Proposta de Mitigação das Distorções Harmônicas Geradas por Condicionadores de Ar Inverter Através do Retificador Híbrido - Análise Computacional

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1 Proposta de Mitigação das Distorções Harmônicas Geradas por Condicionadores de Ar Inverter Através do Retificador Híbrido - Análise Computacional Geraldo P. D. Neto, Gustavo B. Lima, Vinicius F. Bossa, Luiz Carlos G. de Freitas, Carlos E. Tavares Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia/MG, Brasil Resumo Este trabalho apresenta uma proposta para contribuição na área de Qualidade da Energia Elétrica por meio da mitigação de distorções harmônicas geradas, intrinsecamente, na operação de condicionadores de ar do tipo inverter. A estratégia empregada consiste na modelagem e análise de uma topologia de retificador híbrido monofásico, como estágio pré-regulador, conectado no circuito de entrada do equipamento objetivando a redução substancial das distorções harmônicas de corrente causadas pelo mesmo. A implementação computacional do retificador hibrido e do condicionador de ar, bem como as análises dos impactos produzidos pelo acoplamento de ambos são realizadas na plataforma computacional ATP. Palavras-Chave ATP, Condicionador de ar inverter, harmônicos, modelagem computacional. I. INTRODUÇÃO Com o grande progresso recente da eletrônica de potência, foi possível a concepção e modernização de equipamentos e tecnologias utilizados nos vários setores da sociedade, tanto no ambiente produtivo como nos ambientes domésticos e comerciais. Na área de acionamentos elétricos, uma grande evolução foi a concepção dos chamados conversores de potência. Não obstante as diversas vantagens, sua utilização pode provocar a deformação da onda de corrente na entrada dos equipamentos eletrônicos, conhecida como distorção harmônica de corrente, se comportando como uma carga não-linear. Além de alterações no funcionamento dos próprios equipamentos eletrônicos, as distorções harmônicas podem causar sobreaquecimentos e redução na vida útil de transformadores e máquinas elétricas, erros em medidores de energia elétrica, e outros diversos efeitos prejudiciais [1]. À luz destes fatos, o crescimento substancial deste tipo de tecnologia tem sido motivo de preocupação por parte das distribuidoras de energia elétrica, fabricantes de equipamentos e órgãos reguladores do setor. O crescimento do uso dessa tecnologia relativamente nova, bem como a grande quantidade de equipamentos em circulação e uso no mercado, são os principais motivos para o grande interesse nessa área de estudos, uma vez que diversos equipamentos novos no mercado carecem de trabalhos mais aprofundados no ponto de vista da qualidade da energia processada. Dentro desta seguimento a nova geração de aparelhos condicionadores de ar Split, conhecidos como do tipo Inverter, merecem destaque devido a sua grande difusão nos setores residencial, comercial e industrial. Estes fazem o controle de velocidade de sua unidade condensadora por meio de um inversor de frequência, que é acoplado à rede elétrica por meio de um retificador. Esses modelos de ar condicionado proporcionam um controle mais eficiente e mais rápido da temperatura do ambiente, e também com reduzido nível de ruído. Apesar da economia de energia, este produto apresenta elevado nível de distorção harmônica de corrente. Isto se deve à utilização, em sua operação, dos conversores de potência supramencionados [2]. Nesse sentido, este trabalho encontra-se voltado para a nova geração de aparelhos condicionadores de ar Split, conhecidos como do tipo Inverter. Dentre as linhas de pesquisa e desenvolvimento encontradas atualmente neste setor, uma tecnologia tem se mostrado promissora no que tange à mitigação de distorções harmônicas de corrente na entrada do produto eletroeletrônico (in loco). Trata-se do préregulador retificador híbrido monofásico de alta potência e elevado fator de potência. Este é composto por um retificador monofásico não controlado, associado em paralelo com um conversor chaveado [3]. Esta tecnologia tem sido proposta e testada com sucesso para outras aplicações desta natureza, a exemplo dos Sistemas Trólebus [4]. Algumas topologias já promovem maior robustez frente aos afundamentos de tensão[5]. