conversor cc-ca trifÁsico com comutaÇÃo em .ca-cc (retificadores) que são, de certa forma, os

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  • "CONVERSOR CC-CA TRIFSICO COM

    COMUTAO EM BAIXA FREQNCIA E BAIXA DISTORO HARMNICA".

    Refere-se o presente relatrio

    a uma patente de inveno que trata de um conversor CC-CA

    5 trifsico com comutao em baixa freqncia e baixa distoro

    harmnica, sendo configurado como um conversor eletrnico de

    potncia capaz de, a partir de uma fonte de tenso em corrente

    contnua, produzir uma sada em corrente alternada, para

    injeo de potncia em uma rede eltrica trifsica.

    10 conversor ora tratado um elemento fundamental para a

    aplicabilidade de fontes alternativas de energia, tais como

    clulas fotoeltricas, clulas a combustveis, baterias, etc.

    Tais conversores so tambm denominados Inversores.

    No estado da tcnica atual, ouso

    15 de conversores CC-CA para converter corrente contnua em

    corrente alternada fundamental para a aplicabilidade de

    fontes de energia nas quais a potncia gerada d-se na forma

    CC, como o caso de clulas a combustvel, painis

    fotovoltaicos, baterias, etc. Uma vez que a rede eltrica e as

    20 cargas tipicamente alimentadas operam em 50/60 Hz, com tenso

    estabilizada e com baixa distoro, necessrio que o

    condicionamento da energia proporcionado pelo Inversor permita

    atender especificaes de qualidade da energia.

    No caso de sistemas de co-

    25 gerao, no qual a energia produzida pela fonte alternativa

    deve ser injetada na rede, o Inversor deve operar de maneira

    a que a corrente injetada na rede apresente-se com mnima

    distoro harmnica, a fim de preservar a qualidade da tenso

  • suprida.

    Tradicionalmente so empregados

    dois tipos de inversores: os de comutao pela rede e os de

    comutao forada.

    5 Os inversores com comutao pela

    rede tipicamente utilizam tiristores como interruptores de

    potncia, apresentam comutao em baixa freqncia e alto

    rendimento, devido s baixas perdas de comutao e de

    conduo. No entanto, a forma de onda da corrente injetada na

    10 rede apresenta-se muito distorcida e com baixo fator de

    potncia, devido ao controle de fase utilizado no comando do

    conversor.

    J os conversores com comutao

    forada, tipicamente utilizam circuitos com transistores,

    15 operando em modulao por largura de pulso ou por histerese.

    A forma de onda injetada na rede praticamente senoidal e com

    fator de potncia que pode atingir a unidade, no entanto faz

    uso de comutaes em alta freqncia, o que reduz o rendimento

    (devido s perdas de comutao) e uma considervel fonte de

    20 interferncia eletromagntica (IEM), exigindo cuidados

    especiais em termos de blindagens e a incluso de filtros na

    conexo com a rede (0 - Sullivan, 2000).

    Solues outras tm sido

    propostas, visando mitigar os problemas apontados pelas duas

    25 solues anteriores.

    Dentre as propostas mais recentes

    referentes aos circuitos com comutao em alta freqncia, uma

    alternativa a de utilizar tiristores (menores perdas de

  • conduo e custo reduzido, em comparao com transistores),

    garantindo a comutao dos mesmos por meio de correntes

    pulsadas no barramento CC (Ledwich and Wang, 1999). Uma vez

    que neste caso mantm-se a presena de correntes e/ou tenses

    5 de alta freqncia, os problemas de IEM continuam existindo,

    bem como a exigncia de filtros na conexo com a rede visando

    a adequao das formas de onda com exigncias de qualidade de

    energia.

    Outra via a aplicao de

    10 comutao em baixa freqncia utilizando transistores, de

    maneira a ter maior possibilidade de controle (em relao aos

    circuitos com tiristores), mas minimizando problemas de IEM e

    de perdas.

    Diversos circuitos deste tipo

    15 foram descritos recentemente, mas com aplicao na converso

    CA-CC (retificadores) que so, de certa forma, os conversores

    duais dos inversores (Marafo, Pomilio e Spiazzi, 2001).

    A soluo proposta por El-Tamaly

    e outros (2000) vai neste sentido, partindo de circuitos

    20 anteriores utilizados em conversores CA-CC. Utiliza um

    transformador em conexo zig-zag e um interruptor adicional,

    com comutao em baixa freqncia, numa aplicao trifsica.

    precisamente este transformador com enrolamento especial que

    torna esta alternativa menos interessante.

    25 A soluo aqui proposta apresenta

    tambm as caractersticas de comutao em baixa freqncia, e

    a garantia de obteno de correntes com reduzida distoro

    harmnica, empregando circuitos e componentes de maior

  • simplicidade e uma extenso do circuito monofsico cuja

    patente foi requerida (Pomilio, 2001).

