Universidade Tecnológica Federal do Paraná Departamento Acadêmico de Eletrotécnica Curso de Engenharia Elétrica Curso de Engenharia de Controle e Automação ESTUDO DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS-BIFÁSICOS APLICADOS AOS RETIFICADORES MULTIPULSOS, ISOLADOS E COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA. Alceu André Badin, badin@utfpr.edu.br 1 Beatriz Haddad de Oliveira 2 João Vitor Kozloski 3 1 UTFPR, Avenida Sete de Setembro, Nº 3165, CEP 80.230-901, Curitiba-PR. 2 UTFPR, Avenida Sete de Setembro, Nº 3165, CEP 80.230-901, Curitiba-PR. 3 UTFPR, Avenida Sete de Setembro, Nº 3165, CEP 80.230-901, Curitiba-PR. Resumo: O conversor multipuso é uma das soluções técnicas para a mitigação de componentes harmônicos no sistema. Diferentes configurações são utilizadas para diversos tipos de aplicações. O presente instrumento apresenta uma nova topologia de retificador multipulso, utilizando transformador trifásico-bifásico, com conexão baseada no tipo Le Blanc aplicado a retificadores múltiplos de 4 pulsos, para a obtenção de um conversor de 16 pulsos. Foram realizados estudos para verificação da viabilidade do projeto, através de análises teóricas, matemáticas, simulações computacionais e, por fim, com a construção de um protótipo, do qual foram obtidosos dados experimentais. Palavras-chave: Harmônicos, Retificadores Multipulso,Transformmador Trifásico-Bifásico, Qualidade de Energia. 1. INTRODUÇÃO Cargas não lineares possuem correntes com diversos componentes harmônicos, de frequências múltiplas a da fundamental da rede. A maioria destas cargas demanda da conversão de corrente alternada em corrente contínua (CA- CC), processo denominado retificação (PAICE, 1995). As cargas não lineares contribuem negativamente para a rede, diminuindo o fator de potência, aumentando as perdas e as distorções na rede, gerando interferências eletromagnéticas, comprometendo medições e o funcionamento de equipamentos (SINGH, 2008; BLAUTH, 1998). Devido a esses e outros fatores, foram desenvolvidas normas para regulamentar a utilização destas cargas, onde se especificam, entre outros fatores, a taxa de distorção harmônica (TDH) de cada componente harmônico e a interferência eletromagnética (PAICE, 1995; BORGONOVO, 2005). Atualmente tem-se como as maiores referências para limites de emissões de harmônicos, normas internacionais criadas por organizações respeitadas. São elas: Norma IEC 61000 e a Recomendação IEEE-519. Com o aumento do conhecimento tecnológico, o estudo dos sistemas de potência está sendo direcionado para a eletrônica de potência, que é o estudo do processamento e controle do fluxo de energia elétrica, fornecendo tensões e correntes de uma forma que é adequada para cargas de usuários. Os objetivos do uso de eletrônica de potência são obter os benefícios de menor custo, perda de potência pequena e alta eficiência energética. Outras vantagens são redução no tamanho, no peso e no custo total (HERNADI, 2008). Atualmente, além das técnicas passivas para redução de harmônicos e aumento do fator de potência em retificadores trifásicos, têm se destacado a utilização de configurações que aproveitam as características próprias de cada composição (PÖTTKER, 2000; BLAUTH, 1998). As configurações mais utilizadas são formadas por retificadores com estruturas de 12 ou mais pulsos. Estes conversores são obtidos através da associação de transformadores, com relação de transformação unitária e com ângulos de fase defasados entre si (PÖTTKER, 2000). Em várias instalações de potência, os níveis de distorção harmônica que utilizam a técnica de 12 pulsos são insuficientes, conhecendo os níveis recomendados em norma. Tendo isto em vista, sistemas de 18 pulsos são propostos com desempenho superior se comparado com o sistema de 12 pulsos (SWAMY, 2010). Verifica-se que quanto maior for o número de pulsos, menor será a amplitude dos componentes harmônicos de menor ordem, e, desta forma, menor serão as distorções na corrente. Todavia, maior é a complexidade da topologia do circuito neste caso (SWAMY, 2010). A técnica multipulso é considerada superior à tecnologia PWM, não apenas por eliminar alguns componentes harmônicos, mas também por diminuir a amplitude de outros, reduzindo a interferência eletromagnética e as perdas em baixa frequência ocasionadas no acoplamento, causadas pela comutação. Assim, têm-se como resultado maior eficiência e menores níveis de perdas no sistema de conversão (SINGH, 2008).
