REDUÇÃO DE HARMÔNICOS DE CORRENTE EM RETIFICADORES DE MÚLTIPLOS PULSOS - GENERALIZAÇÃO DAS CONEXÕES DIFERENCIAIS

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1 UIERSIDADE ESTADUAL PAULISTA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM EGEHARIA ELÉTRICA REDUÇÃO DE HARMÔICOS DE CORRETE EM RETIFICADORES DE MÚLTIPLOS PULSOS - GEERALIZAÇÃO DAS COEXÕES DIFERECIAIS Dissertaçã submetida à Universidade Estadual Paulista cm parte ds requisits para a btençã d grau de Mestre em Engenharia Elétrica. IÍCIUS ASSAD GOÇALES Ilha Slteira, Abril de 2006.

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3 Resum da Dissertaçã apresentada à UESP-FEIS cm parte ds requisits necessáris para a btençã d grau de Mestre em Engenharia Elétrica. REDUÇÃO DE HARMÔICOS DE CORRETE EM RETIFICADORES DE MÚLTIPLOS PULSOS - GEERALIZAÇÃO DAS COEXÕES DIFERECIAIS inícius Assad Gnçalves Abril/2006 Orientadr: Falcndes Jsé Mendes de Seixas. Área de Cncentraçã: Sistemas de Energia (Eletrônica de Ptência). Palavras-chave: auttransfrmadr, cnexã diferencial, fatr de ptência, distrçã harmônica, múltipls pulss, cnversr CA-CC, retificadr. úmer de Páginas:182. RESUMO: Este trabalh apresenta estud cmparativ de diversas tplgias de cnversres CA- CC trifásics de múltipls pulss, baseads nas cnexões especiais de transfrmadres, principalmente nas cnexões diferenciais de auttransfrmadres. Esta técnica de retificaçã trifásica apresenta as vantagens d baix cnteúd harmônic de crrente na rede e da reduzida ptência aparente prcessada pel núcle ds auttransfrmadres. As cnexões Y-diferenciais e Delta-diferenciais de 12 e de 18 pulss sã generalizadas através de expressões algébricas únicas que descreve tda a família ds cnversres desta natureza, para quaisquer valres de tensã de entrada e de saída. Dentre estes cnversres, a tplgia Delta-diferencial de 18 pulss é esclhida para estud detalhad da distrçã harmônica de crrente na rede de alimentaçã, além d prjet e da implementaçã de dis prtótips, um de 1 kw e utr de 6 kw. As saídas das estruturas retificadras sã ligadas em paralel cm us de transfrmadres de interfase que absrvem as diferenças instantâneas de tensã entre as saídas ds retificadres, pssibilitand assim a peraçã d cnversr cm carga única. Desta frma, a prpsta principal deste trabalh é gerar múltipls pulss de tensã na carga e, cm cnseqüência, bter cnversres que apresentem múltipls pulss na frma de nda da crrente na rede de alimentaçã. Os resultads experimentais ds prtótips implementads sã entã cmparads cm a análise matemática desenvlvida e cm s resultads de simulaçã.

4 Abstract f Dissertatin presented t UESP-FEIS as a partial fulfillment f the requirements fr the degree f Master in Electrical Engineering. REDUCTIO OF HARMOIC CURRET I MULTIPULSE RECTIFIERS - GEERALIZATIO OF THE DIFFERETIAL COECTIOS inícius Assad Gnçalves April / 2006 Advisr: Falcndes Jsé Mendes de Seixas. Area f Cncentratin: Energy Systems (Pwer Electrnics). Keywrds: auttransfrmer, differential cnnectin, pwer factr, harmnic distrtin, three-phase rectifier, pwer quality, AC-DC cnverter. umber f Pages: 182. ABSTRACT: This wrk presents a cmparative study f several multiple pulse AC-DC threephase cnverter tplgies, based n the special cnnectins f transfrmers and differential cnnectins f auttransfrmers. This three-phase technique presents the advantages f lw harmnic current in the mains and the reduced pwer rated t the magnetic system f the auttransfrmer. The 12 and 18-pulse differential Y-cnnectins and differential delta-cnnectins are generalized by ne algebraic expressin. This expressin describes the family f these cnverters fr any value f input and utput vltages. Amng these cnverters, the 18-pulse deltacnnected tplgy is chsen fr a detailed study n the line current harmnic distrtin, and tw prttypes are designed and experimented n, ne with 1 kw and anther ne with 6 kw. The utputs f the rectifiers structures are cnnected in parallel with the use f the interphase transfrmers, reducing this way, the current effrts in each rectifier and making pssible the cnnectin frm DC utputs f the three rectifiers. In this way, the prpsal aim f this wrk is t generate a multipulse vltage n the lad, s that, it has as imprtant result, the multipulse current, with reduced harmnics, in the mains. The experimental results f the prttypes are cmpared t the simulated circuits and the analytical results.

