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1
Universidade Federal do ABC
Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Aplicações de Conversores Estáticos de Potência
José L. Azcue, Prof. Dr.
Filtros Ativos de Potência
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O Filtro Ativo de Potência (FAP) foi proposto na década de
1970.
Funções:
• Compensar harmônicas de corrente e/ou tensão.
• Compensar reativos.
• Compensar tensões ou correntes de sequência
negativa.
• Regulação de tensão, etc.
Filtros Ativos de Potência
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O FAP consiste de um inversor com um circuito de
controle de chaveamento.
O inversor gera os harmônicos de compensação
desejados baseado no algoritmo de chaveamento
fornecido pelo controlador.
Filtros Ativos de Potência
3
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O FAP injeta corrente harmônica requerida pela carga
não linear e faz com que a corrente no lado da fonte
seja puramente sinusoidal.
Filtros Ativos de Potência
4
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Diagrama unifilar do FAP
Filtros Ativos de Potência
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Classificação baseado no tipo de conversor
Estrutura em ponte do inversor fonte de tensão (Voltage
Source Inverter - VSI)
Estrutura em ponte do inversor fonte de corrente (Current
Source Inverter - CSI)
Classificação baseado na topologia
Filtro Ativo de Potência (FAP) paralelo (shunt)
FAP serie
Condicionador unificado (UPQC): FAP paralelo + FAP serie
Filtro ativo hibrido: filtro ativo + filtro passivo
Classificação baseado no sistema de alimentação
FAP de 2 fios
FAP de 3 fios
FAP de 4 fios
Classificação dos Filtros Ativos de Potência
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VSI
Autossuficiente de tensão
continua
Leve, barato
Expansível para configuração
em multinível
Classificação baseada no tipo de conversor
7
CSI
Frequência de chaveamento
restrita
Perdas elevadas
Não pode ser usada em
configuração multinível
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Paralelo ou de derivação
(Shunt)
Elimina harmônicas de
corrente
Compensa potência reativa
Capaz de Balancear correntes
desbalanceadas
Classificação baseada na topologia
8
Serie
Elimina harmônicas de tensão
Capaz de Balancear e regular a
tensão nos terminais da carga
minimiza a distorção da tensão
de alimentação de uma carga
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Conceito de Restaurador Dinâmico de Tensão (do inglês, Dynamic
Voltage Restorer (DVR) )
Exemplo: FAP série - DVR
9
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Condicionador unificado: Unified Power Quality Conditioner (UPQC)
Elimina harmônicas de tensão e corrente
Regulação de tensão e balanceamento de corrente
Também conhecido como “FAP universal”
Custo elevado e controle relativamente complexo
Filtro Ativo Hibrido
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Combinação paralela: FAP
paralelo e filtro passivo paralelo
Cancelamento de harmônicas
Compartilhamento ótimo é
necessário
Solução Comercial
Filtro Ativo Hibrido
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Hibrido: FAP serie e filtro
passivo paralelo
Atenuação de harmônicas
Baixa potência
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FAP de 2 fios
Cargas não lineares monofásicas, tais como aplicações
domesticas
Aplicações de menor potência nominal
FAP de 3 fios
Cargas não lineares sem neutro como acionadores de
velocidade variável (ASD - Adjustable Speed Drives)
FAP de 4 fios
Cargas não lineares monofásicas alimentadas a partir de
sistemas de 4 fios, tais como computadores e iluminação
industrial
Elimina a corrente desbalanceada e excessiva no neutro
Classificação baseada no sistema de alimentação
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Além de controlar a corrente, existe a necessidade de controlar
a tensão total do barramento e o desequilíbrio entre as tensões
dos capacitores.
FAPP monofásico meia ponte
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Controle da tensão do barramento CC mais simples.
FAPP monofásico ponte completa
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Solução para cargas de maior potência
FAPP trifásico a três-fios
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Utilizado em aplicações de menor potência nominal, porque toda
a corrente do neutro flui através do capacitor do barramento CC.
FAPP de 4 fios com ponto médio capacitivo
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O quarto braço é utilizado para estabilizar o neutro do FAP
FAP paralelo de 4 fios
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Necessidade do balanceamento da tensão dos capacitores.
Mais adequados para aplicações de medias e altas potências.
FAPP de 4 fios topologia NPC
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Bastante comum
Aprimora a confiabilidade dos FAPs
FAPP de 3 pontes e 4 fios
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Cargas não
lineares
desbalanceada de
4 fios
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Primeiro Estágio: Condicionamento de Sinais
• Sistema de aquisição com CT e PT, amplificadores
isoladores.
• Monitorar, medir e armazenar: THD, fator de potência,
potência ativa/reativa, etc.
Segundo Estágio: Determinação do Sinal de
Compensação
• Nível de corrente e/ou tensão
• No domínio da frequência:
• Baseado na transformada de Fourier
• Alto custo computacional
Estratégias de Controle para o FAP
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Segundo Estágio: Determinação do Sinal de
Compensação
• No domínio do tempo:
• Baseado na derivação instantânea
• Teoria pq, método do sistema de referência síncrono
dq, método do filtro notch, etc.
