Filtro ativo monofásico de corrente

Qualidade da Energia Elétrica em Ambiente Aeronáutico - 2013 J. A. Pomilio

6-1

6. MEDIDAS PREVENTIVAS E CORRETIVAS

6.1. Medidas para Melhoria da QEE

Há muitas ações que podem ser tomadas para evitar ou minimizar problemas de qualidade

de energia elétrica. A prevenção deve ser considerada a melhor opção. Muitos problemas de

qualidade de energia podem ser evitados com um cuidadoso planejamento da instalação de

equipamentos potencialmente poluentes (do ponto de vista elétrico), mantendo o equipamento em

circuitos separado daqueles que alimentam cargas mais sensíveis.

Tal procedimento é eficaz na prevenção de distúrbios do tipo afundamento de tensão,

associado à partida de cargas de maior potência (como motores de indução) e também em relação

à distorção harmônica. Nota-se que estas são situações em que a perturbação é proveniente da

carga.

Quando o distúrbio é proveniente da rede, as ações são principalmente relacionadas à

garantia do fornecimento de energia, com qualidade, às cargas mais importantes.

Como regra geral, garantir que as instalações estejam corretamente projetadas, de acordo

com as normas pertinentes, é extremamente importante.

Para instalações mais antigas, ou certos tipos de cargas, por vezes, a mitigação de

problemas de qualidade de energia elétrica deve ser considerada. Se este for o caso, o primeiro

passo deve ser identificar e quantificar o problema. Isso pode ser feito através de medições de

qualidade de energia usando um analisador de qualidade de energia. Para obter uma imagem clara

do que está acontecendo em uma instalação, deve-se medir mais de um período completo de

funcionamento normal. Medindo ao longo deste período de tempo, pode-se começar a entender as

diferentes circunstâncias que podem ocorrer. O problema pode ser resolvido simplesmente

movendo uma carga para outro alimentador. Ou pode ser necessário instalar equipamento para

minimizar o problema. Os tipos de equipamentos que se pode considerar são diversos, desde

dispositivos estabilizadores de tensão (que dá uma saída regulada, independentemente da tensão de

entrada), ou um UPS (sistemas de alimentação ininterrupta de energia), que continuam a fornecer

alimentação, mesmo se a alimentação principal é perdida. Em alguns casos, filtros devem ser

instalados para reduzir os harmônicos. i

Algumas medidas preventivas estão indicadas na tabela abaixo. ii

Causas Medidas Preventivas

Falhas de

equipamentos

Manutenção periódica adequada; cuidados na especificação, projeto de instalação

e compra; sistema aterrado por resistência a fim de limitar a corrente de falta.

Descarga atmosférica Proteção de blindagem de equipamentos e alimentadores.

Poluição Limpeza de cadeias de isoladores e outras partes isolantes de equipamentos.

Falha humana Treinamento; modernização e automação de procedimentos.

Outros aspectos operacionais, como uso de dispositivos com alto fator de potência, partida

coordenada de grandes motores (ou o uso de algum procedimento de partida suave – soft-start),

conexão com limitação de corrente de grandes transformadores, controle de tensão associado a

bancos automáticos de capacitores, técnicas inteligentes de acionamento de cargas chaveadas, etc.,

permitem minimizar harmônicos, afundamentos, elevações e flutuações de tensão.


6-2

6.2. Equipamentos para garantia da operação de cargas críticas

A maior parte dos eventos que provocam perda de operação de um equipamento está

relacionada com afundamentos de tensão e interrupções. Em tais situações há um déficit de

energia para a carga, o qual deve ser suprido por algum dispositivo de emergência. Há diversas

alternativas para tal ação, sendo as mais adequadas o DVR (Dynamic Voltage Restorer)iii

, para

eventos rápidos, ou as fontes ininterruptas, para eventos de maior duração. O DVR adiciona tensão

(e fornece potência à carga), compensando as variações da linha. Eventualmente tais dispositivos

podem, também, conter funções de mitigação de distorções harmônicas.

Linha Equipamento

Fonte CC

Inversor

Figura 6.1 Diagrama simplificado de operação de um DVR.

Qualquer sistema no qual o fornecimento da energia elétrica não pode ser interrompido

deve prever uma fonte de emergência para supri-lo. Quando a potência instalada é muito grande

tem-se, em geral, um sistema de acionamento imediato, alimentado a partir de baterias, e um

sistema motor-gerador que, por necessitar de algum tempo para estar em condições ideais de

operação, não pode ser usado de imediato.

Quando as cargas críticas são distribuídas, pode-se usar UPSs (Uninterruptible Power

Supply) modulares, de acionamento imediato, e capazes de manter a operação do equipamento por

um tempo suficiente para que não sejam perdidas operações que estavam em curso.

6.2.1. Classificação das UPS

São definidas três configurações, indicadas, simplificadamente, na figura 6.5:

linha prioritária;

inversor prioritário;

interativo com a linha.

Todas as estruturas contêm um elemento armazenador de energia que é, tipicamente, um

banco de baterias.

A configuração de linha prioritária possui um retificador, que fornece a carga para as

baterias, um inversor (conversor CC-CA) e uma chave que transfere automaticamente a

alimentação da carga da linha para o inversor, em caso de falha. Quando o inversor for conectado à

carga deve fazê-lo de modo a que sua tensão tenha a mesma amplitude e fase da tensão esperada

na linha. Como o inversor não realiza nenhuma função de regulação da tensão enquanto a


6-3

alimentação provier da linha, alguns equipamentos podem possuir um estabilizador de tensão a

jusante da chave. A detecção da falha e a transferência da alimentação podem ser feitas em menos

de 1/4 de ciclo, o que garante a alimentação do equipamento crítico. Uma vez que este sistema não

apresenta uma efetiva isolação e proteção da carga contra distúrbios na linha e dado que ele altera

seu funcionamento exatamente quando ocorre uma falha, tal estrutura é utilizada principalmente

para sistemas de baixos custo e potência, quando a operação não é altamente crítica. Esta estrutura

é conhecida como “off-line”.

A configuração com inversor preferencial é padrão para equipamentos críticos, uma vez

que a carga é alimentada por uma tensão controlada e estabilizada pelo inversor, estando isolada

(não necessariamente galvanicamente) da rede. Neste caso a alimentação provém sempre do

inversor, cuja alimentação CC virá da rede (através do retificador) ou da bateria, em caso de falha.

O conversor não altera sua operação na ocorrência da falha e não existe nenhuma descontinuidade

na tensão suprida. Como o retificador deve suprir a carga, e não apenas recarregar as baterias

(como no caso anterior), ele é dimensionado para a potência do equipamento alimentado. A

presença da chave (by-pass) é para, em caso de falha da UPS, passar a alimentação à rede em

menos de 1/4 de ciclo. O inversor pode possuir ainda uma limitação automática de corrente contra

sobrecargas. Esta estrutura é conhecida como “on-line”.

Chave estática ("by-pass")

Bateria

Retificador Inversor

Linha Equipamento

(a) Linha Prioritária

Chave estática

("by-pass")

Bateria

Retificador Inversor

Linha

Equipamento

(b) Inversor Prioritário

Bateria

Inversor

Linha Equipamento

Carregador

L

B A

(c) Interativo com a linha

Figura 6.2 Configurações de UPS.


