UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA. Silvia Helena Pini

Transcrição

1 UNIERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM FILTRO ATIO PARALELO DE DOIS QUADRANTES CONECTADO NO LADO DE CORRENTE CONTÍNUA DE UM RETIFICADOR MONOFÁSICO COM FILTRO INDUTIO Flrianóplis

2 ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM FILTRO ATIO PARALELO DE DOIS QUADRANTES CONECTADO NO LADO DE CORRENTE CONTÍNUA DE UM RETIFICADOR MONOFÁSICO COM FILTRO INDUTIO Catalgaçã na nte pela Bibliteca Universitária da Dissertaçã submetida à cm parte ds requisits para a btençã d grau de Mestre em Engenharia Elétrica. Flrianóplis P654e Pini, Silvia Helena Estud e implementaçã de um iltr ativ paralel de dis quadrantes cnectad n lad de crrente cntínua de um retiicadr mnásic cm iltr indutiv [dissertaçã] / ; rientadr, Iv Barbi. - Flrianóplis, SC,. 98 p.: il., tabs. Dissertaçã (mestrad) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centr Tecnlógic. Prgrama de Pós-Graduaçã em Engenharia Elétrica. Inclui reerências.. Engenharia elétrica.. Filtr ativ. 3. Fatr de ptência. 4. Retiicadr indutiv. 5. Dis quadrantes. I. Barbi, Iv. II.. Prgrama de Pós-Graduaçã em Engenharia Elétrica. III. Títul. CDU 6.3

3 ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM FILTRO ATIO PARALELO DE DOIS QUADRANTES CONECTADO NO LADO DE CORRENTE CONTÍNUA DE UM RETIFICADOR MONOFÁSICO COM FILTRO INDUTIO Esta Dissertaçã i julgada adequada para btençã d Títul de Mestre em Engenharia Elétrica, Área de Cncentraçã em Eletrônica de Ptência, e aprvada em sua rma inal pel Prgrama de Pós-Graduaçã em Engenharia Elétrica da. Pr. Iv Barbi, Dr. Ing. Orientadr Pr. Rbert de Suza Salgad, Ph.D. Crdenadr d Prgrama de Pós-Graduaçã em Engenharia Elétrica Banca Examinadra: Eng. Dirk Lindeke, MSc. Ing Pr. Eni almr Kassick, Dr. Pr. Denizar Cruz Martins, Dr. Pr. Marcel Lb Heldwein, Dr.

4 As meus pais.

5 AGRADECIMENTOS As meus pais, Adenir e Maria Helena, pr terem sempre me apiad nas minhas decisões e me incentivad a lutar pels meus bjetivs. A Deus, pela minha vida, saúde, capacidade e prtunidades que, graças a Ele, tive na vida. A pressr Iv Barbi, pr sua rientaçã dedicada a lng de td trabalh, estand sempre muit presente, visand bm aprendizad e a qualidade d trabalh. As demais pressres e uncináris d Institut de Eletrônica de Ptência, pela amizade, api e cnvívi. Em especial a Luiz Marcelius Celh, pela paciência e clabraçã n desenvlviment d prtótip. As clegas André L. Fuerback e Alessand Batschauer, pelas sugestões e pela permanente dispnibilidade em cmpartilhar cnheciment e experiência adquirids. As váris clegas d labratóri, pelas discussões prveitsas sbre trabalh que, de alguma rma, puderam agregar n desenvlviment d mesm. As meus clegas mais próxims, Gleysn L. Piazza, Rdrig da Silva e Rbert F. Celh, pela amizade e prveitsa cnvivência durante mestrad. As meus amigs Gabriel Tibla e Larissa Bittencurt, pela paciência, pel api, e pr estarem muit presentes na minha vida, a lng desses dis ans de mestrad. A CNPQ pel api inanceir, sem qual nã seria pssível a realizaçã desta pesquisa.

6 Resum da Dissertaçã apresentada à UFSC cm parte ds requisits necessáris para a btençã d grau de Mestre em Engenharia Elétrica. ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM FILTRO ATIO PARALELO DE DOIS QUADRANTES CONECTADO NO LADO DE CORRENTE CONTÍNUA DE UM RETIFICADOR COM FILTRO INDUTIO Abril/ Orientadr: Iv Barbi, Dr. Ing. Área de Cncentraçã : Eletrônica de Ptência. Palavras-chave: Filtr Ativ, Fatr de Ptência, Retiicadr cm Filtr Indutiv, Dis Quadrantes. Númer de Páginas: 98. O presente trabalh abrda estud e a implementaçã de um iltr ativ paralel de dis quadrantes aplicad a um retiicadr mnásic cm iltr indutiv. Seu prpósit principal é de crrigir atr de ptência e reduzir cnteúd harmônic da crrente de entrada desse retiicadr. Outra mtivaçã, para a aplicaçã d iltr ativ n retiicadr cm iltr indutiv, é a ampliaçã de sua aixa de peraçã n md de cnduçã cntínua. Primeiramente, estud d retiicadr é apresentad, juntamente cm uma análise da crrente de entrada. Cnhecidas as características d retiicadr, uncinament e equacinament da estrutura, cm iltr ativ prpst, sã detalhads. De psse das unções de transerência d sistema, a estratégia de cntrle é prpsta e prcediment para a determinaçã ds cmpensadres analógics é desenvlvid. O prjet de tds s circuits necessáris para a implementaçã prática da estrutura, cm a inalidade de cnirmar a teria, também é apresentad. Os resultads btids pr simulaçã e experimentalmente validam tda a análise e mdelagem realizada e, ainda, cmprvam s bjetivs d trabalh.

7 Abstract Dissertatin presented t UFSC as a partial ulillment the requirements r the degree Master in Electrical Engineering. STUDY AND IMPLEMENTATION OF A TWO-QUADRANT SHUNT ACTIE POWER FILTER CONNECTED ON THE DC SIDE OF A RECTIFIER WITH INDUCTOR FILTER April/ Advisr: Iv Barbi, Dr. Ing. Area Cncentratin: Pwer Electrnics. Keywrds: Active Pwer Filters, Pwer Factr, Rectiier with Inductr Filter, Tw Quadrants. Number Pages: 98. This wrk presents the study and implementatin a tw quadrants shunt active pwer ilter (APF) applied in a single phase rectiier with DCside inductr ilter. The main purpse this APF is the input side pwer actr crrectin and the input current harmnic cntents reductin. Anther mtivatin r this applicatin is the increasing the peratin range n cntinuus cnductin mde this rectiier. Initially, the rectiier study is presented, alng with the input current analysis. Once the rectiier characteristics are established, the peratin and the mathematical analysis the system including the APF are detailed. Ater the derivatin the system transer unctins, a cntrl strategy is prpsed and the prcedure r determinatin the analg cmpensatrs is develped. The design all the circuits necessary r practical implementatin, intended t cnirm thery, is als presented. Simulatin and experimental results validate the perrmed analysis and mdeling, justiying the wrk gals.