5 SUMÁRIO CAPÍTULO 1 ITRODUÇÃO Históric Reduçã de harmônics de crrente Cnversres de múltipls pulss islads Cnversres de múltipls pulss nã-islads Cnversr nã islad de reduzid ka Utilizaçã das cnexões diferenciais...13 CAPÍTULO 2 ESTUDO DAS COEXÕES ZIGUEZAGUE E POLÍGOO Cnexã ziguezague Cnexã Plígn Ligações das saídas ds retificadres Cnclusões...52 CAPÍTULO 3 COEXÕES DIFERECIAIS Intrduçã Auttransfrmadres Delta diferencial de 12 pulss - cnexã plana Delta diferencial de 12 pulss cnexã fechada Delta diferencial de 12 pulss - cnexã aberta Estrela diferencial de 12 pulss - cnexã aberta Estrela diferencial de 12 pulss - cnexã fechada Estrela diferencial de 18 pulss cnexã aberta Delta diferencial de 18 pulss Cnclusões...94

6 CAPÍTULO 4 GEERALIZAÇÃO DAS COEXÕES DIFERECIAIS Intrduçã Generalizaçã das cnexões y-diferenciais de 12 e 18 pulss Generalizaçã das cnexões Delta-diferenciais de 12 e 18 pulss Unificaçã das Generalizações Y e Delta Diferenciais Exempl de prjet e simulaçã Cnclusões CAPÍTULO 5 AÁLISE, PROJETO E IMPLEMETAÇÃO DO RETIFICADOR TRIFÁSICO DE 18 PULSOS COM AUTOTRASFORMADOR E COEXÃO DELTA-DIFERECIAL Intrduçã Sistemas de tensões geradas Análise matemática das crrentes ds secundáris Análise matemática das crrentes d primári (I ab, I bc e I ca ) Análise das crrentes da rede (I a, I b e I c ) Simulações Dimensinament d auttransfrmadr Prjet d auttransfrmadr Calcul ds indutres de interfase Resultads experimentais Cnclusões COCLUSÕES GERAIS REFERECIAS BIBLIOGRÁFICAS

7 1 CAPÍTULO 1 ITRODUÇÃO 1.1 HISTÓRICO Quand us de cnversres estátics ainda nã era muit difundid, a mairia das cargas cnectadas a sistema elétric era de características lineares, apesar de já existirem elements de interrupçã e cntrle nã lineares. A predminância de elements de natureza indutiva n sistema elétric cm mtres, transfrmadres e reatres faziam cm que a crrente resultante, na mairia ds cass, fsse atrasada em relaçã à tensã. O cnceit de fatr de ptência era resumid a fatr de deslcament, e uma crreçã deste se dava pela simples instalaçã de bancs de capacitres em paralel cm as cargas, levand fatr de deslcament próxim à unidade. Atualmente cm a grande utilizaçã ds cnversres estátics, nas mais diversas aplicações, causand a injeçã de elevad cnteúd harmônic de crrente n sistema elétric e, cm iss, fatr de ptência, que era avaliad apenas pel deslcament da crrente em funçã da tensã, passu a ser reduzid também pela distrçã da frma de nda da crrente, intrduzind cnceit de fatr de distrçã harmônica. O baix fatr de ptência da instalaçã, caracterizad principalmente pel elevad cnteúd harmônic da crrente, é respnsável pr uma série de prblemas causads n sistema elétric, cm pr exempl: mair dissipaçã de calr ns cndutres, errs intrduzids ns equipaments de mediçã, prblemas em utrs equipaments cnectads à mesma rede devid à distrçã da tensã d barrament, interferência eletrmagnética, etc.

