Eduardo Filipe Morgado da Costa. Implementação de um Inversor Trifásico VSI de 2 níveis para Compensação do Factor de Potência

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1 Universidade do Minho Escola de Engenharia Eduardo Filipe Morgado da Costa Implementação de um Inversor Trifásico VSI de 2 níveis para Compensação do Factor de Potência Implementação de um Inversor Trifásico VSI de 2 níveis para Compensação do Factor de Potência UMinho 2010 Eduardo Filipe Morgado da Costa Dezembro de 2010

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3 Universidade do Minho Escola de Engenharia Eduardo Filipe Morgado da Costa Implementação de um Inversor Trifásico VSI de 2 níveis para Compensação do Factor de Potência Tese de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores Trabalho efectuado sob a orientação do Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas Dezembro de 2010

4 AGRADECIMENTOS Ao meu orientador, Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas, pelo apoio, disponibilidade e compreensão demonstrados durante a execução deste trabalho. Aos meus colegas de laboratório, Marcos Pereira, João Monteiro, José Silva, Daniel Costa e Luís Pacheco pela ajuda, pelo ânimo e pela alegria durante o trabalho realizado. Ao meu colega Pedro Tinoco pela ajuda na programação do microcontrolador e dicas importantes no hardware implementado. Ao meu colega André Nogueira pela colaboração na resolução de problemas quer de software quer de hardware. Aos técnicos do departamento de Electrónica Industrial pela disponibilidade e compreensão demonstrados. À minha namorada Dina pela compreensão, pelo apoio, pelo ânimo e amor demonstrados durante este peíodo. Aos meus pais António Costa e Rosa Morgado pelo apoio e educação demonstrados ao longo do tempo e que me trouxeram até aqui. Ao meu irmão Diogo Costa pelo companheirismo presente em todos os momentos. A todos aqueles que me ajudaram a ultrapassar o meu problema físico num ano muito difícil. iii

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6 RESUMO Nos dias que correm, o problema da qualidade de energia eléctrica assume grande importância quer seja a nível social, ambiental ou económico. A evolução tecnológica tem o contraponto de cada vez mais se utilizarem cargas não lineares e que provocam distorção harmónica. Sendo a distorção harmónica o problema mais in foco actualmente existe um outro conhecido há mais tempo e que também prejudica a estabilidade e o rendimento do sistema eléctrico, o desfasamento entre tensão e corrente nas linhas, ou seja, o factor de potência da instalação ser diferente de 1. Apesar do conceito de factor de potência estar também associado aos harmónicos, sempre que é referido neste documento apenas está ligado ao desfasamento entre tensão e corrente. Assim sendo sempre que se referir factor de potência não se incluem os harmónicos, logo factor de potência = cos φ. Isto acontece devido ao facto de grande parte das cargas não serem puramente resistivas. Existem variados equipamentos capazes de compensar o factor de potência, como bancos de condensadores, filtros activos de potência, TSC (Thyristor Switched Capacitor), TCR (Thyristor Controlled Reactor), STATCOM (Static Synchronous Compensator), sendo este último o objecto de estudo deste projecto. O STATCOM é um dispositivo que consiste basicamente num inversor que funciona como uma fonte de corrente controlada. O STATCOM tem como objectivo injectar no circuito a potência reactiva de que a carga necessita quer ela seja capacitiva ou indutiva fazendo assim com que a carga apenas absorva da rede eléctrica corrente derivada da componente resistiva dessa mesma carga. Neste projecto foi feito o estudo de alguns métodos e de teorias de controlo para inversores que possam ser aplicados na implementação de um STATCOM. De referir ainda a realização de simulações de um inversor para previsão do comportamento da montagem a realizar. A implementação do STATCOM inclui todo o hardware (placas de controlo e de potência) necessário, assim como o software de controlo. Por fim são apresentados os resultados experimentais obtidos. Palavras-Chave: Factor de Potência, STATCOM, Inversor trifásico. v

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8 ABSTRACT Nowadays, the problem of power quality is very important whether for social, environmental or economic context. Technological progress had the counterpoint of increasingly use non-linear loads which cause harmonic distortion. Harmonic distortion is the problem more in focus these days but there another known problem for some time ago that also affect the stability and the performance of the electrical system, the difference of phase between voltage and current lines, i.e., the power factor of the installation is different from 1. Although the concept of power factor is also associated to the harmonic, whenever it is mentioned in this document is only connected to the gap between current and voltage. So whenever you mention the power factor does not include harmonics, power factor = cos (φ). This is due to the fact that most of the loads are not purely resistive. There are various devices that can compensate the power factor, such as capacitors banks, active power filters, TSC (Thyristor Switched Capacitor), TCR (Thyristor Controlled Reactor), STATCOM (Static Synchronous Compensator), the latter being the subject of study for this project. The STATCOM is a device that basically consists of an inverter that works as a controlled current source. The STATCOM is designed to inject reactive power in the circuit that the load requires wicht can be capacitive or inductive thus causing the load to absorb only the mains power derived from the resistive component of that load. In this project was made the study of some methods and theories of control for inverters that can be applied in the implementation of a STATCOM. Note also for simulations of an inverter to simulate the behavior of the assembly to be held. The implementation of the STATCOM includes all the hardware (control and power boards) as well as the necessary control software. Finally, experimental results are presented. Keywords: Power factor, STATCOM, Three-phase inverter vii

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10 ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS...iii RESUMO... v ABSTRACT... vii ÍNDICE GERAL... ix Índice de Figuras...xiii Lista de Símbolos, Siglas e Acrónimos... xvii Capítulo 1 Introdução Enquadramento Motivação Objectivos da dissertação Estrutura da dissertação... 3 Capítulo 2 Qualidade da Energia na Rede Eléctrica O Factor de Potência Cargas Resistivas Cargas Capacitivas Cargas Indutivas Os Harmónicos THD (Distorção Harmónica Total) Sags (subtensões momentâneas) Swells (sobretensões momentâneas) Flicker (Flutuação de tensão) Transitórios Micro cortes de tensão (Notches) Capítulo 3 Equipamentos Compensadores do Factor de Potência, Compensadores Estáticos e Topologias de Inversores Compensadores de Factor de Potência Banco de Condensadores ix

11 Filtros Activos de Potência do tipo paralelo SVC STATCOM Semicondutores de Potência Díodos de potência Transístor bipolar de potência SCR TRIAC GTO MOSFET de potência IGBT IGCT Métodos de controlo de inversores PWM (PULSE WIDTH MODULATION) Comparador com Histerese Amostragem periódica Teorias de controlo de Inversores para STATCOM Teoria p-q Transformada de Park Método FBD (Fryse-Buchholz-Depenbrock) Topologias de implementação de inversores para STATCOM VSI de 2 Niveis VSI de 3 Niveis VSI de pontes monofásicas Capítulo 4 Simulação de um STATCOM com inversor controlado por tensão O porquê do PSIM Simulação do inversor Operação com carga RL Série Carga RC Série Capítulo 5 Implementação do STATCOM Circuito Rectificador para a alimentação do lado CC do inversor Inversor Trifásico x

12 5.3. Microcontrolador Ligação do microcontrolador ao inversor Acoplamento óptico Drive Circuito completo de interface Medição de correntes e tensões do circuito Sensor de corrente Sensor de tensão Acondicionamento de sinal Esquema do circuito implementado Capítulo 6 Resultados experimentais Resultados dos testes do inversor Capítulo 7 Conclusões Considerações finais Sugestões de Trabalhos futuros Referências Bibliográficas Anexos xi

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14 Índice de Figuras Fígura 2.1 Cargas não lineares [1]... 5 Fígura 2.2 Exemplo de desfasamento eléctrico [2]... 6 Fígura 2.3 Triângulo das potências [3]... 7 Fígura 2.4 Lei de Ohm... 8 Fígura 2.5 Tensão e Corrente em fase... 8 Fígura 2.6 Tensão e Corrente desfasadas... 9 Fígura 2.7 Tensão e Corrente desfasadas de 90º... 9 Fígura 2.8 Tensão e Corrente desfasadas Fígura 2.9 Tensão e Corrente desfasadas de 90º Fígura 2.10 Sinais periódicos e os seus harmónicos Fígura 2.11 Harmónicos: (a) simetria de meia-onda [4]; (b) inexistência de harmónicos pares [4] Fígura 2.12 Afundamento de tensão (Sag) [4] Fígura 2.13 Elevação de tensão (Swell) [4] Fígura 2.14 Exemplo de um flicker [4] Fígura 2.15 Transitório de tensão [4] Fígura 2.16 Exemplo de notches [4] Fígura 3.1 (a) Circuito sem compensação; (b) Circuito com compensação Fígura 3.2 Tensão e corrente do circuito sem compensação Fígura 3.3 Tensão e corrente do circuito com compensação Fígura 3.4 Estrutura de um filtro activo de potência do tipo paralelo Fígura 3.5 Formas de onda de tensões e correntes em circuitos com harmónicos Fígura 3.6 Formas de onda de tensões e correntes em circuitos com harmónicos com filtro activo Fígura 3.7 (a) Estrutura de um TSC [8]; (b) Estrutura de um TCR [8] xiii

15 Fígura 3.8 Estrutura de um STATCOM Fígura 3.9 (a) Zona de funcionamento do díodo [9]; (b) Símbolo e aparência física de um díodo [10] Fígura 3.10 Camadas presentes num transistor PNP ou NPN [11] Fígura 3.11 (a) Símbolo do transístor bipolar [12]; (b) Aparência de alguns transístores actuais [13] Fígura 3.12 (a) Modulo de tiristores SCR [15]; (b) Simbologia e camadas de um SCR [16] 26 Fígura 3.13 (a) Aspecto de um TRIAC [17]; (b) Simbologia de um TRIAC [18] Fígura 3.14 (a) Simbologia de um GTO [19]; (b) Aspecto de um GTO [20] Fígura 3.15 Simbologia dos vários tipos de MOSFETs Fígura 3.16 (a) Simbologia de um IGBT; (b) Aspecto de um IGBT [21] Fígura 3.17 Exemplo de um módulo de IGBTs [22] Fígura 3.18 (a) Simbolo de um IGCT [24]; (b) Exemplo de um de IGCT com o circuito de comutação integrado [23] Fígura 3.19 Geração de um sinal PWM [25] Fígura 3.20 Espectro harmónico de um sinal em PWM [26] Fígura 3.21 Formas de onda dos sinais que fazem o controlo e da tensão de saida [25] Fígura 3.22 Comparador com histerese já com o sinal sincronizador [25] Fígura 3.23 Amostragem periódica [27] Fígura 3.24 Potências presentes no sistema controlado com Teoria p-q [8] Fígura 3.25 Topologias de inversores: (a) VSI [27]; (b) CSI [27] Fígura 3.26 VSI de 3 níveis NPC [27] Fígura 3.27 VSI de pontes monofásicas [27] Fígura 4.1 Ambiente de trabalho do PSIM Fígura 4.2 Visualização de sinais com o PSIM Fígura 4.3 Montagem a simular Fígura 4.4 Tensão e corrente na carga RL Fígura 4.5 Corrente no inversor e corrente de compensação calculada Fígura 4.6 Correntes no inversor, na carga e na linha xiv

