CARLOS HENRIQUE ILLA FONT RETIFICADORES TRIFÁSICOS HÍBRIDOS BIDIRECIONAIS COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO

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1 CARLOS HENRIQUE ILLA FONT RETIFICADORES TRIFÁSICOS HÍBRIDOS BIDIRECIONAIS COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO FLORIANÓPOLIS 9

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA RETIFICADORES TRIFÁSICOS HÍBRIDOS BIDIRECIONAIS COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO Tese submetida à Universidade Federal de Santa Catarina cm parte ds requisits para a btençã d grau de Dutr em Engenharia Elétrica CARLOS HENRIQUE ILLA FONT Flrianóplis, utubr de 9.

3

4 DEDICATÓRIAS À Deus iii

5 Em memória de meu pai Luiz Carls Oliveira Illa Fnt iv

6 À minha mãe Ilsa Pr seu amr, sua dedicaçã à minha educaçã e a meu bem-estar. v

7 Às minhas irmãs Michele e Simne Pr seu carinh, cmpreensã e api incndicinal. vi

8 À Vanessa Pel seu amr, sua cmpreensã e pr trnar a minha vida mais cmpleta! Vcê é meu sl, metr e 55 de sl e quase an inteir s dias fram nites, nites para mim. (*) (*) Adaptad de O Girassl Ira! vii

9 AGRADECIMENTOS A prfessr Iv Barbi pela sua rientaçã tã clara e bjetiva, pels seus exempls de disciplina e de prfissinalism e pela sua dedicaçã n ensin de Eletrônica de Ptência. As prfessres d INEP, Jã Carls ds Sants Fagundes, Denizar Cruz Martins, Alexandre Ferrari de Suza, Samir Ahmad Mussa, Êni Valmr Kassick, Hari Brun Mhr, Arnald Jsé Perin e Iv Barbi pela minha frmaçã em Eletrônica de Ptência. As prfessres da banca examinadra da Defesa Pública da Tese de Dutrad: Prf. Carls Albert Canesin, Prf. Cassian Rech, Prf. Marcel Lb Heldwein e Prf. Denizar Cruz Martins pelas valisas cntribuições. Também as membrs da banca examinadra d Exame de Qualificaçã: Prf. Carls Albert Canesin, Prf. Arnald Jsé Perin e Prf. Jã Carls ds Sants Fagundes. As funcináris d INEP, Patrícia, Regina, Clarisse, Celh, Pachec, Rafael, Abraã, Elisabete, Gabriel e Lenard, pr sempre estarem prnts a ajudar e pel cmpanheirism diári. A Pachec, pela cnfecçã das placas de circuit impress e mntagem d prtótip. As funcináris da Pós-Graduaçã em Engenharia Elétrica, Wilsn e Marcel, pr sempre me atenderem de frma amistsa e pr sempre me ajudarem. Agradeç especialmente as Dutrands da turma que ingressu em, Ricard, Eduard, Flábi, Peraça, Jsé August, Claudinr, Jã Améric e Emersn, pr tds s mments de cnvivência harmnisa, de estud, de discussões e pela ajuda irrestrita. A grande amig Ricard, pela amizade e cnvivência desde a épca da graduaçã, pels ensinaments durante temp em que trabalhams n mesm prjet de pesquisa e pr me incentivar a vencer s desafis diáris. As grandes amigs Wail e Denise, agradeç pela cnvivência diária, pels cnselhs, pels ensinaments e pela amizade. A tds s amigs d INEP, agradeç pr serem sempre prestativs e cmpanheirs nessa jrnada em busca d cnheciment. Em especial, as clegas de sala Sérgi Vidal, Kefas, Flábi, Edward e Misés. viii

10 A tds que, de uma frma u de utra, direta u indiretamente, cntribuíram para meu cresciment prfissinal e pessal, durante estes ans vivids n INEP. A CNPq e a UFSC pel suprte financeir e pela estrutura ferecida para a realizaçã d curs. A pv brasileir pr financiar meus estuds pr intermédi d CNPq. OBRIGADO! ix

11 Resum da Tese apresentada à UFSC cm parte ds requisits necessáris para a btençã d grau de Dutr em Engenharia Elétrica. RETIFICADORES TRIFÁSICOS HÍBRIDOS BIDIRECIONAIS COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO Carls Henrique Illa Fnt Outubr/9 Orientadr: Iv Barbi, Dr. Ing. Área de Cncentraçã: Eletrônica de Ptência e Acinament Elétric. Palavras-chave: Eletrônica de ptência, cnversres CA-CC, retificadres trifásics, retificadres híbrids, fatr de ptência unitári. Númer de Páginas:. RESUMO: Este trabalh apresenta duas nvas tplgias de retificadres trifásics cm fatr de ptência unitári e bidirecinalidade n flux de ptência. Os retificadres fram denminads de retificadres híbrids pr serem riginads pela cnexã em paralel de dis retificadres trifásics cm tplgias distintas. Uma das tplgias prpstas é esclhida e analisada qualitativamente e quantitativamente. Na análise teórica qualitativa, estudaram-se as características de entrada e de saída d retificadr, reveland-se s mds de peraçã de melhr desempenh. Na análise teórica quantitativa estudu-se equacinament d retificadr e apresentaram-se tdas as equações de prjet ds elements passivs e ds semicndutres. Os mdels para cntrle das crrentes de entrada e da tensã de saída sã apresentads em cnjunt cm a estratégia de cntrle. Os estuds teórics fram cmprvads cm prjet e a implementaçã prática de um prtótip trifásic alimentad em 8 V, pssuind tensã de saída igual a 7 V e ptência de saída igual a kw. x

12 Abstract f Thesis presented t UFSC as a partial fulfillment f the requirements fr the degree f Dctr in Electrical Engineering. THREE-PHASE BIDIRECTIONAL HYBRID UNITY POWER FACTOR RECTIFIERS Carls Henrique Illa Fnt Octber/9 Advisr: Iv Barbi, Dr. Ing. Area f Cncentratin: Pwer Electrnics and Electrical Drives. Keywrds: Pwer electrnics, AC-DC cnverters, three-phase rectifiers, hybrid rectifiers and unity pwer factr. Number f Pages:. ABSTRACT: This wrk presents tw new three-phase rectifier tplgies with unity pwer factr and bidirectinal pwer flw capability. The rectifiers were named Hybrid Rectifiers because they are generated by the parallel cnnectin f tw different tplgies f three-phase rectifiers. The prpsed three-phase hybrid rectifier with utput vltage cntrl was chsen and studied in its details. In this wrk, theretical analyses f the hybrid rectifier presented the main input and utput characteristics, the energy distributin prcessing, the peratin mdes with imprved perfrmance, the design equatins, the mdeling and the cntrl strategy. The theretical studies were validated by the implementatin f a prttype with 8 V input vltage, 7 V utput vltage, khz switching frequency and kw rated utput pwer. xi