8 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 2 Esta injeçã de harmônics se deve principalmente à natureza nã linear das cargas cnectadas a sistema, cm pr exempl, s equipaments eletrônics industriais que utilizam retificadres a dids u a tiristres, mnfásics u trifásics. A grande injeçã de cnteúd harmônic sbre a rede elétrica precupa setr de energia elétrica, e a situaçã passa a ser mais precupante cm a larga utilizaçã de fntes de alimentaçã chaveadas em sistemas industriais, cmerciais e também nas residências. Atualmente, até as simples lâmpadas incandescentes vêm send substituídas pr lâmpadas flurescentes cmpactas cm reatr eletrônic sem dispsitivs pré-cntrladres de fatr de ptência, e a tendência para s próxims ans é de que a quase ttalidade da energia frnecida pelas cncessinárias seja prcessada eletrnicamente. Para as empresas que gerenciam setr de energia elétrica, um elevad valr da Taxa de Distrçã Harmônica (THD - Ttal Harmnic Distrtin) é sinônim de prejuízs, que trna a reduçã da THD de crrente uma necessidade crescente. Decrrente dist surgem nrmas reguladras internacinais n sentid de limitar s níveis de distrçã harmônica da crrente injetada à rede e reduzir nível de interferência eletrmagnética. Em 1975, a nrma eurpéia E50006 fi apresentada pela CEELEC (Cmmissin Eurpéan pur la rmalisacin Eléctrique) e substituída, em 1982, pela IEC (Internatinal Electrtechnical Cmmissin) de númer 555 e revisada em Os principais padrões, atualmente, sã eurpeu IEC e IEC e american IEEE-519 [01, 02]. Brasil, a Assciaçã Brasileira de rmas Técnicas ABT é rganism respnsável pela elabraçã de nrmas em geral (rma Brasileira BR) [03]. A fim de cmpatibilizar muitas das nrmas existentes internacinalmente, a ABT é assciada a IEC. Existem também dcuments emitids pel Grup Crdenadr para Operaçã Interligada GCOI e pel Grup

9 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 3 Crdenadr d Planejament ds Sistemas Elétrics GCPS que cntêm recmendações sbre prcediment e limites de distrçã harmônica, desequilíbri de tensã e cintilaçã, principalmente sbre estuds desenvlvids n setr industrial para cnsumidres cm cargas especiais. 1.2 REDUÇÃO DE HARMÔICOS DE CORRETE s sistemas mnfásics cm ns sistemas trifásics, duas técnicas de reduçã d nível de harmônics na crrente da rede sã largamente explradas: Crreçã passiva Crreçã ativa Crreçã Hibrida A crreçã passiva para a reduçã de harmônics, prvcads pels retificadres em pnte cmpleta e dbradres de tensã, ns sistemas mnfásics, é feita cm a instalaçã de filtrs de indutres, indutres - capacitres u indutres capacitres - dids. Uma frma de se fazer a crreçã ativa é através das tplgias básicas bst [04, 05] e buck-bst [06, 07]. s sistemas trifásics, além das crreções utilizadas ns sistemas mnfásics, nvas técnicas de crreçã, que aprveitam as defasagens de 120º entre as fases, estã send largamente explradas. O circuit retificadr trifásic básic cm seis dids (pnte de Graetz) e filtr capacitiv de saída [08], mstrad na Fig. 1.1, apresenta taxa de distrçã harmônica que chega a 150%, resultand em um fatr de ptência de apenas 0,55.

10 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 4 Fig Retificadr trifásic em pnte de Graetz. Um exempl de uma sluçã passiva, que é usada também ns circuits mnfásics, cnsiste na intrduçã de indutres em série cm as linhas de alimentaçã d circuit [09], cm mstra a Fig. 1.2, para reduzir a distrçã harmônica da crrente de linha. A inserçã ds indutres causa um aument significativ d fatr de ptência e pde limitar a crrente n cas de eventuais curts-circuits. Fig Retificadr trifásic cm filtr indutiv n lad CA. O circuit da Fig. 1.2 apresenta um índice de THD em trn de 20% e fatr de ptência em trn de 0,9, devid principalmente a elevad deslcament de fase entre s cmpnentes fundamentais de tensã e de crrente. Desta frma, a inserçã ds indutres, cm técnica de crreçã passiva, prvcu um aument de 61 % d fatr de ptência e uma reduçã de 87 % da taxa de distrçã Harmônica. Entretant, nem sempre s limites de THD serã atendids, assim cm s limites para s harmônics individuais. O indutr também pde ser utilizad na saída d retificadr [09], cm mstra a Fig. 1.3, prém, este indutr de filtragem tem que ser bastante vlums, para que suprte a máxima crrente de carga, sem que haja a saturaçã d núcle. Para este cas, a THD é n mínim de 30%,

