Estabilizadores de Tensão Alternada para Alimentação de ... · Condicionador de Tensão...

Universidade Federal de Santa CatarinaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Instituto de Eletrônica de Potência

Estabilizadores de Tensão Alternada paraEstabilizadores de Tensão Alternada paraAlimentaAlimentaçção de Cargas Nãoão de Cargas Não--Lineares: Lineares:

Estudo de VariaEstudo de Variaçções Topolões Topolóógicas e gicas e MMéétodos de Controletodos de Controle

FlorianFlorianóópolis, julho de 2005.polis, julho de 2005.

Proponente: Clóvis Antônio Petry, Me. Eng.Orientador: Prof. João Carlos dos Santos Fagundes, Dr.Co-Orientador: Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing.

Defesa PDefesa Púública de Tese de Doutoradoblica de Tese de Doutorado

Parte 1/6Parte 1/6

IntroduIntroduççãoão Condicionadores deCondicionadores deTensão AlternadaTensão Alternada

Condicionadores de Tensão AlternadaCondicionadores de Tensão AlternadaEstudo do EstEstudo do Estáágio de gio de PotênciaPotência

Condicionadores de Tensão AlternadaCondicionadores de Tensão AlternadaEstudo do EstEstudo do Estáágio de gio de ControleControle

Metodologia de Projeto eMetodologia de Projeto eResultados ExperimentaisResultados Experimentais

Conclusões eConclusões eContribuiContribuiççõesões

NNíível analvel analííticotico

IntroduIntroduçção Geralão Geral

Identificação do Problema

Sistema de energia elétrica

Cargas

Filtros ativos

Restauradores dinâmicos

Condicionador de energia

Estabilizadores

Fluxo de energiareativa e harmônica

Fluxo de energiaativa e reativa

Qualidade da energiaQualidade da energia

• Legislação do setor elétrico;• Limitações de fornecimento;• FACTs;• Custom Power.

• Conversores CA-CA;• Tecnologia usando tiristores;• Norma NBR 14373.

• Geração de harmônicas;• Cargas não-lineares;• Cargas críticas.

Compensação série

Conversão indireta com link

direto

PrincPrincíípiospios

+Patchett em 1950

[39]Bong-Hwon Kwon et al. Em 2002

+− riv

( ), ,o i ov v i d

Retificador Inversorriv+

−( ),dp rv d v+

riv rv dpv

Proposta deum condicionador

de tensão alternada

Princípio de funcionamento

= +i F Hv v v

= +o F Hi i i

+− riv

′iv dsv

+− = +ds dsF dsHv v v

Motivações

• Contribuir com a qualidade de vida das pessoas;

• Domínio tecnológico para o país;

• Auxiliar a indústria nacional;

• Contribuir para o estudo de conversores CA-CA;

• Doutoramento em Eletrônica de Potência.

Objetivo Geral

Propor e estudar um estabilizador indireto de tensão alternada,

sem elementos armazenadores de energia no barramento,

que opere com tensão de entrada distorcida e cargas

não-lineares, disponibilizando na saída uma tensão

estabilizada e conformada segundo

uma referência desejada.

Parte 2/6Parte 2/6

Condicionador de Tensão AlternadaCondicionador de Tensão Alternada

Definições Iniciais

Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência é uma área da Engenharia Elétrica que tem a finalidade de estudar e construir conversores de energia visando o processamento eletrônico da energia elétrica.

Classificação dos Conversores1. Conversores CC-CC;

2. Conversores CA-CC;

3. Conversores CC-CA;

4.4. Conversores CAConversores CA--CACA.

Conversão CA-CAConversão CA-CA (corrente alternada – corrente alternada) é aquela que converte energia da forma alternada (tensão e corrente), preferencialmente da rede de energia elétrica, em energia alternada (tensão e corrente) com valores de amplitude ajustável e freqüência bem definida.

Estabilizador de TensãoÉ um dispositivo capaz de assegurar a constância do valor eficaz da tensão em sua saída.

Condicionador de TensãoÉ um dispositivo capaz de assegurar a constância do valor eficaz e conformar a tensão em sua saída segundo uma referência desejada.

Conversor DiretoAquele no qual a energia é transferida de forma direta da entrada para a saída.

Conversor IndiretoAquele no qual a energia é transferida de forma indireta da entrada para a saída.