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é o acoplamento do retificador híbrido monofásico, utilizado como estágio pré-regulador para promover uma substancial redução das distorções harmônicas em comparação com a tecnologia atualmente utilizada nos aparelhos condicionadores de ar do tipo inverter atualmente utilizados. A modelagem computacional e os estudos são realizados no software ATP. II. O AR CONDICIONADO SPLIT INVERTER O uso dos aparelhos condicionadores de ar modelo split inverter tem crescido substancialmente. Essses modelos de ar condicionado proporcionam um controle mais eficiente e mais rápido da temperatura do ambiente, e também com reduzido nível de ruído. O inversor é capaz de minimizar a oscilação de energia no aparelho, resultando em uma economia deenergia, que pode chegar a até 60% [2], dependendo do modelo e da marca, se comparado com os demais aparelhos Split. Isso ocorre devido ao sistema de operação interno, que habilita o compressor a operar em baixa rotação quando a temperatura fica estabilizada, o que gera a redução no consumo de energia e no ruído produzido, proporcionando também maior conforto aos usuários. Apesar da economia de energia, este produto apresenta elevado nível de distorção harmônica de corrente. A figura 1 mostra a forma de onda da corrente medida na entrada de 1

2 alimentação de em um aparelho condicionador de ar de 9000 BTU`s, enquanto a figura 2 indica o seu respectivo espectro harmônico [2]. Fig. 1. Forma de onda da corrente do condicionador de ar do tipo Inverter corrente senoidal vinda da fonte de alimentação. Isso é possível através da divisão do processamento desta corrente entre o retificador não controlado e o conversor chaveado, controlando a parcela processada pelo último. Trabalhando com esta lógica de controle, este retificador tem obtido sucesso em mitigar níveis de distorção de corrente, mesmo para cargas altamente não-lineares. Esta configuração apresenta também uma grande robustez, pelo fato de a maior parte da corrente ser processada pelo retificador não controlado [3]. A Fig. 3 apresenta sua estrutura. A estratégia de controle é baseada na composição das correntes do retificador [4]. A corrente drenada da rede (i in) é a composição daquela requerida pelo retificador não controlado (i L1), com a parcela do conversor chaveado (i L2), sendo que a forma de onda da corrente i2 é diretamente responsável pela característica final da forma de onda da corrente CA drenada da fonte de alimentação. Fig. 2. Espectro harmônico da corrente do condicionador de ar do tipo Inverter Como observado nas figuras anteriores, a deformação de corrente produzida por este equipamento é significativa. A distorção total de corrente foi de 84,5% com destaque para a 3ª ordem (72%) e para a 5ª ordem (35%)[2]. Tendo em vista a grande disseminação dos condicionadores de ar Inverter no mercado, motivada pela economia de energia propiciada, tornam-se necessárias investigações quanto aos impatcos e processos de mitigação deste efeito produzido pelo produto. Seus impactos podem ser substanciais quando comparados às pequenas cargas que já são objeto de preocupação neste tema, a exemplo das lâmpadas fluorescentes compactas. Somado a isto, este equipamento é utilizado por várias horas ao longo do dia, além de ter aplicação em ambientes residenciais, comerciais e industriais. Fig. 3. Arranjo topológico do Retificador Híbrido Monofásico Desta forma, resultam desta combinação na corrente de linha, as correntes (i L1), e (i L2), sendo que (i L1), é a corrente clássica dos retificadores monofásicos não controlados de onda completa, operando no modo descontínuo de condução, enquanto que a corrente(i L2) é aquela imposta de acordo com a referência senoidal desejada. Portanto, tem-se que a composição das correntes (i L1 + i L2) assume a forma aproximadamente senoidal (i in), se assim for desejado. A Fig. 4 ilustra as formas de ondas teóricas das correntes i L1 e i L2 e da corrente de entrada (i in) do retificador. A forma de onda tracejada representa a tensão de entrada. III. O RETIFICADOR HÍBRIDO MONOFÁSICO A retificação de ondas senoidais, apesar de necessárias para a operação de eletrônicos, incluindo os aparelhos de ar mencionados, é também responsável pela distorção da forma de onda da corrente da carga. Neste aspecto, o retificador híbrido monofásico apresenta-se como uma alternativa bastante promissora para mitigar as distorções causadas por esse processo. Para tanto, o retificador híbrido monofásico é composto por um retificador monofásico não controlado associado em paralelo com um conversor monofásico chaveado. Por meio desta associação, é possível promover a retificação da onda de tensão e ao mesmo tempo impor uma Fig. 4. Formas de onda teóricas das correntes i L1, i L2 e i in. 2