13 SUMÁRIO CAPÍTULO I INTRODUÇÃO GERAL.... Cntextualizaçã e Estad da Arte.... Prpsta da Tese Objetivs e Metdlgia Empregada Organizaçã da Tese... 7 CAPÍTULO II RETIFICADORES TRIFÁSICOS HÍBRIDOS COM ELEVADO FATOR DE POTÊNCIA Intrduçã Crreçã d Fatr de Ptência em Sistemas Trifásics.... Definições Revisã Bibligráfica Retificadres Trifásics Híbrids Prpsts Cnclusã... CAPÍTULO III RETIFICADOR TRIFÁSICO HÍBRIDO BIDIRECIONAL EMPREGANDO O CONVERSOR CC-CC BOOST: ANÁLISE QUALITATIVA.... Intrduçã.... Princípi de Operaçã.... Prcessament da Energia n Retificadr Trifásic Híbrid Ptência Cmutada, Fatr de Utilizaçã ds Interruptres Cntrlads e Energia Armazenada ns Elements Indutivs....5 Cnclusã... 6 CAPÍTULO IV RETIFICADOR TRIFÁSICO HÍBRIDO BIDIRECIONAL EMPREGANDO O CONVERSOR CC-CC BOOST: ANÁLISE QUANTITATIVA Intrduçã Estads Tplógics... 7 xii

14 4. Obtençã d Circuit Equivalente e Cálcul das Razões Cíclica Equacinament para Dimensinament ds Cmpnentes d Retificadr Dimensinament d Indutr Bst Dimensinament ds Indutres d Retificadr B Dimensinament d Capacitr de Saída Dimensinament d Interruptr Bst Dimensinament ds Dids Bst Dimensinament ds Interruptres d Retificadr B Dimensinament ds Dids em Antiparalel d Retificadr B Dimensinament ds Dids Retificadres da Pnte de Graetz Generalizaçã das Equações de Prjet Empreg ds Dids Bst e Indutres Bst Dividids Simulaçã Numérica em Regime Permanente Cnclusã... 8 CAPÍTULO V RETIFICADOR TRIFÁSICO HÍBRIDO BIDIRECIONAL EMPREGANDO O CONVERSOR CC-CC BOOST: MODELAGEM E CONTROLE Intrduçã Mdelagem d Retificadr Trifásic Híbrid Mdelagem para Cntrle das Crrentes Mdelagem para Cntrle da Tensã de Saída Estratégia de Cntrle Simulaçã Numérica em Regime Transitóri Cnclusã CAPÍTULO VI BIDIRECIONALIDADE DO FLUXO DE POTÊNCIA NOS RETIFICADORES TRIFÁSICOS HÍBRIDOS Intrduçã Sistemas de Acinament ds Mtres de Crrente Alternada Retificadres Trifásics Utilizads ns Sistemas de Acinament ds MCA Resultads de Simulaçã Numérica... xiii

15 6.5 Cnclusã... 4 CAPÍTULO VII RETIFICADOR TRIFÁSICO HÍBRIDO BIDIRECIONAL EMPREGANDO O CONVERSOR CC-CC BOOST: PROJETO, IMPLEMENTAÇÃO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS Intrduçã Dimensinament d Estági de Ptência Cálculs Preliminares Dimensinament ds Indutres Bst (Lb e Lb) Dimensinament ds Indutres d Retificadr B (Lf, Lf e Lf) Dimensinament d Capacitr de Saída (C) Dimensinament d Interruptr Bst (Sb) Dimensinament ds Dids Bst (Db e Db) Dimensinament ds Interruptres d Retificadr B (S, S, S, S4, S5 e S6) Dimensinament ds Dids em Antiparalel d Retificadr B (D, D, D, D4, D5 e D6) Dimensinament ds Dids Retificadres da Pnte de Graetz (Dr, Dr, Dr, Dr4, Dr5 e Dr6) Dimensinament d Circuit de Partida (Inrush) (Rp, Rp, Rp e K) Dimensinament ds Fusíveis de Prteçã (F, F, F, F4, F5 e F6) Dimensinament d Dissipadr (HS) Dimensinament ds Sensres Dimensinament ds Sensres das Tensões de Entrada Dimensinament ds Sensres das Crrentes de Entrada Dimensinament d Sensr da Crrente n Indutr Bst Dimensinament d Sensr da Tensã de Saída Dimensinament d Sistema de Cntrle, Mdulaçã, Cmand e Prteções Dimensinament ds Ganhs k e k Prjet ds Mduladres e Circuit de Sincrnism... xiv

16 7.4. Metdlgia de Prjet ds Cmpensadres Prjet ds Circuits de Cmand Prjet ds Circuits de Prteçã Resultads Experimentais Descriçã d Prtótip Implementad Transitóri de Partida Operaçã em Regime Permanente Operaçã em Regime Transitóri Curvas Experimentais Cnclusã... 5 CAPÍTULO VIII CONCLUSÃO GERAL... 5 ANEXO A EQUACIONAMENTO DO RETIFICADOR TRIFÁSICO PWM BOOST DOIS NÍVEIS BIDIRECIONAL A. Intrduçã A. Circuit Equivalente A. Estads Tplógics... 6 A.4 Equacinament para Prjet d Retificadr A.4. Dimensinament ds Indutres de Entrada A.4. Dimensinament d Capacitr de Saída... 7 A.4. Dimensinament ds Interruptres... 7 A.4.4 Dimensinament ds Dids em Antiparalel... 7 A.5 Simulaçã Numérica A.6 Cnclusã ANEXO B ARQUIVOS DE SIMULAÇÃO B. Retificadr Trifásic Híbrid Bidirecinal Empregand Cnversr CC- CC Bst Simulaçã Cmpleta cm CI UC854B B. Retificadr Trifásic Híbrid Bidirecinal Empregand Cnversr CC- CC Bst Simulaçã em Regime Permanente... 8 ANEXO C ESQUEMAS ELÉTRICOS xv

17 ANEXO D LISTA DE COMPONENTES... 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS xvi

18 SIMBOLOGIA Símbl Significad Unidade α Relaçã I pa /I p ω Freqüência angular rad/s ΔI Lb Ondulaçã de crrente ns indutres Lb e Lb A ΔI Lf Ondulaçã de crrente n indutr Lf A ΔI Lf Ondulaçã de crrente n indutr Lf A ΔI Lf Ondulaçã de crrente n indutr Lf A ΔI Lb% Ondulaçã percentual de crrente ns indutres Lb e Lb ΔI Lf% Ondulaçã percentual de crrente ns indutres Lf, Lf e Lf ΔV C Ondulaçã de tensã n capacitr de saída C V ΔV % Ondulaçã percentual de tensã n capacitr de saída C D b Razã cíclica d cnversr CC-CC Bst n pnt de peraçã D Razã cíclica da fase d retificadr B n pnt de peraçã d, d, d Razões cíclicas para cntrle das crrentes de entrada d b Razã cíclica para cntrle da crrente n indutr Bst E L Energia armazenada ns indutres J E n Energia dissipada na entrada em cnduçã d interruptr mw.s E ff Energia dissipada n blquei d interruptr mw.s f r Frequência da rede Hz f S Frequência de cmutaçã Hz FTLA(s) Funçã de transferência de laç abert G(s) Funçã de transferência da planta H(s) Funçã de transferência d cmpensadr I Crrente elétrica n cmpnente A I p Valr de pic da crrente na entrada d retificadr híbrid A I pa Valr máxim da crrente na entrada d retificadr A A I ef Valr eficaz da crrente na entrada d retificadr híbrid A I efa, I A_ef Valr eficaz da crrente na entrada d retificadr A A I efb, I B_ef Valr eficaz da crrente na entrada d retificadr B A I Crrente elétrica na fase n pnt de peraçã A I Valr médi da crrente de saída d retificadr híbrid A I C Crrente de cletr d IGBT A I RRM Máxima crrente de recuperaçã reversa A I F Crrente direta n did A i, i, i Crrentes instantâneas na entrada d retificadr híbrid A i a, i a, i a Crrentes instantâneas na entrada d retificadr A A i b, i b, i b Crrentes instantâneas na entrada d retificadr B A i c, i c, i c, i cb Crrentes instantâneas d retificadr n circuit equivalente A i Crrente instantânea de saída d retificadr híbrid A i a Crrente instantânea de saída d retificadr A A i b Crrente instantânea de saída d retificadr B A i C Crrente instantânea n capacitr de saída A k, k Ganh da distribuiçã de ptência entre s retificadres A e B k CC Ganh da tensã cntínua prprcinal às tensões de entrada k ff Ganh da malha de feeedfrward Ganh d cmpensadr das crrentes de entrada k HI xvii