Classificação dos Conversores CA-CA

CC - CC CA - CC CA - CA CC - CA

Diretos Indiretos

Cicloconversores Link CC Link Direto

Chopper CA

CompensadoresSérie

Controle de Fase

TapVariável UPS Filtros

Ativos Drives

MatriciaisControle dePotência CA Link CAAplicações

Conversão CA-CA

Generalização dos Compensadores Série

Alimentaçãodo conversor

Compensador

Série

Compensador

Série

Compensador

Série

Pela Entrada

Pela Saída

Independente

Injeção daTensão de

Compensação

+− dsv

ivoLoC

abv +−

+− dsv

abv +−

Direta

Transformador+ Filtro no Primário

Transformador+ Filtro no Secundário

Isolamentodo conversor

No lado do retificador (entrada)No lado do retificador (entrada)

+− dsv

ConversorCA-CA

Retificador Inversor

Isolamentodo conversor

No lado do inversor (saNo lado do inversor (saíída)da)

+− dsv

ConversorCA-CA

Retificador Inversor

Fluxo de energia

AlimentaAlimentaçção pelo lado da redeão pelo lado da rede

+− ( )ds ov v= −∆ ⋅

( )1i ov v= ⋅ + ∆ 1T

InversorRetificador

( ) P−∆ ⋅

( )1 P+ ∆ ⋅

( ) P−∆ ⋅

Fluxo direto

Fluxo indireto

Parte 3/6Parte 3/6

Topologia Proposta

Condicionador de Tensão Alternada Condicionador de Tensão Alternada --Estudo do EstEstudo do Estáágio de gio de PotênciaPotência

+− dsv

Retificador

Inversor

Etapas de Funcionamento do Retificador (2 etapas)

+− dsv

vi(t)>0 vi(t)<0

Etapas de Funcionamento do Inversor (5 etapas)

S5 e S8 ON S5 e S7 ON

+− dsv

S6 e S7 ON S6 e S8 ON

+− dsv

S5 e S8 OFF

+− dsv

Principais Formas de Onda e Modulação do Retificador

CompensadorSomador

CompensadorSubtrator

0 π 2π 0 π 2π

d ⋅2sT0

0 π 2π

2 3_ ,on S St

1 4_ ,on S St t

Modulação do Inversor – dois níveis

cvtriv

0 π 2π 0 π 2π

sd T⋅0 sT sT sd T⋅0 sT

sd T⋅0 sTsT

sd T⋅0 sT

1t0t 1t

0t 1t0t 1t

Razão Cíclica Teórica0 ↔ 1

( ) ( )send t M tω= ⋅

_ds pk

Modulação PWMSenoidal

Modulação do Inversor – três níveis

0 π 2π 0 π 2π

2sTd ⋅

sT2sTd ⋅0

2sTd ⋅0

1t0t 1t

0t 1t0t

Razão Cíclica Real-1 ↔ 1

( )/ 0/ 2

M p td t

M p tω π

π ω π≤ <⎧

= ⎨− < ≤⎩

Modulação PWMRetangular

Modulação do Inversor – análise harmônica

0 5m 10m 15m 20m

( )ab RPWMv t

( ) 1000ab SPWMv t +

500−

[ ]t s

111,1%SPWM96,6%RPWMvab(t)

Largura dosPulsos é Fixa

Largura dosPulsos Varia

Senoidalmente

Ganho Estático

Ganho EstáticoÉ a relação entre as tensões de entrada e saída do condicionador, ou seja, é a razão linear entre vo(t) e vi(t).

( ) ( )( )

v tg t

( ) ( )( )

( )( )1

N d ttt

t N+ ⋅ −

( ) ( )( )

t N d tt

2 níveis

3 níveis

Relação de Transformação de T1

( )( )

1i max

v tv t

+∆ = −( )( )

1 i min

v tv t

−∆ = −

maxN D−

−−

− ∆= ⋅

minN D+

+ ∆= ⋅

0 2,8m 5,6m 8,4m 16,7m

[ ]t s

13,9m11,1m400−

200−

( )iv t

[ ]θ graus

20 40 60 80 100 120 140 1801600

( )311 θTHD

Anexo II

Ondulação de Corrente – 3 níveis

+− dsv

oi+ −

abv+ −dpv+

2sTd ⋅

Loi∆

( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )

( ) 0i i o

Loi o i

v t v t v t N se d tv t

v t v t v t N se d t

⎧ − − ⋅ ≤⎪= ⎨− − ⋅ ≥⎪⎩

( ) ( ) ( )2

v ti t d t

L F∆ = ⋅

⋅ ⋅

Ondulação de Corrente – 3 níveis

( ) ( ) ( )oLo Lo

v ti t i t

L F∆ = ⋅∆

( ) ( )( )

( ) ( )( ) ( )

1 02 1 0Lo

d t se d td t Ni tN d t d t se d t

+ ≤⎧⎪∆ = ⋅ ⋅ ⎨+ − ≥⎪⎩

( )( )( )( )( )raízes 0

d i td t

⎛ ⎞∆⎜ ⎟= =⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

( ) ( )21 1 1 1 0a

maxd N N N N se d t= − + − ≤

( ) ( )21 1 1 1 0b

maxd N N N N se d t= − + + ≥

Ondulação de Corrente – 2 níveis versus 3 níveis

1− 0,5− 0 10,50

( )d t

( )Loi t∆

1 3N =

Ondulação de Tensão

+− dsv

oi+ −

abv+ −dpv+

CoiLov

+− dsv

oi+ −

abv+ −dpv+

oC Coi

Filtro no Primário Filtro no Secundário

Ondulação de Tensão

( ) ( )Co Loi t i t= ∆ ( ) ( ) ( )2

4 cosCo Lo si t i t tωπ

= ⋅∆ ⋅ ⋅

( ) ( ) ( ) 12Co Co Co Co

v t i t X i tCω

= ⋅ = ⋅⋅ ⋅

( ) ( )2

4 1cos2 2 2Co Lo s

v t i t tF C

πωπ π

⎛ ⎞= ⋅∆ ⋅ ⋅ − ⋅⎜ ⎟ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⎝ ⎠

( ) ( )3 cos

Co ss o

i tv t t

F Cπω

π∆ ⎛ ⎞= ⋅ ⋅ −⎜ ⎟⋅ ⋅ ⎝ ⎠

( ) ( )3

3níveis2 LoCo

i tv t

F Cπ⋅∆

∆ =⋅ ⋅

( ) ( )3

2níveis4 LoCo

i tv t

F Cπ⋅∆

∆ =⋅ ⋅

2sTd ⋅

Coi∆

Cov∆

Ondulação de Tensão – 2 níveis versus 3 níveis

1− 0,5− 0 10,50

( )d t

( )Cov t∆

1,51 3N =

Modelagem da Carga Não-Linear

0,182 0,184 0,186 0,188 0,19 0,192 0,194 0,196 0,198 0,2 0,202

[ ]t s

400−

300−

200−

100−

_o pki

Derivada de subida

Derivada de descida

nLC nLR_CC nLv

Modelagem da Carga Não-Linear – Modelo Simples

_o pki

_− o pki

π 2π t

1ψ 2ψ

3ψ 4ψ

_o pki

_− o pki

π 2π t

1ψ 3ψ

4ψ 6ψ

_CC nLv

oiRelaçõesEmpíricas

Modelagem da Carga Não-Linear – Comparativo

0,986[ ]t s

0,9865 0,987 0,9875 0,988 0,9885 0,989 0,9895 0,9920−

Parte 4/6Parte 4/6

Técnicas de Controle da Tensão de Saída

Condicionador de Tensão Alternada Condicionador de Tensão Alternada --Estudo do EstEstudo do Estáágio de gio de ControleControle