11 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 5 mas fatr de ptência pde chegar a 0,95 devid à simetria angular entre s cmpnentes fundamentais de tensã e de crrente na rede de alimentaçã. Observa-se ainda que s limites para as harmônicas individuais pssam nã ser atendids, apesar d benefíci btid. Fig Retificadr trifásic cm filtr indutiv n lad CC. Um exempl de crreçã ativa de fatr de ptência para retificadres trifásics é a utilizaçã de um cnversr d tip bst, que pera n md de cnduçã descntínua, nde na saída d retificadr sã cnectads s interruptres d cnversr bst, e armazenament de energia é feit pr três indutres cnectads na entrada da pnte que utiliza apenas um interruptr [10], cm está representada na Fig Fig. 1.4 Retificadr trifásic cm cnversr bst acplad. O us desta técnica cnduz à btençã de um fatr de ptência próxim da unidade, devid a deslcament nul entre s cmpnentes fundamentais de tensã e de crrente; prém, geram cmpnentes harmônics de alta freqüência e também cmpnentes de 5ª rdem na crrente que reduzem fatr de ptência. Cntud, pde-se atender plenamente as nrmas IEC quant as cnteúds harmônics, cas a peraçã seja n md de cnduçã cntínua.

12 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 6 A tplgia d cnversr bst apresentada na figura 1.4 pera n md de cnduçã descntínu. Para md de cnduçã cntínu, há a necessidade da inserçã de um indutr entre a pnte retificadra e a chave ativa d cnversr bst. Apesar d bm resultad, vist pela rede de alimentaçã, muits pnts negativs, derivads ds elevads pics de crrente ns elements d cnversr, própris d md de cnduçã descntínua, sã verificads. Esta prpsta é muit interessante, mesm cm s prblemas apresentads, pis abre a pssibilidade de utilizaçã d cnversr em utrs mds de cnduçã, cm em cnduçã cntínua e n md de cnduçã crítica, e também abre a pssibilidade d us de utras tplgias de cnversres CC-CC, inclusive pssibilitand islament de alta freqüência entre a carga e a rede de alimentaçã [11]. Em ptências elevadas, as perdas que crrem ns elements d cnversr CC-CC sã fatres dminantes na esclha da tplgia mais adequada. Diversas técnicas de crreçã ativa de fatr de ptência trifásic têm sid prpstas, seja pela cmutaçã em baixa freqüência de interruptres ligads a neutr da rede [12] u a pnt médi ds capacitres de saída [13], que resultam em cnversres rbusts e de baix cust, seja através de técnicas de cmutaçã suave e cm islament da carga [14], através de cnversres de três níveis [15] u através d us cnjunt das técnicas passiva e ativa fazend uma crreçã hibrida. Outras técnicas trifásicas utilizam a assciaçã de três cnversres mnfásics que realizam a tarefa da crreçã d fatr de ptência cm as saídas cnectadas juntas [16]. as aplicações que exigem islament galvânic entre a carga e a rede de alimentaçã, cada um destes cnversres pde ser seguid de três cnversres CC-CC islads [17-19], u simplesmente utilizar três cnversres islads que já realizam a crreçã d fatr de ptência [20, 21].

13 inícius Assad Gnçalves Capítul COERSORES DE MÚLTIPLOS PULSOS ISOLADOS A aplicaçã de cnversres de múltipls pulss surge cm mais uma técnica de crreçã de fatr de ptência aplicada as cnversres CA-CC trifásics. Esta técnica utiliza as características próprias de cada tplgia em benefíci da qualidade da crrente da rede, elevand fatr de ptência; sã técnicas estritamente passivas u hibridas (ativas mais passivas) cm us de cnversres estátics que têm se destacad cada vez mais na recente literatura. Cm é cnhecid da literatura técnica [22-26], espectr harmônic da crrente da rede de alimentaçã de retificadres trifásics a dids cm filtr indutiv na saída é frmad pela cmpnente fundamental da crrente e pelas cmpnentes harmônicas de rdens k.n ±1 (p/ k=1,2,3...) nde n é númer de pulss. Cnsiderand a carga cm uma fnte de crrente cnstante, bserva-se que ns cnversres de seis pulss, tds s harmônics pares de crrente e s múltipls de três sã eliminads naturalmente, devid à simetria da frma de nda. Desta frma, esta técnica utiliza cnversres de seis pulss u assciações destes para gerar cnversres de múltipls pulss (12, 18 u mais pulss) para eliminar as cmpnentes harmônicas de rdem inferires e pares, que sã as mais prejudiciais as sistemas elétrics. Cnversres de múltipls pulss pdem ser gerads a partir d agrupament de cnjunts de cnversres de seis pulss defasads entre si. A defasagem ds cnjunts deve ser de 60º / númer de cnjunts, send que númer de pulss destes cnversres é dad pr seis vezes númer de cnjunts Cnversr de seis pulss O cnversr de seis pulss pde ser btid pela cnexã direta d retificadr à rede trifásica de alimentaçã, prém este tip de cnexã nã isla cnversr da rede. Para islar cnversr, geralmente é empregad um transfrmadr cm cnexã /Y, cm mstra a Fig Esta islaçã também pde ser feita a partir das cnexões /Z ( /Ziguezague) e /P ( /Plígn).

