novo retificador híbrido de alta potência e reduzida dhti com

NOVO RETIFICADOR HÍBRIDO DE ALTA POTÊNCIA E REDUZIDA DHTI
COM SUPORTABILIDADE QUANTO AOS AFUNDAMENTOS TEMPORÁRIOS
DE TENSÃO
Admarço V. Costa, Luiz C. de Freitas, Ernane A. A. Coelho, João B. Vieira Jr., Valdeir José Farias e
Luiz C. G. Freitas
Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP)
Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT)
Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
E-mail: [email protected]
Resumo – Este trabalho apresenta uma análise detalhada de
um novo retificador trifásico híbrido para utilização como
estágio intermediário CC de conversores eletrônicos de
potência. Esta estrutura é capaz de impor correntes
senoidais na rede CA de alimentação viabilizando alto
fator de potência e propiciando mínima distorção
harmônica total (DHTI) e ainda aumentar a
suportabilidade da tensão no barramento CC de saída do
retificador, mediante afundamentos temporários de
tensão. Para mitigar afundamentos de tensão, um
conversor boost foi inserido entre o retificador e o
capacitor de saída. Uma discussão completa a respeito do
percentual de potência processada pelos retificadores
controlados é também incluída. Para comprovar teoria
proposta neste trabalho são apresentados resultados
experimentais de um protótipo de 2,8 kW e resultados de
simulação para um conversor de 5kW considerando-se
afundamento temporário de tensão para 0,5 pu da
tensão da rede.
Palavras-Chave - Distorção harmônica; Fator de
potência; Afundamento de Tensão; Retificadores
Híbridos Multipulsos.
I.
INTRODUÇÃO
Este trabalho apresenta uma nova concepção de
retificador híbrido capaz de impor corrente senoidal na rede
CA de alimentação, proporcionando elevado fator de
potência e baixa distorção harmônica de corrente (DHTI).
Adicionalmente, esse mesmo conversor é capaz de aumentar
a suportabilidade da tensão do barramento CC diante dos
afundamentos de tensão, portanto, garantindo a
operacionalidade de cargas eletrônicas citando como
exemplo conversores de freqüência para acionamentos de
velocidade variável.
A Figura 1 apresenta uma nova topologia de conversor
que supera muitas desvantagens no campo de retificadores
multipulsos [1]-[2]. O sistema proposto recebe a
denominação de retificador híbrido por ser composto por um
retificador de 6 pulsos não controlado convencional (Ret-1),
associados a retificadores controlados (Ret-2). Essa estrutura
é capaz de operar com elevado fator de potência e reduzida
distorção harmônica, sem a necessidade de transformadores
defasadores, transformadores de interfase (LIT).
NEW HYBRID HIGH POWER RECTIFIER
WITH LOW THDI AND VOLTAGE-SAG
RIDE THROUGH CAPABILITY
Abstract - This paper presents an improved analysis of
a novel Hybrid Power Rectifier for utility interface of
power electronics converters. This structure is able to
impose sinusoidal currents at the entrance enabling high
power factor and providing minimum total harmonic
distortion (THDI) and voltage-sag ride through capability.
To mitigate voltage sags, a boost converter is inserted
between the rectifier and output link DC. A complete
discussion about the controlled rectifiers power
contribution is also included. To prove the theory
proposed in this paper experimental results of a
prototype of 2.8 kW and simulation results for a 5KW
converter considering temporary voltage sags from 0.5 pu
voltage network are presented.
Keywords - Harmonic distortion; power factor; Voltage
Sag; Hybrid Power Rectifier.
Fig. 1. Diagrama simplificado do novo Retificador Híbrido
É importante ressaltar que dependendo da DHTI desejada
a ser alcançada, os retificadores controlados conectados em
paralelo processam uma determinada fração da potência
total, variando cerca de 20% a 45%. Isso foi demonstrado
matematicamente em [3]. Essa característica operacional faz
com que a estrutura proposta seja muito interessante tanto
tecnicamente como economicamente para as instalações de
elevadas potências.
