Márcio Fernandes Soreano Louçanointranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/22429.pdf · v Estudo e Implementação de Rectificadores com Consumo de Corrente Sinusoidal Resumo

Universidade do Minho Escola de Engenharia

Dezembro de 2009

Márcio Fernandes Soreano Louçano

Estudo e Implementação de Rectificadores

com Consumo de Corrente Sinusoidal

Tese de Mestrado

Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e

Computadores

Trabalho realizado sob a orientação do

Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita

de Freitas

iii

Agradecimentos

Esta dissertação é o culminar de uma etapa da minha vida onde várias pessoas

participaram directa ou indirectamente e sem a sua colaboração certamente que eu não teria

atingido este objectivo.

Quero agradecer aos meus pais o seu apoio e incentivo ao longo de toda a minha vida e

em particular no meu percurso académico.

À Presidente do Concelho de Cursos de Engenharia, a Professora Doutora Rosa

Vasconcelos, ao meu Director de Curso, o Professor Doutor José Cabral e à Professora Doutora

Filomena Soares pela forma como se empenharam em ajudar-me a resolver diversas

dificuldades que me surgiram no decorrer desta dissertação, estou-lhes muito grato.

Ao Professor Doutor João Luís Afonso, por todo o tempo que me dedicou ao longo de

todo o meu percurso académico e por sempre se ter preocupado em transmitir-me os melhores

ensinamentos, tentando ajudar-me a dar o melhor de mim.

Ao Professor Doutor João Sepúlveda pela forma como me orientou ao longo desta

dissertação, mostrando-se sempre disponível para me prestar o seu tempo e conhecimentos,

com paciência e confiança, nas várias fases deste trabalho.

À Professora Doutora Susana Faria por ter acreditado em mim, pelo tempo que

generosamente me dedicou ao longo dos últimos anos, por me ter transmitido os seus

conhecimentos com paciência, determinação e confiança. Pela forma como me orientou na

execução do estudo estatístico desta dissertação e por todas as sugestões que me fez para o

sucesso da mesma, estar-lhe-ei sempre grato.

A todos os meus professores que sempre procuraram ajudar-me e preparar-me

profissionalmente e pessoalmente, para todas as dificuldades que eu possa vir a enfrentar no

futuro.

Aos funcionários do Departamento de Electrónica Industrial, pela sua amabilidade,

competência e por sempre estarem disponíveis para me ajudar sempre que foi necessário.

Aos meus colegas que ao longo dos últimos anos partilharam comigo as dificuldades

inerentes a um curso académico.

A todas as pessoas que me apoiaram das mais diversas maneiras ao longo do meu

percurso académico.

iv

v

Estudo e Implementação de Rectificadores com

Consumo de Corrente Sinusoidal

Resumo

A Electrónica permitiu uma grande evolução em todos os aspectos da vida moderna. A

Medicina, a Educação, a Economia, ou qualquer outra actividade nunca se encontraria no nível

de desenvolvimento actual sem a utilização da Electrónica. Pelo que, as vantagens da

Electrónica são tão evidentes que a maioria das pessoas consegue identificar várias. Porém,

existem algumas desvantagens associadas ao uso de dispositivos electrónicos, umas igualmente

evidentes e outras mais subtis.

Em geral os equipamentos electrónicos são alimentados em corrente contínua,

considerando que a rede de distribuição de energia eléctrica fornece corrente alternada, a

grande maioria dos equipamentos electrónicos são alimentados a partir de dispositivos

rectificadores, que fazem o interface entre a rede eléctrica e o dispositivo electrónico.

Os rectificadores mais utilizados são dispositivos simples constituídos por díodos sem

qualquer tipo de sistema de controlo e portanto, consomem corrente distorcida, ou seja, corrente

não sinusoidal.

O presente trabalho apresenta um estudo e implementação de rectificadores com

consumo de corrente sinusoidal. Desta forma pretende-se apresentar uma solução para o

problema da distorção harmónica.

O trabalho foi composto por várias etapas, identificou-se o problema e estabeleceram-se

os objectivos a atingir. Seguidamente fez-se uma análise técnica para se perceber a importância

dos problemas de Qualidade de Energia, assim como o impacto que estes têm na economia

actual. Após esta etapa, analisou-se o estado actual da evolução dos rectificadores com

consumo de corrente sinusoidal. Na fase seguinte, realizou-se a simulação de algumas

topologias seguida da implementação prática de uma delas. Por último, apresentam-se os

resultados obtidos, relacionando-os com os objectivos propostos.

vi

vii

Study and Implementation of Rectifiers with

Sinusoidal Current Consumption

Abstract

The evolution of Electronics has allowed a great progress in all aspects of modern life.

Medicine, Education, Economics, or any other activity would never be in the current levels of

development without the use of Electronics. The advantages of Electronics are so obvious that

most people can identify several. However, there are some disadvantages associated with the

use of electronic devices, some are equally obvious and others are more subtle.

In general electronic devices are powered with direct current, considering that the

distribution of electrical power is made in alternating current, the vast majority of electronic

equipment is supplied from rectifying devices, which make the interface between the power

supply to the electronic device.

Most rectifiers used are simple devices consisting of diodes without any kind of control

system and therefore absorb non-sinusoidal current.

This document presents a study and implementation of rectifiers with sinusoidal current

consumption. Therefore is presented a solution to the problem of harmonic current distortion.

The work was composed of several steps, first the identification of the problem followed

establishment of objectives. Then a technical analysis was made to realize the importance of the

problems of Power Quality, and the impact they have in today's economy. After that, the state of

the art of rectifiers with sinusoidal current consumption has been studied. The next step was

conducted over the simulation of some topologies followed by practical implementation of one of

them. Finally, the results were presented and compared with the proposed objectives.

viii

ix

Índice

Lista de Abreviaturas e Siglas .................................................................................................... xi

Lista de Símbolos .................................................................................................................... xiii

Lista de Figuras ....................................................................................................................... xiv

Lista de Tabelas ..................................................................................................................... xvii

Lista de Equações ................................................................................................................. xviii

1 Introdução ........................................................................................................................... 1

1.1 Tipos de Rectificadores .............................................................................................. 1

1.1.1 Rectificadores Não Controlados .................................................................................... 2

1.1.2 Rectificadores Controlados ........................................................................................... 4

1.1.3 Rectificadores Comutados ............................................................................................ 4

1.2 Enquadramento ......................................................................................................... 5

1.3 Motivação .................................................................................................................. 6

1.4 Objectivos .................................................................................................................. 6

1.5 Estrutura da Dissertação ............................................................................................ 7

2 Normas e Estudos Estatísticos ............................................................................................. 9

2.1 O que é “Qualidade de Energia Eléctrica” ................................................................... 9

2.2 Principais Problemas de Qualidade de Energia ......................................................... 10

2.3 Normas Reguladoras ............................................................................................... 11

2.4 Estudos Estatísticos ................................................................................................. 14

2.4.1 Análise do Impacto que os Problemas de Qualidade de Energia têm no Sector Industrial

.................................................................................................................................14

2.4.2 Consumo no Sector Doméstico ..................................................................................15

2.4.3 Consumo no Sector dos Serviços ...............................................................................20

3 Estado da Arte ................................................................................................................... 23

3.1.1 Rectificador Activo Monofásico com Quatro Semicondutores Totalmente Controlados ..23

3.1.2 Rectificador Activo Trifásico Topologia de Vienna ........................................................25

x

4 Simulação ......................................................................................................................... 27

4.1.1 Rectificador Activo Monofásico com Quatro Semicondutores Totalmente Controlados . 27

4.1.2 Rectificador Activo Trifásico Topologia de Vienna ....................................................... 34

5 Implementação e Resultados ............................................................................................. 41

5.1 Circuito de Potência ................................................................................................. 41

5.1.1 Interruptores de Potência .......................................................................................... 42

5.2 Circuito de Drive ...................................................................................................... 44

5.2.1 Optoacoplador .......................................................................................................... 44

5.3 Circuito de Comando ............................................................................................... 45

5.3.1 Microcontrolador ....................................................................................................... 46

5.3.2 PWM ......................................................................................................................... 48

5.3.3 Programador ............................................................................................................. 48

5.3.4 Software ................................................................................................................... 49

5.3.5 Circuito de alimentação ............................................................................................. 50

5.4 Placas de circuito impresso ...................................................................................... 51

5.5 Resultados obtidos ................................................................................................... 53

6 Conclusões e Perspectivas Futuras .................................................................................... 57

6.1 Conclusões .............................................................................................................. 57

6.2 Perspectivas Futuras ................................................................................................ 59

Referências Bibliográficas ....................................................................................................... 61

xi

Lista de Abreviaturas e Siglas

AC – Alternating Current

BRL – Brazilian Real

BTN – Baixa Tensão Normal (baixa tensão com potência contratada inferior ou igual a 41,1kVA)

C – Capacidade

CCM – Continuous Conduction Mode

CI – Circuito Integrado

CENELEC – Comité Européen de Normalisation Électrotechnique

CNC – Computer Numeric Control

DC – Direct Current

DCM – Discontinuous Conduction Mode

DGEG – Direcção Geral de Energia e Geologia

DPF – Displacement Power Factor

DSP – Digital Signal Processing

DVD – Digital Video Disc

EDP – Energias de Portugal

EMI – Electromagnetic Interference

EPROM – Erasable Programmable Read-Only Memory

EUA – Estados Unidos da América

FP – Factor de Potência

Hi-Fi – High Fidelity

IDE – Integrated Development Environment

IEC – International Electrotechnical Commission

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers

IGBT – Insulated-Gate Bipolar Transistor

INE – Instituto Nacional de Estatística

IPQC – Integrated Power Quality Compensator

L – Coeficiente de Auto Indução

LED – Light-Emitting diode

MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

xii

OCDE – Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico

PI – Proporcional Integral

PCB – Printed Circuit Board

PWM – Pulse With Modulation

QE – Qualidade de Energia

RQS – Regulamento da Qualidade de Serviço

SEPIC – Single Ended Primary Inductor Converter

THD – Total Harmonic Distortion

TOE – Tonnes of Oil Equivalent

UPQC – Unified Power Quality Conditioner.