8 LISTA DE FIGURAS Figura. Retiicadr em pnte cmpleta a dids cm saída LC 3 Figura. - Circuit cmplet d retiicadr 4 Figura.3 Principais rmas de nda para MCC 6 Figura.4 Circuit para ª etapa e ª etapa 7 Figura.5 Circuit da 3ª etapa 8 Figura.6 Frmas de nda d retiicadr em MCD 9 Figura.7 Circuit d retiicadr indutiv, cnsiderand a tensã de saída cnstante Figura.8 Circuit equivalente Figura.9 Circuit simpliicad d retiicadr para MCC 6 Figura. Característica de carga d retiicadr Figura. Harmônics da crrente de entrada Figura. Fatr de ptência, taxa de distrçã harmônica e atr de deslcament em unçã da variaçã da carga 3 Figura.3 - Detalhe das curvas de Fatr de ptência, taxa de distrçã harmônica e atr de deslcament em unçã da variaçã da carga 3 Figura. Cnversr nte de tensã (SI) 6 Figura. Cnversr nte de crrente (CSI) 6 Figura.3 Filtr ativ paralel 7 Figura.4 Filtr ativ série 8 Figura.5 Filtr ativ híbrid 9 Figura.6 Assciaçã de iltrs ativs série e paralel 3 Figura.7 Filtr ativ paralel em sistema mnásic 3 Figura.8 Filtr ativ paralel em sistema triásic a três is 3 Figura.9 Filtr ativ paralel em sistema triásic a 4 is cm barrament CC tip pnt médi 3 Figura. Filtr ativ paralel em sistema a 4 is cm três pntes mnásicas 33 Figura. Filtr ativ paralel em sistema a 4 is cm quatr braçs 33 Figura. Fnte de harmônic de crrente 35 Figura.3 Fnte de harmônic de tensã 35 Figura.4 Estratégia pr mnitrament de crrente de carga e de iltr 37 Figura.5 Estratégia pr mnitrament da crrente da rede 38 Figura 3. Estrutura de ptência prpsta 4 Figura 3. Cnversr d iltr ativ 4 Figura 3.3 Circuit equivalente d iltr ativ 43 Figura 3.4 Circuit equivalente d iltr ativ para um períd de chaveament 43 Figura 3.5 Circuit equivalente da primeira etapa de peraçã 44 Figura 3.6 Circuit equivalente d iltr ativ para a segunda etapa de peraçã 45 Figura 3.7 Curva da razã cíclica 47 Figura 3.8 Ondulaçã de crrente d iltr parametrizada 49 Figura 3.9 Principais rmas de nda d retiicadr cm indutância CC perand n MCC 5 Figura 3. Frma de nda da crrente n indutr de carga btida a partir da expressã (3.57) 54 Figura 3. Frma de nda da crrente n indutr d iltr btida a partir da expressã (3.66) 56 Figura 3. Circuit d iltr ativ 57 Figura 3.3 Estrutura de ptência cmpleta d sistema 58 Figura 3.4 Circuit equivalente d iltr ativ para valres médis instantânes 59 Figura Circuit equivalente para as crrentes d iltr ativ 6 Figura 3.6 Circuit equivalente d sistema, perand cm iltr ativ 64 Figura 3.7 Frma de nda da crrente de entrada retiicada 65 Figura 3.8 Frma de nda da tensã na saída da pnte retiicadra 66 Figura 3.9 Estrutura de cntrle prpsta 68 Figura 3. Circuit de cmpensadres avanç-atras (a) simétric; (b) assimétric 69 Figura 3. - Diagrama assintótic de Ha(s) 7 Figura 3. - Frmas de nda da crrente de entrada, tensã na saída da pnte retiicadra, e tensã de carga cm s= khz (a) carga nminal ; (b) 5% de carga nminal 73 Figura Frmas de nda da crrente de entrada, tensã na saída da pnte retiicadra, e tensã de carga cm s=3khz (a) carga nminal ; (b) 5% de carga nminal 74 Figura Frmas de nda da crrente de entrada, tensã na saída da pnte retiicadra, e tensã de carga cm s=6 khz (a) carga nminal ; (b) 5% de carga nminal 75 Figura Frmas de nda da crrente de entrada, tensã na saída da pnte retiicadra, e tensã de carga cm s=khz (a) carga nminal ; (b) 5% de carga nminal 76 Figura 3.6 Curvas de atr de ptência da estrutura, para cnversr perand sem iltr ativ, e cm iltr ativ em dierentes reqüências de chaveament 78

9 Figura Curvas de taxa de distrçã harmônica da crrente de entrada da estrutura, para cnversr perand sem iltr ativ, e cm iltr ativ em dierentes reqüências de chaveament 79 Figura 3.8 Curvas da tensã de carga em unçã d valr de carga, para cnversr perand sem iltr ativ, e cm iltr ativ em dierentes reqüências de chaveament 8 Figura 4. Estrutura de ptência prpsta 83 Figura 4. Frma de nda da crrente n capacitr de carga 86 Figura 4.3 Diagrama de blcs da estrutura de cntrle d iltr ativ 9 Figura 4.4 Curva da razã cíclica d retiicadr 9 Figura Diagrama de blcs da malha de crrente 9 Figura Diagrama de Bde da planta de crrente 9 Figura Diagrama de Bde da FTMA de crrente 93 Figura Diagrama de Bde d cmpensadr de crrente 96 Figura Diagrama de Bde da FTMA d sistema cmpensad 96 Figura 4. Circuit d Cmpensadr de Crrente 97 Figura 4. Diagrama de Bde das unções de transerência d cmpensadr de crrente 99 Figura 4. Diagrama de blcs simpliicad da estrutura de cntrle 99 Figura 4.3 Diagrama de Bde da planta de tensã Figura 4.4 Diagrama de Bde d iltr rejeita-aixa Figura 4.5 Diagrama de Bde da FTMA da malha de tensã nã cmpensada Figura Diagrama de Bde da FTMA d cmpensadr de tensã prjetad 4 Figura Diagrama de Bde da FTMA da malha de tensã cmpensada 4 Figura 4.8 Circuit d Cmpensadr de Tensã 5 Figura 4.9 Diagrama de Bde das unções de transerência d cmpensadr de tensã 7 Figura 4. Diagramas de blc da estrutura interna d CI UC3854A/B. Fnte [8] 9 Figura 4. Diagrama básic d cntrle d UC3854B Figura 4. Cniguraçã ds parâmetrs externs d UC3854B Figura 4.3 Filtr passa-baixas de segunda rdem Figura 5. Diagrama de blcs da geraçã d sinal da entrada A d multiplicadr Figura 5. Circuit para geraçã da entrada A d multiplicadr 3 Figura 5.3 Circuit d iltr rejeita-aixas 4 Figura 5.4 Sensr de Crrente 7 Figura 5.5 Divisr resistiv 8 Figura 5.6 Circuit d sensr de tensã a partir de divisr resistiv 9 Figura 5.7 Esquemátic d circuit das ntes auxiliares 3 Figura 5.8 Circuit equivalente das ntes auxiliares 3 Figura 5.9 Circuit d Sinal de Sincrnism 3 Figura 5. Circuit d cmparadr de histerese 3 Figura 5. Característica d cmparadr de histerese 33 Figura 5.- Circuit de prteçã cntra sbretensã 34 Figura 5.3 Cniguraçã da nte SKHIPS 35 Figura 5.4 Cniguraçã d driver SKHI pa 35 Figura Tensã e crrente de entrada e tensã de barrament CC da carga cm ptência nminal (a) sem iltr ativ; (b) cm iltr ativ 38 Figura 5.6 Espectr harmônic da crrente de entrada (a) sem iltr ativ; (b) cm iltr ativ 39 Figura 5.7 Tensã da rede e (a) crrente de entrada; (b) crrente de entrada retiicada; (c) crrente n indutr de carga; (d) crrente n indutr d iltr ativ 4 Figura 5.8 Tensã de barrament CC d iltr ativ 4 Figura Tensã e crrente de entrada e tensã de barrament CC da carga cm % de ptência nminal (a) sem iltr ativ; (b) cm iltr ativ 4 Figura 5. - Transitóri de carga de 65% para % de ptência nminal (a) tensã e crrente de entrada; (b) tensões de barrament CC d iltr ativ e de carga 4 Figura 5. Ft d prtótip implementad 43 Figura 5. Tensã e crrente de entrada e tensã de barrament CC da carga cm ptência nminal (a) sem iltr ativ; (b) cm iltr ativ 45 Figura 5.3 Espectr harmônic da crrente de entrada (a) sem iltr ativ; (b) cm iltr ativ 46 Figura 5.4 Tensã da rede e (a) crrente de entrada; (b) crrente de entrada retiicada; (c) crrente n indutr de carga; (d) crrente n indutr d iltr ativ 46 Figura 5.5 Tensã de barrament CC d iltr ativ 47 Figura Tensã e crrente de entrada e tensã de barrament CC da carga cm % de ptência nminal (a) sem iltr ativ; (b) cm iltr ativ 48 Figura 5.7 Transitóri de carga de 65% para % de ptência nminal (a) tensã e crrente de entrada; (b) tensões de barrament CC d iltr ativ e de carga 49