Uma inovação adicional dessa estrutura conversora em
relação às demais [1]-[3] já realizadas e publicadas em
periódicos e congressos é a inserção de um conversor Boost
entre o retificador convencional de 6 pulsos e o barramento
CC de saída do conversor Ret-1. A finalidade desse
conversor é mitigar eventuais afundamentos temporários de
tensão ““Voltage Sag”” na tensão eficaz da rede de energia
elétrica.
II.
RHM OPERANDO COM CORRENTE DE
SENOIDAL NA REDE DE ALIMENTAÇÃO CA
Como já é conhecido, todo conversor de freqüência
comumente usado em instalações industriais requer um
barramento CC como estágio intermediário.
A fim de minimizar a distorção harmônica total de
corrente no sistema de corrente alternada, torna-se necessário
a adição de indutores de filtros no lado CA ou no estágio CC
do retificador.
No entanto, a aplicação de filtros passivos, não é
suficiente para minimizar a DHTI e todas as suas
conseqüências, tais como: baixo fator de potência de entrada,
distorção da tensão da rede, alto valor de corrente RMS de
entrada, baixa eficiência etc.
A fim de superar essas desvantagens, os conversores de
freqüência podem ser conectados em um barramento CC
fornecido por uma novo retificador hibrido de alta potência,
tal como mostrado na Figura 2. Pode-se observar que a
estrutura proposta pode ser usada para alimentar o
barramento CC de inversores comerciais, utilizados para
controle de velocidade de motores de indução, fornecendo
baixa THDI sem usar transformadores defasadores ou
transformadores inter-fase, como demonstrado em [1].
alcança seu melhor desempenho em relação a distorção
harmônica total de corrente. Neste caso, é possível impor
uma corrente de forma de onda senoidal na entrada CA do
conversor em conformidade com as restrições impostas
quanto ao conteúdo harmônico pela norma IEC61000-3-4.
No entanto, a fim de cumprir essas determinações
impostas pela IEC61000-3-4, a potência dos conversores
chaveados deve ser aumentada sensivelmente, quando
comparada com a operação dos Retificadores Híbridos
Multipulsos com correntes de entrada de 12 pulsos[1].
Para se obter uma corrente senoidal a na rede CA de
alimentação ia(in), os conversores chaveados deverão impor
uma corrente, acompanhando a forma de onda da referência
pré-determinada, tal como mostrada Figura 3. Desta forma, a
corrente de linha ia(in), será obtida da combinação das
correntes ia1 e ia2 (ia1 + ia2) resultando dessa combinação
uma reduzida DHTI.
Além disso, no máximo 45% da potência nominal será
desviada para os conversores paralelos, quando se desejar
um elevado fator de potência de entrada[3].
Fig. 3. Composição da forma de onda teórica –– Modo de operação
com fator de potência unitário
A estratégia de controle se concentra em estabelecer a
melhor relação entre a corrente ia1, do retificador
convencional de 6 pulsos (Ret-1), e a corrente de entrada ia2
do retificador controlado (Ret-2). Desta maneira, obtém-se
uma corrente de linha CA de entrada ia(in) da estrutura
proposta com baixa DHTI [3].
III.
Fig. 2. Novo Retificador Híbrido fornecendo um barramento CC
intermediário para controladores de freqüência aplicados a motores
de indução.
A estrutura proposta do retificador híbrido, quando opera
com corrente de linha senoidal na rede CA de alimentação
RESULTADOS EXPERIMENTAIS - IMPOSIÇÃO
DE CORRENTE SENOIDAL NA REDE DE CA
DE ALIMENTAÇÃO.
Para comprovar a viabilidade técnica da estrutura proposta
atendendo apenas ao propósito de imposição de corrente
senoidal na rede CA de alimentação, são mostrados
resultados experimentais e discussões detalhadas do
retificador híbrido conforme publicação em anais de
congresso (APEC2007) [3]. A estrutura implementada é
mostrada na Figura 4. Nesse arranjo, os conversores
controlados são representados por retificadores Boost, os
quais são alimentados através de transformadores
monofásicos de baixa freqüência isolando-os do sistema de
alimentação CA e a estratégia de controle foi implementada
utilizando um controlador digital[3].
