Universidade do Minho Escola de Engenharia
Dezembro de 2009
Márcio Fernandes Soreano Louçano
Estudo e Implementação de Rectificadores
com Consumo de Corrente Sinusoidal
Tese de Mestrado
Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e
Computadores
Trabalho realizado sob a orientação do
Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita
de Freitas
iii
Agradecimentos
Esta dissertação é o culminar de uma etapa da minha vida onde várias pessoas
participaram directa ou indirectamente e sem a sua colaboração certamente que eu não teria
atingido este objectivo.
Quero agradecer aos meus pais o seu apoio e incentivo ao longo de toda a minha vida e
em particular no meu percurso académico.
À Presidente do Concelho de Cursos de Engenharia, a Professora Doutora Rosa
Vasconcelos, ao meu Director de Curso, o Professor Doutor José Cabral e à Professora Doutora
Filomena Soares pela forma como se empenharam em ajudar-me a resolver diversas
dificuldades que me surgiram no decorrer desta dissertação, estou-lhes muito grato.
Ao Professor Doutor João Luís Afonso, por todo o tempo que me dedicou ao longo de
todo o meu percurso académico e por sempre se ter preocupado em transmitir-me os melhores
ensinamentos, tentando ajudar-me a dar o melhor de mim.
Ao Professor Doutor João Sepúlveda pela forma como me orientou ao longo desta
dissertação, mostrando-se sempre disponível para me prestar o seu tempo e conhecimentos,
com paciência e confiança, nas várias fases deste trabalho.
À Professora Doutora Susana Faria por ter acreditado em mim, pelo tempo que
generosamente me dedicou ao longo dos últimos anos, por me ter transmitido os seus
conhecimentos com paciência, determinação e confiança. Pela forma como me orientou na
execução do estudo estatístico desta dissertação e por todas as sugestões que me fez para o
sucesso da mesma, estar-lhe-ei sempre grato.
A todos os meus professores que sempre procuraram ajudar-me e preparar-me
profissionalmente e pessoalmente, para todas as dificuldades que eu possa vir a enfrentar no
futuro.
Aos funcionários do Departamento de Electrónica Industrial, pela sua amabilidade,
competência e por sempre estarem disponíveis para me ajudar sempre que foi necessário.
Aos meus colegas que ao longo dos últimos anos partilharam comigo as dificuldades
inerentes a um curso académico.
A todas as pessoas que me apoiaram das mais diversas maneiras ao longo do meu
percurso académico.
iv
v
Estudo e Implementação de Rectificadores com
Consumo de Corrente Sinusoidal
Resumo
A Electrónica permitiu uma grande evolução em todos os aspectos da vida moderna. A
Medicina, a Educação, a Economia, ou qualquer outra actividade nunca se encontraria no nível
de desenvolvimento actual sem a utilização da Electrónica. Pelo que, as vantagens da
Electrónica são tão evidentes que a maioria das pessoas consegue identificar várias. Porém,
existem algumas desvantagens associadas ao uso de dispositivos electrónicos, umas igualmente
evidentes e outras mais subtis.
Em geral os equipamentos electrónicos são alimentados em corrente contínua,
considerando que a rede de distribuição de energia eléctrica fornece corrente alternada, a
grande maioria dos equipamentos electrónicos são alimentados a partir de dispositivos
rectificadores, que fazem o interface entre a rede eléctrica e o dispositivo electrónico.
Os rectificadores mais utilizados são dispositivos simples constituídos por díodos sem
qualquer tipo de sistema de controlo e portanto, consomem corrente distorcida, ou seja, corrente
não sinusoidal.
O presente trabalho apresenta um estudo e implementação de rectificadores com
consumo de corrente sinusoidal. Desta forma pretende-se apresentar uma solução para o
problema da distorção harmónica.
O trabalho foi composto por várias etapas, identificou-se o problema e estabeleceram-se
os objectivos a atingir. Seguidamente fez-se uma análise técnica para se perceber a importância
dos problemas de Qualidade de Energia, assim como o impacto que estes têm na economia
actual. Após esta etapa, analisou-se o estado actual da evolução dos rectificadores com
consumo de corrente sinusoidal. Na fase seguinte, realizou-se a simulação de algumas
topologias seguida da implementação prática de uma delas. Por último, apresentam-se os
resultados obtidos, relacionando-os com os objectivos propostos.
vi
vii
Study and Implementation of Rectifiers with
Sinusoidal Current Consumption
Abstract
The evolution of Electronics has allowed a great progress in all aspects of modern life.
Medicine, Education, Economics, or any other activity would never be in the current levels of
development without the use of Electronics. The advantages of Electronics are so obvious that
most people can identify several. However, there are some disadvantages associated with the
use of electronic devices, some are equally obvious and others are more subtle.
In general electronic devices are powered with direct current, considering that the
distribution of electrical power is made in alternating current, the vast majority of electronic
equipment is supplied from rectifying devices, which make the interface between the power
supply to the electronic device.
Most rectifiers used are simple devices consisting of diodes without any kind of control
system and therefore absorb non-sinusoidal current.
This document presents a study and implementation of rectifiers with sinusoidal current
consumption. Therefore is presented a solution to the problem of harmonic current distortion.
The work was composed of several steps, first the identification of the problem followed
establishment of objectives. Then a technical analysis was made to realize the importance of the
problems of Power Quality, and the impact they have in today's economy. After that, the state of
the art of rectifiers with sinusoidal current consumption has been studied. The next step was
conducted over the simulation of some topologies followed by practical implementation of one of
them. Finally, the results were presented and compared with the proposed objectives.
viii
ix
Índice
Lista de Abreviaturas e Siglas .................................................................................................... xi
Lista de Símbolos .................................................................................................................... xiii
Lista de Figuras ....................................................................................................................... xiv
Lista de Tabelas ..................................................................................................................... xvii
Lista de Equações ................................................................................................................. xviii
1 Introdução ........................................................................................................................... 1
1.1 Tipos de Rectificadores .............................................................................................. 1
1.1.1 Rectificadores Não Controlados .................................................................................... 2
1.1.2 Rectificadores Controlados ........................................................................................... 4
1.1.3 Rectificadores Comutados ............................................................................................ 4
1.2 Enquadramento ......................................................................................................... 5
1.3 Motivação .................................................................................................................. 6
1.4 Objectivos .................................................................................................................. 6
1.5 Estrutura da Dissertação ............................................................................................ 7
2 Normas e Estudos Estatísticos ............................................................................................. 9
2.1 O que é “Qualidade de Energia Eléctrica” ................................................................... 9
2.2 Principais Problemas de Qualidade de Energia ......................................................... 10
2.3 Normas Reguladoras ............................................................................................... 11
2.4 Estudos Estatísticos ................................................................................................. 14
2.4.1 Análise do Impacto que os Problemas de Qualidade de Energia têm no Sector Industrial
.................................................................................................................................14
2.4.2 Consumo no Sector Doméstico ..................................................................................15
2.4.3 Consumo no Sector dos Serviços ...............................................................................20
3 Estado da Arte ................................................................................................................... 23
3.1.1 Rectificador Activo Monofásico com Quatro Semicondutores Totalmente Controlados ..23
3.1.2 Rectificador Activo Trifásico Topologia de Vienna ........................................................25
x
4 Simulação ......................................................................................................................... 27
4.1.1 Rectificador Activo Monofásico com Quatro Semicondutores Totalmente Controlados . 27
4.1.2 Rectificador Activo Trifásico Topologia de Vienna ....................................................... 34
5 Implementação e Resultados ............................................................................................. 41
5.1 Circuito de Potência ................................................................................................. 41
5.1.1 Interruptores de Potência .......................................................................................... 42
5.2 Circuito de Drive ...................................................................................................... 44
5.2.1 Optoacoplador .......................................................................................................... 44
5.3 Circuito de Comando ............................................................................................... 45
5.3.1 Microcontrolador ....................................................................................................... 46
5.3.2 PWM ......................................................................................................................... 48
5.3.3 Programador ............................................................................................................. 48
5.3.4 Software ................................................................................................................... 49
5.3.5 Circuito de alimentação ............................................................................................. 50
5.4 Placas de circuito impresso ...................................................................................... 51
5.5 Resultados obtidos ................................................................................................... 53
6 Conclusões e Perspectivas Futuras .................................................................................... 57
6.1 Conclusões .............................................................................................................. 57
6.2 Perspectivas Futuras ................................................................................................ 59
Referências Bibliográficas ....................................................................................................... 61
xi
Lista de Abreviaturas e Siglas
AC – Alternating Current
BRL – Brazilian Real
BTN – Baixa Tensão Normal (baixa tensão com potência contratada inferior ou igual a 41,1kVA)
C – Capacidade
CCM – Continuous Conduction Mode
CI – Circuito Integrado
CENELEC – Comité Européen de Normalisation Électrotechnique
CNC – Computer Numeric Control
DC – Direct Current
DCM – Discontinuous Conduction Mode
DGEG – Direcção Geral de Energia e Geologia
DPF – Displacement Power Factor
DSP – Digital Signal Processing
DVD – Digital Video Disc
EDP – Energias de Portugal
EMI – Electromagnetic Interference
EPROM – Erasable Programmable Read-Only Memory
EUA – Estados Unidos da América
FP – Factor de Potência
Hi-Fi – High Fidelity
IDE – Integrated Development Environment
IEC – International Electrotechnical Commission
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers
IGBT – Insulated-Gate Bipolar Transistor
INE – Instituto Nacional de Estatística
IPQC – Integrated Power Quality Compensator
L – Coeficiente de Auto Indução
LED – Light-Emitting diode
MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
xii
OCDE – Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico
PI – Proporcional Integral
PCB – Printed Circuit Board
PWM – Pulse With Modulation
QE – Qualidade de Energia
RQS – Regulamento da Qualidade de Serviço
SEPIC – Single Ended Primary Inductor Converter
THD – Total Harmonic Distortion
TOE – Tonnes of Oil Equivalent
UPQC – Unified Power Quality Conditioner.
UPS – Uninterruptible Power Supply
USD – United States Dollar
xiii
Lista de Símbolos
A – Ampere (Unidade do Sistema Internacional para corrente eléctrica)
H – Henry (Unidade do Sistema Internacional para indutância eléctrica)
Hz – Hertz (Unidade do Sistema Internacional para frequência)
k – Quilo (prefixo do Sistema Internacional que representa 103)
µ - micro (prefixo do Sistema Internacional que representa 10-6)
m – mili (prefixo do Sistema Internacional que representa 10-3)
Ω – Ohm (unidade do Sistema Internacional para resistência eléctrica)
V – Volt (unidade do Sistema Internacional para tensão eléctrica)
W – Watt (unidade do Sistema Internacional para potência)
xiv
Lista de Figuras
Figura 1.1 – a) Esquema eléctrico de um rectificador monofásico não controlado; b) Forma de
onda da corrente de alimentação do rectificador; c) Análise harmónica da corrente
de alimentação e respectiva THD; d) Forma de onda da tensão da rede de
distribuição de energia eléctrica; e) Análise harmónica da tensão da rede de
distribuição da energia eléctrica e respectiva THD. ................................................ 3
Figura 2.1 – Custo associado aos problemas de QE. .............................................................. 14
Figura 2.2 – Consumo de energia eléctrica no sector doméstico dos EUA em 2006. .............. 16
Figura 2.3 – Previsão do consumo de energia eléctrica no sector doméstico dos EUA em 2030.