UPS – Uninterruptible Power Supply

USD – United States Dollar

xiii

Lista de Símbolos

A – Ampere (Unidade do Sistema Internacional para corrente eléctrica)

H – Henry (Unidade do Sistema Internacional para indutância eléctrica)

Hz – Hertz (Unidade do Sistema Internacional para frequência)

k – Quilo (prefixo do Sistema Internacional que representa 103)

µ - micro (prefixo do Sistema Internacional que representa 10-6)

m – mili (prefixo do Sistema Internacional que representa 10-3)

Ω – Ohm (unidade do Sistema Internacional para resistência eléctrica)

V – Volt (unidade do Sistema Internacional para tensão eléctrica)

W – Watt (unidade do Sistema Internacional para potência)

xiv

Lista de Figuras

Figura 1.1 – a) Esquema eléctrico de um rectificador monofásico não controlado; b) Forma de

onda da corrente de alimentação do rectificador; c) Análise harmónica da corrente

de alimentação e respectiva THD; d) Forma de onda da tensão da rede de

distribuição de energia eléctrica; e) Análise harmónica da tensão da rede de

distribuição da energia eléctrica e respectiva THD. ................................................ 3

Figura 2.1 – Custo associado aos problemas de QE. .............................................................. 14

Figura 2.2 – Consumo de energia eléctrica no sector doméstico dos EUA em 2006. .............. 16

Figura 2.3 – Previsão do consumo de energia eléctrica no sector doméstico dos EUA em 2030.

.......................................................................................................................... 18

Figura 2.4 – Consumo de electricidade per capita no sector doméstico dos países da OCDE em

1997 e 2007. ..................................................................................................... 18

Figura 2.5 – Taxas de posse de vários equipamentos electrónicos em Portugal em 2008. ...... 19

Figura 2.6 – Taxas de posse de lâmpadas no sector doméstico em Portugal em 2008. .......... 20

Figura 2.7 – Taxas de posse de lâmpadas no sector comercial em Portugal. .......................... 20

Figura 2.8 – Estrutura do consumo por tipo de lâmpadas no sector dos serviços. ................... 21

Figura 2.9 – Estrutura do consumo por equipamento no sector dos serviços[17]. ................... 22

Figura 3.1 – Topologia do rectificador monofásico com quatro semicondutores totalmente

controlados. ........................................................................................................ 23

Figura 3.2 – Estados de comutação dos semicondutores totalmente controlados.................... 24

Figura 4.1 – a) Rectificador activo monofásico com quatro semicondutores totalmente

controlados, utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência de 100 Ω; b)

Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador activo; c) Análise

harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD. .................................... 28

Figura 4.2 – a) Rectificador monofásico a díodos; b) Forma de onda da corrente de alimentação

do rectificador a díodos, utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência

de 100 Ω; c) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD. ... 29

Figura 4.3 – a) Forma de onda da corrente na fonte do rectificador activo, utilizando um

condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω; b) Análise harmónica da

corrente de alimentação e respectiva THD. .......................................................... 30

xv

Figura 4.4 – a) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador a díodos utilizando

um condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω; b) Análise harmónica da










corrente de alimentação e respectiva THD ........................................................... 33




Figura 4.9 – Rectificador activo trifásico, topologia Vienna. ..................................................... 34

Figura 4.10 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando um condensador de 4000 µF

e uma resistência de 10 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A.

.......................................................................................................................... 35

Figura 4.11 – Rectificador trifásico a díodos. .......................................................................... 35

Figura 4.12 – a) Forma de onda da corrente na fase A do rectificador trifásico a díodos,

utilizando um condensador de 4000 µF e uma resistência de 10 Ω; Análise

harmónica da corrente na fase A do rectificador a díodos. ................................... 36

Figura 4.13 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando condensadores de 6000 µF e

uma resistência de 15 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A. 37




Figura 4.15 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando condensadores de 8000 µF e

uma resistência de 20 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A. 38

xvi




Figura 5.1 – Rectificador activo monofásico com quatro semicondutores totalmente controlados.

.......................................................................................................................... 42

Figura 5.2 – Limites de funcionamento para os interruptores de potência [2]. ........................ 42

Figura 5.3 – Diagrama do optoacoplador CNY17 [22]. ........................................................... 44

Figura 5.4 – Circuito de ligação do optoacoplador [22]. .......................................................... 45

Figura 5.5 – Circuito de comando do rectificador activo monofásico. ...................................... 46

Figura 5.6 – Diagrama do PIC12F615 [23]. ........................................................................... 47

Figura 5.7 – Programador do PIC12F615 [24]. ...................................................................... 49

Figura 5.8 – Ambiente de desenvolvimento do MPLAB. .......................................................... 50

Figura 5.9 – Simulação do circuito de alimentação do microcontrolador. ................................ 51

Figura 5.10 – CNC Protomat S62 da LPKF onde foram implementadas as PCBs. ................... 52

Figura 5.11 – PCB do Circuito de potência............................................................................. 52

Figura 5.12 – PCB do Circuito de comando. .......................................................................... 52

Figura 5.13 – Forma de onda da tensão que alimenta o rectificador activo. ............................ 53

Figura 5.14 – Análise da distorção harmónica da tensão que alimenta o rectificador activo. ... 54

Figura 5.15 – Forma de onda da corrente que alimenta o rectificador activo, com uma carga

constituída por um condensador de 500 µF e uma resistência de 100 Ω. ............ 54

Figura 5.16 – Análise da distorção harmónica da corrente Figura 5.15. ................................ 55

Figura 5.17 – Forma de onda da corrente que alimenta o rectificador activo, com uma carga

constituída por um condensador de 300 µF e uma resistência de 100 Ω. ............ 55

Figura 5.18 – Análise da distorção harmónica da corrente da Figura 5.17. ............................ 56

xvii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Problemas de Qualidade de Energia. .................................................................. 11

Tabela 2.2 – Subdivisões da norma 61000 da IEC. ................................................................. 13

Tabela 2.3 – Grupos de trabalho do IEEE sobre os problemas de QE. ...................................... 13

Tabela 2.4 – Consumo energético no sector doméstico dos EUA em 2006 (milhares de milhão

de USD). ............................................................................................................. 15

Tabela 2.5 – Previsão do consumo de energia no sector doméstico dos EUA em 2030 (milhares

de milhão de USD). ............................................................................................. 17

Tabela 3.1 – Estado de comutação dos semicondutores totalmente controlados e corrente no

ponto central da saída. ........................................................................................ 25

Tabela 5.1 – Características do MOSFET BUK453-100A [21]. ................................................. 43

Tabela 5.2 – Características técnicas do PIC12F615 [23]. ...................................................... 47

Tabela 5.3 – Principais especificações eléctricas do PIC12F615 – valores máximos [23]. ....... 47

xviii

Lista de Equações

(1.1) – Factor de Potência dos rectificadores monofásicos controlados a tirístores……………. 4

(1.2) – Factor de Potência dos rectificadores trifásicos controlados a tirístores…………………. 4

1

1 Introdução

Sumário

Este é o capítulo introdutório ao estudo dos rectificadores activos. Assim, dividem-se os

dispositivos rectificadores em três grupos, apresentando brevemente as principais características

que os diferenciam.

De seguida, é feito o enquadramento deste trabalho, apresenta-se a motivação para o

mesmo e os objectivos que se pretendem atingir. Por último, apresenta-se a estrutura desta

dissertação.

1.1 Tipos de Rectificadores

De uma forma muito breve pode-se definir um rectificador como um dispositivo que

converte corrente alternada em corrente contínua.

Este tipo de dispositivos tem sido usado desde finais do século XIX. Os primeiros

rectificadores eram dispositivos electromecânicos que se baseavam em movimentos de rotação

ou de ressonância a fim de se deslocarem com velocidade suficiente para coincidir com a

frequência da fonte de energia [1].

Seguiram-se várias tecnologias de fabrico de rectificadores, mas foi com o aparecimento

dos semicondutores que os rectificadores começaram a ter um papel mais relevante nos

sistemas eléctricos.

O desenvolvimento da Electrónica permitiu o aparecimento de um número elevado de

equipamentos que funcionam com corrente contínua. Uma vez que a rede de distribuição de

energia funciona com corrente alternada, houve um aumento da utilização de rectificadores.

Actualmente, podem-se dividir os rectificadores em dois grupos, rectificadores não

controlados e os rectificadores controlados. Por sua vez, os rectificadores controlados podem

dividir-se em dois subgrupos, os rectificadores de controlo de fase e os rectificadores de

comutação forçada. Os rectificadores de comutação forçada, também são conhecidos como

rectificadores comutados.

1 Introdução

2

1.1.1 Rectificadores Não Controlados

Os rectificadores não controlados são constituídos por díodos, a sua função principal é

converter a corrente alternada em corrente contínua.

Os díodos são componentes não lineares em que não é possível controlar o momento

em que estes entram em condução, nem o momento em que deixam de conduzir. Como são

componentes não lineares, quando estão ligados a alguns tipos de cargas provocam distorção na

corrente de alimentação, que por sua vez, provoca quedas de tensão na impedância da rede de

distribuição de energia eléctrica e consequentemente a tensão da rede também fica distorcida. A

distorção harmónica é um problema grave de Qualidade de Energia Eléctrica1.

Na Figura 1.1 a) pode-se observar um rectificador monofásico não controlado com

carga capacitiva e resistiva. Este tipo de carga pode ser utilizado para representar um

computador pessoal. Utilizando este modelo foi obtida a forma de onda da corrente, tal como

ilustra a Figura 1.1 b). Na Figura 1.1 c) apresenta-se a análise harmónica, bem como a Total

Harmonic Distortion THD da corrente. A tensão da rede de distribuição de energia também

apresenta uma forma de onda bastante distorcida, tal como se pode observar na Figura 1.1 d).