14 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 8 Fig Cnversr de 6 pulss islad pr transfrmadr /Y Cnversr de 12 pulss Os cnversres de 12 pulss apresentam apenas s harmônics de rdens k.12±1 na crrente da rede, elevand fatr de ptência ainda mais se cmparad a de seis pulss. Obtems um cnversr de 12 pulss a partir de dis cnjunts de seis pulss, defasads entre si de 30. A própria cnexã /Y defasa sistema de tensã em 30 ; prém, para a relaçã de espiras unitária, a tensã é mdificada em raiz de três vezes. Assim, um cnversr de 12 pulss, sem islament, é btid cm uma das pntes ligada diretamente na rede e a utra, através de um transfrmadr /Y cm relaçã unitária entre as tensões de linha. Para a tplgia islada, utiliza-se a cnexã / -Y, u seja, primári é cnectad em, e um ds secundáris que alimenta uma das pntes retificadras é cnectad em, e utr secundári, que alimenta a utra pnte, cnectad em Y. É imprtante que as tensões de linha ds secundáris tenham a mesma amplitude. A Fig. 1.6 mstra esquema básic destes dis cnversres de 12 pulss ã-islad Islad Fig Cnversres de 12 pulss /Y e / -Y. Outrs cnversres de 12 pulss islads pdem também ser btids através das cnexões /Z-Z u /P-P (P = Plígn) [26, 27]. estes dis cass, um ds secundáris cnectad em ziguezague (u em plígn) é prjetad para prduzir um atras da tensã de 15 em relaçã à

15 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 9 rede. O utr secundári prduz tensã adiantada de 15 em relaçã à rede. Desta frma, para ambs s cnversres, s secundáris apresentam defasagem de 30 entre si, cm mstram as duas tplgias da Fig Z +15 P +15 Z -15 P -15 Fig Cnversres de 12 pulss /Z-Z e /P-P Cnversr de 18 pulss Um cnversr de 18 pulss apresenta apenas s cmpnentes harmônics de rdens k.18±1. Muits cnversres de 18 pulss utilizam três pntes trifásicas de seis pulss, análgs as cnversres de 12 pulss. este cas, três sistemas de tensã trifásics, defasads de 20 entre si, devem alimentar as pntes retificadras. Cm exempl de cnversres islads de 18 pulss, duas cnexões sã mstradas na Fig A cnexã /Z-Y-Z apresenta secundári cnectad em Y, adiantad de 30, que é típic da cnexã /Y, e s dis secundáris cnectads em ziguezague, um é adiantad de 50 ( ) e utr adiantad de 10 (30-20 ), em relaçã a primári. A cnexã /P- -P apresenta um secundári cnectad em em fase cm primári e s utrs dis, cnectads em plígn, cm ânguls de +20 e 20 em relaçã a primári.

16 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 10 Z +50 P +20 Y Z +10 P -20 Fig Cnversres de 18 pulss /Z-Y-Z e /P- -P. Apesar da grande rbustez destes cnversres e pel islament galvânic entre a carga e a rede de alimentaçã, suas aplicações ficam prejudicadas pel elevad pes e vlume finais d cnversr, vist que transfrmadr prcessa tda a ptência da carga na freqüência da tensã da rede. Para estes cnversres a tensã retificada nã é regulada, prém, este fat nã é de significativa imprtância nã se caracterizand cm um prblema. Através d us das cnexões ziguezague e plígn é pssível agrupar s cnjunts de cnversres de seis pulss das mais diversas frmas. O cnversr de 18 pulss é gerad pel agrupament de três cnversres de seis pulss e se duas das cnexões d secundári frem ziguezague e/u plígn, pde-se gerar um cnversr de 18 pulss cm tdas cmbinações pssíveis de cnexões ( /Z-Y-Z, /Z- -Z, /Z-P-Z, /P-Y-Z, etc.) prém, neste estud, serã analisadas apenas as cnexões mais usuais para s cnversres de 6, 12 e 18 pulss. 1.4 COERSORES DE MÚLTIPLOS PULSOS ÃO-ISOLADOS Cm bjetiv de reduzir pes e vlume ds elements magnétics, e trnar as aplicações ds cnversres de múltipls pulss mais atrativas, surgem s cnversres que apresentam vantagens similares às apresentadas. Estas tplgias, na mairia ds cass, utilizam auttransfrmadres cm cnexões diferenciais.

