NOVO RETIFICADOR HÍBRIDO DE ALTA POTÊNCIA E REDUZIDA DHT I COM SUPORTABILIDADE QUANTO AOS AFUNDAMENTOS TEMPORÁRIOS DE TENSÃO

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1 NOVO RETIFICADOR HÍBRIDO DE ALTA POTÊNCIA E REDUZIDA DHT I COM SUPORTABILIDADE QUANTO AOS AFUNDAMENTOS TEMPORÁRIOS DE TENSÃO Admarço V. Costa, Luiz C. de Freitas, Ernane A. A. Coelho, João B. Vieira Jr., Valdeir José Farias e Luiz C. G. Freitas Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT) Universidade Federal de Uberlândia (UFU) lcgfreitas@yahoo.com.br Resumo Este trabalho apresenta uma análise detalhada de um novo retificador trifásico híbrido para utilização como estágio intermediário CC de conversores eletrônicos de potência. Esta estrutura é capaz de impor correntes senoidais na rede CA de alimentação viabilizando alto fator de potência e propiciando mínima distorção harmônica total (DHT I ) e ainda aumentar a suportabilidade da tensão no barramento CC de saída do retificador, mediante afundamentos temporários de tensão. Para mitigar afundamentos de tensão, um conversor boost foi inserido entre o retificador e o capacitor de saída. Uma discussão completa a respeito do percentual de potência processada pelos retificadores controlados é também incluída. Para comprovar teoria proposta neste trabalho são apresentados resultados experimentais de um protótipo de 2,8 kw e resultados de simulação para um conversor de 5kW considerando-se afundamento temporário de tensão para 0,5 pu da tensão da rede. Palavras-Chave - Distorção harmônica; Fator de potência; Afundamento de Tensão; Retificadores Híbridos Multipulsos. NEW HYBRID HIGH POWER RECTIFIER WITH LOW THD I AND VOLTAGE-SAG RIDE THROUGH CAPABILITY Abstract - This paper presents an improved analysis of a novel Hybrid Power Rectifier for utility interface of power electronics converters. This structure is able to impose sinusoidal currents at the entrance enabling high power factor and providing minimum total harmonic distortion (THD I ) and voltage-sag ride through capability. To mitigate voltage sags, a boost converter is inserted between the rectifier and output link DC. A complete discussion about the controlled rectifiers power contribution is also included. To prove the theory proposed in this paper experimental results of a prototype of 2.8 kw and simulation results for a 5KW converter considering temporary voltage sags from 0.5 pu voltage network are presented. Keywords - Harmonic distortion; power factor; Voltage Sag; Hybrid Power Rectifier. I. INTRODUÇÃO Este trabalho apresenta uma nova concepção de retificador híbrido capaz de impor corrente senoidal na rede CA de alimentação, proporcionando elevado fator de potência e baixa distorção harmônica de corrente (DHT I ). Adicionalmente, esse mesmo conversor é capaz de aumentar a suportabilidade da tensão do barramento CC diante dos afundamentos de tensão, portanto, garantindo a operacionalidade de cargas eletrônicas citando como exemplo conversores de freqüência para acionamentos de velocidade variável. A Figura 1 apresenta uma nova topologia de conversor que supera muitas desvantagens no campo de retificadores multipulsos [1]-[2]. O sistema proposto recebe a denominação de retificador híbrido por ser composto por um retificador de 6 pulsos não controlado convencional (Ret-1), associados a retificadores controlados (Ret-2). Essa estrutura é capaz de operar com elevado fator de potência e reduzida distorção harmônica, sem a necessidade de transformadores defasadores, transformadores de interfase (LIT). Fig. 1. Diagrama simplificado do novo Retificador Híbrido É importante ressaltar que dependendo da DHT I desejada a ser alcançada, os retificadores controlados conectados em paralelo processam uma determinada fração da potência