.......................................................................................................................... 18
Figura 2.4 – Consumo de electricidade per capita no sector doméstico dos países da OCDE em
1997 e 2007. ..................................................................................................... 18
Figura 2.5 – Taxas de posse de vários equipamentos electrónicos em Portugal em 2008. ...... 19
Figura 2.6 – Taxas de posse de lâmpadas no sector doméstico em Portugal em 2008. .......... 20
Figura 2.7 – Taxas de posse de lâmpadas no sector comercial em Portugal. .......................... 20
Figura 2.8 – Estrutura do consumo por tipo de lâmpadas no sector dos serviços. ................... 21
Figura 2.9 – Estrutura do consumo por equipamento no sector dos serviços[17]. ................... 22
Figura 3.1 – Topologia do rectificador monofásico com quatro semicondutores totalmente
controlados. ........................................................................................................ 23
Figura 3.2 – Estados de comutação dos semicondutores totalmente controlados.................... 24
Figura 4.1 – a) Rectificador activo monofásico com quatro semicondutores totalmente
controlados, utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência de 100 Ω; b)
Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador activo; c) Análise
harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD. .................................... 28
Figura 4.2 – a) Rectificador monofásico a díodos; b) Forma de onda da corrente de alimentação
do rectificador a díodos, utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência
de 100 Ω; c) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD. ... 29
Figura 4.3 – a) Forma de onda da corrente na fonte do rectificador activo, utilizando um
condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω; b) Análise harmónica da
corrente de alimentação e respectiva THD. .......................................................... 30
xv
Figura 4.4 – a) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador a díodos utilizando
um condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω; b) Análise harmónica da
corrente de alimentação e respectiva THD. .......................................................... 31
Figura 4.5 – a) Forma de onda da corrente na fonte do rectificador activo, utilizando um
condensador de 500 µF e uma resistência de 1000 Ω; b) Análise harmónica da
corrente de alimentação e respectiva THD. .......................................................... 31
Figura 4.6 – a) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador a díodos utilizando
um condensador de 500 µF e uma resistência de 1000 Ω; b) Análise harmónica da
corrente de alimentação e respectiva THD. .......................................................... 32
Figura 4.7 – a) Forma de onda da corrente na fonte do rectificador activo, utilizando um
condensador de 2000 µF e uma resistência de 100 Ω; b) Análise harmónica da
corrente de alimentação e respectiva THD ........................................................... 33
Figura 4.8 – a) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador a díodos utilizando
um condensador de 2000 µF e uma resistência de 100 Ω; b) Análise harmónica da
corrente de alimentação e respectiva THD. .......................................................... 33
Figura 4.9 – Rectificador activo trifásico, topologia Vienna. ..................................................... 34
Figura 4.10 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando um condensador de 4000 µF
e uma resistência de 10 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A.
.......................................................................................................................... 35
Figura 4.11 – Rectificador trifásico a díodos. .......................................................................... 35
Figura 4.12 – a) Forma de onda da corrente na fase A do rectificador trifásico a díodos,
utilizando um condensador de 4000 µF e uma resistência de 10 Ω; Análise
harmónica da corrente na fase A do rectificador a díodos. ................................... 36
Figura 4.13 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando condensadores de 6000 µF e
uma resistência de 15 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A. 37
Figura 4.14 – a) Forma de onda da corrente na fase A do rectificador trifásico a díodos,
utilizando um condensador de 6000 µF e uma resistência de 15 Ω; Análise
harmónica da corrente na fase A do rectificador a díodos. ................................... 37
Figura 4.15 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando condensadores de 8000 µF e
uma resistência de 20 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A. 38
xvi
Figura 4.16 – a) Forma de onda da corrente na fase A do rectificador trifásico a díodos,
utilizando um condensador de 8000 µF e uma resistência de 20 Ω; Análise
harmónica da corrente na fase A do rectificador a díodos. ................................... 39
Figura 5.1 – Rectificador activo monofásico com quatro semicondutores totalmente controlados.
.......................................................................................................................... 42
Figura 5.2 – Limites de funcionamento para os interruptores de potência [2]. ........................ 42
Figura 5.3 – Diagrama do optoacoplador CNY17 [22]. ........................................................... 44
Figura 5.4 – Circuito de ligação do optoacoplador [22]. .......................................................... 45
Figura 5.5 – Circuito de comando do rectificador activo monofásico. ...................................... 46
Figura 5.6 – Diagrama do PIC12F615 [23]. ........................................................................... 47
Figura 5.7 – Programador do PIC12F615 [24]. ...................................................................... 49
Figura 5.8 – Ambiente de desenvolvimento do MPLAB. .......................................................... 50
Figura 5.9 – Simulação do circuito de alimentação do microcontrolador. ................................ 51
Figura 5.10 – CNC Protomat S62 da LPKF onde foram implementadas as PCBs. ................... 52
Figura 5.11 – PCB do Circuito de potência............................................................................. 52
Figura 5.12 – PCB do Circuito de comando. .......................................................................... 52
Figura 5.13 – Forma de onda da tensão que alimenta o rectificador activo. ............................ 53
Figura 5.14 – Análise da distorção harmónica da tensão que alimenta o rectificador activo. ... 54
Figura 5.15 – Forma de onda da corrente que alimenta o rectificador activo, com uma carga
constituída por um condensador de 500 µF e uma resistência de 100 Ω. ............ 54
Figura 5.16 – Análise da distorção harmónica da corrente Figura 5.15. ................................ 55
Figura 5.17 – Forma de onda da corrente que alimenta o rectificador activo, com uma carga
constituída por um condensador de 300 µF e uma resistência de 100 Ω. ............ 55
Figura 5.18 – Análise da distorção harmónica da corrente da Figura 5.17. ............................ 56
xvii
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Problemas de Qualidade de Energia. .................................................................. 11
Tabela 2.2 – Subdivisões da norma 61000 da IEC. ................................................................. 13
Tabela 2.3 – Grupos de trabalho do IEEE sobre os problemas de QE. ...................................... 13
Tabela 2.4 – Consumo energético no sector doméstico dos EUA em 2006 (milhares de milhão
de USD). ............................................................................................................. 15
Tabela 2.5 – Previsão do consumo de energia no sector doméstico dos EUA em 2030 (milhares
de milhão de USD). ............................................................................................. 17
Tabela 3.1 – Estado de comutação dos semicondutores totalmente controlados e corrente no
ponto central da saída. ........................................................................................ 25
Tabela 5.1 – Características do MOSFET BUK453-100A [21]. ................................................. 43
Tabela 5.2 – Características técnicas do PIC12F615 [23]. ...................................................... 47
Tabela 5.3 – Principais especificações eléctricas do PIC12F615 – valores máximos [23]. ....... 47
xviii
Lista de Equações
(1.1) – Factor de Potência dos rectificadores monofásicos controlados a tirístores……………. 4
(1.2) – Factor de Potência dos rectificadores trifásicos controlados a tirístores…………………. 4
1
1 Introdução
Sumário
Este é o capítulo introdutório ao estudo dos rectificadores activos. Assim, dividem-se os
dispositivos rectificadores em três grupos, apresentando brevemente as principais características
que os diferenciam.
De seguida, é feito o enquadramento deste trabalho, apresenta-se a motivação para o
mesmo e os objectivos que se pretendem atingir. Por último, apresenta-se a estrutura desta
dissertação.
1.1 Tipos de Rectificadores
De uma forma muito breve pode-se definir um rectificador como um dispositivo que
converte corrente alternada em corrente contínua.
Este tipo de dispositivos tem sido usado desde finais do século XIX. Os primeiros
rectificadores eram dispositivos electromecânicos que se baseavam em movimentos de rotação
ou de ressonância a fim de se deslocarem com velocidade suficiente para coincidir com a
frequência da fonte de energia [1].
Seguiram-se várias tecnologias de fabrico de rectificadores, mas foi com o aparecimento
dos semicondutores que os rectificadores começaram a ter um papel mais relevante nos
sistemas eléctricos.
O desenvolvimento da Electrónica permitiu o aparecimento de um número elevado de
equipamentos que funcionam com corrente contínua. Uma vez que a rede de distribuição de
energia funciona com corrente alternada, houve um aumento da utilização de rectificadores.
Actualmente, podem-se dividir os rectificadores em dois grupos, rectificadores não
controlados e os rectificadores controlados. Por sua vez, os rectificadores controlados podem
dividir-se em dois subgrupos, os rectificadores de controlo de fase e os rectificadores de
comutação forçada. Os rectificadores de comutação forçada, também são conhecidos como
rectificadores comutados.
1 Introdução
2
1.1.1 Rectificadores Não Controlados
Os rectificadores não controlados são constituídos por díodos, a sua função principal é
converter a corrente alternada em corrente contínua.
Os díodos são componentes não lineares em que não é possível controlar o momento
em que estes entram em condução, nem o momento em que deixam de conduzir. Como são
componentes não lineares, quando estão ligados a alguns tipos de cargas provocam distorção na
corrente de alimentação, que por sua vez, provoca quedas de tensão na impedância da rede de
distribuição de energia eléctrica e consequentemente a tensão da rede também fica distorcida. A
distorção harmónica é um problema grave de Qualidade de Energia Eléctrica1.
Na Figura 1.1 a) pode-se observar um rectificador monofásico não controlado com
carga capacitiva e resistiva. Este tipo de carga pode ser utilizado para representar um
computador pessoal. Utilizando este modelo foi obtida a forma de onda da corrente, tal como
ilustra a Figura 1.1 b). Na Figura 1.1 c) apresenta-se a análise harmónica, bem como a Total
Harmonic Distortion THD da corrente. A tensão da rede de distribuição de energia também
apresenta uma forma de onda bastante distorcida, tal como se pode observar na Figura 1.1 d).
Como foi referido anteriormente, isto deve-se à passagem da corrente distorcida pela impedância
da rede de distribuição de energia. A Figura 1.1 e) ilustra a análise harmónica da tensão, assim
como a sua THD.
1 É habitual utilizar apenas a expressão “Qualidade de Energia” ou a abreviatura QE.
1 Introdução
3
Figura 1.1 – a) Esquema eléctrico de um rectificador monofásico não controlado; b) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador; c) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD; d) Forma de onda da tensão da rede de distribuição de energia eléctrica; e) Análise harmónica da tensão da rede de distribuição da
energia eléctrica e respectiva THD.
1 Introdução
4
1.1.2 Rectificadores Controlados
Os rectificadores controlados são normalmente utilizados em aplicações de alta
potência, ou em variadores da intensidade luminosa, também conhecidos como “dimmers”,
sendo constituídos por tirístores. Se este tipo de rectificadores estiver ligado a um receptor com
carga resistiva o seu factor de potência é unitário. Contudo, uma grande parte das cargas é de
origem indutiva, nestes casos, os rectificadores controlados possuem um factor de potência
muito baixo [2]. Para o caso dos rectificadores monofásicos o seu valor máximo encontra-se
abaixo do limite de 0,93 imposto pelo distribuidor de energia eléctrica, conforme se pode
comprovar na equação (1.1).
