0,2 s), durante (0,2 s a 0,4 s) e após
uma sobretensão (0,4 s a 0,9 s) (vcc).
76
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
4.6. Comparação entre o Filtro Ativo Série e o Condicionador Ativo
Série
Nesta secção é apresentado um modelo de simulação de um Condicionador Ativo
Série (ver 2.5.1) e os seus resultados são contrapostos com os resultados do Filtro Ativo
Série. A razão para se proceder a esta comparação prende-se com a necessidade de
comparar as potencialidades do FAS em desempenhar certas tarefas que geralmente são
desempenhadas por equipamentos mais completos como, o Condicionador Ativo Série.
Em primeira instância será analisado o circuito de potência e o sistema de controlo
adotados na simulação do Condicionador Ativo Série e só depois serão confrontados os
resultados de simulação dos dois equipamentos. Como é evidente, serão apenas
comparados os desempenhos dos dois equipamentos mediante as tarefas que o FAS e o
Condicionador Ativo Série são capazes de desempenhar em regime permanente, ou seja,
a compensação das componentes harmónicas da tensão e a regulação do barramento
CC.
4.6.1.
Modelo do Circuito de Potência do Condicionador Ativo Série
Tomando como exemplo a Figura 2.8 da subsecção 2.5.1, foi desenvolvido o
modelo de simulação exibido na Figura 4.27. Este apresenta cinco fontes de tensão com
objetivo de modelar um sistema elétrico com elevado conteúdo harmónico na forma de
onda da tensão. Esta situação é em tudo semelhante à descrita na secção 4.3, onde uma
das fontes representa a componente fundamental da tensão com valor eficaz de 230 V e
frequência de 50 Hz. As restantes fontes de tensão modelam as harmónicas de tensão de
3ª, 5ª, 7ª e 11ª ordem, que se encontram em fase, e com valores eficazes de 16 V, 14 V,
8 V, e 7 V respetivamente
Também, como no modelo de simulação do FAS, existe um transformador de
entrada com uma relação de transformação 230 V // 115 V e uma potência de 11 kVA, e
a impedância de linha, conectado em série com o secundário do transformador, é
modelada através de um circuito RL onde R = 20 mΩ e L = 300 µH. A disposição dos
outros elementos do modelo é idêntica à da secção 4.3, com as cargas e o
Condicionador Ativo Série colocados à jusante do secundário do transformador. Aliás, a
principal diferença entre o modelo do circuito de potência do Condicionador Ativo
Série e o modelo de simulação equivalente do FAS prende-se com o dispositivo de
compensação em si, pois o Condicionador Ativo Série apresenta dois conversores de
potência: um ligado em paralelo com o restante sistema (condicionador paralelo,
realçado a laranja na Figura 4.27), e outro ligado em série da mesma maneira que no
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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77
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
FAS (Condicionador Série, realçado a lilás na Figura 4.27). O condicionador série,
descontando a ausência da resistência de pré-carga, é em tudo similar ao Filtro Ativo de
Potência Série; já o condicionador paralelo, para além do inversor apresenta um
transformador de acoplamento que isola galvanicamente o equipamento de
compensação da rede elétrica, uma indutância para filtragem das componentes de alta
frequência presentes na corrente que flui pelo condicionador série, e uma resistência de
pré-carga que é acionada no carregamento do condensador do barramento CC.
Condicionador
Paralelo
Condicionador Série
Figura 4.27 – Modelo de simulação do Condicionador Ativo Série.
Como o propósito deste modelo é comparar o seu desempenho com o do FAS, as
cargas são iguais ao modelo de simulação da secção 4.3: uma carga linear do tipo RL,
onde R = 30 Ω e L = 5 mH; e uma carga não-linear composta por um retificador e uma
carga RC, onde R = 20 Ω e C = 330 µF.
4.6.2.
Modelo do Sistema de Controlo do Condicionador Ativo Série
O sistema de controlo escolhido para o Condicionador Ativo Série (CAS) provém
da Dissertação de Mestrado de Hélder Carneiro [43], e pode ser dividido em duas
partes, onde uma delas versa sobre o condicionador paralelo, que está encarregue de
regular a tensão no condensador do lado CC, e a outra parte que incide sobre o
condicionador série é responsável pela compensação de problemas de QEE que, no caso
do Condicionador Ativo Série, para além de mitigar o conteúdo harmónico da forma de
onda da tensão, é também capaz de compensar variações do valor eficaz da tensão
(cavas e sobretensões) e flutuações da tensão. A estratégia de geração de referência de
tensão é a mesma que foi adotada para o FAS, e que foi descrita anteriormente na
78
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
subsecção 4.4.1. O esquema de controlo completo pode ser visto na Figura 4.28, onde se
encontram evidenciadas as partes de controlo dedicadas ao condicionador paralelo e ao
condicionador série.
Figura 4.28 – Sistema de controlo do Condicionador Ativo Série: (a) Sistema de controlo do
condicionador paralelo; (b) Sistema de controlo do condicionador série.
A estratégia de controlo referente ao condicionador paralelo consiste numa malha
indireta de corrente onde inicialmente é obtida a diferença entre o valor medido da
tensão do barramento CC e o valor de referência para o mesmo barramento. O resultado
é inserido num controlador PI e seguidamente multiplicado por uma sinusoide de
amplitude unitária e por uma constante. O produto destas operações serve de corrente de
referência, e é comparado com o valor medido da corrente que atravessa a indutância do
condicionador paralelo, fechando assim a malha indireta de corrente. A diferença desta
comparação é inserida num novo controlador PI e o sinal obtido é enviado para gerar os
sinais de PWM do condicionador paralelo.
O controlo do condicionador série surge bastante simplificado, sendo bem mais
elementar que o do condicionador paralelo. Existe apenas uma comparação entre o valor
de referência de tensão proveniente do circuito de sincronismo (PLL) e o valor medido
da tensão da carga. O resultado desta diferença é inserido num controlador PI, cuja
saída é enviada para geração dos sinais para os IGBTs do condicionador série.
4.6.3.
Comparação dos Resultados das Simulações do Filtro Ativo Série e do
Condicionador Ativo Série
Nesta subsecção são apresentados os resultados de simulação do CAS, sendo
simultaneamente comparados com os resultados obtidos das simulações do FAS.
Objetivamente são comparados os resultados dos dois equipamentos na
compensação de harmónicos de tensão e na regulação da tensão do barramento CC para
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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79
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
as mesmas condições de carga e conteúdo harmónico presente no sistema elétrico.
Portanto, foram conduzidas simulações com uma carga RL e com uma carga não-linear
(um retificador com uma carga RC). As características das cargas foram definidos na
secção 4.3 e na subsecção 4.6.1, e em ambos os casos a forma de onda da tensão da
fonte tem uma THD de 10,3%.
Comparação de Resultados na Compensação
Os resultados em regime permanente do CAS são apresentados na Figura 4.29,
enquanto a Figura 4.30 mostra os resultados em regime permanente obtidos com o FAS.
200
Antes da compensação
vcarga (V)
(a)
200
100
100
0
0
-100
-100
-200
Depois da compensação
vcarga (V)
(c)
-200
icarga (A)
(b)
icarga (A)
10
10
5
5
0
0
-5
-5
-10
(d)
-10
0.12
0.16
Time (s)
Tempo
(s)
0.2
0.72
0.76
Time (s)
Tempo
(s)
0.8
Figura 4.29 – Formas de onda condicionadas pelo CAS: (a) Tensão na carga antes do acionamento do
CAS; (b) Corrente na carga antes do acionamento do CAS; (c) Tensão na carga após o acionamento do
CAS; (d) Corrente na carga após o acionamento do CAS.
Na Figura 4.29 (a) e na Figura 4.30 (a) são exibidas as formas de onda da tensão
na carga num instante prévio à entrada em funcionamento do CAS e do FAS
respetivamente. Já na Figura 4.29 (c) e na Figura 4.30 (c) é mostrada a tensão na carga
após o CAS e o FAS entrarem em funcionamento. De maneira análoga, na
Figura 4.29 (b) e na Figura 4.30 (b) e também na Figura 4.29 (d) e na Figura 4.30 (d), é
possível comprovar como a melhoria da tensão causa indiretamente uma melhoria sobre
a corrente que a carga consome. Como é visível nesse conjunto de figuras, os resultados
não diferem muito entre os dois equipamentos, sendo que ambos são capazes de
compensar convenientemente os problemas de QEE relacionados com os harmónicos de
tensão.
De facto, após a entrada em funcionamento do CAS a THD do sistema diminuiu
para 1,1%, o que é bastante próximo da taxa de 1,5% obtida com o FAS e muito menor
do que os 10,3% da fonte.
80
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
Antes da compensação
(a)
vcarga (V)
200
200
100
100
0
0
-100
-100
-200
-200
icarga (A)
Depois da compensação
(c)
vcarga (V)
(b)
(d)
icarga (A)
10
10
5
5
0
0
-5
-5
-10
-10
0.12
0.16
Time (s)
Tempo
(s)
0.2
0.72
0.76
Time (s)
Tempo
(s)
0.8
Figura 4.30 – Formas de onda condicionadas pelo FAS: (a) Tensão na carga antes do acionamento do
FAS; (b) Corrente na carga antes do acionamento do FAS; (c) Tensão na carga após o acionamento do
FAS; (d) Corrente na carga após o acionamento do FAS.