3 Destaca-se que, apesar de i in ser uma forma de onda atípica, seu espectro harmônico apresenta níveis harmônicos adequados, tomando, indicativamente, como referência as normas internacionais IEC [6] e IEC [7] para o nível de potência adotado. IV. IMPLEMENTAÇÃO DO RETIFICADOR VIA ATP A implementação computacional do retificador híbrido monofásico foi feita utilizando a ferramenta ATPDraw, na plataforma ATP. A Fig. 5 ilustra o circuito do retificador híbrido monofásico implementado no ATP. coletado no indutor do retificador não controlado. A onda oriunda desta multiplicação configura o primeiro sinal de referência. O segundo sinal de referência é obtido diretamente da corrente no elo inferior do circuito de potência. Assim, é obtida a soma das correntes em cada um dos conversores em paralelo. Este sinal é comparado com a referência de corrente, gerada pelo processo anteriormente descrito, e é usado na comparação, com o intuito de forçar a corrente final a seguir o primeiro sinal de referência, que é uma onda basicamente senoidal. Essa imposição se dá através do controle dos pulsos de ataque de gatilho da chave do conversor controlado. Estes são gerados pela comparação dos dois sinais de referência [8,9]. V. MODELAGEM DO AR CONDICIONADO MODELO SPLIT INVERTER Fig. 5. Circuito do retificador híbrido monofásico. A montagem do circuito de potência compreende um retificador não-monofásico tradicional, em paralelo com um conversor chaveado, do tipo SEPIC. Para a implementação dos diodos, foi necessária a utilização de um circuito snubber, representado pelos blocos com o subscrito RLC, mostrados na Fig. 5. O ATP possui ferramentas para a execução da estratégia de controle, por meio das TACs, que fornecem diversos recursos para a coleta e o processamento de sinais, o que permitiu um processamento eficiente dos sinais de corrente, bem como dos sinais de referência. A título de exemplo, a Fig. 6 mostra um detalhe onde o sinal de gatilho da chave, no conversor controlado, é obtido pela comparação entre dois sinais de referência. O principal componente da unidade condensadora do equipamento, com relação ao carregamento de corrente é o compressor hermético, sendo basicamente constituído de um motor trifásico. Assim, foi dado ênfase à modelagem computacional deste motor. De posse das informações de funcionamento e características do motor trifásico, foi utilizado o modelo de máquina de indução assíncrona alimentada por três fases disponibilizada na biblioteca do ATP. Para simular o funcionamento deste dispositivo, escolheu-se um motor trifásico de 1CV de linha padrão, pelo motivo de grande parte de condicionadores de ar inverter de Btu/h utilizarem motores de potência equivalente para o acionamento do compressor. O bloco representativo da unidade em questão no ATP, bem como seu circuito equivalente está representado na Fig. 7. Fig. 7. Bloco representativo da unidade condensadora do Equipamento. Fig. 6. Circuito de ataque de gatilho para o controle do conversor controlado. Neste processo, o primeiro sinal é formado, inicialmente, por uma senóide retificada, que é obtida através de uma fonte separada, com uma ponte retificadora ideal. A esta onda é somada uma onda do tipo dente de serra, de baixa amplitude, por meio de um somador disponível via TACS. A este sinal, é multiplicado o valor RMS do sinal de corrente, O acionamento desta unidade se dá através de um inversor de freqüência, característica primordial do modelo Inverter deste equipamento. O inversor estático de frequência é composto por uma ponte retificadora, um elo CC e transistores IGBT s que são responsáveis pela inversão da tensão contínua em um sinal alternado com tensão e frequência variáveis. O arranjo é mostrado na Fig. 8 e compreende as seguintes unidades básicas: -Retificador; constitui-se de uma ponte retificadora não controlada, cuja saída alimenta o elo CC. Esta também é a responsável pela elevada distorção harmônica de corrente 3