    A seguir a patente ora tratada

    ser pormenorizadamente descrita com referncia aos desenhos

    5 abaixo relacionados,nos quais:

    a figura 1 ilustra o circuito empregado no conversor ora

    proposto;

    a figura 2 ilustra ilustra o circuito do interruptor

    bidirecional que integra o escopo da presente

    10 patente;

    a figura 3 ilustra um diagrama das formas de onda para o

    comando dos interruptores, sendo que, de cima para

    baixo: Tl, T3, T5, T4, T6, T2, Sa ., Sb, Sc; e

    a figura 4 ilustra dois grficos sendo que a tenso sobre o

    15 capacitor C 2 no grfico superior e a tenso da rede

    (ua ) e corrente da fase a (i a) no grfico inferior.

    De conformidade com o quanto

    ilustram as figuras acima relacionadas, o conversor CC-CA

    trifsico ora tratado utiliza o circuito mostrado na figura 1,

    20 que uma estrutura em ponte, possuindo seis transistores

    (bipolar, IGBT, MOSFET, ou qualquer outro tipo de interruptor

    controlvel na conduo e no bloqueio) e seis diodos em anti-

    paralelo, ou seja, fazendo a conduo de corrente no sentido

    oposto ao dos transistores. Estes interruptores so indicados

    25 por chaves abertas na figura 1, denominados de T 1 a T6.

    A rede CA conectada, por meio

    de indutores, aos pontos mdios de cada ramo da ponte. A fonte

    CC conectada entre os terminais da semiponte superior e

  • inferior. Esta fonte CC representa qualquer tipo dos

    supridores de energia citados (clula a combustvel, painel

    fotovoltaico, etc.), que podem estar diretamente conectados a

    estes pontos ou atravs de um conversor CC-CC (para ajuste da

    5 tenso).

    O par de capacitores, conectados

    em srie entre si e colocados em paralelo com a fonte CC, tem

    seu ponto mdio (M) interligado aos indutores por meio de

    interruptores auxiliares (Sa , Sb , Se ), os quais devem ter uma

    10 caracterstica bidirecional em tenso e corrente.

    Tais interruptores podem ser

    TRIACs (ou dois tiristores em anti-paralelo) ou um arranjo de

    diodos e transistores. Os tiristores podem ser utilizados

    caso, neste ramo, a corrente venha a se anular, caracterizando

    15 a chamada comutao natural. Caso contrrio devem ser

    utilizados transistores associados a diodos.

    O objetivo injetar na rede uma

    corrente com mnima distoro harmnica. Pode-se tomar como

    parmetro de qualidade da corrente os valores estabelecidos

    20 por normas internacionais que limitam o contedo harmnico da

    corrente consumida por equipamentos e/ou instalaes

    (International Electrotechnical Comission, 1995 e 1998).

    Embora tais normas no tratem de fornecimento de corrente ao

    sistema, mas sim de consumo, o efeito da distoro da corrente

    25 sobre o sistema anlogo, de maneira a ser bastante razovel

    admitir os mesmos limites.

    Garantida uma distoro aceitvel

    da corrente, outra propriedade do-.circuito deve ser a de

  • controlar o fluxo de potncia, de acordo com algum critrio

    estabelecido pelo usurio.

    Diversas possibilidades se abrem

    neste aspecto, uma vez que possvel fazer o controle da

    5 potncia injetada na rede pelos seguintes meios: variao da

    tenso CC; variao do comando dos interruptores da ponte,

    variao do comando dos interruptores auxiliares.

    Em termos prticos, o circuito

    auxiliar tem um papel mais relacionado com a melhoria da forma

    10 de onda (reduo da distoro harmnica), afetando

    marginalmente a potncia convertida.

    Os indutores so dimensionados

    para a freqncia da rede e operao sem corrente CC.

    Pelo circuito auxiliar circula

    15 apenas uma corrente relativamente pequena (em relao

    corrente nominal do conjunto). As perdas de potncia nos

    interruptores referem-se quase que exclusivamente s perdas de

    conduo, as quais podem ser estimadas com boa preciso,

    determinando o dimensionamento do sistema de dissipao de

    20 calor.

    Os capacitores do circuito

    auxiliar so do tipo eletroltico, para operao em baixa

    freqncia. Sua tenso automaticamente limitada pela fonte

    CC.

    25 O comando dos transistores da

    semiponte superior, assim como dos auxiliares, necessita de

    acionamentos isolados, enquanto os transistores da semiponte

    inferior podem ser alimentados a partir da prpria fonte CC.

  • Caso os transistores selecionados

    sejam MOSFETs, no necessria a incluso dos diodos em anti-

    paralelo, podendo ser utilizados os diodos intrnsecos deste

    tipo de transistor.

    5 No que diz respeito ao

    funcionamento do presente conversor, a corrente injetada na

    rede, a partir da fonte CC, ter sua forma determinada pelo

    indutor de acoplamento, em funo da tenso instantnea

    aplicada sobre ele.

    10 Tomando como exemplo a fase a,

    tal tenso a diferena entre a tenso da rede (ponto A) e a

    tenso no ponto B. Uma forma de onda de corrente com baixa

    distoro depende da imposio adequada, por inte

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