10 Figura 5.8 Rendiment da estrutura cm FAP em unçã da carga nminal 5

11 SIMBOLOGIA Principais Símbls Utilizads Símbl Signiicad Unidade t Temp s Ângul elétric rad Freqüência angular rad/s Freqüência elétrica Hz Ângul de cnduçã rad Ângul de blquei rad ( ) Tensã da rede I ( ) Crrente da rede A ( ) Tensã na saída da pnte retiicadra I ( ) Crrente na saída da pnte A retiicadra ( ) L Tensã na indutância de carga I ( ) L Crrente na indutância de carga A I ( ) C Crrente n capacitr de carga A Tensã de barrament CC d iltr C ativ I ( ) Crrente na indutância d iltr ativ A L il ( ) Ondulaçã de crrente em alta reqüência na indutância d iltr ativ il ( ) Ondulaçã de crrente parametrizada em alta reqüência na indutância d iltr ativ IC ( ) Crrente n capacitr de barrament CC d iltr ativ I Crrente eicaz em períd de rede Ce n capacitr de barrament CC d iltr ativ I ( ) S Crrente na chave superir d braç d iltr ativ A A A A I ( ) S Crrente na chave inerir d braç A d iltr ativ Tensã de carga I Crrente de carga A L Indutr de carga H C Capacitr de carga F R Resistr de carga L CR alr crític da indutância de carga H R CR alr crític da resistência de carga L Indutr d iltr ativ H C Capacitr d iltr ativ F P Ptência ativa de entrada W P Ptência ativa de saída W Q Ptência reativa da carga Ar Tensã de pic de entrada p I Crrente de pic de entrada A p Tensã de entrada eicaz e I Crrente de eicaz de entrada A e X Parametrizaçã da carga X Parametrizaçã da carga crítica CR I Crrente de carga parametrizada I Crrente de carga crítica CR parametrizada d( ) Razã cíclica D Razã cíclica média em períd de med rede Freqüência elétrica da tensã de rede Hz rede Freqüência de cmutaçã ds Hz s interruptres T Períd elétric da tensã de rede s s

12 Freqüência d zer Hz z Freqüência d pól Hz p Freqüência de crte Hz c Hv () s Funçã de transerência da planta de tensã H I () s Funçã de transerência da planta de crrente Cv () s Funçã de transerência d cmpensadr de tensã CI ( s ) Funçã de transerência d cmpensadr de crrente K Ganh da malha de crrente de carga I FN () s Funçã de transerência d iltr rejeita-aixas T i () s Funçã de transerência de malha aberta de crrente para sistema nã cmpensad Ti () s Funçã de transerência de malha aberta de crrente para sistema cmpensad T v () s Funçã de transerência de malha aberta de tensã para sistema nã cmpensad Tv () s Funçã de transerência de malha aberta de tensã para sistema cmpensad MF Margem de ase d sistema nã graus NC cmpensad MF Margem de ase d sistema graus C cmpensad K, G Ganh d sensr de crrente /A ihall i K, G Ganh d sensr de tensã v vhall v Err da tensã de barrament CC d iltr ativ Err da crrente de entrada retiicada A i Sinal d cmpensadr de tensã cv Sinal d cmpensadr de crrente ci Sinal medid da crrente de carga I ds Amplitude da prtadra dente-deserra G Ganh d mduladr PWM / PWM G Ganh d multiplicadr mult G Ganh de aixa plana FP G Ganh da malha de crrente A/ Mi Tensã d circuit de prteçã de prt sbretensã Entrada A d multiplicadr d vea UC3854B I ( ) AC Entrada B d multiplicadr d UC3854B Entrada C d multiplicadr d UC3854B A

13 LISTA DE ABREIATURAS E SIGLAS Símbl CA CC FA FAP FAS FPP MCC MCD THD FP FDesl CSI SI UPS PCC PLC LC Principais Acrônims e Abreviaturas Signiicad Crrente Alternada Crrente Cntínua Filtr Ativ Filtr Ativ Paralel Filtr Ativ Série Filtr Passiv Paralel Md de Cnduçã Cntínua Md de Cnduçã Descntínua Taxa de Distrçã Harmônica Fatr de Ptência Fatr de Deslcament Current Surce Inverter ltage Surce Inverter Uninterruptible Pwer Supply Pnt de Cnexã Cmum Pwer Line Cnditiner Indutiv-Capacitiv

14 SUMÁRIO INTRODUÇÃO CAPÍTULO I 3. ANÁLISE DO RETIFICADOR CLÁSSICO COM CARGA INDUTIA 3.. INTRODUÇÃO 3.. OPERAÇÃO NO MODO DE CONDUÇÃO CONTÍNUA 4... Análise Matemática 4... Frmas de Onda 5.3. MODO DE CONDUÇÃO DESCONTÍNUA Etapas de Operaçã Frmas de Onda Expressã da Crrente n Indutr Expressã da Crrente Média n Indutr.4. CÁLCULO DA CARGA CRÍTICA CURA DA CARACTERÍSTICA DE CARGA DO RETIFICADOR 9.6. CARACTERÍSTICAS DA CORRENTE DE ENTRADA.7. CONCLUSÕES 4 CAPÍTULO II 5. REISÃO DE FILTROS ATIOS 5.. INTRODUÇÃO 5.. CLASSIFICAÇÃO DOS FILTROS ATIOS 5... Classiicaçã pr Cnversr 5... Classiicaçã pr Tplgia Classiicaçã Quant a Sistema de Supriment de Energia Fntes de Harmônics ESTRATÉGIAS DE CONTROLE DA CORRENTE PARA FILTROS ATIOS PARALELOS Estratégia pr Mnitrament das Crrentes de Carga e d FAP Estratégia pr Mnitrament da Crrente da Rede CONCLUSÕES 38 CAPÍTULO III 4 3. ESTRUTURA DE POTÊNCIA DO FILTRO ATIO PARALELO CONECTADO NO LADO CC DE UM RETIFICADOR INDUTIO INTRODUÇÃO ANÁLISE MATEMÁTICA Etapas de Operaçã Cálcul da Razã Cíclica Cálcul da Ondulaçã de Crrente n Indutr d Filtr Ativ Expressã da Crrente na Indutância de Carga Expressã da Crrente de Baixa-Freqüência na Indutância d Filtr Ativ 3.3. CÁLCULO DA CORRENTE EFICAZ NO CAPACITOR DO 55 BARRAMENTO CC DO FILTRO ATIO MODELAGEM DAS FUNÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DO SISTEMA Mdel para Cntrle da Crrente Mdel para Cntrle da Tensã ESTRATÉGIA DE CONTROLE E PROJETO DOS COMPENSADORES PROJETO DOS COMPENSADORES ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DO FILTRO ATIO EM REGIME PERMANENTE Frmas de Onda Analisadas Curva de Fatr de Ptência Curva da Taxa de Distrçã Harmônica da Crrente de Entrada Curvas de Tensã de Carga CONCLUSÕES 8 CAPÍTULO I PROJETO DOS COMPONENTES PASSIOS DO ESTÁGIO DE POTÊNCIA E DOS COMPENSADORES INTRODUÇÃO ESPECIFICAÇÕES DO SISTEMA Cálcul ds Cmpnentes Passivs da Carga CÁLCULO DOS COMPONENTES PASSIOS DO FILTRO ATIO PROJETO DOS CIRCUITOS DE CONTROLE Cmpensadr de Crrente 9