4 injetada no suprimento e, portanto, é, posteriormente, substituída pelo retificador híbrido aqui modelado para mitigação deste problema. -Elo CC; contém um filtro capacitivo com o objetivo de manter o ripple da onda reduzido, mesmo na ocorrência de distúrbios no lado CA. -Inversor; consiste de uma ponte inversora trifásica controlada. Permite a variação da tensão CA em amplitude e frequência, alterando dessa maneira a velocidade de rotação do rotor. -Circuito de controle de disparo; é a unidade responsável pela abertura e fechamento das chaves semicondutoras do inversor, utiliza-se a técnica PWM. Fig. 10. Acoplamento do Retificador híbrido monofásico na entrada do inversor de freqüência. VII. ANÁLISE DOS RESULTADOS PARA O ACOPLAMENTO Fig. 8. Arranjo do Inversor de frequência do Ar Inverter Utilizou-se o recurso MODELS do ATP para a modelagem do equipamento em questão. Para tal finalidade, o inversor foi feito em blocos testados separadamente para obter um resultado fiel ao equipamento real. A Fig 9 apresenta as partes interligadas do inversor no ATP. Fig. 9: Bloco representativo da unidade condensadora do Equipamento. Após a definição do acoplamento proposto, procedeu-se para as simulações computacionais objetivando a validação dos modelos obtidos e a verificação do atendimento aos objetivos almejados, ou seja, a redução das distorções harmônicas na corrente de entrada do equipamento, sem alteração no seu funcionamento normal. Neste sentido, a Fig. 11 mostra as leituras de corrente que compõem a corrente CA de entrada, sendo estas medidas nos indutores L1 e L2. Já a Fig. 12 ilustra a combinação destas duas correntes, formando a corrente total CA (em vermelho) drenada na entrada do circuito, juntamente com a tensão de entrada (cor verde). Observa-se que o fator de potência na entrada do circuito continua unitário, mesmo tendo como carga o inversor de frequência alimentando um motor trifásico. Observa-se que a corrente imposta no retificador controlado é tal que a forma de onda de corrente resultante na linha é muito próxima de uma forma senoidal, conforme esperado, apresentando reduzida taxa de distorção harmônica, conforme observado em seu espectro harmônico (Fig. 13). VI. ACOPLAMENTO DO RETIFICADOR HÍBRIDO MONOFÁSICO De posse dos modelos computacionais dos dispositivos enfocados, a continuidade dos trabalhos caminhou para o acoplamento do retificador híbrido monofásico ao ar condicionado modelo Split Inverter. Em substituição ao retificador originalmente utilizado no condicionador de ar, o retificador entra como estágio pré-regulador para o inversor de freqüência, fornecendo a este o elo CC necessário para seu funcionamento. O objetivo deste acoplamento é eliminar as distorções harmônicas de corrente causadas pelo retificador tradicional, já mostradas anteriormente. A Fig 10 representa o novo circuito, agora com o retificador híbrido monofásico na entrada do inversor de freqüência. O retificador continua a fornecer a tensão CC necessária ao funcionamento do inversor, ao mesmo tempo em que proporciona uma redução das distorções harmônicas de corrente, pela imposição da corrente CA na entrada do circuito. Fig. 11. Correntes nos indutores L1 e L2. 4

5 Fig. 12. Corrente de entrada e tensão de entrada (corrente multiplicada por 100). Como pode ser visto na Fig. 12, a corrente de entrada do condicionador de ar apresenta uma forma praticamente senoidal na entrada do circuito, estando em conformidade com os limites impostos pela norma internacional IEC Este fato é comprovado pela análise do espectro harmônico da corrente de entrada, indicado na Fig. 13. Ao se comparar com os dados da configuração original do equipamento, apresentados na Fig. 2, a componente de 3ª ordem que, originalmente, se apresentava com 72% caiu para 7% com esta nova topologia. A redução da 3ª ordem também foi significativa (de 35% para 6%). Estes valores resultaram em uma substancial diminuição da distorção harmônica total que foi de 72% para 10,6% após o acoplamento do retificador híbrido. Estas observações comprovam a eficácia da solução proposta no que tange à mitigação do conteúdo harmônico da corrente CA de alimentação do condicionador de ar inverter, além de validar a modelagem computacional obtida. Vale salientar que a corrente foi multiplicada por um fator de escala para ser melhor visualizada no gráfico apresentado. frequência. Mesmo com um motor trifásico sendo alimentado como carga final, o retificador foi capaz de manter um elo CC estável na entrada do inversor de frequência, o que permite a alimentação da carga sem grandes alterações. É perceptível que a onda de tensão no barramento CC apresenta uma leve variação, em torno de 0.55 segundos. Esta variação se dá devido ao acionamento do motor, que