Um exame ao conteúdo espetral da tensão na carga após a entrada em
funcionamento quer do FAS quer do CAS denuncia uma diminuição evidente dos
valores de cada um dos harmónicos presentes no sistema elétrico. A comparação entre a
Tabela 4.3, a Tabela 4.1 e a Tabela 4.2 confirma esta afirmação.
Tabela 4.3 – Amplitudes das componentes harmónicas da tensão na carga após a entrada em
funcionamento do CAS.
Ordem
Valor relativo [%]
Valor eficaz [V]
3ª
0,44
0,50
5ª
0,18
0,21
7ª
0,18
0,22
11ª
0,17
0,20
Por último, resta comparar o desempenho dos dois dispositivos na regulação da
tensão do barramento CC. Os dois dispositivos têm abordagens diferentes em relação a
este ponto, já que enquanto o CAS requisita à fonte mais corrente para desempenhar
esta tarefa, o FAS produz uma pequena queda de tensão para realizar a regulação.
Todavia como a Figura 4.31 mostra, a tensão no condensador do lado CC do CAS e do
FAS mantém-se regulada. Na Figura 4.31 também é passível de analisar a variação da
corrente requerida pelo condicionador paralelo para regular a tensão no barramento do
CAS, assim como a tensão requerida pelo FAS para desempenhar a mesma tarefa.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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81
Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
Condicionador Ativo Série
Vcc (V)
(a)
Vcc (V)
200.1
Filtro Ativo Série
(c)
200.5
200.04
200
199.98
199.5
Icomp_cc (A)
(b)
Vcomp_cc (V)
1.5
(d)
1.5
1
1
0.5
0.5
0
0
-0.5
-0.5
-1
-1
-1.5
-1.5
1.12
1.16
Time (s)
Tempo
(s)
1.2
1.52
1.56
Time (s)
(s)
Tempo
1.6
Figura 4.31 – Formas de onda no Condicionador Ativo Série e no Filtro Ativo Série: (a) Tensão no
barramento CC do CAS; (b) Corrente de compensação do barramento CC do CAS; (c) Tensão no
barramento CC do FAS; (d) Tensão de compensação do barramento CC do FAS.
4.7. Conclusões
Neste capítulo, com recurso a simulações computacionais, validou-se a
aplicabilidade da teoria de controlo selecionada e, avaliaram-se as sinergias existentes
entre o sistema de controlo e o circuito de potência. Para tal, recorreu-se ao software de
simulação PSIM, exclusivamente dedicado a simular sistemas de eletrónica de potência.
Esta ferramenta cumpriu com o pretendido para esta etapa e revelou ter ainda uma série
de funcionalidades extra bastante interessantes e úteis, como a possibilidade de
desenvolvimento de código em linguagem C dentro do próprio programa.
Com recurso ao PSIM foi simulado um Filtro Ativo de Potência Série
monofásico, sendo este sistema composto pelos modelos do circuito de potência e do
sistema de controlo. Se a modelização do circuito de potência é bastante trivial, já o
modelo do sistema de controlo apresenta características como a geração de referência de
tensão e técnica de comutação com múltiplas possibilidades de implementação. Assim
sendo, entendeu-se necessário em primeiro lugar testar separadamente as opções
selecionadas e só depois integrá-las no sistema de controlo. Este processo é descrito ao
longo da secção 4.4 deste capítulo.
Obtido o modelo do FAS, procedeu-se à recolha de resultados de simulação com o
intuito de avaliar o desempenho do sistema na compensação de harmónicos e na
regulação da tensão no barramento CC.
Por último, e para avaliar melhor a capacidade do FAS para lidar com os
problemas de QEE propostos, os seus resultados de simulação foram comparados com
os resultados de um Condicionador Ativo Série, concluindo-se que o FAS é capaz de
82
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 4 – Simulações do Filtro Ativo Série
rivalizar na capacidade na resolução de certos problemas de QEE com equipamentos
mais complexos, como é o caso do Condicionador Ativo Série.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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83
CAPÍTULO 5
Implementação do Filtro Ativo Série
5.1. Introdução
Neste capítulo é relatada a implementação do protótipo laboratorial de um Filtro
Ativo Série Monofásico Sem Fonte de Tensão do Lado CC. Numa primeira instância é
explicado o circuito de potência concebido e são descritos os elementos mais
importantes do mesmo, como o inversor e o seu filtro passivo de saída, as cargas e o
circuito de comando que controla o circuito de potência.
A segunda metade deste capítulo debruça-se sobre a implementação do sistema de
controlo, incluindo portanto os circuitos de aquisição de sinal, a placa de
condicionamento dos sinais recolhidos, o DSP (Digital Signal Processor) utilizado, o
circuito de comando do inversor, e o circuito de proteção do barramento CC.
Muitos dos circuitos que compõem o sistema de controlo já existiam,
desenvolvidos no âmbito do Projeto SINUS [56-58], e após serem simulados no
software PSIM, alguns deles foram readaptados para servirem de acordo com as
especificidades do protótipo implementado.
5.2. Circuito de Potência do Filtro Ativo Série
Esta secção é dedicada à explanação do circuito de potência implementado que é
composto por um inversor de dois braços de IGBTs com um condensador do lado CC e
um filtro passivo RLC na sua saída, por um transformador de entrada de 11 kVA que
isola galvanicamente o circuito de potência da rede elétrica, e por um conjunto de
cargas, constituído por uma carga puramente resistiva, uma carga que conjuga
elementos resistivos com elementos indutivos e um retificador com um filtro de saída
RC. Por último, e para coordenar as ações entre os diferentes elementos deste sistema,
foi concebido um circuito de comando através de contactores que confere flexibilidade
e segurança ao circuito. Na Figura 5.1 é mostrada uma vista geral do circuito de
potência com todos os seus componentes.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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85
Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
Figura 5.1 – Circuito de Potência: (a) Circuito de potência na parte superior da bancada; (b) Circuito de
potência na parte inferior da bancada.
5.2.1.
Circuito de Comando do Filtro Ativo Série
As interligações do circuito de potência devem ser corretamente projetadas de
modo a que se possa intercambiar os diferentes elementos com total segurança para o
usuário. Levando isto em consideração procedeu-se ao projeto de um sistema de
comando que através de contactores, disjuntores, botões de pressão e interruptores
manuais, troca a disposição das cargas e do Filtro Ativo de Potência Série (FAS)
mediante o pretendido para cada teste realizado. Na Figura 5.2 encontra-se um esquema
do circuito de comando projetado.
86
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
F
Q1
Q2
K5
K5
K6
S1
K2
K3
K1
S2
Q5
Q3
K1
K2
Q6
Q4
K2
K3
K5
R
RL
K6
RET
K4
N
Figura 5.2 – Esquema do circuito de comando implementado para o Fitltro Ativo de Potência Série.
O contato Q1 é um disjuntor que para além de ser um elemento de proteção do
sistema, serve também como interruptor geral. Ao ser acionado tanto a parte de potência
como a parte de comando ficam prontas para operar, pelo que foi adicionado um
dispositivo de sinalização (lâmpada) para indicar quando o sistema está conectado à
rede elétrica. O circuito de comando tem também um disjuntor que serve como sua
proteção exclusiva, representado na figura pelo contato Q2. Todavia, o circuito de
comando só é efetivamente acionado quando o botão S2 é pressionado, alimentando K1
e fechando os contatos associados a esta bobina (incluindo o contato de realimentação
do circuito). Já o botão S1 tem como função cortar a alimentação de K1, e deve ser
pressionado apenas em caso de emergência já que desativa todo o sistema. Os contatos
Q3 e Q4 servem para conectar o FAS e as cargas ao circuito de potência,
respetivamente. Quando Q4 é fechado, as bobinas K3 e K4 são alimentadas e os seus
contatos fechados, ficando as cargas a serem alimentadas diretamente a partir da fonte
sem interferência do FAS. Para conectar o FAS ao circuito, é preciso fechar Q3 o que
permite alimentar K2, esta ação para além de fechar os contatos que incorporam o FAS
no circuito colocando-o imediatamente a jusante da fonte de alimentação, corta também
a alimentação de K3 e K4 alterando a disposição das cargas no circuito. A seleção das
cargas foi outro aspeto tido em consideração, na altura de conceber o circuito de
comando. Inicialmente quando são acionadas as cargas, quer seja por K2 ou K3,
encontra-se selecionada uma carga puramente resistiva. Porém, ativando os contatos Q5
e Q6, é possível testar o comportamento do FAS com cargas diferentes. Quando
acionado Q5, a bobina K5 passa a ser alimentada, e como consequência a carga
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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87
Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
puramente resistiva é retirada do circuito e substituída por uma carga RL. De forma
similar quando Q6 é ativado, K6 passa também a ser alimentada, colocando em paralelo
com a carga RL um retificador com filtro RC de saída. Na Figura 5.3, pode-se analisar o
esquema do circuito de potência que complementa a descrição do circuito de comando
da Figura 5.2.