𝐹𝑃 =𝐼𝑆1
𝐼𝑆𝐷𝑃𝐹 =
2 2
𝜋cos𝛼 ≅ 0,9 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝛼 = 0 (1.1)
FP – Factor de Potência; IS1 – Componente fundamental da corrente; IS – Corrente de entrada
(soma de todas as suas componentes harmónicas); DPF – Displacement Power Factor; α –
ângulo de disparo dos tirístores.
No caso de serem utilizados rectificadores controlados trifásicos para alimentar uma
carga indutiva, o factor de potência pode atingir um valor um pouco superior e dentro dos limites
impostos pelo distribuidor de energia eléctrica. Porém, ainda é um valor muito baixo como se
pode comprovar, pela equação (1.2).
𝐹𝑃 =3
𝜋cos𝛼 ≅ 0,955 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝛼 = 0 (1.2)
FP – Factor de Potência; α – ângulo de disparo dos tirístores.
1.1.3 Rectificadores Comutados
Neste tipo de rectificadores pode-se controlar o instante em que os semicondutores
entram em condução, assim como também é possível controlar o instante em que o
semicondutor deixa de conduzir, provocando assim, uma comutação forçada dos
semicondutores totalmente controlados.
1 Introdução
5
A função principal destes rectificadores continua a ser a conversão de corrente alternada
em contínua, no entanto, como são constituídos por semicondutores totalmente controlados é
possível acrescentar funcionalidades que não existem nos rectificadores não controlados, nem
nos rectificadores de controlo de fase.
Com estes rectificadores é possível consumir corrente sinusoidal, reduzindo assim, a
distorção harmónica da corrente das linhas, que é um grave problema de Qualidade de Energia.
Para se perceber o que é Qualidade de Energia, nas páginas seguintes apresentam-se as
definições utilizadas por diversos autores, seguida da definição que será utilizada ao longo desta
dissertação.
1.2 Enquadramento
Com a evolução da Electrónica, actualmente podem-se realizar várias tarefas que há
alguns anos seria impossível realizar e que hoje são tarefas tão triviais que as pessoas se
esquecem como é que são possíveis, como por exemplo, estar contactável a qualquer hora em
qualquer lugar.
A profusão de dispositivos electrónicos que existe actualmente originou um aumento da
capacidade computacional, a redução de custos, a miniaturização, a eficiência energética, entre
outras vantagens importantes. No entanto, os mesmos dispositivos também apresentam
desvantagens, tais como a poluição ambiental, não só por utilizarem substâncias altamente
tóxicas como o mercúrio ou arsénico, mas também pela quantidade de resíduos que se origina
em todo o seu ciclo de vida, culminando com o fim do próprio equipamento que normalmente é
difícil de reciclar.
Os dispositivos electrónicos também causam outro tipo de “poluição”, isto é, poluem a
rede com problemas de Qualidade de Energia. Um desses problemas é a distorção harmónica,
que é causada por todos os componentes não lineares, como por exemplo, díodos, transístores,
ou outros componentes da maior parte dos dispositivos electrónicos.
Neste trabalho pretende-se apresentar uma solução para evitar a distorção harmónica da
corrente na entrada dos rectificadores e assim, minimizar a distorção harmónica da tensão da
rede de distribuição de energia eléctrica.
1 Introdução
6
1.3 Motivação
Em geral, os dispositivos electrónicos são alimentados em corrente contínua,
proveniente de um rectificador a díodos integrado no próprio dispositivo. Assim, neste trabalho
apresenta-se um novo tipo de rectificador, conhecido como “rectificador activo”, ou “rectificador
sinusoidal”, para que o dispositivo electrónico em questão não provoque distorção harmónica.
Esta solução pode ser mais vantajosa para o utilizador comum que esteja menos familiarizado
com os problemas de Qualidade de Energia, na medida em que é o fabricante do dispositivo
electrónico que fornece o equipamento com o rectificador activo integrado. Claro que a
desvantagem mais evidente é o acréscimo ao preço final do produto. Este aumento de preço
pode diminuir à medida que os fabricantes de equipamentos electrónicos forem adoptando este
tipo de rectificadores e pelas vantagens que se obtém da sua utilização. Essas vantagens serão
analisadas nos capítulos seguintes.
1.4 Objectivos
De acordo com o que foi apresentado nas páginas anteriores, pretendem-se atingir os
seguintes objectivos com esta dissertação:
Perceber o que é Qualidade de Energia, os problemas que lhe estão associados e
analisar o impacto que isso pode ter no presente e no futuro.
Analisar algumas topologias de rectificadores activos.
Simular algumas das topologias existentes, como forma de preparar a
implementação.
Implementar uma das topologias simuladas tentando manter o custo de
implementação no valor mais baixo possível.
É importante salientar que os rectificadores activos devem ser considerados como uma
solução complementar às soluções que já existem para o problema da distorção harmónica, tais
como os filtros activos ou passivos. Cada caso deve ser estudado, para que seja adoptada a
solução mais vantajosa.
1 Introdução
7
1.5 Estrutura da Dissertação
Esta dissertação encontra-se dividida em seis capítulos, organizados da forma que se
descreve de seguida.
O primeiro capítulo é um capítulo de introdução onde se apresentam a motivação e os
objectivos deste trabalho.
Para se perceber a importância da distorção harmónica causada pelas cargas não
lineares, no segundo capítulo apresenta-se uma análise técnica, sobre o conceito de Qualidade
de Energia, os problemas que lhe estão associados e as normas que regulam este tipo de
problemas. Ainda neste capítulo são apresentados diversos estudos estatísticos que comprovam
que os problemas de Qualidade de Energia são graves e têm tendência para aumentar nos
próximos anos.
No terceiro capítulo apresentam-se alguns artigos científicos sobre rectificadores activos.
Indicam-se ainda alguns circuitos integrados que já se encontram disponíveis no mercado e que
incluem as algumas características dos artigos científicos apresentados.
A modelização e a simulação de algumas topologias são descritas no quarto capítulo.
No quinto capítulo descreve-se o desenvolvimento prático da topologia seleccionada e
simulada no capítulo anterior.
Por último, no sexto capítulo encontram-se as conclusões e as perspectivas futuras do
trabalho realizado.
9
2 Normas e Estudos Estatísticos
Sumário
Neste capítulo apresenta-se o conceito de Qualidade de Energia, os seus problemas e
algumas das soluções existentes para os minimizar. Também são apresentadas as normas que
actualmente regulam os problemas de Qualidade de Energia.
Por último são analisados alguns estudos estatísticos, para se perceber a importância
dos problemas de Qualidade de Energia, em especial o problema da distorção harmónica.
2.1 O que é “Qualidade de Energia Eléctrica”
Não existe um consenso quanto à definição de Qualidade de Energia Eléctrica (ou
apenas Qualidade de Energia) e segundo a fonte que se consultar, essa definição pode ser
completamente diferente. Do ponto de vista da rede de abastecimento, por exemplo, esta
expressão pode indicar fiabilidade, demonstrando que o sistema não apresentou falhas de
fornecimento na maior parte dos casos. Do ponto de vista do fabricante de um equipamento,
“Qualidade de Energia Eléctrica” pode ser o conjunto de características da tensão de
abastecimento que permitem que o equipamento funcione correctamente. Estas características
podem ser muito diferentes consoante os critérios utilizados.
Há algumas fontes, que usam expressões diferentes para definir o mesmo tipo de
problemas, como “Qualidade da Energia de Abastecimento”, ou “Compatibilidade
Electromagnética”, que não é exactamente o mesmo que “Qualidade de Energia Eléctrica”, mas
existe uma forte sobreposição dos dois termos. Outros autores preferem utilizar o termo
“Qualidade de Tensão”, já que, o que a rede de abastecimento fornece aos consumidores é
tensão e não consegue regular o tipo de corrente que as diferentes cargas consomem.
A crítica principal à utilização da expressão “Qualidade de Energia de Eléctrica” reside
no facto de não ser possível falar em qualidade de uma quantidade física, como a energia.
Apesar disto, neste trabalho, esta será a expressão utilizada, já que continua a ser a expressão
mais geral e que engloba os restantes termos.
2 Normas e Estudos Estatísticos
10
De uma forma simplista, algumas fontes definem Qualidade de Energia Eléctrica como
qualquer interacção de um equipamento eléctrico com a energia eléctrica.
A enciclopédia livre Wikipedia define Qualidade de Energia Eléctrica num sentido geral,
como o “conjunto de limitações que permite que os sistemas eléctricos funcionem da forma que
se pretende, sem uma perda significativa de desempenho ou tempo de vida”[3].
A International Electrotechnical Commission (IEC) usa a seguinte definição (IEC
61000-1-1): “Compatibilidade electromagnética é a capacidade de um equipamento ou sistema
de funcionar satisfatoriamente no seu ambiente electromagnético sem causar perturbações
electromagnéticas intoleráveis a nada no seu ambiente”[4].
Um projecto posterior do IEC sobre Qualidade de Energia Eléctrica resultou na seguinte
definição: “Conjunto de parâmetros que definem as propriedades da energia de abastecimento
tal como é fornecida ao utilizador em condições normais de funcionamento em termos de
continuidade de fornecimento e características da tensão (simetria, frequência, amplitude e
forma de onda) ”[5]. Contudo, esta definição leva o debate para a expressão “condições normais
de funcionamento”.
Já o Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) determina que: “Qualidade de
Energia Eléctrica é a noção de fornecer energia e ligar à terra equipamento sensível, de uma
forma que seja apropriada ao funcionamento desse equipamento” [6].
Neste trabalho, considera-se que a melhor definição de Qualidade de Energia é a
seguinte: conjunto de parâmetros que determina os desvios máximos da frequência, amplitude,
simetria e forma de onda da tensão e corrente, para que qualquer dispositivo ligado à rede,
tenha um funcionamento óptimo.
Porém, é mais habitual falar dos problemas de Qualidade de Energia de acordo com o
sistema em causa. Assim, nas páginas seguintes apresentam-se brevemente os principais
problemas de Qualidade de Energia, as suas causas, consequências e formas de os minimizar.
2.2 Principais Problemas de Qualidade de Energia
De uma forma resumida, na Tabela 2.1 identificam-se os principais problemas de
Qualidade de Energia, algumas das suas causas, as consequências desses problemas e algumas
das formas que existem actualmente para os minimizar.
2 Normas e Estudos Estatísticos
11
As normas emitidas por algumas das entidades mais importantes, para regular os
problemas de Qualidade de Energia, são apresentadas nas páginas seguintes.
Tabela 2.1 – Problemas de Qualidade de Energia.
Problema Causa Consequência Formas de Minimizar
Distorção Harmónica
Cargas não lineares. Distorção na tensão de alimentação das outras cargas.
Filtros activos, ou passivos. Rectificadores activos.
Inter-Harmónicos Cargas que pulsam assincronamente com a frequência fundamental da rede de distribuição de energia. [7]
Oscilações torsionais em turbogeradores. Flutuações na tensão. [7]
Filtros passivos. [7]
Subtensão Elevação rápida da corrente, que provoca uma queda de tensão maior na impedância da fonte e consequentemente um abaixamento da tensão da rede. [8]
Diminuição da tensão fornecida pela rede de distribuição de energia.
UPS Filtros activos tipo série. UPQC - Unified Power Quality Conditioner.
Sobretensão Diminuição brusca da carga. [8]
Aumento da tensão fornecida pela rede de distribuição de energia.
UPS Filtros activos tipo série.
Interrupção Momentânea
Actuação dos dispositivos de protecção quando há curto-circuitos. Estes dispositivos podem religar automaticamente após algum tempo.