19 k HILb k HV Ganh d cmpensadr da crrente n indutr Bst Ganh d cmpensadr da tensã de saída k I, k I, k I Ganhs ds sensres das crrentes de entrada k ILb Ganh d sensr da crrente n indutr Bst k m Ganh d circuit multiplicadr de 4 quadrantes k m Ganh d circuit multiplicadr de quadrantes k PWM Ganh d mduladr PWM da fase V - k PWM Ganh d mduladr PWM da fase V - k PWM Ganh d mduladr PWM da fase V - K PWMb Ganh d mduladr PWM d retificadr A V - k vi k V Ganh ds sensres das tensões de entrada Ganh d sensr da tensã de saída L b, L b Indutâncias d retificadr A H L f, L f, L f Indutâncias d retificadr B H L b Indutr resultante da sma ds indutres Lb e Lb H P Ptência na entrada d retificadr híbrid na fase W P a Ptência na entrada d retificadr A na fase W P b Ptência na entrada d retificadr B na fase W P Ptência de saída d retificadr híbrid W P a Ptência de saída d retificadr A W P b Ptência de saída d retificadr B W P C Ptência cmutada W P C Perdas n capacitr de saída W P Req Perdas ns resistres de equilíbri W P Sb, P S Perdas ns interruptres IGBTs W P Db, P Db Perdas ns dids Bst W P D Perdas ns dids em antiparalel W P Dr Perdas ns dids retificadres W P md Perdas n módul W P Cnd Perdas em cnduçã W P Cm Perdas na cmutaçã W P t Perdas ttais ns semicndutres W p Ptência instantânea na entrada d retificadr híbrid na fase W p a Ptência instantânea na entrada d retificadr A na fase W p b Ptência instantânea na entrada d retificadr B na fase W Q RR Energia de recuperaçã reversa C R Resistr de carga Ω R eq Resistr de equilíbri Ω R p Resistr de partida Ω R T Resistência em cnduçã d did em antiparalel Ω R CEmax Resistência em cnduçã d interruptr IGBT Ω R se Resistência série equivalente d capacitr Ω R thda Resistência térmica entre dissipadr e ambiente C/W R thcd Resistência térmica entre encapsulament e dissipadr C/W R thjc Resistência térmica entre junçã e encapsulament C/W s Variável cmplexa, plan s S Módul da ptência aparente na entrada d retificadr híbrid VA (fase ) S a Módul da ptência aparente na entrada d retificadr A (fase VA xviii

20 ) S b Módul da ptência aparente na entrada d retificadr B (fase VA ) S b (t) Funçã de cmutaçã para retificadr A S (t), S (t), S (t) Funções de cmutaçã para retificadr B t Temp s t ht Hld-up time s T s Períd de cmutaçã s T a Temperatura ambiente C T j Temperatura de junçã C T c Temperatura d encapsulament C T d Temperatura d dissipadr C U s Fatr de utilizaçã ds interruptres cntrlads V Tensã sbre cmpnente V V p Valr de pic da tensã na entrada d retificadr híbrid V V ef Valr eficaz da tensã na entrada d retificadr híbrid V V Valr médi da tensã de saída V V, V Tensã na entrada d retificadr híbrid n pnt de peraçã V V Ref Tensã de saída de referência V V Ref, V Ref, V Ref Tensões senidais de referência V V CCRef Tensã cntínua de referência V V ff Tensã da malha de feedfrward V V CE Máxima tensã cletr-emissr V V CESat Tensã de saturaçã V V T Queda de tensã direta V v, v, v Tensões instantâneas na entrada d retificadr híbrid V v c, v c, v c, v cb Tensões instantâneas d retificadr n circuit equivalente V v Lb, v Lb Tensões instantâneas ns indutres Lb e Lb V v Lf, v Lf, v Lf Tensões instantâneas ns indutres Lf, Lf e Lf V v Tensã instantânea na saída d retificadr híbrid V v C Tensã instantânea n capacitr de saída V i,,(t) Crrentes médias instantâneas na entrada d retificadr A Ts híbrid i (t) Crrentes médias instantâneas na entrada d retificadr B A b,b,b a Ts Ts i (t) Crrente média instantânea na entrada d retificadr A A i (t) Crrentes médias instantâneas d retificadr A A c,c,c cb Ts Ts i (t) Crrente média instantânea d retificadr B A i(t) Crrente média instantânea na saída d retificadr híbrid A Ts p(t) Ptência média instantânea de entrada na fase W Ts p (t) Ptência média instantânea n capacitr de saída W C R Ts p (t) Ptência média instantânea n resistr de carga W Ts v,,(t) Tensões médias instantâneas na entrada d retificadr híbrid V Ts v (t) Tensões médias instantâneas d retificadr B V c,c,c Ts v (t) Tensões médias instantâneas d retificadr A V cb Ts xix

21 ^ d ^ d i ^ i v(t) Tensã média instantânea de saída V ^ a ^ v b Ts Perturbaçã da razã cíclica d Perturbaçã da razã cíclica d b Perturbaçã na crrente de entrada d retificadr híbrid (fase A ) Perturbaçã na crrente d indutr Bst A Perturbaçã na tensã de saída d retificadr híbrid V xx

22 Acrônims e abreviaturas Símbl ANEEL CA CC CI CNPq EMI FTLA GTO IEC IEEE IGBT IGCT INEP MCA MOSFET NPC PCC PWM RC RFI RLC SEPIC TDHi TDHv UFSC UPS Significad Agência Nacinal de Energia Elétrica Crrente alternada Crrente cntínua Circuit integrad Cnselh Nacinal de Desenvlviment Científic e Tecnlógic Electrmagnetic Interference Funçã de transferência de laç abert Gate Turn-ff Thyristr Internatinal Electrtechnical Cmmissin Institute f Electrical and Electrnics Engineers Insulated Gate Biplar Transistr Insulated Gate Cmmutated Thyristr Institut de Eletrônica de Ptência Mtr(es) de crrente alternada Metal-xide-semicnductr Field-effect Transistr Neutral-pint Clamped Pnt de cnexã cmum Mdulaçã pr largura de puls (Pulse Width Mdulatin) Resistiv-capacitiv Radi-frequency Interference Resistiv-indutiv-capacitiv Single-ended Primary Inductance Cnverter Taxa de distrçã harmônica da crrente Taxa de distrçã harmônica da tensã Universidade Federal de Santa Catarina Uninterruptable pwer supply Símbls usads ns diagramas de circuits Símbl Significad C, C Capacitr U Circuit integrad D, Dr, Db Did v Fnte de tensã alternada L, Lb, Lf Indutr S, Sb, M Interruptr cntrlad P Ptenciômetr R, Rb, R Resistr T, Tr, Tx Transfrmadr xxi