17 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 11 A cnexã diferencial ds enrlaments de um auttransfrmadr trifásic permite gerar subsistemas trifásics, equilibrads e adequadamente defasads entre si, a partir de um sistema de alimentaçã trifásic cnectad a enrlament primári d auttransfrmadr em Y u. Pr tratar-se de um auttransfrmadr, é cnhecid da literatura técnica que nem tda a ptência entregue à carga é prcessada pel núcle d auttransfrmadr [28]. Em utras palavras pde-se dizer que uma grande parcela da energia é apenas cnduzida pels enrlaments primári e secundári, sem a transfrmaçã eletrmagnética, vist que nã há islament galvânic entre s enrlaments. O us d auttransfrmadr, para certas cnexões, pde reduzir a ptência aparente d sistema magnétic em até 80% cm relaçã a sistema cnvencinal islad. O grande benefíci de imediat é a reduçã drástica d pes e d vlume d cnversr. Pr utr lad, da mesma frma que ns sistemas cm transfrmadres islads, a cnexã paralela das saídas ds retificadres fazse através de indutres vlumss. Estes indutres pdem ser reduzids cm a utilizaçã de cnversres CC-CC de alta freqüência nas saídas ds retificadres, s quais regulam também a tensã sbre a carga. 1.5 COERSOR ÃO ISOLADO DE REDUZIDO KA Um destes cnversres nã islads de baix pes e vlume é cnversr CA-CC utilizand transfrmadr LIT (Line-side Interphase Transfrmer), cm tplgia para perar em 12 u em 18 pulss. O transfrmadr LIT é cnstituíds de três núcles mnfásics cm três enrlaments cada, ttalizand nve enrlaments, adequadamente interligads para dividir a crrente de cada fase em duas cmpnentes deslcadas, uma adiantada e a utra atrasada de um ângul desejad, em relaçã

18 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 12 à crrente da fase. Este deslcament é definid pelas relações de espiras entre s enrlaments d transfrmadr LIT, pertencentes a um mesm núcle mnfásic. Desta frma é pssível bter dis sistemas trifásics defasads a partir de um. Para que a crrente de entrada apresente uma envltória senidal, transfrmadr LIT pssui indutres de filtr na entrada d transfrmadr. A clcaçã destes indutres reduz a taxa de distrçã harmônica ttal. Prém se fr utilizad um valr muit elevad para estes indutres, haverá um atras da crrente em relaçã à tensã, que representa um aument n ângul de deslcament, desta frma reduzind fatr de ptência. Entretant, empreg de capacitres d lad CA d retificadr pde slucinar este prblema. A figura 1.9 mstra esquema de ligaçã ds enrlaments d LIT de 12 pulss. Line Interphase Transfrmer Lcc a b Lca1 La1 Lb1 Lc1 R L I c Lca2 La2 Lb2 Lc2 Lca3 La3 Lb3 Lc3 Fig 1.9 LIT - Line Interphase Transfrmer.