Falha do fornecimento de energia.
UPS
Flutuação de tensão
Variações de algumas cargas de consumo elevado, susceptíveis de afectar a rede de distribuição de energia.
Cintilar dos dispositivos de iluminação.
UPS Filtros activos.
Transitórios Descargas atmosféricas. Comutação de bancos de condensadores.
Degradação ou destruição de equipamento electrónico e eléctrico.
Supressores de transitórios.
Interferência Electromagnética
Comutações rápidas dos conversores electrónicos de potência.
Ruído electromagnético de alta-frequência.
Blindagem electromagnética.
2.3 Normas Reguladoras
Existem normas que determinam os limites associados aos vários problemas de
Qualidade de Energia. Essas normas variam consoante a entidade que as emite. O Comité
2 Normas e Estudos Estatísticos
12
Européen de Normalisation Électrotechnique (CENELEC) é uma organização não lucrativa
constituída sob a lei belga em 1973 e composta por 30 países europeus, dos quais Portugal faz
parte. Os membros do CENELEC têm trabalhado em conjunto para harmonizar as normas
electrotécnicas europeias.
Em Portugal a entidade responsável que estabelece este tipo de normas é a Direcção
Geral de Energia e Geologia (DGEG), que se encontra sob a tutela do Ministério da Economia e
Inovação.
O Decreto-Lei n.º 182/95, de 27 de Julho, que estabelece as bases de organização do
Sistema Eléctrico Nacional, determina no seu artigo 63.º, a publicação do Regulamento da
Qualidade do Serviço (RQS) relativo às actividades vinculadas de transporte e distribuição de
energia eléctrica.
Após publicação do 2º RQS, pelo despacho n.º2410-A/2003 (2.ª série), de 5 de
Fevereiro e das respectivas normas complementares, impunha-se a respectiva revisão ao fim de
dois anos da sua vigência. Assim, para além das alterações decorrentes da adaptação do RQS
em vigor ao actual enquadramento legislativo do sector eléctrico, houve outras alterações das
quais se destacam:
A adopção de alguns padrões mais exigentes para a continuidade geral de serviços
das redes de média e baixa tensão.
A adopção de alguns padrões mais exigentes para a continuidade individual de
serviços das redes de média e baixa tensão.
A diminuição em alguns casos do tempo máximo previsto para o distribuidor iniciar
a reparação de uma avaria na alimentação individual de um cliente.
A actualização anual automática das compensações devidas pelos distribuidores aos
seus clientes por incumprimento dos padrões individuais de qualidade relativos à
continuidade de serviço.
A introdução da noção de clientes prioritários, para os quais os comercializadores
ficam sujeitos a regras especiais.
A obrigação dos operadores das redes de distribuição e dos comercializadores de
assegurarem um atendimento telefónico gratuito e permanente para a comunicação
de avarias e leituras.
2 Normas e Estudos Estatísticos
13
Afixação de um intervalo de tempo máximo entre duas leituras dos contadores dos
clientes em Baixa Tensão Normal (BTN) (baixa tensão com potência contratada
inferior ou igual a 41,1kVA). [9]
Além das entidades oficiais de cada país, existem entidades independentes como o IEEE
e a IEC que também emitiram normas relativas à Qualidade de Energia. As normas destas
entidades podem ser utilizadas pelos fabricantes, para atestar a qualidade dos seus produtos.
A IEC emitiu a norma 61000 sobre Qualidade de Energia. Esta norma foi separada em
diferentes categorias, de acordo com a Tabela 2.2.
Tabela 2.2 – Subdivisões da norma 61000 da IEC.
Norma Descrição
61000-2 Ambiente electromagnético.
61000-3 Limites máximos dos problemas de QE.
61000-4 Técnicas de teste e medição.
61000-5 Directrizes de instalação e mitigação.
61000-6 Padrões genéricos.
Por sua vez, o IEEE emitiu o padrão 1159 com o objectivo de fornecer directrizes para a
avaliação dos problemas de Qualidade de Energia e para fornecer definições padrão, para os
problemas de Qualidade de Energia [10]. Após a publicação das directrizes básicas, foram
criados três grupos de trabalho, para o desenvolvimento de directrizes mais avançadas de
monitorização dos problemas de Qualidade de Energia. Na Tabela 2.3 resume-se a função de
cada um desses grupos.
Tabela 2.3 – Grupos de trabalho do IEEE sobre os problemas de QE.
Grupo de trabalho Função
IEEE 1159.1 Desenvolvimento de directrizes sobre os requisitos para instrumentação dos diferentes tipos de problemas de QE.
IEEE 1159.2 Desenvolvimento de directrizes para a caracterização dos problemas de QE.
IEEE 1159.3 União dos grupos 1159.1 e 1159.2. Encarregue de definir um formato de troca de informação entre diversas aplicações.
2 Normas e Estudos Estatísticos
14
2.4 Estudos Estatísticos
A importância da energia eléctrica na vida moderna é incontestável. De tal maneira que
existem estudos que relacionam historicamente as crises energéticas mundiais, com as crises
económicas vividas na mesma ocasião. Actualmente, vive-se uma dessas crises económicas que
pode ter tido origem na crise energética que se estabeleceu quando os conflitos no Médio
Oriente se agravaram.
O consumo de energia eléctrica também está associado ao aumento da produtividade e
ao aumento da taxa de emprego, como demonstram alguns estudos. [11]. A solução para estes
problemas pode passar por um uso mais racional da energia e pelo aumento da eficiência
energética dos sistemas de energia.
2.4.1 Análise do Impacto que os Problemas de Qualidade de Energia têm no
Sector Industrial
Num estudo realizado em alguns Estados brasileiros em diversos tipos de indústrias, foi
realizada uma análise ao custo das perdas por interrupção do fornecimento de energia eléctrica,
causado pelos vários problemas de Qualidade de Energia. Na Figura 2.1 ilustram-se alguns dos
resultados obtidos. Observa-se que esse custo apresenta um crescimento exponencial, de tal
forma que o custo médio para interrupções de um segundo até dois minutos é de 0,5 €/MWh2,
mas para interrupções de cerca de uma hora, o custo médio é de 15 €/MWh [12].
Figura 2.1 – Custo associado aos problemas de QE.
2 À taxa de câmbio de 2 de Abril de 2009, 1€=3,0049BRL (Real Brasileiro).
2 Normas e Estudos Estatísticos
15
No mesmo estudo conclui-se que ter uma boa Qualidade de Energia Eléctrica, menores
custos de distribuição de energia eléctrica e maior eficiência é fundamental para se obter uma
melhor competitividade dos produtos industriais e consequentemente uma contribuição para o
crescimento do sector industrial [12].
2.4.2 Consumo no Sector Doméstico
O número de dispositivos que causam problemas de Qualidade de Energia tem
aumentado nos últimos anos e apesar de a sua eficiência ter aumentado e consequentemente o
seu consumo energético ter diminuído, este tipo de equipamentos continua a representar uma
parte importante do consumo total de energia eléctrica, como se pode comprovar pelos dados
recolhidos num estudo do Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, sobre o
consumo de energia eléctrica nesse país [13].
Pelos dados da Tabela 2.4 pode-se verificar que, em 2006, a energia eléctrica
representou 62,4% de toda a energia consumida no sector doméstico nos EUA. Por sua vez, de
toda a energia eléctrica consumida nos EUA, mais de 45% corresponde a dispositivos que
causam problemas de Qualidade de Energia, mais concretamente, distorção harmónica. Como
se pode comprovar na Figura 2.2.
Tabela 2.4 – Consumo energético no sector doméstico dos EUA em 2006 (milhares de milhão de USD).
Gás Natural Petróleo Carvão Electricidade Consumo Total
de Energia
Aquecimento ambiente 41,9 17,2 0,01 10,1 69,21
Aquecimento Água 14,5 3,2 0 12,9 30,6
Arrefecimento ambiente 0 0 0 44,4 44,4
Iluminação 0 0 0 23,2 23,2
Electrónica de consumo 0 0 0 16,3 16,3
Limpeza com água 1 0 0 11,7 12,7
Culinária 2,9 0,7 0 7 10,6
Informática 0 0 0 2 2
Outros 0 3,5 0 5,8 9,3
Ajustes 0 0 0 7,4 7,4
Total 60,3 24,6 0,01 140,8 225,71
2 Normas e Estudos Estatísticos
16
No que se refere à iluminação, não foi possível quantificar o consumo realizado pelas
lâmpadas que provocam distorção harmónica3. No entanto, no mesmo estudo pode-se verificar
que em 2001 as lâmpadas fluorescentes representavam pelo menos 10% de todo o consumo de
energia eléctrica em iluminação no sector doméstico [13]. Já nos sectores, comercial e
industrial, este tipo de lâmpadas representava respectivamente 56% e 67% de todo consumo de
energia eléctrica em iluminação.
Estes valores têm tendência a aumentar devido à maior sensibilização da população,
para as vantagens deste tipo de lâmpadas e aos incentivos governamentais para que se opte por
este tipo de iluminação. Na Figura 2.2 pode-se ainda efectuar uma análise comparativa do
consumo de energia eléctrica entre as várias categorias. Assim, os dispositivos que causam
distorção harmónica representavam pelo menos 45% de toda a energia consumida no sector
doméstico dos EUA.
Figura 2.2 – Consumo de energia eléctrica no sector doméstico dos EUA em 2006.
Os dados da Figura 2.2 foram apresentados de um ponto de vista conservador, já que
não foi possível estimar qual foi o consumo dos restantes equipamentos, que se encontram
diluídos nas diversas categorias e que causam problemas de distorção harmónica.
3 No sector doméstico as lâmpadas que provocam distorção harmónica são maioritariamente as lâmpadas fluorescentes (incluindo fluorescentes compactas) e lâmpadas de LED.
Aquecimento ambiente
7%
Aquecimento Água9%
Arrefecimento ambiente
32%
Iluminação17%
Electrónica de consumo
12%
Limpeza com água
8%
Culinária5% Informática
1%
Outros4%
Ajustes5%
2 Normas e Estudos Estatísticos
17
No mesmo estudo do Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, foi
realizada uma previsão do consumo de energia para o ano 2030, que se encontra resumido na
Tabela 2.5. Pode-se observar uma tendência de aumento do consumo de energia eléctrica em
relação às restantes fontes de energia. Prevê-se que o consumo de energia eléctrica represente
cerca de 65,5% de toda a energia consumida no sector doméstico dos EUA, em 2030.
Tabela 2.5 – Previsão do consumo de energia no sector doméstico dos EUA em 2030 (milhares de milhão de USD).
Gás Natural Petróleo Carvão Electricidade Consumo Total
de Energia
Aquecimento ambiente 50,2 16,7 0 12,6 79,5
Aquecimento Água 14,1 2,2 0 13,1 29,4
Arrefecimento ambiente 0 0 0 47,3 47,3
Iluminação 0 0 0 14,9 14,9
Electrónica de consumo 0 0 0 16,9 16,9
Limpeza com água 1,1 0 0 13,1 14,2
Culinária 3,4 0,9 0 4,3 8,6
Informática 0 0 0 4,8 4,8
Outros 0 6,2 0 53 59,2
Total 68,8 26 0 180 274,8
As previsões também apontam para um decréscimo significativo no consumo de energia
eléctrica em iluminação. Apesar de não haver dados neste estudo que indiquem a razão deste
decréscimo, como já foi referido, devido à tendência de mercado e aos incentivos
governamentais, este decréscimo provavelmente se deva ao crescente uso de lâmpadas de alta
eficiência energética, que na maioria dos casos são lâmpadas que consomem corrente com alto
conteúdo harmónico.