15 4.4.. Cmpensadr de Tensã O Circuit Integrad UC3854B CONCLUSÕES 7 CAPÍTULO 9 5. DIMENSIONAMENTO DOS SEMICONDUTORES E DOS CIRCUITOS AUXILIARES, SIMULAÇÕES E RESULTADOS EXPERIMENTAIS INTRODUÇÃO SEMICONDUTORES CIRCUITOS AUXILIARES Circuit para Geraçã da Entrada A d Multiplicadr d UC3854B Circuit d Filtr Rejeita-Faixa Sensres Fntes Auxiliares Circuit de Sincrnism Circuit de Prteçã Cntra Sbretensã Driver SIMULAÇÕES Frmas de Onda RESULTADOS EXPERIMENTAIS Fts d Prtótip Frmas de Onda CONCLUSÕES 5 CONCLUSÃO GERAL 53 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 55 APÊNDICE A PROJETO DOS COMPENSADORES DE TENSÃO E CORRENTE 57 APÊNDICE B PROJETO DO TRANSFORMADOR DA FONTE AUXILIAR 75 APÊNDICE C 8 8. PROJETO DO TRANSFORMADOR PARA GERAÇÃO DO SINAL DE SINCRONISMO 8 APÊNDICE D LISTA DE COMPONENTES 87 APÊNDICE E 95. ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO 95

16 INTRODUÇÃO Cm aument de cargas nã-lineares n sistema elétric, prblema de qualidade de energia tem se trnad mais precupante. Esse tip de carga é cmpst, em grande parte, pels equipaments que cntêm um circuit de entrada especial, cm ntes chaveadas, retiicadres, gradadres, entre utrs. Essas cargas nã-lineares pdem causar a injeçã de harmônics e de ptência reativa n sistema, desbalanceament de ases cm crrentes de neutr excessivas causand uma baixa eiciência d sistema, além de um baix atr de ptência []. Cm sluçã, s iltrs passivs, que sã rmads pr cmbinações de capacitres, indutres e resistres, ram inicialmente usads para reduçã de harmônics d sistema. Suas principais vantagens incluem a simplicidade, baix cust, a rbustez e bm rendiment. Dentre suas desvantagens, pde-se citar at de que as reqüências harmônicas de cmpensaçã sã ixas, grande vlume d iltr, e a susceptibilidade a ressnâncias entre iltr e a impedância d sistema. O desenvlviment ds iltrs ativs de ptência (FA) vei da necessidade de uma sluçã dinâmica e ajustável as prblemas de qualidade de energia. Esses iltrs erecem um melhr desempenh na cmpensaçã de harmônics de crrente u tensã, de crrentes de neutr e desbalanceament, prmvend a crreçã d atr de ptência. Os iltrs ativs sã capazes de ações crretivas eicazes, mesm cm mudanças dinâmicas nas cargas nã lineares. Sua grande desvantagem está n cust e na cmplexidade. Uma tplgia bastante usual em ambientes industriais é retiicadr a dids cm iltr capacitiv, estand este presente n estági de entrada de váris equipaments, cm ns sistemas de alimentaçã ininterrupta de energia (UPS) u inversres de reqüência. Outr tip de retiicadr bem cnhecid é cm iltr indutiv-capacitiv, qual é bastante utilizad em situações que demandam crrente elevada na saída d retiicadr, cm em aplicações industriais. Sua desvantagem em relaçã a retiicadr capacitiv é vlume e cust que indutr adicina à estrutura, além da restriçã de sua peraçã cm cargas leves. Este retiicadr, perand n md de cnduçã descntínua tem sua tensã de barrament dependente d valr da carga, pdend alcançar valr da tensã de pic da rede. Quand este retiicadr pera n md de cnduçã cntínua, sua tensã de saída é ixa e independente d valr da carga, send prprcinal à tensã eicaz de entrada. A vantagem d retiicadr cm iltr indutiv a cm iltr capacitiv é at de a sua crrente ser mens distrcida e, prtant, prcessar menr energia reativa. A aplicar um iltr ativ à estrutura d retiicadr, para se bter atr de ptência unitári de entrada, um iltr ativ paralel cnectad a um retiicadr indutiv prcessa mens ptência, e esrç de cntrle é menr, quand cmparad à aplicaçã d iltr ativ em um retiicadr capacitiv. O trabalh é iniciad cm a análise d retiicadr clássic cm carga indutiva. N capítul seguinte, uma intrduçã sbre iltrs ativs é apresentada, na qual as dierentes classiicações existentes sã descritas. N capítul três, estud d iltr ativ cnectad a retiicadr indutiv, bjetiv de estud deste trabalh, é realizad. A estrutura de ptência, etapas de peraçã e análise matemática sã desenvlvidas neste capítul. N quart capítul prjet d iltr ativ que i implementad é iniciad cm cálcul ds cmpnentes passivs e ds cmpensadres. Pr im, n capítul cinc, sã apresentads s prjets ds circuits auxiliares, dimensinament ds semicndutres, simulações e, inalmente, s resultads experimentais btids, cmprvand a metdlgia de prjet. O c deste trabalh está n estud e implementaçã de um iltr ativ paralel cnectad n lad CC de uma carga d tip retiicadr cm iltr indutiv-capacitiv, cm bjetiv de reduzir cnteúd harmônic da crrente de entrada, bter um atr de ptência unitári, e ampliar a aixa de peraçã deste retiicadr n md de cnduçã cntínua. INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

17 4 CAPÍTULO I. ANÁLISE DO RETIFICADOR CLÁSSICO COM CARGA INDUTIA.. INTRODUÇÃO Neste capítul será realizada a análise d retiicadr em pnte cmpleta a dids cm iltr indutiv-capacitiv (LC), qual é bjet de estuds deste trabalh, cuj circuit é apresentad na Figura.. Essa estrutura pssui atr de ptência mair que retiicadr em pnte cmpleta cm iltr capacitiv, cuja crrente de entrada cm característica impulsiva, apresenta distrçã harmônica, atr de crista e pics elevads, [5]. A adiçã de um indutr após a pnte retiicadra é uma sluçã para a reduçã ds pics de crrente, diminuind a sua taxa de distrçã harmônica e elevand atr de ptência da estrutura. Prém, essa sluçã pssui algumas desvantagens, cm grande vlume d indutr e a pssibilidade de ressnância entre indutr e capacitr... OPERAÇÃO NO MODO DE CONDUÇÃO CONTÍNUA O retiicadr da Figura. perand n md de cnduçã cntínua pssui a vantagem de ter sua tensã de saída sempre mantida em um valr ix e independente d valr da carga, send unçã exclusiva d valr eicaz da tensã da rede. As etapas de peraçã deste cnversr sã apresentadas a seguir, assim cm as suas principais rmas de nda e equações.... Análise Matemática Cm já cmentad, quand retiicadr da Figura. pera n MCC a crrente n indutr nunca se anula. Prtant, há cnduçã da pnte retiicadra de dids e em sua saída tem-se uma senóide retiicada. D D L ( ) L I ( ) L I ( ) I ( ) L L ( ) ( ) ( ) L C R ( ) ( ) C R Figura. Retiicadr em pnte cmpleta a dids cm saída LC O reerid retiicadr pde perar n md de cnduçã cntínua (MCC), quand a crrente d indutr é cntínua, nã se anuland em nenhum instante; u ainda n md de cnduçã descntínua (MCD), send que a cmbinaçã ds valres da indutância e da carga deine md de peraçã. O md de cnduçã cntínua garante um nível de tensã na saída ix, e independente da carga, enquant md de cnduçã descntínua nã é desejável, devid as mtivs apresentads n decrrer deste capítul. D3 D4 Figura. - Circuit cmplet d retiicadr N MCC, s dids D e D 4 cnduzem n semi-cicl psitiv da rede, e s dids D e D 3 cnduzem n semi-cicl negativ da rede. ( ). sen( ) (.) p Aplicand a lei das malhas n circuit da Figura., tem-se a equaçã (.): INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

