CONVERSOR DE 12/18 PULSOS DE 10 KW E BAIXO VOLUME UTILIZANDO AUTOTRANSFORMADOR COM CONEXÃO Y-DIFERENCIAL FECHADA

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1 CONVERSOR DE 12/18 PULSOS DE 10 KW E BAIXO VOLUME UTILIZANDO AUTOTRANSFORMADOR COM CONEXÃO Y-DIFERENCIAL FECHADA Falcondes José Mendes de Seixas(*), Marcello Mezaroba e Ivo Barbi Universidade Federal de Santa Catarina - Departamento de Engenharia Elétrica INEP - Instituto de Eletrônica de Potência - Caixa Postal Florianópolis - SC Fone: (048) Fax: (048) inep.ufsc.br - falcon@inep.ufsc.br (*) Prof. na UNESP - Universidade Estadual Paulista - Ilha Solteira - SP - Resumo: Este trabalho apresenta o estudo e a implementação de um autotransformador trifásico que alimenta conversores de 12 e 18 pulsos e potência de 10kW. A conexão Y-diferencial fechada mostra que tanto para operação em 12 como 18 pulsos, a potência aparente processada pelo autotransformador é de apenas 22% da potência nominal da carga. Com isso, consegue-se reduzir muito o volume do transformador. Além disso, os harmônicos de corrente de alimentação são reduzidos apenas aos de ordens k.(n 1), onde k é inteiro e positivo e n é o número de pulsos. O protótipo é ensaiado e os principais resultados são apresentados e analisados para os dois modos de operação. I - INTRODUÇÃO Em muitas aplicações industriais, as correntes dos alimentadores apresentam elevada THD (Total Harmonic Distortion) e, portanto, baixo fator de potência. Isto se deve principalmente ao elevado número de cargas não-lineares como acionamentos em velocidade variável, fontes de alimentação, fornos de indução, sistemas de energia ininterrupta (UPS - Uninterruptable Power System), que são conectadas à rede de alimentação. O baixo fator de potência representa um acréscimo no valor eficaz da corrente do alimentador, enquanto que a elevada THD pode prejudicar o funcionamento de equipamentos sensíveis às harmônicas irradiadas ou conduzidas. Algumas normas internacionais como a IEEE-519 e a IEC , são muito rígidas quanto aos níveis aceitáveis de THD e fator de potência. Assim como o elevado número de trabalhos desenvolvidos para correção de fator de potência em sistemas monofásicos, são crescentes as técnicas de sistemas trifásicos que operam com elevado fator de potência, sejam através de conversores com um ou mais interruptores associados [01] ou através de conexões adequadas de transformadores [02]. Em geral, as técnicas que utilizam transformadores ou sistemas mistos com transformadores e conversores estáticos, permitem operar em potências bem mais elevadas [03,04]. Neste trabalho são apresentados o estudo por simulação e a implementação de um protótipo capaz de processar até 10kW a partir de um autotransformador que alimenta conversores de 12 ou 18 pulsos, não simultaneamente. Além de atender os anseios científicos, o protótipo tem também finalidade didática e será utilizado por alunos do INEP. Por isso, o autotransformador é construído sobre um núcleo trifásico com saídas para operação em 12 pulsos e saídas para operação em 18 pulsos. O protótipo é ensaiado para os dois modos de operação e os resultados são apresentados e analisados. II CONVERSOR DE 12 PULSOS A fig. 1 mostra o esquema básico do conversor de 12 pulsos na conexão estrela - diferencial fechada. La2 Lc1 Lb Lb1 La Lc2 Lc Lb2 La1 Fig. 1 - Conversor de 12 pulsos. A fig. 2 mostra a obtenção gráfica da defasagem de 30 o entre às tensões de fase (com relação ao neutro) nas saídas dos enrolamentos secundários, ou seja, uma saída é atrasada em 15 o e a outra adiantada em 15 o em relação à tensão da fase correspondente. VLa2 VLc1 VLb1 N VLc2 15 VLb2 VLa1 Fig. 2 - Diagrama das tensões nos enrolamentos. O número de espiras das bobinas auxiliares secundárias são obtidos em relação ao número de espiras das bobinas primárias. A equação 01 relaciona as tensões de linha e de fase. b. 3 (01) As tensões nos enrolamentos secundários são obtidas através das relações dos triângulos e representadas pela equação 02. sen( 15') (02) sen( 105') Assim, a relação entre as tensões dos enrolamentos são obtidas pela equação (03). n (03) I1 I2