6-4

A configuração interativa com a linha possui apenas um conversor CC-CA. Este sistema

possui a vantagem (sobre a configuração linha preferencial) de permitir um condicionamento da

tensão aplicada à carga. Normalmente o fluxo de potência vai, através do indutor L, da rede para a

carga, e o conversor mantém as baterias carregadas. Em caso de falha, a chave se abre e o inversor

passa a alimentar o equipamento crítico. Quando existe tensão na linha, o inversor produz uma

tensão no ponto A com a mesma frequência da linha, mas com amplitude controlada. Se as tensões

nos pontos A e B forem idênticas em frequência, fase e amplitude não haverá corrente pelo indutor

e toda energia da carga será fornecida pelo inversor. Alterando-se a fase da tensão no ponto A

pode-se controlar o fluxo de corrente por L. Assim , controlando a fase da tensão em A pode-se

fazer com que provenha da linha toda a energia ativa necessária para alimentar a carga, ficando a

cargo do inversor fornecer a energia não ativa (reativos e harmônicos). Neste caso, como o

inversor não fornece potência ativa, a condição de carga das baterias não se altera.

Adicionalmente, tem-se que a corrente absorvida da linha é senoidal e em fase com sua tensão, ou

seja, o UPS opera como um compensador de fator de potência, independente da carga. Esta análise

supõe uma carga com alta impedância de entrada, o que não é verdade em situação muito usual em

que a carga tem um comportamento de fonte de tensão (retificador com filtro capacitivo).

O fato de não fazer uso de dupla conversão, ou seja, o retificador não está inserido na

alimentação da carga, faz com que o rendimento do conjunto seja superior ao da estrutura

“Inversor prioritário”, de modo a ser aplicável em potências mais elevadas.

6.2.2. Outras Características de UPS

Forma de onda da saída

A obtenção de uma onda senoidal (em um conversor CC-CA) é mais complexa do que uma

tensão de forma quadrada. Por este motivo, as UPS de baixa potência e para cargas não altamente

críticas, podem fornecer uma tensão quadrada em sua saída e utilizam uma configuração do tipo

Linha preferencial. Como, normalmente, alimentam pequenos computadores de uso pessoal, os

quais tem um estágio de entrada com um retificador a diodos e filtro capacitivo, o parâmetro

principal é que a tensão possua o mesmo valor de pico da tensão normal (rede).

Comparativamente a uma onda senoidal, tal tensão apresentará um maior valor eficaz, mas que

não traz maiores consequências. Dado o espectro da onda produzida, haverá um maior

aquecimento em transformadores e indutores eventualmente presentes, mas que, dado o curto

prazo de atuação da UPS, em geral não causam maiores problemas.

Em sistemas de maior porte e criticidade são usados inversores com saída senoidal

utilizando Modulação por Largura de Pulso (MLP, ou PWM da sigla em inglês Pulse Width

Modulation).

V

S

+Vcc

-Vcc

Figura 6.3 Forma de onda quase-quadrada.


6-5

10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms

400V

-400V

400V

-400V

Figura 6.4. Formas de onda da tensão de fase e de linha em inversor trifásico. Indicam-se ainda os

respectivos sinais MLP (PWM) filtrados.

Isolação elétrica

A isolação elétrica entre entrada e saída é necessária quando, por motivo de segurança ou

de norma, deve-se aterrar um dos terminais da saída.

Dois tipos de isolação podem ser utilizados: em baixa ou em alta frequência. Como se

sabe, quanto maior a frequência de operação, menores as dimensões do transformador, o que tende

a reduzir custo, volume e peso. No entanto, isolação em alta frequência é possível apenas em

alguns pontos e para algumas topologias dos conversores CA-CC e CC-CA. Já a isolação em baixa

frequência pode ser colocada na entrada (rede) ou na saída da UPS.

Paralelismo

Conectar em paralelo duas ou mais UPSs é necessário quando se deseja ampliar a potência

instalada ou aumentar a confiabilidade do sistema.

No primeiro caso, o fator determinante é o econômico, quando é mais barato utilizar uma

UPS adicional para alimentar um acréscimo de carga do que trocar todo o sistema já existente.

No outro caso, para cargas muito críticas, a redundância torna-se necessária.

As questões a serem consideradas são diversas:

deve-se garantir que as tensões de saída sejam idênticas e que as correntes sejam igualmente

distribuídas;

em caso de falha de qualquer uma das UPS, as demais devem ser capazes de manter o

equipamento crítico em operação;

para manter a identidade das tensões, uma das UPS deve produzir a referência para as demais;

em caso de falha, uma outra deve assumir tal função.

6.2.3. Componentes de uma UPS estática

Retificador

O retificador, além de produzir a tensão CC que alimenta o inversor tem também como

função manter as baterias carregadas.

Para sistemas de maior potência, é comum utilizar retificadores de 12 ou mesmo 24 pulsos,

a fim de minimizar o conteúdo harmônico da corrente absorvida da linha. Tal implementação, no

entanto, exige a presença de um transformador na entrada do retificador.


6-6

O desenvolvimento de retificadores com correção de fator de potência, sejam monofásicos

ou trifásicos, vem permitir, aliado ao controle da tensão de saída, absorver uma corrente senoidal e

em fase com a tensão da rede, implicando num fator de potência que tende à unidade. A figura 6.8

mostra possíveis topologias para este tipo de circuito. No primeiro caso tem-se um retificador

trifásico no qual as chaves semicondutoras são transistores, permitindo a aplicação de modulação

por largura de pulso, o que possibilita absorver uma corrente senoidal na rede. A tensão CC de

saída é sempre maior do que o valor de pico da tensão de entrada, trata-se pois, de uma topologia

elevadora de tensão. No outro caso tem-se um conversor tipo elevador de tensão, com entrada

monofásica. Um controle adequado do ciclo de trabalho permite, também aqui, a absorção de uma

corrente senoidal.

Vo Vo

Figura 6.5 Retificador MLP e conversor elevador de tensão para correção de fator de potência.

Inversor

O inversor é o principal constituinte de uma UPS, uma vez que é ele quem determina a

qualidade da energia fornecida à carga.

Deve fornecer uma tensão alternada, com frequência, forma e amplitude invariantes, a

despeito de eventuais alterações na alimentação CC ou na carga.

A configuração básica é mostrada na figura 6.6, para um inversor trifásico. Uma saída

monofásica pode ser obtida utilizando-se apenas 2 ramos, ao invés de 3.

Vcc Vca

Figura 6.6 Inversor trifásico.

A obtenção de uma saída que recupere a onda de referência senoidal é facilitada quando se

utiliza PWM. Após a componente espectral relativa à referência (50/60Hz), aparecem componentes

nas vizinhanças da frequência de chaveamento (dezenas de kHz). Ou seja, um filtro passa baixas

com frequência de corte acima e 50/60 Hz é perfeitamente capaz de produzir uma atenuação bastante

efetiva em componentes na faixa dos kHz.

Normalmente a obtenção de uma forma de onda adequada, principalmente quando se

alimenta uma carga não-linear, somente é obtida por meios ativos, através da realimentação da tensão

de saída.


6-7

A figura 6.7 mostra o resultado experimental de uma UPS monofásica alimentando uma

carga não-linear. Neste caso a carga é isolada por meio de um transformador de baixa-frequência. O

filtro passivo é de segunda ordem, LC, no qual a indutância de saída do inversor inclui a indutância

de dispersão do transformador. Um valor de distorção harmônica compatível com a norma foi obtido

com realimentação da tensão de saída.

Figura 6.7. Tensões e correntes no primário e na carga (THDv=5,5%, THDi=50%, Vrms=108,9V).