Como foi referido anteriormente, isto deve-se à passagem da corrente distorcida pela impedância

da rede de distribuição de energia. A Figura 1.1 e) ilustra a análise harmónica da tensão, assim

como a sua THD.

1 É habitual utilizar apenas a expressão “Qualidade de Energia” ou a abreviatura QE.

1 Introdução

3

Figura 1.1 – a) Esquema eléctrico de um rectificador monofásico não controlado; b) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador; c) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD; d) Forma de onda da tensão da rede de distribuição de energia eléctrica; e) Análise harmónica da tensão da rede de distribuição da

energia eléctrica e respectiva THD.

1 Introdução

4

1.1.2 Rectificadores Controlados

Os rectificadores controlados são normalmente utilizados em aplicações de alta

potência, ou em variadores da intensidade luminosa, também conhecidos como “dimmers”,

sendo constituídos por tirístores. Se este tipo de rectificadores estiver ligado a um receptor com

carga resistiva o seu factor de potência é unitário. Contudo, uma grande parte das cargas é de

origem indutiva, nestes casos, os rectificadores controlados possuem um factor de potência

muito baixo [2]. Para o caso dos rectificadores monofásicos o seu valor máximo encontra-se

abaixo do limite de 0,93 imposto pelo distribuidor de energia eléctrica, conforme se pode

comprovar na equação (1.1).

𝐹𝑃 =𝐼𝑆1

𝐼𝑆𝐷𝑃𝐹 =

2 2

𝜋cos𝛼 ≅ 0,9 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝛼 = 0 (1.1)

FP – Factor de Potência; IS1 – Componente fundamental da corrente; IS – Corrente de entrada

(soma de todas as suas componentes harmónicas); DPF – Displacement Power Factor; α –

ângulo de disparo dos tirístores.

No caso de serem utilizados rectificadores controlados trifásicos para alimentar uma

carga indutiva, o factor de potência pode atingir um valor um pouco superior e dentro dos limites

impostos pelo distribuidor de energia eléctrica. Porém, ainda é um valor muito baixo como se

pode comprovar, pela equação (1.2).

𝐹𝑃 =3

𝜋cos𝛼 ≅ 0,955 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝛼 = 0 (1.2)

FP – Factor de Potência; α – ângulo de disparo dos tirístores.

1.1.3 Rectificadores Comutados

Neste tipo de rectificadores pode-se controlar o instante em que os semicondutores

entram em condução, assim como também é possível controlar o instante em que o

semicondutor deixa de conduzir, provocando assim, uma comutação forçada dos

semicondutores totalmente controlados.

1 Introdução

5

A função principal destes rectificadores continua a ser a conversão de corrente alternada

em contínua, no entanto, como são constituídos por semicondutores totalmente controlados é

possível acrescentar funcionalidades que não existem nos rectificadores não controlados, nem

nos rectificadores de controlo de fase.

Com estes rectificadores é possível consumir corrente sinusoidal, reduzindo assim, a

distorção harmónica da corrente das linhas, que é um grave problema de Qualidade de Energia.

Para se perceber o que é Qualidade de Energia, nas páginas seguintes apresentam-se as

definições utilizadas por diversos autores, seguida da definição que será utilizada ao longo desta

dissertação.

1.2 Enquadramento

Com a evolução da Electrónica, actualmente podem-se realizar várias tarefas que há

alguns anos seria impossível realizar e que hoje são tarefas tão triviais que as pessoas se

esquecem como é que são possíveis, como por exemplo, estar contactável a qualquer hora em

qualquer lugar.

A profusão de dispositivos electrónicos que existe actualmente originou um aumento da

capacidade computacional, a redução de custos, a miniaturização, a eficiência energética, entre

outras vantagens importantes. No entanto, os mesmos dispositivos também apresentam

desvantagens, tais como a poluição ambiental, não só por utilizarem substâncias altamente

tóxicas como o mercúrio ou arsénico, mas também pela quantidade de resíduos que se origina

em todo o seu ciclo de vida, culminando com o fim do próprio equipamento que normalmente é

difícil de reciclar.

Os dispositivos electrónicos também causam outro tipo de “poluição”, isto é, poluem a

rede com problemas de Qualidade de Energia. Um desses problemas é a distorção harmónica,

que é causada por todos os componentes não lineares, como por exemplo, díodos, transístores,

ou outros componentes da maior parte dos dispositivos electrónicos.

Neste trabalho pretende-se apresentar uma solução para evitar a distorção harmónica da

corrente na entrada dos rectificadores e assim, minimizar a distorção harmónica da tensão da

rede de distribuição de energia eléctrica.

1 Introdução

6

1.3 Motivação

Em geral, os dispositivos electrónicos são alimentados em corrente contínua,

proveniente de um rectificador a díodos integrado no próprio dispositivo. Assim, neste trabalho

apresenta-se um novo tipo de rectificador, conhecido como “rectificador activo”, ou “rectificador

sinusoidal”, para que o dispositivo electrónico em questão não provoque distorção harmónica.

Esta solução pode ser mais vantajosa para o utilizador comum que esteja menos familiarizado

com os problemas de Qualidade de Energia, na medida em que é o fabricante do dispositivo

electrónico que fornece o equipamento com o rectificador activo integrado. Claro que a

desvantagem mais evidente é o acréscimo ao preço final do produto. Este aumento de preço

pode diminuir à medida que os fabricantes de equipamentos electrónicos forem adoptando este

tipo de rectificadores e pelas vantagens que se obtém da sua utilização. Essas vantagens serão

analisadas nos capítulos seguintes.

1.4 Objectivos

De acordo com o que foi apresentado nas páginas anteriores, pretendem-se atingir os

seguintes objectivos com esta dissertação:

Perceber o que é Qualidade de Energia, os problemas que lhe estão associados e

analisar o impacto que isso pode ter no presente e no futuro.

Analisar algumas topologias de rectificadores activos.

Simular algumas das topologias existentes, como forma de preparar a

implementação.

Implementar uma das topologias simuladas tentando manter o custo de

implementação no valor mais baixo possível.

É importante salientar que os rectificadores activos devem ser considerados como uma

solução complementar às soluções que já existem para o problema da distorção harmónica, tais

como os filtros activos ou passivos. Cada caso deve ser estudado, para que seja adoptada a

solução mais vantajosa.

1 Introdução

7

1.5 Estrutura da Dissertação

Esta dissertação encontra-se dividida em seis capítulos, organizados da forma que se

descreve de seguida.

O primeiro capítulo é um capítulo de introdução onde se apresentam a motivação e os

objectivos deste trabalho.

Para se perceber a importância da distorção harmónica causada pelas cargas não

lineares, no segundo capítulo apresenta-se uma análise técnica, sobre o conceito de Qualidade

de Energia, os problemas que lhe estão associados e as normas que regulam este tipo de

problemas. Ainda neste capítulo são apresentados diversos estudos estatísticos que comprovam

que os problemas de Qualidade de Energia são graves e têm tendência para aumentar nos

próximos anos.

No terceiro capítulo apresentam-se alguns artigos científicos sobre rectificadores activos.

Indicam-se ainda alguns circuitos integrados que já se encontram disponíveis no mercado e que

incluem as algumas características dos artigos científicos apresentados.

A modelização e a simulação de algumas topologias são descritas no quarto capítulo.

No quinto capítulo descreve-se o desenvolvimento prático da topologia seleccionada e

simulada no capítulo anterior.

Por último, no sexto capítulo encontram-se as conclusões e as perspectivas futuras do

trabalho realizado.

9

2 Normas e Estudos Estatísticos

Sumário

Neste capítulo apresenta-se o conceito de Qualidade de Energia, os seus problemas e

algumas das soluções existentes para os minimizar. Também são apresentadas as normas que

actualmente regulam os problemas de Qualidade de Energia.

Por último são analisados alguns estudos estatísticos, para se perceber a importância

dos problemas de Qualidade de Energia, em especial o problema da distorção harmónica.

2.1 O que é “Qualidade de Energia Eléctrica”

Não existe um consenso quanto à definição de Qualidade de Energia Eléctrica (ou

apenas Qualidade de Energia) e segundo a fonte que se consultar, essa definição pode ser

completamente diferente. Do ponto de vista da rede de abastecimento, por exemplo, esta

expressão pode indicar fiabilidade, demonstrando que o sistema não apresentou falhas de

fornecimento na maior parte dos casos. Do ponto de vista do fabricante de um equipamento,

“Qualidade de Energia Eléctrica” pode ser o conjunto de características da tensão de

abastecimento que permitem que o equipamento funcione correctamente. Estas características

podem ser muito diferentes consoante os critérios utilizados.

Há algumas fontes, que usam expressões diferentes para definir o mesmo tipo de

problemas, como “Qualidade da Energia de Abastecimento”, ou “Compatibilidade

Electromagnética”, que não é exactamente o mesmo que “Qualidade de Energia Eléctrica”, mas

existe uma forte sobreposição dos dois termos. Outros autores preferem utilizar o termo

“Qualidade de Tensão”, já que, o que a rede de abastecimento fornece aos consumidores é

tensão e não consegue regular o tipo de corrente que as diferentes cargas consomem.

A crítica principal à utilização da expressão “Qualidade de Energia de Eléctrica” reside

no facto de não ser possível falar em qualidade de uma quantidade física, como a energia.

Apesar disto, neste trabalho, esta será a expressão utilizada, já que continua a ser a expressão

mais geral e que engloba os restantes termos.


10

De uma forma simplista, algumas fontes definem Qualidade de Energia Eléctrica como

qualquer interacção de um equipamento eléctrico com a energia eléctrica.

A enciclopédia livre Wikipedia define Qualidade de Energia Eléctrica num sentido geral,

como o “conjunto de limitações que permite que os sistemas eléctricos funcionem da forma que

se pretende, sem uma perda significativa de desempenho ou tempo de vida”[3].

