Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo "Inteligente"

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1 Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo "Inteligente" Coordenador do Projecto: Vitor Manuel de Carvalho Fernão Pires Escola Superior de Tecnologia de Setúbal

2 Projectos de Investigação IPS 1 - Introdução De acordo com o programa de trabalhos do projecto, este iniciou com o estudo das novas topologias de conversores de corrente alternada para corrente contínua (CA/CC) que permitam obter correntes nas linhas de alimentação quase sinusoidais e factores de potência quase unitário qualquer que seja a carga. A partir daqui, foi possível passar para a segunda fase, onde foram desenvolvidas novas topologias, que apresentavam maiores rendimentos relativamente às propostas por outros investigadores. De seguida, foi efectuado o seu estudo teórico, do qual obtiveram-se modelos matemáticos que permitiram fazer a sua análise em cadeia aberta e fechada. Finalmente, foram efectuados prototipos laboratoriais que permitiram efectuar verificações experimentais da análise teórica e da modelização matemática destes novos sistemas. 2 - Descrição da Execução dos Trabalhos Previstos O projecto de investigação "Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo Inteligente ", teve como objectivo o desenvolvimento de novas topologias de conversores CA/CC que permitam optimizar os existentes em termos de custo, volume e peso, a modelização destes novos conversores e o seu controlo clássico e inteligente. Constituiu aspecto fundamental a implementação de sistemas laboratoriais como suporte ao desenvolvimento teórico efectuado. Este projecto desenvolveu-se em duas fases relacionadas entre si. Aprimeira foi dedicada ao desenvolvimento de novas topologias de conversores electrónicos de potência do tipo CA/CC, enquanto que, a segunda foi dedicada ao desenvolvimento e ensaio de algoritmos de controlo resultantes de leis de comando estabelecidas com recurso à aproximação por modo de deslizamento e à lógica f u z z y. Assim, este projecto comportou as seguintes tarefas: Sistematização de soluções existentes Foi efectuada uma análise sistemática de soluções existentes ao nível das topologias dos conversores CA/CC, com factor de potência quase unitário e corrente de alimentação quase sinusoidal, através da consulta de bibliografia da especialidade. Assim, foram consultados revistas e "proceedings" de conferências nacionais e internacionais, relativas à área de trabalho. Deste modo, foi possível fazer um levantamento das novas topologias entretanto desenvolvidas, e respectivas técnicas de controlo. Apresentação de novas topologias Após o levantamento das novas topologias existentes, foram desenvolvias duas novas topologias de conversores CA/CC com factor de potência quase unitário e corrente de alimentação com baixo teor harmónico. Estas topologias são do tipo redutora elevadora (Buck-Boost), e apresentam um maior rendimento relativamente aos conversores propostos por outros investigadores. Estudo das novas topologias No seguimento das novas topologias propostas, foi efectuada uma análise teórica destes novos conversores. Deste trabalho resultaram modelos matemáticos 120