16 Fígura 4.7 Tensão e corrente da linha Fígura 4.8 Potência reactiva na carga e na linha Fígura 4.9 O desfasamento entre tensão e corrente na carga Fígura 4.10 Corrente no inversor e corrente de compensação calculada Fígura 4.11 Correntes no inversor, na carga e na linha Fígura 4.12 Tensão e corrente da linha Fígura 4.13 Potência reactiva na carga e na linha Fígura 5.1 Esquema multifilar do circuito rectificador Fígura 5.2 Fotografia da implementação Fígura 5.3 Limites de operação dos semicondutores de potência [30] Fígura 5.4 Esquema do inversor [8] Fígura 5.5 Fotografia da montagem do inversor Fígura 5.6 Programador MPLAB ICD Fígura 5.7 Controlo PI Fígura 5.8 Diagrama de Controlo Fígura 5.9 Ciruito de controlo Fígura 5.10 Placa de controlo implementada Fígura 5.11 Diagrama de blocos do interface do microcontrolador com o inversor Fígura 5.12 Acoplamento óptico Fígura 5.13 Implementação típica e aconselhada deste integrado [32] Fígura 5.14 Circuito de interface Fígura 5.15 Diagrama de blocos do sensor de corrente Fígura 5.16 Diagrama de blocos do sensor de tensão Fígura 5.17 Esquema do circuito somador Fígura 5.18 Sensores de corrente e de tensão e circuito somador Fígura 5.19 Esquema do circuito de medição das correntes Fígura 5.20 Esquema do circuito de medição das tensões xv

17 Fígura 5.21 Fotografia da implementação do STATCOM Fígura 6.1 Ondas sinusoidais à saída do microcontrolador Fígura 6.2 Ondas PWM à saída do microcontrolador Fígura 6.3 Sinais de controlo à saída do drive Fígura 6.4 Resultado experimental obtido com uma tensão no lado CC de 120V xvi

18 Lista de Símbolos, Siglas e Acrónimos R Resistência Hz Hertz L Indutância s Segundo C Capacidade rad/s Radianos por segundo v Tensão º Graus V cc Tensão do lado CC n Nano (10-9 ) V i I Tensão eficaz Tensão de pico Corrente Corrente eficaz μ Micro (10-6 ) m Mili (10-3 ) k Kilo (10 3 ) M Mega (10 6 ) Corrente de pico f Frequência 0 Frequência de corte cos(φ) Desfasamento entre a tensão e a corrente THD FP P S Taxa de Distorção Harmónica Factor de Potência Potência activa Potência aparente V Volt PWM Pulse With Modulation A Ampere VSI Voltage Source Inverter Ω Ohm CSI Current Source Inverter W Watt CC Corrente Contínua H Henry NPC Neutral Point Clamped F Faraday PI Proporcional Integral xvii

19 ADC Analog to Digital TSC Thyristor Switched Converter Capacitor USB Universal Serial Bus TCR Thyristor Controlled LC Indutivo e Capacitivo Reactor STATCOM Static Synchronous Compensator xviii

20 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Capítulo 1 Introdução Neste primeiro capítulo são abordados assuntos como problemas da rede eléctrica e formas de os combater. São ainda apresentadas as motivações para a realização de um STATCOM assim como os consequentes objectivos a atingir com a realização do mesmo. Por fim apresenta-se a organização deste documento para que possa ser mais fácil a sua compreensão ENQUADRAMENTO A qualidade de energia eléctrica é um problema real e muito em voga actualmente. O facto de existirem perdas por efeito de joule, harmónicos, desfasamento entre tensões e correntes e outros, leva a que se olhe com particular atenção para o problema da qualidade da energia eléctrica até com a perspectiva social, pensando em oportunidades de negócios e empregos que podem ser criados com o desenvolvimento de equipamentos capazes de corrigir estes defeitos na energia eléctrica. Restringindo ao problema do factor de potência, como se verifica é extremamente importante corrigi-lo ou mantê-lo a um nível aceitável. À primeira vista o nível aceitável é aquele em que não existam encargos extras e que no caso de Portugal acontece quando o factor de potência é igual ou inferior a 0,93 porque nestes casos a entidade fornecedora (EDP) encarrega-se de cobrar a energia reactiva consumida pelo cliente. Isto acontece basicamente em grandes empresas onde existem grandes consumidores de potência reactiva, especialmente motores. Contudo mesmo nos casos em que o factor de potência é superior a 0,93 é conveniente compensar o factor de potência visto que quando este não é unitário a instalação consome mais corrente (logo tendo maiores perdas por efeitos de joule) do que seria suposto para manter a mesma potência na carga para que esta funcione como é esperado. É neste contexto que vem este projecto. O STATCOM é um dispositivo capaz de realizar a compensação do factor de potência de forma contínua e ajustável, ao contrário dos bancos de condensadores, que ainda são os equipamentos mais utilizados nos dias Universidade do Minho 1

21 Capitulo 1 - Introdução de hoje. Este facto deve-se talvez ao elevado custo deste dispositivo, visto que apesar de já haver estudos efectuados ainda falta bastante desenvolvimento para que se possa massificar a utilização do STATCOM. Tudo isto vem no seguimento de um importante assunto em que cada vez mais todos precisam de concentrar esforços, a eficiência energética, visto que qualidade de energia eléctrica é sinónima de maior eficiência no sistema eléctrico. A eficiência energética nada mais é do que consumir a energia estritamente necessária ao funcionamento da instalação racionando a energia e o desgaste dos recursos naturais do planeta. Daí que o STATCOM poderá ser um elemento importante nas instalações eléctricas porque ele próprio seria o fornecedor da corrente reactiva consumida pela carga assegurando que do fornecedor de energia apenas vem a corrente necessária à produção de trabalho pela carga o que equivale a dizer à corrente associada à potência activa (útil) da instalação MOTIVAÇÃO Os problemas de qualidade de energia eléctrica estão cada vez mais na ordem do dia. Apesar do grande problema nos dias que correm serem os harmónicos devidos a cargas não lineares, o problema do factor de potência também assume grande relevância. Isto porque, quando numa instalação o factor de potência não é unitário, a corrente requerida pela mesma é superior em relação à mesma instalação mas com compensação do factor de potência, isto é, quando não existe compensação, da rede eléctrica provém a componente activa da corrente assim como a reactiva o que não é desejável. Mais corrente significa mais custos e mais perdas por efeito de Joule (P = R.I 2 ). O objectivo de uma instalação é o de entregar a energia requerida pela carga consumindo a menor corrente possível. É nesse sentido que vem este projecto. O STATCOM é um dispositivo de compensação do factor de potência, continuamente ajustável, proporcionando um caminho alternativo à circulação de energia reactiva em vez da sua circulação nas linhas do sistema de alimentação de energia. No fundo o STATCOM é a fonte de energia reactiva que a carga necessita. Nos dias de hoje o STATCOM ainda não é muito utilizado visto ser um equipamento caro comparado com o dispositivo normalmente usado, o banco de condensadores. O preço é o grande contra do STATCOM contudo o facto de ser continuamente ajustável permite uma eficácia 2 Departamento de Electrónica Industrial

22 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência muito superior à do banco de condensadores de valor fixo. Este trabalho visa, quem sabe, fomentar o estudo e desenvolvimento deste tipo de equipamento OBJECTIVOS DA DISSERTAÇÃO Os grandes objectivos desta dissertação são: - Estudo das topologias de implementação de STATCOMs; - Simulação da topologia de implementação escolhida; - Desenvolvimento e implementação de um STATCOM para compensação do factor de potência; - Implementação de um sistema de controlo baseado em microcontrolador e respectivas interfaces ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO Esta dissertação encontra-se dividida em sete capítulos em que cada um destes representa as diferentes etapas do projecto. No primeiro capítulo é feito uma introdução aos problemas de qualidade de energia eléctrica assim como de equipamentos capazes de os compensar. É explicado ainda a motivação e a proposta de trabalho para esta dissertação. No capítulo 2 são apresentados problemas de qualidade de energia eléctrica assim como cargas que provocam alguns deles. No terceiro capítulo apresentam-se alguns dispositivos capazes de compensar o factor de potência assim como semicondutores que compõem os inversores que integram esses dispositivos. São ainda explicadas algumas formas e teorias de controlo aplicáveis em inversores trifásicos assim como formas de os implementar. O capítulo 4 apresenta as simulações efectuadas para prever o comportamento e funcionamento da interligação de um inversor trifásico acoplado à rede eléctrica para a compensação de determinados problemas de qualidade da energia. Neste caso foram feitas simulações para compensação do factor de potência em cargas capacitivas e indutivas. No capítulo 5 é apresentado todo o trabalho prático efectuado tanto a nível de hardware como de software. São explicadas todas as etapas presentes neste processo e apresentados os respectivos circuitos montados. Universidade do Minho 3

23 Capitulo 1 - Introdução O capítulo 6 apresenta os resultados obtidos do trabalho realizado no quinto capítulo, ou seja, este capítulo demonstra as medidas e formas de onda efectuadas na montagem. No capítulo 7 são realizadas as conclusões decorrentes de todo o trabalho efectuado assim como as propostas de trabalho futuro para aperfeiçoamento desse mesmo trabalho assim como a realização de alguns objectivos que tinham sido propostos mas não atingidos. 4 Departamento de Electrónica Industrial

24 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Capítulo 2 Qualidade da Energia na Rede Eléctrica A qualidade da energia eléctrica é actualmente um dos problemas mais em foco na área da electricidade. O facto de a rede eléctrica estar poluída é sinónimo de falta de qualidade da energia assim como perda de produtividade, rendimento e de dinheiro que nos dias que correm é um factor decisivo para a competitividade dos países. Este problema dá-se, e tem vindo a aumentar, devido ao crescente aumento de cargas não-lineares (Figura 2.1). A este tipo de cargas está associado sobretudo o problema dos harmónicos. Mas não só as cargas não-lineares provocam problemas, as cargas lineares criam também perturbações no sistema eléctrico como o desfasamento nas linhas (que leva à necessidade da correcção do factor de potência). Assim sendo este capítulo conterá alguns dos problemas que afectam a rede eléctrica. Fígura 2.1 Cargas não lineares [1] Universidade do Minho 5

25 Capítulo 2 - Qualidade de energia eléctrica 2.1. O FACTOR DE POTÊNCIA Quando se fala do problema do factor de potência associa-se ao desfasamento, num qualquer ponto de um circuito eléctrico, entre a tensão e a corrente. O factor de potência e o desfasamento são termos usados em sistemas sinusoidais. As formas de onda de tensões e correntes são sinusóides que representam a variação dessas mesmas grandezas ao longo do tempo. O desfasamento (Figura 2.2) acontece quando ao longo do tempo a onda da tensão não tem o mesmo ângulo que a onda da corrente. Ter o mesmo ângulo (estar em fase) significa que têm a mesma polaridade e invertem-na no mesmo instante de tempo. Ora isto sucede quando a carga alimentada é resistiva, porque a presença de cargas reactivas resulta num desfasamento entre as ondas de tensão e corrente. O resultado mais visível é o facto de o valor do factor de potência passar a ser diferente do unitário o que significa que vai haver potência (reactiva) que não produzirá trabalho útil. Fígura 2.2 Exemplo de desfasamento eléctrico [2] O factor de potência (FP) é a razão entre a potência activa (útil) e a potência aparente (total). A potência activa é a responsável pela produção de trabalho através do circuito ao longo de um determinado tempo. Num circuito com componentes reactivos o que acontece é que a potência aparente vai ser a soma fasorial da potência activa com a potência reactiva. (2.1) 6 Departamento de Electrónica Industrial