18 Capítul I - Análise d Retiicadr Clássic cm Carga Indutiva 5 6 ( ) ( ) L (.) Partind-se d pressupst que valr médi da tensã n indutr em um períd de rede é nul, entã valr médi da tensã de carga é igual a valr médi da tensã na saída da pnte retiicadra, cm mstra a expressã (.3). ( ) (.3) A partir das rmas de nda, apresentadas na Figura.3, é pssível bter a expressã da tensã média de saída: sen d (.4). ( ). p,9. e. p (.5) Este resultad cmprva, desta rma, que, independente d valr de carga, a tensã média de saída é cnstante e depende apenas da tensã eicaz/pic de entrada.... Frmas de Onda Na Figura.3 é pssível veriicar as principais rmas de nda para circuit retiicadr analisad. Essas rmas de nda valem para MCC sb baixa ndulaçã da tensã de saída. Na Figura.3 sã apresentadas as rmas de nda da tensã de entrada, tensã de saída d retiicadr e tensã na carga, além da tensã e crrente n indutr respectivamente. ( ) ( ) ( ) L I ( ) L I ( ) 3 4 Figura.3 Principais rmas de nda para MCC.3. MODO DE CONDUÇÃO DESCONTÍNUA Quand cnversr pera n md de cnduçã descntínua, a crrente n indutr anula em cada semi-cicl da rede, e a tensã média de saída passa a depender d valr da carga..3.. Etapas de Operaçã As etapas de peraçã, descritas a seguir, sã válidas para semicicl psitiv da rede, quand s dids D e D 4 cnduzem. Resultads análgs pdem ser btids n semi-cicl negativ, prém, cm a cnduçã ds dids D e D 3. Nesta análise será cnsiderada que a tensã de saída pssui uma ndulaçã muit pequena, pdend ser desprezada. ª etapa: ( ) INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

19 Capítul I - Análise d Retiicadr Clássic cm Carga Indutiva 7 8 Neste cas, a tensã n indutr é psitiva e, prtant, a crrente neste element cresce. O circuit que representa esta etapa de peraçã é mstrad na Figura.4. ( ) ( ) (.6) ( ) ( ) ( ) (.7) L dil () t (.8) dt ( ) D D ( ) L ( ) L I ( ) L C R Nesta etapa a crrente n indutr é nula, prtant nenhum ds dids da pnte retiicadra cnduz. Cm crrente nula n element, em um interval de temp, a tensã sbre seus terminais é nula. Aplicand a lei das malhas n circuit, btém-se as seguintes equações de (.4). ( ) ( ) L (.) ( ) L (.3) ( ) (.4) Entã, nesta etapa, a tensã na saída da pnte retiicadra é igual à tensã média de carga. D D L ( ) L I ( ) L D3 D4 ( ) ( ) C R Figura.4 Circuit para ª etapa e ª etapa ª etapa: ( ) ; il( ) A Figura.4 também representa a peraçã d circuit nesta etapa, cntud, neste cas, módul da tensã de entrada é menr que a tensã média de saída, a tensã n indutr é negativa e, prtant, a sua crrente decresce. ( ) ( ) (.9) ( ) ( ) (.) L dil () t (.) dt 3ª etapa: ( ) ; il( ).3.. Frmas de Onda D3 D4 INEP - Institut de Eletrônica de Ptência Figura.5 Circuit da 3ª etapa As principais rmas de nda da estrutura analisada perand em MCD estã apresentadas na Figura.6 e retratam, respectivamente, a tensã e crrente de entrada, tensã de saída da pnte retiicadra e tensã na carga, além da tensã e crrente n indutr. Sejam cnsideradas as seguintes variáveis: : ângul de cnduçã; : ângul de blquei.

20 Capítul I - Análise d Retiicadr Clássic cm Carga Indutiva 9 O ângul de cnduçã reere-se a instante em que a crrente n indutr trna-se nã nula, e ângul de blquei cndiz cm instante em que esta crrente se anula. ( ) I ( ) I ( ) ~ + ( ) ~ - + ( ) - I ( ) L L + ( ) - L ( ) ( ) L Figura.7 Circuit d retiicadr indutiv, cnsiderand a tensã de saída cnstante a) Sistema : : A Figura.8 apresenta circuit equivalente para a peraçã analisada. Para cálcul da expressã da crrente n indutr, utiliza-se a equaçã da malha d circuit da Figura.8, (.5). I ( ) L I ( ) L L 3 4 ( ) L Figura.6 Frmas de nda d retiicadr em MCD ( ). sen( ) p.3.3. Expressã da Crrente n Indutr Para a peraçã n MCD, a análise da expressã da crrente n indutr I L ( ) depende d ângul. N cas em que, a análise deve ser realizada através de dis sistemas, baseads n interval de cnduçã, que é dad pr. Cas, a análise se resume apenas a primeir ds dis sistemas. Os sistemas sã dividids da seguinte rma: Sistema : ; Sistema :. Figura.8 Circuit equivalente (. ) (. ) t L t (.5) (. ). dil (. ) t L t dt (.6) p Para esta situaçã, na qual, a tensã retiicada é ( ). sen( ), e este valr é mair que zer. Dessa rma, btémse:. (. ). dil (. ) p sen t L t (.7) dt INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

21 Capítul I - Análise d Retiicadr Clássic cm Carga Indutiva di L (. t). sen(. t) dt L L p (.8) Escrevend a equaçã em unçã d ângul, determina-se:.; t (.9) t (.) Dessa rma, substituind (.) em (.8), encntra-se (.). dil ( ) p. sen(. t) (.) L L d Cm a reqüência angular é cnstante, tem-se: dil( ) p. sen( ) (.) d. L. L Integrand a expressã (.), btém-se (.4). p di ( L ). sen( ). d. d. L. L (.3) I ( p L ).cs( ). Ki. L. L (.4) Pelas rmas de nda da Figura.6, pde-se determinar a seguinte cndiçã inicial: I ( ) L (.5) Entã, a cnstante K i é encntrada. I ( ).cs( ). (.6) p L Ki. L. L Ki.cs( ). p. L. L (.7) Mediante expst, pde-se escrever a expressã inal da crrente n indutr para peraçã na regiã d Sistema, apresentada na equaçã (.8): I L ( ) p. cs( ) cs( ).. L. L (.8) Para INEP - Institut de Eletrônica de Ptência, pde-se bter a expressã da tensã média de carga. Cnhecend-se utr pnt de peraçã da crrente n indutr IL( ) é pssível escrever a expressã (.9), reerente à tensã de carga. cs( ) cs( ). p (.9) b) Sistema : : A Figura.8 também representa circuit equivalente para a peraçã na cndiçã de Sistema. Para cálcul da expressã da crrente n indutr, utiliza-se a equaçã da malha d circuit da Figura.8. (. t) L (. t) dil (. t) L. (. t) dt (.3) Nesta situaçã, quand, a tensã na entrada da pnte retiicadra é negativa. Dessa rma, tem-se: dil p. sen(.) t L. (.) t dt (.3) di L p (. t). sen(. t) dt L L (.3) Realizand mesm prcediment aplicad na btençã da crrente n indutr d Sistema, btém-se a seguinte expressã para Sistema : I (.33) ( p L ).cs( ). Ki. L. L Pelas rmas de nda da Figura.6, pde-se determinar a seguinte cndiçã inicial:

