Aplicações de Conversores Estáticos de Potência

Transcrição

1 Universidade Federal do ABC Pós-graduação em Engenharia Elétrica Aplicações de Conversores Estáticos de Potência José L. Azcue Puma, Prof. Dr. Filtros Ativos de Potência 1

2 Função Principal Filtros Ativos de Potência Compensar harmônicas de corrente e tensão Funções adicionais Compensação relacionada à corrente Potência reativa, corrente desbalanceada, corrente no neutro Solução: na maior parte com filtros ativos de potência paralelo (shunt) Compensação relacionada à tensão Tensão desbalanceada, flicker, regulação de tensão Solução: na maior parte com filtros ativos de potência serie 2

3 Classificação dos Filtros Ativos de Potência Classificação baseado no tipo de conversor Estrutura em ponte do inversor fonte de tensão (Voltage Source Inverter - VSI) Estrutura em ponte do inversor fonte de corrente (Current Source Inverter - CSI) Classificação baseado na topologia Filtro Ativo de Potência (FAP) paralelo (shunt) FAP serie Condicionador unificado (UPQC): FAP paralelo + FAP serie Filtro ativo hibrido: filtro ativo + filtro passivo Classificação baseado no sistema de alimentação FAP de 2 fios FAP de 3 fios FAP de 4 fios 3

4 Classificação baseada no tipo de conversor VSI Autossuficiente de tensão continua Leve, barato Expansível para configuração em multinível CSI Frequência de chaveamento restrita Perdas elevadas Não pode ser usada em configuração multinível 4

5 Classificação baseada na topologia Paralelo ou de derivação (Shunt) Elimina harmônicas de corrente Compensa potência reativa Capaz de Balancear correntes desbalanceadas Serie Elimina harmônicas de tensão Capaz de Balancear e regular a tensão nos terminais da carga minimiza a distorção da tensão de alimentação de uma carga 5

6 Classificação baseada na topologia Condicionador unificado: Unified Power Quality Conditioner (UPQC) Elimina harmônicas de tensão e corrente Regulação de tensão e balanceamento de corrente Também conhecido como FAP universal Custo elevado e controle relativamente complexo 6

7 Filtro Ativo Hibrido Combinação Paralela: FAP paralelo e filtro passivo paralelo Fonte de corrente vs drenador de harmônicas Combinação Serie: FAP serie e filtro passivo serie Fonte de tensão vs atenuação de harmônicas Hibrido: FAP serie e filtro passivo paralelo Isolador de harmônicos vs compensação de harmônicos Custo e tamanho reduzido: solução bastante popular Hibrido: FAP paralelo e filtro passivo serie Isolador de harmônicos vs bloqueio de harmônicos Combinação serie: FAP paralelo e filtro passivo paralelo Amortecimento de ressonância vs compensação de harmônicos Combinação paralela: FAP serie e filtro passivo serie Filtro passivo aprimorado vs bloqueio de harmônicos 7

8 Filtro Ativo Hibrido Combinação paralela: FAP paralelo e filtro passivo paralelo Cancelamento de harmônicas Compartilhamento ótimo é necessário Solução Comercial Hibrido: FAP serie e filtro passivo paralelo Atenuação de harmônicas Baixa potência Proteção contra sobrecorrentes difícil de implementar 8

9 Classificação baseada no sistema de alimentação FAP de 2 fios Cargas não lineares monofásicas, tais como aplicações domesticas Aplicações de menor potência nominal FAP de 3 fios Cargas não lineares sem neutro como acionadores de velocidade variável (ASD - Adjustable Speed Drives) FAP de 4 fios Cargas não lineares monofásicas alimentadas a partir de sistemas de 4 fios, tais como computadores e iluminação industrial Elimina a corrente desbalanceada e excessiva no neutro 9

10 FAP paralelo de 4 fios com ponto médio capacitivo Utilizado em aplicações de menor potência nominal, porque toda a corrente do neutro flui através do capacitor do barramento CC. Cargas não lineares desbalanceada de 4 fios 10

11 FAP paralelo de 4 fios O quarto polo é utilizado para estabilizar o neutro do FAP Cargas não lineares desbalanceada de 4 fios 11

12 FAP paralelo de 3 pontes e 4 fios Bastante comum Aprimora a confiabilidade dos FAPs Cargas não lineares desbalanceada de 4 fios 12

13 Princípios de Operação do FAP Filtro Ativo como Supressor de harmônicos Detecção dos harmônicos de corrente e Método de controle de corrente Detecção dos harmônicos de tensão e Método de controle de tensão 13

14 Princípios de Operação do FAP Filtro Ativo como Amortecedor harmônico Detecção dos harmônicos de tensão e Método de controle de corrente Detecção dos harmônicos de corrente e Método de controle de tensão 14

15 Medidas Princípios de Operação do FAP Implementação do FAP Controle da tensão do barramento Referência Algoritmo de geração de referências Controlador Modulador PWM Conversor 15

16 Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea Transformações α β Tensões Correntes Pela teoria pq são definidos, para o sistema trifásicos de 4 fios, duas potências instantâneas (p 0 e p)e uma potência imaginaria (q), isto é: q = v β i α v α i β 16

17 Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea No caso de um sistema trifásico de 4 fios É possível obter as correntes, utilizando 17

18 Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea As correntes i α e i β podem ser decompostas em suas parcelas ativa (i αp e i βp )e reativa (i αq e i βq ), isto é: Sendo que: + 18

19 Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea FAP Paralelo p s = p L q s = 0 p L = p L + p L q L = q L + q L p F = p L q F = q L + q L p L - Valor médio da potência ativa instantânea, corresponde à energia por unidade de tempo que é transferida da fonte para a carga. p L - Valor oscilatório da potência ativa instantânea, corresponde à energia que é trocada entre a fonte e a carga. 19

20 Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea As correntes de referência, se 20

21 Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea Diagrama de blocos V dc,ref - PI + v La V dc v Lb v Lc q = v β i α v α i β p p + LPF - q = q + q + p Cálculo das correntes de referência 21

22 Simulação Diagrama de blocos 22

23 Simulação Carga não linear 23

24 Simulação Diagrama de blocos 24

25 Simulação Diagrama de blocos 25

26 Simulação Controle da tensão do barramento CC 26

27 Simulação Diagrama de blocos 27

28 Simulação Cálculo das correntes de referência q = v β i α v α i β 28

29 Simulação Cálculo das correntes de referência 29

30 Simulação Cálculo das correntes de referência 30

31 Simulação Diagrama de blocos 31

32 Simulação Controle de corrente por histerese 32

33 Simulação Vload Iload Is 33

34 Simulação Vs Is Iapf 34

35 Diagrama de blocos do controlador do FAP paralelo Uma outra estratégia 35

36 Referências Bibliográficas 1. Park Ki-Won A Review of ACTIVE POWER FILTERS, Apresentação, M. Mezaroba; C. Rech; Correção do fator de potência, slides de disciplina, Universidade do Estado de Santa Catarina, UDESC. 3. I. Barbi; Correção ativa do fator de potência, apostila, Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, ago J.A. Pomilio, Pré-reguladores de Fator de Potência, apostila de disciplina, UNICAMP, jan Erickson, R.W.; Fundamentals of power electronics, 2 Ed. Kluwer Academic Publisher, RASHID, M.H. Eletrônica de Potência - Circuitos, Dispositivos e Aplicações. Ed. São Paulo: Makron Books, MOHAN, N.; UNDELAND, T.M.; ROBBINS, W.P. Power Electronics: Converters Applications and Design 2. Ed. New York: Editora John Wiley & Sons,