2 b 1 2 n : tensão de linha de alimentação; : tensão de fase de alimentação; : tensão sobre a bobina b1 do secundário; : tensão sobre a bobina c2 do secundário; : relação de espiras entre primário e secundário. II.1 - Resultados de simulação. A fig. 3 mostra as formas de onda, para uma das fases, da tensão de referência (primário) e das tensões obtidas pela defasagem de 30 º. II.2 - Potência do autotransformador Os valores eficazes de corrente e tensão nos enrolamentos foram obtidos por simulação. Com eles, calculam-se as potências aparentes nos enrolamentos primários e secundários. ILa = 3.9A ILa1 = ILa2 = 20.4A = 220V 1 = 2 = 59V Vomd = 460V Iomd = 2*25A Secundários Ss = 6*20.4*59 = 7222VA Primários Sp = 3*3.9*220 = 2574VA Média S = (Ss + Sp)/2 = 4898VA Carga Po = 2*460*25 = 23000W Assim, S = 21.3% de Po III CONVERSOR DE 18 PULSOS A fig. 6 mostra o esquema básico do conversor de 18 pulsos na conexão estrela - diferencial fechada. Lb1 Lc2 I1 La Lan Fig. 3 - Tensões obtidas pela defasagem de 15º. A fig. 4 mostra as formas de onda das correntes em todos os enrolamentos de uma coluna do núcleo. Observa-se que a corrente no enrolamento primário, responsável pela magnetização do autotransformador, apresenta valor eficaz muito reduzido. La2 Lc1 Lb Lbn Lcn Lc Lb2 La1 I2 In Fig. 6 - Conversor de 18 pulsos. A fig. 7 mostra a obtenção gráfica da defasagem de 20 o entre às tensões (com relação ao neutro) nas saídas dos enrolamentos secundários, ou seja, uma saída é atrasada em 20 º, outra é mantida em fase com o primário, com apenas o nível de tensão ajustado, e a última adiantada em 20 º. VLb1 VLc2 Fig. 4 - Correntes nas bobinas da coluna a do núcleo. A fig. 5 mostra as formas de onda de tensão e corrente numa das fases do alimentador. Fig. 5 - Tensão e corrente de entrada na fase a. VLa2 VLc1 VLbn N VLan 20 VLcn VLb2 VLa1 Fig. 7 - Diagrama das tensões nos enrolamentos. As equações 04 a 07 mostram as principais relações obtidas pelo diagrama de tensões apresentado. Os enrolamentos secundários defasados em 20º (1 e 2, por ex.) apresentam relações de espira calculadas por n2, enquanto que os enrolamentos em fase com os primários (n, por ex.) n1. sen( 60') n (04) sen( 100')