+− dsv

1S 2S 3S 4S

_o refv_

1o ref i

Atenuador

Modulador

Comando

ModuladorGanho

( )Cálculo de d t

5S 6S 7S 8SComando

Pré-Alimentação

DetecçãoOrtogonal

+− dsv

1S 2S 3S 4S

_o refv

Atenuador

Modulador

Comando

Modulador

Comando

( )5x t⎡ ⎤⎣ ⎦ +++−( )C s

5S 6S 7S 8S

Detector

Compensador

Atenuador

Ortogonal1

( ) 2⎡ ⎤⎣ ⎦2x t ( ) 2

⎡ ⎤⎣ ⎦1x t

Modo Corrente

+− dsv

1S 2S 3S 4S

_o refv

Atenuador

Modulador

Comando

Modulador

Comando

++( )iC striv

5S 6S 7S 8S

Compensador

Atenuadores

( )vC s−+

decorrente

Compensadorde

tensão

_Lo refi

RealimentaçãoInstantânea

+− dsv

1S 2S 3S 4S

_o refv

Atenuador

Modulador

Comando

Modulador

Comandotriv

5S 6S 7S 8S

Atenuador

+−( )C s

Compensador

Estudo do Controle para o Condicionador Ideal

+− dsv

+ −Lov

+ −dpv

+− dsv

+ −Lov

+ −dpv

Operação no semiciclo positivo

Circuito simplificado

Modelagem do Conversor CA-CAAnexo I

+− dsv

oi+ −Lov

+ −dpv

( )1: d t

−apv+

+− eqv

eqiri fv v=

Modelo dePequenos Sinais

210 310 410 510

100−

200−

150−

40−210 310 410 510

( )Freqüência Hz

[ ]Módulo dB

[ ]Fase graus

Freqüência de ressonância do filtro de saída

( ) ( )( )

( ) 12 2

vo o i

o o o o o

s R v s NG s

s L C R s L R Nd s⋅ ⋅

= =⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025270

[ ]calculadoov V

[ ]simulaçãoov V

( )Perturbação em d t

( )Perturbação em iv t

[ ]t s

0,030,0250,020,0150,010,0050400−

300−

200−

100−

[ ]t s

[ ]simulaçãoov V

[ ]calculadoov V

Resposta aoDegrau da FTMF(s)

[ ]%ov

0 0,5m 1m 1,5m

[ ]t s

_o refv +

−1R 2R

3R1C 2C

( )F s

( )G s

( )Fm s( )C s−+_o refv

( )H s

Simulação

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02

100−

200−

300−

400−

[ ]t s

[ ]ov V

[ ]iv V

[ ]Loi A

Estudo do Controle para o Condicionador Real

+− dsv

+ −Lov

+ −dpv

Zii+ −Ziv

ri iv v ′=

O Problema daImpedância de Linha

• Capacitor na saída;• Capacitor no barramento;• Filtro de entrada.

Soluções?

No estágio de PotênciaIndependem do controle

Entendimento Físicodo Zero na G(s)

Zii+ −Ziv

Conversor

iv ′

( ) ( )( )

( )( ) ( ) ( ) ( )( )

( ) ( ) ( )( )( )

22 2 11 1 1

1222 2 2

v o i o o o oo i

o o o o o i o o o o

N d sR N Z s s L C s C R N d s N d s

Ns v sG s

Nd s s L C R s L R N Z s s L C s C R d s N d s

⎛ ⎞+⎛ ⎞⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + +⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠= = ⋅

⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + +

Zero no ladodireito no plano

complexo

Entendimento Físicodo Zero na G(s)

4,9m 4,95m 5m 5,05m 5,1m 5,15m 5,2m 5,25m[ ]t s

Capacitor na saída

Sistema ideal[ ]ov V

Capacitor no barramento

Filtro de entrada

( )Perturbação em d t

Melhor solução?

Filtro de entrada

Algumas soluções da literatura

• Filtros de entrada em conversores CC-CC;• Pré-alimentação para o conversor Buck CC-CC;• Eliminação do zero em conversores Boost CC-CC;• Interação entre filtro e pré-reguladores de fator de potência;

( )F s

( )G s

( )H s

( )Cp s ( )Y sfv

d( ) ( )( ) ( )CC CC

d sCp s

Fm s v s−= −

( )( )( )

( ) ( )

2 21 1

CA CAi

s L C N d s NCp s

Fm s v s N−

⋅ ⋅ + ⋅ += −

⋅ ⋅

110 210 310 410 510 61020−

( )Freqüência Hz

[ ]Módulo dB2

Filtros

Anexo IV – Filtros de Entrada

f1Cf1R

2m1,8m1,6m1,4m1,2m1m0,8m0,6m0,4m0,2m00

[ ]t s

Filtros

[ ]%100′

ivAnexo IVFiltros deEntrada

Anexo IV – Filtros de Entrada

44,513

[ ]f1R Ω[ ]f2R Ω

[ ]f _Z max dB

f1Cf1R

Estudo do Controle para o Condicionador Real com Filtro

Modelagem

+− dsv

+ −Lov

+ −dpv

+ −Ziv

ri av v=

iv ′

−Zfi

f 2RFiltro

deentrada

Filtrode

entrada

Filtro a

Filtro b

FTLA(s)

210( )Freqüência Hz

310 410 510 610

210( )Freqüência Hz

310 410 510 610

[ ]Módulo dB

[ ]Fase graus

700−

600−

500−

400−

300−

200−

100−

40−30−

20−10−

0102030

Filtro a

Filtro b

Filtro a

Filtro b

FTMF(s)