2 total, variando cerca de 20% a 45%. Isso foi demonstrado matematicamente em [3]. Essa característica operacional faz com que a estrutura proposta seja muito interessante tanto tecnicamente como economicamente para as instalações de elevadas potências. Uma inovação adicional dessa estrutura conversora em relação às demais [1]-[3] já realizadas e publicadas em periódicos e congressos é a inserção de um conversor Boost entre o retificador convencional de 6 pulsos e o barramento CC de saída do conversor Ret-1. A finalidade desse conversor é mitigar eventuais afundamentos temporários de tensão Voltage Sag na tensão eficaz da rede de energia elétrica. II. RHM OPERANDO COM CORRENTE DE SENOIDAL NA REDE DE ALIMENTAÇÃO CA Como já é conhecido, todo conversor de freqüência comumente usado em instalações industriais requer um barramento CC como estágio intermediário. A fim de minimizar a distorção harmônica total de corrente no sistema de corrente alternada, torna-se necessário a adição de indutores de filtros no lado CA ou no estágio CC do retificador. No entanto, a aplicação de filtros passivos, não é suficiente para minimizar a DHT I e todas as suas conseqüências, tais como: baixo fator de potência de entrada, distorção da tensão da rede, alto valor de corrente RMS de entrada, baixa eficiência etc. A fim de superar essas desvantagens, os conversores de freqüência podem ser conectados em um barramento CC fornecido por uma novo retificador hibrido de alta potência, tal como mostrado na Figura 2. Pode-se observar que a estrutura proposta pode ser usada para alimentar o barramento CC de inversores comerciais, utilizados para controle de velocidade de motores de indução, fornecendo baixa THD I sem usar transformadores defasadores ou transformadores inter-fase, como demonstrado em [1]. alcança seu melhor desempenho em relação a distorção harmônica total de corrente. Neste caso, é possível impor uma corrente de forma de onda senoidal na entrada CA do conversor em conformidade com as restrições impostas quanto ao conteúdo harmônico pela norma IEC No entanto, a fim de cumprir essas determinações impostas pela IEC , a potência dos conversores chaveados deve ser aumentada sensivelmente, quando comparada com a operação dos Retificadores Híbridos Multipulsos com correntes de entrada de 12 pulsos[1]. Para se obter uma corrente senoidal a na rede CA de alimentação ia(in), os conversores chaveados deverão impor uma corrente, acompanhando a forma de onda da referência pré-determinada, tal como mostrada Figura 3. Desta forma, a corrente de linha ia(in), será obtida da combinação das correntes ia1 e ia2 (ia1 + ia2) resultando dessa combinação uma reduzida DHT I. Além disso, no máximo 45% da potência nominal será desviada para os conversores paralelos, quando se desejar um elevado fator de potência de entrada[3]. Fig. 3. Composição da forma de onda teórica Modo de operação com fator de potência unitário A estratégia de controle se concentra em estabelecer a melhor relação entre a corrente ia1, do retificador convencional de 6 pulsos (Ret-1), e a corrente de entrada ia2 do retificador controlado (Ret-2). Desta maneira, obtém-se uma corrente de linha CA de entrada ia(in) da estrutura proposta com baixa DHTI [3]. Fig. 2. Novo Retificador Híbrido fornecendo um barramento CC intermediário para controladores de freqüência aplicados a motores de indução. A estrutura proposta do retificador híbrido, quando opera com corrente de linha senoidal na rede CA de alimentação III. RESULTADOS EXPERIMENTAIS - IMPOSIÇÃO DE CORRENTE SENOIDAL NA REDE DE CA DE ALIMENTAÇÃO. Para comprovar a viabilidade técnica da estrutura proposta atendendo apenas ao propósito de imposição de corrente senoidal na rede CA de alimentação, são mostrados resultados experimentais e discussões detalhadas do

3 retificador híbrido conforme publicação em anais de congresso (APEC2007) [3]. A estrutura implementada é mostrada na Figura 4. Nesse arranjo, os conversores controlados são representados por retificadores Boost, os quais são alimentados através de transformadores monofásicos de baixa freqüência isolando-os do sistema de alimentação CA e a estratégia de controle foi implementada utilizando um controlador digital[3]. A. Resultados experimentais Os resultados experimentais relacionados à fase A, são apresentados com o propósito de ilustrar o desempenho do conversor proposto operando com corrente de linha senoidal no barramento CA de alimentação (i a(in) ) na entrada do conversor global. Esses resultados foram colhidos de um outro trabalho já publicado por Freitas [3]. A Figura 5(a) mostra a corrente de entrada do retificador de 6 pulsos não controlado (Ret-1) e Fig.5(b) ilustra a corrente de entrada do conversor BOOST conectado à linha A. Na Figura 6(a) mostra-se que a corrente de linha de entrada do conversor global i a(in) representa o resultado da combinação