A chave estática ou “by-pass”

Como outro elemento eletrônico (ou eletromecânico) constituinte de uma UPS tem-se a

chave estática, também chamada de “by-pass”. Sua função é permitir a comutação da tensão de

saída do inversor para a rede e vice-versa, em caso de falha. Pode ainda ter um papel de isolar o

inversor para fins de manutenção.

Basicamente existem 2 possibilidades de implementar tal chave: usando tiristores ou relés

eletromecânicos.

Soluções de baixo custo usam, em geral, relés. Sua comutação deve ser rápida, de modo a

não interromper a alimentação por mais de 1/2 ciclo. A figura 6.8 mostra um arranjo típico.

Carga

Inversor Rede

Circuito de Acionamento

Circuito de Acionamento

Detector de Corrente zero

Figura 6.8. Sistema de acionamento de “by-pass”.

6.2.4. Resultados Experimentais

Os resultados mostrados a seguir foram obtidos em ensaios de equipamentos comerciais,

testados no Laboratório de Condicionamento de Energia Elétrica da Faculdade de Engenharia

Elétrica e de Computação da Unicamp.


6-8

Linha prioritária

Observe-se na figura 6.9 que há um atraso na entrada em funcionamento do inversor, e que

o mesmo está dentro da especificação de operação em menos de ½ ciclo.

A forma de onda da saída apresenta baixa distorção harmônica. O topo achatado deve-se à

limitação de tensão do banco de baterias. A distorção harmônica total (THD) é de 3,6%. A carga

alimentada, neste caso, é resistiva e no valor nominal.

Figura 6.9 Tensão de saída e a corrente da rede com carga resistiva na transição da alimentação da

rede para baterias.

A figura 6.10 mostra a tensão na entrada e na saída no teste de rejeição a transitório. A

perturbação produzida teve variação pico-a-pico de aproximadamente 120V e foi integralmente

sentida pela saída.

A regulação da tensão de saída é feita pela variação de “taps” na entrada, como se verifica

na figura 6.11. Nota-se que quando ocorre a operação via baterias (96V) a tensão é de 111,6V, ou

seja, 7% abaixo da nominal. No intervalo em que está atuando o regulador tem-se uma variação

entre –7,7% a +10%.

Figura 6.10 Rejeição de transitório na entrada.


6-9

100

110

120

130

140

84 90 96 102 108 114 120 126 132 138 144 150

Tensão de saída (V)

.

Figura 6.11. Regulação de tensão de saída em função da tensão de entrada, com carga resistiva.

Inversor prioritário

A figura 6.12 mostra que não existe transitório na passagem da alimentação da rede para as

baterias. Note-se que a corrente de entrada se anula quando há falha na alimentação.

A figura 6.13 mostra a tensão na entrada e na saída no teste de rejeição a transitório. A

perturbação produzida teve variação pico-a-pico de aproximadamente 150V e não foi sentida pela

saída.

A regulação se mantém em toda faixa de experimentação, sem que o equipamento tenha

recorrido ao uso das baterias. A operação com baterias ocorre para tensão inferior a 92V.

Figura 6.12. Tensão de saída e corrente da rede com carga resistiva na transição da alimentação da

rede para baterias.

Figura 6.13. Rejeição de transitório na entrada.


6-10

117,4

117,5

117,6

117,7

117,8

117,9

118

84 90 96 102 108 114 120 126 132 138 144 150

Tensão de saída (V)

.

Figura 6.14. Regulação de tensão de saída em função da tensão de entrada, com carga resistiva.

6.3. Redução da DHT e aumento do Fator de Potência em equipamentos eletrônicos

É possível realizar circuitos retificadores que apresentem uma corrente de entrada senoidal

ou que, no mínimo, esteja dentro dos limites das normas. Tais soluções podem ser passivas

(empregando apenas indutores e capacitores) ou ativas (empregando pelo menos um transistor de

potência e outros circuitos associados).

As soluções passivas são, em geral, volumosas, pesadas (devido ao indutor), além de

produzirem ruído acústico. Sua vantagem é a confiabilidade.

As alternativas ativas permitem maior densidade de potência (menores volume e massa),

além de possibilitarem o controle da tensão CC. Estes retificadores com alto fator de potência são

atualmente empregados, por exemplo, em reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes

tubulares.

6.3.1. Soluções ativas

Os pré-reguladores de FP ativos empregam interruptores controlados associados a

elementos passivos.

Conversor elevador de tensão (boost) como PFP

A figura 6.15. mostra o diagrama geral do circuito e do controle.

Este tipo de conversor tem sido o mais utilizado como PFP em função de suas vantagens

estruturais como:

a presença do indutor na entrada bloqueia variações bruscas na tensão de rede (“spikes”), além

de facilitar a obtenção da forma desejada da corrente (senoidal).

Energia é armazenada mais eficientemente no capacitor de saída, o qual opera em alta tensão

(Vo>E), permitindo valores relativamente menores de capacitância.

O controle da forma de onda é mantido para todo valor instantâneo da tensão de entrada,

inclusive o zero.

Como a corrente de entrada não é interrompida (no modo de condução contínuo), as exigências

de filtros de IEM são minimizadas.

O transistor deve suportar uma tensão igual à tensão de saída e seu acionamento é simples, uma

vez que pode ser feito por um sinal de baixa tensão referenciado ao terra.

Como desvantagens tem-se:

O conversor posterior deve operar com uma tensão de entrada relativamente elevada.

A posição do interruptor não permite proteção contra curto-circuito na carga ou sobre-corrente.

Não é possível isolação entre entrada e saída.

Consideremos com exemplo o funcionamento da topologia utilizando um circuito

integrado típico, o qual opera a frequência de chaveamento constante, com controle tipo

Modulação por Largura de Pulso (MLP, ou PWM, em inglês).


6-11

V ac

MLP

Regulador de corrente

K

FPB Regulador

de Tensão

Vref

+

-

Iref +

-

Vo

+

A

C

A.B C 2 B

Figura 6.15. Diagrama de blocos do conversor elevador de tensão, com circuito de controle por

corrente média.

O CI produz uma referência de corrente que acompanha a forma da tensão de entrada. Esta

referência é formada pela multiplicação de um sinal com a forma da tensão de entrada (que define

a forma e a frequência da corrente de referência) e de um sinal da realimentação da tensão de saída

(o qual determina a amplitude da referência de corrente).

A figura 6.16. mostra uma forma de onda típica da corrente no conversor. O FP resultante

tende à unidade e, consequentemente, a TDH tende a zero.

Corrente no indutor Corrente no interruptor

V

I

Figura 6.16 Formas de onda típicas da corrente pelo indutor e no interruptor e formas de onda

experimentais.

6.4. Local de correção do fator de potência

A Tabela 6.1 mostra o efeito da compensação da distorção harmônica da corrente

produzida por cargas não-lineares. Considera-se o uso de filtros ativos mono e trifásicos, assim

como de pré-conversores de fator de potência (PFC), que serão tratados em capítulo posterior. Um

PFC tem como propriedade fazer com que a corrente absorvida por qualquer aparelho apresente-se

com elevado fator de potência, ou seja, tenha baixa distorção harmônica.

Toma-se como exemplo uma instalação de 60kVA na qual há cargas lineares e não lineares

distribuídas em diferentes fases da rede e ambientes, como ilustram as figuras a seguir iv

.