22 Capítul I - Análise d Retiicadr Clássic cm Carga Indutiva 3 4 I ( ) I ( ) (.34) L L Send: ( ). cs( ) I. L I p. L. L (.35) (.36) p L( ). Ki. L. L Substituind (.35) e (.36) em (.34), a expressã (.37) é btida. Ki.cs( ). p. L. L (.37) E a expressã da crrente na indutância para este sistema é dada pr (.38): I L ( ) p. cs( ) cs( ).. L. L (.38) Cnhecend pnt de peraçã I L ( ), pde-se bter a : equaçã (.39), reerente à tensã média de carga, para. p cs( ) cs( ).3.4. Expressã da Crrente Média n Indutr (.39) A partir d circuit da Figura., é pssível escrever a seguinte equaçã reerente à lei ds nós: I ( ) I ( ) I ( ) (.4) L c Aplicand valres médis em (.4), tem-se (.4): I L Ic I (.4) Sabend-se que, em regime permanente, a crrente média n capacitr é nula, entã: I L I (.4) Cnhecida a expressã da crrente instantânea n indutr, pde-se encntrar seu valr médi, igualand-a à crrente média da carga. I I ( ). L IL d (.43) a) Cas I:. Reslvend a integral (.43): p I.( ).cs( ) sen( ) sen( ). L ( ).. L b) Cas II:. (.44) Para este cas, a equaçã (.43) deve ser dividida em duas partes, btend-se: I L IL ( ). d IL( ). d A Reslvend cada integral, encntram-se: A IL ( ). d p.( ).cs( ) sen( ). L ( ).. L B (.45) (.46) INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

23 Capítul I - Análise d Retiicadr Clássic cm Carga Indutiva 5 6 B IL ( ). d p. sen( ) ( ).cs( ).( ). L ( ).. L (.47) Fazend as simpliicações devidas, btém-se a expressã da crrente média n indutr quand ângul de blquei é mair que, apresentada em (.48): p I IL. sen( ) sen( ). L ( ).cs( ).( ) ( ).. L (.48) A partir das expressões (.44) e (.48), que representam as crrentes médias de carga para s cass I e II d md de cnduçã descntínua, é pssível deinir a crrente de carga parametrizada, dada pr (.49). I I... L (.49) p.4. CÁLCULO DA CARGA CRÍTICA O cálcul d valr da carga crítica é desenvlvid n dmíni da reqüência, necessitand de algumas simpliicações, mas send uma sluçã simples. Seja circuit da Figura.9, representand retiicadr perand n MCC. p I ( ) L ( ). sen( ) L + ( ) - L C R Figura.9 Circuit simpliicad d retiicadr para MCC A partir desse circuit, pde-se calcular a impedância equivalente de saída (.5): Z () s Z () s ( Z () s Z ()) s (.5) eq L C R Z () s sl. Z eq eq. R sc. R sc. s. L. C. R sl. R () s sc.. R + - (.5) (.5) N MCC, a tensã na saída da pnte de retiicadra é sempre igual à senóide de entrada retiicada. A tensã retiicada ( ) pde ser decmpsta em série de Furier: a n.. n.. ( ) p. sen( ) an.cs bn. sen (.53) n T T Cm a unçã d módul de sen é uma unçã par, s ceicientes b n da série de Furier da expressã (.53) sã tds nuls, resultand em (.54). ( )...cs( ).cs(4 ) p (.54) INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

24 Capítul I - Análise d Retiicadr Clássic cm Carga Indutiva 7 8 A partir da decmpsiçã da tensã ( ) em série de Furier (.54), é pssível veriicar que as amplitudes das cmpnentes CC e de Hz sã as mais cnsideráveis. As harmônicas de rdem mais elevadas sã descartadas a im de simpliicar a análise d prblema, de rma que resultad nã é prejudicad. Assim, pde-se escrever a tensã ( ) da seguinte rma: ( ) ( ) (.55) CC AC ( )...cs( ) 3 p (.56) A amplitude da cmpnente da tensã ( ) em Hz é dada pr (.57). ( Hz). p 4 (.57) 3 O módul da cmpnente de Hz da impedância de saída ( Z eq ) é calculad cnsiderand-se valr da capacitância elevad, e é dad pr (.58). Z eq ( Hz). L (.58) De rma que:.. (.59) O valr da amplitude, da cmpnente de Hz da crrente n indutr pde, prtant, ser expressa pr: I I L L ( Hz) ( Hz) (.6) Zeq ( Hz) 4. ( Hz) p 3... L (.6) Para garantir que a cnduçã seja cntínua, a amplitude da cmpnente média da crrente n indutr deve ser mair u igual à amplitude da cmpnente de Hz (ndulaçã de crrente). Sabend-se que a amplitude da cmpnente média da crrente n indutr é dada pr (.63): I CC LCC (.6) ZeqCC I LCC. p. R (.63) Entã, a cndiçã (.65) deve ser satiseita para que a cnduçã seja cntínua. I I ( Hz) (.64) LCC L. p 4. p. R 3... L (.65) Prtant, a cndiçã de valr de indutância que garante cnduçã cntínua é dada pela expressã (.67). I I ( Hz) (.66) LCC L. R L (.67) 3. E, dessa rma, a indutância crítica é btida pela expressã (.68). L cr R R (.68) A partir dessa expressã, pde-se determinar a aixa de crrente de carga parametrizada que garante cnduçã cntínua, send a expressã desta crrente dada pr (.69). I... L I (.69). p E ainda: INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

25 Capítul I - Análise d Retiicadr Clássic cm Carga Indutiva 9 I (.7) R Deine-se a razã entre tensã de saída e tensã de pic de entrada através de (.7). a (.7) p Ainda, se a indutância da expressã da crrente parametrizada r substituída pel valr de indutância crítica, pde-se bter a crrente de carga parametrizada crítica, apresentada em (.7).... Lcr ICR.. R I CR p p.. a (.7) CURA DA CARACTERÍSTICA DE CARGA DO RETIFICADOR De psse das equações que regem a peraçã n MCD, da equaçã para MCC, e da expressã que determina a carga crítica d retiicadr, é pssível traçar a curva de característica de carga d retiicadr indutiv. Esta relacina a razã entre a tensã de saída e tensã de entrada, e cm crrente de carga parametrizada, dada pela expressã (.69). Essa curva i btida a partir de métds numérics, já que a sua sluçã é dada pela resluçã de sistemas nã lineares cm três incógnitas. Para gerá-la, implementu-se um algritm n stware Matlab. As equações utilizadas para MCD estã apresentadas em (.73) e (.74). Sistema : a sen( ) ; cs( ) cs( ) a I cs( ).( ) sen( ) sen( ) a..( ) (.73) Sistema : asen( ) ; cs( ) cs( ) a I cs( ).( ) sen( ) sen( ).( ) a..( ) (.74) Send que cada sistema tem a sua regiã de peraçã deinida pel valr d ângul de blquei. Para MCC, uma única equaçã é utilizada, cnrme (.75). a (.75) De psse de (.7), valr de carga crítica é encntrad quand a expressã abaix r satiseita: 3. I CR a (.76) INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

26 Capítul I - Análise d Retiicadr Clássic cm Carga Indutiva a = /p Característica de carga Crrente de carga parametrizada Icr =.666 Figura. Característica de carga d retiicadr MCD MCC Para este retiicadr, a peraçã cm valr da crrente de carga parametrizada muit baixa se aprxima d cas d retiicadr cm iltr capacitiv pur, cm pde ser bservad nas iguras a seguir. A Figura. mstra espectr harmônic da crrente de entrada d retiicadr estudad. O eix vertical apresenta s valres da razã entre a amplitude de cada cmpnente harmônica e a undamental. Harmônics da crrente de entrada,8,6,4, Espectr harmônic da crrente de entrada,5,5 Crrente de carga parametrizada I3pu I5pu I7pu I9pu Ipu A Figura. mstra a aixa de crrente de carga para a peraçã d retiicadr n MCD, representad pela linha tracejada, enquant a aixa de peraçã n MCC é representada pela linha cntínua. Observa-se que quand retiicadr pera n MCD, a tensã média na carga varia cm a carga, pdend alcançar valr da tensã de pic de entrada. Para a mair parte das aplicações práticas, esta é uma rma indesejada de uncinament, pis cntrle d sistema se trna mais diícil devid a nã linearidade que a variaçã da tensã na carga intrduz..6. CARACTERÍSTICAS DA CORRENTE DE ENTRADA Figura. Harmônics da crrente de entrada eriica-se que, em geral, cm aument d valr da crrente de carga parametrizada, as cmpnentes harmônicas da crrente de entrada diminuem, u seja, a crrente é mens distrcida. A linha vertical tracejada ns gráics delimita a regiã d MCD, à esquerda, e d MCC, à direita. Na Figura. é pssível veriicar a variaçã d atr de ptência (FP) da estrutura, a taxa de distrçã harmônica (THD) e atr de deslcament (FDesl) da crrente de entrada, em unçã da variaçã da crrente de carga parametrizada. A análise da característica da crrente de entrada d circuit é undamental, e muda cm a mudança d valr de carga. O indutr na saída d retiicadr az cm que a taxa de distrçã harmônica (THD) da crrente em análise seja menr d que n cas d retiicadr cm iltr capacitiv pur, n qual a THD pde ser mair que a unidade. Cm iss, atr de ptência da estrutura em estud também será mair que n cas nde nã é empregad indutr na saída d retiicadr. INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