Com base nos dados da Tabela 2.5, pode-se comparar o consumo de energia eléctrica
dos diferentes tipos de equipamentos, como se apresenta na Figura 2.3. Como se pode
observar, o consumo de energia eléctrica por parte de pequenos dispositivos eléctricos4 deve
sofrer um aumento considerável, passando dos actuais 4,1% (Ver Figura 2.2) para 29,4% (Ver
Figura 2.3). Nesta categoria, também é impossível quantificar o consumo de energia eléctrica
realizado por cargas que consomem corrente distorcida. No entanto, é razoável esperar que o
consumo de energia eléctrica realizado por cargas não lineares seja superior aos 38%, que é
possível quantificar a partir dos dados recolhidos.
4 Inseridos na categoria “Outros”.
2 Normas e Estudos Estatísticos
18
Figura 2.3 – Previsão do consumo de energia eléctrica no sector doméstico dos EUA em 2030.
Em Portugal, o consumo doméstico de electricidade per capita está ainda
significativamente abaixo da média da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento
Económico (OCDE), como se pode observar na Figura 2.4 [14].
A posição de Portugal face aos restantes países resulta não só das condições
climatéricas mais favoráveis, como também dos níveis de conforto inferiores [15].
Figura 2.4 – Consumo de electricidade per capita no sector doméstico dos países da OCDE em 1997 e 20075.
5 Valores em Equivalente a Toneladas de Petróleo (TOE – Tonnes of Oil Equivalent)
Aquecimento ambiente
7%
Aquecimento Água7%
Arrefecimento ambiente
26%
Iluminação8%
Electrónica de consumo
9%
Limpeza com água7%
Culinária3%
Informática3%
Outros30%
0
2
4
6
8
10
12
14
16
2007 1997
2 Normas e Estudos Estatísticos
19
A Figura 2.5 ilustra os valores das taxas de posse de equipamentos electrónicos no
sector doméstico português no ano de 2008. Como se pode observar, as taxas de posse dos
equipamentos que provocam distorção harmónica é bastante elevada. Contudo, a partir dos
dados apresentados, não é possível estimar o consumo de energia eléctrica realizado por este
tipo de equipamentos [16].
Figura 2.5 – Taxas de posse de vários equipamentos electrónicos em Portugal em 2008.
Existem outros dispositivos de uso comum que também provocam graves problemas de
Qualidade de Energia, como é o caso dos aparelhos de Ar Condicionado, Frigoríficos e aparelhos
de refrigeração em geral. Este tipo de equipamentos é responsável por grande parte do consumo
eléctrico no sector doméstico como se pode observar na Figura 2.2. No caso português, não foi
possível obter dados relativos ao consumo deste tipo de equipamentos. No entanto, obtiveram-se
dados relativos ao número médio de aparelhos por família. Assim, para o caso de aparelhos de
ar condicionado portátil, existem em média 1,2 aparelhos por família. No caso de aparelhos de
ar condicionado fixo, o número médio é de 2,2 [16].
Como foi referido anteriormente, existem diversos tipos de lâmpadas que provocam
distorção harmónica. A Figura 2.6 apresenta as taxas de posse de lâmpadas no sector
doméstico em Portugal no ano de 2008. Porém, não foi possível encontrar dados sobre o
consumo deste tipo de lâmpadas, no sector doméstico português.
99,6%
79,2%
67,2%
53,8%
71,7%
62,2%
28,0%
0,0%
20,0%
40,0%
60,0%
80,0%
100,0%
120,0%
Televisão Video/DVD Rádio Aparelhos Hi-Fi
Computador Impressora, scanner
Consola de jogos
2 Normas e Estudos Estatísticos
20
Figura 2.6 – Taxas de posse de lâmpadas no sector doméstico em Portugal em 2008.
2.4.3 Consumo no Sector dos Serviços
No sector dos serviços as taxas de posse de lâmpadas que causam problemas de
distorção harmónica são superiores às do sector doméstico, como ilustra a Figura 2.7 [17].
Figura 2.7 – Taxas de posse de lâmpadas no sector comercial em Portugal.
77,1%
42,4%
79,8%
67,9%
5,2%0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
70,0%
80,0%
90,0%
Incandescentes Halogéneo Fluorescentes Fluorescentes compactas
Outras
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Outros Serviços
Serviços de Saúde
Banca e Seguros
Transportes e Serv. Aux.
Restaurantes e Hotéis
Comércio
Fluorescentes Fluorescentes Compactas Vapor de Mercúrio
Vapor de Sódio Halogéneo Incandescentes
2 Normas e Estudos Estatísticos
21
O consumo de energia eléctrica em iluminação, não é constante ao longo de um dia
[17]. A estrutura desse consumo pode observar-se na Figura 2.8.
Figura 2.8 – Estrutura do consumo por tipo de lâmpadas no sector dos serviços.
Analisando o consumo de energia eléctrica no sector dos serviços pode-se avaliar a
importância que os diferentes equipamentos podem ter no consumo total de energia e por
conseguinte, avaliar os problemas de Qualidade de Energia que esses equipamentos podem
causar. Assim, na Figura 2.9 apresenta-se a estrutura do consumo por equipamento, no sector
dos serviços. Como se pode observar, a iluminação representa 33%, os computadores 3%, a
categoria “Outros”6 11% e o Arrefecimento de ambiente 28% do consumo total de energia
Portanto, pode-se concluir que os problemas de Qualidade de Energia causados por estes
equipamentos devem ser minimizados, uma vez que o consumo energético realizado pelos
mesmos representa uma parte importante do consumo total de energia.
6 Onde se incluem vários equipamentos que provocam distorção harmónica.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Po
tên
cia
(MW
)
HorasFluorescentes Fluorescentes Compactas
Vapor de Mercúrio Vapor de Sódio
Halogéneo Incandescentes
2 Normas e Estudos Estatísticos
22
Figura 2.9 – Estrutura do consumo por equipamento no sector dos serviços[17].
De forma a obter mais informação relativa a Portugal foi contactada a Ordem dos
Engenheiros, o Instituto Nacional de Estatística e a Direcção Geral de Energia e Geologia (DGEG),
no entanto, os estudos estatísticos recolhidos ainda não estão direccionados para o estudo dos
problemas de Qualidade de Energia. Porém, a DGEG informou que irá realizar um estudo
semelhante ao estudo do Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, durante o
ano de 2010 que deverá ser publicado em 2011-2012 que possivelmente já incluirá alguma
análise aos problemas de Qualidade de Energia. Os dados relativos à realidade portuguesa não
permitem aferir inequivocamente qual a percentagem do consumo de energia eléctrica se refere
a cargas não lineares. Contudo, permitem perceber que devem ser tomadas medidas, uma vez
que o consumo de energia eléctrica realizado por este tipo de equipamentos já é significativo e
apresenta uma tendência a agravar-se nos próximos anos.
No próximo capítulo apresenta-se um estudo sobre o actual estado da arte sobre
rectificadores activos.
Aquecimento eléctrico
3%
Termo-acumulador2%
Arrefecimento de ambiente
28%
Cozinha4%
Máquina de café4%
Motores, bombas e compressores
8%
Máq. Lavar loiça4%
Microcomputador3%
Outros11%
Iluminação33%
23
3 Estado da Arte
Sumário
O estudo de rectificadores que consomem corrente sinusoidal iniciou-se há alguns anos.
Os primeiros rectificadores deste tipo eram constituídos por componentes não controlados,
associados a conversores DC-DC, o que lhes conferia a possibilidade de regular a tensão de
saída e controlar a corrente de entrada. Nalguns casos, para se obterem melhores resultados
era incluído um filtro passivo à entrada do rectificador.
Actualmente o estudo incide nos rectificadores constituídos por componentes totalmente
controlados, como por exemplo, MOSFETs ou IGBTs. Utilizando várias técnicas de controlo é
possível reduzir para valores insignificantes o problema da distorção harmónica, assim como o
consumo de energia reactiva. Neste capítulo serão analisadas duas topologias que têm sido
objecto desse estudo.
3.1.1 Rectificador Activo Monofásico com Quatro Semicondutores
Totalmente Controlados
Esta topologia é constituída por quatro semicondutores totalmente controlados ligados
em ponte, como ilustra a Figura 3.1. Pretende-se controlar o rectificador de tal forma que
consuma corrente sinusoidal em fase com a tensão da rede, isto pode-se conseguir através de
Pulse With Modulation (PWM).
Figura 3.1 – Topologia do rectificador monofásico com quatro semicondutores totalmente controlados.
3 Estado da Arte
24
Uma forma possível de controlar os semicondutores totalmente controlados apresenta-se
na Figura 3.2. As zonas mais claras significam que os díodos conduzem e as zonas mais
escuras significam que são os interruptores totalmente controladores a conduzir. Primeiro
conduzem D1 e D3, de seguida conduzem D1 e T3 e assim sucessivamente. A comutação deve ser
sincronizada com a tensão de entrada. Para tal, pode fazer a detecção de passagem por zero da
tensão e ajustar os sinais de comando utilizando esta informação.
Figura 3.2 – Estados de comutação dos semicondutores totalmente controlados.
Podem utilizar-se outros algoritmos de controlo mais complexos que permitam obter
resultados superiores aos utilizados com o método da detecção de passagem por zero. Por
exemplo, utilizando um sensor de corrente na entrada do rectificador e comparando os valores
obtidos com uma tabela de valores definidos previamente. Porém, utilizando algoritmos de
controlo mais complexos pode implicar a utilização de outro tipo de microcontrolador e outros
componentes que podem elevar consideravelmente o custo de implementação. Deve ser feito
um estudo prévio para determinar as necessidades do projecto que devem ser mais valorizadas.
As principais características desta topologia são as seguintes:
Facilidade de implementação.
Boa capacidade de redução da distorção harmónica.
Funciona como um rectificador PWM.
Complexidade baixa.
Custo baixo.
3 Estado da Arte
25
Algumas das aplicações desta topologia são as seguintes:
Electrónica de consumo.
Em sistemas de iluminação.
Fontes de alimentação ininterruptas.
Entrada de sistemas conversores de frequência.
3.1.2 Rectificador Activo Trifásico Topologia de Vienna
O Professor Johan W. Kolar baseou-se num conversor do tipo DC-DC do tipo step-up
para desenvolver um rectificador trifásico de três níveis que ficou conhecido como o Rectificador
de Vienna [18]. Esta topologia é constituída por um semicondutor totalmente controlável em
cada um dos seus três ramos. Como cada ramo apresenta uma característica de três níveis, isto
é, três níveis diferentes de tensão (+UO/2, 0 e –UO/2, onde UO é a tensão de saída) e daí a
designação topologia de um rectificador PWM de três níveis [19].
A corrente no ponto central da saída resulta de uma combinação dos estados de
comutação dos semicondutores totalmente controlados em cada uma das fases deste
rectificador. Na Tabela 3.1 pode-se observar os resultados dessas comutações.
Tabela 3.1 – Estado de comutação dos semicondutores totalmente controlados e corrente no ponto central da saída.