19 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 13 O cnversr CA-CC, utilizand transfrmadr LIT, é uma tplgia nã islada, cm pes e vlume relativamente baixs, vist que a ptência prcessada em cada núcle mnfásic d LIT é de aprximadamente 15% da ptência ttal da carga. O transfrmadr LIT nã regula a tensã de saída frente a variações de carga u flutuações na tensã da rede de alimentaçã. Prém, a utilizaçã d LIT assciad a um cnversr CC-CC, que aprveita a característica de entrada em crrente cm estági de entrada da tplgia de alta freqüência esclhida [29,30], permite a regulaçã da tensã de saída d cnversr. As saídas ds retificadres deste tip de cnversr pdem ser ligadas em paralel sem us de transfrmadres de interfase (IPTs) pis s múltipls pulss da crrente de entrada crrem pela cmpsiçã das crrentes defasadas de cada fase, nã havend diferença de ptencial, instantaneamente, entre as saídas ds retificadres. Além d LIT, utras estruturas de transfrmadres, também sem islament, têm-se mstrad atrativas pela rbustez e simplicidade apresentadas. Estas tplgias, na mairia ds cass, utilizam auttransfrmadres cm cnexões diferenciais. 1.6 UTILIZAÇÃO DAS COEXÕES DIFERECIAIS As cnexões -diferenciais de 12 e de 18 pulss utilizam auttransfrmadres reduzids que prcessam apenas 20% da ptência ttal da carga [31]. Prém, para a ligaçã das saídas ds retificadres em paralel há a necessidade d us de transfrmadres de interfase (IPT Inter Phase Transfrmer), pis apesar das tensões médias de saída ds retificadres serem iguais, as tensões instantâneas de saída sã diferentes, já que as tensões ds secundáris estã defasadas entre si. Esta diferença instantânea das tensões de saída ds retificadres prvca desbalanceament das crrentes entre s secundáris causand nã cancelament natural das harmônicas.

20 inícius Assad Gnçalves Capítul 1 14 Para a cnexã de 12 pulss, seis enrlaments secundáris e quatr indutres (IPT - Inter- Phase Transfrmer) cnectads n lad CC sã necessáris, cm mstra a figura A cnexã de 18 pulss necessita de 12 enrlaments secundáris e de seis indutres IPTs, cm mstra a figura Inter - Phase Tranfrmer a b c Auttransfrmadr I /2 I /2 Lif 1 Lif 2 Lif 3 Lif 4 R L I Fig 1.10 IPT Inter-Phase Transfrmer para cnversres de 12 pulss Inter - Phase Tranfrmer a I /3 Lif 1 Lif 2 b I /3 Lif 3 Lif 4 R c Auttransfrmadr I /3 Lif 5 Lif 6 L I Fig 1.11 IPT Inter-Phase Transfrmer para cnversres de 18 pulss A substituiçã d IPTs pr um reatr ativ, a qual é injetada uma crrente triangular, reduz a distrçã harmônica da crrente de entrada a mens de 1% [32]. A partir da cnexã de 12 pulss, islada u nã, pde-se bter um cnversr de 24 pulss através de pequenas mdificações n funcinament ds IPTs [33]. A utilizaçã d transfrmadr eletrônic, que pera em alta freqüência, ajuda a trnar estes cnversres mais cmpacts [34,35]. A prpsta deste trabalh cmpreende estud das cnexões diferenciais de auttransfrmadres, algumas delas encntradas na literatura técnica e utras inéditas. este estud, as principais tplgias de 12 e de 18 pulss sã analisadas pr simulaçã e s resultads cmparativs apresentads.

21 inícius Assad Gnçalves Capitul 2 Estud das cnexões ziguezague e plígn 15 2 CAPÍTULO 2 ESTUDO DAS COEXÕES ZIGUEZAGUE E POLÍGOO 2.1 COEXÃO ZIGUEZAGUE Classicamente a cnexã ziguezague é utilizada para se bter uma cmpensaçã de flux magnétic n secundári de transfrmadres que alimentam retificadres a três pulss, u seja, retificadres trifásics a pnt médi. Ist crre devid à característica particular das cnexões em pnt médi de prprcinarem crrente em um únic sentid ns enrlaments d secundári d transfrmadr. Sã gerads fluxs pelas três fases n mesm sentid e, prtant, se smam, causand uma crrente média diferente de zer, que prvca cert nível de saturaçã d núcle d transfrmadr, exigind um prjet aprpriad. Esse desbalanceament é tlerad em transfrmadres trifásics de três clunas, já que flux tem cm únic caminh ar, cuja relutância é extremamente alta, se cmparada à d ferr. entant, em aplicações em que sã empregads bancs de transfrmadres mnfásics, de altíssima ptência, este efeit é bastante dans, razã pela qual se deve empregar alguma técnica para prver um balanceament. Uma técnica bastante usual é a cnexã ziguezague. as aplicações clássicas, utiliza-se a cnexã ziguezague, cntend enrlaments cm mesm númer de espiras, cm únic bjetiv de balancear fluxs. este estud, esta cnexã será utilizada cm bjetiv de prvcar um deslcament angular entre as crrentes d primári e secundári d transfrmadr; send assim, s enrlaments, que cmpõem cada uma das fases, nã terã mesm númer de espiras, e a relaçã entre essas espiras frnecerá deslcament angular desejad.