A International Electrotechnical Commission (IEC) usa a seguinte definição (IEC

61000-1-1): “Compatibilidade electromagnética é a capacidade de um equipamento ou sistema

de funcionar satisfatoriamente no seu ambiente electromagnético sem causar perturbações

electromagnéticas intoleráveis a nada no seu ambiente”[4].

Um projecto posterior do IEC sobre Qualidade de Energia Eléctrica resultou na seguinte

definição: “Conjunto de parâmetros que definem as propriedades da energia de abastecimento

tal como é fornecida ao utilizador em condições normais de funcionamento em termos de

continuidade de fornecimento e características da tensão (simetria, frequência, amplitude e

forma de onda) ”[5]. Contudo, esta definição leva o debate para a expressão “condições normais

de funcionamento”.

Já o Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) determina que: “Qualidade de

Energia Eléctrica é a noção de fornecer energia e ligar à terra equipamento sensível, de uma

forma que seja apropriada ao funcionamento desse equipamento” [6].

Neste trabalho, considera-se que a melhor definição de Qualidade de Energia é a

seguinte: conjunto de parâmetros que determina os desvios máximos da frequência, amplitude,

simetria e forma de onda da tensão e corrente, para que qualquer dispositivo ligado à rede,

tenha um funcionamento óptimo.

Porém, é mais habitual falar dos problemas de Qualidade de Energia de acordo com o

sistema em causa. Assim, nas páginas seguintes apresentam-se brevemente os principais

problemas de Qualidade de Energia, as suas causas, consequências e formas de os minimizar.

2.2 Principais Problemas de Qualidade de Energia

De uma forma resumida, na Tabela 2.1 identificam-se os principais problemas de

Qualidade de Energia, algumas das suas causas, as consequências desses problemas e algumas

das formas que existem actualmente para os minimizar.


11

As normas emitidas por algumas das entidades mais importantes, para regular os

problemas de Qualidade de Energia, são apresentadas nas páginas seguintes.

Tabela 2.1 – Problemas de Qualidade de Energia.

Problema Causa Consequência Formas de Minimizar

Distorção Harmónica

Cargas não lineares. Distorção na tensão de alimentação das outras cargas.

Filtros activos, ou passivos. Rectificadores activos.

Inter-Harmónicos Cargas que pulsam assincronamente com a frequência fundamental da rede de distribuição de energia. [7]

Oscilações torsionais em turbogeradores. Flutuações na tensão. [7]

Filtros passivos. [7]

Subtensão Elevação rápida da corrente, que provoca uma queda de tensão maior na impedância da fonte e consequentemente um abaixamento da tensão da rede. [8]

Diminuição da tensão fornecida pela rede de distribuição de energia.

UPS Filtros activos tipo série. UPQC - Unified Power Quality Conditioner.

Sobretensão Diminuição brusca da carga. [8]

Aumento da tensão fornecida pela rede de distribuição de energia.

UPS Filtros activos tipo série.

Interrupção Momentânea

Actuação dos dispositivos de protecção quando há curto-circuitos. Estes dispositivos podem religar automaticamente após algum tempo.

Falha do fornecimento de energia.

UPS

Flutuação de tensão

Variações de algumas cargas de consumo elevado, susceptíveis de afectar a rede de distribuição de energia.

Cintilar dos dispositivos de iluminação.

UPS Filtros activos.

Transitórios Descargas atmosféricas. Comutação de bancos de condensadores.

Degradação ou destruição de equipamento electrónico e eléctrico.

Supressores de transitórios.

Interferência Electromagnética

Comutações rápidas dos conversores electrónicos de potência.

Ruído electromagnético de alta-frequência.

Blindagem electromagnética.

2.3 Normas Reguladoras

Existem normas que determinam os limites associados aos vários problemas de

Qualidade de Energia. Essas normas variam consoante a entidade que as emite. O Comité


12

Européen de Normalisation Électrotechnique (CENELEC) é uma organização não lucrativa

constituída sob a lei belga em 1973 e composta por 30 países europeus, dos quais Portugal faz

parte. Os membros do CENELEC têm trabalhado em conjunto para harmonizar as normas

electrotécnicas europeias.

Em Portugal a entidade responsável que estabelece este tipo de normas é a Direcção

Geral de Energia e Geologia (DGEG), que se encontra sob a tutela do Ministério da Economia e

Inovação.

O Decreto-Lei n.º 182/95, de 27 de Julho, que estabelece as bases de organização do

Sistema Eléctrico Nacional, determina no seu artigo 63.º, a publicação do Regulamento da

Qualidade do Serviço (RQS) relativo às actividades vinculadas de transporte e distribuição de

energia eléctrica.

Após publicação do 2º RQS, pelo despacho n.º2410-A/2003 (2.ª série), de 5 de

Fevereiro e das respectivas normas complementares, impunha-se a respectiva revisão ao fim de

dois anos da sua vigência. Assim, para além das alterações decorrentes da adaptação do RQS

em vigor ao actual enquadramento legislativo do sector eléctrico, houve outras alterações das

quais se destacam:

A adopção de alguns padrões mais exigentes para a continuidade geral de serviços

das redes de média e baixa tensão.

A adopção de alguns padrões mais exigentes para a continuidade individual de

serviços das redes de média e baixa tensão.

A diminuição em alguns casos do tempo máximo previsto para o distribuidor iniciar

a reparação de uma avaria na alimentação individual de um cliente.

A actualização anual automática das compensações devidas pelos distribuidores aos

seus clientes por incumprimento dos padrões individuais de qualidade relativos à

continuidade de serviço.

A introdução da noção de clientes prioritários, para os quais os comercializadores

ficam sujeitos a regras especiais.

A obrigação dos operadores das redes de distribuição e dos comercializadores de

assegurarem um atendimento telefónico gratuito e permanente para a comunicação

de avarias e leituras.


13

Afixação de um intervalo de tempo máximo entre duas leituras dos contadores dos

clientes em Baixa Tensão Normal (BTN) (baixa tensão com potência contratada

inferior ou igual a 41,1kVA). [9]

Além das entidades oficiais de cada país, existem entidades independentes como o IEEE

e a IEC que também emitiram normas relativas à Qualidade de Energia. As normas destas

entidades podem ser utilizadas pelos fabricantes, para atestar a qualidade dos seus produtos.

A IEC emitiu a norma 61000 sobre Qualidade de Energia. Esta norma foi separada em

diferentes categorias, de acordo com a Tabela 2.2.

Tabela 2.2 – Subdivisões da norma 61000 da IEC.

Norma Descrição

61000-2 Ambiente electromagnético.

61000-3 Limites máximos dos problemas de QE.

61000-4 Técnicas de teste e medição.

61000-5 Directrizes de instalação e mitigação.

61000-6 Padrões genéricos.

Por sua vez, o IEEE emitiu o padrão 1159 com o objectivo de fornecer directrizes para a

avaliação dos problemas de Qualidade de Energia e para fornecer definições padrão, para os

problemas de Qualidade de Energia [10]. Após a publicação das directrizes básicas, foram

criados três grupos de trabalho, para o desenvolvimento de directrizes mais avançadas de

monitorização dos problemas de Qualidade de Energia. Na Tabela 2.3 resume-se a função de

cada um desses grupos.

Tabela 2.3 – Grupos de trabalho do IEEE sobre os problemas de QE.

Grupo de trabalho Função

IEEE 1159.1 Desenvolvimento de directrizes sobre os requisitos para instrumentação dos diferentes tipos de problemas de QE.

IEEE 1159.2 Desenvolvimento de directrizes para a caracterização dos problemas de QE.

IEEE 1159.3 União dos grupos 1159.1 e 1159.2. Encarregue de definir um formato de troca de informação entre diversas aplicações.


14

2.4 Estudos Estatísticos

A importância da energia eléctrica na vida moderna é incontestável. De tal maneira que

existem estudos que relacionam historicamente as crises energéticas mundiais, com as crises

económicas vividas na mesma ocasião. Actualmente, vive-se uma dessas crises económicas que

pode ter tido origem na crise energética que se estabeleceu quando os conflitos no Médio

Oriente se agravaram.

O consumo de energia eléctrica também está associado ao aumento da produtividade e

ao aumento da taxa de emprego, como demonstram alguns estudos. [11]. A solução para estes

problemas pode passar por um uso mais racional da energia e pelo aumento da eficiência

energética dos sistemas de energia.

2.4.1 Análise do Impacto que os Problemas de Qualidade de Energia têm no

Sector Industrial

Num estudo realizado em alguns Estados brasileiros em diversos tipos de indústrias, foi

realizada uma análise ao custo das perdas por interrupção do fornecimento de energia eléctrica,

causado pelos vários problemas de Qualidade de Energia. Na Figura 2.1 ilustram-se alguns dos

resultados obtidos. Observa-se que esse custo apresenta um crescimento exponencial, de tal

forma que o custo médio para interrupções de um segundo até dois minutos é de 0,5 €/MWh2,

mas para interrupções de cerca de uma hora, o custo médio é de 15 €/MWh [12].

Figura 2.1 – Custo associado aos problemas de QE.

2 À taxa de câmbio de 2 de Abril de 2009, 1€=3,0049BRL (Real Brasileiro).


15

No mesmo estudo conclui-se que ter uma boa Qualidade de Energia Eléctrica, menores

custos de distribuição de energia eléctrica e maior eficiência é fundamental para se obter uma

melhor competitividade dos produtos industriais e consequentemente uma contribuição para o

crescimento do sector industrial [12].

2.4.2 Consumo no Sector Doméstico

O número de dispositivos que causam problemas de Qualidade de Energia tem

aumentado nos últimos anos e apesar de a sua eficiência ter aumentado e consequentemente o

seu consumo energético ter diminuído, este tipo de equipamentos continua a representar uma

parte importante do consumo total de energia eléctrica, como se pode comprovar pelos dados

recolhidos num estudo do Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, sobre o

consumo de energia eléctrica nesse país [13].

