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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
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Função Principal
Compensar harmônicas de corrente e tensão
Funções adicionais
Compensação relacionada à corrente
Potência reativa, corrente desbalanceada, corrente no
neutro
Solução: na maior parte com filtros ativos de potência
paralelo (shunt)
Compensação relacionada à tensão
Tensão desbalanceada, flicker, regulação de tensão
Solução: na maior parte com filtros ativos de potência
serie
Filtros Ativos de Potência
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Classificação baseado no tipo de conversor
Estrutura em ponte do inversor fonte de tensão (Voltage
Source Inverter - VSI)
Estrutura em ponte do inversor fonte de corrente (Current
Source Inverter - CSI)
Classificação baseado na topologia
Filtro Ativo de Potência (FAP) paralelo (shunt)
FAP serie
Condicionador unificado (UPQC): FAP paralelo + FAP serie
Filtro ativo hibrido: filtro ativo + filtro passivo
Classificação baseado no sistema de alimentação
FAP de 2 fios
FAP de 3 fios
FAP de 4 fios
Classificação dos Filtros Ativos de Potência
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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
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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
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Condicionador unificado: Unified Power Quality Conditioner (UPQC)
Elimina harmônicas de tensão e corrente
Regulação de tensão e balanceamento de corrente
Também conhecido como “FAP universal”
Custo elevado e controle relativamente complexo
Classificação baseada na topologia
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Combinação Paralela: FAP paralelo e filtro passivo paralelo
Fonte de corrente vs drenador de harmônicas
Combinação Serie: FAP serie e filtro passivo serie
Fonte de tensão vs atenuação de harmônicas
Hibrido: FAP serie e filtro passivo paralelo
Isolador de harmônicos vs compensação de harmônicos
Custo e tamanho reduzido: solução bastante popular
Hibrido: FAP paralelo e filtro passivo serie
Isolador de harmônicos vs bloqueio de harmônicos
Combinação serie: FAP paralelo e filtro passivo paralelo
Amortecimento de ressonância vs compensação de
harmônicos
Combinação paralela: FAP serie e filtro passivo serie
Filtro passivo aprimorado vs bloqueio de harmônicos
Filtro Ativo Hibrido
7
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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
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FAP de 2 fios
Cargas não lineares monofásicas, tais como aplicações
domesticas
Aplicações de menor potência nominal
FAP de 3 fios
Cargas não lineares sem neutro como acionadores de
velocidade variável (ASD - Adjustable Speed Drives)
FAP de 4 fios
Cargas não lineares monofásicas alimentadas a partir de
sistemas de 4 fios, tais como computadores e iluminação
industrial
Elimina a corrente desbalanceada e excessiva no neutro
Classificação baseada no sistema de alimentação
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Utilizado em aplicações de menor potência nominal, porque toda
a corrente do neutro flui através do capacitor do barramento CC.
FAP paralelo de 4 fios com ponto médio capacitivo
10
Cargas não
lineares
desbalanceada de
4 fios
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O quarto polo é utilizado para estabilizar o neutro do FAP
FAP paralelo de 4 fios
11
Cargas não
lineares
desbalanceada de
4 fios
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Bastante comum
Aprimora a confiabilidade dos FAPs
FAP paralelo de 3 pontes e 4 fios
12
Cargas não
lineares
desbalanceada de
4 fios
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Filtro Ativo como “Supressor de harmônicos”
Princípios de Operação do FAP
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Detecção dos harmônicos de
corrente
e
Método de controle de corrente
Detecção dos harmônicos de
tensão
e
Método de controle de tensão
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Filtro Ativo como “Amortecedor harmônico”
Princípios de Operação do FAP
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Detecção dos harmônicos de
tensão
e
Método de controle de corrente
Detecção dos harmônicos de
corrente
e
Método de controle de tensão
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Implementação do FAP
Princípios de Operação do FAP
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Algoritmo de geração de referências
Controle da tensão do
barramento
Controlador Modulador
PWM Conversor M
ed
ida
s
Referência
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Transformações 𝛼 − 𝛽
Pela teoria pq são definidos, para o sistema trifásicos de 4 fios,
duas potências instantâneas (𝑝0 𝑒 𝑝)e uma potência imaginaria
(𝑞), isto é:
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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𝒒 = 𝒗𝜷𝒊𝜶 − 𝒗𝜶𝒊𝜷
Tensões Correntes
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No caso de um sistema trifásico de 4 fios
É possível obter as correntes, utilizando
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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As correntes 𝑖𝛼 e 𝑖𝛽 podem ser decompostas em suas parcelas
ativa (𝑖𝛼𝑝 e 𝑖𝛽𝑝 )e reativa (𝑖𝛼𝑞 e 𝑖𝛽𝑞 ), isto é:
Sendo que:
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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+
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FAP Paralelo
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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𝒑 𝑳 - Valor médio da potência ativa instantânea, corresponde à energia por unidade de
tempo que é transferida da fonte para a carga.
𝒑 𝑳 - Valor oscilatório da potência ativa instantânea, corresponde à energia que é trocada
entre a fonte e a carga.
𝑝𝑠 = 𝑝 𝐿
𝑞𝑠 = 0
𝑝𝐿 = 𝑝 𝐿 + 𝑝 𝐿
𝑞𝐿 = 𝑞 𝐿 + 𝑞 𝐿
𝑝𝐹 = 𝑝 𝐿
𝑞𝐹 = 𝑞 𝐿 + 𝑞 𝐿
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As correntes de referência, se
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
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Diagrama de blocos
Controle Baseado na Teoria de Potência Instantânea
21
𝑣𝐿𝑎
𝑣𝐿𝑏
𝑣𝐿𝑐
LPF Cálculo das correntes de
referência
PI
+
-
-
+ +
𝒑
𝒑 𝒑
𝒒 = 𝒒 + 𝒒
𝑉𝑑𝑐,𝑟𝑒𝑓
𝑉𝑑𝑐
𝒒 = 𝒗𝜷𝒊𝜶 − 𝒗𝜶𝒊𝜷
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Diagrama de blocos
Simulação
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Carga não linear
Simulação
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Diagrama de blocos
Simulação
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Diagrama de blocos
Simulação
25
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Simulação
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Controle da tensão do barramento CC
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Diagrama de blocos
Simulação
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Cálculo das correntes de referência
Simulação
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𝒒 = 𝒗𝜷𝒊𝜶 − 𝒗𝜶𝒊𝜷
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Cálculo das correntes de referência
Simulação
29
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Cálculo das correntes de referência
Simulação
30
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Diagrama de blocos
Simulação
31
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Simulação
32
Controle de corrente por histerese
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Simulação
33
Vload
Iload
Is
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Simulação
34
Vs
Is
Iapf
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Diagrama de blocos do controlador do FAP paralelo
35
Uma outra estratégia
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36
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5. Erickson, R.W.; Fundamentals of power electronics, 2 Ed. Kluwer
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6. RASHID, M.H. Eletrônica de Potência - Circuitos, Dispositivos e
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7. MOHAN, N.; UNDELAND, T.M.; ROBBINS, W.P. Power
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York: Editora John Wiley & Sons, 1995.