3 IPS Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo Inteligente para estes novos sistemas, que os permitam simular em cadeia aberta e fechada. De salientar, que no âmbito deste estudo, foi desenvolvido um novo controlo da corrente para os conversores monofásicos do tipo redutor elevador. Assim, foi possível aplicar o controlo por modo de deslizamento, apresentando a vantagem de ser robosto e fácil de implementar, ao contrário do que acontecia com as técnicas de controlo propostas por outros investigadores. Montagem e verificação experimental Para verificação experimental da análise teórica e da modelização matemática destes novos conversores, foram concebidos e executados protótipos destes novas topologias. De modo a poder efectuar o estudo destes e outros conversores, os prototipos foram conbebidos de uma forma modular, sendo assim, possível alterar a topologia de uma forma muito simples. De salientar, que foram utilizados componentes de última geração, como foi o caso dos IGBT e na concepção das suas placas de disparo. Sistematização de soluções existentes Foi efectuada uma análise das soluções existentes em termos de controlo para este tipo de conversores, tendo-se verificado que nos esquemas convencionais em cadeia fechada, são utilizadas técnicas de controlo por modulação de largura de impulso (PWM pulse-with modulation). Contudo, estas técnicas utilizam normalmente um padrão global pré-calculado, ou seja, a sequência de configurações do rectificador ao longo do ciclo fica guardada numa memória que é lida ciclicamente, desencadeando a actuação dos semicondutores convenientes. Este processo é pouco adequado para a generalidade dos sistemas onde existem variações da fonte e da carga. De forma a obter melhores desempenhos do controlador, tem-se optado por utilizar microcomputadores ou processadores de sinal (DSP s) para fazer o cálculo da modulação P W M durante o funcionamento do conversor. No entanto, os resultados obtidos experimentalmente para este segunda opção, apesar de apresentarem ligeiras melhorias, continuam a não ser satisfatórios. Assim, verificou-se através desta análise, que era importante desenvolver e aplicar novas metodologias de controlo em cadeia fechada a este tipo de conversores e às topologias propostas. Estudo e obtenção das leis de comando Com o objectivo de optimizar o controlo da corrente de entrada deste tipo de conversores, foi proposto um novo controlador robusto da referida corrente por modo de deslizamento. Para o controlo de tensão de saída optou-se por um compensador clássico do tipo PI. Contudo de forma a obter-se melhores respostas para a tensão de saída, desenvolveu-se um controlador global por modo de deslizamento para a corrente de entrada e tensão de saída. Através do desenvolvimento de um controlador de tensão baseado em algoritmos linguisticos (lógica f u z z y), também se verificou que era possível melhorar a resposta para tensão de saída quando comparado com o compensador PI. Aplicação utilizando as novas topologias de conversores CA/CC Utilizando os conversores desenvolvidos na primeira fase, efectuou-se a implementação laboratorial correspondente aos estudos teóricos e de simulação da fase dedicada ao desenvolvimento de controladores para este tipo de conversores. 121

4 Projectos de Investigação IPS 3 - Novas Topologias de Rectificadores de Alto Factor de Potência Os circuitos de rectificação a diodos ou tiristores são muito utilizados numa grande variedade de aplicações, sobretudo como conversores de interligação à rede eléctrica. A utilização deste tipo de rectificadores é muito atractivo devido à sua inerente robustez e simplicidade. Estes circuitos de rectificação não necessitam de muitos elementos semicondutores, e no caso dos rectificadores a diodos não são necessários circuitos de controlo. Contudo, este tipo de rectificadores apresentam características de carga não lineares, pelo que, perturbam a corrente das linhas de alimentação alternada deixando de ser sinusoidal e passando a conter harmónicas para além da fundamental. A p r e s e n ç a destas harmónicas na corrente em redes de energia eléctrica, origina perturbações das tensões alternadas devidas ao facto da impedância de curto-circuito a montante do rectificador não ser nula (Figura 1). a) Circuito equivalente da rede eléctrica ligado a um rectificador a diodos. b) Formas de onda da tensão e corrente no gerador de energia eléctrica. c) Formas de onda da tensão e corrente no ponto de ligação do rectificador. Figura 1: Rectificador a diodos ligado à rede eléctrica e respectivas formas de onda. 122

5 IPS Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo Inteligente No sentido de minimizar as harmónicas existentes nas redes de energia eléctrica, têm sido utilizadas técnicas tais como a associação de rectificadores e/ou a utilização de filtros. Contudo, com a utilização de elementos semicondutores totalmente controlados e a aplicação das técnicas de comutação forçada, foi possível resolver o problema das harmónicas de corrente ao nível do próprio conversor de potência. Este tipo de conversores pode ser na generalidade dividido em dois tipos de grupos: Grupo 1: conversores compostos por um rectificador não controlado e um conversor do tipo CC/CC que permite regular a tensão de saída e controlar a corrente de entrada. Normalmente os conversores CC/CC mais utilizados são os do tipo Boost, Buck-Boost, Buck, SEPIC e Flyback. Por vezes, também é utilizado antes do rectificador não controlado um filtro do tipo passivo por forma a obter taxas de distorção harmónica da corrente de entrada ainda mais reduzidas. Na Figura 2 é apresentado um exemplo deste tipo de conversores, em que é utilizado um filtro de entrada, uma ponte monofásica a diodos e um conversor CC/CC do tipo Boost. Grupo 2: conversores no qual foram efectuadas directamente modificações no rectificador de entrada. Neste situação são normalmente utilizados elementos semicondutores totalmente controlados ou tiristores com comutação forçada. Estes conversores apresentam características similares aos do tipo CC/CC, ou seja, consideram-se do tipo Boost, Buck-Boost ou Buck consoante a tensão de saída for superior, superior-redutor ou redutor relativamente ao máximo da tensão de entrada. Também neste grupo de conversores, por vezes, é utilizado um filtro na entrada do rectificador. Assim, será possível filtrar as harmónicas de corrente que estes tipo de conversores ainda inserem na rede de energia eléctrica. Na Figura 3 é apresentado um exemplo deste tipo de conversores, em que é utilizado um filtro de entrada, e um rectificador monofásico com características do tipo Boost. Figura 2: Rectificador monofásico a diodos com um conversor CC-CC do tipo Boost e um filtro de entrada. 123