26 Capítulo 2 Qualidade de Energia Eléctrica em que, sendo que, P = V. I. cosφ (2.2) S = V. I (2.3) V é o valor eficaz da tensão I é o valor eficaz da corrente cosφ é o factor de potência De referir que quando não existem harmónicos nas formas de onda da tensão e da corrente o factor de potência (FP) coincide com o cos φ. No caso de o cos φ ser diferente de 1 a potência aparente não será mais igual à potência activa mas apresentará uma outra componente, devido às cargas reactivas, conhecida por potência reactiva como é possível verificar na Figura 2.3. Fígura 2.3 Triângulo das potências [3] P = S. cos φ (2.4) Q = S. sin φ (2.5) S 2 = P 2 + Q 2 (2.6) em que, P é a potência activa Q é a potência reactiva S é a potência aparente Diferentes cargas afectam de maneira diferente o factor de potência. Contudo é possível dividi-las em 3 grandes grupos: resistivas, capacitivas e indutivas. De seguida está apresentada a forma como o factor de potência é afectado pelos diferentes tipos de carga. Universidade do Minho 7

27 Capítulo 2 - Qualidade de energia eléctrica Cargas Resistivas Como a própria denominação indica é uma carga constituída por elementos resistivos, ou seja, elementos que se opõem à passagem da corrente eléctrica. São cargas caracterizadas por apresentar perdas por efeito de Joule (P = R.I 2 ), ou seja, em grande parte caracterizadas por dissiparem potência sobre a forma de calor. A variação de corrente e tensão nestas cargas é linear e obedece à Lei de Ohm (Figura 2.4). Fígura 2.4 Lei de Ohm (2.7) em que, V é a tensão R é a resistência eléctrica I é a corrente As formas de onda num circuito deste género estão mostradas a seguir e onde se verifica (Figura 2.5) que as ondas estão em fase e apenas diferindo na amplitude devido ao valor do elemento resistivo. Fígura 2.5 Tensão e Corrente em fase 8 Departamento de Electrónica Industrial

28 Capítulo 2 Qualidade de Energia Eléctrica Cargas Capacitivas Cargas capacitivas são aquelas que possuem condensadores incorporados. Caso a carga seja constituída apenas por condensadores (carga puramente capacitiva) o desfasamento entre tensão e corrente será de 90º com a corrente adiantada em relação à tensão. Contudo se ao condensador for acrescentada uma resistência o desfasamento será diferente para a mesma frequência. De referir que não são cargas muito usadas ao contrário das indutivas. As formas de onda para circuitos RC (Figura 2.6) e puramente capacitivas (Figura 2.7) podem ser vistas a seguir: Fígura 2.6 Tensão e Corrente desfasadas Fígura 2.7 Tensão e Corrente desfasadas de 90º Universidade do Minho 9

29 Capítulo 2 - Qualidade de energia eléctrica Cargas Indutivas São cargas que incorporam indutâncias (correntemente chamadas de bobinas). Uma carga que apenas contenha indutâncias diz-se que é puramente indutiva o que provoca um desfasamento de 90º mas neste caso é a tensão que vem adiantada em relação à corrente. Como no caso das cargas capacitivas, ao acrescentarmos resistências à carga o desfasamento altera-se para um ângulo diferente de 90º. De referir que este tipo de cargas (indutivas) é muito usado porque no sistema eléctrico existem muitos motores, transformadores e outros dispositivos que utilizam indutâncias. As formas de onda para circuitos RL (Figura 2.8) e puramente indutivas (Figura 2.9) podem ser vistas a seguir: Fígura 2.8 Tensão e Corrente desfasadas Fígura 2.9 Tensão e Corrente desfasadas de 90º 10 Departamento de Electrónica Industrial

30 Capítulo 2 Qualidade de Energia Eléctrica 2.2. OS HARMÓNICOS Os sinais periódicos (corrente ou tensão) podem sempre ser decompostos numa soma de várias sinusóides, a frequências múltiplas da fundamental somadas, sendo esta soma denominada por série de Fourier. A sinusóide fundamental determina a frequência do sinal periódico em análise. As sinusóides com frequências múltiplas (inteiras) da fundamental são os chamados harmónicos (Figura 2.10) e reflectem no sinal as componentes sinusoidais do mesmo mas a frequências múltiplas (distorção). Fígura 2.10 Sinais periódicos e os seus harmónicos O problema dos harmónicos tem vindo a agravar-se devido ao facto de cada vez mais se utilizarem cargas não lineares (cargas aonde a corrente não tem uma relação linear com a tensão). Em circuitos onde a tensão e corrente sejam sinusoidais a colocação de cargas lineares mantém essas mesmas grandezas sinusoidais, o que não acontece com cargas não lineares onde os harmónicos têm uma interferência elevada, provocando distorção nas ondas à frequência fundamental o que não é desejável visto que se houver outras cargas interligadas com a não linear poderá ocorrer um mau funcionamento nessas mesmas cargas e assim danificar circuitos. Universidade do Minho 11

31 Capítulo 2 - Qualidade de energia eléctrica THD (Distorção Harmónica Total) A medida do THD reflecte os harmónicos presentes num sinal de corrente ou tensão e que distorcem uma grandeza sinusoidal na sua frequência fundamental. Ou seja, a medida de THD é definida pela razão entre a soma das potências das componentes harmónicas e a potência do sinal fundamental.. ou mais comummente usado, (2.8) THD (%) = (2.9) em que H é o sinal harmónico à frequência múltipla da fundamental. De notar que quando existe simetria de meia onda (Figura 2.11(a)) não existem harmónicos pares como é possível verificar na Figura 2.11(b). Fígura 2.11 Harmónicos: (a) simetria de meia-onda [4]; (b) inexistência de harmónicos pares [4] 2.3. SAGS (SUBTENSÕES MOMENTÂNEAS) Sags ou afundamentos de tensão são momentâneas reduções do valor nominal da tensão no sistema eléctrico (Figura 2.12). Segundo a norma IEEE [5] sag é uma redução entre 10% a 90% do valor eficaz da tensão ou de corrente na frequência fundamental com uma duração de meio ciclo da rede até 1 minuto. 12 Departamento de Electrónica Industrial

32 Capítulo 2 Qualidade de Energia Eléctrica Fígura 2.12 Afundamento de tensão (Sag) [4] 2.4. SWELLS (SOBRETENSÕES MOMENTÂNEAS) O efeito oposto dos sags, ou seja, aumento da tensão nominal (swells) também é um problema indesejável na rede eléctrica (Figura 2.13). De acordo com a norma IEEE [5] são subidas entre os 10% e os 80% na tensão ou corrente nominais na frequência fundamental. Fígura 2.13 Elevação de tensão (Swell) [4] Tanto no caso dos swells como dos sags podemos dividir e classificar em 3 tipos de interrupção e conforme a duração dessa mesma interrupção: Instantâneas: entre meio ciclo e 30 ciclos da rede; Momentâneas: entre 30 ciclos e os 3 segundos; Temporárias: entre 3 segundos e 1 minuto. Universidade do Minho 13

33 Capítulo 2 - Qualidade de energia eléctrica 2.5. FLICKER (FLUTUAÇÃO DE TENSÃO) O flicker, flutuação de tensão (Figura 2.14), é outro dos problemas que afectam o sistema eléctrico e que acontecem sobretudo devido a variações de carga provocando assim as tais flutuações de tensão e que são visíveis, por exemplo, quando a luminosidade eléctrica oscila [1]. De referir que ao causar perturbações visíveis ao olho humano estas podem causar problemas a nível físico às pessoas, tais como cansaço, dores de cabeça e problemas de visão. Fígura 2.14 Exemplo de um flicker [4] 2.6. TRANSITÓRIOS De acordo com a norma ANSI/IEEE um transitório é uma perturbação de duração reduzida (inferior a 1 ciclo do sinal em questão) e que é visível na alteração do formato sinusoidal da onda nesse determinado instante [6]. Essa alteração na forma do sinal é visível na Figura De referir que apesar de ser de curta duração um transitório pode causar danos graves nos equipamentos electónicos visto poderem atingir uma amplitude da ordem de alguns kv, o que é mais do que suficiente para causar a destruição dos dispositivos que estejam inseridos no circuito eléctrico. A causa destes transitórios pode ser interna ou externa ao circuito. Externamente, por exemplo, descargas eléctricas são responsáveis por este tipo de problemas. A nível interno acontece muitas vezes aquando das comutações de bancos de condensadores. 14 Departamento de Electrónica Industrial

34 Capítulo 2 Qualidade de Energia Eléctrica Fígura 2.15 Transitório de tensão [4] 2.7. MICRO CORTES DE TENSÃO (NOTCHES) Dá-se o nome de notch a pequenas perturbações na forma de onda de um determinado sinal durante um curto espaço de tempo [4]. Estas perturbações podem ocorrer, por exemplo, devido a pequenos curto-circuitos aquando de comutações de semicondutores originando possivelmente harmónicos indesejáveis. Este problema é visível na forma de onda de tensão apresentada na Figura Fígura 2.16 Exemplo de notches [4] Universidade do Minho 15

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36 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Capítulo 3 Equipamentos Compensadores do Factor de Potência, Compensadores Estáticos e Topologias de Inversores Neste capítulo são abordados equipamentos capazes de compensar o factor de potência como bancos de condensadores, filtros activos de potência, TSC (Thyristor Switched Capacitor), TCR (Thyristor Controlled Reactor), STATCOM (Static Synchronous Compensator). É ainda feita uma abordagem de semicondutores de potência, de topologias de comutação para os semicondutores, de teorias de controlo e de algumas topologias existentes para inversores utilizados na implementação de STATCOMs (que são a parte central do STATCOM) COMPENSADORES DE FACTOR DE POTÊNCIA Compensar o factor de potência de uma instalação é melhorar a qualidade da mesma. Sobretudo em grandes fábricas onde exista um elevado número de motores torna-se necessário compensar o factor visto que nestas o factor de potência pode estar abaixo dos 0,93 exigidos pela EDP (Energias de Portugal) como sendo o mínimo, porque caso isto aconteça, a EDP cobrará não só a energia activa mas também a reactiva e que por isso trará mais custos ao cliente. De certa forma é um incentivo à colocação de um dispositivo compensador sendo que existem muitos capazes de o fazer como apresentados a seguir Banco de Condensadores Os bancos de condensadores são talvez a forma mais comummente usada para corrigir o factor de potência de uma instalação eléctrica, visto ser a que requer menos componentes (apenas são utilizados condensadores) e um controlo muito simples. Contudo é uma solução estática devido ao valor constante dos condensadores, o que leva a que a compensação do factor de potência não seja tão eficaz. De notar ainda que no caso de um sistema trifásico é muito difícil ligar os 3 condensadores ao mesmo Universidade do Minho 17

37 Capítulo 3 Compensação do factor de potência tempo aquando da passagem por zero da tensão que os está a alimentar. De referir ainda que existem duas formas de ligar o banco de condensadores ao sistema eléctrico: em estrela ou triângulo. A grande diferença entre estas é o facto de no caso do triângulo o valor do condensador ser 3 vezes menor que em estrela para a mesma compensação e isto porque em triângulo a tensão utilizada é composta ao contrário do que sucede em estrela que é simples. Este facto pode determinar a escolha dos condensadores e das formas de os interligar, ou seja, para determinar a opção mais económica é necessário verificar os preços de mercado. De seguida é mostrada esta constatação assim como gráficos de sistemas eléctricos sem e com compensação do factor de potência. em estrela, em triângulo, (3.1) (3.2) em que, Xc é a reactância capacitiva Vs é a tensão simples (fase-neutro) Ic é a corrente de compensação Assim temos que a relação entre as duas é: (3.3) De seguida são mostrados circuitos sem e com compensação do factor de potência assim como os gráficos que demonstram isso mesmo: na Figura 3.1(a) encontra-se um circuito RL trifásico simples e que provoca desfasamento entre a tensão e a corrente na linha. A Figura 3.1(b) serve para verificar a colocação do banco de condensadores que deve ser a montante da carga. Na Figura 3.2 são visíveis as formas de onda de um circuito RL trifásico simples assim como é possível verificar o desfasamento entre a tensão e a corrente na carga. 18 Departamento de Electrónica Industrial