27 Capítul I - Análise d Retiicadr Clássic cm Carga Indutiva 3 4 FP, THD, FDesl,,8,6,4, Característica da Crrente de Entrada Crrente de carga parametrizada FP THD FDesl Figura. Fatr de ptência, taxa de distrçã harmônica e atr de deslcament em unçã da variaçã da carga Perante tais resultads, pde-se bservar a melhria da qualidade da crrente de entrada cm aument d valr da crrente de carga parametrizada, btida pela elevaçã d valr d indutr de saída, u pel aument da crrente média de carga..7. CONCLUSÕES A análise d retiicadr de pnte cmpleta a dids cm iltr LC, i apresentada neste capítul. Este retiicadr pssui um atr de ptência mair que retiicadr cm iltr capacitiv pur, existind uma aixa de peraçã em que a tensã de saída é cnstante e independente da carga. Fi realizad um estud da característica d cnversr perand tant n md de cnduçã cntínua quant descntínua. Fram analisadas as características da crrente de entrada e da tensã de saída para tda a aixa de peraçã. Também i deinida a expressã para valr de crrente n indutr n MCD e da indutância crítica, que delimita s dis mds de peraçã. O uncinament deste cnversr em MCC é bastante cnhecid na literatura, pis esta é a regiã de peraçã desejada para esta estrutura, já que suas características sã avráveis às d md de cnduçã descntínua. A tensã de saída é um valr cnhecid cnstante, que independe da carga, e a estrutura pera cm um atr de ptência de entrada mair que n cas d MCD. Cm desvantagem, cita-se at de para se bter peraçã n MCC cm cargas leves valr da indutância de saída trna-se elevad, implicand em mair vlume e cust. Característica da Crrente de Entrada,9,8 FP, THD, FDesl,7,6,5,4,3 FP THD FDesl,,,5,5 Crrente de carga parametrizada Figura.3 - Detalhe das curvas de Fatr de ptência, taxa de distrçã harmônica e atr de deslcament em unçã da variaçã da carga INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

28 6 CAPÍTULO II barrament CC deve sempre ser superir a valr de pic da tensã da rede. A Figura. apresenta a estrutura SI triásica.. REISÃO DE FILTROS ATIOS.. INTRODUÇÃO L A L B C O desenvlviment ds iltrs ativs de ptência (FA) vei da necessidade de uma sluçã dinâmica e ajustável as prblemas de qualidade de energia. Esses iltrs erecem um bm desempenh na cmpensaçã de harmônics de crrente u tensã, de crrentes de neutr e desbalanceament, prmvend a crreçã d atr de ptência. Os iltrs ativs sã capazes de ações crretivas eicazes, mesm cm mudanças dinâmicas nas cargas nã lineares. Sua grande desvantagem está n cust e na cmplexidade. Nesta seçã será apresentada uma breve revisã ds iltrs ativs, destacand as dierentes classiicações existentes, a partir de [], [], [3], [4] e [7]... CLASSIFICAÇÃO DOS FILTROS ATIOS As principais classiicações ds iltrs ativs pdem ser deinidas pel tip de cnversr, tplgia, e númer de ases d sistema, send apresentadas a seguir, [4]. L C Figura. Cnversr nte de tensã (SI) b) Inversr Fnte de Crrente Já n CSI, barrament é cnstituíd pr um indutr L cc, que pera cm uma nte de crrente cntínua. Da mesma rma que n SI, s interruptres mdulam a crrente que é drenada u suprida pela nte. Neste cas, a crrente n indutr L cc deve ser sempre mair que a crrente de pic que se deseja impr na rede, que leva a perdas signiicativas n indutr L. cc... Classiicaçã pr Cnversr Os cnversres nrmalmente utilizads em iltrs ativs sã s inversres nte de tensã (SI ltage Surce Inverter) e s inversres nte de crrente (CSI Current Surce Inverter). L A L B L C C A C B C C L cc a) Inversr Fnte de Tensã N SI, barrament CC cmprta-se cm uma nte de tensã cntínua e cntrlada, de rma que a energia é armazenada n capacitr C. Cnrme cmand ds interruptres, iltr injeta u drena crrente da rede através ds indutres. O valr médi da tensã de Figura. Cnversr nte de crrente (CSI) Apesar de cnversr CSI ser suicientemente cniável, cnversr SI tem sid preerid, pis em geral apresenta menres perdas, pes, vlume e cust inicial. As perdas ns semicndutres para esta estrutura também sã maires, devid a mair númer de interruptres, em cmparaçã a SI. INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

29 Capítul II Revisã de Filtrs Ativs 7 8 Mesm que s iltrs ativs tip nte de crrente e nte de tensã sejam similares as inversres de crrente e de tensã cnvencinais, eles se dierenciam n seu cmprtament, pis atuam cm nte de tensã e crrente nã-senidais.... Classiicaçã pr Tplgia Os iltrs ativs também pdem ser d tip série, paralel, híbrids, u cndicinadres de qualidade de energia uniicads. a) Filtr Ativ Paralel Este tip de cnexã clca iltr ativ em paralel cm sistema de energia elétrica. Geralmente é cnectad a pnt de cnexã cmum (PCC), entre a carga e a rede elétrica. O princípi de uncinament d iltr ativ paralel cnsiste na injeçã de harmônics de crrente na rede, cm mesma amplitude e psiçã de ase das cmpnentes harmônicas de crrente da carga, eliminand assim s harmônics de crrente que circulam pela nte. O iltr ativ paralel (FAP) nã prcessa ptência ativa, apenas ptência reativa, de rma a cmpensar s harmônics de crrente da carga u reativ de deslcament da mesma. Dessa rma, as perdas n FAP sã menres que n iltr ativ série, que será vist a seguir, uma vez que este últim prcessa tda a crrente de carga, inclusive a parcela reerente à ptência ativa. Cm FAP é cnectad em paralel à carga, nã há necessidade de alterar a carga para a sua adiçã n sistema. Outra vantagem é que n cas de alha n iltr, a carga cntinua send alimentada nrmalmente pela rede, prém cm baix atr de ptência. b) Filtr Ativ Série A cnexã deste iltr é eita cnectand- em série cm a via principal de energia elétrica, entre a rede e a carga. Geralmente usa-se um transrmadr de acplament entre cnversr estátic e sistema elétric. A cmpensaçã série atua cm uma nte de tensã alternada (CA) cntrlada. A tensã d iltr smada cm a tensã da rede distrcida resulta em uma tensã puramente senidal na carga. Esse tip de cmpensaçã é empregad na regulaçã e balanceament de tensã próxima à carga u na linha. Também é utilizada para atenuar u eliminar s harmônics de tensã, e diminuir a prpagaçã de harmônics causads pel eeit de ressnância entre as impedâncias da nte e iltr passivs instalads n sistema elétric. p I ( ) Rede L ( ). sen( ) + FAS ( )- I ( ) L ~ ~ Carga nãlinear + - I ( ) I ( ) L Filtr Ativ L ( ). sen( ) p I L ( ) Figura.4 Filtr ativ série L Uma grande desvantagem d iltr ativ série é que n cas de alha d iltr, a peraçã da carga também é cmprmetida. Figura.3 Filtr ativ paralel c) Filtrs Híbrids INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