Cada vez mais há a necessidade de se utilizar soluções que possibilitem um uso mais eficiente da energia. No campo dos retificadores, há constante busca por opções mais confiáveis, seguras, robustas e econômicas, em especial quando do seu emprego em indústrias. Com isso é necessário o desenvolvimento de novos sistemas e produtos que estejam adequados às normas e que reduzam as interferências na rede, com o estudo de formas de utilização da energia de maneira eficiente e segura. Neste âmbito, a análise de diferentes circuitos retificadores e de transformadores deve ser realizada com intuito de estudar possíveis modos de se obter sistemas de maior confiabilidade, robustez e economia. Tento isto em vista, este trabalho propõe uma topologia inédita de um retificador de 16 pulsos com a utilização de transformadores trifásicos-bifásicos. 2. RETIFICADORES Retificadores, também chamados conversores, são dispositivos que convertem tensão e/ou corrente alternada em tensão e/ou corrente contínua, podendo retificar vários níveis de potência. Para potências elevadas, os retificadores trifásicos são os mais indicados, tendo como objetivo o equilíbrio das potências de cada fase trifásica. Os conversores podem ser divididos em dois grupos: passivos e ativos. O primeiro se refere aos retificadores não- controlados, enquanto o segundo engloba os retificadores controlados por semicondutores de potência. A retificação de ondas a partir de dispositivos passivos (objeto deste estudo) pode ser baseada em sistemas de conversores multipulso. Há diversos tipos de configurações e topologias sugeridas. A maior contribuição dessa tecnologia está na possibilidade do deslocamento angular das fases, usando transformadores. A utilização de componentes magnéticos podem aumentar os custos do dispositivo, contudo, a defasagem gerada diminui ou cancela determinados componentes harmônicos, o que impacta na redução da taxa de distorção harmônica (TDH), garantindo melhor aproveitamento da energia. 3. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO-BIFÁSICO O transformador com conexão Le Blanc é uma das estruturas mais populares para obter-se uma transformação trifásica em bifásica, com a possibilidade de equilíbrio de correntes e tensões. Tradicionalmente a conexão trifásica-bifásica Le Blanc é constituída por cinco enrolamentos no lado bifásico, possuindo defasagens fixas, possibilitando apenas modificações de 60, o que equivale a troca da sequência de fases. Para o presente estudo utilizou-se uma conexão diferente baseada na topologia do transformador Le Blanc, na qual se reduziu o número de enrolamentos para três ou quatro, possibilitando a composição de qualquer ângulo de defasagem desejado. A figura (1) apresenta as composições dos enrolamentos secundários, necessárias para a obtenção das diferentes defasagens. Figura 1. Composição dos enrolamentos baseado no transformador Le Blanc. (a) Conexão trifásica em ligação Delta; (b) Ligação secundária para defasagens de 0 a π/6 radianos; (c) Ligação secundária para defasagens de π/6 a π/3 radianos; (d) Ligação secundária para defasagens de π/3 a π/2 radianos; A utilização de transformadores trifásicos-bifásicos com diferentes defasagens, geram a possibilidade de atribuir novas topologias de retificadores multipulso, com estruturas inéditas composta por múltiplos de 4 pulsos. Estas novas configurações podem representar estruturas mais modulares e versáteis, de maior robustez e rendimento e que garantam maior segurança. 4. PROTÓTIPO O protótipo consiste na montagem de um dispositivo retificador multipulso de 16 pulsos utilizando o transformador isolado trifásico-bifásico baseado na conexão Le Blanc. Para a retificação em 16 pulsos, é necessário que a alimentação trifásica alternada primária permita uma defasagem secundária de 22,5 entre as fases. Optou-se por utilizar quatro transformadores para representar as ligações da variante da conexão Le Blanc, o que possibilita também, as medições de corrente de cada secundário, separadamente. Embora os transformadores estejam separados, nada impede que seja utilizado um único transformador, o que possibilita a redução de tamanho, de custo e de peso.
Quatro grupos de oito diodos foram ligados em série, para providenciar os 16 pulsos como resultante. Nos ensaios utilizou-se uma carga de 4,5 kva, alimentada por tensão trifásica de 220 V, composta por três reostatos de 100 Ω ligados em paralelo (total de 33,3Ω), quatro indutores de 400 mh ligados em paralelo (total de 100 mh) ligadas em série com um indutor de 3 mh. A figura (2) apresenta o diagrama esquemático das conexões utilizadas no desenvolvimento do protótipo. Figura 2. Diagrama Esquemático de conexões do protótipo. O protótipo foi submetido a ensaios em bancada, tendo diversas de suas variáveis medidas com equipamentos disponíveis em laboratório. Utilizaram-se para a montagem materiais disponíveis no comércio brasileiro. 5. SIMULAÇÃO A Figura (3) mostra as formas de onda de tensão e corrente na alimentação trifásica de entrada do retificador de 16 pulsos obtido através de simulação computacional. As correntes foram multiplicadas por 5 para facilitar visualização na Figura 3. Formas de onda de tensão e corrente do primário, obtidas por simulação. escala do gráfico, além disso, verifica-se que estão em fase com as ondas de tensão.