23 Símbls de unidades de grandezas físicas (SI) Símbl Ω A F H Hz J s V W Significad hm ampère farad henry hertz jule segund vlt watt Sub-índices empregads Símbl ef med pk Ts md Cnd Cm Significad Valr eficaz da grandeza Valr médi da grandeza Valr de pic da grandeza Referente a períd de cmutaçã Referente a módul de semicndutr(es) Referente a term cnduçã Referente a term cmutaçã xxii

24 CAPÍTULO I INTRODUÇÃO GERAL. Cntextualizaçã e Estad da Arte Uma vez que a energia elétrica dispnível na rede elétrica de distribuiçã é em crrente alternada (CA), td equipament u prcess que necessite de energia em crrente cntínua (CC), precisa ser alimentad pr um retificadr (u cnversr CA-CC). A crescente utilizaçã de energia elétrica em crrente cntínua, demandada pr equipaments e prcesss industriais, tem prmvid a utilizaçã de retificadres trifásics ns mais variads setres industriais, tais cm: maquinári industrial, aerespacial, naval, mineraçã, químic, petrlífer, entre utrs (Wu, 6). Requisits e nrmatizações sã clcads cm pnt de partida para prjet de um retificadr trifásic (Agência Nacinal de Energia Elétrica ANEEL, 7; IEEE Industry Applicatin Sciety, 99; Internatinal Electrtechnical Cmissin, 998; Wu, 6). Tais requisits visam garantir a cmpetitividade d prdut assim cm a adequaçã às restrições de nrmatizações internacinais. Merecem destaque: Crreçã d fatr de ptência: retificadr deve apresentar elevad fatr de ptência, tipicamente mair que,9. Dessa maneira, garante-se adequaçã as cnceits de Qualidade de Energia a sistema que alimenta retificadr; Cntrle da tensã de saída: garante a crreta alimentaçã da carga para diferentes tensões de entrada, que trna retificadr versátil; Baixs pes e vlume: está ligad à reduçã ds custs de prduçã, transprte e instalaçã d retificadr; Alt rendiment: também está relacinad cm s custs d prjet. Além destes, garante-se adequaçã as cnceits de Eficiência Energética e us racinal da energia elétrica; Rbustez: relacina-se cm s custs de manutençã e requisits de segurança; Geraçã de Interferência Eletrmagnética (EMI) e Radifreqüência (RFI): retificadr deve apresentar baixa emissã de EMI e RFI, garantind adequaçã as limites de emissã irradiada e emissã cnduzida.

25 Atualmente, duas classes de retificadres trifásics sã empregadas em aplicações industriais: s retificadres trifásics cmutads pela rede e s retificadres trifásics autcmutads (Klar, 999; Omedi, 996; Rastgi, 994; Rdríguez, 5; Siebert, ; Singh, 4). Os retificadres cmutads pela rede também sã cnhecids cm retificadres a dids u a tiristres enquant que s retificadres autcmutads sã cnhecids cm retificadres mdulads pr largura de puls u, d term em inglês, retificadres PWM. Os retificadres trifásics PWM apresentam cm vantagens, quand cmparads cm s retificadres a dids, diminuiçã d vlume e pes devid à peraçã em alta freqüência; cntrle da tensã cntínua de saída e principalmente, crrentes de entrada praticamente senidais, cntribuind, dessa frma, para a qualidade de energia ds sistemas alimentadres. Entretant, pel mens um ds seguintes aspects limitam a cnstruçã ds retificadres trifásics PWM nas aplicações cm ptências mais elevadas (superires a 5 kw), a saber: limites físics de prcessament de crrente e/u tensã ds semicndutres de ptência; limites cnstrutivs, relacinads a prblemas térmics e mecânics e ainda custs. A revisã bibligráfica apnta dis caminhs para a sluçã ds limites peracinais ds retificadres trifásics PWM prcessand ptências elevadas: a utilizaçã de dis u mais retificadres trifásics PWM em paralel (Baumann, 7; Miller, 7; Pan, 7; Rabkwski, 4; Xing, 998; Ye, ) e a utilizaçã de retificadres trifásics cm cnexões especiais, que também sã denminads de retificadres trifásics híbrids (Alves, 5; De Freitas, 4; De Freitas, 5; De Freitas, 6; De Freitas, 7; Illa Fnt, 5; Illa Fnt, 6; Manjrekar, ; Min, 4; Sat, ). Quant à cnexã de retificadres trifásics PWM em paralel, a literatura apresenta tant retificadres d tip Buck (Baumann, 7; Rabkwski, 4; Ye, ) quant retificadres d tip Bst (Pan, 7; Xing, 998), send que sempre se cnectam em paralel retificadres de mesma tplgia e cm igual distribuiçã de ptência prcessada entre s móduls retificadres. Os retificadres trifásics PWM cnectads em paralel apresentam as seguintes vantagens: capacidade de alimentar cargas que demandem ptências elevadas; fatr de ptência unitári, cntribuind para a qualidade de energia;

26 redundância, pis em cas de falha de um retificadr, parte da carga ainda pde ser alimentada pr utr retificadr; reduçã d vlume ds filtrs de entrada e de saída; paralelism favrece a cncepçã de prjets mdulares, pssibilitand a prduçã em série, recnfiguraçã e flexibilidade; melhres respstas dinâmicas; melhr rbustez. Cm desvantagens, pde-se citar: desequilíbris de ptência entre s móduls retificadres, causand prblemas térmics que levam à diminuiçã d rendiment e ptencial destruiçã de um módul; apareciment de crrentes que circulam entre s móduls retificadres (crrentes circulantes), causand distrções nas crrentes de entrada e também prblemas térmics; aument d númer ds circuits de cmand (gate drivers). Atualmente, duas técnicas sã aplicadas para evitar s prblemas de desequilíbris de ptência e das crrentes circulantes: islaçã galvânica em baixa freqüência (Baumann, 7) e técnicas de cntrle vetrial e de mdulaçã vetrial (Baumann, 7; Pan, 7; Rabkwski, 4; Ye, ). A islaçã galvânica utilizand transfrmadres de baixa freqüência na entrada de cada módul retificadr trna retificadr pesad, vlums e car, nas aplicações em ptências elevadas. As sluções baseadas nas técnicas de cntrle vetrial e de mdulaçã vetrial têm apresentad resultads interessantes (Baumann, 7; Ye, ), embra sejam recentes na literatura e ainda necessitem de maires estuds para a sua cnslidaçã. Quant a empreg de retificadres trifásics híbrids, pesquisas recentes têm demnstrad sua viabilidade para aplicações industriais (Alves, 5; De Freitas, 4; De Freitas 7; Illa Fnt, 6; Manjrekar, ). Pel fat de também serem uma cnexã paralela de retificadres, nich de aplicaçã ds retificadres híbrids é em altas ptências. Diferentemente ds retificadres PWM em paralel, estes retificadres sã cncebids pela cnexã em paralel de tplgias distintas e a distribuiçã de ptência prcessada em cada módul retificadr pde ser realizada de frma diferenciada, u seja, s móduls prcessam parcelas