Q2
2:1
Q3
630Ω
Q4
Q3
RR
Q5
Q6
117µF
100Ω
CRet
Rede Elétrica
1,50mH
50Ω
L RL
RRL
RRet
20µF 12Ω
Cf
Rf
0,8mH
Vcc
Lf
Ccc
4700µF
Figura 5.3 – Esquema do circuito de potência do Filtro Ativo Série.
5.2.2.
Conversor de Potência
O conversor de potência utilizado foi um inversor composto por dois módulos de
IGBTs, assinalados na Figura 5.4, do tipo SMK100GB176D da Semikron, existindo dois
IGBTs em cada um desses módulos; ou seja cada módulo de IGBTs é representativo de
um dos braços do inversor [59].
Figura 5.4 – Fotografia do conversor de potência (Inversor).
88
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
Cada um dos IGBTs apresenta corrente de coletor (Ic) máxima de 125 A, enquanto
o díodo em antiparalelo suporta correntes (If) até 100 A (para uma temperatura de
25 ºC), já a tensão coletor-emissor (Vce) não deve exceder os 1700 V. Convém salientar
que em regime transitório a corrente de coletor pode exceder até 6 vezes o seu valor
nominal. Outra característica relevante prende-se com os valores máximos da corrente
que diminuem consideravelmente com o aumento da temperatura (a 80º C Ic = 90 A e
If = 70 A), logo é indispensável o uso de dissipadores térmicos para manter a
temperatura na caixa próxima dos 25º C. Na Figura 5.5 têm-se o aspeto físico de um
módulo de IGBTs assim como um esquemático do seu circuito interno [59].
(a)
(b)
Figura 5.5 – Representações do módulo de IGBTs SMK100GB176D: (a) Esquema elétrico do
módulo [59]; (b) Aspeto físico do módulo [59].
Na Figura 5.4 estão também assinalados dois circuitos de drive SKHI22AH4
(também produzidos pela Semikron), estando cada um deles designado para um dos
módulos de IGBTs [60]. A Figura 5.6 mostra com maior detalhe o aspeto físico de um
destes circuitos e o respetivo esquemático [60].
(a)
(b)
Figura 5.6 – Representações do circuito de drive SKHI22AH4: (a) Esquema elétrico do circuito de
drive [60]; (b) Aspeto físico do módulo [60]
Estes integrados são o interface entre o circuito entre o sistema de controlo e o
circuito de potência, assegurando o isolamento elétrico entre as duas partes por
intermédio de transformadores. Outras características assinaláveis destes drivers:
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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89
Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
monitorização da tensão coletor-emissor (Vce) para proteção contra curto-circuitos;
deteção de erros de comutação, o que permite parar a comutação caso algum erro
aconteça; e definição do dead-time por hardware.
Uma última nota para os condensadores snubber de 0,1 µF (dimensionados de
acordo com [61]) que assentam sobre os módulos IGBTs e para as placas PCB que
estabelecem as ligações entre os diferentes elementos do inversor; estas placas eram já
existentes no laboratório do GEPE e foram desenvolvidas no âmbito do projeto SINUS.
5.2.3.
Filtro de Acoplamento RLC
Após a sintetizar as ondas desejadas no inversor é necessário retirar o conteúdo de
alta frequência proveniente da comutação dos semicondutores das formas de onda
sintetizadas. Para tal aplica-se um filtro passa-baixo, como o da Figura 5.7, entre os
terminais do inversor e o restante circuito de potência e idealmente não deve ter
qualquer tipo de influência no sistema para além da filtragem. O dimensionamento dos
elementos do filtro de acoplamento é um procedimento complicado que engloba tanto
de conhecimento teórico como de conhecimento empírico.
(a)
(b)
Lf
Cf
Rf
Figura 5.7 – Filtro de acoplamento RLC: (a) Esquema elétrico do filtro; (b) Aspeto físico do filtro.
O primeiro passo no processo de dimensionamento do Filtro de Acoplamento é
assumir o sistema como sendo ideal e dessa forma calcular os valores da indutância (Lf )
e do condensador (Cf) do filtro passivo. A indutância Lf pode ser calculada através da
equação (5.1) que relaciona a indutância Lf com o valor desejada para a variação
máxima da corrente que a atravessa [29].
Lf 
0,5 Vd
f s i L f max
(5.1)
Para calcular o condensador Cf deve-se levar em conta o valor obtido para a
indutância Lf e a frequência de ressonância do filtro LC pode-se sendo que a frequência
90
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
de ressonância, ωr, deve estar compreendida entre a frequência do harmónico de maior
ordem que se pretende cancelar e ¼ da frequência de comutação [29]. Partindo do que
foi referido anteriormente é possível chegar à equação (5.2):
Cf 
1
L f  r2
(5.2)
Então, partindo das equações (5.1) e (5.2) foram calculados os valores de Lf e Cf
que serviram como base para o dimensionamento do filtro LC de saída: Lf = 1,5 mH;
Cf = 30 µF. A partir destes valores obtém-se a resposta em frequência, calculada
recorrendo ao MATLAB, exibida na Figura 5.8 que permite verificar o cumprimento das
condições anteriormente impostas.
Figura 5.8 – Diagrama de Bode do Filtro de Acoplamento (Lf = 1,5 mH; Cf = 30 µF).
Analisando a figura anterior facilmente se percebe que a amplitude do conteúdo
espetral próximo da frequência de ressonância é amplificada. Isto revela-se um
problema e torna necessário inserir no circuito uma resistência de amortecimento
(Rf = 8 Ω) colocada em série com Cf. Este novo elemento tem um papel importante no
desempenho do filtro passivo, pois como se pode comprovar pela resposta em
frequência exibida na Figura 5.9, a amplitude da frequência de ressonância é fortemente
diminuída com a sua inserção no circuito. Todavia a inserção de Rf tem também
desvantagens já que aumenta as perdas energéticas associadas ao filtro passivo.
Também na implementação prática deste Filtro de Acoplamento verificou-se que
os resultados obtidos nos primeiros ensaios não eram totalmente satisfatórios, pelo que
foi necessário, através de uma análise empírica, redimensionar os valores finais para a
indutância, condensador e resistência (Lf = 0,8 mH, Cf = 20 µF, Rf = 12 Ω), e foi traçada
uma nova resposta em frequência do Filtro de Acoplamento, exibida na Figura 5.10, que
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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91
Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
evidência uma frequência de corte aos 1,75 kHz e uma frequência de ressonância
situada aos 1,25 kHz.
Figura 5.9 – Diagrama de Bode do Filtro de Acoplamento (Lf = 1,5 mH, Cf = 30 µF, Rf = 8 Ω).
Figura 5.10 – Diagrama de Bode do Filtro de Acoplamento (Lf = 0,8 mH, Cf = 20 µF, Rf = 12 Ω).
5.3. Sistema de Controlo do Filtro Ativo Série
O sistema de controlo tem como principais tarefas implementar a teoria de
controlo, monitorizar e detetar falhas no circuito de potência e fornecer um interface
simplificado para o utilizador acionar todo o sistema. Para cumprir com este objetivos o
sistema é composto por: um bloco de aquisição e condicionamento das grandezas
intervenientes na malha de controlo; um segundo bloco constituído pelo DSP onde os
sinais provenientes do conjunto aquisição e condicionamento são amostrados através de
um ADC interno ao DSP sendo posteriormente utilizados no cálculo da tensão de
compensação, este bloco conta ainda com uma placa externa de DAC que converte os
92
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
sinais digitais do DSP em sinais analógicos passiveis de serem analisados num
osciloscópio; por último o sistema de controlo conta ainda com um bloco de comando e
proteção que como o próprio nome indica é encarregado de comandar o conversor de
potência e proteger o barramento CC de valores de tensão incompatíveis para as
características intrínsecas do condensador, tudo isto é conseguido através de um placa
de comando para o inversor e de um placa de proteção para o barramento CC.
Praticamente todos os blocos são alimentados por uma fonte externa ao sistema
que fornece tensões contínuas de +15 V, -15 V, +5 V, -5 V e 0 V, sendo que apenas o
DSP é alimentado com uma fonte diferente da anteriormente referida.
5.3.1.
Sensores Utilizados
A medição das grandezas de tensão fica ao encargo de sensores de efeito de Hall.
Neste género de sensores a densidade do fluxo magnético gerada pela corrente que
atravessa um determinado condutor induzem aos terminais de um segundo condutor
uma tensão sensível às variações do fluxo magnético.
Como neste trabalho interessa apenas medir os valores instantâneos da tensão
optou-se pelos sensores de tensão CYHVS025 fabricados pela ChenYang cujo esquema
de ligações é apresentado na Figura 5.11.
(a)
(b)
Figura 5.11 – Sensor de tensão CYHVS025 da ChenYang: (a) Esquema de funcionamento do sensor;
(b) Aspeto físico do sensor.
