UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA - UFSM CENTRO DE TECNOLOGIA CT GRUPO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE - GEPOC SEPOC 2010

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA - UFSM CENTRO DE TECNOLOGIA CT GRUPO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE - GEPOC SEPOC 2010 FILTRO ATIVO DE POTÊNCIA SÉRIE PARALELO APRESENTADOR: MÁRCIO STEFANELLO, ME. ENG. ORIENTADOR: PROF. HILTON ABÍLIO GRÜNDLING, DR. COLABORADOR: RAFAEL ZANATTA SCAPINI Santa Maria, Agosto de 2010.

2 Conteúdo O que é Filtro Ativo? Qualidade de Energia Causas e consequências Compensação de problemas de Qualidade de Energia Filtros Ativos de Potência Implementação de FAP s Operação do FAP paralelo Operação do FAP série 1. O que é Filtro Ativo? É um equipamento composto de dispositivos eletrônicos de potência, utilizados para a compensação de problemas de qualidade de energia elétrica. 2. Qualidade de Energia Idealmente, a tensão elétrica fornecida pelo sistema de distribuição é senoidal com amplitude e frequência fixas e, no caso de um sistema trifásico, é também balanceada. Já as correntes de linha drenadas pelas cargas são também senoidais e em fase com a tensão no ponto de conexão. Pode-se dizer que qualquer variação destes padrões ideais representa um problema de qualidade de energia. As causas dos problemas de qualidade de energia podem ser: naturais, originadas a partir de outra carga, ou então pela interação das variáveis elétricas do sistema elétrico (cargas não-lineares drenam correntes harmônicas, que por sua vez distorcem a tensão). Os principais problemas associados a qualidade de energia são: distorções nas tensões e correntes de linha, circulação de correntes reativas, flickers, afundamentos, swells, circulação de

3 elevadas correntes de neutro em sistemas trifásicos a quatro fios alimentando cargas não lineares monofásicas e correntes harmônicas devido a cargas não-lineares em geral, tais como retificadores e equipamentos eletromagnéticos operando na região de saturação. 2.1 Causas e Consequências Dentre os problemas de qualidade de energia, as harmônicas tanto de corrente quanto de tensão, representam o maior problema. Harmônicos são formas de onda resultantes da sobreposição de formas de onda de frequências diferentes. A Figura 1 mostra uma forma de onda complexa que inclui a sétima harmônica. Figura 1: Forma de onda com sétima harmônica. Historicamente, as componentes harmônicas de corrente num sistema elétrico de distribuição eram geradas pela operação de equipamentos eletromagnéticos saturados. Como exemplo, a Figura 2 mostra a característica não-linear da corrente drenada por um transformador operando na região de saturação (considerando a tensão aplicada puramente senoidal). Atualmente, equipamentos eletrônicos de potência representam a principal fonte harmônica de corrente. Estes equipamentos possuem um estágio de retificação na entrada que, independente de ser controlado ou não, faz com que sejam drenadas correntes com elevado conteúdo harmônico, conforme mostrado na Figura 3. Cargas monofásicas não-lineares conectadas em um sistemas trifásicos a quatro fios podem produzir corrente de neutro de terceira harmônica e a amplitude desta corrente pode ser maior que a da própria corrente de linha. Este comportamento causa aquecimento aos condutores e risco de danos físicos, devido ao surgimento de uma possível tensão entre o condutor de neutro e o de proteção.

4 Figura 2: Ilustração mostrando as características de um transformador saturado. Figura 3: Retificador monofásico conectado a rede elétrica cuja forma de onda de tensão v(t) senoidal, e corrente elétrica i(t) resultante. Figura 4: Circuito trifásico alimentando cargas não-lineares. Formas de onda de corrente de linha e de neutro resultante. Outro problema de qualidade de energia são as variações dos níveis de tensão durante alguns ciclos da fundamental. A Figura 5 ilustra um afundamento de tensão de aproximadamente oito ciclos.

