DESENVOLVIMENTO DE UM FILTRO ATIVO SÉRIE TRIFÁSICO

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1 Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial I MAPP 2009 I Mostra Anual de Pesquisa e Pós-Graduação do CPGEI 01 a 04 de Dezembro de 2009 Curitiba Paraná - Brasil DESENVOLVIMENTO DE UM FILTRO ATIVO SÉRIE TRIFÁSICO Priscila Facco de Melo, primelo@gmail.com Roger Gules, rgules@gmail.com UTFPR, Av. Sete de Setembro, 3165 Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de um filtro ativo série trifásico, composto por três módulos monofásicos. Cada módulo monofásico é comandado por um processador digital de sinais. O filtro ativo série proposto é capaz de compensar a distorção harmônica presente na tensão da rede, bem como sub e sobretensões. Uma introdução sobre qualidade de energia e filtros ativos é apresentada. O circuito de potência é descrito, juntamente com a explicação do controle digital aplicado aos conversores do filtro ativo série. No final, alguns resultados experimentais são apresentados. Palavras-chave: Filtro Ativo Série, Compensação Harmônica, Qualidade de Energia 1. INTRODUÇÃO Nas últimas décadas houve um grande avanço dos dispositivos semicondutores de potência e a popularização do seu uso nos equipamentos em diversas áreas, como no acionamento de máquinas elétricas, em reatores eletrônicos, conversores monofásicos e trifásicos e eletrodomésticos em geral. Entretanto, esses dispositivos semicondutores apresentam um comportamento não-linear, fazendo com que os equipamentos que os utilizam sejam responsáveis por distúrbios no sistema de energia elétrica. Entre esses distúrbios tem-se a distorção harmônica de corrente e de tensão. Os harmônicos são componentes que apresentam freqüências múltiplas à freqüência da fundamental; essas freqüências somam-se a essa componente fundamental do sinal, ocasionando sua distorção, como pode ser observada na Fig. (1). Figura 1. Forma de onda de tensão distorcida e sua decomposição nas componentes fundamental e harmônicas. A distorção harmônica afeta a qualidade da energia e pode causar e/ou agravar vários transtornos, como a baixa eficiência de alguns equipamentos, baixo fator de potência, interferência eletromagnética, rompimento da isolação,

2 aquecimento, entre outros. Esses distúrbios na rede elétrica podem ser corrigidos através da utilização de filtros passivos, híbridos ou ativos. Os filtros passivos são filtros que utilizam elementos passivos, como capacitores e indutores, que associados operam como filtro de bloqueio ou de confinamento de harmônicos (Ortmann, 2008). Apesar de serem soluções eficazes, seu grande volume e sua pouca flexibilidade podem os transformar em equipamentos pouco práticos. No trabalho de Ribeiro (2003), um filtro ativo é definido como um equipamento ou sistema, incorporando circuitos eletrônicos, semicondutores de potência, filtros e elementos armazenadores de energia, capaz de compensar a potência reativa e harmônica das cargas não lineares. Os filtros ativos apresentam vantagens em relação aos passivos como, por exemplo, a sua dinâmica e seu menor peso; e com a evolução da eletrônica de potência e dos processadores, seu custo tornou-se competitivo, logo os filtros ativos têm sido amplamente pesquisados nos últimos anos. Há basicamente dois tipos de filtros ativos: o paralelo (utilizado para a compensação de distorção harmônica de corrente) e o série (utilizado para compensação de distorção harmônica de tensão). Também é possível ter filtros ativos combinados com filtros passivos (os chamados filtros híbridos), bem como ter os dois tipos de filtro ativo (paralelo e série) agindo juntos (filtro universal) (Aredes, 1996). Segundo Mekri et al (2007), as cargas tornam-se cada vez mais sofisticadas e também mais susceptíveis a variações na tensão, distúrbios na tensão apresentam um alto custo para a indústria em termos de perda de produção e danos de materiais. Além da indústria, muitos equipamentos médicos e de telecomunicações também são sensíveis a perturbações na tensão. Os filtros ativos série se enquadram nesse contexto, visando entregar para a carga uma tensão com o menor conteúdo harmônico. Os filtros ativos série são conectados em série com a carga e se comportam como fonte de tensão controlada, produzindo uma tensão de compensação V c em série com a tensão de entrada Vi. Dessa maneira, a tensão de entrada Vi soma-se a tensão produzida pelo filtro V c e o resultado é a tensão de saída Vo entregue à carga, que não conterá os harmônicos presentes na tensão de entrada Vi, como exibe a Fig. (2). Figura 2. Princípio de compensação do filtro ativo série. O objeto de estudo desse trabalho é o filtro ativo série, que é utilizado para a correção de distorção harmônica de tensão e, nesse caso, também acumula a função de um regulador de tensão, entregando para a carga uma tensão estabilizada e o mais senoidal possível. O filtro ativo série apresentado é composto por três filtros ativos séries monofásicos, que juntos compõem uma estrutura trifásica. É apresentada a topologia utilizada, bem como todo o esquema de funcionamento e controle dos conversores do filtro proposto. Ao final são apresentados alguns resultados obtidos do protótipo implementado. 2. FUNCIONAMENTO GERAL O filtro ativo série trifásico proposto opera a partir da junção de três módulos monofásicos. Dessa forma, a explicação do funcionamento geral será feita para um módulo monofásico. Cada módulo monofásico é controlado e operado por um processador digital de sinais, o DSP 56F8323, fabricado pela Freescale. O DSP 56F8323 é um processador de 16 bits que apresenta a capacidade de processamento e os periféricos necessários para a implementação do filtro ativo série. Ele é o elemento responsável pela aquisição dos sinais, cálculos, controle e acionamento das chaves do filtro ativo. Os tópicos a seguir descrevem o funcionamento do filtro ativo série Sincronismo Equipamentos como o filtro ativo série necessitam estar em sincronia com a rede elétrica, visto que o princípio de correção não seria possível se estes não estivessem sincronizados. Para satisfazer essa condição, foi implementado um PLL (Phase Locked Loop) digital para exercer essa função no filtro ativo proposto.