Tendo por base o efeito de Hall, estes dispositivos são capazes de medir sinais
tanto em corrente alternada como em contínua e o seu funcionamento assemelha-se ao
de um transformador com razão de transformação é de 2500:1000, existindo portanto
isolamento elétrico entre o sinal medido e o sinal de saída. No primário encontra-se a
resistência Ri que deve ser dimensionada tendo em conta o valor máximo da tensão (VMAXin)
e o valor nominal da corrente no primário do sensor (Ipn). Estas relações são traduzidas na
equação (5.3).
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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93
Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
Ri 
VMAXin
I pn
(5.3)
Por sua vez a corrente do lado do secundário (Isn) tem um valor nominal de
25 mA, pelo que a resistência Rm deve ser dimensionada conforme a tensão máxima
desejada (VMAXout) para o sinal de saída. O cálculo de Rm é portanto realizado de acordo
com a equação (5.4).
Rm 
VMAXout
I sn
(5.4)
O sensor tem uma saída em corrente o que minimiza a interferência do ruído no
sinal recolhido sendo necessário e os seus valores nominais da tensão de medida situamse entre os 0 V e os 500 V embora este seja capaz de medir tensões até 1000 V e manter
o isolamento entre o primário e o secundário até aos 2500 V.
No projeto do Filtro Ativo de Potência Série foram usados três sensores de tensão
que ficaram designados para medirem a tensão na fonte, a tensão no barramento CC e a
tensão de saída do FAS. Os três foram incorporados numa PCB (Printed Circuit Board)
já existente no Laboratório de Eletrónica de Potência e Energia da Universidade do
Minho, sendo apenas necessário recalcular o valor das resistências para a situação
específica. A placa PCB foi desenvolvida no âmbito do projeto SINUS, encontrando-se
na Figura 5.12 uma fotografia da mesma, assim como uma indicação sobre as grandezas
que medem cada um dos sensores.
Figura 5.12 – PCB de aquisição de sinais de medição de tensões.
5.3.2.
Placa de Condicionamento de Sinal
Após a recolha dos sinais dos sensores estes não podem ser logo inseridos no DSP
pois este não aceita tensões negativas, portanto deve ser adicionado um valor médio aos
sinais provenientes dos sensores retirando assim a parte negativa do sinal e depois
94
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
adequa-o aos níveis de tensão (0 a 3 V) do ADC do DSP. Com isto em mente foi
utilizada uma PCB de condicionamento de sinal já existente no laboratório do GEPE.
Esta placa é capaz de condicionar em simultâneo 11 sinais analógicos (5 de tensão e 6
de corrente) e inclui também circuitos de deteção de erro. Na Figura 5.13 encontra-se
uma fotografia da placa de condicionamento.
Figura 5.13 – PCB para condicionamento dos sinais de medição.
Uma vez que esta PCB apresenta uma aparente complexidade devido aos muitos
circuitos nela inseridos, achou-se conveniente desconstruir a placa e simular as frações
da placa que foram efetivamente empregadas. Como o objetivo da simulação é apenas
compreender o funcionamento dos circuitos usados foi usado o software PSIM de modo
a manter as simulações versáteis e simples7. Em primeiro lugar foi simulada uma
montagem com um divisor de tensão na entrada, seguido de um filtro passa baixo
Chebyshev de 2ª ordem e por último um amplificador diferencial que inverte o sinal de
entrada, soma-lhe um valor médio e envia o sinal de saída para o ADC. O circuito
completo pode ser analisado na Figura 5.14.
O funcionamento do circuito da Figura 5.14 é explicado pelos resultados das
simulações da Figura 5.15, neles analisa-se as entradas negativa (Vamp-) e positiva
(Vamp+) da montagem amplificadora inversora do circuito para além dos sinais de
entrada e saída do circuito de condicionamento. O sinal de entrada (Vin) após
contemplar a sua amplitude diminuída no divisor resistivo e de passar pelo filtro passabaixo é inserido na entrada negativa da montagem do amplificador diferencial Vamp-. Na
entrada positiva do amplificador diferencial Vamp+ é inserido um sinal continuo positivo
7
Existem softwares como o Multisim ou o PSpice que são mais indicados para simular circuitos de
instrumentação, todavia a dificuldade na seleção dos componentes e a complexidade no visionamento das
formas de onda quando em comparação com o PSIM, levou a não optar por esse tipo de software.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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95
Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
que é somado ao sinal invertido e amplificado de Vamp- produzindo desta maneira o sinal
de saída (Vout).
V in
100nF
100Ω
1,5kΩ
15kΩ
25Ω
200kΩ
+
_
Vout
_
100kΩ
+
15nF
3,3kΩ
4,7V
68kΩ
GND
GND
GND
+2,5V
100kΩ
100kΩ
GND
Figura 5.14 – Esquema do circuito de condicionamento de sinal que adequa os sinais de medição aos
niveis de tensão do DSP.
vout (V)
3
vamp- (V)
vamp+ (V)
vin (V)
Sinal de Entrada
Sinal de Saída
2
Entrada AmpOp
Positiva
1
0
Entrada AmpOp
Negativa
-1
-2
-3
0
0.01
0.02
0.03
Time (s)
0.04
0.05
0.06
Tempo (s)
Figura 5.15 – Resultados de simulação do circuito de condicionamento de sinal da Figura 5.14: Sinal de
entrada (vin); Sinal de saída (vout); Sinal à entrada negativa do AmpOp(vamp-); Sinal na enrtada positiva do
AmpOp (vamp+).
Para além do circuito de condicionamento de sinais de tensão foi também
simulado um circuito de deteção de sobretensões, que se encontra integrado na placa da
Figura 5.13. Este circuito tem como sinal de entrada a leitura da tensão do barramento
CC que é comparada com um sinal de referência equivalente a um valor máximo de
tensão para o condensador do lado CC do inversor. Na eventualidade do valor medido
exceder este valor máximo é enviado um sinal digital de erro que desabilita as
comutações do inversor. Na Figura 5.16 encontra-se o esquemático do circuito de
deteção de sobretensões.
Nas simulações elaboradas, cujos resultados estão apresentados na Figura 5.17, o
sinal de entrada (Vin) é constantemente comparado com o sinal de referência (Vref), que
funciona como o limite máximo no caso de Vin ultrapassar esse limite, algo que acontece
aos 17 ms, quando a saída do comparador passa do valor lógico “0” para ”1” e o sinal
digital é armazenado na saída do flip-flop do tipo D (Vout) até que ocorra o reset do
96
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
elemento biestável. Quando Vout se encontra a “1” as comutações são bloqueadas e é
enviado um sinal luminoso indicando a ocorrência de um erro. Como foi referido
anteriormente, na Figura 5.17 encontram-se os resultados obtidos na simulação deste
circuito de deteção de sobretensões.
-15V
3,9kΩ
+
_
+15V
100nF
3,7kΩ
10kΩ
1kΩ
10kΩ
GND
+15V
GND
GND
D
GND
V in
+15V
SET
CLR
Q
Vout
Q
RESET
3,9kΩ
+15V
+
_
5kΩ
GND
10kΩ
3,7kΩ
10kΩ
GND
GND
GND
Figura 5.16 – Esquema do circuito de deteção de sobretensões no barramento CC.
vout
vin (V)
vref (V)
5
4
Sinal de Referência
3
Sinal de Entrada
2
Sinal de Saída
1
0
0
0.02
0.04
Time (s)
0.06
0.08
Tempo (s)
Figura 5.17 – Resultados de simulação do circuito de deteção de sobretensões no barramento CC.
5.3.3.
DSP (Digital Signal Processor)
O DSP (Digital Signal Processor) é o centro do sistema de controlo onde todos os
sinais de medida e de controlo são processados e onde é implementada a teoria de
controlo do FAS. Neste projeto foi utilizado o DSP TMS320F2812 da Texas
Instruments que apresenta como principais características um CPU de 32-bit, uma
frequência de clock máxima de 150 MHz (ciclo máquina de 6,67 ns), um ADC de 12
bits com 16 canais e uma taxa de conversão de 12,5 MSPS, 56 pinos I/O, e dois
periféricos para o controlo do inversor apelidados de Event Managers (EVA e
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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97
Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
EVB) [62]. Os Event Managers são mesmo uma das características mais interessantes
deste dispositivo, pois facilitam bastante a implementação da técnica de comutação
PWM unipolar [63].
Figura 5.18 – Placa do DSP (Digital Signal Processor).
O DSP tem também um interface JTAG (Joint Test Action Group) que é utilizado
na ligação à porta USB do PC. Esta ligação é intermediada pelo emulador XDS 100 da
Texas Instruments, exibido na Figura 5.19, que também é responsável por carregar o
código desenvolvido no PC para a memória flash do DSP e permite realizar debug
online desse mesmo código. Em relação ao código e ao seu desenvolvimento a Texas
Instruments disponibiliza um software de compilação para esse efeito, o Code
Composer Studio (CCS). Nele é possível conceber um programa em linguagem C/C++,
compilá-lo e de seguida executá-lo. Os processos de debug e carregamento dos
programas para o DSP são controlados através do CCS que também permite visualizar
variáveis internas do DSP.
Figura 5.19 – Emulador XDS 100 da Texas Instruments.