5 Figura 5: Afundamento de tensão. 2.2 Compensação de Problemas de Qualidade de Energia Para compensar os problemas de qualidade de energia são utilizados filtros de potência, que podem ser passivos ou ativos. A Figura 6 ilustra as possibilidade de implementação dos filtros de potência, sejam eles passivos ou ativos. Nos filtros passivos são utilizados capacitores, para correção de fator de potência ou filtros LRC sintonizados para supressão de componentes harmônicas de tensão e/ou de corrente. Os Filtros Ativos de Potência ou FAP s são implementados utilizando chaves semicondutoras de potência (principalmente IGBT's ou GTO's) e elementos passivos de saída para filtragem. O sistema é controlado de modo a realizar a compensação, processando apenas energia reativa (salvo as perdas do conversor e do filtro). Os filtros de potência podem ser conectados em paralelo ou em série com a rede elétrica. No primeiro caso, os filtros são mais eficazes para a compensação de cargas indutivas, lineares ou não. Já no segundo, o filtro é eficaz quando aplicado para compensação de cargas com característica de fonte de tensão.

6 (a) (b) Figura 6: Configurações gerais de filtros passivos e ativos. (a) Filtro conectado em paralelo e (b) em série. 3. Filtros Ativos de Potência Conforme comentado, existem métodos passivos e ativos de compensação de problemas de qualidade de energia. Os filtros passivos são mais simples de serem projetados e são extremamente robustos. Entretanto, possuem capacidade de compensação limitada, são pouco flexíveis e apresentam problemas associados ao envelhecimento dos componentes e variações paramétricas. Por outro lado, os FAP's são mais flexíveis, pois operam com uma malha de controle que tende a compensar as variações paramétricas e distúrbios. A partir da década de 70 os Filtros Ativos passaram a ser considerados uma alternativa para a solução dos problemas de qualidade de energia. Atualmente são disponíveis comercialmente por algumas grandes empresas do setor de energia tais como, ABB, GE e Mitsubishi. 3.1 Implementação de FAP s Os FAP's são implementados a partir de um conversor eletrônico de potência, geralmente um inversor do tipo fonte de tensão (VSI) tal como mostrado na Figura 7 (a). A representação é genérica pois o inversor pode ser monofásico ou trifásico a três ou quatro - fios. O inversor opera de modo a gerar uma forma de onda de saída com largura de pulso variável conhecida como PWM (do inglês, Pulse Width Modulation). A largura dos pulsos é definida com base em sinais de modulação que são gerados por meio de comparação entre a forma de onda a ser sintetizada (ação de controle)

7 e uma portadora triangular, conforme mostrado na Figura 7 (b). Na saída do inversor são utilizados filtros passivos (geralmente passa-baixa) para filtragem do sinal de potência PWM. (a) (b) Figura 7: Operação do inversor PWM. (a) Conversor do tipo fonte de tensão modulado por largura de pulso (PWM). (b) Comparação entre sinal e portadora. A conexão do FAP em paralelo com a rede é feita utilizando um filtro indutivo, enquanto o FAP série é conectado por meio de um filtro capacitivo. A conexão série normalmente utiliza um transformador isolado para proteção e isolação do sistema. A Figura 8 mostra de um modo geral, o esquema de implementação de um FAP conectado em paralelo e em série com a rede elétrica. Nesta figura, também é introduzida uma ideia básica do sistema que define a ação de controle a ser modulada pelo inversor. O FAP paralelo opera sob característica de fonte de corrente, isto é, atua na rede para correção das não-idealidades das formas de onda de corrente. O objetivo da compensação é injetar uma corrente I F tal que quando esta for somada a corrente de carga I C, resulte numa corrente de linha I L puramente senoidal e em fase com a tensão (o que seria ideal). Dessa forma, se pretende fazer com que a corrente de linha seja referente apenas à potência ativa (da fundamental) transmitida à carga, enquanto a potência reativa circula apenas entre o conjunto de cargas (lineares ou não) e o filtro ativo paralelo. Dependendo da impedância da linha, quando as correntes drenadas pelas cargas são distorcidas a tensão no ponto de conexão também pode ser distorcida. Neste caso, um FAP paralelo pode ser utilizado também para diminuir a distorção de tensão, uma vez que as componentes harmônicas são inseridas na rede pelo FAP, com defasagem de 180º. De modo análogo ao paralelo, o FAP série apresenta característica de fonte de tensão, atuando sobre as não-idealidades das formas de onda da tensão da rede. Seu princípio de operação consiste basicamente em gerar a tensão V F no secundário do transformador de modo que quando

