UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA - UFSMCENTRO DE TECNOLOGIA – CT

GRUPO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE - GEPOC

SEPOC 2010

FILTRO ATIVO DE POTÊNCIA SÉRIE – PARALELO

APRESENTADOR: MÁRCIO STEFANELLO, ME. ENG.

ORIENTADOR: PROF. HILTON ABÍLIO GRÜNDLING, DR.

COLABORADOR: RAFAEL ZANATTA SCAPINI

Santa Maria, Agosto de 2010.

Conteúdo

O que é Filtro Ativo?

Qualidade de Energia

◦ Causas e consequências

◦ Compensação de problemas de Qualidade de Energia

Filtros Ativos de Potência

◦ Implementação de FAP’s

◦ Operação do FAP paralelo

◦ Operação do FAP série

1. O que é Filtro Ativo?

É um equipamento composto de dispositivos eletrônicos de potência, utilizados para a

compensação de problemas de qualidade de energia elétrica.

2. Qualidade de Energia

Idealmente, a tensão elétrica fornecida pelo sistema de distribuição é senoidal com

amplitude e frequência fixas e, no caso de um sistema trifásico, é também balanceada. Já as

correntes de linha drenadas pelas cargas são também senoidais e em fase com a tensão no ponto de

conexão. Pode-se dizer que qualquer variação destes padrões ideais representa um problema de

qualidade de energia.

As causas dos problemas de qualidade de energia podem ser: naturais, originadas a partir de

outra carga, ou então pela interação das variáveis elétricas do sistema elétrico (cargas não-lineares

drenam correntes harmônicas, que por sua vez distorcem a tensão).

Os principais problemas associados a qualidade de energia são: distorções nas tensões e

correntes de linha, circulação de correntes reativas, flickers, afundamentos, swells, circulação de

elevadas correntes de neutro em sistemas trifásicos a quatro fios alimentando cargas não lineares

monofásicas e correntes harmônicas devido a cargas não-lineares em geral, tais como retificadores e

equipamentos eletromagnéticos operando na região de saturação.

2.1 Causas e Consequências

Dentre os problemas de qualidade de energia, as harmônicas tanto de corrente quanto de

tensão, representam o maior problema. Harmônicos são formas de onda resultantes da sobreposição

de formas de onda de frequências diferentes. A Figura 1 mostra uma forma de onda complexa que

inclui a sétima harmônica.

Figura 1: Forma de onda com sétima harmônica.

Historicamente, as componentes harmônicas de corrente num sistema elétrico de

distribuição eram geradas pela operação de equipamentos eletromagnéticos saturados. Como

exemplo, a Figura 2 mostra a característica não-linear da corrente drenada por um transformador

operando na região de saturação (considerando a tensão aplicada puramente senoidal).

Atualmente, equipamentos eletrônicos de potência representam a principal fonte harmônica

de corrente. Estes equipamentos possuem um estágio de retificação na entrada que, independente de

ser controlado ou não, faz com que sejam drenadas correntes com elevado conteúdo harmônico,

conforme mostrado na Figura 3.

Cargas monofásicas não-lineares conectadas em um sistemas trifásicos a quatro fios podem

produzir corrente de neutro de terceira harmônica e a amplitude desta corrente pode ser maior que a

da própria corrente de linha. Este comportamento causa aquecimento aos condutores e risco de

danos físicos, devido ao surgimento de uma possível tensão entre o condutor de neutro e o de

proteção.

Figura 2: Ilustração mostrando as características de um transformador saturado.

Figura 3: Retificador monofásico conectado a rede elétrica cuja forma de onda de tensão v(t) senoidal, e corrente

elétrica i(t) resultante.

Figura 4: Circuito trifásico alimentando cargas não-lineares. Formas de onda de corrente de linha e de neutro

resultante.

Outro problema de qualidade de energia são as variações dos níveis de tensão durante alguns

ciclos da fundamental. A Figura 5 ilustra um afundamento de tensão de aproximadamente oito

ciclos.

Figura 5: Afundamento de tensão.

2.2 Compensação de Problemas de Qualidade de Energia

Para compensar os problemas de qualidade de energia são utilizados filtros de potência, que

podem ser passivos ou ativos. A Figura 6 ilustra as possibilidade de implementação dos filtros de

potência, sejam eles passivos ou ativos. Nos filtros passivos são utilizados capacitores, para

correção de fator de potência ou filtros LRC sintonizados para supressão de componentes

harmônicas de tensão e/ou de corrente. Os Filtros Ativos de Potência ou FAP’s são implementados

utilizando chaves semicondutoras de potência (principalmente IGBT's ou GTO's) e elementos

passivos de saída para filtragem. O sistema é controlado de modo a realizar a compensação,

processando apenas energia reativa (salvo as perdas do conversor e do filtro).