de correntes i a1 e i a2 (i a(in) = i a1 + i a2 ). A Figura.6(b) ilustra a corrente de linha de entrada CA ia (i a(in) ) junto com a tensão de fase-neutro Va. É importante ressaltar que as formas de onda foram adquiridas através de um sensor de efeito hall com ganho de tensão ajustado em 2. Assim, as escalas de correntes ilustradas nas Figs. 5-6 devem ser divididas por dois. Fig. 4. Implementação dos conversores Boost no novo retificador híbrido proposto Os parâmetros estabelecidos para o projeto são mostrados na Tabela I. Para acionamento dos gatilhos das chaves foram implementados circuitos digitais. - a - - b - Fig. 5. (a) Corrente de entrada do Ret-1 (ia1), (b) Corrente de entrada do conversor Boost (ia2). TABELA I PARÂMETROS DE PROJETO Especificações dos Dados Tensão do barramento CC, V CC (media) = 285 V Potência total de saída, P saída = 2.8 kw Retificador trifásico a diodos 6 pulsos (Ret-1) Tensões fase-neutro Va, Vb, Vc (rms) = 127 V Ponte retificadora trifásica Toshiba 30J6P41 Indutor de filtro, L F - 15 mh Capacitor de filtrocc, C F F Conversores Boost (Ret-2) Tensões fase-neutro Va, Vb, Vc (rms) = 127 V Ponte retificadora monofásica- HFA15TB60 Indutores de entrada, L 1 -L mh Capacitor de filtro CC, C F1 - C F3 47 F - Chaves, S 1 -S 3 - IRFP Diodos, D 1 -D 3 - MUR1560 Potência de saída, P out = kw (52%) Potência de saída, P out = kw (48%) - a - - b - Fig. 6 (a) Corrente de entrada do conversor global(ia(in)), ( b) Corrente de entrada do conversor (ia(in)) e tensão fase-neutro (va). O espectro harmônico da corrente senoidal imposta na rede CA de alimentação é apresentado na Figura 7. O espectro harmônico foi analisado e comparado com os limites de DHTI impostos pela norma IEC , ficando comprovado que os componentes harmônicos mais relevantes na corrente de entrada são de ordens 12n+1, conforme esperado.

4 Fig. 7. Espectro de frequência da corrente CA de alimentação do conversor global- (ia(in)). IV. MITIGAÇÃO DE AFUNDAMENTOS DE TENSÃO A norma IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineering) Std [4] define afundamento de tensão como um decréscimo entre 0,9 e 0,1 pu do valor eficaz da tensão nominal, com duração entre 0,5 ciclo e 1 minuto. Segundo esta norma um afundamento de tensão com intensidade menor do que 0,1 pu é considerado interrupção. A natureza, a magnitude e a duração, principais características de um afundamento de tensão, são parâmetros importantes a serem considerados. A Figura 8 mostra a disposição fasorial dos diferentes tipos de afundamentos temporários de tensão, classificados como A, B, C, D, E, F e G. O afundamento tipo A é causado por faltas simétricas e os demais por faltas assimétricas [5]. coletados pelos respectivos instrumentos, 92% foram os classificados como afundamentos de tensão [6]. Diferentes razões levam a afundamentos de tensão. Eles podem ser devido a curto-circuitos, sobrecargas devido a partidas de grandes motores, fenômenos naturais e constituem o evento de maior relevância entre os problemas relacionados à qualidade de energia elétrica[7]. Leão, Oliveira e Rodrigues, citam que os efeitos de afundamentos de tensão na entrada de um conversor de freqüência, pode restringir a faixa de vetores de tensão possíveis de serem sintetizados pelo controle, afetando o desempenho dinâmico do sistema para determinadas condições de carga. Mesmo que tal restrição não afete a condição de operação vigente do sistema de acionamento, a compensação da redução de tensão do link DC, realizada pela malha de controle de tensão de saída do inversor, implica em elevação dos níveis de corrente de entrada, podendo provocar a atuação do sistema de proteção, gerando assim, desligamentos e parada de produção, citando como exemplo conversores de freqüência para acionamentos de velocidade variável [8]. Diversos trabalhos que tratam a solução para aumentar a tolerância de acionamentos de velocidade variável sob afundamentos de tensão tem sido propostas. Dentre as soluções destacam-se a adição de capacitores ao barramento cc, a mitigação regenerativa e por adição do neutro e a utilização de conversor boost [9]-[11]. Estudos estão sendo feitos através de simulações com o objetivo de buscar uma solução para os problemas relacionados a afundamentos de tensão e correção do fator de potência com baixa distorção harmônica. A