38 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Fígura 3.1 (a) Circuito sem compensação; (b) Circuito com compensação Fígura 3.2 Tensão e corrente do circuito sem compensação A Figura 3.3 ilustra a compensação do factor de potência visível no facto de a onda da tensão e da corrente terem a mesma fase. Fígura 3.3 Tensão e corrente do circuito com compensação Universidade do Minho 19

39 Capítulo 3 Compensação do factor de potência De notar que a corrente na linha diminui com a compensação do factor de potência sendo este um dos propósitos para realizar essa compensação. Ou seja, a compensação do factor de potência é extremamente vantajosa visto diminuir a corrente na linha que por sua vez diminui os custos com a mesma Filtros Activos de Potência do tipo paralelo O filtro activo de potência é um dispositivo que está numa fase de grande aposta e desenvolvimento e que tem como principal objectivo corrigir um dos principais problemas que ocorrem no sistema eléctrico, os harmónicos. Os harmónicos surgem devido ao facto de existirem no sistema cargas não lineares, que consomem correntes não sinusoidais. Estas correntes não sinusoidais são compostas pelo somatório das correntes sinusoidais de frequências múltiplas da fundamental que aparecem na carga. Contudo e apesar de esta ser a principal aplicação do filtro activo, este também corrige factor de potência. A composição de um Filtro Activo baseia-se num inversor (dispositivo composto por semicondutores de potência) e no respectivo controlo do mesmo para que este efectue as operações desejadas. A grande vantagem é que a correcção dos problemas é feita de uma forma dinâmica, ou seja, o dispositivo monitoriza constantemente o sistema e reconfigura-se para continuamente compensar quer sejam harmónicos, factor de potência ou desequilíbrios de corrente na carga. Fígura 3.4 Estrutura de um filtro activo de potência do tipo paralelo 20 Departamento de Electrónica Industrial

40 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Para demonstrar graficamente as capacidades de um filtro activo é possível fazer uma comparação entre um circuito sem filtro (Figura 3.5) e um circuito com filtro (Figura 3.6). Comparando as duas figuras, verifica-se que num circuito com filtro a corrente na rede eléctrica deixa de conter harmónicos passando a ser sinusoidal como é desejável o que não acontece num circuito sem filtro. Fígura 3.5 Formas de onda de tensões e correntes em circuitos com harmónicos Fígura 3.6 Formas de onda de tensões e correntes em circuitos com harmónicos com filtro activo SVC O SVC (Static VAr Compensator) é um dispositivo que tem como finalidade providenciar de forma rápida potência reactiva ao circuito com o objectivo de corrigir factor de potência visto que a potência reactiva exigida pela carga passará a ser fornecida pelo SVC [7]. Dentro deste tipo de dispositivos existem duas configurações Universidade do Minho 21

41 Capítulo 3 Compensação do factor de potência principais: Thyristor Switched Capacitor (TSC), representada na Fgura 3.7(a), e Thyristor Controlled Reactor (TCR), presente na Figura 3.7(b). Na configuração TSC não é possível controlar a potência reactiva devido à forma de comutação dos tiristores sendo esta uma grande desvantagem. No caso do TCR o ângulo de disparo deve situar-se entre os 90º e os 180º em relação à tensão de entrada Vs. De referir apenas que em relação à produção de harmónicos esta configuração não produz harmónicos pares. Fígura 3.7 (a) Estrutura de um TSC [8]; (b) Estrutura de um TCR [8] STATCOM O STATCOM (Static Synchronous Compensator) é um dispositivo que pertence à família dos FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems). É um equipamento regulador com capacidade para corrigir factor de potência e regular a tensão na carga, injectando no sistema potência reactiva, quer esta seja indutiva ou capacitiva consoante o que a carga necessite. O hardware pelo qual este dispositivo é composto é muito semelhante ao do filtro activo de potência paralelo, sendo que a grande diferença estará no controlo efectuado. Assim sendo, a base do STATCOM está no inversor de tensão que converte a tensão contínua em tensão alternada através de braços de semicondutores e injectar as correntes de compensação no sistema que façam o que é desejado. Adoptando a seguinte convenção para esquema equivalente tem-se: δ > 0: Energia flui da fonte AC para o STATCOM δ < 0: Energia flui do STATCOM para a fonte AC 22 Departamento de Electrónica Industrial

42 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Produz energia reactiva capacitiva Produz energia reactiva indutiva Fígura 3.8 Estrutura de um STATCOM 3.2. SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA Semicondutores são materiais que se encontram entre os outros 2 grupos de materiais eléctricos, os condutores e os isoladores. Por esse mesmo facto os semicondutores possuem propriedades desses 2 grupos. Em grande parte este fenómeno é visível quando o semicondutor sofre uma força eléctrica numa determinada direcção e provoca condução no mesmo sendo que se a força for aplicada na direcção inversa o semicondutor se comporta como um isolador. Este é o princípio básico de actuação deste tipo de componentes o que leva a uma grande utilização actualmente. Universidade do Minho 23

43 Capítulo 3 Compensação do factor de potência Díodos de potência O díodo é a forma mais básica de um semicondutor. É constituído apenas por uma junção pn, ou seja, por uma junção de uma material químico carregado positivamente com um carregado negativamente. O princípio básico de funcionamento é caracterizado pela aplicação de uma pequena tensão positiva aos seus terminais (depende do seu fabrico mas normalmente à volta dos 0,7V) e que provoca o início de condução através do mesmo. Quando se polariza inversamente o díodo não existe condução e comporta-se como um isolador. Na Figura 3.9(a) é possível verificar e entender o funcionamento de um díodo. Como é perceptível o díodo não deixa passar corrente até que lhe seja aplicada uma determinada tensão. Quando a tensão aplicada é da ordem dos V 0 (visível na figura) a corrente flui sem que o díodo ofereça resistência. Na Figura 3.9(b) está representado o simbologia de um díodo assim como o seu aspecto físico. Fígura 3.9 (a) Zona de funcionamento do díodo [9]; (b) Símbolo e aparência física de um díodo [10] A grande diferença dos díodos de sinal para os de potência é, como seria de esperar, o facto de estes suportarem tensões, correntes e logo potências muito superiores, contudo estes díodos perdem em termos de velocidade de comutação para os díodos de sinal o que leva a que apenas sejam utilizados em aplicações mais específicas Transístor bipolar de potência O transístor é formado pela junção de uma nova camada N ou P aquelas que já existiam para formar um díodo e com isso formar um transístor PNP ou NPN (Figura 3.10). O transístor é um componente conhecido desde os anos 50 e que foi responsável 24 Departamento de Electrónica Industrial

44 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência pela revolução electrónica dos anos 60. O principio básico de funcionamento consiste em ter uma corrente de colector em função da corrente e vice-versa visto que variar a corrente num dos terminais provoca uma variação no outro (quer seja aumento ou redução) em função do ganho intrínseco ao transístor. Fígura 3.10 Camadas presentes num transistor PNP ou NPN [11] Na Figura 3.11(a) é possível consultar a simbologia de um transístor assim como as polaridades das quedas de tensão nos mesmos tanto numa configuração NPN como PNP. Já a Figura 3.11(b) apresenta o aspecto fisico de um transístor. Fígura 3.11 (a) Símbolo do transístor bipolar [12]; (b) Aparência de alguns transístores actuais [13] SCR O SCR (Silicon Controlled Rectifier) é o tirístor mais conhecido e utilizado de todos os componentes da família dos tirístores (componentes com quatro camadas semicondutoras). A Figura 3.12(a) mostra o aspecto de um módulo se SCRs. O seu princípio de funcionamento é em tudo semelhante ao do diodo porém acresce um terceiro terminal (GATE) onde se dá a ordem de entrada em condução aplicando-lhe um sinal. Como é fácil verificar através da Figura 3.12(b) o princípio básico para este componente funcionar é polarizá-lo directamente, ou seja, colocar uma tensão no ânodo Universidade do Minho 25

45 Capítulo 3 Compensação do factor de potência mais positiva do que no cátodo mas neste caso (é aqui que difere do díodo) é necessário ainda que se aplique um sinal, normalmente um pulso de corrente, no terminal GATE para dar início à condução através do mesmo [14]. Caso se polarize inversamente o SCR este funciona exactamente como um díodo, ou seja, não deixa que passe através dele corrente mesmo que se aplique um sinal na GATE. De referir ainda que para que o SCR continue a conduzir é necessário que se mantenha um pequeno sinal de corrente mas que não seja inferior à corrente de manutenção própria do SCR visto que neste caso o tirístor deixa de conduzir. Fígura 3.12 (a) Modulo de tiristores SCR [15]; (b) Simbologia e camadas de um SCR [16] TRIAC Um TRIAC (TRIode for Alternating Current) é um tirístor basicamente constituídos por dois SCRs em anti-paralelo mas que também só possui 3 terminais sendo que os 2 terminais de GATE equivalente aos dois SCRs estão ligados e passam a ser um só. A Figura 3.13(a) apresenta o aspecto físico usual de um TRIAC e a Figura 3.13(b) o seu símbolo. Fígura 3.13 (a) Aspecto de um TRIAC [17]; (b) Simbologia de um TRIAC [18] 26 Departamento de Electrónica Industrial

46 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência O seu princípio de funcionamento é em tudo idêntico ao do SCR, contudo o TRIAC possui a capacidade de conduzir corrente em ambos os sentidos. A outra grande diferença é o facto de se poder aplicar na GATE tanto um sinal positivo como negativo para que se inicie a condução. O TRIAC tem como principal aplicação o controlo de circuitos de corrente alternada e permite accionar grandes potências com circuitos accionados por correntes da ordem do miliampere GTO Um GTO (Gate turn-off thyristor) é um componente da família dos tiristores contudo possui uma grande diferença, e neste caso vantagem em relação aos tiristores já referidos anteriormente, que é o facto de serem totalmente controláveis ao contrário dos SCRs e TRIACs. Ou seja, ao passo que nos tiristores só quando a corrente fica abaixo da corrente de manutenção é que se desliga o tiristor e por isso por vezes é necessário circuitos electrónicos para o efeito, no caso do GTO é possível desligar o semicondutor através da GATE enviando um pulso negativo de corrente para a mesma. Na Figura 3.14(a) encontra-se a simbologia de um GTO e o seu aspecto real está representado na Figura 3.14(b). Fígura 3.14 (a) Simbologia de um GTO [19]; (b) Aspecto de um GTO [20] MOSFET de potência O MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transístor) é de longe o transístor mais utilizado em aplicações que englobem circuitos de comutação ou circuitos de amplificação dependendo da forma de fabrico e dos materiais semicondutores usados nesse mesmo fabrico. E é devido às diferentes formas de fabrico para as mais diversas aplicações que surgem vários tipos de MOSFETs representados na Figura Uma nota importante é ressalvar que apesar de haverem vários tipos de Universidade do Minho 27