6 Projectos de Investigação IPS Figura 3: Rectificador monofásico do tipo Boost com filtro de entrada. Estes rectificadores de comutação forçada, apresentam as seguintes vantagens: Solução compacta Factores de potência próximo do unitário para qualquer modo de funcionamento Apresenta um excelente modo de funcionamento uma vez que é independente da amplitude e forma da tensão da rede Dos diversos tipos de rectificadores de comutação forçada, os mais utilizados e estudados são os do tipo elevador (B o o s t), redutor-elevador (B u c k - B o o s t) e redutor (B u c k). Destes, o que apresenta um rendimento superior e é mais fácil de implementar e controlar é o do tipo elevador. Contudo, ao contrário dos outros, estes rectificadores não têm a capacidade de limitar crescimentos abruptos da corrente de entrada (sobretudo quando o condensador de saída se encontra descarregado) e fazer a protecção contra curto-circuitos na c a rga. Assim, com o objectivo de tornar ainda mais atractivo o uso dos rectificadores do tipo redutor- e l e v a d o r, são propostas duas novas topologias (uma monofásica e a outra trifásica) que apresentam um maior rendimento e fiabilidade. Também serão propostas novas técnicas de controlo para este tipo de rectificadores, no sentido de os tornar mais robustos e rápidos às variações de carga e referência. A técnica de modelização utilizada é baseada nas equações de estado dos sistemas, o que permite analisar a resposta destes tipo de conversores em regime estático e dinâmico, assim como, efectuar a simulação em cadeia fechada permitindo deste modo desenvolver controladores para este tipo de rectificadores. Existem diversas topologias para rectificadores do tipo redutor- e l e v a d o r, tendo respectivamente 1, 2 ou 4 semicondutores totalmente comandados. Estes conversores, necessitam de um filtro de entrada do tipo passa baixo, um rectificador de díodos monofásico e um semicondutor totalmente comandado 124

7 IPS Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo Inteligente ligado em série ou um rectificador composto por semicondutores totalmente comandados com capacidade de bloqueio em tensão bipolar e/ou díodos, e ainda uma bobine de corrente contínua com um díodo ligado em série a um condensador para tensão contínua. Todas as topologias apresentam para uma vasta gama de tensões contínuas, uma corrente de entrada com uma taxa de distorção harmónica muito reduzida (forma de onda praticamente sinusoidal) e um factor de potência quase unitário. Contudo, o rectificador de quatro semicondutores (Figura 4) totalmente comandados permite obter melhor factor de potência e menores taxas de distorção harmónica na corrente de entrada. No entanto, este tipo de rectificador pode apresentar uma menor fiabilidade devido ao elevado número de semicondutores totalmente comandados, assim como apresenta um menor rendimento quando se utilizam semicondutores totalmente comandados sem capacidade de bloqueio de tensões inversas. Figura 4: Rectificador redutor-elevador com um único estágio de conversão e quatro semicondutores totalmente comandados. De forma a diminuir o número de dispositivos semicondutores que a cada instante é atravessado pela corrente eléctrica sem perder as características do rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados, é apresentado na figura 5 uma nova topologia. Este novo rectificador apenas necessita de dois semicondutores totalmente comandados com capacidade de bloqueio de tensões inversas, um filtro passa baixo de entrada, duas bobinas acopladas magneticamente na parte da corrente contínua para transferências de energ i a (bobinas intermédias) e uma ligação em série com um díodo para o condensador de saída. Comparando com o rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados, verifica-se que esta nova topologia necessita de mais uma bobina intermédia com ligação magnética à outra bobina intermédia e ainda um díodo e um condensador de saída. São apenas 125