Figura 9 apresenta a nova topologia de conversor baseada no retificador híbrido, estrutura essa, já consagrada conforme publicações em revistas especializadas da área [1]-[3]. Fig. 8. Classificação dos afundamentos de tensão vistos nos terminais da carga O afundamento de tensão Voltage Sag representa o distúrbio mais freqüente em um sistema de energia elétrica. Conforme indica estudo realizado nos Estados Unidos em um período de 27 meses (1993 e 1995), com a utilização de 300 registradores instalados em diferentes regiões do país, dos 6 milhões de eventos relacionados à má qualidade de energia e Fig. 9. Novo Retificado Híbrido de Potência com Conversores SEPIC

5 Conforme citado na seção I, a nova topologia conversora comparada em relação àquela mostrada na Figura 4, apresenta duas inovações importantes. A primeira é a substituição dos conversores chaveados BOOST por conversores chaveados SEPIC, resultando em vantagens técnicas relevantes ao conversor global, tais como, redução de peso e volume com a eliminação dos transformadores de baixa freqüência que alimentam os retificadores chaveados (BOOST), tornando a estrutura de fácil implementação e controle. A segunda é a inserção do conversor BOOST entre o retificador convencional de 6 pulsos e o barramento CC de saída. A função desse conversor adicional é de operar como um conversor CC-CC aumentando a suportabilidade da tensão no barramento CC de saída, quando da ocorrência de afundamentos de tensão, dando continuidade no fornecimento de energia garantido a manutenção da operação do sistema, evitando prejuízos inesperados. V. OPERAÇÃO DO CONVERSOR BOOST Um conversor BOOST possui entrada com característica de fonte de corrente devido à presença do indutor em série com a fonte de tensão de alimentação, e saída com característica de fonte de tensão, o que é assegurado pelo capacitor conectado à saída do conversor. A razão cíclica de um conversor BOOST é dada por: V0 1 V i 1 D (1) em que Vo e Vi são as tensões cc de saída e de entrada do conversor, respectivamente, e D a razão cíclica. Baseado em (1) verifica-se que para razão cíclica igual a zero o ganho de tensão é unitário, e para razão cíclica próxima à unidade o ganho de tensão cresce acentuadamente levando a valores de Vo muito elevados. Por este motivo na prática, aconselha-se trabalhar com valores de D menores que a unidade (D<1) e em geral até 0,8. Para uma razão cíclica de até 0,8, o conversor BOOST é capaz de mitigar afundamentos de tensão para até 0,2pu de tensão remanescente, mantendo uniforme a tensão no barramento cc [12]. VI. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO Os principais resultados da simulação de um conversor de 5 kw são apresentados nas Figura 10 a Figura 12 considerando um afundamento do tipo A, para uma condição de afundamento de 0,5 pu da tensão da rede, durante um período de tempo de 200ms, tempo suficiente para levar um acionamento de velocidade variável através de conversores de freqüência a uma parada por subtensão. Na figura 10, são mostradas, as tensões de linha da rede CA com o respectivo afundamento e as tensões na saída do retificador e no barramento CC. Nota-se claramente a ação efetiva do conversor BOOST na função de mitigar o afundamento de tensão. Fig. 10. Tensões de Linha de entrada e do barramento CC sob afundamento de tensão tipo A A Figura 11, podemos observar o comportamento das correntes nas fases A, B e C na entrada do conversor global antes, durante e após o afundamento de tensão. Pode-se notar claramente, que quando ocorre o afundamento, os conversores chaveados não conseguem mais impor uma corrente senoidal na entrada CA de aimentação da estrutura conversora, entretanto, mesmo com a ocorrência do afundamento os conversores Sepic ainda contribuem com uma parcela de processamento da potência na carga. Fig. 11. Correntes CA de alimentação do novo Retificador Híbrido com conversor BOOST: i a(in), i b(in) e i c(in) A Figura. 12 mostra as parcelas de potência processada pelos respectivos conversores que compõem a estrutura global. Fig. 12. Potência ativa processada pelos conversores sepic chaveados (Ret-2) e pelo retificador (Ret-1)