Pelos dados da Tabela 2.4 pode-se verificar que, em 2006, a energia eléctrica

representou 62,4% de toda a energia consumida no sector doméstico nos EUA. Por sua vez, de

toda a energia eléctrica consumida nos EUA, mais de 45% corresponde a dispositivos que

causam problemas de Qualidade de Energia, mais concretamente, distorção harmónica. Como

se pode comprovar na Figura 2.2.

Tabela 2.4 – Consumo energético no sector doméstico dos EUA em 2006 (milhares de milhão de USD).

Gás Natural Petróleo Carvão Electricidade Consumo Total

de Energia

Aquecimento ambiente 41,9 17,2 0,01 10,1 69,21

Aquecimento Água 14,5 3,2 0 12,9 30,6

Arrefecimento ambiente 0 0 0 44,4 44,4

Iluminação 0 0 0 23,2 23,2

Electrónica de consumo 0 0 0 16,3 16,3

Limpeza com água 1 0 0 11,7 12,7

Culinária 2,9 0,7 0 7 10,6

Informática 0 0 0 2 2

Outros 0 3,5 0 5,8 9,3

Ajustes 0 0 0 7,4 7,4

Total 60,3 24,6 0,01 140,8 225,71


16

No que se refere à iluminação, não foi possível quantificar o consumo realizado pelas

lâmpadas que provocam distorção harmónica3. No entanto, no mesmo estudo pode-se verificar

que em 2001 as lâmpadas fluorescentes representavam pelo menos 10% de todo o consumo de

energia eléctrica em iluminação no sector doméstico [13]. Já nos sectores, comercial e

industrial, este tipo de lâmpadas representava respectivamente 56% e 67% de todo consumo de

energia eléctrica em iluminação.

Estes valores têm tendência a aumentar devido à maior sensibilização da população,

para as vantagens deste tipo de lâmpadas e aos incentivos governamentais para que se opte por

este tipo de iluminação. Na Figura 2.2 pode-se ainda efectuar uma análise comparativa do

consumo de energia eléctrica entre as várias categorias. Assim, os dispositivos que causam

distorção harmónica representavam pelo menos 45% de toda a energia consumida no sector

doméstico dos EUA.

Figura 2.2 – Consumo de energia eléctrica no sector doméstico dos EUA em 2006.

Os dados da Figura 2.2 foram apresentados de um ponto de vista conservador, já que

não foi possível estimar qual foi o consumo dos restantes equipamentos, que se encontram

diluídos nas diversas categorias e que causam problemas de distorção harmónica.

3 No sector doméstico as lâmpadas que provocam distorção harmónica são maioritariamente as lâmpadas fluorescentes (incluindo fluorescentes compactas) e lâmpadas de LED.

Aquecimento ambiente

7%

Aquecimento Água9%

Arrefecimento ambiente

32%

Iluminação17%

Electrónica de consumo

12%

Limpeza com água

8%

Culinária5% Informática

1%

Outros4%

Ajustes5%


17

No mesmo estudo do Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, foi

realizada uma previsão do consumo de energia para o ano 2030, que se encontra resumido na

Tabela 2.5. Pode-se observar uma tendência de aumento do consumo de energia eléctrica em

relação às restantes fontes de energia. Prevê-se que o consumo de energia eléctrica represente

cerca de 65,5% de toda a energia consumida no sector doméstico dos EUA, em 2030.

Tabela 2.5 – Previsão do consumo de energia no sector doméstico dos EUA em 2030 (milhares de milhão de USD).

Gás Natural Petróleo Carvão Electricidade Consumo Total

de Energia

Aquecimento ambiente 50,2 16,7 0 12,6 79,5

Aquecimento Água 14,1 2,2 0 13,1 29,4

Arrefecimento ambiente 0 0 0 47,3 47,3

Iluminação 0 0 0 14,9 14,9

Electrónica de consumo 0 0 0 16,9 16,9

Limpeza com água 1,1 0 0 13,1 14,2

Culinária 3,4 0,9 0 4,3 8,6

Informática 0 0 0 4,8 4,8

Outros 0 6,2 0 53 59,2

Total 68,8 26 0 180 274,8

As previsões também apontam para um decréscimo significativo no consumo de energia

eléctrica em iluminação. Apesar de não haver dados neste estudo que indiquem a razão deste

decréscimo, como já foi referido, devido à tendência de mercado e aos incentivos

governamentais, este decréscimo provavelmente se deva ao crescente uso de lâmpadas de alta

eficiência energética, que na maioria dos casos são lâmpadas que consomem corrente com alto

conteúdo harmónico.

Com base nos dados da Tabela 2.5, pode-se comparar o consumo de energia eléctrica

dos diferentes tipos de equipamentos, como se apresenta na Figura 2.3. Como se pode

observar, o consumo de energia eléctrica por parte de pequenos dispositivos eléctricos4 deve

sofrer um aumento considerável, passando dos actuais 4,1% (Ver Figura 2.2) para 29,4% (Ver

Figura 2.3). Nesta categoria, também é impossível quantificar o consumo de energia eléctrica

realizado por cargas que consomem corrente distorcida. No entanto, é razoável esperar que o

consumo de energia eléctrica realizado por cargas não lineares seja superior aos 38%, que é

possível quantificar a partir dos dados recolhidos.

4 Inseridos na categoria “Outros”.


18

Figura 2.3 – Previsão do consumo de energia eléctrica no sector doméstico dos EUA em 2030.

Em Portugal, o consumo doméstico de electricidade per capita está ainda

significativamente abaixo da média da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento

Económico (OCDE), como se pode observar na Figura 2.4 [14].

A posição de Portugal face aos restantes países resulta não só das condições

climatéricas mais favoráveis, como também dos níveis de conforto inferiores [15].

Figura 2.4 – Consumo de electricidade per capita no sector doméstico dos países da OCDE em 1997 e 20075.

5 Valores em Equivalente a Toneladas de Petróleo (TOE – Tonnes of Oil Equivalent)

Aquecimento ambiente

7%

Aquecimento Água7%

Arrefecimento ambiente

26%

Iluminação8%

Electrónica de consumo

9%

Limpeza com água7%

Culinária3%

Informática3%

Outros30%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

2007 1997


19

A Figura 2.5 ilustra os valores das taxas de posse de equipamentos electrónicos no

sector doméstico português no ano de 2008. Como se pode observar, as taxas de posse dos

equipamentos que provocam distorção harmónica é bastante elevada. Contudo, a partir dos

dados apresentados, não é possível estimar o consumo de energia eléctrica realizado por este

tipo de equipamentos [16].

Figura 2.5 – Taxas de posse de vários equipamentos electrónicos em Portugal em 2008.

Existem outros dispositivos de uso comum que também provocam graves problemas de

Qualidade de Energia, como é o caso dos aparelhos de Ar Condicionado, Frigoríficos e aparelhos

de refrigeração em geral. Este tipo de equipamentos é responsável por grande parte do consumo

eléctrico no sector doméstico como se pode observar na Figura 2.2. No caso português, não foi

possível obter dados relativos ao consumo deste tipo de equipamentos. No entanto, obtiveram-se

dados relativos ao número médio de aparelhos por família. Assim, para o caso de aparelhos de

ar condicionado portátil, existem em média 1,2 aparelhos por família. No caso de aparelhos de

ar condicionado fixo, o número médio é de 2,2 [16].

Como foi referido anteriormente, existem diversos tipos de lâmpadas que provocam

distorção harmónica. A Figura 2.6 apresenta as taxas de posse de lâmpadas no sector

doméstico em Portugal no ano de 2008. Porém, não foi possível encontrar dados sobre o

consumo deste tipo de lâmpadas, no sector doméstico português.

99,6%

79,2%

67,2%

53,8%

71,7%

62,2%

28,0%

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

120,0%

Televisão Video/DVD Rádio Aparelhos Hi-Fi

Computador Impressora, scanner

Consola de jogos


20

Figura 2.6 – Taxas de posse de lâmpadas no sector doméstico em Portugal em 2008.

2.4.3 Consumo no Sector dos Serviços

No sector dos serviços as taxas de posse de lâmpadas que causam problemas de

distorção harmónica são superiores às do sector doméstico, como ilustra a Figura 2.7 [17].

Figura 2.7 – Taxas de posse de lâmpadas no sector comercial em Portugal.

77,1%

42,4%

79,8%

67,9%

5,2%0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

Incandescentes Halogéneo Fluorescentes Fluorescentes compactas

Outras

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Outros Serviços

Serviços de Saúde

Banca e Seguros

Transportes e Serv. Aux.

Restaurantes e Hotéis

Comércio

Fluorescentes Fluorescentes Compactas Vapor de Mercúrio

Vapor de Sódio Halogéneo Incandescentes


21

O consumo de energia eléctrica em iluminação, não é constante ao longo de um dia

[17]. A estrutura desse consumo pode observar-se na Figura 2.8.

Figura 2.8 – Estrutura do consumo por tipo de lâmpadas no sector dos serviços.

Analisando o consumo de energia eléctrica no sector dos serviços pode-se avaliar a

importância que os diferentes equipamentos podem ter no consumo total de energia e por

conseguinte, avaliar os problemas de Qualidade de Energia que esses equipamentos podem

causar. Assim, na Figura 2.9 apresenta-se a estrutura do consumo por equipamento, no sector

dos serviços. Como se pode observar, a iluminação representa 33%, os computadores 3%, a

categoria “Outros”6 11% e o Arrefecimento de ambiente 28% do consumo total de energia

Portanto, pode-se concluir que os problemas de Qualidade de Energia causados por estes

equipamentos devem ser minimizados, uma vez que o consumo energético realizado pelos

mesmos representa uma parte importante do consumo total de energia.

6 Onde se incluem vários equipamentos que provocam distorção harmónica.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Po

tên

cia

(MW

)

HorasFluorescentes Fluorescentes Compactas

Vapor de Mercúrio Vapor de Sódio

Halogéneo Incandescentes


22

Figura 2.9 – Estrutura do consumo por equipamento no sector dos serviços[17].