Os filtros de potência podem ser conectados em paralelo ou em série com a rede elétrica. No

primeiro caso, os filtros são mais eficazes para a compensação de cargas indutivas, lineares ou não.

Já no segundo, o filtro é eficaz quando aplicado para compensação de cargas com característica de

fonte de tensão.

(a) (b)

Figura 6: Configurações gerais de filtros passivos e ativos. (a) Filtro conectado em paralelo e (b) em série.

3. Filtros Ativos de Potência

Conforme comentado, existem métodos passivos e ativos de compensação de problemas de

qualidade de energia. Os filtros passivos são mais simples de serem projetados e são extremamente

robustos. Entretanto, possuem capacidade de compensação limitada, são pouco flexíveis e

apresentam problemas associados ao envelhecimento dos componentes e variações paramétricas.

Por outro lado, os FAP's são mais flexíveis, pois operam com uma malha de controle que tende a

compensar as variações paramétricas e distúrbios.

A partir da década de 70 os Filtros Ativos passaram a ser considerados uma alternativa para

a solução dos problemas de qualidade de energia. Atualmente são disponíveis comercialmente por

algumas grandes empresas do setor de energia tais como, ABB, GE e Mitsubishi.

3.1 Implementação de FAP’s

Os FAP's são implementados a partir de um conversor eletrônico de potência, geralmente

um inversor do tipo fonte de tensão (VSI) tal como mostrado na Figura 7 (a). A representação é

genérica pois o inversor pode ser monofásico ou trifásico a três ou quatro - fios. O inversor opera de

modo a gerar uma forma de onda de saída com largura de pulso variável conhecida como PWM (do

inglês, Pulse Width Modulation). A largura dos pulsos é definida com base em sinais de modulação

que são gerados por meio de comparação entre a forma de onda a ser sintetizada (ação de controle)

e uma portadora triangular, conforme mostrado na Figura 7 (b). Na saída do inversor são utilizados

filtros passivos (geralmente passa-baixa) para filtragem do sinal de potência PWM.

(a) (b)

Figura 7: Operação do inversor PWM. (a) Conversor do tipo fonte de tensão modulado por largura de pulso

(PWM). (b) Comparação entre sinal e portadora.

A conexão do FAP em paralelo com a rede é feita utilizando um filtro indutivo, enquanto o

FAP série é conectado por meio de um filtro capacitivo. A conexão série normalmente utiliza um

transformador isolado para proteção e isolação do sistema. A Figura 8 mostra de um modo geral, o

esquema de implementação de um FAP conectado em paralelo e em série com a rede elétrica. Nesta

figura, também é introduzida uma ideia básica do sistema que define a ação de controle a ser

modulada pelo inversor.

O FAP paralelo opera sob característica de fonte de corrente, isto é, atua na rede para

correção das não-idealidades das formas de onda de corrente. O objetivo da compensação é injetar

uma corrente I F tal que quando esta for somada a corrente de carga I C , resulte numa corrente de

linha I L puramente senoidal e em fase com a tensão (o que seria ideal). Dessa forma, se pretende

fazer com que a corrente de linha seja referente apenas à potência ativa (da fundamental)

transmitida à carga, enquanto a potência reativa circula apenas entre o conjunto de cargas (lineares

ou não) e o filtro ativo paralelo. Dependendo da impedância da linha, quando as correntes drenadas

pelas cargas são distorcidas a tensão no ponto de conexão também pode ser distorcida. Neste caso,

um FAP paralelo pode ser utilizado também para diminuir a distorção de tensão, uma vez que as

componentes harmônicas são inseridas na rede pelo FAP, com defasagem de 180º.

De modo análogo ao paralelo, o FAP série apresenta característica de fonte de tensão,

atuando sobre as não-idealidades das formas de onda da tensão da rede. Seu princípio de operação

consiste basicamente em gerar a tensão V F no secundário do transformador de modo que quando

Figura 8: Implementação de FAP’s.

esta tensão for somada à tensão no ponto de conexão V PC , produza uma tensão puramente senoidal

V C na carga, compensando assim, as não-idealidades da tensão de linha.