A Figura (4), por sua vez, mostra as tensões de linha do secundário do transformador trifásico-bifásico. Nesta figura fica claro que as tensões do secundário estão defasadas de 22,5 uma da outra e, ao serem retificadas, garantem os 16 pulsos na tensão da carga. Figura 4. Formas de onda de tensão dos secundários e sob a carga, obtidas por simulação. Através dos resultados obtidos por análises teóricas e matemáticas, além dos dados obtidos por simulações computacionais, verificou-se que a tensão de pico reversa nos diodos, apresenta valores de amplitude menores, se comparadas às pontes trifásicas tradicionais. Isto sugere que a tensão na carga pode ser maior, sem que isto afete a ponte retificadora. A figura (5) apresenta o espectro harmônico de corrente obtido em cada fase do primário e compara com as recomendações internacionais IEEE 519. Como se pode verificar, a componente de menor ordem e mais significativa para o retificador de 16 pulsos é o 15º e 17º harmônico. Através das simulações verifica-se que nenhuma das fases, contempla as recomendações de injeções de harmônicos estipulados pela IEEE. Corrente (%) 10.0 5.0 0.0 Espectro Harmônico 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Componente Harmônico Fase A Fase B Fase C IEEE Figura 5. Espectro harmônico da corrente primária x norma IEEE, obtido por simulação. Para a realização das análises através, foram considerados acoplamentos e componentes ideais para a simulação. 6. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Por meio de ensaios, foram recolhidas amostras de corrente e tensão das fases A fig. (6), B fig. (7) e C fig. (8). Observa-se que a forma de onda da corrente, aproxima-se de uma onda senoidal e está em fase com a onda de tensão. Isto garante ao dispositivo, a qualidade de injetar na rede, um número menor de componentes harmônicos, possibilitando um maior fator de potência e redução da taxa de distorção harmônica. Logo, quanto maior for o número de pulsos utilizado, a onda da corrente mais se assemelhará a uma onda senoidal e menor será a quantidade de componentes harmônicos injetados na rede.
DAE LT Depar tam ento Acadêm ico de E letr otécnica / UTFP R Univer sidade Tecnológica Feder al do P araná Figura 6.. Ondas de corrente (Azul) e tensão (vermelh (vermelho) o) da fase A. Escala vertical 100 V ou 20 A. Escala horizontal 5 ms. Figura 7.. Ondas de corrente (Azul) e tensão (vermelho) da fase B. Escala vertical 100 V ou 20 A. Escala horizontal 5 ms. Figura 8. Ondas de corrente (Azul) e tensão (vermelho) da fase C. Escala vertical 100 V ou 20 A. Escala horizontal 5 ms. Figura 9.. Ondas de corrente das fases A (verde), B (vermelho) e C (azul). Escala vertical 10 A. Escala horizontal 5 ms.
A figura (9) apresenta as formas de onda das correntes na entrada do retificador. As correntes estão defasadas de 120 entre si e estão em fase com as ondas de tensão. Os valores teóricos calculados para o conversor 16 pulsos apresentaram fator de potência da ordem de 0,9936 e taxa de distorção harmônica de corrente de 11,38%. Estes valores foram obtidos, considerando-se corrente na carga puramente contínua, tensões simétricas e perdas no transformador e nos diodos como sendo desprezíveis. Tabela 1. Resultados experimentais de fator de potência e taxas de distorção harmônica (TDH). Fase Fator de Potência Corrente TDH (%) Tensão TDH (%) A 0,99696 6,00 5,26 B 0,99628 4,96 4,81 C 0,99735 5,68 5,63 Já a tabela (1) apresenta os valores obtidos através dos dados colhidos nos ensaios. Espectro Harmônico - Fase A Corrente (%) 10 5 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425 Componente Harmônico Ensaio IEEE Figura 10. Espectro harmônico fase A. Espectro Harmônico - Fase B Corrente (%) 10.00 5.00 0.00 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425 Componente Harmônico Ensaio IEEE Figura 11. Espectro harmônico fase B. Espectro Harmônico - Fase C Corrente (%) 10.00 5.00 0.00 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425 Componente Harmônico Ensaio IEEE Figura 12. Espectro harmônico fase C.