22 inícius Assad Gnçalves Capítul Análise ds enrlaments As cnexões ziguezague sã geradas a partir de smas u subtrações vetriais de tensões. este estud, primári ds transfrmadres estará sempre ligad em, pis nesta ligaçã nã há necessidade de um terra. Em cada perna d transfrmadr, estã ligads s enrlaments d primári, d secundári e um enrlament auxiliar cm mstra a Fig a a1 1 a b b1 b c c1 c 23 Fig 2.1 Esquema de ligaçã ds enrlaments Cm s enrlaments cm índices 31 e a1 estã mntads sbre a mesma perna d transfrmadr, as tensões sbre estes enrlaments estã rigrsamente em fase, e s sentids ds enrlaments sã definids pelas marcas de plaridade. O mesm acntece cm cnjunt de enrlaments 12 e b1 e também cm cnjunt 23 e c1. Os enrlaments d primári sã alimentads pelas tensões de linha definidas pr: 12, 23 e 31 Estas tensões de linha, aplicadas ns enrlaments d primári sã refletidas n secundári cm a mesma fase, se a relaçã de espiras d primári fr igual a d secundári, cm mesm módul. Quand secundári d transfrmadr está ligad em Y, as tensões de linha, aplicadas a primári, passam a ser tensões de fase n secundári, definidas pr: a, b e c : tensões de fase d secundári A relaçã entre tensões de fase e de linha é dada pela equaçã (2.1). = 3 30º (2.1) 12 1

23 inícius Assad Gnçalves Capítul A tensã de linha é 3 vezes mair que a tensã de fase e está 30º adiantada cm mstra diagrama fasrial da Fig ,0 1 30, , Fig 2.2 Diagrama fasrial das tensões de fase e de linha d primári Para um secundári ligad em Y e relaçã de espira igual a um, a tensã 12 (linha primária) passa a ser a (fase secundária) desta frma tems que ab é três vezes mair que a tensã de fase 1, cm mstra a equaçã (2.3). 3 30º (2.2) ab = a Cm a = 12 tems da equaçã 2.1 em 2.2 que: ab = º 3 30º ab = º (2.3) Durante este estud, será tmada cm referência a rede; s sistemas gerads serã defasads em relaçã a esta, de acrd cm a necessidade, e terã mesm módul das tensões da rede. a cnexã Y d secundári, módul da tensã é ajustad através da relaçã de espiras, prém nã é pssível alterar a defasagem deste sistema. Já na cnexã ziguezague, a alteraçã da relaçã de espiras d enrlament secundári e d enrlament auxiliar pde alterar ângul de defasagem, assim cm módul da tensã resultante. As tensões entre s terminais de cada enrlament secundári sã definidas pr:

24 inícius Assad Gnçalves Capítul a, b e c : secundári a1, b1 e c1 : auxiliar. A cmpsiçã das tensões d secundári e as tensões auxiliares resultarã em: a, b e c : tensões de fase d secundári. Cada um ds sistemas trifásics é gerad a partir d sistema da rede de alimentaçã, tmand cm referência angular as tensões de fase ( 1, 2 e 3 ), u seja, cm relaçã a neutr da rede u a neutr fictíci (pnt ) que, tratand-se de um sistema simétric e equilibrad, estã n mesm ptencial. Para bter um sistema em avanç u em atras cm relaçã à referência, basta efetuar uma peraçã vetrial de sma u de subtraçã entre as tensões, dependend da plaridade ds enrlaments. É mais simples, prém, efetuar esta peraçã através da representaçã fasrial u simplesmente através de relações trignmétricas. O ângul de defasagem da tensã ns enrlaments secundáris, em relaçã à rede, é de 30º adiantad, cm já fi vist, mas para efetuar as perações de sma u subtraçã fasrial, a tensã ns enrlaments secundáris será cnsiderada na rigem e, depis de calculada a defasagem em relaçã a ela, será calculada a defasagem em relaçã à rede, que é a verdadeira referência, cm mstra a Fig Lc1 Lb2 Adi L b1 L c2 Atr 60º - θ Adi La Atr θ L a θ 120º θ L a2 Lc L b L a1 Lb2 L c L b L c1 L b1 Transfrmadr Abaixadr Lc2 L a1 Transfrmadr Elevadr Fig Diagrama fasrial das cnexões ziguezague adiantada e atrasada para transfrmadres abaixadr e elevadr. L a2

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