6 Pode-se observar na Figura 12, que os conversores SEPIC contribuiem com uma parcela em torno de 40% da potência processada em relação à potência global da estrutura conversora. Ressalta-se que essa parcela de potência pode ser programada, conforme o nível de Total Distorção Harmônica THD I desejada. O novo conversor proposto, comprovou através de simulações, sua eficácia para os demais tipos de afundamentos de tensão (B, C, D, E, F e G). VII. CONCLUSÕES O artigo apresenta uma nova topologia de retificador híbrido de potência capaz de impor uma forma de onda senoidal na rede CA de alimentação e obter elevado fator de potência e baixa DHT I. Além disso, a estrutura apresentada é capaz de inibir os efeitos dos afundamentos de tensão ocorridos na rede, proporcionando a regulação da tensão no barramento CC diante destes distúrbios. Este trabalho foi dividido em duas partes em que a primeira realça o retificador híbrido capaz de realizar a correção do fator de potência impondo correntes senoidais na rede CA de alimentação. A segunda, trata-se de uma inovação em relação à estrutura inicial em que um conversor BOOST é inserido entre o retificador convencional e o barramento CC, com o propósito de aumentar a suportabilidade do barramento diante a afundamentos de tensão. Tais conversores chaveados, conectados em paralelo, processam uma fração da potência total, dependendo da distorção harmônica total desejável da corrente de linha de entrada. Verificou-se através de estudos de simulações computacionais, a eficácia da nova estrutura de Retificador Híbrido em manter a suportabilidade da tensão do barramento CC para diversos tipos de afundamentos de tensão. Destaca-se que as características gerais da nova estrutura a torna extremamente atrativa para aplicações em sistemas de automação que utilizam inversores de frequência variável para acionamentos de motores de indução. REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS [1] Freitas, L.C.G; E.A.A. Coelho; M.G. Simões; C.A. Canesin and L.C. de Freitas, Um Retificador Trifásico Híbrido Multipulsos de Elevado Fator de Potência, Eletrônica de Potência, vol. 10, no 2, November 2006, pp.17-24, [2] Freitas, L.C.G; M.G. Simões; C.A. Canesin and L.C. de Freitas, A Novel Programmable PFC Based Hybrid Rectifier for Ultra Clean Power Application, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 21, no 4, july 2006, pp [3] Freitas, L.C.G. ; Vincenzi, F. R.S. ; FREITAS, M. A. A. ;FERNANDES, E. R. ; MENDONÇA, R. G. ; FREITAS, L. C.. Programmable PFC Based Hybrid Multipulse Power Rectifier with Sinusoidal Input Line Current Imposed by Digital Controller. In: IEEE Applied Power Electronics Conference, 2007, Anahein.IEEE Applied Power Electronics Conference 2007, p [4] IEEE Std IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, New York. [5] Bollen, M.H.J., Characterization of Voltage SagsExperienced by Three-Phase Adjustable-Speed Drives,IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 12, no. 4, October [6] Brumsickle, W.E., Schneider, R.S., Luckjiff, G.A., Divan,D.M., McGranaghan, M.F. Dynamic Sag Correctors:Cost Effective Industrial Power Line Conditioning IEEETransactions on Industry Applications, 2001, pp [7] H. G. Sarmiento and E. Estrada, A voltage sag study in an industry with adjustable speed drives, IEEE Trans. Ind. Applicat. Mag., vol. 2, pp , Jan/Feb [8] LEÃO, P.C.A.; J.C.; RODRIGUES, K.D. Simlação e Validação Experimental do desempenho de Conversores de Frequência VSI submetidos a Afundamentos Temporários de Tensão (Voltage Sags ). In: SEMINÁRIO BRASILEIRO SOBRE A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA-SBQEE,4.,2001, Porto Alegre. Anais Porto Alegre p [9] K. Stockman, F. D hulster, M. Didden, R. Belmans. Embedded Solutions to Protect Textile Processes against Voltage Sags. 37 th Annual Meeting of the Industry pplications Conference. Vol.4, Oct pp [10] C.M.C. de Brito, R.P.S. Leão, F.L.M. Antunes, Avaliação da Proteção e do Acionamento de um Motor de Indução e de Métodos para Melhoria de sua Suportabilidade sob afundamentos de Tensão, Revista Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP), v. 1, p. 9-16, [11] Von Jouanne, P.N. Enjeti and B. Banerjee, Assessment of Ride-Through Alternatives for Adjustable-Speed Drives, IEEE Transactionson Industry Applications, vol. 35, no. 4, July/August [12] N. X. Melo. Conversor Boost para Mitigação de Afundamentos de Tensão em Acionamentos de velocidade Variável, Universidade Federal do Ceará UFC, 2007.