Fig. 4. Implementação dos conversores Boost no novo retificador
híbrido proposto
Os parâmetros estabelecidos para o projeto são mostrados
na Tabela I. Para acionamento dos gatilhos das chaves foram
implementados circuitos digitais.
A.
Resultados experimentais
Os resultados experimentais relacionados à fase A, são
apresentados com o propósito de ilustrar o desempenho do
conversor proposto operando com corrente de linha
senoidal no barramento CA de alimentação (ia(in)) na entrada
do conversor global. Esses resultados foram colhidos de um
outro trabalho já publicado por Freitas [3]. A Figura 5(a)
mostra a corrente de entrada do retificador de 6 pulsos não
controlado (Ret-1) e Fig.5(b) ilustra a corrente de entrada do
conversor BOOST conectado à linha A. Na Figura 6(a)
mostra-se que a corrente de linha de entrada do conversor
representa o resultado da combinação de
global ia(in)
correntes ia1 e ia2 (ia(in) = ia1 + ia2) . A Figura.6(b) ilustra a
corrente de linha de entrada CA ia (ia(in)) junto com a tensão
de fase-neutro Va. É importante ressaltar que as formas de
onda foram adquiridas através de um sensor de efeito hall
com ganho de tensão ajustado em 2. Assim, as escalas de
correntes ilustradas nas Figs. 5-6 devem ser divididas por
dois.
-a-
-b-
Fig. 5. (a) Corrente de entrada do Ret-1 (ia1), (b) Corrente de
entrada do conversor Boost (ia2).
TABELA I
PARÂMETROS DE PROJETO
Especificações dos Dados
Tensão do barramento CC, VCC (media) = 285 V
Potência total de saída, Psaída = 2.8 kW
Retificador trifásico a diodos
– 6 pulsos (Ret-1)
Conversores Boost (Ret-2)
Tensões fase-neutro
Va, Vb, Vc (rms) = 127 V
Tensões fase-neutro
Va, Vb, Vc (rms) = 127 V
Ponte retificadora trifásica
Toshiba 30J6P41
Capacitor de filtroCC,
CF - 400 ȝF
Ponte retificadora monofásicaHFA15TB60
Indutores de entrada,
L1-L3 - 1.5 mH
Capacitor de filtro CC,
CF1 - CF3 –– 47 ȝF
-
Chaves, S1-S3 - IRFP 460
-
Diodos, D1-D3 - MUR1560
Potência de saída,
Pout = 1.456 kW (52%)
Potência de saída,
Pout = 1.344 kW (48%)
Indutor de filtro, LF - 15 mH
-a-
-b-
Fig. 6 –– (a) Corrente de entrada do conversor global(ia(in)), ( b)
Corrente de entrada do conversor (ia(in)) e tensão fase-neutro (va).
O espectro harmônico da corrente senoidal imposta na
rede CA de alimentação é apresentado na Figura 7. O
espectro harmônico foi analisado e comparado com os
limites de DHTI impostos pela norma IEC 61000-3-4,
ficando comprovado que os componentes harmônicos mais
relevantes na corrente de entrada são de ordens 12n+1,
conforme esperado.
Fig. 7. Espectro de frequência da corrente CA de alimentação do
conversor global- (ia(in)).
IV.
MITIGAÇÃO DE AFUNDAMENTOS DE
TENSÃO
A norma IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineering) Std 1159-1995 [4] define afundamento de
tensão como ““um decréscimo entre 0,9 e 0,1 pu do valor
eficaz da tensão nominal, com duração entre 0,5 ciclo e 1
minuto””. Segundo esta norma um afundamento de tensão
com intensidade menor do que 0,1 pu é considerado
interrupção. A natureza, a magnitude e a duração, principais
características de um afundamento de tensão, são parâmetros
importantes a serem considerados.