Fase R Fase S Fase T Corrente no ponto central da saída
0 0 0 0
0 0 1 iT
0 1 0 iS
0 1 1 -iR
1 0 0 +iR
1 0 1 -iS
1 1 0 -iT
1 1 1 0
A divisão simétrica da tensão de saída (+UO/2 e –UO/2) apenas se pode conseguir
através do controlo da frequência e duração dos estados de comutação dos semicondutores
3 Estado da Arte
26
totalmente controlados que se podem observar na Tabela 3.1. As vantagens desta topologia são
as seguintes:
Estrutura simples do circuito de controlo, uma vez que apenas se utiliza um
transístor de potência por fase. Possibilidade de realizar o circuito de controlo
evitando o esforço de desenvolvimento associado a aplicações de controlo através de
microprocessador.
Corrente de alimentação com pouca distorção harmónica.
Frequência de comutação dos semicondutores totalmente controlados variável, o
que minimiza o esforço de filtragem da EMI, quando comparado com um sistema de
frequência de comutação fixa.
Densidade de energia elevada (potência/volume e potência/peso) do conversor.
Utilização superior da capacidade de comutação dos semicondutores totalmente
controlados (condução de cada transístor durante o semiciclo positivo ou negativo da
respectiva corrente de fase), comparativamente com os circuitos em ponte. Em caso
de falha do sistema de controlo não ocorre curto-circuito.
Contudo, esta topologia apresenta as seguintes desvantagens:
Fluxo de energia unidireccional, tornando-a inviável para certas aplicações (como no
caso dos motores com travagem regenerativa).
Pode existir erro dos controladores, se for utilizado controlo por histerese das
correntes de entrada por controladores independentes.
Para minimizar os custos de implementação desta topologia é aconselhável optar por
métodos de controlo simples. Contudo, para obter melhores resultados na minimização da
distorção harmónica da corrente de alimentação deve-se optar por métodos de controlo digitais.
Esta topologia pode ser utilizada nas seguintes aplicações:
Fontes de alimentação para dispositivos de telecomunicação.
Fontes de alimentação ininterruptas.
Entrada de sistemas conversores de frequência.
27
4 Simulação
Sumário
Em várias áreas do estudo científico o trabalho de simulação apresenta diversas
vantagens, entre as quais se pode destacar: custos menores, maior rapidez e facilidade de teste
de diversas possibilidades. Em Electrónica de Potência, a simulação é uma etapa fundamental
do processo de estudo.
Para as simulações apresentadas neste trabalho, utilizou-se a versão 4.2 do software de
simulação PSCAD® da Manitoba HVDC Research Centre Inc. Este software permite simular
facilmente todos os tipos de sistemas de energia, de uma forma rápida e precisa.
Foram utilizados alguns tipos de cargas para simular condições de funcionamento
diferentes, apresentando-se de seguida os resultados obtidos. Em todas as simulações
apresentadas utilizou-se uma fonte de tensão com as características da rede de distribuição de
energia portuguesa, ou seja, 230 V de valor eficaz a 50 Hz. A impedância da fonte utilizada foi
de 5% em todas as simulações.
4.1.1 Rectificador Activo Monofásico com Quatro Semicondutores
Totalmente Controlados
Na Figura 4.1 a) pode observar-se o rectificador activo monofásico simulado. Os sinais
de comando foram designados como “Com1” (para os interruptores S1 e S3) e “Com2” (para
os interruptores S2 e S4). Utilizando um condensador na saída de 500 µF e uma resistência de
carga de 100 Ω, a forma de onda da corrente de alimentação do rectificador activo apresenta-se
na Figura 4.1 b). A Figura 4.1 c) ilustra a análise harmónica e a THD da mesma corrente.
Apenas são apresentados os harmónicos de frequências mais baixas, uma vez que os
harmónicos de frequências mais elevadas possuem amplitudes entre 0,001 e 0,003 A. Com
excepção do harmónico da frequência de comutação dos semicondutores totalmente
controlados, neste caso o 30º harmónico, que apresenta um valor de amplitude de 0,012 A,
mesmo assim, um valor bastante baixo para poder se poder visualizar graficamente.
4 Simulação
28
Figura 4.1 – a) Rectificador activo monofásico com quatro semicondutores totalmente controlados, utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência de 100 Ω; b) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador
activo; c) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD.
Utilizando um rectificador a díodos como o que a Figura 4.2 a) ilustra, com a mesma
carga, obteve-se a forma de onda da corrente de alimentação apresentada na Figura 4.2 b). A
análise harmónica da corrente de alimentação deste rectificador a díodos e a respectiva THD
apresentam-se na Figura 4.2 c).
4 Simulação
29
Figura 4.2 – a) Rectificador monofásico a díodos; b) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador a díodos, utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência de 100 Ω; c) Análise harmónica da corrente de
alimentação e respectiva THD.
Se a carga for constituída por um condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω,
pode obter-se a forma de onda ilustrada na Figura 4.3 a). Na Figura 4.3 b) apresenta-se a
análise harmónica e a THD da mesma corrente. Os harmónicos de frequências mais elevadas
possuem amplitudes entre 0,001 e 0,003 A. O harmónico da frequência de comutação (30º
harmónico) apresenta uma amplitude de 0,012 A.
4 Simulação
30
Figura 4.3 – a) Forma de onda da corrente na fonte do rectificador activo, utilizando um condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω; b) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD.
O rectificador a díodos da Figura 4.2 a) com uma carga constituída por um
condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω apresenta a forma de onda da corrente de
alimentação que se pode observar Figura 4.4 a). O conteúdo harmónico e a THD da corrente de
alimentação podem observar-se na Figura 4.4 b).
4 Simulação
31
Figura 4.4 – a) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador a díodos utilizando um condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω; b) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD.
Na Figura 4.5 a) pode observar-se a forma de onda da corrente de alimentação do
circuito do rectificador activo se for utilizado um condensador de 500 µF e uma resistência de
1000 Ω. Na Figura 4.5 b) apresenta-se a análise harmónica e a THD da mesma corrente. Os
harmónicos de frequências mais elevadas possuem amplitudes entre 0,001 e 0,003 A. O
harmónico da frequência de comutação (30º harmónico) apresenta uma amplitude de 0,012 A.
Figura 4.5 – a) Forma de onda da corrente na fonte do rectificador activo, utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência de 1000 Ω; b) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD.
4 Simulação
32
A mesma carga aplicada no rectificador da Figura 4.2 a) produz a forma de onda da
corrente de alimentação que se ilustra na Figura 4.6 a). Na Figura 4.6 b) apresenta-se o
conteúdo harmónico e a THD da mesma onda.
Figura 4.6 – a) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador a díodos utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência de 1000 Ω; b) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD.
Se a carga do circuito for constituída por um condensador de 2000 µF e uma resistência
de 100 Ω pode obter-se a forma de onda da corrente de alimentação do circuito ilustrada na
Figura 4.7 a). Na Figura 4.7 b) apresenta-se a análise harmónica e a THD da mesma corrente.
Os harmónicos de frequências mais elevadas possuem amplitudes entre 0,001 e 0,003 A. O
harmónico da frequência de comutação (30º harmónico) apresenta uma amplitude de 0,012 A.
4 Simulação
33
Figura 4.7 – a) Forma de onda da corrente na fonte do rectificador activo, utilizando um condensador de 2000 µF e uma resistência de 100 Ω; b) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD
O rectificador a díodos da Figura 4.2 ligado a um condensador de 2000 µF e uma
resistência de 100 Ω, apresenta a forma de onda da corrente de alimentação que se pode
observar na Figura 4.8 a). A análise harmónica desta corrente apresenta-se na Figura 4.8 b).
Figura 4.8 – a) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador a díodos utilizando um condensador de 2000 µF e uma resistência de 100 Ω; b) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD.
4 Simulação
34
4.1.2 Rectificador Activo Trifásico Topologia de Vienna
O circuito de potência do modelo de simulação rectificador de Vienna encontra-se
representado na Figura 4.9.
Figura 4.9 – Rectificador activo trifásico, topologia Vienna.
Como o sistema apresentado é equilibrado a forma de onda é igual nas três fases,
assim, os resultados de simulação apresentados, apenas se referem à fase A. Na Figura 4.10 a)
apresenta-se a forma de onda da corrente da fase A, utilizando condensadores com 4000 µF e
uma resistência de 10 Ω. Como se pode observar, a corrente é praticamente sinusoidal. A
análise da distorção harmónica e a THD apresentam-se na Figura 4.10 b). Tal como no
rectificador activo monofásico, apenas são apresentados os harmónicos de frequências mais
baixas, uma vez que os harmónicos de frequências mais elevadas possuem amplitudes entre
0,0005 e 0,002 A. Nesta topologia a frequência de comutação dos semicondutores totalmente
controlados é variável.
4 Simulação
35
Figura 4.10 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando um condensador de 4000 µF e uma resistência de 10 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A.
Utilizado um rectificador trifásico a díodos como o da Figura 4.11 com a mesma carga,
isto é, um condensador de 4000 µF e uma resistência de 10 Ω obteve-se a forma de onda da
corrente na fase A que se apresenta na Figura 4.12 a). A análise harmónica desta corrente
apresenta-se na Figura 4.12 b).
Figura 4.11 – Rectificador trifásico a díodos.
4 Simulação
36
Figura 4.12 – a) Forma de onda da corrente na fase A do rectificador trifásico a díodos, utilizando um condensador de 4000 µF e uma resistência de 10 Ω; Análise harmónica da corrente na fase A do rectificador a díodos.
Na Figura 4.13 a) pode observar-se a forma de onda da corrente na fase A se a carga
for constituída por condensadores de 6000 µF e uma resistência de 15 Ω. Na Figura 4.13 b)
apresenta-se a análise harmónica e a THD da mesma corrente. Os harmónicos de frequências
mais elevadas possuem amplitudes entre 0,0005 e 0,002 A.
4 Simulação
37
Figura 4.13 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando condensadores de 6000 µF e uma resistência de 15 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A.
O rectificador trifásico a díodos da Figura 4.11 com uma carga constituída por um
condensador de 6000 µF e uma resistência de 15 Ω apresenta uma corrente na fase A com a
forma de onda que se ilustra na Figura 4.14 a). A análise harmónica da mesma onda
apresenta-se na Figura 4.14 b).
Figura 4.14 – a) Forma de onda da corrente na fase A do rectificador trifásico a díodos, utilizando um condensador de 6000 µF e uma resistência de 15 Ω; Análise harmónica da corrente na fase A do rectificador a díodos.
4 Simulação
38
Se a carga for constituída por condensadores de 8000 µF e uma resistência de 20 Ω,
pode obter-se a forma de onda ilustrada na Figura 4.15 a). Na Figura 4.15 b) apresenta-se a
análise harmónica e a THD da mesma corrente. Os harmónicos de frequências mais elevadas
possuem amplitudes entre 0,0005 e 0,002 A.
Figura 4.15 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando condensadores de 8000 µF e uma resistência de 20 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A.
Aplicando um condensador de 8000 µF e uma resistência de 20 Ω no rectificador da
Figura 4.11 obteve-se a forma de onda da corrente de alimentação que se ilustra na Figura
4.16 a). Na Figura 4.16 b) apresenta-se o conteúdo harmónico e a THD da mesma corrente.