Se a compensação é realizada em cada carga, por toda a rede circulará corrente senoidal e

no mínimo valor necessário para o fornecimento da potência ativa requisitada. Isto minimiza as

perdas.

Uma solução alternativa é a de fazer a compensação de um grupo de cargas, utilizando um

filtro ativo (monofásico, no exemplo). Nesta situação a corrente pela rede será senoidal após o

filtro, restando distorcida deste ponto até as cargas. A redução nas perdas é parcial.


6-12

Uma compensação no secundário do transformador que alimenta toda a instalação permite

que a corrente no secundário seja corrigida. No entanto, a partir deste ponto a corrente por toda a

instalação continua distorcida, de modo que praticamente não ocorre redução das perdas, conforme

se nota na Tabela 6.1.

A colocação de um filtro neste ponto se justificaria pelo aspecto de eventuais penalizações

da concessionária em virtude da elevada distorção da corrente ou da tensão no ponto de

acoplamento deste consumidor com a rede.

i o

1 PFC

i f

i o

1 PFC

i f

i f

i o i o

1 PFC

i f

i o

1 PFC

i f

i o

1 PFC

i f

1 PFC

i f

i o

i o

1 PFC

i f

i o

1 PFC

i f

i o

1 PFC

i f

i o

1 PFC

i f

i o

1 PFC

i f

i s V s

z s PCC

1 PFC

Figura 6.17 Correção do fator de potência em cada carga individual.

1 APF

i f i o total 1

i s 1

1 APF

i f i o total 2

i s 2

1 APF

i f i o total 3

i s 3

1 APF

i f i o total 4

i s 4

i s

V s z s PCC

Figura 6.18 Correção do fator de potência por conjunto de cargas usando filtro ativo monofásico.

3

APF

i f

i s i o total

V s z s PCC

Figura 6.19 Correção do fator de potência do total de cargas usando filtro ativo trifásico.


6-13

Tabela 6.1

Impacto da localização do dispositivo para correção do fator de potência na redução das perdasv.

Local de instalação

Saída do

transformador

Perdas totais sem compensação (W)

8148

Perdas totais com compensação (W)

5378

% de perdas depois da compensação

8.96

Redução das perdas para uma carga de 60kVA (W)

2770

% da redução das perdas/ 60kVA

4.62

Redução de custos (US$/ano)

Entrada do transformador

8148

8125

13.54

23

0.04

10

1213

Conjunto de cargas

8148

4666

7.78

3482

5.8

1523

Equipmentos

8148

3346

5.58

4802

8.0

2101

6.5. Filtros Passivos e Ativos

6.5.1. Redução do conteúdo harmônico da tensão e da corrente

Neste tópico são analisadas estruturas de circuitos capazes de mitigar o problema de

distorção de correntes e/ou tensões em sistemas elétricos. Inicia-se com os filtros passivos,

verificando alguns aspectos de seu dimensionamento, bem como problemas de uso em sistemas

com distorção de tensão e com harmônicos não característicos.

No que se refere aos filtros ativos, toma-se como base os conversores CC-CA operando

com Modulação por Largura de Pulso, aproveitando-se a capacidade de sintetizar correntes ou

tensões de formas quaisquer, seguindo uma referência específica. Verifica-se a aplicação de

técnicas diferentes para o controle de filtros ativos trifásicos. São vistos filtros mono e trifásicos

operando com o método da síntese de cargas resistivas. Na sequência são analisados filtros

híbridos, os quais associam filtros passivos e ativos.

6.6. Filtros passivos

A solução clássica para a redução da contaminação harmônica de corrente em sistemas

elétricos é o uso de filtros sintonizados conectados em derivação no alimentador.

A estrutura típica de um filtro passivo de harmônicos de corrente é mostrada na figura 6.20.

As várias células LC série são sintonizadas nas proximidades das frequências que se deseja

eliminar, o que, via de regra, são os componentes de ordem inferior. Para as frequências mais

elevadas é usado, em geral, um simples capacitor funcionando como filtro passa-altas. A carga

considerada neste exemplo é do tipo fonte de corrente e é similar à que se obtém com o uso de um

retificador tiristorizado trifásico, alimentando uma carga indutiva, como um motor de CC.

Na frequência da rede, os diferentes filtros apresentam uma reatância capacitiva, de modo

que contribuem para a correção do fator de potência (na frequência fundamental), supondo que a

carga alimentada seja de característica indutiva.

A distribuição da capacitância total entre os diferentes ramos pode ser feita de diversas

maneiras. A alguns autores indicam que a distribuição é indiferentevi

, não afetando o


6-14

comportamento do filtro. Para outros, a indicação é que a alocação seja proporcional á corrente

total que deve fluir por cada ramo, ou seja, depende do conteúdo espectral de uma determinada

cargavii

. Esta solução tenderia a equalizar as perdas pelos capacitores. Ou ainda, indica-se a divisão

da capacitância total em função da ordem harmônica do ramo do filtro, cabendo uma parcela maior

ao filtro de 5ª harmônica em relação aos demais viii

ix

. No entanto, a distribuição da capacitância

afeta a capacidade global do filtro, embora não seja possível generalizar uma solução pois, os

diferentes métodos produzem resultados melhores ou piores a depender de vários fatores, como o

nível de curto-circuito local, a distorção presente na tensão ou a existência de harmônicos não

característicosx.

Um outro aspecto relevante é que os filtros não devem ser sintonizados exatamente nas

frequências harmônicas, pois, na eventualidade de que a tensão apresente-se com distorção,

poderiam surgir componentes muito elevadas de corrente. Também para a “dessintonia” existem

diferentes indicações. Para aplicações na rede elétrica comercial, a norma IEEE 1531xi

(IEEE

Guide for Application and Specification of Harmonic Filters, IEEE Std 1531 – 2003) indica que a

dessintonia deve ser feita 6% abaixo da frequência harmônica. A ref. xii

sugere que a sintonia seja

feita 5% abaixo da harmônica. Já a ref. xiii

indica um deslocamento absoluto de 18 Hz para todos

os ramos.

Os filtros usados nas simulações que se seguem tiveram a capacitância total distribuída

igualmente entre os três ramos sintonizados e uma parcela menor incluída no ramo passa-altas. O

fator de qualidade de cada ramo é de 20, o que é um valor típico para indutores com núcleo

ferromagnético. Dispositivos com núcleo de ar têm fator de qualidade superior. O ramo passa-altas

possui uma resistência de amortecimento. O ramo da 5ª harmônica foi sintonizado em 290 Hz

enquanto os demais os ramos foram dessintonizados em 20 Hz abaixo da harmônica.

O alimentador apresenta um nível de curto-circuito de 20 p.u. A impedância em série com

a fonte tem um papel essencial na eficácia do filtro. Observe que se for considerada uma fonte

ideal, qualquer filtro é indiferente, posto que, por definição, a impedância de uma fonte de tensão é

nula. Ou seja, o caminho preferencial para os componentes harmônicos da corrente da carga

sempre seria a fonte.

A carga apresenta fator de deslocamento de 0,866 e fator de deformação de 0,95,

configurando um fator de potência de 0,82. Dada a simetria da forma de onda, não estão presentes

as componentes pares, assim como as múltiplas de ordem três.

+-

150u 150u 150u

I3

+-

2.15m

0.19

1.05m

.13

440u

.085

20u

2

.1 .25m

I1+-

Figura 6.20 Filtragem passiva de corrente em carga não-linear.