causa essa variação na tensão CC na entrada do inversor. Porém, a simulação mostra como a configuração com o retificador híbrido foi capaz de estabilizar o circuito após esse momento transitório, levando à operação normal do sistema. Outra observação relevante é forma de onda da corrente de linha que alimenta o motor da unidade condensadora. Conforme mostrado na Fig. 15, o seu comportamento é condizente com o esperado para cargas desta natureza (força motriz) Fig. 14. Sinal de tensão no barramento CC, entrada do inversor de frequência. Fig. 15. Sinal da corrente de linha no motor trifásico. VIII. CONCLUSÕES Fig. 13. Espectro harmônico da onda de corrente de entrada, em valores por unidade. Para melhor ilustrar a potencialidade do modelo computacional obtido, A Fig. 14 mostra o efeito do Retificador Híbrido Monofásico, no fornecimento da tensão CC necessária para o funcionamento do inversor de Este trabalho apresentou uma proposta para mitigação das distorções harmônicas de corrente injetadas no sistema elétrico quando da operação de aparelhos de ar condicionado do tipo split inverter. Há uma tendência da predominância desta 5

6 tecnologia no âmbito da refrigeração uma vez que resulta em maior conforto e economia ao usuário. Neste sentido, a estratégia utilizada foi a de mitigação in loco através do emprego do retificador híbrido monofásico como estágio préregulador do inversor de frequência da unidade condensadora. Os resultados das simulações computacionais mostraram que a nova topologia proposta atendeu aos objetivos almejados. A implementação e validação na plataforma ATP mostrou a eficiência da estratégia de controle utilizada, mantendo o elo CC necessário, e reduzindo as distorções harmônicas do equipamento, além de permitir estudos de impactos em sistemas elétricos mais complexos. Apesar dos resultados positivos e encorajadores, maiores investigações devem ser realizadas para consolidação do modelo e da estratégia como um todo. Além disso, a viabilidade de implementação comercial, ponderando o custo x benefício, deve ser avaliada devido ao elevado valor agregado a esta tecnologia. IX. AGRADECIMENTOS Os autores expressam seus agradecimentos a FAPEMIG, CAPES e CNPq pelas bolsas de Iniciação Científica, mestrado e de doutorado. X. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] R. C. Dugan, M. F. McGranaghan., S. Santoso., H. W. Beaty, Electrical Power Systems Quality, 2nd Edition. USA: McGraw-Hill, [2] TAVARES, Carlos Eduardo ; Rezende P. H. O. ; OLIVEIRA, J. C.. Uma Análise Comparativa de Condicionadores de Ar no contexto da Qualidade e da Racionalização da Energia Elétrica. X CBQEE X Conferência Brasileira Sobre Qualidade da Energia Elétrica, Araxá-MG, [3] Rodrigues, D. B. ; Costa, A. V. ; Lima, G. B. ; FREITAS, L. C. ; COELHO, E. A. A. ; FARIAS, V. J. ; Freitas, L. C. G.. DSP-Based Implementation of Control Strategy for Sinusoidal Input Line Current Imposition for a Hybrid Three-Phase Rectifier. IEEE Transactions on Industrial Informatics, v. 9, p , [4] LIMA, G. B. ; FINAZZI, Antônio de Pádua ; FREITAS, L. C. ; COELHO, E. A. A. ; VIEIRA JUNIOR, J. B. ; FARIAS, V. J. ; CANESIN, Carlos Alberto ; Freitas, L. C. G.. Análise e desenvolvimento de um novo conversor CA-CC Híbrido Monofásico para Aplicações em Sistemas Trólebus. Eletrônica de Potência (Impresso), v. 15, p , [5] Costa, A. V. ; Rodrigues, D. B. ; Lima, G. B. ; FREITAS, L. C. ; COELHO, E. A. A. ; FARIAS, V. J. ; Freitas, L. C. G.. New Hybrid High-Power Rectifier With Reduced THDI and Voltage-Sag Ride-Through Capability Using Boost Converter. IEEE Transactions on Industry Applications, v. 49, p , [6] IEC , "Part 3-2: Limits for harmonic current emissions (equipment input current lower than 16A per phase)", International Electrotechnical Commission, second edition, ; [7] IEC , "Part 3-4: Limits for harmonic current emissions (equipment input current greather than 16A per phase)", International Electrotechnical Commission, first edition, ; [8] Barreto L. H. S. C.; Vieira Jr. J. B.; Coelho E. A. A.; Farias V. J.; de Freitas L. C. The Bang-Bang Hysteresis Current Waveshaping Control Technique Used to Implement a High Power Factor Power Supply. IEEE Transactions on Power Electronics, v. 19, n. 1, p , [9] de Freitas L. C.; et al. A lossless Commutation PWM Boost Converter with Unity Power Factor Operation. in Proc. of IEE-European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 97, Vol.4., 1997, pp