4 Simulação
39
Figura 4.16 – a) Forma de onda da corrente na fase A do rectificador trifásico a díodos, utilizando um condensador de 8000 µF e uma resistência de 20 Ω; Análise harmónica da corrente na fase A do rectificador a díodos.
Pelos resultados de simulação obtidos, tanto no caso monofásico como no trifásico,
pode-se comprovar que os rectificadores activos constituem uma boa solução para o problema
de distorção harmónica.
No próximo capítulo apresentam-se os resultados de implementação de uma das
topologias simuladas.
41
5 Implementação e Resultados
Sumário
Depois dos resultados de simulação obtidos no capítulo anterior optou-se por
implementar o rectificador activo monofásico com quatro semicondutores totalmente
controlados, como forma de apresentar uma alternativa aos rectificadores não controlados que
existem em todos os equipamentos electrónicos domésticos, como por exemplo: televisores,
computadores, aparelhagens de somem vários tipos de lâmpadas, aparelhos de ar condicionado
entre outros.
Um projecto de Electrónica de Potência passa por diversas fases para a obtenção dos
resultados esperados. Assim, neste capítulo descrevem-se as várias etapas para a execução
prática de um rectificador activo monofásico.
5.1 Circuito de Potência
É no circuito de potência que ocorre o fluxo de energia da fonte para a carga, pelo que
se pode considerar que este é o circuito principal de um projecto deste tipo.
Devido a limitações tais como o custo e a disponibilidade dos componentes no mercado,
optou-se por utilizar uma fonte de tensão de alimentação inferior à tensão nominal da rede. Pelo
que, para a alimentação do circuito de potência deste projecto utilizou-se uma fonte de tensão
alternada de 12V. É importante salientar que o valor nominal da fonte de alimentação não altera
o princípio de funcionamento do circuito. Na Figura 5.1 pode-se observar o circuito de potência
utilizado. Para se poder verificar o comportamento do circuito em situações diferentes, variou-se
o valor da carga e foi realizado o ajuste manual do sinal de comando dos MOSFETs, com o
objectivo de manter o valor da THD da corrente de alimentação do circuito de potência numa
gama de valores abaixo dos 10 %.
5 Implementação e Resultados
42
Figura 5.1 – Rectificador activo monofásico com quatro semicondutores totalmente controlados.
5.1.1 Interruptores de Potência
Num circuito de potência os interruptores de potência devem ser seleccionados
cuidadosamente, uma vez que a transferência de energia é feita através deles. Por sua vez, as
perdas que ocorrem durante a comutação a frequências elevadas destes semicondutores são
habitualmente superiores às que ocorrem quando o semicondutor está em condução.
A Figura 5.2 ilustra os limites de funcionamento para os vários interruptores de
potência.
Figura 5.2 – Limites de funcionamento para os interruptores de potência [2].
5 Implementação e Resultados
43
Analisando as características dos interruptores de potência apresentados na Figura 5.2
e atendendo às limitações apresentadas anteriormente, considerou-se que o interruptor de
potência que satisfaz melhor as necessidades deste trabalho é o MOSFET pelas seguintes
razões:
Encontra-se com facilidade no mercado.
Custo baixo.
É controlado por tensão, o que simplifica o circuito de controlo.
Permite frequências de comutação mais elevadas.
Os MOSFETs são dos semicondutores mais importantes da actualidade e podem ser
usados em diversas aplicações de baixa potência. Estes semicondutores possuem três regiões
de funcionamento: tríodo, saturação e corte [21]. Contudo, no caso dos MOSFETs e em
Electrónica de Potência apenas se utilizam as regiões de corte e tríodo, o que corresponde ao
estado OFF e ON, respectivamente.
Existem dois tipos de MOSFETs: os de canal N e os de canal P. Normalmente os
MOSFETs de canal N possuem uma menor resistência de canal RDS, o que significa menos
perdas, como se encontram mais facilmente no mercado, optou-se por utilizar este tipo de
MOSFETs.
Para a implementação do rectificador activo monofásico utilizaram-se quatro MOSFETs
da marca Philips, modelo BUK453-100A [22]. As características principais deste MOSFET
encontram-se na Tabela 5.1.
Tabela 5.1 – Características do MOSFET BUK453-100A [22].
Símbolo Parâmetro Máximo
VDS Tensão Dreno-Fonte 100V
ID Corrente de Dreno 14A
Tj Temperatura da junção 175ºC
RDS (ON) Resistência Dreno-Fonte no estado ON 0,16Ω
Package TO220
5 Implementação e Resultados
44
5.2 Circuito de Drive
A função principal de um circuito de drive é fazer comutar os interruptores de potência
do estado OFF para o estado ON e vice-versa. O circuito de comando que gera os sinais de
controlo usados para ligar e desligar os interruptores de potência não é considerado como uma
parte do circuito de drive. O interface entre o circuito de comando e os semicondutores de
potência é o circuito de drive. Este circuito amplifica os sinais de controlo para os níveis
necessários ao funcionamento dos interruptores de potência, ao mesmo tempo que fornece
isolamento eléctrico entre o circuito de comando e o circuito de potência [2].
5.2.1 Optoacoplador
Para garantir o isolamento eléctrico entre o circuito de comando e o circuito de potência,
pode-se utilizar um optoacoplador com um fototransistor na saída. Assim, ambos circuitos estão
electricamente isolados e portanto, não há risco o circuito de comando queimar acidentalmente
devido a problemas originados no circuito de potência.
Por exemplo, um optoacoplador da série CNY17, que consiste num fototransistor
acoplado a um díodo emissor de infravermelhos, pode ser uma boa solução pelas seguintes
razões:
Baixo custo.
Boa disponibilidade no mercado.
Rapidez de resposta, que neste caso é suficiente para as necessidades.
Na Figura 5.3 pode-se observar o diagrama que representa o CNY17.
Figura 5.3 – Diagrama do optoacoplador CNY17 [23].
5 Implementação e Resultados
45
Para ligar o optoacoplador entre o circuito de comando e o circuito de potência, pode-se
utilizar o esquema sugerido pelo fabricante [23], como ilustra a Figura 5.4. Devendo-se utilizar
um optoacoplador por cada sinal de controlo.
Um dos cuidados a ter ao utilizar esta montagem é com o valor de corrente que
alimenta o fotodíodo, isto é, deve-se verificar que o microcontrolador é capaz de fornecer a
corrente necessária para o bom funcionamento do optoacoplador.
Neste trabalho, não foi necessário utilizar um optoacoplador, porque a tensão de entrada
no circuito de potência foi de apenas 12V, contudo, se fosse utilizada a tensão da rede para
alimentar o circuito de potência o uso de um optoacoplador seria indispensável.
Figura 5.4 – Circuito de ligação do optoacoplador [23].
5.3 Circuito de Comando
O circuito de comando é responsável pelos sinais de comando na gate dos MOSFETs
(“Com1” e em oposição de fase “Com2”). Cada sinal de comando toma o valor lógico “1” após
o anterior ter tomado o valor lógico “0”, para garantir que não há curto-circuitos durante a
comutação, introduziu-se um delay de 2 µs entre cada estado.
A Figura 5.5 ilustra o circuito de comando implementado.
5 Implementação e Resultados
46
Figura 5.5 – Circuito de comando do rectificador activo monofásico.
5.3.1 Microcontrolador
Para gerar os sinais de controlo dos MOSFETs foi necessário utilizar um
microcontrolador capaz de satisfazer as seguintes necessidades:
Capaz de fornecer sinais de alguns kHz.
Fazer a detecção de passagem por zero.
Facilidade de utilização.
Capaz de gerar um sinal de PWM.
Custo baixo (o microcontrolador escolhido custa aproximadamente 1€).
Considerando as características exigidas optou-se por basear o sistema de controlo no
microcontrolador PIC12F615 da Microchip. Na Tabela 5.2 apresentam-se as principais
características técnicas deste microcontrolador.
Outro factor tido em consideração foi o custo do microcontrolador que neste caso é
relativamente baixo, o que ajuda a manter o custo de implementação deste rectificador activo,
dentro de valores aceitáveis.
Na Figura 5.6 pode-se observar um diagrama do PIC12F615.
5 Implementação e Resultados
47
Tabela 5.2 – Características técnicas do PIC12F615 [24].
CPU 4 MHz
Memória flash 1 KByte
Memória RAM 64 Byte
Canais para a conversão A/D 4
Resolução dos canais A/D 10 Bits
Comparador 1
Timers 2
Figura 5.6 – Diagrama do PIC12F615 [24].
As principais especificações eléctricas do PIC12F615 apresentam-se na Tabela 5.3.
Tabela 5.3 – Principais especificações eléctricas do PIC12F615 – valores máximos [24].
Potência dissipada 800 mW
Corrente máxima em VSS 95 mA
Corrente máxima em VDD 95 mA
Corrente máxima consumida em qualquer pino de I/O 25 mA
Corrente máxima fornecida em qualquer pino de I/O 25 mA
O sinal de comando dos MOSFETs pôde ser gerado pelo modo PWM do
microcontrolador. Neste modo é possível variar o duty-cycle, o período e a resolução7 do sinal de
PWM, através dos seguintes registos:
PR2
CCPR1L
CCP1CON
7 A resolução determina o número de duty cycles para um dado período.
5 Implementação e Resultados
48
5.3.2 PWM
Um sinal de PWM é uma técnica de modulação de sinais usando circuitos digitais para
criar um sinal analógico variável. Esta técnica é relativamente recente, que só foi possível com os
interruptores de potência modernos. Dependendo da aplicação as comutações podem variar
entre alguns Hz até várias centenas de kHz. Em qualquer caso, a frequência de comutação é tão
rápida que não afecta o funcionamento da carga, uma vez que utilizar a potência máxima
durante uma fracção de tempo não causa qualquer problema.
A expressão duty-cycle indica a fracção de tempo em que o interruptor está ligado, num
dado período de tempo. Um duty-cycle baixo significa que o interruptor está mais tempo
desligado do que ligado, este valor expressa-se em percentagem. Pela facilidade de regulação do
duty-cycle é habitual usar PWM em controlo digital.
5.3.3 Programador
Para programar o PIC12F615 foi necessário utilizar um sistema electrónico
especialmente concebido para este fim. Este tipo de sistemas é disponibilizado para aquisição
em separado pelos fabricantes dos microcontroladores. O PICkit 3 Debug Express foi o sistema
escolhido, pelas seguintes razões:
Custo baixo.
Necessita pouco hardware adicional para realizar o debug.
Não são necessários adaptadores.
Pode ser actualizado através de firmware.
Inclui todos os cabos de ligação.
Inclui um compilador freeware.
Inclui ambiente de desenvolvimento integrado.
Na Figura 5.7 pode-se observar o programador utilizado.
5 Implementação e Resultados
49
Figura 5.7 – Programador do PIC12F615 [25].
As características técnicas do PICkit 3 são as seguintes:
Interface com o PC através de porta USB.
Execução em tempo real.
Inclui circuito de monitorização de sobrecorrente.
Invólucro de protecção.
Suporta tensão baixa (2 a 6V).
Leds de diagnóstico (alimentação, ocupado e erro).
Escrita/leitura da memória de dados e de programa do microcontrolador.
Confirmação ao apagar a memória de programa.