27 4 diferentes de ptência, dependend das características de cada módul retificadr e das características que se deseja alcançar. Os retificadres trifásics híbrids apresentam as seguintes vantagens: capacidade de alimentar cargas que demandem ptências elevadas; fatr de ptência elevad, cntribuind para a Qualidade de Energia; redundância, pis em cas de falha de um retificadr, parte da carga ainda pde ser alimentada pr utr retificadr; reduçã d vlume ds filtrs de entrada e de saída; melhra d rendiment d prcess de cnversã, cntribuind para melhrar a Eficiência Energética; melhres respstas dinâmicas; mair rbustez. Cm desvantagens, pde-se citar: nem sempre é pssível cntrle da tensã de saída d retificadr; mair cmplexidade.. Prpsta da Tese Nas aplicações de retificadres trifásics nde se necessita flux de ptência bidirecinal, cm n cas de acinament regenerativ de mtres de induçã, tradicinalmente se emprega retificadr trifásic PWM Bst dis níveis bidirecinal (Barnes, ). O retificadr trifásic PWM Bst bidirecinal utiliza seis interruptres cntrlads (IGBTs, pr exempl) e pssui cm principais características a bidirecinalidade d flux de ptência, cntrle da tensã de saída e crrentes de entrada senidais. Nas aplicações cm elevada ptência, emprega-se a assciaçã em paralel de dis u mais retificadres trifásics PWM Bst bidirecinais. N cas da utilizaçã de dis retificadres em paralel, utilizam-se dze interruptres cntrlads. A prpsta desta tese é a de apresentar e analisar dis nvs retificadres trifásics bidirecinais que pssibilitem a reduçã d númer de interruptres cntrlads, mantend as características psitivas da assciaçã de retificadres PWM Bst bidirecinais em paralel.

28 5 Neste trabalh serã apresentadas duas estruturas de retificadres trifásics híbrids bidirecinais. Estes retificadres sã apresentads nas Fig.. e Fig... O primeir retificadr será denminad de Retificadr Trifásic Híbrid Bidirecinal empregand cnversr CC-CC Bst enquant segund retificadr será denminad de Retificadr Trifásic Híbrid Bidirecinal empregand transfrmadr (u auttransfrmadr). Fig.. Retificadr trifásic híbrid bidirecinal empregand cnversr CC-CC Bst. Fig.. Retificadr trifásic híbrid bidirecinal empregand transfrmadr (u auttransfrmadr).

29 6 Pr pssibilitar cntrle da tensã de saída e a peraçã em alta freqüência ds indutres, retificadr trifásic híbrid bidirecinal empregand cnversr CC-CC Bst fi esclhid para a análise e implementaçã prática.. Objetivs e Metdlgia Empregada O presente trabalh tem cm bjetiv geral estud de uma nva tplgia de retificadr trifásic híbrid bidirecinal cm elevad fatr de ptência e cntrle da tensã de saída. Embra já existam publicações relacinadas cm tema, este trabalh tem cm bjetiv secundári a frmalizaçã ds cnceits sbre retificadres trifásics híbrids. A metdlgia a ser empregada para a realizaçã d trabalh é apresentada a seguir: Revisã bibligráfica: pesquisa de publicações pertinentes a tema em anais de cngresss nacinais e internacinais, em jrnais e revistas especializads, em bases científicas de dads e em sítis da internet; Análise teórica qualitativa: análise d princípi de peraçã e das características de entrada e de saída; Análise teórica quantitativa: análise e btençã das equações para prjet e dimensinament físic da estrutura; Estud teóric ds aspects relacinads a cntrle d retificadr híbrid: determinaçã das estratégias de cntrle para este retificadr, assim cm a btençã das equações dinâmicas que descrevem cmprtament das variáveis a serem cntrladas; Estud teóric ds aspects relacinads à mdulaçã d retificadr trifásic híbrid: verificaçã de quais técnicas de mdulaçã pdem ser utilizadas nestes retificadres, assim cm prpr técnicas de mdulaçã específicas para este retificadr; Verificaçã ds estuds teórics via simulaçã numérica: verificaçã da peraçã d retificadr nas cndições estudadas na análise teórica; Prjet físic d circuit de ptência e d circuit de cntrle d retificadr: dimensinament ds cmpnentes d retificadr a partir d cnheciment das tecnlgias existentes n mercad;

30 7 Verificaçã ds estuds teórics via implementaçã prática: cmprvaçã ds estuds teórics acerca da peraçã d retificadr híbrid; Cnclusões sbre s resultads btids: discussões sbre s resultads btids, sbre as imprecisões encntradas na análise e apresentaçã ds futurs caminhs a serem seguids para a cntinuidade d trabalh; Divulgaçã ds resultads d trabalh: submissã e apresentaçã de artigs técnics em cngresss e periódics nacinais e internacinais, semináris e defesa pública..4 Organizaçã da Tese N Capítul II apresentam-se s retificadres trifásics híbrids encntrads na revisã bibligráfica. Sã descritas as características e as aplicações das tplgias existentes na literatura. O cnceit de retificadres híbrids e uma cmparaçã das estruturas apresentadas neste trabalh também fazem parte deste capítul. O Capítul III apresenta um estud qualitativ d retificadr trifásic híbrid bidirecinal empregand cnversr CC-CC Bst. Sã apresentads princípi de peraçã d retificadr e uma análise que permite identificar s mds de peraçã d retificadr que prpiciam melhr desempenh à estrutura. O Capítul IV apresenta equacinament para prjet físic da estrutura d Capítul III. Para s elements passivs d retificadr sã apresentadas as equações de prjet e as expressões mais relevantes para seu dimensinament. Para s elements semicndutres d retificadr sã apresentadas as expressões que descrevem s valres de tensã e de crrente para uma dada especificaçã de prjet. N Capítul V apresenta-se a mdelagem d retificadr, cm a btençã das equações dinâmicas que descrevem cmprtament das variáveis a serem cntrladas. A estratégia de cntrle também é apresentada. N Capítul VI é apresentad estud sbre flux de ptência bidirecinal n retificadr trifásic híbrid. Uma revisã bibligráfica sbre s principais cnversres utilizads nesta aplicaçã e resultads de simulaçã numérica cmpletam este capítul. N Capítul VII apresenta-se prjet e dimensinament físic da estrutura de ptência e ds circuits de cntrle, cmand e prteçã. Também sã apresentads neste capítul a descriçã d prtótip implementad e s resultads experimentais.

31 8 As cnclusões gerais d trabalh sã apresentadas n Capítul VIII. As pssíveis cntribuições e a cntinuidade d trabalh sã discutidas. N Anex A apresenta-se equacinament para prjet d retificadr trifásic PWM Bst dis níveis bidirecinal. N Anex B sã apresentads s arquivs utilizads nas simulações numéricas. Os esquemas elétrics sã apresentads n Anex C. Uma lista de cmpnentes é apresentada n Anex D.