A Figura 8 mostra a disposição fasorial dos diferentes
tipos de afundamentos temporários de tensão, classificados
como A, B, C, D, E, F e G. O afundamento tipo A é causado
por faltas simétricas e os demais por faltas assimétricas [5].
coletados pelos respectivos instrumentos, 92% foram os
classificados como afundamentos de tensão [6].
Diferentes razões levam a afundamentos de tensão. Eles
podem ser devido a curto-circuitos, sobrecargas devido a
partidas de grandes motores, fenômenos naturais e
constituem o evento de maior relevância entre os problemas
relacionados à qualidade de energia elétrica[7].
Leão, Oliveira e Rodrigues, citam que os efeitos de
afundamentos de tensão na entrada de um conversor de
freqüência, pode restringir a faixa de vetores de tensão
possíveis de serem sintetizados pelo controle, afetando o
desempenho dinâmico do sistema para determinadas
condições de carga. Mesmo que tal restrição não afete a
condição de operação vigente do sistema de acionamento, a
compensação da redução de tensão do ““ link DC””, realizada
pela malha de controle de tensão de saída do inversor,
implica em elevação dos níveis de corrente de entrada,
podendo provocar a atuação do sistema de proteção, gerando
assim, desligamentos e parada de produção, citando como
exemplo conversores de freqüência para acionamentos de
velocidade variável [8].
Diversos trabalhos que tratam a solução para aumentar a
tolerância de ““acionamentos de velocidade variável”” sob
afundamentos de tensão tem sido propostas. Dentre as
soluções destacam-se a adição de capacitores ao barramento
cc, a mitigação regenerativa e por adição do neutro e a
utilização de conversor boost [9]-[11].
Estudos estão sendo feitos através de simulações com o
objetivo de buscar uma solução para os problemas
relacionados a afundamentos de tensão e correção do fator de
potência com baixa distorção harmônica. A Figura 9
apresenta a nova topologia de conversor baseada no
retificador híbrido, estrutura essa, já consagrada conforme
publicações em revistas especializadas da área [1]-[3].
Fig. 8. Classificação dos afundamentos de tensão vistos nos
terminais da carga
O afundamento de tensão ““Voltage Sag”” representa o
distúrbio mais freqüente em um sistema de energia elétrica.
Conforme indica estudo realizado nos Estados Unidos em um
período de 27 meses (1993 e 1995), com a utilização de 300
registradores instalados em diferentes regiões do país, dos 6
milhões de eventos relacionados à má qualidade de energia e
Fig. 9. Novo Retificado Híbrido de Potência com Conversores
SEPIC
Conforme citado na seção I, a nova topologia conversora
comparada em relação àquela mostrada na Figura 4,
apresenta duas inovações importantes. A primeira é a
substituição dos conversores chaveados BOOST por
conversores chaveados SEPIC, resultando em vantagens
técnicas relevantes ao conversor global, tais como, redução
de peso e volume com a eliminação dos transformadores de
baixa freqüência que alimentam os retificadores chaveados
(BOOST), tornando a estrutura de fácil implementação e
controle. A segunda é a inserção do conversor BOOST entre
o retificador convencional de 6 pulsos e o barramento CC de
saída. A função desse conversor adicional é de operar como
um conversor CC-CC aumentando a suportabilidade da
tensão no barramento CC de saída, quando da ocorrência de
afundamentos de tensão, dando continuidade no
fornecimento de energia garantido a manutenção da operação
do sistema, evitando prejuízos inesperados.
V.
OPERAÇÃO DO CONVERSOR BOOST
Um conversor BOOST possui entrada com característica
de fonte de corrente devido à presença do indutor em série
com a fonte de tensão de alimentação, e saída com
característica de fonte de tensão, o que é assegurado pelo
capacitor conectado à saída do conversor. A razão cíclica de
um conversor BOOST é dada por:
V0
Vi
1
1 D
A Figura 11, podemos observar o comportamento das
correntes nas fases A, B e C na entrada do conversor global
antes, durante e após o afundamento de tensão. Pode-se notar
claramente, que quando ocorre o afundamento, os
conversores chaveados não conseguem mais impor uma
corrente senoidal na entrada CA de aimentação da estrutura
conversora, entretanto, mesmo com a ocorrência do
afundamento os conversores Sepic ainda contribuem com
uma parcela de processamento da potência na carga.