[ ]%ov

[ ]µiL

0,5m0 1m 1,5m 2m 2,5m 3m

[ ]t s

Simulações

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02

100−

200−

300−

400−

[ ]t s

[ ]ov V

[ ]iv V

[ ]Loi A0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02

100−

200−

300−

400−

[ ]t s

[ ]ov V

[ ]iv V

[ ]Loi A

Parte 5/6Parte 5/6

Metodologia de Projeto

Metodologia de Projeto e Metodologia de Projeto e Resultados ExperimentaisResultados Experimentais

1. Projeto do Estágio de Potência

2. Projeto dos Circuitos de Comando e Controle

• ....

• Corrente média em T1;

• Lógica de geração da tensão de controle.

Metodologia de Projeto – Valor Médio no Primário de T1

Plantaov

( )H s

( )I s

_c offsetv

Retificadorde precisão

Plantaov

( )H s

Metodologia de Projeto – Valor Médio no Primário de T1

Plantaov

( )Fm s( )C s−+

( )H s

d_c cav

++_o refv

( )I s −+0

Loi_c offsetv

ε ca ε cc _c ccv

( )isign v ( )isign v

Metodologia de Projeto – Lógica de Geração da Tensão de Controle

_o refv

0 π 2π 0 π 2π

_o refv

0 π 2π 0 π 2π

Referência senoidal Referência senoidal retificada

ov( )Fm s( )C s−+

( )H s

d_c cav

_o refvε

_c ccv

( )isign v

Retificadorde precisão

Planta

Resultados Experimentais – Teste dos Filtros de Entrada

2000 0,4m 0,8m 1,2m 1,6m 2,0m 2,4m 2,8m 3,2m 3,6m 4,0m

[ ]t s

Filtro mistoFiltro paralelo

Filtro série

Semfiltro

[ ]ov V

Média

40 sµ1/100

( )[%]d t

[ ]t s

2200 0,4m 0,8m 1,2m 1,6m 2,0m 2,4m 2,8m 3,2m 3,6m 4,0m

[ ]t s

Filtro mistoFiltro paralelo

Filtro série

Semfiltro

[ ]fv V

Média

40 sµ1/100

( )[%]d t

[ ]t s

Tensão na saída do conversor

Tensão de entrada do retificador

Resultados Experimentais – Teste dos Filtros de Entrada

Conversor Sem filtro

Conversor Com filtro

9,0m 10m 11m 12m

[ ]t s

[ ]ov V

Sim. ideal

Sim. real

Teórico

Exper.

Média

40 sµ2/1000

( )[%]d t

[ ]t s

9,0m 10m 11m 12m

[ ]t s

[ ]ov V

Sim. ideal

Sim. real

Teórico

Exper.