32 9 CAPÍTULO II RETIFICADORES TRIFÁSICOS HÍBRIDOS COM ELEVADO FATOR DE POTÊNCIA. Intrduçã Tradicinalmente, s retificadres trifásics sã classificads em retificadres cmutads pela rede e retificadres autcmutads. Os retificadres trifásics cmutads pela rede utilizam cm interruptres de ptência s dids e s tiristres. Estes retificadres sã também denminads de retificadres passivs pel fat de nã permitirem cntrle ativ das crrentes de entrada. Os retificadres trifásics autcmutads empregam uma mdulaçã para impr crrentes de entrada cm um frmat desejad, u seja, estes retificadres permitem cntrle ativ das crrentes de entrada. Estes retificadres sã também cnhecids cm retificadres ativs u ainda, retificadres PWM. Os interruptres de ptência utilizads nestes retificadres sã cntrlads tant na entrada em cnduçã cm n blquei, tais cm s interruptres IGBTs, MOSFETs, GTOs, IGCTs, entre utrs. O presente capítul apresentará as definições e as características mais imprtantes desta terceira classificaçã dada as retificadres trifásics: retificadres trifásics híbrids. A revisã bibligráfica sbre retificadres trifásics híbrids também é apresentada e s principais cnceits sbre estes retificadres sã explrads. Pel reduzid númer de publicações, cnstata-se que este tema ferece grande prtunidade de pesquisa e futuras aplicações. Ainda apresenta-se uma discussã sbre as técnicas de crreçã d fatr de ptência em sistemas trifásics. A crreçã d fatr de ptência é btida u pela utilizaçã de filtrs (crretiva) u pela utilizaçã de retificadres cm elevad fatr de ptência (preventiva).

33 . Crreçã d Fatr de Ptência em Sistemas Trifásics Os sistemas de alimentaçã trifásics sã empregads sempre que se deseja prcessament de médias e de altas ptências, uma vez que se pde dividir pr três a ptência ttal em cada fase d sistema. Uma instalaçã u um sistema que apresente baix fatr de ptência causa inúmers prblemas a sistema de alimentaçã de energia elétrica e também as demais equipaments e sistemas intercnectads na sua vizinhança. N que cncerne as sistemas de alimentaçã, s principais incnvenientes d baix fatr de ptência sã (IEEE Task Frce n the Effects f Harmnics n Equipment, ): - aument das perdas n cbre e n ferr em transfrmadres de distribuiçã, cm cnseqüente aument da temperatura, reduçã da vida útil e subutilizaçã d transfrmadr; - aument das perdas n cbre em linhas de transmissã, causand sbreaqueciment e reduçã da capacidade de transmissã de energia. O baix fatr de ptência, riginad pel elevad cnteúd harmônic das tensões e das crrentes, pde causar diminuiçã d desempenh e falhas de peraçã em equipaments, tais cm: - em mtres elétrics: aument da temperatura, reduçã da vida útil, diminuiçã d rendiment e aument d ruíd audível; - em cnversres estátics: falhas ns circuits de cmutaçã, falha ns circuits de sincrnism e de md geral, diminuiçã d desempenh (rendiment, crreçã d fatr de ptência, etc); - em equipaments de mediçã: errs de mediçã; - em equipaments de cmunicaçã: ruíd e mau funcinament; - em equipaments de cntrle de prcesss industriais: errs em prcesss temprizads e anmalia de peraçã de atuadres; - em servidres e centrs de dads: perda de dads. Nas instalações cmerciais, tais cm ljas de departaments, prédis cmerciais, centrs executivs, centrs de cmpras e hspitais, as principais fntes geradras de harmônicas sã dminadas pela prgressiva utilizaçã de iluminaçã flurescente e

34 reatres eletrônics, cmputadres, acinament elétric de ventiladres, cndicinadres de ar e elevadres. Nas instalações industriais, cm em indústrias de mineraçã, indústrias químicas, indústrias de maquinári industrial, indústrias têxtil, entre utras, as distrções harmônicas sã riundas da utilizaçã de cnversres estátics n acinament de máquinas, UPS, equipaments de slda à arc, equipaments de eletrlisaçã, etc. N âmbit nacinal, a única nrmatizaçã referente a fatr de ptência é encntrada n Módul 8 Qualidade da Energia Elétrica ds Prcediments de Distribuiçã de Energia Elétrica n Sistema Elétric Nacinal, publicada pela ANEEL Agência Nacinal de Energia Elétrica, cm data de de julh de 7 (Agência Nacinal de Energia Elétrica ANEEL, 7). Esta nrma apresenta valr mínim permitid de,9 para fatr de ptência n pnt de cnexã de uma unidade cnsumidra. Cm relaçã as harmônics, a nrma exige limites smente para s harmônics de tensã. As nrmas que mais se destacam na literatura sã as nrmas internacinais IEC6--, IEC6--4 e IEEE59 (IEEE Industy Applicatin Sciety, 99; Internatinal Electrtechnical Cmissin, 998). As nrmas IEC6-- e IEC6--4, de rigem eurpéia, tratam mais especificamente d limite d cnteúd harmônic das crrentes de entrada em equipaments eletrônics. A nrma IEC6-- é aplicada as equipaments que apresentam crrentes de entrada menres que 6 A eficazes pr fase enquant a nrma IEC6--4 se aplica as equipaments que apresentam crrentes de entrada superires a 6 A eficazes pr fase. A nrma IEEE59, de rigem americana, limita cnteúd harmônic das crrentes em um determinad pnt de uma instalaçã elétrica, pnt de cnexã cmum (PCC). Dentre as técnicas utilizadas para a reduçã d cnteúd harmônic e, cnseqüentemente, para a crreçã d fatr de ptência, pdem-se identificar duas vertentes de sluçã d prblema: as técnicas de reduçã d cnteúd harmônic aplicadas nas instalações elétricas e as técnicas de reduçã d cnteúd harmônic aplicadas ns equipaments eletrônics, diretamente. O primeir grup é cmpst pelas técnicas de reduçã de harmônicas aplicadas em instalações elétricas e equipaments elétrics já instalads u ainda, em peraçã. Estes métds estã baseads na utilizaçã de filtrs para a reduçã d cnteúd