98
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
Outro método alternativo para analisar as variáveis internas do DSP é através de
placa DAC (Digital to Analog Conversion) desenvolvida no Laboratório de Eletrónica
de Potência e Energia da Universidade do Minho. Esta placa tem quatro sinais
analógicos de saída assim como pontos de conexão com outros periféricos do DSP
(ADC e pinos I/O). Na Figura 5.20 encontra-se uma foto da placa DAC utilizada.
Figura 5.20 – Placa do DAC.
O programa em linguagem C, desenvolvido de raiz para o controlo do Filtro Ativo
Série, foi alicerçado nos documentos disponibilizados pela Texas Instruments. A partir
dessa documentação foram testadas e consequentemente integradas as diferentes
funcionalidades do DSP num único programa, que tem como base o algoritmo da
Figura 5.21. Nele se percebe como utilidades intrínsecas do DSP se relacionam com as
funções originalmente criadas para o protótipo desenvolvido.
De referir ainda que várias das funções matemáticas mais complexas foram
codificadas com recurso à biblioteca de funções matemáticas IQmath, disponibilizada
pela Texas Instruments. Esta biblioteca implementa algoritmos floating-point em
dispositivos de código fixed-point, diminuindo o tempo de processamento e permitindo
utilizar frequências de amostragem e de comutação superiores [64].
O fluxo de processamento do algoritmo da Figura 5.21 começa com o
acionamento do DSP, prosseguindo com a inicialização dos seus periféricos e das
variáveis, sendo definidas as frequências de amostragem e de comutação, os ganhos dos
controladores e os fatores de correção do valor médio dos sinais amostrados.
Após esta fase de preparação do programa é então realizada a amostragem das
tensões da fonte, do barramento CC e da saída do FAS. Os sinais recolhidos são
armazenados em três vetores para posteriormente exportar os sinais para ferramentas de
cálculo e construção gráfica (e.g., Microsoft Excel). Estes vetores foram dimensionados
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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99
Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
de acordo com a frequência de amostragem (famostragem = 32 kHz), ou seja apresentam
640 posições para 1 ciclo da rede.
Inicio
Calcular controladores Anti-ressonante e PID
erro_Vout=Anti_Res(Vout, erro_Sum, K_res)
PID_OUT=PID_Control(erro_Vout, Vout, K, Ki, Kd)
Inicialização do DSP
erro_Vs; erro_Vcc; erro_Vout
K; Ki; Kd; K_cc; Ki_cc; K_res
PID_OUT = limite
Sim
PID_OUT >
limite?
Não
Digitalização das tensões medidas
Vs; Vout; Vcc
PID_OUT = -limite
Sim
Cálculo das tensões de referência
Vs_ref; Vcc_ref
PID_OUT <
-limite?
Não
Sim
Cálculo de erros
erro_Vs=Vs_ref - Vs
erro_Vcc=Vcc_ref – Vcc
Vcc > limite?
Não
Sim
Cálculo controlador PI
PI_OUT=PI_Control(erro_Vcc, K_cc, Ki_cc)
erro_Vcc=PI_OUT*Vpll
DC_FLAG==1?
Não
erro_Vcc = limite
Sim
erro_Vcc > limite?
Carrega PID_OUT para registos do EVB
EvbRegs.CMPR4 = PID_OUT
EvbRegs.CMPR5 = -PID_OUT
Não
erro_Vcc = -limite
Sim
Count > 639?
erro_Vcc < -limite?
Sim
Não
Não
Count = 0
Count = Count ++
erro_Sum = erro_Vcc + erro_Vs
Sim
CpuTimer0.InterruptCount !=0
Não
Figura 5.21 – Algoritmo do programa criado para controlar o Filtro Ativo Série e implementado no DSP.
Concluída a conversão dos sinais analógicos procede-se à geração dos sinais de
referência, recorrendo-se então à técnica da PLL. Esta técnica emprega na entrada a
medição proveniente da fonte e gera na saída um sinal sincronizado com a tensão da
fonte com a mesma amplitude e frequência e sem conteúdo harmónico (Vs_ref). O sinal
de referência da tensão no elo CC (Vcc_ref) foi anteriormente definida aquando a
inicialização das variáveis.
De seguida são calculados os erros associados à regulação da tensão no
barramento CC (erro_Vcc), e à compensação dos harmónicos existentes na tensão da
100
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
fonte (erro_Vs). A variável erro_Vcc sofre uma transformação adicional por intermédio
do controlador PI e de uma multiplicação com uma sinusoide unitária que está em fase
com Vs_ref. Uma vez recalculada a variável erro_Vcc, é necessário verificar se esta não
excede os limites impostos para a tensão do barramento CC sendo empregues testes
condicionais para inferir sobre este ponto. Esta fase culmina com a soma dos valores de
erro_Vcc e erro_Vs com o resultado a ser armazenado na variável erro_Sum.
Uma vez calculado o valor de erro_Sum, este é usado como parâmetro de uma
função responsável por minimizar os efeitos da ressonância causada pelo filtro de
acoplamento. Esta função é baseada nos algoritmos de amortecimento descritos em [6567], e tem um papel particularmente importante como se poderá analisar nos resultados
obtidos na secção 6.2. Na Figura 5.22 encontra-se um diagrama representativo do
algoritmo de amortecimento e a forma como este se relaciona com o controlador PID de
saída.
v out
–
errosum +
Ʃ
–
+
erroout
Ʃ
PID
PIDout
–
K
+
Ʃ
–
Figura 5.22 – Diagrama de blocos do algoritmo de amortecimento e a sua interação com o PID de saída.
Este algoritmo é equiparável a uma resistência virtual que é usada para mitigar as
componentes de alta frequência e as oscilações ressonantes existentes numa rede
elétrica. A resistência virtual pode substituir a resistência física existente no filtro de
saída de um conversor de potência, ou trabalhar em conjunto com essa resistência
permitindo realizar um ajuste fino do coeficiente de amortecimento do filtro de saída.
Como sugere a Figura 5.22, o retorno da função que implementa o algoritmo de
amortecimento é empregue numa outra função que implementa um controlador PID.
O resultado do controlador PID é armazenado na variável PID_OUT sendo depois
verificado se esta cumpre com os limites predefinidos através de testes condicionais. É
também avaliado o nível de tensão do barramento CC analisando se este não excedeu os
níveis máximos de tensão ou se foi recebido algum sinal externo indicativo da deteção
de uma tensão excessiva no condensador do barramento. Caso não existam
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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101
Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
irregularidades o valor de PID_OUT é armazenado nos registos de comparação de EVB
para que finalmente se possa gerar os pulsos que são enviados para as gates dos IGBTs.
5.3.4.
Placa de Comando do Inversor
A placa de comando, exibida na Figura 5.23, coordena as operações referentes aos
pulsos enviados para os módulos de IGBTs e as suas funções compreendem: adaptar os
níveis de tensão dos pulsos provenientes do DSP (0 a 3,3 V) para os níveis de tensão de
funcionamento dos semicondutores (0 a 15 V); e habilitar ou desabilitar as comutações
através da receção de sinais externos provenientes dos circuitos driver dos IGBTs
(associados a erros de comutação) ou de um painel comando manuais, exibido na
Figura 5.24, que agrega os sinais de enable que ativam a comutação dos interrutores, e
reset que reconhece a ocorrência de um erro e reativa a comutação.
Figura 5.23 – PCB de sinais de comando do inversor.
Além destas tarefas a placa de comando incorpora sinalizações luminosas
indicando ao utilizador se o inversor está ativo ou se ocorreu algum erro que
impossibilita o normal funcionamento do mesmo.
Foi também concebido um interface externo à placa de comando com
interruptores para permitir ao utilizador interagir com a placa de comando em
segurança. Este painel de controlo possibilita acionar as funções de habilitar/desabilitar
as comutações e de reset aos erros detetados na comutação. Faculta também a
identificação e reset dos erros do circuito de deteção de sobretensões no barramento CC
(descrito em 5.3.2), incorporando um LED (Light-Emiting Diode) que acende quando
ocorre um erro no circuito referido, e um interruptor que quando pressionado pelo
utilizador retira o bloqueio das comutações gerado pelo erro ocorrido.
102
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
Sinalização de erros
no Barramento CC
On/Off
Comutações
Reset do erro
de comutação
Reset do erro do
Barramento CC
Figura 5.24 – Painel de controlo com os comandos para ativar/desativar as comutações, realizar reset dos
sinais de erro e com sinalizações luminosas de ocorrência de erros.
5.3.5.
Placa de Proteção do Barramento CC
No barramento CC encontra-se o maior valor de tensão do sistema pelo que é
necessário ter elementos de segurança extra que em caso de anomalia protejam o
condensador assim como o restante sistema elétrico. Para tal foi concebido um circuito
de proteção que monitoriza a tensão no lado CC e intervém diretamente sobre o circuito
de potência caso a tensão ultrapasse um determinado valor predefinido. Na
eventualidade de algo acontecer é também enviado um sinal para o DSP a informar a
ocorrência. Na Figura 5.25 encontra-se o esquema do circuito projetado e o aspeto físico
do mesmo.