47 Capítulo 3 Compensação do factor de potência MOSFETs aqueles que são utilizados na electrónica de potência são os de enriquecimento do tipo P. Fígura 3.15 Simbologia dos vários tipos de MOSFETs O MOSFET de Potência é uma derivação do MOSFET normal construído para ser usado em aplicações de maior potência mas aproveitando as capacidades intrínsecas do MOSFET como a grande velocidade de comutação. Contudo, e é devido a esse facto que existem outros semicondutores, a potência a que pode ser utilizado é grande comparada com a do MOSFET normal mas não suficiente para grandes potências. Por outro lado, quando não é a potência o factor mais importante mas sim a velocidade de comutação, este componente é uma excelente opção IGBT O IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) reúne características de outros 2 transístores também já referidos. Usa as características de poucas perdas de comutação e velocidade comuns ao transístor bipolar de potência assim como a elevada impedância de entrada e facilidade de accionamento dos MOSFETs. O IGBT é um dispositivo relativamente recente (anos 90) mas que apesar disso tem sido grande objecto de estudo e desenvolvimento e por isso já é possível encontrar IGBTs para frequências de comutação entre os 10kHz e os 20kHz. Na Figura 3.16(a) encontra-se o símbolo usado, normalmente, para a representação de um IGBT e na Figura 3.16(b) é possível ver o aspecto físico usual do mesmo. Para determinadas aplicações, especialmente trifásicas em que são necessários mais do que um MOSFET, surge a necessidade de compactar os 28 Departamento de Electrónica Industrial

48 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência IGBTs surgindo assim módulos de IGBTs (Figura 3.17) que permitem uma utilização mais simples nas mais diversas aplicações. Fígura 3.16 (a) Simbologia de um IGBT; (b) Aspecto de um IGBT [21] Fígura 3.17 Exemplo de um módulo de IGBTs [22] IGCT O IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) é um tirístor similar ao GTO. De forma semelhante à do GTO, o IGCT é um comutador electrónico totalmente controlado o que significa que é possível ligá-lo e desligá-lo através de um pulso na GATE. A grande diferença para o GTO é o facto de o circuito do comando para a GATE estar já incorporado, o que permite aumentar a velocidade de comutação. O símbolo de um IGCT bem como o seu aspecto físico são apresentados na Figura 3.18(a) e 3.18(b) respectivamente. Universidade do Minho 29

49 Capítulo 3 Compensação do factor de potência Fígura 3.18 (a) Simbolo de um IGCT [24]; (b) Exemplo de um de IGCT com o circuito de comutação integrado [23] 3.3. MÉTODOS DE CONTROLO DE INVERSORES Antes foram vistos semicondutores possíveis de integrar um inversor. Contudo a sua implementação não é só física, é preciso colocá-lo a funcionar correctamente e para isso existem alguns métodos de controlo especialmente indicados. O método a escolher vai variar conforme as cargas, os próprios inversores e sobretudo sobre aquilo para que o inversor foi implementado PWM (PULSE WIDTH MODULATION) Quando é pretendido sintetizar um sinal sinusoidal uma forma simples de o fazer é através da modulação por largura de impulso mais comummente designado por PWM. O método por PWM (Pulse width modulation) consiste em produzir um sinal de baixa frequência através de uma onda portadora (triangular) de alta frequência quando comparada com um sinal referência idêntico ao sinal produzido. A frequência da onda portadora deve ser no mínimo 10 vezes superior à frequência da onda de referência para que a sintetização seja minimamente aceitável. A Figura 3.19 representa este processo podendo verificar-se o sinal em PWM (onda quadrangular de duty-cycle variável) resultante da comparação entre a onda portadora e o sinal referência a ser sintetizado e com a amplitude da tensão de alimentação do circuito. 30 Departamento de Electrónica Industrial

50 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Fígura 3.19 Geração de um sinal PWM [25] A frequência da onda portadora dita a frequência de comutação dos semicondutores de potência que compõem o inversor. De referir ainda a baixa contribuição de harmónicos a frequências baixas (as mais problemáticas) visto estes estarem em frequências múltiplas da de comutação que por sua vez já de si é alta na ordem das dezenas de khz. É possível verificar esta afirmação na Figura Fígura 3.20 Espectro harmónico de um sinal em PWM [26] Comparador com Histerese Este método, comparador com histerese, é talvez aquele que é mais fácil de implementar visto apenas ter de comparar um sinal de referência produzido, calculado pelo controlo do inversor e a corrente produzida pelo inversor a cada instante (Figura 3.21). Universidade do Minho 31

51 Capítulo 3 Compensação do factor de potência Fígura 3.21 Formas de onda dos sinais que fazem o controlo e da tensão de saida [25] Este método só é utilizado em malha fechada visto ser necessário uma constante leitura de um sinal proveniente do lado de potência do inversor. Neste caso para se obter um sinal em frequência fixa é necessário introduzir um sinal sincronizador [25] como é visível na Figura Fígura 3.22 Comparador com histerese já com o sinal sincronizador [25] Contudo e apesar de ser fácil de implementar e de ter uma resposta rápida tem como grande inconveniente o facto de a frequência de comutação ser variável e dependente da carga, o que provoca problemas ao nível dos harmónicos, visto ser mais dificil filtrar os harmónicos neste tipo de implementação. 32 Departamento de Electrónica Industrial

52 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Amostragem periódica A amostragem periódica assemelha-se em muito ao processo apresentado anteriormente, a comparação com histerese, ou seja, baseia-se na comparação de um valor de referência com um sinal lido. A grande diferença consiste na utilização de um flip-flop do tipo D (Figura 3.23) com o intuito de limitar a frquência máxima de comutação. Basicamente esta implementação consiste em usar um comparador com histerese nula e aplicar-lhe um flip-flop do tipo D para que seja este a determinar a frequência de comutação [27]. Fígura 3.23 Amostragem periódica [27] 3.4. TEORIAS DE CONTROLO DE INVERSORES PARA STATCOM Para que qualquer dispositivo, circuito, sistema eléctrico ou outros possam funcionar adequadamente é necessário que estes sejam devidamente controlados. É nesse sentido que surgem as denominadas teorias de controlo que são nada mais nada menos que processos que se usam para que se possa controlar o dispositivo ou sistema eléctrico. Restringindo um pouco ao projecto a que este documento se refere as teorias de controlo, que a seguir são apresentadas, são os processos capazes de continuamente monitorizar grandezas eléctricas como tensões e correntes e produzir uma reacção a essas mesmas medidas fazendo com que o dispositivo responda de forma conveniente. Universidade do Minho 33

53 Capítulo 3 Compensação do factor de potência Teoria p-q O uso da teoria da potência activa e reactiva já é efectuado há bastante tempo para controlo de sistemas de potência, visto ser válida em grande parte dos casos. Contudo esta teoria possui algumas limitações como o facto de o sistema ter de ser balanceado, sem distorção e apenas para regime permanente [28]. De notar que com a crescente utilização de comutadores através de semicondutores de potência que provocam grande distorção harmónica surge a necessidade de melhorar esta teoria para que possa ser aplicada de uma forma ainda mais geral. É nesse sentido que surge a teoria da potência activa e reactiva instantânea (teoria p-q) desenvolvida por Akagi et al.(1983) [28]. A Figura 3.24 mostra a decomposição das potências activa e reactiva instantâneas nas coordenadas que a Teoria p-q utiliza para efectuar os cálculos necessários. Fígura 3.24 Potências presentes no sistema controlado com Teoria p-q [8] em que: representa o valor médio da potência real instântanea; representa o valor alternado da potência real instântanea; representa a potência imaginária instântanea; representa o valor médio da potência de sequência zero instântanea; representa o valor alternado da potência de sequência zero instântanea; 34 Departamento de Electrónica Industrial

54 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Um dos aspectos fundamentais desta teoria está na transformação, do sistema, das coordenadas a-b-c nas coordenadas α-β-0. A esta operação dá-se o nome de Transformação de Clarke [28] e consiste em: = = (3.4) Assim sendo, a potência num sistema trifásico é dada por: (3.5) P3θ = v a i a + v b i b + v c i c = v α i α + v β i β + v 0 i 0 = p + p 0 (3.6) O calculo das correntes de compensação é está indicado a seguir: (3.7) Passando para o sistema de eixos a, b, c: = (3.8) Este método de compensação tem como grande objectivo fazer com que a fonte forneça apenas o valor médio da potência real instantânea ( ) e o valor médio da potência de sequência zero ( ), deixando para o filtro o trabalho de fornecer a potência imaginária instantânea (q), o valor alternado da potência de sequência zero ( ) e a parte alternada da potência real instantânea ( ) Transformada de Park A Transformada de Park pode ser determinada usando a já referida Transformada de Clarke. Assim sendo as componentes a-b-c das correntes de um sistema trifásico são Universidade do Minho 35

55 Capítulo 3 Compensação do factor de potência transformadas nas coordenadas α-β-0 e posteriormente nas d-q-0 através da seguinte transformação matemática, que significa uma rotação do sistema referencial [29]: = (3.9) sendo que a potência instantânea é assim dada por: e a potência reactiva define-se da seguinte forma: (3.10) (3.11) Método FBD (Fryse-Buchholz-Depenbrock) Este método foi proposto pelo Prof. Manfred Depenbrock, sendo que é uma extensão de teorias desenvolvidas por Fryse e Buchholz. Baseia-se na decomposição das correntes na carga em correntes potentes e correntes não potentes. O propósito deste método é o de compensar as correntes não potentes que como o nome indica não contribuem com potência para a carga [29]. O processo deste método consiste em determinar uma condutância equivalente da carga dada por: (3.12) em que, é o valor médio da potência instantânea (potência activa trifásica); é a tensão eficaz colectiva de um sistema trifásico dada por (3.13) Assim sendo as correntes de compensação podem ser obtidas da seguinte forma: 36 Departamento de Electrónica Industrial

56 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência (3.14) 3.5. TOPOLOGIAS DE IMPLEMENTAÇÃO DE INVERSORES PARA STATCOM O inversor é parte fundamental do STATCOM assim como de outros dispositivos compensadores ou de filtragem. O grande propósito da utilização de inversores é o facto de se conseguir transferir energia da entrada do mesmo (lado contínuo) para a saída (lado alternado) recorrendo à comutação controlada de semicondutores de potência (IGBTs, Mosfets, Tíristores, etc). Existem várias formas de implementar inversores sendo que se pode resumir a dois tipos que são o VSI (inversor fonte de tensão), presente na Figura 3.25(a), e o CSI (o inversor fonte de corrente), representada na Figura 3.25(b). A topologia VSI é a mais vulgarmente utilizada e é nas várias maneiras de a implementar que se encontram os diferentes tipos de inversores. Assim sendo serão apresentadas as configurações VSI de 2 níveis, de 3 níveis e de pontes monofásicas. Fígura 3.25 Topologias de inversores: (a) VSI [27]; (b) CSI [27] VSI de 2 Niveis Esta topologia, VSI 2 de níveis, é aquela que é mais utilizada actualmente pelo facto de ser a menos complexa de implementar. Isto deve-se ao facto de apenas integrar dois semicondutores de potência por braço de inversor como é visível na Figura 3.25(a). O princípio de funcionamento básico de um inversor deste tipo é o de em cada braço os semicondutores conduzirem alternadamente. Nesta configuração é possível aplicar ao sistema dois valores de tensão, zero ou amplitude da tensão de alimentação do lado CC do inversor. Universidade do Minho 37