3 A estrutura do PLL utilizado é baseada nas propriedades de ortogonalidade e no produto interno entre funções. Sua aplicação foi baseada no trabalho de Marafão et al (2005). A Fig. (3) demonstra o funcionamento da malha do PLL. Figura 3. Diagrama do PLL proposto. O foco do PLL proposto é obter uma função cossenoidal que seja ortogonal a entrada. Logo, o resultado da multiplicação entre a amostra da tensão de entrada e uma cossenóide armazenada digitalmente deverá convergir para um valor médio nulo quando a estrutura estiver sincronizada. Assim, é realizado uma média móvel da multiplicação entre a tensão de entrada e a cossenóide, que é ajustada por um ganho e subtraída de um valor de referência de freqüência (Ref_PLL). O resultado da subtração é limitado em um nível superior e um inferior, para que o PLL sincronize apenas na faixa de freqüência de interesse (estabelecida entre 47 Hz e 63 HZ). O valor, já limitado, é a saída da estrutura do PLL (U_PLL). O resultado U_PLL é realimentado no cálculo da cossenóide armazenada no DSP e também é aplicado em um filtro integrador, que retorna o valor da referência de freqüência do PLL (Ref_PLL). Essa segunda realimentação tem uma resposta mais lenta do que a primeira, evitando que uma malha interfira na outra. A segunda alimentação é necessária para o PLL seja capaz de seguir diferentes valores de freqüência, e não apenas o primeiro valor definido como sua referência. O primeiro valor definido como referência (60 Hz) é chamado de referência antecipativa, e visa melhorar a dinâmica inicial do sistema. Com o PLL, o filtro ativo e a rede sincronizam e a comparação, controle e compensação tornam-se possíveis para a estrutura Topologia e Funcionamento Geral A topologia utilizada em cada unidade monofásica do filtro ativo, presente nos trabalhos de Ando et al (1997), Yeh e Manjrekar (2007) e Chiang et al (2001), é apresentada na Fig. (3). No trabalho de Yeh e Manjrekar (2007) essa topologia é chamada TRINITy, (Triple Inverter Neutral Inter-Ty). Como pode ser observado na Fig. (4), essa topologia apresenta três braços e funciona como dois conversores em ponte completa que compartilham o braço central. Figura 4. Topologia proposta para o filtro ativo série. O conversor de entrada é composto pelo braço de entrada e pelo braço central, isto é, a saída do conversor de entrada é dada pela diferença entre o chaveamento do braço de entrada e o chaveamento do braço central. Ele funciona