8 Projectos de Investigação IPS necessários dois semicondutores totalmente comandados, o que desde já permite prever melhores rendimentos. Figura 5: Rectificador monofásico do tipo redutor-elevador de dois semicondutores totalmente comandados. Para os rectificadores trifásicos do tipo redutor-elevador também existem diversas topologias, tendo respectivamente 1, 3 ou 6 semicondutores totalmente comandados. Destes, o de seis semicondutores de potência totalmente comandados (Figura 6), permite reduzir substancialmente a taxa de distorção harmónica das correntes de entrada. De salientar, que este benefício resulta do facto desta topologia possibilitar o controlo independente das correntes em duas das fases. No entanto, quando comparado com os rectificadores de um e três semicondutores de potência totalmente comandados, este rectificador apresenta um rendimento inferior (para as mesmas perdas de comutação) quando se utilizar semicondutores de potência totalmente comandados sem capacidade de bloqueio de tensão inversa, uma vez que existem quatro semicondutores de potência no caminho das correntes de entrada. Figura 6: Rectificador trifásico do tipo redutor-elevador com seis semicondutores totalmente comandados. 126

9 IPS Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo Inteligente Com o objectivo de reduzir as desvantagens do rectificador do tipo redutorelevador trifásico de 6 semicondutores totalmente comandados, é proposta uma nova topologia que utiliza um menor número de semicondutores totalmente comandados. Esta nova topologia apresentada na Figura 7, apenas necessita de quatro semicondutores totalmente comandados com capacidade de bloqueio de tensão inversa, um filtro passa baixo de entrada do tipo LC (com os condensadores ligados em estrela ou em triângulo conforme se verifica pela figura 3.14) e duas bobinas acopladas magneticamente (bobinas intermédias) na parte da corrente contínua ligadas em série com dois díodos para dois condensadores de saída. Comparando com o rectificador de seis semicondutores totalmente comandados, verifica-se que esta nova topologia necessita de menos dois semicondutores totalmente comandados, no entanto, é necessário mais uma bobina intermédia com ligação magnética à outra bobina intermédia e ainda um díodo e um condensador de saída. Figura 7: Rectificador trifásico do tipo redutor-elevador de quatro semicondutores totalmente comandados com os condensadores de entrada ligados em estrela. 4 - Controlo dos Rectificadores de Alto Factor de Potência do Tipo Redutor- -Elevador A utilização dos rectificadores do tipo redutor-elevador tem sido limitada, devido ao facto da generalidade dos circuitos de controlo utilizados não serem robustos, apresentarem respostas transitórias lentas e taxas de distorção harmónica da corrente de entrada acima do expectável. O elevado custo e complexidade de implementação desses circuitos de controlo também tem sido um factor impeditivo duma maior utilização deste tipo de conversores. Assim, optou-se por desenvolver e aplicar novas metodologias de controlo em cadeia fechada aos rectificadores do tipo redutor-elevador de alto factor de potência. Deste modo é proposto um novo controlador robusto da corrente de entrada por modo de deslizamento. De salientar que os controladores por modo 127

10 Projectos de Investigação IPS de deslizamento, são particularmente interessantes devido às suas reconhecidas características de robustez, redução da ordem do sistema, resposta dinâmica rápida e de simples implementação. Na realidade, este tipo de controladores é especialmente apropriado para ser aplicado aos conversores electrónicos de potência devido ao funcionamento do tipo liga-desliga dos semicondutores de p o t ê n c i a. Com a utilização de um controlador por modo de deslizamento para a corrente de entrada, será possível obter um factor de potência quase unitário, assim como, uma corrente com um teor harmónico muito reduzido. Como este controlador modela activamente a forma de onda da corrente de entrada, é possível manter uma onda quase sinusoidal mesmo com elevadas variações da corrente na bobina de corrente contínua. Deste modo, com este tipo de c o n t r o l a d o r, os rectificadores do tipo redutor-elevador não necessitam de valores de auto-indução das bobinas para corrente contínua tão elevados quanto os utilizados com as técnicas de controlo anteriormente referidas, permitindo assim reduzir o tamanho, peso e custo deste tipo de r e c t i f i c a d o r e s. Para o controlo da tensão de saída, é proposto um controlador do tipo proporcional integral (PI). Como a referência do controlador de corrente é uma sinusóide em fase com a tensão de entrada, este controlador externo da tensão de saída tem como objectivo modular a amplitude da referida sinusóide (Figura 8). Figura 8: Estrutura de controlo em cascata com controlo da tensão de saída Vo e da corrente de entrada is. O compensador PI deve variar lentamente o índice de modulação de forma a garantir a estabilidade do sistema. Para obter um controlador mais rápido e robusto às variações da carga e perturbações na tensão de alimentação, a utilização de um controlador global por modo de deslizamento para a corrente de entrada e tensão de saída apresenta-se como uma solução mais adequada (Figuras 9 e 10). 128