De forma a obter mais informação relativa a Portugal foi contactada a Ordem dos

Engenheiros, o Instituto Nacional de Estatística e a Direcção Geral de Energia e Geologia (DGEG),

no entanto, os estudos estatísticos recolhidos ainda não estão direccionados para o estudo dos

problemas de Qualidade de Energia. Porém, a DGEG informou que irá realizar um estudo

semelhante ao estudo do Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, durante o

ano de 2010 que deverá ser publicado em 2011-2012 que possivelmente já incluirá alguma

análise aos problemas de Qualidade de Energia. Os dados relativos à realidade portuguesa não

permitem aferir inequivocamente qual a percentagem do consumo de energia eléctrica se refere

a cargas não lineares. Contudo, permitem perceber que devem ser tomadas medidas, uma vez

que o consumo de energia eléctrica realizado por este tipo de equipamentos já é significativo e

apresenta uma tendência a agravar-se nos próximos anos.

No próximo capítulo apresenta-se um estudo sobre o actual estado da arte sobre

rectificadores activos.

Aquecimento eléctrico

3%

Termo-acumulador2%

Arrefecimento de ambiente

28%

Cozinha4%

Máquina de café4%

Motores, bombas e compressores

8%

Máq. Lavar loiça4%

Microcomputador3%

Outros11%

Iluminação33%

23

3 Estado da Arte

Sumário

O estudo de rectificadores que consomem corrente sinusoidal iniciou-se há alguns anos.

Os primeiros rectificadores deste tipo eram constituídos por componentes não controlados,

associados a conversores DC-DC, o que lhes conferia a possibilidade de regular a tensão de

saída e controlar a corrente de entrada. Nalguns casos, para se obterem melhores resultados

era incluído um filtro passivo à entrada do rectificador.

Actualmente o estudo incide nos rectificadores constituídos por componentes totalmente

controlados, como por exemplo, MOSFETs ou IGBTs. Utilizando várias técnicas de controlo é

possível reduzir para valores insignificantes o problema da distorção harmónica, assim como o

consumo de energia reactiva. Neste capítulo serão analisadas duas topologias que têm sido

objecto desse estudo.

3.1.1 Rectificador Activo Monofásico com Quatro Semicondutores

Totalmente Controlados

Esta topologia é constituída por quatro semicondutores totalmente controlados ligados

em ponte, como ilustra a Figura 3.1. Pretende-se controlar o rectificador de tal forma que

consuma corrente sinusoidal em fase com a tensão da rede, isto pode-se conseguir através de

Pulse With Modulation (PWM).

Figura 3.1 – Topologia do rectificador monofásico com quatro semicondutores totalmente controlados.

3 Estado da Arte

24

Uma forma possível de controlar os semicondutores totalmente controlados apresenta-se

na Figura 3.2. As zonas mais claras significam que os díodos conduzem e as zonas mais

escuras significam que são os interruptores totalmente controladores a conduzir. Primeiro

conduzem D1 e D3, de seguida conduzem D1 e T3 e assim sucessivamente. A comutação deve ser

sincronizada com a tensão de entrada. Para tal, pode fazer a detecção de passagem por zero da

tensão e ajustar os sinais de comando utilizando esta informação.

Figura 3.2 – Estados de comutação dos semicondutores totalmente controlados.

Podem utilizar-se outros algoritmos de controlo mais complexos que permitam obter

resultados superiores aos utilizados com o método da detecção de passagem por zero. Por

exemplo, utilizando um sensor de corrente na entrada do rectificador e comparando os valores

obtidos com uma tabela de valores definidos previamente. Porém, utilizando algoritmos de

controlo mais complexos pode implicar a utilização de outro tipo de microcontrolador e outros

componentes que podem elevar consideravelmente o custo de implementação. Deve ser feito

um estudo prévio para determinar as necessidades do projecto que devem ser mais valorizadas.

As principais características desta topologia são as seguintes:

Facilidade de implementação.

Boa capacidade de redução da distorção harmónica.

Funciona como um rectificador PWM.

Complexidade baixa.

Custo baixo.

3 Estado da Arte

25

Algumas das aplicações desta topologia são as seguintes:

Electrónica de consumo.

Em sistemas de iluminação.

Fontes de alimentação ininterruptas.

Entrada de sistemas conversores de frequência.

3.1.2 Rectificador Activo Trifásico Topologia de Vienna

O Professor Johan W. Kolar baseou-se num conversor do tipo DC-DC do tipo step-up

para desenvolver um rectificador trifásico de três níveis que ficou conhecido como o Rectificador

de Vienna [18]. Esta topologia é constituída por um semicondutor totalmente controlável em

cada um dos seus três ramos. Como cada ramo apresenta uma característica de três níveis, isto

é, três níveis diferentes de tensão (+UO/2, 0 e –UO/2, onde UO é a tensão de saída) e daí a

designação topologia de um rectificador PWM de três níveis [19].

A corrente no ponto central da saída resulta de uma combinação dos estados de

comutação dos semicondutores totalmente controlados em cada uma das fases deste

rectificador. Na Tabela 3.1 pode-se observar os resultados dessas comutações.

Tabela 3.1 – Estado de comutação dos semicondutores totalmente controlados e corrente no ponto central da saída.

Fase R Fase S Fase T Corrente no ponto central da saída

0 0 0 0

0 0 1 iT

0 1 0 iS

0 1 1 -iR

1 0 0 +iR

1 0 1 -iS

1 1 0 -iT

1 1 1 0

A divisão simétrica da tensão de saída (+UO/2 e –UO/2) apenas se pode conseguir

através do controlo da frequência e duração dos estados de comutação dos semicondutores

3 Estado da Arte

26

totalmente controlados que se podem observar na Tabela 3.1. As vantagens desta topologia são

as seguintes:

Estrutura simples do circuito de controlo, uma vez que apenas se utiliza um

transístor de potência por fase. Possibilidade de realizar o circuito de controlo

evitando o esforço de desenvolvimento associado a aplicações de controlo através de

microprocessador.

Corrente de alimentação com pouca distorção harmónica.

Frequência de comutação dos semicondutores totalmente controlados variável, o

que minimiza o esforço de filtragem da EMI, quando comparado com um sistema de

frequência de comutação fixa.

Densidade de energia elevada (potência/volume e potência/peso) do conversor.

Utilização superior da capacidade de comutação dos semicondutores totalmente

controlados (condução de cada transístor durante o semiciclo positivo ou negativo da

respectiva corrente de fase), comparativamente com os circuitos em ponte. Em caso

de falha do sistema de controlo não ocorre curto-circuito.

Contudo, esta topologia apresenta as seguintes desvantagens:

Fluxo de energia unidireccional, tornando-a inviável para certas aplicações (como no

caso dos motores com travagem regenerativa).

Pode existir erro dos controladores, se for utilizado controlo por histerese das

correntes de entrada por controladores independentes.

Para minimizar os custos de implementação desta topologia é aconselhável optar por

métodos de controlo simples. Contudo, para obter melhores resultados na minimização da

distorção harmónica da corrente de alimentação deve-se optar por métodos de controlo digitais.

Esta topologia pode ser utilizada nas seguintes aplicações:

Fontes de alimentação para dispositivos de telecomunicação.

Fontes de alimentação ininterruptas.

Entrada de sistemas conversores de frequência.

27

4 Simulação

Sumário

Em várias áreas do estudo científico o trabalho de simulação apresenta diversas

vantagens, entre as quais se pode destacar: custos menores, maior rapidez e facilidade de teste

de diversas possibilidades. Em Electrónica de Potência, a simulação é uma etapa fundamental

do processo de estudo.

Para as simulações apresentadas neste trabalho, utilizou-se a versão 4.2 do software de

simulação PSCAD® da Manitoba HVDC Research Centre Inc. Este software permite simular

facilmente todos os tipos de sistemas de energia, de uma forma rápida e precisa.

Foram utilizados alguns tipos de cargas para simular condições de funcionamento

diferentes, apresentando-se de seguida os resultados obtidos. Em todas as simulações

apresentadas utilizou-se uma fonte de tensão com as características da rede de distribuição de

energia portuguesa, ou seja, 230 V de valor eficaz a 50 Hz. A impedância da fonte utilizada foi

de 5% em todas as simulações.

4.1.1 Rectificador Activo Monofásico com Quatro Semicondutores

Totalmente Controlados

Na Figura 4.1 a) pode observar-se o rectificador activo monofásico simulado. Os sinais

de comando foram designados como “Com1” (para os interruptores S1 e S3) e “Com2” (para

os interruptores S2 e S4). Utilizando um condensador na saída de 500 µF e uma resistência de

carga de 100 Ω, a forma de onda da corrente de alimentação do rectificador activo apresenta-se

na Figura 4.1 b). A Figura 4.1 c) ilustra a análise harmónica e a THD da mesma corrente.

Apenas são apresentados os harmónicos de frequências mais baixas, uma vez que os

harmónicos de frequências mais elevadas possuem amplitudes entre 0,001 e 0,003 A. Com

excepção do harmónico da frequência de comutação dos semicondutores totalmente

controlados, neste caso o 30º harmónico, que apresenta um valor de amplitude de 0,012 A,

mesmo assim, um valor bastante baixo para poder se poder visualizar graficamente.

4 Simulação

28

Figura 4.1 – a) Rectificador activo monofásico com quatro semicondutores totalmente controlados, utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência de 100 Ω; b) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador

activo; c) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD.

Utilizando um rectificador a díodos como o que a Figura 4.2 a) ilustra, com a mesma

carga, obteve-se a forma de onda da corrente de alimentação apresentada na Figura 4.2 b). A

análise harmónica da corrente de alimentação deste rectificador a díodos e a respectiva THD

apresentam-se na Figura 4.2 c).

4 Simulação

29

Figura 4.2 – a) Rectificador monofásico a díodos; b) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador a díodos, utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência de 100 Ω; c) Análise harmónica da corrente de

alimentação e respectiva THD.