5.3.4 Software
O ambiente de desenvolvimento integrado (IDE - Integrated Development Environment)
utilizado foi o MPLAB da Microchip [26]. Este IDE foi fornecido de forma gratuita com o
programador do microcontrolador, pelo que se encontra perfeitamente adaptado para aplicações
que façam uso dos microcontroladores PIC® e dsPIC® da Microchip. O IDE MPLAB é uma
aplicação de 32-bit para o sistema operativo Windows® da Microsoft. Uma das vantagens deste
IDE é a possibilidade de funcionar como um interface para outro software e hardware de
desenvolvimento da Microchip ou de outros fabricantes. Na Figura 5.8 pode-se observar o
aspecto gráfico deste IDE. O compilador utilizado foi o compilador da Custom Computer
Services, Inc. [27]. Este é um compilador da linguagem de programação C, que também foi
fornecido gratuitamente com o programador e integra-se perfeitamente com o IDE utilizado.
5 Implementação e Resultados
50
Figura 5.8 – Ambiente de desenvolvimento do MPLAB.
Para operar o microcontrolador implementou-se um programa que fizesse a detecção de
passagem por zero8 da tensão de alimentação do circuito de potência. Com esta informação e
como a frequência da tensão da rede é periódica, foi possível implementar a função para gerar o
PWM necessário para o funcionamento do rectificador activo.
5.3.5 Circuito de alimentação
Para alimentar o microcontrolador optou-se por utilizar um circuito que pudesse ser
ligado directamente à rede, eliminando-se a necessidade de utilizar um transformador, sendo
assim possível reduzir a dimensão, o peso e o custo do circuito [29].
Antes de realizar a montagem e para minimizar possíveis falhas, realizou-se a simulação
do circuito no software de simulação da National Instruments – Multisim V10.0.144, tal como
ilustra a Figura 5.9.
8 Utilizando a tecnologia da Microchip AN521 [28].
5 Implementação e Resultados
51
Figura 5.9 – Simulação do circuito de alimentação do microcontrolador.
5.4 Placas de circuito impresso
Os circuitos do rectificador activo monofásico foram implementados em placas de
circuito impresso (PCB – Printed Circuit Board). As PCB foram implementadas num
equipamento de Controlo Numérico Computorizado (CNC – Computer Numeric Control) modelo
Protomat S62 da LPKF como a que se pode observar na Figura 5.10. Esta é uma máquina de
prototipagem de PCBs por fresagem onde é colocado um substrato de fibra de vidro cobreado e
mediante o modelo computorizado a máquina faz a fresagem, a furação e o corte das PCBs.
O software de desenvolvimento de PCB utilizado foi o Eagle v.5.0 da CadSoft Computer
[29]. Foram desenhadas duas PCBs tendo em atenção a dimensão das pistas condutoras para a
potência em causa.
5 Implementação e Resultados
52
Figura 5.10 – CNC Protomat S62 da LPKF onde foram implementadas as PCBs.
Na Figura 5.11 observa-se a PCB do circuito de potência apresentado na Figura 5.1.
Figura 5.11 – PCB do Circuito de potência.
A PCB do circuito de comando apresentado na Figura 5.5 encontra-se representada na
Figura 5.12.
Figura 5.12 – PCB do Circuito de comando.
A PCB do circuito de potência da Figura 5.11 mede 8,8 cm de largura e 4,3 cm de
altura. A PCB do circuito de comando, mede 11,8 cm de largura e 3,5 cm de altura.
5 Implementação e Resultados
53
5.5 Resultados obtidos
Após a implementação do rectificador monofásico apresentado, utilizou-se um medidor
de Qualidade de Energia para obter as formas de onda da corrente e da tensão na entrada do
rectificador activo, assim como as respectivas medições da THD.
A tensão da fonte apresentava alguma distorção harmónica como se pode observar
Figura 5.13. Não foi possível melhorar a forma de onda da tensão na fonte uma vez que não foi
influenciada pelo rectificador activo monofásico. A análise da distorção harmónica da tensão
obtida com o medidor de Qualidade de Energia apresenta-se na Figura 5.14. Como se pode
observar existe um pequeno valor de terceiro harmónico e com menor representatividade quinto
e sétimo harmónicos.
Figura 5.13 – Forma de onda da tensão que alimenta o rectificador activo.
5 Implementação e Resultados
54
Figura 5.14 – Análise da distorção harmónica da tensão que alimenta o rectificador activo.
A Figura 5.15 ilustra a forma de onda da corrente à entrada do rectificador activo
monofásico, quando a carga é constituída por uma resistência de 100 Ω e um condensador de
500 µF. Como se pode observar, a forma de onda não é apresenta uma forma de onda com
alguma distorção, mas com resultados muito superiores aos que se poderiam obter com um
rectificador a díodos. A análise da distorção harmónica da corrente obtida com o medidor de
Qualidade de Energia apresenta-se na Figura 5.16. Como se pode observar, o valor da THD não
é um valor ideal, em grande medida devido ao valor do sétimo harmónico que é relativamente
elevado. Contudo, estes resultados são muito melhores aos que seriam obtidos com um
rectificador a díodos.
Figura 5.15 – Forma de onda da corrente que alimenta o rectificador activo, com uma carga constituída por um condensador de 500 µF e uma resistência de 100 Ω.
5 Implementação e Resultados
55
Figura 5.16 – Análise da distorção harmónica da corrente Figura 5.15.
Se a carga do rectificador for constituída por uma resistência de 100 Ω e um
condensador de 300 µF, obteve-se a forma de onda da corrente de alimentação que se
apresenta na Figura 5.17. A análise da distorção harmónica da corrente de alimentação pode
observar-se na Figura 5.18.
Figura 5.17 – Forma de onda da corrente que alimenta o rectificador activo, com uma carga constituída por um condensador de 300 µF e uma resistência de 100 Ω.
5 Implementação e Resultados
56
Figura 5.18 – Análise da distorção harmónica da corrente da Figura 5.17.
Como se pode observar, ao utilizar um condensador com uma capacidade inferior a
distorção harmónica da corrente de alimentação do rectificador activo é menor.
Após a obtenção dos resultados da implementação prática foi possível retirar as
conclusões que se apresentam no último capítulo desta dissertação.
57
6 Conclusões e Perspectivas Futuras
Sumário
Neste capítulo apresentam-se as conclusões obtidas ao longo das diferentes etapas
deste trabalho. É feita uma análise comparativa entre os resultados obtidos e os objectivos
propostos inicialmente, no estudo dos rectificadores com consumo de corrente sinusoidal.
Referem-se ainda as possibilidades de trabalho futuro no âmbito desta dissertação.
6.1 Conclusões
Os dispositivos electrónicos são em geral alimentados em corrente contínua proveniente
de rectificadores a díodos, que por sua vez recebem a energia da rede de distribuição de energia
eléctrica.
A maioria dos dispositivos electrónicos é constituída por cargas não lineares, como os
díodos, ou transístores. Este tipo de cargas caracteriza-se, entre outras coisas, por provocar
distorção harmónica na corrente da rede de distribuição de energia eléctrica. Como a rede de
distribuição de energia eléctrica possui impedância, a corrente distorcida vai provocar uma
queda de tensão nessa impedância e consequentemente a tensão da fonte também vai
apresentar distorção harmónica. Assim, qualquer carga ligada à rede de distribuição de energia
eléctrica vai ser alimentada por uma tensão distorcida, o que vai afectar ou impedir o seu
funcionamento e por outro lado, a vida útil do dispositivo eléctrico pode ser reduzida
substancialmente. Nalguns casos, cargas lineares como os condensadores ou bobinas, podem
agravar o problema da distorção harmónica se foram alimentadas por tensões e correntes
distorcidas.
Nos últimos anos o número de dispositivos electrónicos aumentou exponencialmente e
portanto o problema da distorção harmónica aumentou na mesma medida.
Existem diversas formas de minimizar o problema da distorção harmónica. Neste
trabalho, apresenta-se uma solução baseada num rectificador activo monofásico.
6 Conclusões e Perspectivas Futuras
58
Os rectificadores activos são alvo de estudo por parte de empresas e instituições de
desenvolvimento científico há vários anos, no entanto, ainda são pouco utilizados nos
dispositivos electrónicos. Há várias razões para que isto aconteça, como o facto do estudo dos
rectificadores activos ainda não ter atingido um grau de maturidade que permita equipar os
todos os dispositivos electrónicos com rectificadores activos. Porém, o custo é a principal razão,
uma vez que os rectificadores activos são mais caros que os rectificadores tradicionais, os
fabricantes de dispositivos electrónicos estão reticentes em adoptar esta tecnologia, para não
perder competitividade face à concorrência.
Neste trabalho apresentou-se uma forma de implementar um rectificador activo
monofásico, em que o custo baixo foi sempre uma prioridade. Para tal, os objectivos
estabelecidos inicialmente incluíram uma análise técnica, sobre o conceito de Qualidade de
Energia e os problemas que lhe estão associados, seguida de um estudo estatístico para
perceber a gravidade destes problemas.
Na etapa seguinte, estudou-se o actual estado da arte dos rectificadores activos,
monofásicos e trifásicos. Tanto ao nível da investigação, como ao nível da disponibilidade
comercial dos rectificadores activos.
Seguidamente foram analisadas e simuladas algumas topologias como forma de
preparar a implementação prática que foi a etapa que se seguiu.
Na implementação prática houve diversas limitações que condicionaram o trabalho final,
como por exemplo a disponibilidade comercial dos componentes. O custo dos componentes era
outra das limitações, contudo, transformou-se esta limitação num dos objectivos a atingir, já que
para o desenvolvimento de equipamentos comercialmente competitivos este é um dos requisitos
fundamentais. Assim, procurou-se utilizar um microcontrolador de baixo custo e que pudesse
realizar os sinais de comando para controlar um rectificador activo ligado a uma carga
Comparando os resultados obtidos em simulação e os resultados práticos, pode
concluir-se que ainda há alguma margem para melhorar, no entanto, os resultados práticos
obtidos já são bastante animadores e permitem pensar nos rectificadores activos como uma
solução a ter em conta para a minimização do problema da distorção harmónica.
Outra das vantagens dos rectificadores activos é a eliminação do problema da distorção
harmónica na sua origem. Este facto é especialmente importante, porque o utilizador não se
preocupa em reduzir ou eliminar os problemas de Qualidade de Energia que ele próprio possa
causar, se isso não o beneficiar de alguma maneira.
6 Conclusões e Perspectivas Futuras
59
Do ponto de vista do autor para além da satisfação pessoal de concluir o projecto
atingindo os objectivos propostos inicialmente, salienta-se o conhecimento adquirido desde a
idealização de um projecto até à sua implementação.
6.2 Perspectivas Futuras
O rectificador activo monofásico encontra-se a funcionar de acordo com os objectivos
iniciais, dentro de limites aceitáveis, contudo, pode ser melhorado. Como trabalho futuro
sugerem-se os seguintes pontos:
Melhorar a forma de onda da corrente na fonte, reduzindo ainda mais a distorção
harmónica da mesma.
Estudar outros tipos de microcontroladores para integrar o circuito de comando,
reduzindo o custo e melhorando o desempenho.
Tentar reduzir o tamanho das várias placas do rectificador activo.
Desenvolver um invólucro de protecção para as placas, para permitir integrar o
rectificador activo em dispositivos electrónicos de uso quotidiano.
Fazer um estudo comparativo de custos de implementação em larga escala entre
rectificadores tradicionais e rectificadores activos.
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