A figura 6.21 mostra a resposta em frequência da tensão sobre a carga. A carga, dado seu

comportamento de fonte de corrente, é considerada um circuito aberto neste teste. Nota-se que nas

ressonâncias dos filtros, dado que a impedância vai ao mínimo, tem-se uma redução da tensão.

Tem-se ainda outras três ressonâncias série que surgem da combinação entre a reatância do

alimentador e cada um dos quatro ramos do filtro. Em tais frequências observa-se uma


6-15

amplificação da tensão sobre o filtro. Caso existam componentes espectrais de tensão nestas

frequências estas serão amplificadas.

Figura 6.21 Ganho (em dB) de tensão do filtro, em relação à tensão da fonte CA.

Na figura 6.22 tem-se a impedância vista pela carga. Neste teste a fonte de tensão é curto-

circuitada. Em baixa frequência, pode-se esperar que a corrente flua pela rede. Nas ressonâncias do

filtro, as respectivas componentes presentes na corrente da carga fluirão pelo filtro. No entanto,

nas frequências em que a impedância se eleva, eventuais componentes presentes na corrente da

carga produzirão distorções na tensão no barramento de instalação do filtro. Assim, do ponto de

vista da carga, o que se tem são ressonâncias paralelas entre os ramos do filtro e a reatância da

rede.

Assim, pode-se concluir que a presença de vários filtros numa mesma rede produz

interferências mútuas. O comportamento de cada filtro pode ser influenciado pela presença dos

outros filtros e outras cargas.

Figura 6.22 Impedância vista pela carga.

A figura 6.23 mostra formas de onda do sistema simulado, com uma carga não-linear, que

absorve uma corrente retangular. A ação do filtro permite compensar o fator de deslocamento,

assim como reduzir o conteúdo harmônico da corrente da rede em relação à da carga. A DHT da

corrente da carga é de 29%, enquanto na rede tem-se 15%. Os espectros destas correntes são

mostrados na figura 6.24. A redução na componente fundamental deve-se à melhoria do fator de

deslocamento.


6-16

Figura 6.23 Corrente da carga e corrente na fonte com filtragem passiva.

Figura 6.24 Espectro da corrente na carga (superior) e na rede (inferior).

A figura 6.25 mostra a tensão no ponto de conexão da carga e seu espectro. Observem-se

os afundamentos na tensão quando há a variação acentuada da corrente da carga. Sem os filtros, a

distorção harmônica total da tensão no ponto de conexão da carga é de 13%. Com o filtro, o

afundamento não é compensado plenamente, mas a DHT se reduz para 8%. Mesmo com a

atenuação introduzida neste ramo passa-altas tem-se alguma oscilação em torno de 3 kHz.

Verifica-se assim que o uso do filtro melhora não só a corrente como a tensão, que é, na verdade, a

grandeza elétrica que é compartilhada pelos usuários.


6-17

a)

b)

Figura 6.25 Tensão no barramento da carga e seu espectro: antes da conexão do filtro (a) e depois

da conexão do filtro (b).

6.6.1. Efeito de componentes não característicos da carga

“Harmônicos menores” todas componentes espectrais presentes na tensão, assim como

aquelas devidas à carga e que não possuem um ramo sintonizado no filtro passivoxii

. Neste

exemplo incluem-se todas componentes que não as de 5ª, 7ª e 11ª ordem.

A presença de uma distorção na tensão pode ter um efeito muito danoso, uma vez que

pode encontrar no filtro sintonizado um caminho de mínima impedância, contribuindo para o

surgimento de uma elevada corrente naquela frequência que circula entre a fonte e o filtro, e que

não é proveniente da carga. Este efeito pode sobrecarregar o filtro. A figura 6.26 mostra o efeito de

uma distorção de 3% na 7ª harmônica na tensão da fonte. Observe-se que além da distorção ser

visível na tensão sobre o filtro, que se reduz para 1%, ocorre uma amplificação na corrente da

fonte, a qual assume um valor de 16% da componente fundamental, elevando a THD da corrente

de 8% para 22%.


6-18

Figura 6.26 Efeito de 3% de 7ª harmônica na tensão da rede.

Uma maneira de reduzir a interação entre filtros e a rede é fazer o acoplamento dos filtros

com o barramento através de uma indutância, procurando isolar eletricamente (em alta frequência)

os diversos sistemas. Esta solução, no entanto, é custosa e aumenta as perdas e a queda de tensão

para a carga. Além disso, tal indutância deve ser incluída no cálculo dos filtros, uma vez que ela

altera as ressonâncias do sistema.

6.6.2. Filtragem passiva em cargas tipo fonte de tensão

Os casos estudados anteriormente consideravam cargas com comportamento de fonte de

corrente, que são típicas em situações de acionamento de máquinas, por exemplo. Por outro lado,

se consideradas as fontes de alimentação com filtro capacitivo, a tensão na entrada do retificador é

imposta pelo capacitor do lado CC durante o intervalo de tempo em que os diodos estiverem em

conduçãoxiii

. Esta situação é ilustrada pela figura 6.27.

V i

Z i

Z f

I o Z o

V i

Z i

Z f

Z o

V o

I c I i I i I c

I f I f

Figura 6.27 Filtro passivo em derivação para cargos tipo fonte de corrente e fonte de tensão.

Da figura pode-se verificar que a relação entre a corrente enviada à carga e a corrente da

fonte CA é dada por um divisor de corrente. Nota-se aí a conclusão já apresentada, que a eficácia

da filtragem depende da impedância da rede. Num caso ideal em que Zi for zero, não ocorreria

filtragem alguma.

if

f

c

i

ZZ

Z

I

I (6.1)


6-19

Já no caso de uma carga com comportamento de fonte de tensão, a eficácia do filtro LC,

conectado em paralelo com a carga, pode ser expressa por:

fifoio

f

o

i

ZZZZZZ

Z

V

I (6.2)

É claro que a compensação depende tanto da impedância da carga quanto da fonte. No

entanto, se Zo for nula (a carga se comporta como uma fonte de tensão ideal), o filtro conectado

em paralelo é inútil. De maneira análoga, se a impedância da rede for nula, o efeito é o mesmo.

Em tais situações torna-se mais efetivo o uso de filtros conectados em série com a

alimentação, numa associação LC paralela, de modo a bloquear a passagem das parcelas das

correntes indesejadas, como mostra a figura 6.28. Nesta figura tem-se indicado um filtro

sintonizado na terceira harmônica e outro na quinta, incluindo um resistor de amortecimento. Tal

resistor, embora reduza a eficácia de filtro da quinta harmônica, garante o amortecimento

necessário para as possíveis ressonâncias série que podem ocorrer no circuito.

Resultados de simulação de um sistema alimentando um retificador monofásico com filtro

capacitivo estão indicados nas figura 6.29 e 6.30. No primeiro caso tem-se as formas de onda da

corrente da rede com um filtro em derivação e com filtro série, como o da figura 6.28.

Nota-se que o filtro derivação não é eficaz na filtragem (a reatância da rede e da carga é 10

vezes menor que a do filtro na frequência fundamental), enquanto na conexão em série tem-se uma

efetiva melhoria na forma de onda da corrente de entrada.

V i

Z i Z o

V o

I i I c

L L

C 3

3 f

C f R f

Figura 6.28. Filtro passivo tipo série.

Figura 6.29 Formas de onda da corrente de entrada com carga tipo fonte de tensão para filtro em

derivação (superior) e filtro série (inferior).


6-20

Figura 6.30 Espectro da corrente de entrada para as correntes mostradas na figura anterior.