30 Capítul II Revisã de Filtrs Ativs 9 3 Sã cmbinações de iltrs ativs cm iltrs passivs. Essas cnigurações têm cm principal bjetiv cmpensar as limitações de cada iltr quand aplicads isladamente. Os iltrs híbrids têm uma melhr característica de iltragem em relaçã as iltrs passivs, diminuind a pssibilidade de apareciment de ressnâncias devid às variações na impedância da nte e da carga, além de diminuir s custs, já que iltr ativ irá prcessar uma menr ptência reativa. A assciaçã paralela de iltrs ativs e passivs é interessante, pis FAP é mais eiciente para a cmpensaçã de harmônics de baixa rdem, devid à limitaçã da reqüência de chaveament, enquant iltr passiv paralel (FPP) é melhr para a cmpensaçã de harmônics de altas reqüências, além de ser mais cmpact. Neste sistema, FAP cmpensa s harmônics de crrente de baixa rdem, enquant FPP cmpensa s harmônics de crrente de alta rdem. E, ainda, FAP pssibilita a eliminaçã da ressnância entre a nte e FPP []. prver uma tensã puramente senidal à carga, mesm quand a nte de tensã é distrcida []. p I ( ) Rede L ( ). sen( ) Filtr Ativ + FAS ( )- I ( ) L ( ) ~ ~ Carga nãlinear Filtr Ativ Figura.6 Assciaçã de iltrs ativs série e paralel I L L + - ( ). sen( ) p I ( ) L I ( ) I ( ) L Essa tplgia é cnsiderada iltr ativ ideal, pis elimina harmônics de tensã e crrente. Suas desvantagens estã assciadas a seu cust elevad e sua cmplexidade de cntrle, devid a elevad númer de interruptres cmandads envlvids...3. Classiicaçã Quant a Sistema de Supriment de Energia Figura.5 Filtr ativ híbrid d) Assciaçã de Filtrs Ativs Série e Paralel Uma cniguraçã ideal para cargas nã lineares é a utilizaçã de um FAS juntamente cm um FAP, que é cnhecida cm PLC (Pwer Line Cnditiner). Nessa tplgia, FAP injeta harmônics de crrente para cancelar s harmônics da crrente de carga, enquant FAS blqueia s harmônics de crrente de circularem pela linha. Esse sistema de iltr nã apenas cnsegue eliminar s harmônics de crrente, mas também pde L a) Sistema Mnásic Há muitas cargas nã lineares cnectadas a sistema mnásic, cm as de aplicações dmésticas. Os FA para esse tip de sistema pdem ser implementads em tdas as tplgias de iltrs ativs e, também, em ambas as cnigurações de cnversres, CSI u SI. Um exempl de implementaçã de iltr ativ para sistema mnásic usand a tplgia SI é apresentad na Figura.7. INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

31 Capítul II Revisã de Filtrs Ativs 3 3 Rede ( ). sen( ) p I ( ) L I L ( ) L I ( ) L Carga nã-linear ~ ~ + - Filtr Ativ C - Sistemas a quatr is: Um grande númer de cargas mnásicas é alimentad pel sistema triásic cm cndutr neutr. Essas cargas causam crrente excessiva n neutr, circulaçã de harmônics, ptência reativa, e desbalanceament d sistema. Os FAs a quatr is ram desenvlvids cm a intençã de minimizar esses prblemas. Existem três pssíveis cnigurações cnhecidas para esse tip de sistema: - Barrament CC cm pnt médi: Usad para ptências menres. Tda a crrente de neutr lui pels capacitres CC d iltr ativ, que sã de valres elevads, e sua cnexã é mstrada na Figura.9. Figura.7 Filtr ativ paralel em sistema mnásic b) Sistema Triásic Os iltrs ativs pdem ser aplicads a sistemas triásics cnigurads a três is cndutres u quatr is (três cndutres, e um neutr). - Sistemas a três is: É empregad principalmente em sistemas de transmissã, distribuiçã e na presença de cargas triásicas a três is. Um exempl de FAP cnectad a sistema a três is é mstrad na Figura.8. I ( ) L A I ( ) LB I ( ) LC I ( ) LN L A L B L C I L N( ) I ( ) LC I ( ) LB I ( ) LA L A L B L C I ( ) LA I ( ) LB I () LC I ( ) LN C C L A L B L C I ( ) LC I ( ) LB I ( ) LA I ( ) LA I () LB I ( ) LC Figura.9 Filtr ativ paralel em sistema triásic a 4 is cm barrament CC tip pnt médi L A L B L C C - Três FAs mnásics: Permite a regulaçã independente da crrente em cada ase. Prém, apresenta um númer elevads de cmpnentes, cm pde-se veriicar na Figura.. Figura.8 Filtr ativ paralel em sistema triásic a três is INEP - Institut de Eletrônica de Ptência

32 Capítul II Revisã de Filtrs Ativs Fnte Triásica I ( ) A I ( ) B I ( ) C L A L B L C ILC ( ) LC I ( ) LB LB I ( ) LA LA I ( ) LA ILB( ) I ( ) LC I ( ) LN C Carga nãlinear Triásica a 4 is Figura. Filtr ativ paralel em sistema a 4 is cm três pntes mnásicas - Inversr a quatr braçs: O quart braç d inversr prvê um caminh para as crrentes de neutr d iltr ativ. A estrutura desta cniguraçã é apresentada na Figura.. I ( ) L A I ( ) L B I ( ) LC I ( ) LN L A L B L C I ( ) LC I ( ) LB I ( ) LA L A L B L C I ( ) LA I () LB I () LC I ( ) LN C..4. Fntes de Harmônics Os iltrs ativs têm sid vists cm uma sluçã eetiva para s prblemas relacinads a harmônics n sistema de energia elétrica. Durante algum temp, acreditu-se errneamente que iltr ativ sse um cmpensadr ideal de harmônics cm as características de cmpensaçã nã inluenciáveis pela impedância de carga. Alguns estuds, cntud, cm apresentad em [] e [3], mstram que iltr ativ paralel só é eiciente para cargas nã lineares cm características de ntes de harmônics de crrente, cm retiicadres cm indutância elevada n lad de crrente cntínua (CC). De at, s iltrs paralels - ativ e passiv - sã eetivs na cmpensaçã de cargas nã lineares d tip nte de crrente. Sã pucs s estuds da característica e aplicaçã d iltr ativ paralel quand aplicad a cargas nã-lineares cm característica de nte de harmônics de tensã, cm é cas de retiicadres cm iltr capacitiv. É mstrad em [3] que us de iltr ativ paralel para cmpensaçã deste tip de carga, além de nã realizar cancelament ds harmônics cmpletamente, também cria nvs prblemas, cm aument das ndulações da tensã CC e pic da crrente CA d retiicadr. Ainda, em [3] é mstrad que para cmpensaçã desse tip de carga nã-linear, iltr ativ série é uma ba sluçã. a) Fntes de harmônics de crrente: Uma carga nã-linear se cmprta cm nte de harmônics de crrente quand esses harmônics sã puc dependentes d lad CA, e dependem rtemente das características da carga. A distrçã da crrente resulta da cmutaçã ds semicndutres. Pdem-se destacar s retiicadres cm indutância CC, cm exempl desse tip de nte de harmônics, cnrme circuit apresentad na Figura.. O iltr ativ paralel é capaz de cmpensar s harmônics desse tip de carga de rma eetiva. Figura. Filtr ativ paralel em sistema a 4 is cm quatr braçs INEP - Institut de Eletrônica de Ptência