11 IPS Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo Inteligente Figura 9: Controlador por modo de deslizamento para a tensão de saída Vo e da corrente de entrada is. Figura 10: Estrutura do controlador por modo de deslizamento da tensão de saída e corrente de entrada. De forma a ultrapassar as limitações impostas pelos controladores clássicos do tipo PI, ou reduzir o número de sensores necessários para a leitura de variáveis de estado no caso do controlador por modo de deslizamento, recorreu-se à teoria do controlo não linear, baseada na lógica difusa (Fuzzy). Os controladores de lógica difusa são baseados na heurística humana, permitindo facilmente integrar a intuição e o conhecimento de um operador no desenvolvimento de controladores não lineares. Este desenvolvimento é efectuado colocando de forma sistemática considerações heurísticas qualitativas, e cuja integração não é possível em controladores convencionais. Deste modo, os controladores de lógica difusa apresentam um melhor desempenho do que os reguladores lineares convencionais em sistemas complexos e/ou indefinidos, desde que exista um bom conhecimento prático das suas dinâmicas. A utilização de controladores de lógica difusa em conversores de electrónica de potência, tem-se apresentado como um caminho a explorar, tendo-se inclusivamente obtido resultados muito promissores. Deste modo, na cadeia de comando externa utilizou-se o controlador de lógica difusa, enquanto que, na cadeia de comando interna será mantido o controlador por modo de deslizamento (Figuras 11 e 12), porque em geral a corrente de entrada tem 129

12 Projectos de Investigação IPS de ser medida para poder ser controlada, e a utilização do modo de deslizamento (processo com mais desempenho) não necessita neste caso de mais sensores. Figura 11: Estrutura de controlo em cascata com controlo da tensão de saída V o e da corrente de entrada is. Figura 12: Superfície de controlo do controlador de lógica difusa com o método de desfuzificação do centro de somas. Com este controlador de lógica difusa foi possível obter uma muito maior insensibilidade às variações de parâmetros e perturbações na carga quando comparado com o compensador PI. Contudo, esta solução ainda apresentou algumas limitações, pelo que se optou por utilizar um controlador adaptativo de lógica difusa. De forma a avaliar o desempenho do controlador de lógica difusa foram desenvolvidos dois índices de desempenho. Assim, baseado nestes índices, foi construído uma tabela de supervisão para mudar os parâmetros do controlador difuso de acordo com as variações dos parâmetros do sistema. O diagrama de blocos deste controlador adaptativo de lógica difusa é apresentado na Figura 13. Este diagrama de blocos apresenta três partes principais: o processo, o controlador de lógica difusa e o processo de adaptação (avaliação do desempenho e funções adaptativas). 130

13 IPS Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo Inteligente Figura 13: Diagrama de blocos do controlador adaptativo de lógica difusa. 5 - Resultados de Simulação e Experimentais De forma a analisar e confirmar o funcionamento das novas topologias, foram efectuadas simulações numéricas e obtidos resultados experimentais através de protótipos laboratoriais. Assim, é possível analisar e confirmar o funcionamento das novas topologias, assim como, verificar que a utilização dos controladores de corrente e tensão propostos neste trabalho, permite obter os resultados esperados pelo estudo teórico. Relativamente ao rectificador monofásico proposto, é possível verificar que os resultados obtidos permitem confirmar os pressupostos teóricos. Assim, através da Figura 14 a) é possível verificar que a corrente de entrada apresenta uma taxa de distorção harmónica muito reduzida e que o factor de potência é praticamente unitário (note-se que a forma de onda da corrente de entrada é praticamente igual à da tensão de alimentação do conversor). Na Figura 14 b) apresenta-se um resultado experimental da forma de onda da corrente na bobina intermédia L o1, sendo possível verificar que existe uma descontinuidade da corrente devido ao acoplamento magnético entre as duas bobinas intermédias. a) 1 Tensão de alimentação (Vs-20V/div) 2 Corrente de entrada (is-1a/div). b) Corrente na bobina intermédia (i L o1 =1A/ Div). Figura 14: Resultados experimentais para o novo rectificador monofásico. 131

