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Universidade Federal do ABC
Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Aplicações de Conversores Estáticos de Potência
José L. Azcue Puma, Prof. Dr.
Filtros Ativos de Potência
Função Principal
Compensar harmônicas de corrente e tensão
Funções adicionais
Compensação relacionada à corrente
Potência reativa, corrente desbalanceada, corrente no
neutro
Solução: na maior parte com filtros ativos de potência
paralelo (shunt)
Compensação relacionada à tensão
Tensão desbalanceada, flicker, regulação de tensão
Solução: na maior parte com filtros ativos de potência
serie
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
3
VSI
Autossuficiente de tensão
continua
Leve, barato
Expansível para configuração
em multinível
Classificação baseada no tipo de conversor
4
CSI
Frequência de chaveamento
restrita
Perdas elevadas
Não pode ser usada em
configuração multinível
Paralelo ou de derivação
(Shunt)
Elimina harmônicas de
corrente
Compensa potência reativa
Capaz de Balancear correntes
desbalanceadas
Classificação baseada na topologia
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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
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
Classificação baseada na topologia
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Combinação Paralela: FAP paralelo e filtro passivo paralelo
Fonte de corrente vs drenador de harmônicas
Combinação Serie: FAP serie e filtro passivo serie
Fonte de tensão vs atenuação de harmônicas
Hibrido: FAP serie e filtro passivo paralelo
Isolador de harmônicos vs compensação de harmônicos
Custo e tamanho reduzido: solução bastante popular
Hibrido: FAP paralelo e filtro passivo serie
Isolador de harmônicos vs bloqueio de harmônicos
Combinação serie: FAP paralelo e filtro passivo paralelo
Amortecimento de ressonância vs compensação de
harmônicos
Combinação paralela: FAP serie e filtro passivo serie
Filtro passivo aprimorado vs bloqueio de harmônicos
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
Proteção contra
sobrecorrentes difícil de
implementar
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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Utilizado em aplicações de menor potência nominal, porque toda
a corrente do neutro flui através do capacitor do barramento CC.
FAP paralelo de 4 fios com ponto médio capacitivo
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Cargas não
lineares
desbalanceada de
4 fios
O quarto polo é utilizado para estabilizar o neutro do FAP
FAP paralelo de 4 fios
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Cargas não
lineares
desbalanceada de
4 fios
Bastante comum
Aprimora a confiabilidade dos FAPs
FAP paralelo de 3 pontes e 4 fios
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Cargas não
lineares
desbalanceada de
4 fios
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
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
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
Transformações 𝛼 − 𝛽
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
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𝒒 = 𝒗𝜷𝒊𝜶 − 𝒗𝜶𝒊𝜷
Tensões Correntes
No caso de um sistema trifásico de 4 fios
É possível obter as correntes, utilizando
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
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+
FAP Paralelo
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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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
As correntes de referência, se
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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Diagrama de blocos
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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𝑣𝐿𝑎
𝑣𝐿𝑏
𝑣𝐿𝑐
LPF Cálculo das correntes de
referência
PI
+
-
-
+ +
𝒑
𝒑 𝒑
𝒒 = 𝒒 + 𝒒
𝑉𝑑𝑐,𝑟𝑒𝑓
𝑉𝑑𝑐
𝒒 = 𝒗𝜷𝒊𝜶 − 𝒗𝜶𝒊𝜷
Diagrama de blocos
Simulação
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Carga não linear
Simulação
23
Diagrama de blocos
Simulação
24
Diagrama de blocos
Simulação
25
Simulação
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Controle da tensão do barramento CC
Diagrama de blocos
Simulação
27
Cálculo das correntes de referência
Simulação
28
𝒒 = 𝒗𝜷𝒊𝜶 − 𝒗𝜶𝒊𝜷
Cálculo das correntes de referência
Simulação
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Cálculo das correntes de referência
Simulação
30
Diagrama de blocos
Simulação
31
Simulação
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Controle de corrente por histerese
Simulação
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Vload
Iload
Is
Simulação
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Vs
Is
Iapf
Diagrama de blocos do controlador do FAP paralelo
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Uma outra estratégia
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Referências Bibliográficas 1. Park Ki-Won “A Review of ACTIVE POWER FILTERS“,
Apresentação, 2001.
2. M. Mezaroba; C. Rech; Correção do fator de potência, slides de
disciplina, Universidade do Estado de Santa Catarina, UDESC.
3. I. Barbi; Correção ativa do fator de potência, apostila,
Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, ago 2015.
4. J.A. Pomilio, Pré-reguladores de Fator de Potência, apostila de
disciplina, UNICAMP, jan 2007.
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/
5. Erickson, R.W.; Fundamentals of power electronics, 2 Ed. Kluwer
Academic Publisher, 2001.
6. RASHID, M.H. Eletrônica de Potência - Circuitos, Dispositivos e
Aplicações. Ed. São Paulo: Makron Books, 1999.
7. MOHAN, N.; UNDELAND, T.M.; ROBBINS, W.P. Power
Electronics: Converters Applications and Design 2. Ed. New
York: Editora John Wiley & Sons, 1995.