(1)
em que Vo e Vi são as tensões cc de saída e de entrada do
conversor, respectivamente, e D a razão cíclica. Baseado em
(1) verifica-se que para razão cíclica igual a zero o ganho de
tensão é unitário, e para razão cíclica próxima à unidade o
ganho de tensão cresce acentuadamente levando a valores de
Vo muito elevados. Por este motivo na prática, aconselha-se
trabalhar com valores de D menores que a unidade (D<1) e
em geral até 0,8. Para uma razão cíclica de até 0,8, o
conversor BOOST é capaz de mitigar afundamentos de
tensão para até 0,2pu de tensão remanescente, mantendo
uniforme a tensão no barramento cc [12].
VI.
Fig. 10. Tensões de Linha de entrada e do barramento CC sob
afundamento de tensão tipo A
RESULTADOS DE SIMULAÇÃO
Os principais resultados da simulação de um conversor de
5 kW são apresentados nas Figura 10 a Figura 12
considerando um afundamento do tipo A, para uma condição
de afundamento de 0,5 pu da tensão da rede, durante um
período de tempo de 200ms, tempo suficiente para levar um
acionamento de velocidade variável através de conversores
de freqüência a uma parada por subtensão. Na figura 10, são
mostradas, as tensões de linha da rede CA com o respectivo
afundamento e as tensões na saída do retificador e no
barramento CC. Nota-se claramente a ação efetiva do
conversor BOOST na função de mitigar o afundamento de
tensão.
Fig. 11. Correntes CA de alimentação do novo Retificador
Híbrido com conversor BOOST: ia(in), ib(in) e ic(in)
A Figura. 12 mostra as parcelas de potência processada
pelos respectivos conversores que compõem a estrutura
global.
Fig. 12. Potência ativa processada pelos conversores sepic
chaveados (Ret-2) e pelo retificador (Ret-1)
Pode-se observar na Figura 12, que os conversores SEPIC
contribuiem com uma parcela em torno de 40% da potência
processada em relação à potência global da estrutura
conversora. Ressalta-se que essa parcela de potência pode ser
programada, conforme o nível de Total Distorção Harmônica
THDI desejada.
O novo conversor proposto, comprovou através de
simulações, sua eficácia para os demais tipos de
afundamentos de tensão (B, C, D, E, F e G).
VII. CONCLUSÕES
O artigo apresenta uma nova topologia de retificador
híbrido de potência capaz de impor uma forma de onda
senoidal na rede CA de alimentação e obter elevado fator de
potência e baixa DHTI. Além disso, a estrutura apresentada é
capaz de inibir os efeitos dos afundamentos de tensão
ocorridos na rede, proporcionando a regulação da tensão no
barramento CC diante destes distúrbios.
Este trabalho foi dividido em duas partes em que a
primeira realça o retificador híbrido capaz de realizar a
correção do fator de potência impondo correntes senoidais
na rede CA de alimentação. A segunda, trata-se de uma
inovação em relação à estrutura inicial em que um conversor
BOOST é inserido entre o retificador convencional e o
barramento CC, com o propósito de aumentar a
suportabilidade do barramento diante a afundamentos de
tensão. Tais conversores chaveados, conectados em paralelo,
processam uma fração da potência total, dependendo da
distorção harmônica total desejável da corrente de linha de
entrada. Verificou-se através de estudos de simulações
computacionais, a eficácia da nova estrutura de Retificador
Híbrido em manter a suportabilidade da tensão do
barramento CC para diversos tipos de afundamentos de
tensão. Destaca-se que as características gerais da nova
estrutura a torna extremamente atrativa para aplicações em
sistemas de automação que utilizam inversores de frequência
variável para acionamentos de motores de indução.
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[12] N. X. Melo. ““Conversor Boost para Mitigação de
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velocidade Variável””, Universidade Federal do Ceará ––
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