57 Capítulo 3 Compensação do factor de potência VSI de 3 Niveis Uma configuração em VSI de 3 níveis apresenta um funcionamento idêntico à configuração anterior. Ao contrário da VSI de 2 níveis a tensão de saída de cada braço pode apresentar 3 níveis de tensão. Um importante aspecto desta configuração e que pode levar à sua escolha em detrimento da de 2 níveis é o facto em cada semicondutor a tensão aplicada seja menor para uma mesma tensão de alimentação CC do inversor o que poderá ser uma grande vantagem. Dentro de algumas configurações multi-nível a mais utilizada é a de 3 níveis NPC visível na Figura Fígura 3.26 VSI de 3 níveis NPC [27] Em termos económicos esta topologia é mais cara visto usar o dobro de semicondutores de potência em relação à de 2 níveis. Como é visível na figura anterior a tensão de saída do inversor pode tomar 3 níveis diferentes que são: -Vcc/2, 0 e Vcc/2 em relação ao NPC [27]. Em termos de condução dos semicondutores estes funcionam aos pares. Assim sendo e para que na saída se apresente uma tensão de Vcc/2 S1 e S2 conduzem simultaneamente. Para se obter uma tensão de 0V conduzem S2 e S3. Por fim conduzem S3 e S4 para colocar na saída Vcc/2. Resumindo e comparando com a VSI de 2 níveis pode-se dizer que esta apresenta vantagens para aplicações de média e 38 Departamento de Electrónica Industrial

58 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência alta potência visto a tensão aplicada a cada semicondutor contudo também tem as desvantagens de mais semicondutores de potência e de necessitar de um controlo mais complexo sendo que para uma configuração de 2 níveis os microcontroladores possuem módulos de programação que a tornam mais simples o que já não acontece para uma topologia de 3 níveis VSI de pontes monofásicas Esta configuração assemelha-se à topologia VSI de 2 níveis consistindo na utilização de um inversor monofásico por cada braço do inversor o que em determinadas aplicações, onde é necessário um controlo separado para cada fase, pode ser vantajoso [27]. Devido à configuração, e para se obter a mesma tensão de saída, a tensão de alimentação do lado CC pode ser menor o que pode determinar o uso de semicondutores mais baratos contudo esta topologia tem a desvantagem de integrar o dobro de semicondutores da configuração de 2 níveis como é fácil de verificar na Figura Fígura 3.27 VSI de pontes monofásicas [27] Universidade do Minho 39

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60 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Capítulo 4 Simulação de um STATCOM com inversor controlado por tensão A simulação permite prever de uma forma muito aproximada o comportamento de uma montagem na realidade. Permite ainda que se aprenda algo que possa melhorar ou não a montagem, evitando assim pequenos problemas práticos mas tendo sempre na mente que na realidade nem tudo corre bem e enquanto na simulação nada se deteriora na realidade e se não se tomarem precauções podem-se danificar componentes e até pode haver consequências para as pessoas. Neste trabalho foi utilizado a ferrementa PSIM nas simulações O PORQUÊ DO PSIM O PSIM (Power Simulator) foi a ferramenta escolhida para realizar algumas simulações sobre o STATCOM e inversores em particular. Apesar de uma experiência anterior em PSCAD e de haver outras como o Matlab/Simulink a escolha pelo PSIM foi ralativamente rápida isto porque possui grande parte das capacidades do PSCAD mas tem um ambiente bem mais simples e agradável. Outro dos aspectos importantes, apesar de outras também possuírem, é o facto de se poder realizar programação na própria simulação visto que é possível fazer dentro da simulação uma espécie de chamada a um ficheiro do tipo dll (dinamic link library) onde contém a programação feita em coordenação com a montagem na simulação, o que facilita muito o trabalho. Com a Figura 4.1 é possível ver o aspecto do ambiente de trabalho desta ferramenta de simulação e na Figura 4.2 está representado o painel de saída da simulação, isto é, a forma como o PSIM apresenta os seus gráficos que traduzem as grandezas medidas do lado da montagem. Universidade do Minho 41

61 Capítulo 4 Simulação de um STATCOM com inversor controlado por tensão Fígura 4.1 Ambiente de trabalho do PSIM Fígura 4.2 Visualização de sinais com o PSIM 42 Departamento de Electrónica Industrial

62 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência 4.2. SIMULAÇÃO DO INVERSOR O objectivo destas simulações é o de verificar o funcionamento do inversor do STATCOM sem a necessidade de recorrer a montagens. A montagem é o passo seguinte à simulação depois de se verificar que aquilo que se pretende funciona conforme o pretendido. As simulações incidiram, como já referido anteriormente, na questão do factor de potência. Assim sendo vai ser possível verificar a actuação do inversor ligado em paralelo com uma carga trifásica equilibrada (indutiva ou capacitiva) que por sua vez está ligada à rede eléctrica (230V/400V). O princípio de funcionamento passou por verificar qual o desfasamento entre a tensão e a corrente na carga e a partir dai calcular a corrente de compensação com recurso ao triângulo das potências. Apenas falta referir que o método escolhido para a actuação nos semicondutores foi a amostragem periódica. A corrente de saída do inversor é constantemente lida e comparada com a corrente de compensação calculada. Os resultados previstos são: redução da corrente na linha (menor que na carga) e redução da potência reactiva visto que o desfasamento foi compensado. Na Figura 4.3 está representada a montagem simulada onde consta a rede eléctrica, a carga e o inversor assim como os elementos de medida que verificam tensões, correntes e potências Operação com carga RL Série Em teoria uma carga RL provoca um desfasamento entre a tensão e a corrente nessa mesma carga onde a tensão vem primeiro que a corrente, e isso é possível verificar na Figura 4.4. A carga é constituída por resistências de 50Ω e indutâncias de 140mH. O factor de multiplicação de 10 vezes presente no gráfico da corrente na carga serve apenas para visualizar melhor a onda correspondente a essa mesma corrente. Universidade do Minho 43

63 Capítulo 4 Simulação de um STATCOM com inversor controlado por tensão Fígura 4.3 Montagem a simular 44 Departamento de Electrónica Industrial

64 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Fígura 4.4 Tensão e corrente na carga RL Na Figura 4.5 é possível verificar a entrada em funcionamento do inversor aos 100ms. A azul tem-se a corrente de compensação calculada e a vermelho a corrente no inversor que acompanha a corrente calculada a partir do momento em que o inversor entra em funcionamento. Tambem é possível verificar que a corrente no inversor contém harmónicos, como seria de esperar, mas esse problema não foi objecto de tratamento visto que este projecto se destina apenas à compensação do factor de potência. Fígura 4.5 Corrente no inversor e corrente de compensação calculada Universidade do Minho 45

65 Capítulo 4 Simulação de um STATCOM com inversor controlado por tensão A Figura 4.6 serve para ilustrar um dos objectivos da compensação do factor de potência que é o de reduzir a corrente na linha em relação à corrente na carga visto que com a introdução do inversor a corrente na linha passa a ser a diferença entre a corrente na carga e a corrente no inversor o que é visível nesta figura. Mais uma vez é de referir que a corrente passa a ter harmónicos mas que a resolução desse problema não era objectivo. Fígura 4.6 Correntes no inversor, na carga e na linha O outro objectivo é o de colocar o mais possível a tensão e corrente na linha em fase o que é verificável na Figura 4.7. Mais uma vez o factor multiplicativo de 10 é só e apenas para uma melhor visualização dos sinais. O facto de o desfasamento passar a ser quase zero, como se vê na figura seguinte, leva ao resultado demonstrado na Figura 4.8. Aquilo que é demonstrado é a redução da potência reactiva na linha. A potência reactiva não realiza trabalho útil mas a carga necessita dela. Mas essa energia não vem mais da linha mas sim do inversor o que leva a um pedido menor de corrente da linha. De referir que a redução da potência reactiva e por consequência da corrente na linha pode levar a grandes poupanças de dinheiro como sendo na factura eléctrica ou no próprio circuito eléctrico visto que menor corrente leva a um menor diâmetro do cabo condutor (por exemplo). 46 Departamento de Electrónica Industrial

66 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Fígura 4.7 Tensão e corrente da linha Fígura 4.8 Potência reactiva na carga e na linha Carga RC Série O comportamento de um circuito deste tipo é idêntico ao anterior no aspecto em que provoca um desfasamento entre tensão e corrente na carga. Contudo sendo uma carga capacitiva este desfasamento é capacitivo e por isso a corrente vem adiantada em relação à tensão que lhe é aplicada. Este comportamento é visível na Figura 4.9 onde outra vez aparece o factor de multiplicação de 10 para uma melhor percepção dos sinais que estão a ser analisados. A carga é composta por resistências 50Ω e condensadores de 0,1mF. Universidade do Minho 47

67 Capítulo 4 Simulação de um STATCOM com inversor controlado por tensão Fígura 4.9 O desfasamento entre tensão e corrente na carga Mais uma vez é possível verificar pela Figura 4.10 que a corrente no inversor acompanha a corrente calculada, a partir dos 100ms momento em que entra em acção o inversor. Fígura 4.10 Corrente no inversor e corrente de compensação calculada Na figura 4.11 é possível verificar de novo a redução da corrente da linha em comparação com a corrente na carga visto que a potência reactiva que a carga necessita passa a vir do inversor sendo que a corrente na carga passa a ser a soma das outras duas. 48 Departamento de Electrónica Industrial

68 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Fígura 4.11 Correntes no inversor, na carga e na linha Como consequência da compensação pode-se verificar a diminuição do desfamento (Figura 4.12) assim como da potência reactiva (Figura 4.13). De notar que na Figura 4.13 a potência mostra valores negativos mas isto deve-se ao facto de ser uma carga capacitiva. Dizer ainda que pode não parecer que se reduziu a potência reactiva mas tem de se ver a potência reactiva em módulo e não levar em conta o sinal negativo. Fígura 4.12 Tensão e corrente da linha Universidade do Minho 49

69 Capítulo 4 Simulação de um STATCOM com inversor controlado por tensão Fígura 4.13 Potência reactiva na carga e na linha 50 Departamento de Electrónica Industrial

70 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Capítulo 5 Implementação do STATCOM O conteúdo deste capítulo baseia-se na descrição detalhada e passo a passo de todas as etapas, quer sejam de software ou de hardware, que levaram à implementação do inversor controlado por tensão do STATCOM. Para um melhor entendimento daquilo que foi feito serão apresentados os esquemas das montagens realizadas e a indicação do material utilizado CIRCUITO RECTIFICADOR PARA A ALIMENTAÇÃO DO LADO CC DO INVERSOR É possível controlar a tensão do lado DC do inversor através de software, contudo como esse objectivo não foi atingido optou-se por implementar um circuito rectificador para criar uma tensão contínua no lado da entrada do inversor. Para tal usou-se uma ponte rectificadora (KBL406) ligada a um VARIAC para que se possa obter uma tensão variável. À saída colocou-se um condensador para filtrar a tensão. A Figura 5.1 mostra o esquema multifilar da implementação deste circuito rectificador: V in V out Fígura 5.1 Esquema multifilar do circuito rectificador Considerando que este circuito não está a alimentar nenhuma carga a tensão de saída (contínua) do mesmo tem o valor da tensão de pico da tensão (sinusoidal) de entrada: Universidade do Minho 51