14 Projectos de Investigação IPS Com o objectivo de efectuar a confirmação acerca do pressuposto teórico, de que a nova topologia permite obter maiores rendimentos relativamente ao rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados, foram efectuados ensaios experimentais para diversas tensões de alimentação para estes dois tipos de conversores (com uma corrente máxima de entrada de 3 A e uma carga de 5 0Ω ). Conforme é possível verificar através da Figura 15, a nova topologia apresentou sempre um rendimento superior em todos os ensaios efectuados. Através destes resultados, também é possível verificar que com o aumento da tensão de alimentação diminui a diferença de rendimentos entre a nova topologia e o rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados (74.8% e 61 % a 40 V, e 88.4% e 81.9% a 100 V respectivamente para a topologia de dois e quatro semicondutores totalmente comandados). Esta diminuição na diferença de rendimentos entre duas topologias, deve-se ao facto de que com o aumento da tensão de alimentação, o peso das perdas nos semicondutores é cada vez menor quando comparado com as potências em jogo nos referidos rectificadores. Assim, conclui-se que para certos tipos de aplicações (tensão reduzidas e correntes elevadas), a nova topologia permitirá aumentar significativamente o rendimento da rectificação, quando comparada com o rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados. Para tensões elevadas o rendimento será ainda superior, mas a diferença de rendimentos entre os dois rectificadores será menos marcante. Figura 15: Resultados experimentais comparativos do rendimento para: (1 rectificador de dois semicondutores totalmente comandados, 2 rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados). Relativamente aos ensaios efectuados com os controladores de tensão para o conversor monofásico, através de simulações numéricas e resultados 132

15 IPS Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo Inteligente experimentais foi possível confirmar os pressupostos teóricos. Assim, na Figura 16 é possível verificar na maior rapidez de resposta obtida pelo controlador por modo de deslizamento quando comparado com o compensador P I. a) com um controlador PI (R0=70Ω) 1 Referência da tensão de saída (10V/div) 2 Tensão de saída do rectificador (10V/Div). b) com um controlador por modo de deslizamento (R0=70Ω) 1 Referência da tensão de saída (10V/div) 2 Tensão de saída do rectificador (10V/Div). Figura 16: Resultados experimentais para a tensão de referência do controlador e para a tensão de saída do rectificador. Através da Figura 17 é possível verificar que a utilização dos controladores por lógica difusa permite obter uma maior insensibilidade às variações de parâmetros e perturbações na carga quando comparado com o compensador PI. a) Resposta à variação da carga de R 0 = 150Ω para R 0 = 50Ω, utilizando um compensador PI. b) Resposta à variação da carga de R 0 = 150Ω para R 0 = 50Ω, utilizando um controlador de lógica difusa. c) Resposta à variação da carga de R 0 = 150Ω para R 0 = 50Ω, utilizando um controlador adaptativo de lógica difusa. Figura 17: Resultados de simulação para a tensão de referência do controlador e para a tensão de saída do rectificador. Relativamente ao rectificador trifásico proposto, também é possível verificar que os resultados obtidos permitem confirmar os pressupostos teóricos. Assim, através das Figuras 18 a) e b) é possível verificar que as correntes de entrada têm uma taxa de distorção harmónica reduzida, e que o rectificar apresenta um factor de potência quase unitário. 133

16 Projectos de Investigação IPS a) Correntes de entrada (i s1,2,3-1a/div). b) 1 Tensão de alimentação (V s1-50v/div) 2 Corrente de entrada (i s1-1a/div). Figura 18: Resultados experimentais para o novo rectificador trifásico. Na figura 19, apresentam-se os resultados experimentais obtidos para o rendimento do rectificador de seis semicondutores totalmente comandados e para o novo rectificador proposto, em função da tensão de alimentação. Através desta figura é possível verificar que a nova topologia apresenta sempre um rendimento superior relativamente ao rectificador de três braços, em qualquer dos ensaios efectuados. Com o aumento da tensão de alimentação, verifica-se que diminui o valor da diferença de rendimentos entre os dois rectificadores (para os 20 V obtêm-se valores de 48.7% e 59%, enquanto que para 100V os valores obtidos foram de 82.7% e 89.6%). Esta redução na diferença de rendimentos entre as duas topologias, justifica-se pelo facto do peso das perdas nos semicondutores ser cada vez menor quando comparadas com as potências em jogo nos referidos rectificadores. Estes resultados experimentais, permitem concluir que na realidade, os pressupostos teóricos de que a nova topologia permitia aumentar o rendimento de conversão relativamente ao rectificador de seis semicondutores totalmente comandados, estão correctos. Figura 19: Resultados experimentais comparativos do rendimento para: (1 rectificador de quatro semicondutores totalmente comandados, 2 rectificador de seis semicondutores totalmente comandados). 134