35 harmônic e sã cnectads entre a rede elétrica e a instalaçã elétrica, tant na cnexã série quant paralela. Os filtrs pdem ser subdividids em passivs, ativs e híbrids. Cm exempls, pdem-se citar s filtrs passivs RLC e s filtrs ativs série u paralel. Os filtrs híbrids sã cmpsts pela assciaçã de um filtr ativ e de um filtr passiv. A subdivisã ds filtrs é estabelecida em funçã da tecnlgia ds cmpnentes que cmpõem filtr, u seja, s filtrs passivs sã assim denminads prque sã cmpsts pr cmpnentes passivs, tais cm s resistres, capacitres e indutres. Analgamente, s filtrs ativs recebem esta denminaçã, pis, além de serem cmpsts pr cmpnentes passivs, sã cmpsts pr cmpnentes ativs (interruptres semicndutres cntrlads e nã cntrlads). O segund grup é cmpst pelas técnicas de reduçã de harmônicas diretamente aplicadas em equipaments eletrônics. Os representantes deste grup sã s retificadres cm elevad fatr de ptência, já que estes sã indispensáveis cm estági de entrada de qualquer equipament eletrônic. Na literatura encntram-se, geralmente, apenas duas subdivisões para s retificadres: retificadres cmutads pela rede (d inglês, Line-cmmutated Rectifiers) e retificadres autcmutads (d inglês, Self-cmmutated Rectifiers) (Klar, 999; Rastgi, 994; Siebert, ; Singh, 4). Os retificadres trifásics cmutads pela rede utilizam cm interruptres de ptência s dids e s tiristres. Estes retificadres sã também denminads de retificadres passivs pel fat de nã permitirem cntrle ativ das crrentes de entrada. Os retificadres trifásics autcmutads empregam uma mdulaçã para impr crrentes de entrada cm um frmat desejad, u seja, estes retificadres permitem cntrle ativ das crrentes de entrada. Estes retificadres sã também cnhecids cm retificadres ativs u ainda, retificadres PWM. Os interruptres de ptência utilizads nestes retificadres sã cntrlads tant na entrada em cnduçã cm n blquei, tais cm s interruptres IGBTs, MOSFETs, GTOs, IGCTs, entre utrs. Ns retificadres, a subclassificaçã é realizada em funçã da pssibilidade de se impr crrentes de entrada cm um frmat desejad. Neste cntext, s terms passiv e ativ pdem ser empregads, diferentemente d cntext utilizad para classificar s filtrs e s cmpnentes de circuit elétric.

36 Entretant, existe ainda uma terceira subclassificaçã para s retificadres trifásics, denminada de retificadres trifásics híbrids (Alves, 5, De Freitas, 4; De Freitas, 7; Illa Fnt, 6; Klar, 999; Manjrekar, ). Nas referências bibligráficas cnsultadas, esta classificaçã nã aparece bem definida e pr muitas vezes, apenas é mencinada cma utra pssível sluçã para a retificaçã trifásica. Entende-se que, uma vez bem definida, a classe de retificadres híbrids é uma terceira subclassificaçã para s retificadres trifásics. N decrrer d text serã apresentads s principais cnceits sbre s retificadres híbrids, assim cm as tplgias encntradas na revisã bibligráfica. As tplgias prpstas neste trabalh também serã discutidas. Dessa frma, pde-se entã resumir as técnicas de reduçã de harmônicas cnfrme diagrama apresentad na Fig... Traçand-se um paralel de cmparaçã entre as técnicas de reduçã de harmônicas, bserva-se que ambas as técnicas apresentam sluções híbridas. Em destaque, a classe ds Retificadres Trifásics Híbrids, bjet de estud deste trabalh. Fig.. Técnicas de reduçã de harmônicas.

37 4. Definições O term Híbrid é utilizad para designar a cmpsiçã que resulta de elements de natureza distinta. Cnsidera-se híbrida a cmpsiçã de dis elements diverss reunids para riginar um terceir element que pde ter as características ds dis primeirs refrçadas u reduzidas (Wikipédia, 6). O empreg d adjetiv u d substantiv masculin híbrid é bastante cmum em utras áreas d cnheciment, enquant que em Engenharia Elétrica/Eletrônica, seu empreg tem aparecid cm mais cntempraneidade. O term híbrid aparece cm destaque na área de Micreletrônica, mais precisamente na fabricaçã de circuits integrads (Wikipédia, 6). De acrd cm prcess de fabricaçã, s circuits integrads sã classificads em mnlítics, de película delgada e híbrids. Os circuits integrads mnlítics incrpram dids e transistres de elevada qualidade, mas resistres e capacitres de qualidade inferir. Pr utr lad, n prcess da fabricaçã de circuits integrads de película delgada, s resistres e capacitres apresentam alta qualidade. Assim, s prcesss mnlítics e de película delgada fram cmbinads para fabricar um circuit integrad híbrid. O híbrid resultante pde ter s dids e transistres de elevada qualidade, frmads pel prcess mnlític; e s resistres e capacitres também de alta qualidade, frmads pel prcess de película delgada. Nesse cas, reuniram-se duas tecnlgias distintas de fabricaçã de circuits integrads em uma terceira tecnlgia, a híbrida. Cm resultad, bteve-se um circuit integrad cm as características mais interessantes de cada tecnlgia. O empreg d term Híbrid em Eletrônica de Ptência é mais cnslidad quand se trata de cnversres CC-CA (inversres) (Manjrekar, ; Rech, 5; Rech, 7). Nestes inversres, term híbrid é utilizad para designar a assciaçã de móduls de inversres em pnte, nde cada módul inversr em pnte utiliza uma determinada tecnlgia de interruptr. Pr exempl, n artig (Manjrekar, ), inversr híbrid é cncebid a partir da assciaçã de um inversr em pnte cm interruptres IGCTs e de um inversr em pnte cm interruptres IGBTs. O bjetiv ds inversres híbrids é a alimentaçã senidal de cargas cm elevads níveis de ptência. Quand cmparads cm s inversres PWM assciads em paralel,

38 5 s sistemas híbrids têm a finalidade de aumentar rendiment, aumentar a rbustez e diminuir s custs (Manjrekar, ). A melhra de desempenh ds inversres híbrids é alcançada basicamente pr duas características: a ptência prcessada em cada módul inversr é diferente. Ou seja, as maires quantidades de ptência sã prcessadas pels móduls que empregam semicndutres que cmutam cm freqüências menres enquant que as menres quantidades de ptência sã prcessadas pels móduls que empregam semicndutres que pdem perar cm freqüências mais elevadas; a tensã senidal aplicada na carga é btida pela sma das tensões geradas em cada módul. Dessa frma, as tensões de cada módul nã precisam ser necessariamente senidais, resultand em estratégias de mdulaçã diferentes para cada módul. Cm pnt de partida para a discussã ds retificadres trifásics híbrids, enuncia-se a definiçã de retificadres trifásics híbrids adtada neste trabalh. Os retificadres trifásics híbrids sã retificadres btids a partir: - da assciaçã paralela de retificadres trifásics a dids (u tiristres) e retificadres trifásics PWM; - da assciaçã paralela de tplgias distintas de retificadres trifásics PWM; - da assciaçã paralela de mesma tplgia de retificadres PWM, perand cm diferentes níveis de ptência e/u freqüências de cmutaçã e/u estratégias de mdulaçã. Na definiçã apresentada anterirmente, restringe-se a assciaçã ds retificadres em paralel. Cm a cnexã paralela pde-se dividir a ptência ativa prcessada em cada retificadr e ainda, a cmpsiçã das crrentes de entrada para btençã de um frmat senidal é facilitada. É imprtante deixar clar, entã, prquê de nã designar estes retificadres simplesmente de retificadres assciads em paralel. Ns retificadres trifásics PWM cnectads em paralel, as crrentes de entrada de cada módul retificadr sã senidais. Além diss, s móduls retificadres peram cm a mesma freqüência de cmutaçã e sã dimensinads para s mesms níveis de ptência. Ns retificadres trifásics híbrids, pdem-se ter móduls retificadres cm freqüências de peraçã distintas assim cm cm ptências prcessadas distintas. Ainda,