71 Capítulo 5 Implementação do STATCOM (5.1) em que: é a tensão de saída do rectificador; é o valor eficaz da tensão de entrada do rectificador. A ponte rectificadora utilizada de referência KBL406 tem como tensão máxima 560V e uma corrente máxima a 50 C de 4A. O condensador de saída é de 1000µF e 400V. De referir ainda o uso de uma resistência de potência para fazer a descarga do condensador quando este é desligado e de uma resistência de potência para fazer uma pré-carga do condensador. Fígura 5.2 Fotografia da implementação 5.2. INVERSOR TRIFÁSICO O inversor de tensão tem como missão usar a tensão de alimentação contínua e os sinais de controlo vindos do microcontrolador para colocar na saída uma tensão alternada. Dos tipos de implementação de inversores optou-se por implementar um VSI de 2 níveis por ter um menor número de semicondutores (logo mais económico) e por ter um controlo mais acessível. O passo seguinte consistiu em determinar que semecondutor seria o mais adequado para esta implementação. De referir que de todos os 52 Departamento de Electrónica Industrial

72 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência semicondutores apresentadas os mais utilizados nos inversores são os MOSFETs e os IGBTs. Os MOSFETs são mais usados em aplicações que requerem uma alta frequência de comutação e uma potência baixa. Apesar de ser possível utilizar um ou outro em determinadas aplicações, o IGBT é mais utilizado para frequencias mais baixas mas aguentam uma potência superior comparando com os MOSFET, como é possível verificar na Figura 5.3. Fígura 5.3 Limites de operação dos semicondutores de potência [30] Na figura seguinte (Figura 5.4) é possível verificar a montagem feita do inversor. De referir que para esta implementação foram escolhidos IGBTs visto serem aqueles que estavam disponíveis sendo que neste caso (frequência de comutação de 10KHz e baixa potência) tanto poderia ser usado MOSFET ou IGBT. Fígura 5.4 Esquema do inversor [8] Universidade do Minho 53

73 Capítulo 5 Implementação do STATCOM De notar é também a presença de diodos em anti-paralelo com os semicondutores para que este esteja protegido contra tensões inversas, visto que caso não o possua internamente existe a necessidade de o colocar. Quando se realizam montagens electrónicas por vezes surgem pequenos problemas que levam há a necessidade de acrescentar ou alterar os circuitos teóricos e neste caso é de referir que foram colocados diodos de zener de 15V entre a GATE e a SOURCE do IGBT. Isto foi efectuado para que no terminal de GATE a tensão não passe para além de 15V. Foram ainda colocados dissipadores de calor para que a potência dissipada não danifique os semicondutores. Os IGBTs utilizados têm a referência SGP20N60, a tensão máxima que pode ser aplicada é de 600V e a corrente é de 20A a 100ºC. Fígura 5.5 Fotografia da montagem do inversor 5.3. MICROCONTROLADOR Para que seja possível fazer um controlo autónomo do circuito implementado, assim como enviar sinais de comando que permitem fazer a comutação adequada dos semicondutores é necessário um microcontrolador. O microcontrolador utilizado foi o PIC 18F4431 da Microchip. A escolha por este microcontrolador deveu-se sobretudo a factores económicos visto que a Microchip forneceu algumas amostras, mas também porque as características do microcontrolador permitiam realizar as tarefas necessárias à execução deste projecto. 54 Departamento de Electrónica Industrial

74 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Para comunicar com o microcontrolador foi necessário utilizar uma ferramenta de programação do mesmo fabricante, o MPLAB. Tal como o microcontrolador este software de programação foi obtido gratuitamente. Contudo para que a programação efectuada no computador possa interagir e assim programar o microcontrolador tornou-se indispensável a aquisição de um programador capaz de o fazer. Assim sendo adquiriu-se o programador MPLAB ICD2 (Figura 5.6). A comunicação é feita através de uma porta USB do computador. Fígura 5.6 Programador MPLAB ICD2 De referir que o circuito que é necessário colocar junto ao microcontrolador para que este funcione é bastante simples sendo que existiu um apoio de colegas que já programavam PICs e que por essa razão já conheciam a configuração. Tal como referido anteriormente este microcontrolador adequa-se ao projecto visto que possui as características técnicas necessárias à execução do mesmo, mais concretamente possui ADCs de 10 bits para fazer as leituras necessárias no circuito de potência e um módulo PWM que possui 4 saídas em modo complementar, que são visíveis no seu datasheet [31], bastante úteis na comutação dos semicondutores do mesmo braço do inversor assim como na inserção de um dead time que é um factor crucial para o bom funcionamento do inversor. A linguagem de programação escolhida foi a linguagem C (alto nível) visto ser mais simples e acessível do que a programação em Assembly. O MPLAB para além de ter um ambiente de programação bastante amigável este possui algumas ferramentas Universidade do Minho 55

75 Capítulo 5 Implementação do STATCOM bastante úteis na execução do programa como sendo o breakpoint e o watch que ajudam a monitorizar as variáveis do programa. O programa realizado tem algumas fases distintas que podem ser divididas nas funções existentes no mesmo. O primeiro passo foi incluir as bibliotecas necessárias assim como definir todas as variáveis presentes no código C assim como inicializar algumas delas conforme as necessidades. O passo seguinte foi inicializar o ADC e codificar uma função (trata_adc) para ler as tensões e correntes do através do ADC sendo necessário colocá-lo em funcionamento na função main. Nesta função foram realizados os cálculos para que os valores lidos pelo ADC que estão entre os 0 e os 5V traduzissem os valores reais do circuito de potência. Um aspecto importante a referir é que o ADC não faz mais do que uma conversão ao mesmo tempo e por isso elas são efectuadas sequencialmente sendo que cada uma demora 5µs. Este aspecto foi tido em conta na execução do restante código. A função seguinte (trata_t1) contém todos os cálculos efectuados para a determinação das correntes necessárias à compensação do factor de potência. Esta função é executada sempre que existe um overflow do timer 1 inicializado e configurado com o tempo de adequado. Um ciclo da rede tem 20ms sendo que no programa neste período existem 270 amostras o que resulta num tempo de 75µs por amostra. Assim o timer é inicializado de forma a que existam 28 contagens visto que cada ciclo do timer demora 2,67µs. Assim sendo a cada interrupção do timer o programa executa uma série de cálculos. Em primeiro lugar é necessário calcular o desfasamento entre a tensão e corrente na carga sendo que esse processo é feito da seguinte forma: procura-se a passagem por zero da tensão e de seguida a passagem da corrente no mesmo eixo. Assim é determinado o tempo de desfasamento. Depois disto é calculada a corrente de compensação e preenchido um vector de 270 posições (270 amostras) e que no seu todo é uma onda sinusoidal com um período de 20ms (50Hz) e que será percorrido por três iteradores diferentes em três pontos diferentes, um a cada terço do vector, para que desse modo se consiga obter o desfasamento de 120º referente à rede eléctrica. Deste modo já estão calculadas as 3 correntes de compensação necessárias. Neste projecto surge ainda a necessidade de fazer o controlo da tensão contínua do lado CC do inversor e para isso foram utilizados cálculos derivados da teoria pq. O algoritmo de controlo aplicado foi o PI (Proporcional-Integral). 56 Departamento de Electrónica Industrial

76 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência O controlo PI (Figura 5.7) consiste na determinação do erro através do cálculo da diferença entre o sinal lido e o sinal referência. O factor de multiplicação Kp é o ganho proporcional (P) e que na prática indica se o sinal vai chegar mais ou menos lentamente ao sinal de referência. A parte integral deste tipo de controlo faz a soma de todos os erros fazendo uma aproximação mais suave ao valor de referência até que o sinal estabilize. Fígura 5.7 Controlo PI Por fim na função principal de todos os programas em C, a main, estão presentes as inicializações do ADC, do timer 1 assim como a configuração do módulo PWM em modo complementar permitindo assim que apenas seja necessária a programação de um dos sinais de comutação de cada braço do inversor visto que o outro é automaticamente realizado pelo microcontrolador sendo que é o inverso do primeiro. Através da mesma função é ainda configurada a frequência de comutação para os 10kHz e o dead time. Depois de tudo isto são enviados os sinais de comutação para o inversor sendo que o processo utilizado é o PWM, ou seja, as correntes de compensação são comparadas com uma onda triangular a uma frequência mais elevada (10kHz). O diagrama de controlo com os passos utilizados encontra-se na Figura 5.8. Fígura 5.8 Diagrama de Controlo Universidade do Minho 57

77 Capítulo 5 Implementação do STATCOM Na Figura 5.9 encontra-se a configuração do microcontrolador necessária para este projecto. A Figura 5.10 demonstra a placa de controlo realizada para permitir o controlo do inversor. Fígura 5.9 Ciruito de controlo Fígura 5.10 Placa de controlo implementada 5.4. LIGAÇÃO DO MICROCONTROLADOR AO INVERSOR Para um funcionamento correcto, isto é, para separar a parte de potência da parte de controlo, não se pode ligar directamente as saídas do microcontrolador ao inversor. Para implementar esse interface foi utilizado o acoplamento óptico que assegura a 58 Departamento de Electrónica Industrial

78 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência separação entre os andares e drivers que têm como função ajudar na comutação assim como criar diferentes fontes para cada um dos braços do inversor. De referir ainda que antes de os sinais chegarem aos acopladores ópticos os sinais passam por buffers tri-state apenas para que a corrente não seja fornecida mas absorvida pelo microcontrolador. O diagrama de blocos desta implementação pode ser visto na figura seguinte (Figura 5.11). Fígura 5.11 Diagrama de blocos do interface do microcontrolador com o inversor Acoplamento óptico Os acopladores ópticos têm como grande objectivo transmitir sinais da sua entrada para a saída mas sem transferir a referência desse mesmo sinal, isto é, separar massas. Assim sendo o sinal à sua entrada tem a mesma massa do microcontrolador o que já não acontece na saída porque será o mesmo sinal mas referente a outra massa. Tal como é possível verificar na Figura 5.12 o acoplamento óptico consiste em fazer passar o sinal no led que por sua vez transmite um feixe luminoso que será captado do outro lado por um fototransístor. Nesta configuração a passagem do sinal é feita mas de forma invertida, ou seja, quando na entrada o sinal é 0 na saída teremos Vcc e vice-versa. Fígura 5.12 Acoplamento óptico Universidade do Minho 59

79 Capítulo 5 Implementação do STATCOM Os acopladores ópticos utilizados têm a referência 6N136 e possuem uma velocidade de transmissão de 1Mbit/s o que é um factor importante visto que se fosse um acoplador lento corria-se o risco de a transmissão do sinal falhar. A tensão de alimentação usada foi de 5V porque para elevá-la usou-se um drive Drive Para que a actuação nos IGBTs seja eficaz existe a necessidade de elevar os níveis de tensão do sinal que lhes são aplicados. É nesse sentido que vem a utilização deste drive mas não só. Este drive cria ainda uma referência de tensão para os IGBTs do inversor que não estão ligados à massa (IGBTs superiores do inversor) e que sem essa referência não funcionariam correctamente. Esta necessidade de criar uma espécie de fonte virtual é decisiva já que os dois IGBTs do mesmo braço não podiam ter a mesma massa. Existem no mercado vários integrados capazes de fazer este trabalho como os da ON Semiconductor ou da International Rectifier e com muitas variações e por isso procurou-se escolher um com uma simples implementação, o IR2101. Outro dos pontos importantes, para além de criar uma fonte de tensão, é de ter uma protecção contra curto-circuito visto que se por acaso os sinais recebidos pelo drive forem altos na saída ele coloca-os ambos a 0V. Caso assim não fosse os dois IGBTs do mesmo braço estariam em condução provocando assim um curto-circuito. Como é possível ver na Figura 5.13 a ligação deste integrado é bastante simples pois existem duas entradas e duas saídas de sinais, a alimentação e dois pinos para a criação da fonte de tensão que fará actuar correctamente o semicondutor da parte superior de cada braço do inversor. Fígura 5.13 Implementação típica e aconselhada deste integrado [32] O drive utilizado, como já foi referido é o IR2101 da International Rectifier ao qual pode ser aplicado uma tensão máxima na bridge de 600V. Este drive coloca ainda na 60 Departamento de Electrónica Industrial