4 como um retificador bidirecional, que está em paralelo com a rede elétrica. Ele controla o barramento e provê a energia necessária para o funcionamento do filtro ativo. Já o braço de saída, juntamente com o braço central, opera como um inversor de tensão a partir da tensão DC do barramento. A saída do inversor é obtida pela diferença entre o chaveamento do braço de saída e o chaveamento do braço central. O capacitor do filtro LC do inversor de saída (Cs) é o elemento do filtro ativo que está em série com a tensão da rede, logo o controle do braço de saída é o responsável pela correção da mesma, anulando seu conteúdo harmônico e estabilizando seu valor eficaz. Como o braço central é comum aos dois conversores, ele receberá um chaveamento conhecido, o que é necessário para que seja possível realizar o controle de entrada e saída. Dessa forma, o controlador de entrada irá atuar apenas no braço de entrada, entretanto essa atuação leva em consideração o chaveamento conhecido do braço central. Da mesma maneira, o controlador de saída irá atuar apenas no braço de saída, levando em conta o chaveamento do braço central. O braço central receberá o chaveamento de uma senóide invertida, de forma que tanto o braço de entrada como o braço de saída tenham capacidade de realizar suas respectivas funções. A entrada estabelecida para a rede elétrica esta entre as tensões de 80 V e 160 V e a saída foi estabelecida para 120 V. O objetivo do filtro ativo série é, através do retificador bidirecional da entrada, carregar e manter o barramento em 300 V, repondo a energia necessária que é utilizada pelo inversor de saída, responsável pela geração, no capacitor série, da tensão necessária para corrigir a tensão de entrada e disponibilizar para a carga uma tensão de saída o mais senoidal possível e no nível de 120 V. Para que os braços controlados tenham capacidade de realizar suas funções nos diferentes níveis de tensão da rede elétrica, a senóide invertida que é chaveada no braço central irá variar sua amplitude de acordo com a tensão eficaz da rede. A Fig. (5) exemplifica esse funcionamento. Figura 5. Funcionamento do filtro com diferentes tensões de entrada. Na Fig. (5a) pode-se notar a idéia do funcionamento para uma tensão de entrada (Vi) baixa (80 Vrms, 113 V de pico). No braço central tem-se o chaveamento da senóide invertida com uma amplitude baixa, dessa forma, o braço de entrada tem fundo de escala para seguir a rede, bem como o braço de saída, que consegue gerar toda a tensão de correção (Vc) necessária para que a tensão na saída (Vo) esteja dentro do valor eficaz especificado. Na Fig. (5b) é exemplificado o funcionamento para uma tensão de entrada (Vo) alta (160 Vrms, 226 V de pico). Como a senóide invertida do braço central aumenta sua amplitude proporcionalmente ao valor eficaz da rede, o valor do chaveamento do braço central é mais alto, permitindo que os outros dois braços desempenhem suas funções corretamente. A variação no chaveamento do braço central permite ampla correção de tensão, de forma que não se faz necessário o aumento do valor da tensão do barramento, evitando-se assim o uso de IGBT s e capacitores que suportem maior nível de tensão, otimizando o sistema Controlador da Entrada Como visto, o controlador de entrada deve manter o barramento DC em 300 V, para que o inversor da saída possa utilizá-lo para gerar a tensão necessária no capacitor que está em série com a rede elétrica. Para isso, o conversor de entrada deve acompanhar a rede elétrica, já que ele se encontra em paralelo com a mesma, de forma que não haja circulação de corrente desnecessária entre a rede e o barramento. Logo, o resultado da diferença entre o chaveamento do braço de entrada e o chaveamento do braço central deve seguir a rede. Como o chaveamento do braço central e a tensão da rede são conhecidos, é possível estabelecer um malha feed-forward para o chaveamento do braço de entrada, através