6.7. Filtros Ativos

A realização de um filtro ativo de potência utiliza a capacidade de um conversor CC-CA

produzir uma tensão ou corrente alternada com qualquer forma de onda. Obviamente tal

capacidade de síntese é limitada em termos de frequência a um valor de aproximadamente 1/10 da

frequência de comutação, admitindo-se ainda a existência de um filtro de saída que minimize a

penetração de componentes de alta frequência na rede elétrica.

A função dos inversores é fazer com que se produza uma corrente ou tensão que siga uma

dada referência, a qual está relacionada com as componentes da corrente (ou tensão) que se quer

compensar.

São possíveis implementações de filtros série ou filtros em derivação.

6.7.1. Filtro série

Neste caso, em geral, o objetivo é o de minimizar a distorção da tensão de alimentação de

uma carga, corrigindo as eventuais componentes harmônicas presentes na tensão da rede local. A

tensão produzida pelo filtro é de alguns porcento da tensão nominal da rede, enquanto a corrente

que o percorre é a própria corrente da carga. A figura 6.31 mostra um circuito de filtro série

monofásico.

T3 T4 D3 D4

T1 T2

Carga

D1 D2

Vs Vcc

Rede

Filtro

passa-

baixas

Tensão senoidal

Tensão distorcida

Referência

Erro

PWM

Tensão de

compensação

Figura 6.31 Filtro série monofásico para compensação de tensão.


6-21

Na figura 6.32 tem-se uma forma de onda distorcida, por efeito da carga (“notches”) e pela

presença de distorção na rede (3% de 5ª harmônica). A atuação do filtro (iniciada no instante

50ms) cancela o efeito da distorção harmônica e minimiza o afundamento da tensão, embora não o

consiga eliminar. A rede e a carga são as mesmas utilizadas nos exemplos dos filtros passivos em

derivação.

Figura 6.32 Formas de onda na tensão sobre a carga e da tensão produzida pelo filtro série

(a partir de 50ms).

6.7.2. Filtro em derivação (shunt)

O objetivo de um filtro em derivação (“shunt”) é o de minimizar a distorção da corrente

que flui pela rede elétrica, conforme mostra a figura 6.33. O filtro deve ser capaz de injetar uma

corrente que, somada à corrente da carga, produza uma corrente “limpa” na rede. Na sequência

deste capítulo serão discutidos diferentes métodos para obter este comportamento. Note-se que o

conversor CC-CA, por não alterar a potência ativa pela rede, não necessita de uma fonte de

potência no barramento CC. A estabilização desta tensão pode ser feita contando apenas com um

capacitor.

Figura 6.33 Filtro ativo tipo derivação, monofásico.


6-22

6.7.3. Filtro ativo trifásico

É bastante conhecido o fato de se ter um significativo nível de distorção da tensão no ponto

de acoplamento comum (PAC) em redes que apresentam cargas que absorvam correntes com alta

distorção harmônica. A distorção na tensão depende fortemente da corrente de carga associada à

impedância da linha, além, obviamente, da distorção já presente na alimentação. O efeito da

distorção da tensão no PAC pode ser tal que afete equipamentos conectados nesse mesmo ponto.

A ação de filtros em derivação não muda a corrente na carga, pois praticamente não

modifica a tensão no PAC. A ação do FAP permite suprir à carga toda a potência não ativa,

incluindo os componentes harmônicos e a potência reativa. Da rede se consome apenas a corrente

associada à potência ativa. Este fato maximiza o Fator de Potência (FP), já que implica no mínimo

valor de corrente pelo sistema, liberando a capacidade de transmissão para as linhas, mantida

constante a potência ativa na carga.

O filtro ativo trifásico apresentado utiliza uma estratégia de controle denominada síntese de

carga resistiva xiv

, na qual a forma de onda da corrente, após a filtragem, reproduz a forma de onda

da tensão da rede, ou seja, visto pela rede, o conjunto carga + filtro se comporta como uma carga

resistiva. Há outras maneiras de realizar este controle, como o síntese de corrente senoidal, mas tal

análise foge dos objetivos deste curso xv

xvi

.

O diagrama de blocos do FAP trifásico, incluindo o sistema de controle proposto é

mostrado na Figura 6.34. O FAP é conectado a uma rede trifásica a três fios, na qual as tensões são

distorcidas.

A estrutura permite realizar o controle do sistema trifásico, amostrando somente duas

tensões da rede e a tensão do barramento CC do inversor. A corrente de referência para as fases a e

b são obtidas por amostragem da tensão da rede (fase-neutro). Este sinal é multiplicado por um

sinal CC, dando como resultado a forma de onda e amplitude para as referências. A referência da

fase c é obtida pela soma invertida das outras duas referências.

A outra entrada dos multiplicadores recebe sinais vindos do controle da tensão do

barramento CC. Se esta tensão está no nível desejado, a saída do compensador PI não se altera,

ficando constantes as amplitudes das referências. De outra forma, tais referências são alteradas, em

função do eventual desequilíbrio na tensão CC.

A tensão CC deve ser maior do que a tensão pico da rede para permitir injetar a corrente

desejada através do filtro passivo, que conecta o inversor à rede. Este filtro passa baixas é

composto, no mínimo, por indutores mas, para melhorar sua capacidade de filtragem, pode ser

feito de ordem superior, contribuindo para minimizar a ondulação de alta frequência que seria

injetada na rede.

Tensões CC elevadas são obtidas devido a um funcionamento tipo “boost”. Quando o FAP

é ligado, sendo a tensão CC abaixo de seu valor de trabalho, consome-se da rede uma corrente

maior que a exigida pela carga. A energia adicional é armazenada no capacitor CC, até atingir o

nível desejado. Neste ponto o controlador PI reduz a amplitude da corrente de referência e a

corrente na rede se torna aquela necessária prover a potência ativa à carga mais as perdas no FAP.

O inversor utiliza Modulação por Largura de Pulso. Esta escolha foi feita devido ao

conhecimento do espectro desta técnica, o que permite o adequado projeto do filtro passivo de

saída a fim de evitar instabilidades na operação do sistema. Este filtro pode ser dimensionado

tomando por base a atenuação necessária para que sejam respeitadas as limitações estabelecidas de

interferência eletromagnética conduzida em normas internacionais xvii

.


6-23

Figura 6.34 Diagrama de Blocos de Filtro Ativo de Potência trifásico usando controle por Síntese

de Carga Resistiva.

6.7.3.1. Resultados experimentais

Resultados de um protótipo de 1 kVA, 220 V são apresentados. A tensão na rede local é

tipicamente distorcida com significativos componentes de 5a e 7

a harmônicas. A DHT, no entanto,

é menor que 3%.

A Figura 6.35 mostra o caso de uma carga não-linear balanceada (retificador de 6 pulsos).

Depois da compensação, as correntes na rede são similares às respectivas tensões, incluindo as

distorções. As transições rápidas não são completamente compensadas devido à limitação da

resposta em frequência da malha de corrente.

Figura 6.35 Carga trifásica não linear balanceada: Acima : Tensão (500V/div.); Meio : Corrente de

linha (5 A/div.); Abaixo : Corrente de carga (5 A/div).


6-24

A Figura 6.36 mostra a resposta do FAP trabalhando com uma carga não-linear

desbalanceada (retificador monofásico). Também neste caso o FAP é capaz de compensar a carga,

refletindo na rede uma carga linear balanceada.