8 Figura 8: Implementação de FAP s. esta tensão for somada à tensão no ponto de conexão V PC, produza uma tensão puramente senoidal V C na carga, compensando assim, as não-idealidades da tensão de linha. Para a implementação de um FAP é necessário um sistema capaz de gerar os sinais de referência de compensação ou, em outras palavras, definir o que se pretende obter na saída do filtro ativo de potência (referência de corrente para o FAP paralelo ou de tensão para o FAP série). Para isso, é necessário identificar as características da forma de onda de interesse, de tensão ou de corrente. Dentre estas características podem-se citar a frequência da fundamental, as amplitudes e a fases de cada componente harmônica e, para sistemas trifásicos, as componentes de sequência positiva, negativa e zero da fundamental. As características da forma de onda fornecem informações a partir das quais são obtidas as referências de compensação. À estratégia de geração de referências chamamos de algoritmo de geração de referências. A regulação da tensão do elo CC do inversor PWM é feita com a adição de uma referência de corrente ativa para o inversor, gerada pelo bloco denominado controle de v cc. Esta potência ativa representa as perdas internas do inversor, como por exemplo, as perdas de comutação.

9 Uma vez geradas as referências (para I F ou V F ), o CONTROLADOR deve ser implementado com o objetivo de garantir o rastreamento das mesmas, rejeitando os distúrbios de saída. A Figura 10 ilustra um FAP paralelo identificando seus principais componentes. DSP CLP Fontes CC Medição de tensão Interface dos transdutores de corrente UPS (a) (b) Figura 9: Protótipo de um FAP paralelo. (a) Vista frontal e (b) vista oposta (GEPOC/CEEE) 3.2 Operação do FAP Paralelo A Figura 10 relaciona as formas de onda de tensão e de corrente do sistema formado pela rede elétrica, carga não-linear do tipo fonte de corrente e FAP paralelo. Enquanto o FAP está operando a forma de onda IF é injetada na rede de modo que a corrente de linha IL é aproximadamente senoidal. Quando o FAP sai de operação, a corrente de linha é igual a corrente de carga, possuindo elevado conteúdo harmônico.

10 VC IF IL Figura 10: Resultado experimental da operação de um FAP paralelo. De cima para baixo: tensão no ponto de conexão; corrente inserida pelo FAP paralelo; correntes de linha e correntes de carga I C injetada pelo filtro ativo é complexa, Pode-se observar que forma de onda de corrente possuindo várias frequências, porém, não inclui a frequência da fundamental. Deste modo, o FAP processa apenas energia reativa. 3.3 Operação do FAP Série O princípio de operação do FAP série é análogo ao do FAP paralelo, diferindo pelo fato de que a variável de controle é a tensão e não a corrente. A Figura 11 mostra as formas de onda da tensão na carga VC, e a de corrente de carga IC para uma das fases, com e sem compensação de desequilíbrio.

11 VC IC Figura 11: Formas de onda de tensão na carga e de corrente de linha. 4. Outras Topologias de Filtros Ativos A combinação das topologias paralela e série formam o UPQC (do inglês Unified Power Quality Conditioner). Nesta topologia, o elo CC que armazena energia é compartilhado entre as estruturas série e paralela. A Figura 12(a) ilustra o esquema de um UPQC. Esta topologia é capaz de compensar os desequilíbrios de tensão e de corrente, atuando na compensação de problemas de qualidade tanto da tensão quanto da corrente. As maiores desvantagens estão associadas ao custo e a elevada complexidade do sistema de controle necessário. Os FAP s podem ainda ser associados aos filtros passivos, dando origem aos Filtros Híbridos. A Figura 12(b) mostra um exemplo de filtro híbrido, resultado da combinação de um FAP série com um filtro paralelo sintonizado. Associação entre filtros ativos e passivos de potência são amplamente utilizadas, pois dependendo da situação, é suficiente para se atingir o objetivo a um custo reduzido, uma vez que o FAP pode ser projetado, agora, para compensar apenas as harmônicas de menor amplitude.

12 (a) (b) Figura 12: Topologias de filtros ativos. (a) UPQC e (b) filtro ativo híbrido. Referências Bibliográfica [1] SINGH, B.; AL-HADDAD, K.; CHANDRA, A. A review of active filters for power quality improvement. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 46, n. 05, p , [2] EMADI, A.; NASIRI, A.; BEKIAROV, S. B. Uninterruptible Power Supplies and Active Filters. [S.l.]: CRC Press, ISBN [3] STEFANELLO, M. Controle Adaptativo Robusto de Estrutura Variável por Modelo de Referência Aplicado a Filtros Ativos de Potência Tese (Orientador: Hilton Abílio Gründling) Universidade Federal de Santa Maria, UFSM, RS, Brasil, [4] Relatório FAPP CEEE, [5] Relatório Filtro Ativo Série Paralelo, CEEE, 2008/2010.

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