Olhando com atenção a Figura 5.25 o funcionamento do circuito é facilmente
explicável. O elemento chave é o SCR (Silicon-Controlled Rectifier) que após entrar em
condução descarrega a energia armazenada no condensador para um conjunto de
resistências de descarga e faz atuar um contactor que corta a alimentação para o restante
circuito de potência.
(a)
(b)
Figura 5.25 – Placa de proteção do barramento CC: (a) Esquema do circuito de proteção do barramento
CC; (b) Aspeto físico da placa de proteção do barramento CC.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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103
Capítulo 5 – Implementação do Filtro Ativo Série
Todavia, para este semicondutor entrar em condução é necessário enviar um pulso
de corrente para a gate do mesmo e este pulso apenas é enviado caso a tensão ultrapasse
o valor máximo de referência definido a 250 V. Portanto o sinal de entrada do circuito é
a tensão do barramento CC que tem de seguida um divisor resistivo composto por R1 e
R2, ora estas duas resistências foram dimensionadas com o propósito de quando o valor
máximo de referência para o lado CC for excedido caia sobre a R2 uma tensão igual ou
superior a 32 V (VR2), o que por sua vez enviaria um pulso para a gate do SCR
colocando-o em condução, e para garantir que o pulso é enviado para a gate apenas
quando VR2 = 32 V coloca-se um DIAC de 32 V entre R2 e a gate do semicondutor.
5.4. Conclusões
Neste capítulo foram abordados os aspetos práticos da implementação do Filtro
Ativo de Potência Série, incidindo em primeiro lugar sobre o circuito de potência e em
segunda instância sobre sistema de controlo.
Em relação ao circuito de potência foram analisados três dos seus principais
componentes: o circuito de comando que governa a conexão do FAS e das cargas ao
sistema laboratorial, e deste à rede elétrica; o conversor de potência empregado no FAS
e os dispositivos que o compõem; e o filtro RLC de acoplamento do FAS ao restante
sistema laboratorial, atendendo com especial detalhe ao dimensionamento do mesmo.
Por sua vez, a análise ao sistema de controlo focalizou-se nos circuitos de
aquisição e condicionamento de sinais, no DSP/Microcontrolador utilizado, e nos
circuitos de comando do inversor e de proteção do barramento CC.
Esta desconstrução do sistema implementado permite compartimentar os
diferentes elementos de acordo com as áreas de conhecimento o que por sua vez salienta
o aspeto interdisciplinar deste projeto.
104
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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CAPÍTULO 6
Resultados Experimentais
6.1. Introdução
Neste capítulo são apresentados e analisados os resultados experimentais obtidos a
partir do protótipo laboratorial do Filtro Ativo de Potência Série (FAS), na
compensação de problemas de Qualidade de Energia Elétrica (QEE), quer estes sejam
provenientes da rede elétrica, ou provocados por cargas não-lineares.
O desempenho do FAS foi avaliado levando em consideração dois fatores: a
compensação de harmónicos de tensão e a regulação da tensão no condensador do
barramento CC. Estes são os pontos fundamentais, cujo cumprimento legitima o
equipamento desenvolvido como capaz de garantir que a forma de onda da tensão
fornecida à carga satisfaça os limites das regulamentações vigentes, analisadas no
capítulo 1.
Relativamente às cargas usadas, e como já referido nos capítulos 4 e 5, foi
utilizada uma carga RL e um retificador monofásico com uma carga RC.
Adicionalmente, para intensificar a distorção harmónica a montante do FAS, foi
adicionada uma nova carga, que consiste numa indutância em série com o sistema,
sucedida de um segundo retificador monofásico com uma carga RC colocado em
paralelo com o sistema. Os ensaios foram conduzidos com uma tensão da fonte de 50 V.
Para registar as formas de onda e efetuar as medições requeridas, foram utilizados
o osciloscópio Yokogawa DL708E e o analisador de Qualidade de Energia Elétrica
Fluke 434 Power Quality Analyzer.
6.2. Resultados Obtidos
Nesta secção são apresentados os resultados práticos obtidos com o protótipo
laboratorial do Filtro Ativo de Potência Série num sistema elétrico de 50 Hz e com
tensão nominal 50 V. É analisado o comportamento do FAS na compensação de
harmónicos de tensão e na regulação da tensão no condensador do lado CC. Na parte
relativa à compensação harmónica, também são examinados os efeitos do algoritmo
anti-ressonância implementado digitalmente.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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105
Capítulo 6 – Resultados Experimentais
Analisando a forma de onda da tensão da rede no Laboratório do GEPE, exibida
na Figura 6.1, facilmente se depreende que esta se encontra bastante deformada. Isto é
comprovado pela Figura 6.2, onde se vê que o valor da THD da tensão da fonte é de
4,6%, ou seja bem próxima do limite máximo permitido pela norma vigente (5% para
redes protegidas segundo a norma NP EN 50 160).
vfonte
20V/div
5ms/div
Figura 6.1 – Forma de onda da tensão da rede no Laboratório do GEPE (vfonte).
Figura 6.2 – Espetro harmónico da tensão da rede no Laboratório do GEPE.
Todavia, como a THD da tensão da rede não excede os limites legais foi
adicionado ao circuito de potência uma carga a montante do FAS, como já foi referido
anteriormente, com o intuito de aumentar o conteúdo harmónico da tensão do sistema.
Esta carga é composta por uma indutância (L = 5 mH), colocada em série com o sistema
elétrico, e por um retificador monofásico, colocado em paralelo com uma carga RC
(R = 100 Ω e C = 117,5 µF). O retificador requer à fonte correntes distorcidas que,
quando atravessam a indutância de linha causam quedas de tensão de frequência
múltipla da fundamental, o que por sua vez distorce ainda mais a forma de onda da
tensão. A adição desta carga é assinalada no esquema da Figura 6.3.
106
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 6 – Resultados Experimentais
Q2
5mH
2:1
Q3
630Ω
Q4
Q3
RR
Q5
Q6
117µF
Ls
75Ω
CRet
Rede Elétrica
1,50mH
50Ω
L RL
RRL
RRet
20µF 12Ω
Cf
Rs
Cs
100Ω
117µF
Rf
0,8mH
Vcc
Lf
Ccc
4700µF
Figura 6.3 – Esquema da montagem final com a fonte (ao lado esquerdo), o Filtro Ativo Série (ao centro),
as cargas (ao lado direito) e a carga adicionada para aumentar o conteúdo harmónico da tensão (ao lado
esquerdo sob a fonte).
Com a nova disposição do circuito de potência, a forma de onda da tensão a
montante do FAS altera-se, e a THD passa de 4,1% para 8,2%. Esta alteração no
conteúdo harmónico é comprovada pela Figura 6.4, onde se pode observar a forma de
onda da tensão, e pela Figura 6.5 onde se encontra o espetro harmónico da tensão.
vfonte
20V/div
5ms/div
Figura 6.4 – Forma de onda da tensão da rede (vfonte), com distorção harmónica adicional.
Figura 6.5 – Espetro harmónico da tensão da fonte após a inclusão da carga a montante do FAS.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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107
Capítulo 6 – Resultados Experimentais
Com as alterações operadas no circuito de potência é obtida a forma de onda de
tensão a ser compensada, que consiste numa tensão com elevado conteúdo harmónico,
especialmente nos harmónicos de 3ª e 5ª ordem, como se pode comprovar na Figura 6.5.
É neste ponto que o FAS é colocado a funcionar. Todavia, este não começa
imediatamente o processo de compensação, pois no início é preciso carregar o
condensador do lado CC e proceder à regulação da tensão. Através de diversos ensaios,
verificou-se que eram obtidos melhores resultados quanto menor fosse a tensão de
referência do barramento, pelo que esta foi definida para 8 V. Na Figura 6.6 encontra-se
o registo da tensão do barramento regulada em torno do valor de referência.
5V/div
vcc
5ms/div
Figura 6.6 – Forma de onda da tensão no barramento CC (vcc) antes de iniciar a compensação.
Com a tensão do lado CC regulada, o sistema automaticamente procede à
compensação harmónica. O algoritmo implementado no DSP calcula a tensão de
compensação total, que engloba as parcelas de compensação harmónica e de regulação
da tensão do barramento CC, procedendo de seguida à geração dos pulsos que serão
enviados para as gates dos IGBTs do inversor. A tensão de compensação sintetizada à
saída do inversor é exibida na Figura 6.7, e como se pode verificar a tensão de saída do
FAS apresenta um elevado ruído de alta frequência. Uma explicação plausível se deve
ao facto do filtro de acoplamento RLC ter sido dimensionado para um sistema com
tensão de 115 V e não de 50 V, o que em conjunto com a impedância de linha da
instalação elétrica, gera um aumento da amplitude em torno da frequência de
ressonância do filtro de saída do FAS. Este ruído resultante da ressonância tem uma
influência prejudicial em todo o sistema, a começar pela tensão na carga, que embora
surja compensada com a entrada em funcionamento do FAS, tem uma componente de
alta frequência indesejada. Este aspeto pode ser constatado na Figura 6.8, onde é
mostrada a forma de onda tensão na carga, e na Figura 6.9, onde se encontra o espetro
harmónico da tensão na carga após a compensação.