17 IPS Novas Topologias de Conversores de Potência com Controlo Inteligente Através dos ensaios efectuados com os referidos controladores de tensão para o conversor trifásico, foi possível verificar através de simulações numéricas e resultados experimentais que estes apresentavam um comportamento similar aos obtidos com o conversor monofásico. 6 - Conclusões Através deste trabalho, desenvolveram-se novas topologias de rectificadores do tipo redutor-elevador de alto factor de potência. Estas novas topologias (uma monofásica e uma trifásica) permitem aumentar o rendimento deste tipo de rectificadores. Também foram propostas estratégias de controlo para serem utilizadas nos rectificadores monofásico e trifásico do tipo redutor-elevador, de forma que as suas correntes de entrada tivessem uma forma de onda quase sinusoidal (teor harmónico reduzido), praticamente em fase com as respectivas tensões de alimentação, e com a possibilidade de regular a respectiva tensão de saída. Anexo - Publicações Resultantes deste Projecto A partir do trabalho desenvolvido neste projecto, foi possível publicar um conjunto de artigos científicos em congressos internacionais e numa revista internacional, conforme se descreve: V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "A Single Phase Two-Switch Buck-Boost Type AC-DC Converter with a High Power Factor and Sinusoidal Source Current", IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC'99), vol. 1, pp , June 27-July 2, 1999, Charleston, Estados Unidos da América. V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "Sliding Mode Controller for Single Phase AC/DC Buck-Boost Converter", 8 th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'99), pp 1-10, September 7-9, 1999, Lausanne, Suiça. V. Fernão Pires, Tito G. Amaral, J. Fernando Silva, Manuel Crisóstomo, "Fuzzy Logic Control of a Single Phase AC/DC Buck-Boost Converter", 8 th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'99), pp 1-10, September 7-9, 1999, Lausanne, Suiça. V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "Modelling, Simulation and Control of Step-Up/Down Current Source Rectifiers", 6 th International Conference ELECTRIMACS 99, vol 3, pp 31-36, September 14-16, 1999, Lisboa, Portugal. V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "Half Bridge Single Phase Buck-Boost Type ac-dc with Sliding Mode Control of the Input Source Current",, IEE Proceedings Electric Power Applications, vol. 147, no. 1, pp , January Tito G. Amaral, V. Fernão Pires, Manuel Crisóstomo, J. Fernando Silva, "Adaptive Fuzzy Logic Control of a Single Phase Sinusoidal Rectifier with Step-Up/Down Characteristics", IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT 2000), vol 1, pp , January 19-22, 2000, Goa, India. Tito G. Amaral, V. Fernão Pires, Manuel Crisóstomo, J. Fernando Silva, "Low Sensitivity Adaptive Fuzzy Controller for Single Phase Step-Up/Down Voltage PWM Front End Rectifier", World Automation Congress (WAC 2000), pp 1-7, June 11-16, 2000, Maui, Hawai. 135

18 Projectos de Investigação IPS V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "Sliding Mode Current Controller for the Three Phase Single- Stage AC/DC Buck-Boost Converters", 9 th International Conference on Power Electronics & Motion Control (EPE-PEMC 2000), vol 1, pp , September 5-7, 2000, Kosice, Republica Eslovaca. V. Fernão Pires, J. Fernando Silva, "A New Single Stage Three Phase Step-Up/Down Rectifier with Low Effects on the Mains", 35st Annual Meeting IEEE Industry Applications Society, vol. 4, pp , Octuber 8-12, 2000, Roma, Italia. Equipa de investigação Vitor Manuel de Carvalho Fernão Pires Vitor Manuel Esteves Antunes Tito Gerardo Batoreo Amaral Filipe Duarte dos Santos Cardoso João Francisco Alves Martins José Fernando Alves da Silva Paulo José da Costa Branco 136