Para a implementação de um FAP é necessário um sistema capaz de gerar os sinais de

referência de compensação ou, em outras palavras, definir o que se pretende obter na saída do filtro

ativo de potência (referência de corrente para o FAP paralelo ou de tensão para o FAP série). Para

isso, é necessário identificar as características da forma de onda de interesse, de tensão ou de

corrente. Dentre estas características podem-se citar a frequência da fundamental, as amplitudes e a

fases de cada componente harmônica e, para sistemas trifásicos, as componentes de sequência

positiva, negativa e zero da fundamental. As características da forma de onda fornecem informações

a partir das quais são obtidas as referências de compensação. À estratégia de geração de referências

chamamos de “algoritmo de geração de referências”.

A regulação da tensão do elo CC do inversor PWM é feita com a adição de uma referência

de corrente ativa para o inversor, gerada pelo bloco denominado “controle de v cc “. Esta potência

ativa representa as perdas internas do inversor, como por exemplo, as perdas de comutação.

Uma vez geradas as referências (para I F ou V F ), o “CONTROLADOR” deve ser

implementado com o objetivo de garantir o rastreamento das mesmas, rejeitando os distúrbios de

saída.

A Figura 10 ilustra um FAP paralelo identificando seus principais componentes.

CLP

Mediçãode tensão

Interface dostransdutoresde corrente

Fontes CC

UPS

DSP

(a) (b)

Figura 9: Protótipo de um FAP paralelo. (a) Vista frontal e (b) vista oposta (GEPOC/CEEE)

3.2 Operação do FAP Paralelo

A Figura 10 relaciona as formas de onda de tensão e de corrente do sistema formado pela

rede elétrica, carga não-linear do tipo fonte de corrente e FAP paralelo. Enquanto o FAP está

operando a forma de onda FI é injetada na rede de modo que a corrente de linha LI é

aproximadamente senoidal. Quando o FAP sai de operação, a corrente de linha é igual a corrente de

carga, possuindo elevado conteúdo harmônico.

Figura 10: Resultado experimental da operação de um FAP paralelo. De cima para baixo: tensão no ponto de

conexão; corrente inserida pelo FAP paralelo; correntes de linha e correntes de carga

Pode-se observar que forma de onda de corrente injetada pelo filtro ativo é complexa,

possuindo várias frequências, porém, não inclui a frequência da fundamental. Deste modo, o FAP

processa apenas energia reativa.

3.3 Operação do FAP Série

O princípio de operação do FAP série é análogo ao do FAP paralelo, diferindo pelo fato de

que a variável de controle é a tensão e não a corrente. A Figura 11 mostra as formas de onda da

tensão na carga CV , e a de corrente de carga CI para uma das fases, com e sem compensação de

desequilíbrio.

IF

VC

IL

IC

Figura 11: Formas de onda de tensão na carga e de corrente de linha.

4. Outras Topologias de Filtros Ativos

A combinação das topologias paralela e série formam o UPQC (do inglês Unified Power

Quality Conditioner). Nesta topologia, o elo CC que armazena energia é compartilhado entre as

estruturas série e paralela. A Figura 12(a) ilustra o esquema de um UPQC. Esta topologia é capaz de

compensar os desequilíbrios de tensão e de corrente, atuando na compensação de problemas de

qualidade tanto da tensão quanto da corrente. As maiores desvantagens estão associadas ao custo e a

elevada complexidade do sistema de controle necessário.

Os FAP’s podem ainda ser associados aos filtros passivos, dando origem aos Filtros

Híbridos. A Figura 12(b) mostra um exemplo de filtro híbrido, resultado da combinação de um FAP

série com um filtro paralelo sintonizado. Associação entre filtros ativos e passivos de potência são

amplamente utilizadas, pois dependendo da situação, é suficiente para se atingir o objetivo a um

custo reduzido, uma vez que o FAP pode ser projetado, agora, para compensar apenas as

harmônicas de menor amplitude.

VC

IC

(a) (b)

Figura 12: Topologias de filtros ativos. (a) UPQC e (b) filtro ativo híbrido.

Referências Bibliográfica

[1] SINGH, B.; AL-HADDAD, K.; CHANDRA, A. A review of active filters for power

quality improvement. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 46, n. 05, p.

960–971, 1999.

[2] EMADI, A.; NASIRI, A.; BEKIAROV, S. B. Uninterruptible Power Supplies and

Active Filters. [S.l.]: CRC Press, 2005. ISBN 0-8493-3035-1.

[3] STEFANELLO, M. Controle Adaptativo Robusto de Estrutura Variável por Modelo

de Referência Aplicado a Filtros Ativos de Potência. 2010. Tese (Orientador: Hilton

Abílio Gründling) – Universidade Federal de Santa Maria, UFSM, RS, Brasil, 2010.

[4] Relatório FAPP – CEEE, 2003.

[5] Relatório Filtro Ativo Série – Paralelo, CEEE, 2008/2010.