108
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 6 – Resultados Experimentais
10V/div
vfiltro
5ms/div
Figura 6.7 – Forma de onda da tensão sintetizada à saída do Filtro Ativo Série (vfiltro).
vcarga
20V/div
5ms/div
Figura 6.8 – Forma de onda da tensão da carga (vcarga).
Figura 6.9 – Espetro harmónico da tensão da carga.
Portanto, como se pode verificar pelo espetro harmónico apresentado na
Figura 6.9, a THD global do sistema diminuiu, com a amplitude dos harmónicos de
menor ordem (3ª, 5ª, 7ª, 9ª e 11ª ordem) a ser bastante mitigada. Todavia, assiste-se a
um aumento dos harmónicos em redor de 1 kHz (a partir do harmónico de 19ª ordem),
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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109
Capítulo 6 – Resultados Experimentais
obtendo-se no final um valor de 4,1% para a THD. Também na tensão da fonte surge
uma componente de alta frequência indesejada e que altera significativamente a forma
de onda da tensão, como se pode comprovar na Figura 6.10. Convém salientar que estes
resultados foram obtidos sem a utilização da função de amortecimento descrita na
subsecção 5.3.3, sendo a partir das conclusões retiradas até este ponto, que se verificou
a necessidade de inclusão do método de amortecimento.
vfonte
20V/div
Figura 6.10 – Forma de onda da tensão da rede (vfonte) com ressonância.
Com a introdução do algoritmo de amortecimento, e com o reajuste dos ganhos do
sistema, os resultados melhoraram. Esta afirmação é corroborada pela forma de onda da
tensão na carga exibida na Figura 6.11, e pela Figura 6.12, onde se encontra o espetro
harmónico da tensão da carga.
vcarga
20V/div
5ms/div
Figura 6.11 – Forma de onda da tensão da carga (vcarga) com algoritmo de amortecimento.
Nesta última figura, verifica-se que a THD desceu com a inclusão do algoritmo de
amortecimento para os 3,6%, e que a amplitude dos harmónicos em torno da frequência
de 1 kHz também diminuiu significativamente. Todavia, regista-se um ligeiro aumento
110
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 6 – Resultados Experimentais
da amplitude dos harmónicos a partir do 41º harmónico, o que leva a crer que a
frequência de ressonância foi transferida para uma frequência acima dos 2 kHz.
Figura 6.12 – Espetro da tensão da carga com algoritmo de amortecimento.
Também a Figura 6.13, onde se mostra a forma de onda da tensão na fonte, na
carga e a tensão sintetizada à saída do filtro ativo, pode ser utilizada para comparar os
resultados conseguidos com a inclusão do algoritmo de amortecimento, com aqueles
obtidos na Figura 6.7, na Figura 6.8 e na Figura 6.10. Facilmente se depreende a
melhoria introduzida pelo algoritmo de amortecimento, na minimização das
componentes harmónicas ressonantes existentes no sistema.
vfonte
20V/div
vcarga
20V/div
vfiltro
5V/div
5ms/div
Figura 6.13 – Formas de onda da tensão na fonte (vfonte), da tensão na carga (vcarga),e da tensão na saída do
Filtro Ativo Série (vfiltro).
6.3. Conclusões
Neste capítulo foram apresentados os resultados experimentais obtidos a partir do
funcionamento do protótipo laboratorial do Filtro Ativo de Potência Série desenvolvido
no âmbito deste trabalho. Era pretendido verificar se o sistema de controlo escolhido no
capítulo 3 seria capaz de desempenhar as tarefas de compensação harmónica e de
regulação da tensão no barramento CC. Os registos adquiridos sobre o funcionamento
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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111
Capítulo 6 – Resultados Experimentais
do FAS testado em laboratório permitiram comprovar a adequação do sistema de
controlo, pois verificou-se que os objetivos de compensação e regulação foram
cumpridos.
O processo de testes começou com uma análise da tensão da rede existente no
laboratório do GEPE, que apresenta uma THD de 4,6%, ou seja, bem próximo do limite
máximo de 5% imposto pela norma NP EN 50 160 para redes protegidas. Todavia, uma
vez que a distorção harmónica não ultrapassava o limite máximo, foi adicionada ao
sistema uma carga adicional para produzir quedas de tensão de frequência múltipla da
fundamental, aumentando assim a THD da tensão da fonte para 8,2%.
Posto isto, iniciou-se com a regulação da tensão do barramento CC, prosseguida
pela compensação harmónica da tensão da carga. Nos primeiros ensaios assinalaram-se
alguns efeitos indesejados durante o funcionamento do FAS, como o aumento da
amplitude dos harmónicos em torno de uma frequência de ressonância que
anteriormente não eram tidos como problema. Todavia, mesmo assim a THD da tensão
baixou para 4,1%.
Este problema de ressonância foi contrariado com adição de um algoritmo de
amortecimento, que como ficou comprovado, diminui a amplitude dos harmónicos
próximos da frequência de ressonância. No final a THD da tensão da carga ficou em
3,6%, ou seja abaixo do limite máximo de 5% anteriormente referido.
112
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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CAPÍTULO 7
Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
7.1. Conclusões
Esta Dissertação de Mestrado versou sobre a implementação de um Filtro Ativo
de Potência Série (FAS) Monofásico sem Fonte de Tensão do Lado CC, para
compensação de harmónicos de tensão e mantendo regulada a tensão do lado CC do
equipamento. Com este objetivo em mente, foi concebido um protótipo laboratorial de
forma a avaliar a sua performance e validar este tipo de solução.
Ao longo dos capítulos deste documento foram apresentados os passos essenciais
na conceção do Filtro Ativo de Potência Série, tratando esta secção de resumir e
apresentar as ideias essenciais de cada capítulo, bem como as principais conclusões
sobre o trabalho realizado.
No primeiro capítulo foram apresentados os diferentes problemas relacionados
com Qualidade de Energia Elétrica (QEE), acompanhando cada um dos temas
abordados com uma descrição e um exemplo gráfico para facilitar a compreensão do
leitor. Foram também descritas as cargas de natureza não-linear, salientando o seu peso
na origem de harmónicos de tensão e corrente, sendo também apresentadas formas de
lidar com os harmónicos. Todavia, as soluções descritas neste ponto são de baixa
sofisticação, pois adaptam as redes elétricas para lidar com os efeitos adversos do
problema em questão, ao invés de resolver a causa do problema. Neste capítulo foram
também descritos o enquadramento do tema da Dissertação dentro do panorama atual da
QEE, as motivações para o desenvolvimento deste documento e os objetivos a atingir
com o trabalho desenvolvido.
No segundo capítulo foi elaborado o estado da arte dos equipamentos de
compensação de problemas de QEE que apresentam a particularidade de serem
colocados, totalmente ou parcialmente, em série com o sistema elétrico. Esta
característica os predispõe a lidar com questões relacionadas com a qualidade da tensão,
mas não impede que alguns destes equipamentos sejam capazes de lidar com problemas
relacionados com a corrente ou com o fator de potência do sistema. Foram abordados
apenas os equipamentos com recorrentes implementações práticas e que dispõem de
uma ampla literatura de suporte. Com a descrição de cada equipamento, foram
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
113
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
mostrados esquemas dos seus circuitos de potência, e as vantagens e desvantagens que
cada um apresenta. Da análise feita ao Filtro Ativo de Potência Série concluiu-se que é
um equipamento capaz de compensar exclusivamente problemas relacionados com a
tensão. No final do capítulo foi apresentada uma tabela (Tabela 2.2) particularmente
interessante, que relaciona os equipamentos de compensação descritos e os problemas
de QEE que cada um é capaz de compensar.
No terceiro capítulo, foram abordadas três estratégias de controlo para Filtros
Ativos Série: a estratégia de controlo da tensão por valores médios instantâneos, a
Teoria da Potência Instantânea (Teoria p-q), e a estratégia de controlo baseada numa
malha indireta de corrente. Após o estudo das diversas teorias de controlo, concluiu-se
que a estratégia de controlo da tensão por valores médios instantâneos era a mais
indicada para implementar no protótipo. A escolha deveu-se ao facto desta estratégia ser
a única das apresentadas que foi pensada para sistemas monofásicos e para
compensação da tensão. Neste capítulo foram também apresentadas técnicas para gerar
uma referência de tensão, um aspeto essencial no controlo do FAS. Neste ponto optouse por usar uma PLL (Phase-Locked Loop) monofásica, pois revelou ser a técnica mais
adaptável a perturbações externas, sendo bastante fácil ajustar o sinal de saída mediante
alterações na entrada.
Determinada a estratégia de controlo a adotar e a técnica de geração de referência
de tensão, no quarto capítulo foi verificada a exequibilidade destas opções através de
simulações computacionais conduzidas no software PSIM. Após a verificação do
sistema de controlo, este foi assimilado no circuito de potência e testou-se as
capacidades do sistema na sua plenitude. Os resultados recolhidos nas simulações
provaram que o FAS concebido é capaz de compensar os harmónicos de tensão e,
simultaneamente regular a tensão do lado CC. Esses resultados foram posteriormente
comparados com os resultados obtidos na simulação de um Condicionador Ativo Série
(CAS), que é um equipamento mais completo do que o FAS. No final os resultados
obtidos foram bastante similares, verificando-se um abaixamento da THD da tensão da
carga de 10,3% para valores próximos de 1,5% em ambos os equipamentos. De destacar
também as opções tomadas em relação à técnica de comutação utilizada, CB-PWM
Unipolar, e ao tipo de controlo adotado para o inversor.