39 6 as crrentes senidais de entrada sã btidas pela cmpsiçã das crrentes de entrada de cada módul retificadr, que independentemente, nã precisam apresentar elevad fatr de ptência. Pr utr lad, d pnt de vista da saída, a cnexã em paralel prvca a diferença instantânea entre as tensões de saída de cada módul retificadr. Assim, ns retificadres híbrids, nem sempre é pssível cntrle da tensã de saída. O nich de aplicaçã ds retificadres híbrids é a aplicaçã em médias e altas ptências. As principais características que se deseja alcançar cm estes retificadres sã: Elevad fatr de ptência; Cntrle da tensã de saída; Aument da cnfiabilidade; Aument d rendiment; Diminuiçã de custs; Aument da capacidade de prcessament de energia cm reduzid pes e vlume..4 Revisã Bibligráfica A revisã bibligráfica resultu n destaque de quatr trabalhs envlvend retificadres híbrids, send que três destes trabalhs estudam s retificadres híbrids de frma islada (De Freitas, 4; De Freitas, 5; De Freitas, 6; De Freitas, 7; Min, 4; Sat, ) e um deles trata ds retificadres híbrids dentr de sistemas retificadr/inversr, empregads, pr exempl, n acinament de máquinas elétricas (Manjrekar, ). Os trabalhs pssuem datas de publicaçã recentes, de até presente. Na Fig.. apresenta-se a cnfiguraçã de retificadr trifásic híbrid, prpsta em (De Freitas, 4; De Freitas, 6). O retificadr é cmpst pela assciaçã em paralel d retificadr trifásic a dids cm três retificadres mnfásics cascateads pr cnversres CC-CC SEPIC. Na entrada d retificadr híbrid tem-se crrentes muit similares as de um retificadr a dids cm pulss e nã crrentes senidais, cntud, fatr de ptência pde ser cnsiderad elevad.

40 7 Fig.. Retificadr trifásic híbrid prpst em (De Freitas, 4; De Freitas, 6). Embra, s autres nã cmentem a respeit d cntrle da tensã de saída, entende-se que ist nã é pssível, uma vez que a tensã de saída fica impsta pela pnte retificadra a dids. Neste artig, cmenta-se a pssibilidade de substituir s cnversres CC-CC SEPIC pr cnversres CC-CC Bst. Prém, devid à característica elevadra d cnversr Bst, necessita-se empregar transfrmadres de baixa freqüência nas entradas que alimentam s retificadres mnfásics. Em 5 uma nva publicaçã ds mesms autres apresentu s resultads experimentais desta variaçã tplógica usand s cnversres CC-CC Bst (De Freitas, 5).

41 8 Em 7, retificadr híbrid apresentad em (De Freitas, 5), fi implementad cm um nv sistema de cntrle que prprcinu que as crrentes de entrada se trnassem senidais (De Freitas, 7). O trabalh mais antig encntrad na revisã bibligráfica que trata de cnversres híbrids fi apresentad em (Manjrekar, ). Neste trabalh apresenta-se uma nva abrdagem para acinament d mtr de induçã utilizand um sistema cm retificadres e inversres híbrids. Na Fig.. apresenta-se, pr simplicidade, circuit elétric de apenas uma fase deste sistema híbrid. Fig.. Cnversres híbrids multiníveis apresentads em (Manjrekar, ). O sistema retificadr é cmpst pela assciaçã d retificadr a dids e de um retificadr PWM enquant sistema inversr é cmpst pela assciaçã de um inversr a IGCT cm mdulaçã quase-quadrada e de um inversr PWM. Cm este sistema é pssível bter diferentes níveis de tensã, tant n retificadr quant n inversr..5 Retificadres Trifásics Híbrids Prpsts Neste trabalh prpõem-se duas tplgias de retificadres trifásics híbrids, apresentadas nas Fig..4 e Fig..5.

42 9 Fig..4 Retificadr trifásic híbrid bidirecinal empregand cnversr CC-CC Bst. Fig..5 Retificadr trifásic híbrid bidirecinal empregand transfrmadr (u auttransfrmadr). O retificadr híbrid apresentad na Fig..4 é denminad retificadr trifásic híbrid bidirecinal empregand cnversr CC-CC Bst. Ele é gerad pela assciaçã em paralel d retificadr trifásic em pnte de Graetz cascatead pel cnversr CC-CC Bst cm retificadr trifásic PWM Bst dis níveis bidirecinal. Neste retificadr tds s elements indutivs sã prjetads para perar em alta freqüência e é pssível cntrle da tensã de saída.

43 O retificadr híbrid apresentad na Fig..5 é denminad retificadr trifásic híbrid bidirecinal empregand transfrmadr. Ele é gerad pela assciaçã em paralel d retificadr trifásic em pnte de Graetz cm retificadr trifásic PWM Bst bidirecinal alimentad pr um transfrmadr abaixadr. Neste retificadr, transfrmadr deve ser prjetad para perar em baixa freqüência e nã é pssível cntrle da tensã de saída. Cm variaçã tplógica deste retificadr, pde-se empregar um auttransfrmadr trifásic em substituiçã a transfrmadr. A Tabela. apresenta uma cmparaçã entre as duas tplgias de retificadres trifásics híbrids prpstas. Tabela. Cmparaçã entre s retificadres trifásics híbrids prpsts. Retificadr Trifásic Híbrid empregand Cnversr CC-CC Bst Retificadr Trifásic Híbrid empregand Transfrmadr Crreçã d Fatr de Sim Sim Ptência Cntrle da Tensã de Saída Sim Nã Dids Operand em Baixa 6 6 Freqüência Dids Operand em Alta 8 6 Freqüência Interruptres Cntrlads 7 6 Indutres Operand em Baixa Freqüência Indutres Operand em Alta 5 Freqüência Transfrmadr Capacitr de Saída N decrrer d trabalh explrar-se-á a tplgia que emprega cnversr CC-CC Bst. Sã atrativs nessa tplgia a peraçã em alta freqüência ds indutres e a pssibilidade de cntrle da tensã de saída.

44 .6 Cnclusã Neste capítul apresentu-se uma revisã sbre as técnicas de crreçã d fatr de ptência em sistemas trifásics, assim cm uma análise das principais nrmas que tratam d assunt. Observa-se que a abrdagem da nrma IEEE59 está mais indicada para a crreçã d fatr de ptência em instalações elétricas, através da utilizaçã de filtrs. Pr utr lad, as nrmas IEC6-- e IEC/6--4 estã mais indicadas para a crreçã d fatr de ptência diretamente ns equipaments eletrônics, através da utilizaçã de retificadres cm elevad fatr de ptência. Os cnceits básics sbre s retificadres híbrids também fram apresentads, assim cm a revisã bibligráfica sbre tema. Entende-se que este nv enfque na cncepçã de retificadres pssui grande pssibilidade de aplicaçã, quand se deseja melhrar a rbustez, melhrar rendiment e diminuir custs, mantend-se a característica de elevad fatr de ptência. Duas nvas tplgias de retificadres trifásics híbrids fram prpstas, send que a tplgia empregand cnversr CC-CC Bst fi esclhida para ser estudada mais detalhadamente e para a implementaçã prática.

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