5 da amostra da tensão de entrada. Dessa forma, a malha fechada de corrente do controle da entrada precisa realizar apenas uma parcela do chaveamento. A Fig. (6) apresenta a malha de controle para o braço da entrada. Figura 6. Esquema do controle da entrada. Já que a diferença entre o chaveamento do braço de entrada e o chaveamento do braço central deve seguir a rede, aplica-se um feed-forward simples para atuar no controle, no qual o chaveamento do braço central é adicionado à amostra da tensão de entrada. Logo, teremos o que deve ser chaveado no braço de entrada para que ele siga a rede. Como pode ser visto na Fig. (6), além do feed-forward, o controle de entrada conta com uma malha de controle de tensão do barramento em cascata com uma malha da corrente de entrada. O princípio de funcionamento é igual a uma malha de corrente de um PFC (Power Factor Corrector). Dessa maneira, o filtro ativo série tem a capacidade de corrigir o fator de potência da parcela de corrente utilizada para a correção da tensão de entrada pelo inversor Controlador da Saída O controlador de saída deve ser capaz de corrigir tanto o distorção harmônica da tensão de entrada, como seu valor eficaz (estipulado em 120 Vrms). O controlador de saída também apresenta um feed-foward, que é calculado como é apresentado na Fig. (7). Figura 7. Esquema do controle da saída. Primeiramente a tensão de entrada é comparada a uma tabela senoidal; a partir dessa comparação tem-se o erro, que é exatamente o resultado necessário que deve ser gerado no capacitor série. Um feed-forward é implementado seguindo esse erro e também será a referência para a malha de controle, que é fechada com a amostra de tensão no capacitor série do inversor de saída. A malha utiliza um controlador repetitivo, como descrito nos trabalhos de Rech e Pinheiro (2004) e de Michels e Grundling (2004). O repetitivo é ideal para correção de distúrbios periódicos, já que grava e utiliza informações dos ciclos anteriores, reduzindo as perturbações ao longo dos ciclos. O trabalho de Andrade (2005) apresenta o diagrama de blocos do controlador repetitivo, que é exibido na Fig. (8).

6 Figura 8. Diagrama em blocos do controlador repetitivo. A função de transferência do controlador repetitivo é demonstrada na Eq. (1). N U RP cr z C( z) E( z) 1 Q( z) z N (1) Q(z) é um filtro que tem por objetivo atenuar a integração do erro ao longo dos ciclos. Ele pode ser apenas uma constante, (qr) que irá atenuar todas as frequências do erro da mesma forma, ou um filtro passa baixas sem deslocamento de fase. Segundo Michels e Grundling (2004), se a escolha for uma constante qr, é recomendável esta esteja entre 0,95 e 0,99. Quanto mais próxima da unidade for a constante, melhor será a eficácia do repetitivo, porém isso diminui a margem de estabilidade do sistema. Assumindo que Q(z) é uma constante, a lei de controle do repetitivo discreta baseada na Eq. (1) pode ser escrita como na Eq. (2). u RP ( k) c ( k N n) q u ( k n) (2) r r RP C(z) é um filtro utilizado para compensar o atraso de fase da planta em relação à saída do controlador, representado pela Eq. (3). C d ( z) z (3) O valor Cr é o ganho do controlador, e seu ajuste é um compromisso entre o desempenho do controlador e a estabilidade do sistema. Como se pode notar, a lei de controle do repetitivo utiliza valores de um ciclo anterior ( n), e é por causa dessa característica que ele se torna ideal para a correção de perturbações periódicas. 3. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Neste tópico são apresentados os resultados, visando a qualidade de energia da tensão de saída a partir da análise da sua taxa de distorção harmônica. A topologia descrita foi implementada em um protótipo, que pode ser visualizado na Fig. (9). Figura 9. Protótipo monofásico.

7 A Fig. (10) apresenta as formas de onda do filtro ativo série ligado na rede elétrica com uma tensão abaixo do valor esperado. Figura 10. Formas de onda com tensão baixa na entrada: Vi (60V/div), Vc (50V/div), Vo (60V/div), 5ms/div. Pode-se notar na Fig. (10) que o filtro foi capaz de corrigir a tensão de entrada Vi, cujo valor eficaz era 90 Vrms e apresentava taxa de distorção harmônica de 2,766%. A tensão de saída Vo foi corrigida para um valor de tensão eficaz de 120 V e teve sua taxa de distorção harmônica reduzida para 0,694%. A tensão Vc é a tensão gerada pelo inversor no capacitor série, e é possível notar que a soma dela com a tensão Vi resultará a tensão de saída Vo. A Fig. (11) apresenta as formas de onda para a situação contrária, isto é, quando a tensão da entrada está acima do valor esperado. Figura 11. Formas de onda com tensão alta na entrada: Vi (70V/div), Vc (70V/div), Vo (70V/div), 5ms/div. Da mesma forma que anteriormente, a tensão de entrada Vi (cerca de 150 Vrms) foi corrigida através da compensação da tensão Vc gerada pelo inversor de saída no capacitor série. A taxa de distorção harmônica, que era de 2,165% na tensão de entrada, caiu para 0,803% na tensão de saída. A fim de comprovar o funcionamento do filtro, o mesmo foi submetido a outras formas de onda de tensão na entrada, para sua eficácia ser avaliada. Na Fig. (12), o filtro ativo série foi conectado a uma tensão com alta distorção harmônica.

