1

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

2

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

5

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

6

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

7

Combinação paralela: FAP

paralelo e filtro passivo paralelo

Cancelamento de harmônicas

Compartilhamento ótimo é

necessário

Solução Comercial

Filtro Ativo Hibrido

8

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

9

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

10

Cargas não

lineares

desbalanceada de

4 fios

O quarto polo é utilizado para estabilizar o neutro do FAP

FAP paralelo de 4 fios

11

Cargas não

lineares

desbalanceada de

4 fios

Bastante comum

Aprimora a confiabilidade dos FAPs

FAP paralelo de 3 pontes e 4 fios

12

Cargas não

lineares

desbalanceada de

4 fios

Filtro Ativo como “Supressor de harmônicos”

Princípios de Operação do FAP

13

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

14

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

15

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

16

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

17

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

18

+

FAP Paralelo

Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea

19

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

20

Diagrama de blocos

Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea

21

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

22

Carga não linear

Simulação

23

Diagrama de blocos

Simulação

24

Diagrama de blocos

Simulação

25

Simulação

26

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

29

Cálculo das correntes de referência

Simulação

30

Diagrama de blocos

Simulação

31

Simulação

32

Controle de corrente por histerese

Simulação

33

Vload

Iload

Is

Simulação

34

Vs

Is

Iapf

Diagrama de blocos do controlador do FAP paralelo

35

Uma outra estratégia

36

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.