Se a carga for constituída por um condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω,

pode obter-se a forma de onda ilustrada na Figura 4.3 a). Na Figura 4.3 b) apresenta-se a

análise harmónica e a THD da mesma corrente. Os harmónicos de frequências mais elevadas

possuem amplitudes entre 0,001 e 0,003 A. O harmónico da frequência de comutação (30º

harmónico) apresenta uma amplitude de 0,012 A.

4 Simulação

30

Figura 4.3 – a) Forma de onda da corrente na fonte do rectificador activo, utilizando um condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω; b) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD.

O rectificador a díodos da Figura 4.2 a) com uma carga constituída por um

condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω apresenta a forma de onda da corrente de

alimentação que se pode observar Figura 4.4 a). O conteúdo harmónico e a THD da corrente de

alimentação podem observar-se na Figura 4.4 b).

4 Simulação

31

Figura 4.4 – a) Forma de onda da corrente de alimentação do rectificador a díodos utilizando um condensador de 1000 µF e uma resistência de 200 Ω; b) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD.

Na Figura 4.5 a) pode observar-se a forma de onda da corrente de alimentação do

circuito do rectificador activo se for utilizado um condensador de 500 µF e uma resistência de

1000 Ω. Na Figura 4.5 b) apresenta-se a análise harmónica e a THD da mesma corrente. Os

harmónicos de frequências mais elevadas possuem amplitudes entre 0,001 e 0,003 A. O

harmónico da frequência de comutação (30º harmónico) apresenta uma amplitude de 0,012 A.

Figura 4.5 – a) Forma de onda da corrente na fonte do rectificador activo, utilizando um condensador de 500 µF e uma resistência de 1000 Ω; b) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD.

4 Simulação

32

A mesma carga aplicada no rectificador da Figura 4.2 a) produz a forma de onda da

corrente de alimentação que se ilustra na Figura 4.6 a). Na Figura 4.6 b) apresenta-se o

conteúdo harmónico e a THD da mesma onda.


Se a carga do circuito for constituída por um condensador de 2000 µF e uma resistência

de 100 Ω pode obter-se a forma de onda da corrente de alimentação do circuito ilustrada na

Figura 4.7 a). Na Figura 4.7 b) apresenta-se a análise harmónica e a THD da mesma corrente.

Os harmónicos de frequências mais elevadas possuem amplitudes entre 0,001 e 0,003 A. O

harmónico da frequência de comutação (30º harmónico) apresenta uma amplitude de 0,012 A.

4 Simulação

33

Figura 4.7 – a) Forma de onda da corrente na fonte do rectificador activo, utilizando um condensador de 2000 µF e uma resistência de 100 Ω; b) Análise harmónica da corrente de alimentação e respectiva THD

O rectificador a díodos da Figura 4.2 ligado a um condensador de 2000 µF e uma

resistência de 100 Ω, apresenta a forma de onda da corrente de alimentação que se pode

observar na Figura 4.8 a). A análise harmónica desta corrente apresenta-se na Figura 4.8 b).


4 Simulação

34

4.1.2 Rectificador Activo Trifásico Topologia de Vienna

O circuito de potência do modelo de simulação rectificador de Vienna encontra-se

representado na Figura 4.9.

Figura 4.9 – Rectificador activo trifásico, topologia Vienna.

Como o sistema apresentado é equilibrado a forma de onda é igual nas três fases,

assim, os resultados de simulação apresentados, apenas se referem à fase A. Na Figura 4.10 a)

apresenta-se a forma de onda da corrente da fase A, utilizando condensadores com 4000 µF e

uma resistência de 10 Ω. Como se pode observar, a corrente é praticamente sinusoidal. A

análise da distorção harmónica e a THD apresentam-se na Figura 4.10 b). Tal como no

rectificador activo monofásico, apenas são apresentados os harmónicos de frequências mais

baixas, uma vez que os harmónicos de frequências mais elevadas possuem amplitudes entre

0,0005 e 0,002 A. Nesta topologia a frequência de comutação dos semicondutores totalmente

controlados é variável.

4 Simulação

35

Figura 4.10 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando um condensador de 4000 µF e uma resistência de 10 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A.

Utilizado um rectificador trifásico a díodos como o da Figura 4.11 com a mesma carga,

isto é, um condensador de 4000 µF e uma resistência de 10 Ω obteve-se a forma de onda da

corrente na fase A que se apresenta na Figura 4.12 a). A análise harmónica desta corrente

apresenta-se na Figura 4.12 b).

Figura 4.11 – Rectificador trifásico a díodos.

4 Simulação

36

Figura 4.12 – a) Forma de onda da corrente na fase A do rectificador trifásico a díodos, utilizando um condensador de 4000 µF e uma resistência de 10 Ω; Análise harmónica da corrente na fase A do rectificador a díodos.

Na Figura 4.13 a) pode observar-se a forma de onda da corrente na fase A se a carga

for constituída por condensadores de 6000 µF e uma resistência de 15 Ω. Na Figura 4.13 b)

apresenta-se a análise harmónica e a THD da mesma corrente. Os harmónicos de frequências

mais elevadas possuem amplitudes entre 0,0005 e 0,002 A.

4 Simulação

37

Figura 4.13 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando condensadores de 6000 µF e uma resistência de 15 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A.

O rectificador trifásico a díodos da Figura 4.11 com uma carga constituída por um

condensador de 6000 µF e uma resistência de 15 Ω apresenta uma corrente na fase A com a

forma de onda que se ilustra na Figura 4.14 a). A análise harmónica da mesma onda

apresenta-se na Figura 4.14 b).


4 Simulação

38

Se a carga for constituída por condensadores de 8000 µF e uma resistência de 20 Ω,

pode obter-se a forma de onda ilustrada na Figura 4.15 a). Na Figura 4.15 b) apresenta-se a

análise harmónica e a THD da mesma corrente. Os harmónicos de frequências mais elevadas

possuem amplitudes entre 0,0005 e 0,002 A.

Figura 4.15 – a) Forma de onda da corrente na fase A, utilizando condensadores de 8000 µF e uma resistência de 20 Ω; Análise do conteúdo harmónico da corrente na fase A.

Aplicando um condensador de 8000 µF e uma resistência de 20 Ω no rectificador da

Figura 4.11 obteve-se a forma de onda da corrente de alimentação que se ilustra na Figura

4.16 a). Na Figura 4.16 b) apresenta-se o conteúdo harmónico e a THD da mesma corrente.

4 Simulação

39


Pelos resultados de simulação obtidos, tanto no caso monofásico como no trifásico,

pode-se comprovar que os rectificadores activos constituem uma boa solução para o problema

de distorção harmónica.

No próximo capítulo apresentam-se os resultados de implementação de uma das

topologias simuladas.

41

5 Implementação e Resultados

Sumário

Depois dos resultados de simulação obtidos no capítulo anterior optou-se por

implementar o rectificador activo monofásico com quatro semicondutores totalmente

controlados, como forma de apresentar uma alternativa aos rectificadores não controlados que

existem em todos os equipamentos electrónicos domésticos, como por exemplo: televisores,

computadores, aparelhagens de somem vários tipos de lâmpadas, aparelhos de ar condicionado

entre outros.

Um projecto de Electrónica de Potência passa por diversas fases para a obtenção dos

resultados esperados. Assim, neste capítulo descrevem-se as várias etapas para a execução

prática de um rectificador activo monofásico.

5.1 Circuito de Potência

É no circuito de potência que ocorre o fluxo de energia da fonte para a carga, pelo que

se pode considerar que este é o circuito principal de um projecto deste tipo.

Devido a limitações tais como o custo e a disponibilidade dos componentes no mercado,

optou-se por utilizar uma fonte de tensão de alimentação inferior à tensão nominal da rede. Pelo

que, para a alimentação do circuito de potência deste projecto utilizou-se uma fonte de tensão

alternada de 12V. É importante salientar que o valor nominal da fonte de alimentação não altera

o princípio de funcionamento do circuito. Na Figura 5.1 pode-se observar o circuito de potência

utilizado. Para se poder verificar o comportamento do circuito em situações diferentes, variou-se

o valor da carga e foi realizado o ajuste manual do sinal de comando dos MOSFETs, com o

objectivo de manter o valor da THD da corrente de alimentação do circuito de potência numa

gama de valores abaixo dos 10 %.


42

Figura 5.1 – Rectificador activo monofásico com quatro semicondutores totalmente controlados.

5.1.1 Interruptores de Potência

Num circuito de potência os interruptores de potência devem ser seleccionados

cuidadosamente, uma vez que a transferência de energia é feita através deles. Por sua vez, as

perdas que ocorrem durante a comutação a frequências elevadas destes semicondutores são

habitualmente superiores às que ocorrem quando o semicondutor está em condução.

A Figura 5.2 ilustra os limites de funcionamento para os vários interruptores de

potência.

Figura 5.2 – Limites de funcionamento para os interruptores de potência [2].


43

Analisando as características dos interruptores de potência apresentados na Figura 5.2

e atendendo às limitações apresentadas anteriormente, considerou-se que o interruptor de

potência que satisfaz melhor as necessidades deste trabalho é o MOSFET pelas seguintes

razões:

Encontra-se com facilidade no mercado.

Custo baixo.

É controlado por tensão, o que simplifica o circuito de controlo.

Permite frequências de comutação mais elevadas.

Os MOSFETs são dos semicondutores mais importantes da actualidade e podem ser

usados em diversas aplicações de baixa potência. Estes semicondutores possuem três regiões

de funcionamento: tríodo, saturação e corte [21]. Contudo, no caso dos MOSFETs e em

Electrónica de Potência apenas se utilizam as regiões de corte e tríodo, o que corresponde ao

estado OFF e ON, respectivamente.