Média

40 sµ2/1000

( )[%]d t

[ ]t s

Resultados Experimentais – Verificação da Estabilidade

0 4,0m 8,0m 12m 16m 20m 24m 28m 32m 36m 40m

[ ]t s

[ ] comb.12

lento+cv V

[ ] comb.22

lento−cv V

[ ] comb.12

rápido+cv V

[ ] comb.22

rápido−cv V

Resultados Experimentais – Comando e Controle

Comando do retificador

Sincronismo e referência

0 4,0m 8,0m 12m 16m 20m 24m 28m 32m 36m 40m

[ ]t s

[ ]100

[ ]1,4gv V

[ ]2,3gv V

0 4,0m 8,0m 12m 16m 20m 24m 28m 32m 36m 40m

[ ]t s

[ ]10400

[ ]sincv V

[ ]_o refv V

Sincronismo e controle

Comando do inversor

0 4,0m 8,0m 12m 16m 20m 24m 28m 32m 36m 40m

[ ]t s

[ ]10400

[ ]sincv V

[ ]_ 10−c ccv V

[ ]_ 152

−c cavV

0 4,0m 8,0m 12m 16m 20m 24m 28m 32m 36m 40m

[ ]t s

[ ]8 354−gv

[ ]7 254

−gvV

[ ]6 154

−gvV

[ ]5 54−gv

[ ]5+triv V

[ ]_ 5+c cav V

Malha de compensaçãode valor médio

Simulação de compensação devalor médio somado na referência

0 4,0m 8,0m 12m 16m 20m 24m 28m 32m 36m 40m

[ ]t s

[ ]_ 5+c cav V

[ ]4⋅offsetv V

[ ]35−Loi A

[ ]6250

−abv V

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2[ ]t s

4−3−2−1−

0,15−

0,1−

0,05−

[ ]offsetv V

[ ]_o refv V

Resultados Experimentais – Ondulação de Corrente e Tensão

Principais formas de onda

Detalhe no semiciclo positivo

0 4,0m 8,0m 12m 16m 20m 24m 28m 32m 36m 40m

[ ]t s

[ ]6100

[ ]1100

−retv V

[ ]3250

−abv V

[ ]62−Loi A

Média

80 sµ2/1000

Sem média

0 10µ 20µ 30µ 40µ 50µ 60µ 70µ 80µ 90µ

[ ]t s

50100150200

170180190200210220

[ ]abv V

[ ]Loi A

Média

0,5 sµ5/1000

[ ]ov V

[ ]iv V Média

5 sµ5/100

Média

0,5 sµ5/1000

Resultados Experimentais – Ondulação de Corrente e Tensão

0 10µ 20µ 30µ 40µ 50µ 60µ 70µ 80µ 90µ

[ ]t s

218216214212210208

206204202

186184

182180−

178176

[ ]comfiltroov V

[ ]semfiltroov V

[ ]comfiltroiv V

[ ]semfiltroiv V

Média

0,5 sµ5/1000

Média

0,5 sµ5/1000

Resultados Experimentais – Variação na Freqüência da Rede

63 Hz – potência desligado

57 Hz – potência ligado

0 4,0m 8,0m 12m 16m 20m 24m 28m 32m 36m 40m

[ ]t s

15,87rT ms

63rF Hz

[ ]5+rv V

[ ]5−sincv V

[ ]_ 15−o refv V

0 4,0m 8,0m 12m 16m 20m 24m 28m 32m 36m 40m

[ ]t s

[ ]15−Loi A

[ ]20−cv V

Média

80 sµ2/1000

[ ]rv V

iv V17,54rT ms

57rF Hz

Resultados Experimentais – Operação com Carga Linear

Sem filtro à vazio

Com filtro à vazio

0 5m 10m 15m 20m 25m 30m 35m 40m 45m 50m

[ ]t s

[ ]6100

[ ]22−fi A

[ ]Loi A

Média

200 sµ2/1000

0 4,0m 8,0m 12m 16m 20m 24m 28m 32m 36m 40m

[ ]t s

[ ]6100

[ ]3Loi A

[ ]210

−fi A

Média

80 sµ2/1000

Resultados Experimentais – Operação com Carga Linear

3 5 7 19171513 219 110

Harmônica

sem filtro 2,08%=ivTHD sem filtro 3,02%=

com filtro 2,61%=ivTHD com filtro 1,46%=

Resultados Experimentais – Operação com Carga Não-Linear

Sem filtro e controlador lento

Com filtro e controlador rápido

13m 14m 15m 16m 17m 18m 19m 20m 21m

[ ]t s

[ ]ov V

[ ]iv V

[ ]3⋅Loi A

[ ]1,5⋅oi A

Média

200 sµ2/1000

13m 14m 15m 16m 17m 18m 19m 20m 21m

[ ]t s

[ ]ov V

[ ]iv V

[ ]3⋅Loi A

[ ]1,5⋅oi A

Média

200 sµ2/1000

Resultados Experimentais – Operação com Carga Não-Linear

3 5 7 19171513 219 110

Harmônica

sem filtro 3,42%=ivTHD sem filtro 4,89%=

com filtro 6,54%=ivTHD com filtro 2,05%=

Resultados Experimentais – Rendimento

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

[ ]oP kW

Comb. 2

Comb. 3

Comb. 1

[ ]%Rend

Comb. 1 – Sem filtro e lento;Comb. 2 – Com filtro e lento;Comb. 3 – Com filtro e rápido.