8 Figura 12. Formas de onda com tensão distorcida na entrada: Vi (50V/div), Vc (50V/div), Vo (50V/div), 2,5ms/div. Visualmente pode-se notar a melhoria ocorrida na tensão de saída do filtro. A taxa de distorção harmônica presente na tensão de entrada (Vi) era de 43,93%. Com a correção ativa, ela caiu para 0,525%. Na Fig. (13), o filtro ativo série teve sua entrada conectada a um no-break com a saída semi-senoidal. Figura 13. Formas de onda com tensão semi-senoidal na entrada: Vi (60V/div), Vc (50V/div), Vo (60V/div), 2,5ms/div. Nota-se que, mesmo a tensão apresentando uma qualidade prejudicada, o filtro ativo série consegue corrigi-la e entregar uma tensão de saída (Vo) praticamente senoidal, com taxa de distorção harmônica de 1,8%. Na Fig. (14) é apresentado conexão de três módulos monofásicos para a composição de uma estrutura trifásica. Figura 14. Conexão trifásica a partir de três módulos monofásicos.

9 A Fig. (15) apresenta as formas de onda de tensão trifásicas resultantes da estrutura. 4. CONCLUSÕES Figura 15. Formas de onda trifásicas: entrada e saída, (70V/div, 5ms/div.) Foi feita uma introdução sobre os distúrbios na tensão, suas causas e possíveis formas de correção. A topologia do filtro ativo série foi apresentada e sua forma de funcionamento e controle foram discutidas. O protótipo e alguns resultados experimentais foram apresentados e julgados satisfatórios, visto que a distorção harmônica de saída é muito inferior à da entrada, comprovando a eficiência da técnica de filtragem ativa. Três módulos monofásicos foram conectados para formar o filtro trifásico. A estrutura trifásica ainda necessita de um método de equilíbrio das tensões de saída, para que não ocorram problemas quanto a cargas trifásicas ligada em sua saída. Além disso, a estrutura pode ser melhorada e convertida para um filtro ativo universal, de forma que a corrente da carga tenha o fator de potência corrigido. Para isso, o conversor de entrada precisa manipular toda a corrente da carga, o que é possível. 5. REFERÊNCIAS Ando, I. and Tanaka, Y., 1997, Development of a High Efficiency UPS Having Active Filter Ability Composed of a Three Arms Bridge, IEEE International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation, Vol. 2, pp Andrade, B. G., 2005, Contribuição ao paralelismo de UPS, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais. Aredes, M., 1996, Active Power Line Conditioners, Ph.D. thesis, Technische Universitat Berlin. Chiang, S. J., Yen, C. Y. and Chang, K. T., 2001, A Multi-module Paralleable Series-Connected PWM Voltage Regulator, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 48, No. 3, pp Marafão, F. P., Desckmann, S. M., Pomílio, J.A e Machado, R.Q., 2005, Metodologia de Projeto e Análise de Algoritmos de Sincronismo PLL, Revista Eletrônica de Potência, Vol. 10, No. 1, pp Mekri, F., Machmoum, M., Mazari, B. and Ahmed, N.A., 2007, Determination of Voltage References for Series Active Power Filter Based on a Robust PLL System, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, pp Michels, L. e Grundling, H. A., 2004, Procedimento de Projeto de Controladores Repetitivos Aplicados em Inversores para Fontes Ininterruptas de Energia, Anais do XV Congresso Brasileiro de Automática, Vol. 1. Ortmann, M.S., 2008, Filtro Ativo Trifásico com Controle Vetorial Utilizando DSP: Projeto e Implementação, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina. Rech, C. and Pinheiro, J.R., 2004, New Repetitive Control System of PWM Inverters with Improved Dynamic Performance under Non-periodic Disturbances, IEEE 35 th Annual Power Electronics Specialists Conference, Vol. 1., pp Ribeiro, E.R., 2003, Filtros Ativos Série para a Compensação de Harmônicas de Tensão, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina. Yeh, C. and Manjrekar, M.D., 2007, Filtros A Reconfigurable Uninterruptible Power Supply System for Multiple Power Quality Applications, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 22, No. 4, pp