Com a fundamentação teórica do FAS testada e comprovada, o quinto capítulo
focou-se na descrição dos elementos essenciais na implementação do Filtro Ativo Série.
Em termos de abordagem teórica, preferiu-se separar o hardware do FAS naquele que
compõe o circuito de potência e naquele que compõe o sistema de controlo. Em relação
ao circuito de potência foi apresentado o circuito de comando projetado para o
114
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
controlar, o conversor de potência utilizado no FAS e o filtro passivo RLC colocado na
saída do FAS. Sobre o sistema de controlo, descreveu-se a placa com os sensores
utilizados, a placa de condicionamento dos sinais medidos, a placa de comando do
inversor, e a placa de proteção do barramento CC. Todas estas placas, com exceção da
placa de proteção do barramento CC, eram já existentes e foram adaptadas a partir de
protótipos existentes no laboratório do GEPE. Também foi abordada a unidade de
processamento utilizada, o DSP TMS320F2812 da Texas Instruments. Na subsecção
designada para este tópico (ver item 5.3.3), foram descritas algumas das características
deste DSP e os aspetos técnicos mais relevantes do código desenvolvido. Neste capítulo
é evidenciado o aspeto multidisciplinar da componente prática deste projeto.
No sexto capítulo foram relatados os resultados práticos obtidos a partir do
protótipo desenvolvido. Os resultados obtidos para 50 V não coincidem inteiramente
com o esperado nas simulações, já que as condições diferem nos dois casos. As
principais diferenças situam-se ao nível da tensão do sistema (50 V em vez de 115 V),
da tensão no lado CC (8 V em vez de 200 V) e do nível de distorção harmónica (um
pouco mais baixo na situação real). No final, o valor mínimo da THD foi de 3,6%, ou
seja superior ao valor obtido nas simulações (THD = 1,5%). Em relação ao valor de
referência da tensão do barramento CC apenas são apresentados nesta Dissertação os
resultados quando o valor de referência foi definido a 8 V, embora tenham sido
conduzidos testes para diferentes níveis de tensão (70 V e 80 V). A realidade é que
quanto maior a tensão do barramento CC, maior o ripple do sinal de saída do inversor.
Isto pode ser explicado pela equação (5.1), que relaciona o valor da tensão do
barramento CC (Vd) com a variação da corrente que atravessa a bobina do filtro de saída
do FAS (ΔiLfmax).
Neste capítulo também foi possível avaliar o desempenho do algoritmo de
amortecimento, ficando comprovado que este tem um papel ativo na melhoria da THD
da tensão da carga e na resposta geral do FAS.
A principal ideia a reter com a conclusão deste trabalho é a exequibilidade da
implementação do Filtro Ativo Série. O equipamento desenvolvido é capaz de mitigar
os harmónicos de tensão existentes no sistema elétrico, regulando ao mesmo tempo a
tensão do lado CC. Outro aspeto interessante é que este equipamento tem um custo
potencialmente mais baixo do que o Condicionador Ativo Série (CAS), já que possui
apenas um conversor de potência, necessitando portanto de metade dos semicondutores
de potência do CAS.
Em termos pessoais, este foi trabalho bastante enriquecedor já que possibilitou
aplicar muito do conhecimento obtido ao longo do Mestrado Integrado em Engenharia
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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115
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
Eletrónica Industrial e Computadores, assim como adquirir novas valências que
elevaram o nível de instrução académica para novos patamares. Este trabalho integrou,
como já referido anteriormente, conhecimento de diversas áreas da Eletrónica como a
Microeletrónica, a Eletrotecnia, a Eletrónica de Potência, a Programação e a Teoria de
Controlo. Também o desenvolvimento desta Dissertação permitiu o desenvolvimento de
aptidões de pesquisa, das capacidades intelectuais de leitura e escrita, e do nível de
experiência de softwares de edição de texto e de edição de imagem. No fundo, esta
Dissertação e o trabalho prático desenvolvido serviram como uma introdução à pesquisa
e investigação científica.
7.2. Sugestões para Trabalhos Futuros
Como é possível discernir através deste trabalho, o Filtro Ativo de Potência Série
cumpre com os requisitos mínimos requeridos a este tipo de equipamento. Todavia,
existem vários aspetos do FAS a otimizar e melhorar, começando pelo nível de tensão
dos testes conduzidos. Neste documento foram apresentados resultados para um sistema
elétrico de 50 V, que é um nível de tensão inexistente em termos de redes elétricas.
Seria imperioso elevar o valor da tensão dos testes, primeiro para 115 V e depois para
230 V, para que fique comprovada a aplicabilidade do equipamento às redes elétricas
comuns. Aliás, a integração do FAS numa rede elétrica comum seria outro aspeto a ser
explorado. Também se poderia realizar testes para comprovar experimentalmente se o
FAS pode compensar Variações do Valor Eficaz da Tensão (sags e swells) e Flutuações
da Tensão.
A implementação no software de funções de deteção e proteção de sobrecargas e
sobretensões seria uma adição interessante ao algoritmo de controlo concebido para o
Filtro Ativo Série.
Também se deve tentar melhorar o algoritmo de amortecimento de modo a que
seja desnecessário utilizar a resistência de amortecimento do filtro de acoplamento, que
introduz perdas energéticas consideráveis. A utilização exclusiva do algoritmo de
amortecimento permitiria aumentar a eficiência energética do Filtro Ativo de Potência
Série. Ainda relativamente ao filtro de acoplamento, deveria ser feito um estudo mais
aprofundado sobre o mesmo, de maneira a minimizar ainda mais a influência que a
frequência de ressonância tem no sinal de saída do inversor.
O Filtro Ativo de Potência Série desenvolvido também apresenta um bom ponto
de partida, em termos de hardware e software, para desenvolver novas linhas de
investigação. Por exemplo, a adição de um terceiro braço de semicondutores ao
conversor utilizado e de transformadores de acoplamento à rede elétrica permitiria
116
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
estudar o comportamento do FAS num sistema elétrico trifásico, e implementar outras
alternativas ao modelo de controlo implementado (ver secções 3.3 e 3.5).
A topologia do inversor poderá também ser alterada, iniciando uma investigação
sobre inversores multinível, de forma a repensar quais poderiam ser utilizados no Filtro
Ativo Série [68, 69].
Já mantendo o hardware original, poder-se-ia inferir sobre a aplicabilidade de
novas e mais complexas técnicas de controlo, como controladores de Lógica Fuzzy [70].
Também analisar o FAS como um sistema dinâmico não-linear [71], poderia conduzir a
uma teoria de controlo que torne os controladores PI e PID desnecessários, eliminando
assim o ajuste dos ganhos destes controladores que é um processo demorado e instável.
A viabilidade deste método foi já analisada em alguns trabalhos [72, 73].
Outra proposta de investigação para este equipamento passa pela integração no
FAS de capacidades de compensação associadas a uma UPS (Uninterruptible Power
Supply), ou seja, em momentos de falha de energia o FAS utiliza a energia armazenada
no barramento CC para continuar a alimentar a carga [74]. Caso se pretenda
implementar outra configuração de UPS é necessário adicionar um condicionador
paralelo ao sistema, nesse caso o equipamento passa a ser designado por Condicionador
Ativo Série, pois tem uma fonte em paralelo com o sistema que mantém a tensão no elo
CC regulada [74]. Independentemente do tipo de UPS implementada, deve ser efetuada
uma alteração no elemento armazenador de energia do circuito de potência do FAS para
que este funcione como UPS. Os condensadores convencionais, usados no lado CC do
FAS, não são capazes de armazenar energia suficiente para manter a carga alimentada
durante um período significativo de tempo após uma interrupção, e as UPS usam
baterias que são elementos armazenadores de energia com densidade de potência
(W/kg) muito baixa, o que as torna inadequadas para quando o equipamento estiver a
funcionar como Filtro Ativo Série, já que nesta situação a taxa de troca energética é
elevada [75]. Portanto a solução passa por utilizar ultracondensadores, pois estes
apresentam uma alta densidade de potência e uma densidade energética (Wh/kg)
considerável8 [75, 76]. Atualmente os ultracondensadores existentes no mercado têm
tensões na ordem dos 3 V, pelo que é necessária uma associação em série de dezenas
destes elementos, de forma a permitir ter uma tensão no barramento CC capaz de
manter a alimentação de uma carga aos níveis da tensão da rede elétrica (230 V) [76].
8
As baterias têm uma densidade de energética (Wh/kg) superior à dos ultracondensadores mas têm
também uma densidade de potência (W/kg) inferior quando comparadas com os ultracondensadores.
Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
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Filtro Ativo Série sem Fonte de Tensão do Lado CC para Compensação de Harmónicos
Nuno Fernando Carvalho Teixeira – MIEEIC – Universidade do Minho
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