3 sen( 20') sen( 100') (05) n n (06) n (07) III.1 - Resultados de simulação. A fig. 8 mostra as formas de onda, para uma das fases, da tensão de referência (primário) e das tensões obtidas pela defasagem de 20 º. Fig. 8 - Tensões obtidas pela defasagem de 20º. A fig. 9 mostra as formas de onda das correntes em todos os enrolamentos de uma coluna do núcleo. Observa-se que a corrente no enrolamento primário, responsável pela magnetização do autotransformador, apresenta valor eficaz muito reduzido. Fig. 9 - Correntes nas bobinas da coluna a do núcleo. A fig. 10 mostra as formas de onda de tensão e corrente numa das fases do alimentador. Fig Tensão e corrente de entrada na fase a. III.2 - Potência do autotransformador Os valores eficazes de corrente e tensão nos enrolamentos foram obtidos por simulação. Com eles, calculam-se as potências aparentes nos enrolamentos primários e secundários. ILa = 3.91A ILa1 = ILa2 = Ilan = 13.6A = 220V 1 = 2 = 76V n = 26.5V Vo(médio) = 451V Io(médio) = 3*16.67A Secundários Ss = 6*13.6*76+3*13.6*26.5 = 7283VA Primários Sp = 3*3.91*220 = 2581VA Média S = (Ss + Sp)/2 = 4932VA Carga Po = 3*451*16.67 = 22550W Assim, S = 21.9% de Po IV PROJETO DO AUTOTRANSFORMADOR O autotransformador é alimentado por um sistema trifásico de tensões balanceadas, e fornece duas saídas para os dois modos de operação. A primeira saída é formada por três sistemas trifásicos. Um em fase com o primário e os outros dois espaçados de 20 o em relação à fase do primário (um em avanço de 20 o e o outro em atraso de 20 o ). A segunda saída é formada por dois sistemas trifásicos. Um em avanço de 20 o e o outro em atraso de 20 o, em relação ao primário. Admitindo-se que a potência na carga do conversor de 18 pulsos é de 10kW, então cada ponte retificadora de 6 pulsos deve processar 3.33kW. Assim, o conversor de 12 pulsos processa 6.67kW. Em ambos conversores a tensão média de saída é de 450V. A tabela 1 mostra os valores eficazes de tensão e de corrente em cada enrolamento, obtidos por simulação (05, 06), para alimentação em rede de 220/380V e com cargas de 10kW (18 pulsos) e de 6.67kW (12 pulsos). Com estes dados, o núcleo e os enrolamentos do autotransformador podem ser dimensionados. 18 Pulso 12 Pulso La Irms Vrms La1 Irms Vrms La2 Irms Vrms Lan Irms Vrms Tab. 1 - Tensões e correntes eficazes nas bobinas. Cálculo da potência aparente do autotransformador (S). (3*1.7 * 220) [3* 6 * * 6 * 76.5] S 2175VA 2 S=21.7% de Po Cálculo da seção magnética do núcleo (Sm) [07]. S / fase 2175 / 3 Sm 7.5* 7.5* 26cm f 60 O núcleo escolhido tem dimensões Sm=4.5*6=27cm 2 Cálculo da relação Espiras/Volts [07]. 2

4 40 40 Esp / V 1.5 Sm 27 Cálculo do número de espiras dos enrolamentos. Primários para 18 e 12 pulsos: N(La) = N(Lb) = N(Lc) = 220*1.5 = 330 espiras Secundários para 18 pulsos: N(Lan) = N(Lbn) = N(Lcn) = 26.5*1.5 = 40 espiras N(La1) = N(Lb1) = N(Lc1) = 76.5*1.5 = 114 espiras N(La2) = N(Lb2) = N(Lc2) = 76.5*1.5 = 114 espiras Secundários para 12 pulsos: N(La1) = N(Lb1) = N(Lc1) = 59*1.5 = 88 espiras N(La2) = N(Lb2) = N(Lc2) = 59*1.5 = 88 espiras Os secundários para 12 pulsos são obtidos a partir de uma derivação na 88 a espira dos enrolamentos secundários para 18 pulsos, de 114 espiras. A fig. 11 ilustra as ligações dos enrolamentos de uma fase para obtenção de 12 e 18 pulsos. V.1 Retificador de18 Pulsos Para o retificador de 18 pulsos as aquisições foram realizadas para potência nominal de 10kVA A forma de onda da fig. 12 mostra as correntes de linha na entrada do conversor. Como pode-se observar elas são simétricas e defasadas 120 graus entre si. A fig. 13 mostra a tensão e corrente em uma das fases. Nota-se que o fator de potência é muito elevado principalmente pelo pequeno defasamento entre tensão e corrente. Fig Ligações para uma fase. Escolha dos condutores. Primários : I = 1.7 A Fio = 20 AWG Secundários : I = 6 A Fio = 15 AWG V RESULTADOS EXPERIMENTAIS Após à definição de um procedimento de projeto, foi construido um protótipo operacional a fim de confirmar os resultados teóricos e de simulação. Foram adquiridas diversas formas com as quais puderam ser traçadas curvas e efetuadas diversas análises relevantes para os estudos. Fig Tensão e corrente de entrada em uma fase A fig. 14 mostra a tensão e a corrente em um primário do auto-transformador. Pode-se observar que as correntes que circulam por esses enrolamentos é muito reduzida comparada à corrente de entrada do circuito. Este é um dos fatores que fortalece o emprego deste tipo de configuração. Fig Correntes de linha na entrada do conversor Fig Tensão e corrente em uma das fases do conversor Escala: 2A/div, 100V/div Na fig. 15 pode-se ver as tensões nos enrolamentos La1, La2 e Lan. Nota-se uma defasagem de 20 entre elas. Na fig. 16 podem ser observadas as tensões de saída do conversor sobrepostas. São três saídas com ondulação de 6