Figura 6.36 Carga não-linear monofásica: Acima: Tensão (500V/div.); Meio: Correntes de linha (1

A/div.); Abaixo: Corrente de carga (1 A/div)

A Figura 6.37 mostra o espectro da tensão antes da atuação do FAP. Neste caso a DHT é

significativamente alta (4,2%) e a distorção na tensão é evidente, incluindo uma importante 3a

harmônica.

Depois da compensação, a DHT é reduzida a 2,8%, que é aproximadamente o valor normal

da tensão de alimentação local., como mostrado na Figura 6.38.

O Fator de Potência medido foi de 0,995. A eficiência do FAP foi 96,5%, para uma

frequência de comutação de 20 kHz.

A figura 6.39 mostra o resultado de um outro FAP, no momento do início de operação. Na

figura vê-se a corrente pela rede e a corrente injetada pelo filtro xviii

.

Figura 6.37 Espectro da tensão da rede com carga não-linear monofásica.


6-25

Figura 6.38 Espectro da tensão da rede depois da atuação do FAP

Figura 6.39 Formas de onda do FAP no transitório de partida: Corrente no FAP e corrente da rede.

6.7.4. Filtros híbridos

A fim de reduzir a potência a ser processada pelo filtro ativo, é possível utilizá-lo em

associação com filtros passivos, de maneira que a parte ativa deve atuar apenas sobre as

componentes não corrigidas pelo filtro passivo xix

.

A figura 6.40 ilustra o princípio de um filtro híbrido monofásico. Na figura tem-se o

esquema geral, considerando a existência de uma fonte de tensão na frequência fundamental (Vs) e

uma fonte de tensão que representa a distorção harmônica da tensão (Vsh). A carga é modelada

como uma fonte de corrente (IL), a qual também possui componente harmônica (Ilh). Existe uma

reatância da fonte, (Zs) e um filtro LC série sintonizado na frequência da harmônica de interesse.

O filtro ativo é modelado como uma fonte de corrente.

Observe-se que a componente harmônica a ser drenada pelo filtro passivo não terá que

circular pelo filtro ativo, de modo que se tem uma redução na corrente eficaz a ser controlada pela

parte ativa. Entretanto, não há diminuição na tensão de projeto do filtro ativo. Além disso, o filtro

passivo não é capaz de atuar como amortecedor de eventuais ressonâncias entre ele próprio e a

linha.


6-26

Vs

Vsh

Zs Is

If I L

(60Hz)

Figura 6.40 Esquema simplificado de filtro híbrido monofásico de corrente.

Na figura 6.41 tem-se uma outra alternativa topológica, na qual o filtro ativo é colocado em

série com um filtro passivo. Na verdade podem estar associados diversos filtros passivos,

sintonizados ou passa-altas.

O sistema de controle do filtro ativo é tal que ele absorve uma componente de corrente na

frequência fundamental com tal valor que produza sobre a parte passiva do filtro uma queda de

tensão igual à tensão da rede, Vs, como indica a figura (b). Isto faz com que a tensão a ser

suportada pelo estágio ativo seja somente a tensão relativa às componentes harmônicas.

Além desta componente, o filtro absorve uma corrente igual ao conteúdo harmônico da

carga, de modo que pela fonte circule apenas uma corrente na frequência fundamental.

Na frequência de ressonância do filtro passivo a parte ativa deverá suportar uma tensão

aproximadamente igual à parcela distorcida da tensão da rede, caso exista, (figura (c)). Nas demais

frequências a tensão harmônica divide-se entre o filtro passivo e o ativo (figura (d)).

A figura 6.42 mostra o filtro passivo e carga utilizados na simulação, com a inclusão, em

série, do filtro passivo (idealizado pela fonte de corrente controlada por tensão – bloco G1. A

referência da corrente tem a mesma forma da tensão no ponto de acoplamento.

A figura 6.43 mostra os resultados de simulação sem a inclusão de uma parcela de corrente

na frequência fundamental. Note, nas formas de onda intermediárias, que a corrente tem a mesma

forma e está em fase com a tensão. Repare que as ressonâncias do filtro passivo são

completamente amortecidas pela presença do filtro ativo, o qual impõe a corrente no ramo em

derivação. Na parte superior desta figura tem-se a tensão a ser suportada pelo filtro passivo, que é

maior do que a própria tensão da rede.

Inserindo-se uma parcela de corrente na frequência fundamental, consegue-se reduzir tal

tensão para valores que dependem apenas das componentes harmônicas. Isto é mostrado na figura

6.44. Ao adicionar-se esta parcela de corrente tem-se que o fator de potência não será mais

unitário, pois a corrente absorvida da rede estará adiantada em relação à tensão. Se tal defasagem

for aceitável (neste exemplo o fator de potência se reduz para 0,95), o ganho em termos do alívio

nas especificações do filtro ativo é significativo.


6-27

Vs

Vsh

Zs Is

If

I L

(a)

Vs

Zs Is

If

I L

(b)

(60Hz) (60Hz)

(60Hz) Vfa=0

Vsh

Zs Ish

Ifh

I Lh

(c)

Vfa~Vsh Vsh

Zs Ish

Ifh

I Lh

(d)

Vfp

Vfa

Figura 6.41 Princípio de operação de filtro híbrido de corrente: (a) Esquema geral;

(b) Operação na frequência fundamental; (c) Operação na frequência de sintonia do filtro;

(d) Operação nas demais harmônicas.

Figura 6.42 Filtro híbrido para compensação de corrente.

Figura 6.43 Formas de onda relativas a filtro ativo conectado em série com filtro passivo:

Tensão sobre os terminais do filtro ativo (superior); tensão e corrente no ponto de acoplamento

(intermediário); corrente na carga e no filtro ativo (inferior).


6-28

Figura 6.44 Formas de onda relativas a filtro ativo conectado em série com filtro passivo,

incluindo corrente de compensação de tensão: Tensão sobre os terminais do filtro ativo (superior);

tensão e corrente no ponto de acoplamento (intermediário); corrente na carga e no filtro ativo

(inferior).

6.7.5. Filtro Híbrido em Derivação 1

Nessa topologia o filtro ativo é conectado em paralelo com o indutor do filtro passivo,

conforme ilustra simplificadamente a Figura 6.45. A ideia principal é que a queda de tensão no

capacitor reduza a tensão do inversor, enquanto que o indutor do filtro passivo desvia a corrente

harmônica ajustada. O objetivo é reduzir significativamente a potência processada pelo inversor

que realiza a parte ativa do filtro.

Figura 6.45 Diagrama simplificado de filtro híbrido em derivação.

A figura 6.46 ilustra a estrutura de controle 2 do sistema, na qual o inversor é comandado

como uma fonte de tensão controlada a partir de medições da corrente pelo alimentador. A meta é

minimizar as componentes harmônicas pela rede. A sintonia é garantida pela realimentação

1 Newton da Silva, “Contribuições ao Estudo, Projeto e Aplicação de Filtros Ativos Híbridos de Potência”, Tese de Doutorado,

FEEC/UNICAMP, 24 de fevereiro de 2012. 2 Asiminoaei, L.; Wiechowski, W.; Blaabjerg, F.; Krzeszowiak, T.and Kedra, B. “A New Control Structure for Hybrid Power

Filter to Reduce the Inverter Power Rating,” IEEE 32nd Annual Conference on Industrial Electronics, , pp. 2712-2717, Nov. 2006


6-29

adequadamente ponderada pelo ganho (blocos H, que operam no referencial girante dq), que

produz um ganho elevado nas frequências de sintonia desejadas (por exemplo, 5ª, 7ª, 11ª e 13ª),

minimizando a circulação de componentes espectrais de tais frequências pela rede, confinando-as

à carga e ao filtro.