Nas figuras (10), (11) e (12) são apresentadas as comparações entre os dados experimentais obtidos através dos ensaios e os valores referenciados nas recomendações do IEEE-519, reconhecido internacionalmente. Através dos gráficos verifica-se que as amplitudes dos componentes harmônicos estão contemplando as recomendações da norma IEEE-519. Nota-se também que os componentes mais significativos do espectro harmônico do retificador de 16 pulsos são o 15 e 17. Este resultado valida os valores obtidos através das simulações e das análises qualitativa e quantitativa. 7. CONCLUSÃO A proposta da topologia baseada na conexão Le Blanc, possibilita a criação de retificadores multipulsos com configurações inéditas de 4 pulsos e de múltiplos de 4 pulsos. A principal característica desta conexão de transformador é a possibilidade de se obter no lado bifásico, qualquer defasagem angular em relação ao lado trifásico. Além disso, as correntes de linha no primário são equilibradas. Como desvantagem, as correntes de fase são desiquilibradas, sendo necessária no lado trifásico, a ligação entre as fases na conexão delta. O número reduzido de enrolamentos proporciona uma redução de material condutor e de custo, em relação à conexão Le Blanc convencional. Conclui-se que o retificador de 16 pulsos apresenta valores intermediários de fator de potência e de taxa de distorção harmônica, se comparado aos retificadores trifásicos de 12 e 18 pulsos, o que pode vir a ser útil em diversos tipos de aplicação. De acordo com os resultados obtidos nas análises qualitativa e quantitativa, além dos dados fornecidos pelas simulações, pode-se verificar que o retificador de 16 pulsos apresenta uma vantagem em relação à tensão sobre os diodos, a qual é menor se comparada a esta mesma tensão de outros retificadores, como o de 18 pulsos. Isto permite a aplicação de uma maior tensão na carga. Os resultados obtidos em simulações contemplam as análises teóricas e foram verificadas com os dados experimentais. Os dados de simulação não atendem às especificações das normas e recomendações internacionais, porém, o circuito real (protótipo) as atendeu. Isto se deve à não-idealidade do circuito, na qual a dispersão magnética e as características indutivas do circuito têm grande papel na filtragem de componentes harmônicos. Mesmo estando no limite dos valores da IEEE, os resultados são satisfatórios. Propoe-se continuação deste trabalho no que diz respeito à melhor adequação com normas e recomendações internacionais e otimização do protótipo. 8. AGRADECIMENTOS A Deus por existir. Aos mestres professores pela orientação, pelas experiências e conhecimentos transmitidos. Aos amigos e colegas pelo companheirismo. A todos que de alguma forma, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste trabalho. 9. REFERÊNCIAS ARRILLAGA, Jos; WATSON, Neville R. Power System Harmonics. 2a Edição. São Francisco: John Wiley Ltd, 2003. ARVINDAN, A. N.; GUHA, Anirudh. Novel Topologies of 24-Pulse Rectifier with Conventional Transformers for Phaseshifting. IEEE Transactions on Power Electronics, p. 108-114, jul. 2011. BADIN, Alceu André. Retificadores Trifásicos com Fator de Potência Unitário baseados nos Transformadores Trifásicos/Bifásicos. 2009. 208 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) Instituto de Eletrônica de Potência, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2009.Disponível em <http://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/b/b8/tese_alceu_andre_badin.pdf>. Acesso em: 29 março 2011, 14:00. BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência. 5ª ed. Florianópolis: Ed. do Autor, 2005. BLAUTH, Yeddo B.; BARBI, Ivo. A Phase-Controlled 12-Pulse Rectifier with Unity Displacement Factor without Phase Shifting Transformer. IEEE, p. 970-976, Set. 1998. BORGONOVO, Deivis. Análise, Modelagem e Controle de Retificadores PWM trifásicos. 2005. 274 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) Instituto de Eletrônica de Potência, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2005. Disponível em <http://ivobarbi.com/pdf/teses/tese_deivis.pdf>. Acesso em: 30 março 2011, 9:00. CHAN, Yao-Hung; WU, Chi-Jui. Power Quality Assessment of Specially Connected Transformers. The 9th WSEAS International Conference on Instrumentation, Measurement, Circuits And Systems, 2010. HEATHCOTE, Martin J. The J & P transformer book: a practical technology of the power transformer. 12.ed. Boston: Newnes, 1998. HERNADI, Arief; TAUFIK; ANWARI, Makbul. Modeling and Simulation of 6-Pulse and 12-Pulse Rectifiers under Balanced and Unbalanced Conditions with Impacts to Input Current Harmonics. IEEE Second Asia International Conference on Modelling & Simulation, p.1034-1038, Jun 2008.
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