5 Taxa de Distorção Harmônica Fator de Potência Rendimento (%) pulsos por período de rede. Estas saídas podem ser interligadas em paralelo através de indutores inter-fases proporcionando uma saída única com ondulação de 18 pulsos P Potência (W) Fig. 18 -Rendimento em função da potência 1 FP Fig Tensão de tensões nos enrolam. La1, La2 e Lan P Potência (W ) Fig. 19 -Fator de potência em função da potência TDH P Potência (W ) Fig Taxa de distorção harmônica da corrente de entrada em função da potência Fig Tensões nas três saídas do conversor. A fig. 17 mostra o gráfico correspondente à análise harmônica da corrente de entrada em uma das fases. 5.9% 5.3% 4.7% 4.1% 3.5% 2.9% 2.4% 1.8% 1.2% 0.6% 0.0% Harmonic magnitude as a % of the fundamental amplitude Fig Análise harmônica de uma corrente de entrada. Voltage: Nota-se CH4 a presença de algumas harmônicas de baixa Current: CH1 ordem na # Harmonics tensão : de 51 entrada que causam distorção na corrente. Type: Current Magnitude Nas figs. 18 a 20, são apresentados gráficos de rendimento, fator de potência e THD em função da potência de saída. Fig. 21 -Correntes de linha na entrada do conversor V.2 - Retificador de 12 Pulsos Para o retificador de 12 pulsos as aquisições foram realizadas para potência nominal de 6,67kVA As formas de onda da fig. 21 mostram as correntes de linha na entrada do conversor.

6 A fig. 22 mostra as formas de onda da tensão e corrente em uma das fases. Fig. 22 -Tensão e corrente de entrada em uma fase Na fig. 23 pode-se observar as tensões nos enrolamentos La1e La2. Nota-se uma defasagem de 15 entre elas. Fig. 23 -Tensões de fase e nos enrolamentos La1 e La2. Fig. 24 -Tensões nas duas saídas do conversor. Na fig. 24 observa-se as tensões de saída do conversor sobrepostas. São duas saídas com ondulação de 6 pulsos por período de rede. Estas saídas podem ser interligadas em paralelo através de indutores inter-fases proporcionando uma saída única com ondulação de 12 pulsos. Na fig 25 pode ser visto o gráfico correspondente à análise harmônica da corrente de entrada em uma das fases. 9.4% 8.5% 7.5% 6.6% 5.6% 4.7% 3.8% 2.8% 1.9% 0.9% 0.0% Harmonic magnitude as a % of the fundamental amplitude Fig. 25 -Análise harmônica de uma corrente de entrada. Voltage: CH4 Current: CH1 # Harmonics: 51 Type: Current Magnitude VI - CONCLUSÕES Neste artigo apresentou-se o estudo por simulação e a implementação de um protótipo de um retificador trifásico com alto fator de potência capaz de processar até 10kW a partir de um autotransformador que alimenta conversores de 12 ou 18 pulsos. O conversor apresentou resultados muito satisfatórios principalmente pelo seu alto fator de potência e baixa distorção harmônica e por manter suas características praticamente inalteradas em toda a faixa de carga. Este conversor oferece uma alternativa muito viável para correção de fator de potência em potências de retificadores não controlados para potências elevadas. VII - REFERÊNCIAS. [01] A. R. Prasad, P. D. Ziogas, S. Manias An Active Power Factor Correction Technique for Three-Phase Diode Rectifier, PESC 89. [02] C. Niermann, New Rectifier Circuits with Low Mains Pollution and Additional Low Cost Inverter for Energy Recovery, EPE 89. [03] Paice, Derek A. "Power Electronic Converter Harmonic Multipulse Methods for Clean Power", N.Y., IEEE Press, [04] S. Choi, B. S. Lee, P. N. Enjeti, "New 24-Pulse Diode Rectifier System for Utility Interface of High-Power AC Motor Drives", IEEE Trans. on Industry Applications, Mar./Ap [05] Falcondes J. M. S. Autotransformadores - Conexões Diferenciais, Relatório da disciplina Harmônicos Gerados por Conversores Estáticos ministrada pelo Prof. Ivo Barbi, INEP - UFSC, Florianópolis - SC, setembro/1998. [06] Ivo Barbi e Alunos, Apostilas da disciplina Harmônicos Gerados por Conversores Estáticos, INEP - UFSC, Florianópolis - SC, junho/1998. [07] Alfonso Martignoni, Transformadores, Editora Globo, Porto Alegre - RS, 1971.

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