+

ω Passive Tuned

Filter

Lsa

Lsb

Lsc

Rs

Rs

Rs

AC Power Sourcevsasai

sbi

sci

sai

sqi

sdiabc

dq

sbisci

HPF

HPF

HAPF

dq12

HAPF

dq6

HAPF

dq12

HAPF

dq6

+

+

+ sqhi

Three-Phase Inverter

CDC

Lfa

Lfb

Lfc

Rfa

Rfb

Rfc

vdc

vsb

vsc

PLL

Aai

Abi

Aci

vdc*

PIdc

abcdq

sqdi +

+

PWM

PIq+

qi*+

-

dqabcdiqi

+-

+

a b c

δ

ω

ω

ωVp

Vp

Vp

Lpa Lpb Lpc

CpcCpbCpa

PCC

Active Power Filter

lai

lbi

lci

vlpa

vlpb

vlpcCpbCpa Cpc= = =100uF

LpbLpa Lpc= = =2.8mH

L fbL fa L fc= = =2.8mH

R fbR fa R fc= = = 0.5Ω

CDC=2800uF

LsbLsa Lsc= = =0.53mH

ω = 377rad/s

Vp= 180V

fqi

iha ihb ihc

pai pbi pci

Figura 6.46 Princípio de operação de FAHP em derivação, controlado em tensão.

A parte passiva do filtro implica que, na frequência fundamental, haverá uma injeção de

potência reativa por conta do capacitor. A figura 6.47 mostra formas de onda relacionadas a uma

carga cujo fator de deslocamento da fundamental é unitário. O resultado é que a corrente resultante

na rede é senoidal, mas com fator de deslocamento significativo, devido à ação do capacitor.

Figura 6.47 À esquerda, corrente na fonte, na carga e no filtro. À direita, tensão e corrente na

fonte.

O uso de um filtro passivo puro ou híbrido é indicado quando a carga apresenta um

comportamento indutivo (na frequência fundamental). Em tal situação, é possível ade3quar o

capacitor para a compensação de tal parcela de potência, ficando o restante do sistema de filtragem

por conta da minimização das harmônicas. Como ilustra a figura 6.48, quando isso acontece, além

de resultar uma corrente senoidal na fonte, o fator de potência se torna unitário.


6-30

Figura 6.48. À esquerda, corrente na fonte, na carga e no filtro. À direita, tensão e corrente na

fonte.

A figura 6.49 ilustra uma situação em que a fonte possui uma distorção (3%) na quinta

harmônica, que é a frequência de sintonia do filtro passivo. Nesse caso, sem atuação da parte ativa

do filtro, o filtro sintonizado oferece um caminho de mínima impedância nessa frequência, o que

faz com que pela fonte haja uma grande componente de 5ª harmônica. Ao se colocar em operação

a parte ativa do filtro, tal harmônica (juntamente com as demais) é minimizada.

Consequentemente a tensão no ponto de acoplamento do filtro híbrido torna-se com distorção

similar à presente na fonte.

ila

isa

isa

vsa

Figura 6.49. À esquerda, corrente na fonte (isa), na carga (ila), sem operação do filtro ativo. À

direita, tensão e corrente na fonte, com atuação do filtro ativo.

6.8. Filtro Ativo com Inversor Multinível

Quando se cogita a aplicação de um filtro ativo em uma rede de tensão mais elevada, ou

mesmo um FAP de maior potência, a opção por um inversor com modulação PWM talvez não seja

a mais indicada pelas seguintes razões:

Limitação na frequência de comutação típica dos componentes de maior potência

(tensão e corrente);

Elevado nível de interferência eletromagnética causada pela comutação;

Filtros passivos com baixa frequência de corte, o que limita a resposta dinâmica do

FAP.


6-31

Uma alternativa é o uso de inversores multiníveis, os quais podem se apresentar em

diversas topologias, como mostra a figura 6.50, para inversores de 5 níveis de diferentes

topologias.

Apesar da maior complexidade circuital, a possibilidade de operar diretamente em maiores

tensões fazem destas estruturas uma opção muito interessante para operação em derivação na rede

elétrica, mesmo na faixa de alguns kV.

Outra vantagem é a menor distorção na tensão de saída, o que permite uma significativa

redução na frequência de corte do filtro passivo de saída, com consequente aumento na resposta

dinâmica do FAP. A figura 6.51 mostra a tensão de saída em um inversor multinível do tipo

cascata assimétrica, com 19 níveis, sendo que apenas o nível de menor tensão opera em PWM.

Figura 6.50 Inversores multiníveis (5 níveis): Topologias Neutro Grampeado, Capacitor Flutuante

e Castaca simétrica.

Figura 6.51 Saída de inversor multinível (19 níveis com PWM), para referência senoidal.


6-32

O uso deste conversor como FAP foi apresentado em 3, tendo sido desenvolvido um

protótipo monofásico, com inversor em cascata assimétrica, operando pelo método de síntese de

carga resistiva. Sua aplicação em ambiente aeronáutico foi apresentada em4

A figura 6.52 mostra o circuito de teste. Uma dificuldade adicional destes inversores é o

controle das tensões CC. No caso do inversor PWM convencional tem-se apenas uma tensão a ser

controlada. Nos multiníveis são diversas tensões que devem ser mantidas em seus valores de

referência, o que exige um maior esforço no desenvolvimento de algoritmos para tal função.

A figura 6.53 mostra formas de onda experimentais em um protótipo de 1 kVA, aplicado

em uma rede de 127 V. Observe que a tensão de saída do inversor é já muito próxima de uma

senóide, diferindo, essencialmente, nos momentos em que há alteração da corrente da carga,

quando se faz necessária injeção de corrente com maior taxa de variação.

Figura 6.52 FAP monofásico com inversor multinível

Figura 6.53 Formas de onda do FAP multinível: Tensão da rede, tensão de saída do FAP, corrente

da carga e corrente da rede após compensação.

3 S. P. Pimentel: “Aplicação de Inversor Multinível como Filtro Ativo de Potência”, Dissertação de Mestrado, FEEC – Unicamp,

2006. 4 Joel Filipe Guerreiro, José Antenor Pomilio, Tiago Davi Curi Busarello, “Design of a Multilevel Active Power Filter

for More Electric Airplane Variable Frequency Systems,” IEEE Aerospace Conference, 2013.


6-33

6.9. Referências

i Frank Healy, Fluke Power Quality Product Marketing Manage, acesso em 31/01/2011

http://www.facilitiesnet.com/take5/details.asp?id=18206

ii Elaine Cristina do Carmo Pimenta, “Efeitos de Afundamentos de Tensão no Processo de Laminação Industrial”,

Dissertação de Mestrado, DEE/UFMG, Julho de 2010.

iii

Marcel Didden, Considerações sobre a escolha do dispositivo de mitigação adequado para afundamentos de

tensão, acesso em 31/01/2011 em: http://leonardo-energy.org/portugues/wp-content/uploads/2009/06/534-

dispositivo-mitigacao-afundamento.pdf

iv Fabiana Pöttker de Souza: “Correção de fator de potência de instalações de baixa potência empregando filtros

ativos” Tese de doutorado, UFSC, 2000.

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Filtro ativo monofásico de corrente

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