Terceiro Estágio: Geração do sinal de acionamento
• Histerese, PWM, SVPWM, modos deslizantes, logica
fuzzy, etc.
Estratégias de Controle para o FAP
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Implementação do FAP
Princípios de Operação do FAP
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Algoritmo de geração de referências
Controle da tensão do
barramento
Controlador Modulador
PWM Conversor M
ed
ida
s
Referência
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Filtro Ativo como “Supressor de harmônicos”
Princípios de Operação do FAP
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Detecção dos harmônicos de
corrente
e
Método de controle de corrente
Detecção dos harmônicos de
tensão
e
Método de controle de tensão
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Filtro Ativo como “Amortecedor harmônico”
Princípios de Operação do FAP
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Detecção dos harmônicos de
tensão
e
Método de controle de corrente
Detecção dos harmônicos de
corrente
e
Método de controle de tensão
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Pela teoria pq são definidos, para o sistema trifásicos de 4 fios,
duas potências instantâneas (𝑝0 𝑒 𝑝)e uma potência imaginaria
(𝑞), isto é:
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
25
𝒒 = 𝒗𝜷𝒊𝜶 − 𝒗𝜶𝒊𝜷
𝑆 = 𝑣 𝑖 ∗ = 𝑣𝛼 + 𝑗𝑣𝛽 𝑖𝛼 − 𝑗𝑖𝛽
𝑆 = 𝑣𝛼𝑖𝛼 + 𝑣𝛽𝑖𝛽𝑝
+ 𝑗 𝑣𝛽𝑖𝛼 − 𝑣𝛼𝑖𝛽𝑞
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Transformações 𝛼 − 𝛽
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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Tensões Correntes
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No caso de um sistema trifásico de 4 fios
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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É possível obter as correntes, utilizando
E pode ser expandido da seguinte forma
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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As correntes 𝑖𝛼 e 𝑖𝛽 podem ser decompostas em suas parcelas
ativa (𝑖𝛼𝑝 e 𝑖𝛽𝑝 )e reativa (𝑖𝛼𝑞 e 𝑖𝛽𝑞 ), isto é:
Sendo que:
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
29
+
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FAP Paralelo
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
30
𝒑 𝑳 - Valor médio da potência ativa instantânea, corresponde à energia por unidade de
tempo que é transferida da fonte para a carga.
𝒑 𝑳 - Valor oscilatório da potência ativa instantânea, corresponde à energia que é trocada
entre a fonte e a carga.
𝑝𝑠 = 𝑝 𝐿
𝑞𝑠 = 0
𝑝𝐿 = 𝑝 𝐿 + 𝑝 𝐿
𝑞𝐿 = 𝑞 𝐿 + 𝑞 𝐿
𝑝𝐹 = 𝑝 𝐿
𝑞𝐹 = 𝑞 𝐿 + 𝑞 𝐿
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As correntes de referência, se
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
31
𝑖𝑐,𝑎∗
𝑖𝑐,𝑏∗
𝑖𝑐,𝑐∗
=2
3
1 0
−1
2
3
2
−1
2−
3
2
𝑖𝑐,𝛼∗
𝑖𝑐,𝛽∗
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Diagrama de blocos
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
32
𝑣𝐿𝑎
𝑣𝐿𝑏
𝑣𝐿𝑐
LPF Cálculo das correntes de
referência
PI
+
-
-
+ +
𝒑
𝒑 𝒑
𝒒 = 𝒒 + 𝒒
𝑉𝑑𝑐,𝑟𝑒𝑓
𝑉𝑑𝑐
𝒒 = 𝒗𝜷𝒊𝜶 − 𝒗𝜶𝒊𝜷
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Diagrama de blocos
Simulação
33
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Carga não linear
Simulação
34
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Diagrama de blocos
Simulação
35
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Diagrama de blocos
Simulação
36
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Simulação
37
Controle da tensão do barramento CC
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Diagrama de blocos
Simulação
38
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Cálculo das correntes de referência
Simulação
39
𝒒 = 𝒗𝜷𝒊𝜶 − 𝒗𝜶𝒊𝜷
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Cálculo das correntes de referência
Simulação
40
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Cálculo das correntes de referência
Simulação
41
𝑖𝑐,𝑎∗
𝑖𝑐,𝑏∗
𝑖𝑐,𝑐∗
=2
3
1 0
−1
2
3
2
−1
2−
3
2
𝑖𝑐,𝛼∗
𝑖𝑐,𝛽∗
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Diagrama de blocos
Simulação
42
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Simulação
43
Controle de corrente por histerese
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Simulação
44
Vload
Iload
Is
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Simulação
45
Vs
Is
Iapf
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46
Referências Bibliográficas
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http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/
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6. CAMPANHOL, L. B. G.; Filtro Ativo De Potência Paralelo
Utilizando Inversores Monofásicos Full-Bridge Aplicado Em
Sistemas Trifásicos A Quatro-Fios, dissertação de mestrado,
UTFPR, 2012.