80 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência saída um dead-time de 50ns. Os sinais de saída tem a amplitude da tensão de alimentação e que no máximo é de 25V Circuito completo de interface Como provavelmente foi possível perceber este circuito de interface (Figura 5.14) terá 6 buffers tri-state (1 por cada sinal de saída do microcontrolador), 6 acopladores ópticos (1 por cada IGBT) e 3 drives (1 por cada braço do inversor). A utilização dos buffers (como já foi dito) insere-se na perspectiva de não sobrecarregar o microcontrolador com pedido de corrente. A tensão de saída dos sinais nos acopladores ópticos é de 5V visto esta ser a sua tensão de alimentação. Cada drive recebe o par de sinais (sinal e o invertido) vindos dos acopladores ópticos a 5V e coloca-os na saída com 15V que é a tensão de alimentação do próprio drive. De referir ainda que a massa para os IGBT inferiores do inversor é a mesma para os 3 e é a mesma do drive. Para os IGBT superiores a massa (pino Vs) é criada pelo drive sendo que cada drive cria uma massa para cada um dos 3 IGBT. Este pino Vs é ainda a saída de cada uma das fases do inversor. O uso deste drive faz diminuir o número de fontes de tensão a utilizar que neste caso (só para o inversor) seriam 4. Fígura 5.14 Circuito de interface Universidade do Minho 61

81 Capítulo 5 Implementação do STATCOM 5.5. MEDIÇÃO DE CORRENTES E TENSÕES DO CIRCUITO Como é facilmente perceptível o microcontrolador não tem capacidade de ler valores de tensão acima dos 5V e abaixo dos 0V. Surge então a necessidade de adaptar as leituras de valores fora da gama 0V-5V para que o microcontrolador possa funcionar correctamente. Ou seja, vai haver um circuito intermédio entre os sensores e o micro para que ajuste os valores de tensão para serem positivos e não superiores a 5V, chamado de acondicionamento de sinal. Como é lógico o programa inserido no microcontrolador vai ter de ter em conta este facto e ajustar-se convenientemente. Para realizar esta tarefa o microcontrolador possui 9 ADCs sendo que foram utilizados apenas 4. Para efectuar as leituras de correntes e tensões foram utilizados sensores de efeito de Hall da LEM muito vulgarmente usados neste tipo de montagens. O efeito de Hall consiste no aparecimento de uma diferença de potencial nas extremidades de um condutor eléctrico na presença de um campo magnético na perpendicular [33] Sensor de corrente Como já foi referido, para medir as correntes necessárias ao desenvolvimento do projecto foram utilizados sensores de efeito de Hall (Figura 5.15). A grande vantagem deste tipo de sensores é que para medir uma corrente (que pode ser alta) ela não tem de passar directamente no sensor. À saída do transdutor (sensor) a corrente é muito inferior à corrente medida na entrada. Como o microcontrolador precisa é de um valor em tensão na saída do sensor coloca-se uma resistência previamente calculada que multilplicada pelo valor de corrente dará então uma grandeza em tensão e esta é que será lida pelo ADC. O esquema multifilar desta montagem encontra-se na Figura Fígura 5.15 Diagrama de blocos do sensor de corrente 62 Departamento de Electrónica Industrial

82 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência O sensor utilizado é o LA 55-P da LEM que possui uma relação de transformação de 1:1000, ou seja, a corrente no secundário é 1000 vezes menor do que acorrente no primário. A corrente máxima que pode ser lida é de 70A [34]. De referir ainda a possibildade de aumentar a relação de transformação fazendo passar as vezes nessessarias o fio da leitura pelo transdutor. (exemplo: se passar 2 vezes o fio a corrente será 2 vezes maior e assim sucessivamente). Neste projecto essa passagem foi feita por 5 vezes o que quer dizer que a relação de transformação não será mais de 1:1000 mas sim 1: Sensor de tensão Para o sensor de tensão (Figura 5.16) o princípio de funcionamemto é idêntico. Contudo não existe a passagem de fios pelo transdutor para aumentar a razão de transformação sendo que esta também é diferente como é possível verificar nas características dos mesmos. O esquema multifilar desta montagem encontra-se na Figura Fígura 5.16 Diagrama de blocos do sensor de tensão O sensor utilizado é o LV 25-P da LEM que possui uma relação de transformação de 2500:1000, ou seja, a corrente no secundário é 2,5 vezes maior do que acorrente no primário. A tensão máxima que pode ser lida no primário é de 500V sendo que a corrente nominal neste é de 10mA [35] Acondicionamento de sinal A necessidade deste circuito só existe porque o ADC não lê valores negativos visto que se assim não fosse bastaria o sensor de efeito de Hall para fazer o trabalho de Universidade do Minho 63

83 Capítulo 5 Implementação do STATCOM colocar os valores entre uma gama de -5V a 5V, mas como a gama tem de ser de 0V a 5V entra um novo circuito de interface neste caso entre os sensores e o microcontrolador. Basicamente o que o circuito vai fazer é subir o valor médio em 2,5V da medido visto que esta é um sinal alternado em torno de 0V, ou seja, no máximo, antes deste circuito a medida terá 2,5V (gama de -2,5 a 2,5V) para que com a subida do valor médio esta se coloque dentro dos valores pretendidos. Para este procedimento utilizou-se um circuito bastante simples denominado por circuito somador implementado por um amplificador operacional e algumas resistências previamente determinadas. A Figura 5.17 mostra a configuração de um circuito somador. Fígura 5.17 Esquema do circuito somador O circuito somador é constituído por 2 ou mais entradas mas neste especificamente tem duas, uma saída e resistências que vão determinar o ganho do amplificador. Tendo que na entrada inversora temos massa virtual vem que: (5.2) (5.3) Assim a tensão de saída é dada por: (5.4) Substituindo: (5.5) Como é possivel verificar o ajuste do ganho pretendido é bastante simples bastando apenas alterar resistências. 64 Departamento de Electrónica Industrial

84 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Um aspecto importante é o facto de esta montagem ser inversora, ou seja, na saída teremos um sinal invertido em relação à entrada contudo não existe grande problema visto que os sensores medirem em ambos os sentidos, o que leva a que quando seja necessário se mude o sentido de leitura. Quanto ao offset que é necessário introduzir, para que o microcontrolador possa ler correctamente os sinais, basta somar um sinal negativo. Como já mencionado anteriormente o valor médio de tensão a somar será de 2,5V para que a gama de leitura se situe entre os 0 e os 5V. Para isso colocou-se na entrada v1 uma tensão negativa de -15V e calculou-se a resistência R1 para que o valor médio a somar seja de 2,5V depois de assumir que Rf tem um valor de 10kΩ. Com estes cálculos obteve-se um valor de 60kΩ para R1. Contudo a resistência utilizada foi de 62kΩ. Logo o desvio não é mais de 2,5V mas de 2,42V. Quanto à resistência R2 optou-se por colocar um ganho unitário e por isso R2 tem o valor de 10kΩ Esquema do circuito implementado Este ponto é apenas para exemplificar, em foto (Figura 5.18), como é constituído todo o circuito de interface entre os transdutores de corrente (Figura 5.19) e de tensão (Figura 5.20) com o microcontrolador e para demonstrar o trabalho prático efectuado na execução deste projecto, através da fotografia presente na Figura 5.21 onde é possível verificar a junção de todas as etapas mencionadas neste capítulo 5. É possível constatar que as leituras das correntes e da tensão na carga apenas foram realizadas para uma fase visto não existirem mais sensores disponíveis. Sendo que, e admitindo uma carga equilibrada, a determinação de tensões e correntes das outras fases seria efectuada por software. Universidade do Minho 65

85 Capítulo 5 Implementação do STATCOM Fígura 5.18 Sensores de corrente e de tensão e circuito somador Fígura 5.19 Esquema do circuito de medição das correntes 66 Departamento de Electrónica Industrial

86 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Fígura 5.20 Esquema do circuito de medição das tensões Para concluir a descrição da implementação na Figura 5.21 surge a fotografia de toda a implementação prática deste projecto. Fígura 5.21 Fotografia da implementação do STATCOM Universidade do Minho 67

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88 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Capítulo 6 Resultados experimentais Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos do funcionamento da implementação do STATCOM. É demonstrado o funcionamento do inversor apenas para alimentação de uma carga equilibrada. O que foi feito para determinar se a implementação estava correcta foi tentar colocar à saída do inversor ondas sinusoidais desfasadas de 120º, algo que foi alcançado RESULTADOS DOS TESTES DO INVERSOR Para perceber se a programação estava correcta bastava colocar senos na saída do inversor adquiririndo para isso os sinais à saída do microcontrolador. Contudo é necessária a colocação de um filtro passa-baixo para que se possam visualizar as sinusóides visto que o sinal de saída do micro é um sinal em PWM. Assim sendo a Figura 6.1 demonstra este processo são visíveis as 3 ondas sinusoidas desfasadas de 120º cada. Fígura 6.1 Ondas sinusoidais à saída do microcontrolador Universidade do Minho 69

89 Capítulo 6 Resultados experimentais Como já referido anteriormente a saída do microcontrolador são ondas quadradas de 5V com um duty-cycle variável, o que permite a sintetização dos senos. Na Figura 6.2 é possível verificar este facto. De referir é a ainda o dead time imposto pelo microcontrolador o que é bastante importante para que o inversor funcione correctamente. O dead time é o espaço de tempo em que os sinais estão ambos a nível lógico zero, factor indispensável para que num mesmo braço de um inversor os semicondutores não conduzam simultaneamente. Fígura 6.2 Ondas PWM à saída do microcontrolador Depois dos sinais saírem do microcontrolador e passarem pelos acopladores ópticos é necessário verificar se o drive está a executar correctamente a função de aumentar a amplitude dos sinais de controlo o que é visível na Figura 6.3. Nesta figura é possível visualizar que os sinais de controlo, são aumentados para uma amplitude próxima da tensão de alimentação dos drives. A seguir fez-se a ligação da placa de controlo à placa de potência para verificar se os sinais actuavam correctamente no inversor, algo que se concluiu ser verdade, visto que os sinais chegavam à saída e a amplitude dos mesmos era similar à tensão de alimentação do lado CC do inversor. 70 Departamento de Electrónica Industrial

90 Implementação de um STATCOM para compensação de factor de potência Fígura 6.3 Sinais de controlo à saída do drive Após a verificação do correcto funcionamento do inversor foi aumentada a tensão do lado CC até aos 120V, sendo esta tensão adequada à interligação do STATCOM com o sistema trifásico implementado como carga. A carga utilizada foram resistências de 50Ω com corrente nominal de 3A em paralelo com bobinas de 128mH. As formas de onda das 3 fases à saída do inversor estão visíveis na Figura 6.4. Fígura 6.4 Resultado experimental obtido com uma tensão no lado CC de 120V Universidade do Minho 71