Resultados Experimentais – Regulação

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

[ ]oP kW

226224222220218216

[ ]ov V

[ ]iv V

[ ]ov V

[ ]iv V

[ ]ov V

[ ]iv V

Conversor sem filtro de entrada/Compensador de tensão lento

Conversor com filtro de entrada/Compensador de tensão lento

Conversor com filtro de entrada/Compensador de tensão rápido

Resultados Experimentais – Transitório na Tensão de Entrada (+10%)

8,0m 8,4m 8,8m 9,2m 9,6m 10m 10,4m 10,8m 11,2m 11,6m 12m

[ ]t s

1,5−

0,5−

[ ]sem filtroov V

[ ]com filtroov V

[ ]sem filtrocv V

[ ]com filtrocv V

Média

40 sµ2/1000

Média

40 sµ2/1000

Resultados Experimentais – Transitório na Tensão de Entrada (-20%)

8m 9m 10m 11m 12m 13m 14m 15m 16m

[ ]t s

4−2−

200−

400−

200−

400[ ]sem filtro

[ ]com filtroov V

[ ]sem filtroiv V

[ ]com filtroiv V

[ ]sem filtrocv V

[ ]com filtrocv V

Média

40 sµ2/1000

Média

40 sµ2/1000

Média

40 sµ2/1000

Resultados Experimentais – Transitório de Carga Com Filtro (+50%)

0 2,0m 4,0m 6m 8m 10m 12m 14m 16m 18m 20m

[ ]t s

[ ]5100

5c cav

[ ]250

−oi A

0 5m 10m 15m 20m 25m

[ ]t s

300−

400−

200−

100−

[ ]ov V

[ ]iv V

Resultados Experimentais – Alimentação Independente

+− dsv

_o refv

Modulador

Comandotriv

5S 6S 7S 8S

Atenuador

+−( )C s

Compensador

Fonteindv+

−CA/CC

Resultados Experimentais – Fonte com THD Controlado

+− dsv

1S 2S 3S 4S

_o refv

Atenuador

Modulador

Comando

Modulador

Comandotriv

5S 6S 7S 8S

Atenuador

+−( )C s

Compensador

0 5m 10m 15m 20m 25m

[ ]t s

300−

200−

100−

[ ]ov V

Resultados Experimentais – Forma de Onda Programável

+− dsv

1S 2S 3S 4S

_o refv

Atenuador

Modulador

Comando

Modulador

Comandotriv

5S 6S 7S 8S

Atenuador

+−( )C s

Compensador

0 2m 4m 6m 8m 10m 12m 14m 16m 18m 20m

[ ]t s

300−

200−

100−

0 2m 4m 6m 8m 10m 12m 14m 16m 18m 20m

[ ]ov V

[ ]refv V

Parte 6/6Parte 6/6

Resultados Obtidos

Conclusões e ContribuiConclusões e Contribuiççõesões

• Implementação de um protótipo de 10 kVA;

• Comprovação experimental das predições teóricas:

• metodologia de projeto;

• controle de valor instantâneo da tensão de saída;

• operação como estabilizador e filtro ativo;

• modulação PWM retangular;

• operação com filtro de entrada;

• operação com carga não-linear e entrada distorcida.• Formação de base de conhecimento sobre conversores CA-CA;

• Integração de circuitos eletrônicos e outros usos da topologia.

Contribuições da Tese

• Ampla revisão bibliográfica sobre conversão CA-CA;

• Generalização dos compensadores série;

• Introdução de conceitos e definições;

• Estudo completo de um condicionador de tensão alternada;

• Modelagem de conversores CA-CA com impedância de linha;

• Identificação de algumas técnicas de controle da tensão de saída;

• Entendimento físico do zero na função G(s);

• Modelagem da tensão de entrada distorcida;

• Modelagem da carga não-linear;

Contribuições da Tese

• Entendimento das implicações da conversão indireta com linkdireto no controle;

• Metodologia de projeto para operação com cargas não-lineares e tensão de entrada distorcida.

Considerações complementares

• Armazenamento de energia para resolver o problema da impedância negativa na entrada de conversores;

• Conversores com link direto → Estabilizadores de tensão;

• Conversores com link direto + armazenamento ou + filtro de entrada → imposição de uma referência desejada na saída;

• Para inversores isolados em baixa freqüência é necessário o controle do valor médio;

• Modelagem por valores médios instantâneos;

• Proteção do conversor com transformador na saída/entrada;

• Conversores com link otimizado podem ser uma solução.

Continuidade do trabalho

• Customização no estágio de potência;

• Aplicação de técnicas de controle moderno ao conversor;

• Uso direto do controle digital no conversor com filtro de entrada;

• Migração para condicionadores de energia, conformando a corrente de entrada;

• Uso de transformadores de alta freqüência no inversor.

“... Entre o dado empírico e o objeto teórico existe, e sempre existirá,uma distância que é impossível vencer.”

Alexandre Koyré, 1982.

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