Existem dois tipos de MOSFETs: os de canal N e os de canal P. Normalmente os

MOSFETs de canal N possuem uma menor resistência de canal RDS, o que significa menos

perdas, como se encontram mais facilmente no mercado, optou-se por utilizar este tipo de

MOSFETs.

Para a implementação do rectificador activo monofásico utilizaram-se quatro MOSFETs

da marca Philips, modelo BUK453-100A [22]. As características principais deste MOSFET

encontram-se na Tabela 5.1.

Tabela 5.1 – Características do MOSFET BUK453-100A [22].

Símbolo Parâmetro Máximo

VDS Tensão Dreno-Fonte 100V

ID Corrente de Dreno 14A

Tj Temperatura da junção 175ºC

RDS (ON) Resistência Dreno-Fonte no estado ON 0,16Ω

Package TO220


44

5.2 Circuito de Drive

A função principal de um circuito de drive é fazer comutar os interruptores de potência

do estado OFF para o estado ON e vice-versa. O circuito de comando que gera os sinais de

controlo usados para ligar e desligar os interruptores de potência não é considerado como uma

parte do circuito de drive. O interface entre o circuito de comando e os semicondutores de

potência é o circuito de drive. Este circuito amplifica os sinais de controlo para os níveis

necessários ao funcionamento dos interruptores de potência, ao mesmo tempo que fornece

isolamento eléctrico entre o circuito de comando e o circuito de potência [2].

5.2.1 Optoacoplador

Para garantir o isolamento eléctrico entre o circuito de comando e o circuito de potência,

pode-se utilizar um optoacoplador com um fototransistor na saída. Assim, ambos circuitos estão

electricamente isolados e portanto, não há risco o circuito de comando queimar acidentalmente

devido a problemas originados no circuito de potência.

Por exemplo, um optoacoplador da série CNY17, que consiste num fototransistor

acoplado a um díodo emissor de infravermelhos, pode ser uma boa solução pelas seguintes

razões:

Baixo custo.

Boa disponibilidade no mercado.

Rapidez de resposta, que neste caso é suficiente para as necessidades.

Na Figura 5.3 pode-se observar o diagrama que representa o CNY17.

Figura 5.3 – Diagrama do optoacoplador CNY17 [23].


45

Para ligar o optoacoplador entre o circuito de comando e o circuito de potência, pode-se

utilizar o esquema sugerido pelo fabricante [23], como ilustra a Figura 5.4. Devendo-se utilizar

um optoacoplador por cada sinal de controlo.

Um dos cuidados a ter ao utilizar esta montagem é com o valor de corrente que

alimenta o fotodíodo, isto é, deve-se verificar que o microcontrolador é capaz de fornecer a

corrente necessária para o bom funcionamento do optoacoplador.

Neste trabalho, não foi necessário utilizar um optoacoplador, porque a tensão de entrada

no circuito de potência foi de apenas 12V, contudo, se fosse utilizada a tensão da rede para

alimentar o circuito de potência o uso de um optoacoplador seria indispensável.

Figura 5.4 – Circuito de ligação do optoacoplador [23].

5.3 Circuito de Comando

O circuito de comando é responsável pelos sinais de comando na gate dos MOSFETs

(“Com1” e em oposição de fase “Com2”). Cada sinal de comando toma o valor lógico “1” após

o anterior ter tomado o valor lógico “0”, para garantir que não há curto-circuitos durante a

comutação, introduziu-se um delay de 2 µs entre cada estado.

A Figura 5.5 ilustra o circuito de comando implementado.


46

Figura 5.5 – Circuito de comando do rectificador activo monofásico.

5.3.1 Microcontrolador

Para gerar os sinais de controlo dos MOSFETs foi necessário utilizar um

microcontrolador capaz de satisfazer as seguintes necessidades:

Capaz de fornecer sinais de alguns kHz.

Fazer a detecção de passagem por zero.

Facilidade de utilização.

Capaz de gerar um sinal de PWM.

Custo baixo (o microcontrolador escolhido custa aproximadamente 1€).

Considerando as características exigidas optou-se por basear o sistema de controlo no

microcontrolador PIC12F615 da Microchip. Na Tabela 5.2 apresentam-se as principais

características técnicas deste microcontrolador.

Outro factor tido em consideração foi o custo do microcontrolador que neste caso é

relativamente baixo, o que ajuda a manter o custo de implementação deste rectificador activo,

dentro de valores aceitáveis.

Na Figura 5.6 pode-se observar um diagrama do PIC12F615.


47

Tabela 5.2 – Características técnicas do PIC12F615 [24].

CPU 4 MHz

Memória flash 1 KByte

Memória RAM 64 Byte

Canais para a conversão A/D 4

Resolução dos canais A/D 10 Bits

Comparador 1

Timers 2

Figura 5.6 – Diagrama do PIC12F615 [24].

As principais especificações eléctricas do PIC12F615 apresentam-se na Tabela 5.3.

Tabela 5.3 – Principais especificações eléctricas do PIC12F615 – valores máximos [24].

Potência dissipada 800 mW

Corrente máxima em VSS 95 mA

Corrente máxima em VDD 95 mA

Corrente máxima consumida em qualquer pino de I/O 25 mA

Corrente máxima fornecida em qualquer pino de I/O 25 mA

O sinal de comando dos MOSFETs pôde ser gerado pelo modo PWM do

microcontrolador. Neste modo é possível variar o duty-cycle, o período e a resolução7 do sinal de

PWM, através dos seguintes registos:

PR2

CCPR1L

CCP1CON

7 A resolução determina o número de duty cycles para um dado período.


48

5.3.2 PWM

Um sinal de PWM é uma técnica de modulação de sinais usando circuitos digitais para

criar um sinal analógico variável. Esta técnica é relativamente recente, que só foi possível com os

interruptores de potência modernos. Dependendo da aplicação as comutações podem variar

entre alguns Hz até várias centenas de kHz. Em qualquer caso, a frequência de comutação é tão

rápida que não afecta o funcionamento da carga, uma vez que utilizar a potência máxima

durante uma fracção de tempo não causa qualquer problema.

A expressão duty-cycle indica a fracção de tempo em que o interruptor está ligado, num

dado período de tempo. Um duty-cycle baixo significa que o interruptor está mais tempo

desligado do que ligado, este valor expressa-se em percentagem. Pela facilidade de regulação do

duty-cycle é habitual usar PWM em controlo digital.

5.3.3 Programador

Para programar o PIC12F615 foi necessário utilizar um sistema electrónico

especialmente concebido para este fim. Este tipo de sistemas é disponibilizado para aquisição

em separado pelos fabricantes dos microcontroladores. O PICkit 3 Debug Express foi o sistema

escolhido, pelas seguintes razões:

Custo baixo.

Necessita pouco hardware adicional para realizar o debug.

Não são necessários adaptadores.

Pode ser actualizado através de firmware.

Inclui todos os cabos de ligação.

Inclui um compilador freeware.

Inclui ambiente de desenvolvimento integrado.

Na Figura 5.7 pode-se observar o programador utilizado.


49

Figura 5.7 – Programador do PIC12F615 [25].

As características técnicas do PICkit 3 são as seguintes:

Interface com o PC através de porta USB.

Execução em tempo real.

Inclui circuito de monitorização de sobrecorrente.

Invólucro de protecção.

Suporta tensão baixa (2 a 6V).

Leds de diagnóstico (alimentação, ocupado e erro).

Escrita/leitura da memória de dados e de programa do microcontrolador.

Confirmação ao apagar a memória de programa.

5.3.4 Software

O ambiente de desenvolvimento integrado (IDE - Integrated Development Environment)

utilizado foi o MPLAB da Microchip [26]. Este IDE foi fornecido de forma gratuita com o

programador do microcontrolador, pelo que se encontra perfeitamente adaptado para aplicações

que façam uso dos microcontroladores PIC® e dsPIC® da Microchip. O IDE MPLAB é uma

aplicação de 32-bit para o sistema operativo Windows® da Microsoft. Uma das vantagens deste

IDE é a possibilidade de funcionar como um interface para outro software e hardware de

desenvolvimento da Microchip ou de outros fabricantes. Na Figura 5.8 pode-se observar o

aspecto gráfico deste IDE. O compilador utilizado foi o compilador da Custom Computer

Services, Inc. [27]. Este é um compilador da linguagem de programação C, que também foi

fornecido gratuitamente com o programador e integra-se perfeitamente com o IDE utilizado.


50

Figura 5.8 – Ambiente de desenvolvimento do MPLAB.

Para operar o microcontrolador implementou-se um programa que fizesse a detecção de

passagem por zero8 da tensão de alimentação do circuito de potência. Com esta informação e

como a frequência da tensão da rede é periódica, foi possível implementar a função para gerar o

PWM necessário para o funcionamento do rectificador activo.

5.3.5 Circuito de alimentação

Para alimentar o microcontrolador optou-se por utilizar um circuito que pudesse ser

ligado directamente à rede, eliminando-se a necessidade de utilizar um transformador, sendo

assim possível reduzir a dimensão, o peso e o custo do circuito [29].

Antes de realizar a montagem e para minimizar possíveis falhas, realizou-se a simulação

do circuito no software de simulação da National Instruments – Multisim V10.0.144, tal como

ilustra a Figura 5.9.

8 Utilizando a tecnologia da Microchip AN521 [28].


51

Figura 5.9 – Simulação do circuito de alimentação do microcontrolador.

5.4 Placas de circuito impresso

Os circuitos do rectificador activo monofásico foram implementados em placas de

circuito impresso (PCB – Printed Circuit Board). As PCB foram implementadas num

equipamento de Controlo Numérico Computorizado (CNC – Computer Numeric Control) modelo

Protomat S62 da LPKF como a que se pode observar na Figura 5.10. Esta é uma máquina de

prototipagem de PCBs por fresagem onde é colocado um substrato de fibra de vidro cobreado e

mediante o modelo computorizado a máquina faz a fresagem, a furação e o corte das PCBs.

O software de desenvolvimento de PCB utilizado foi o Eagle v.5.0 da CadSoft Computer

[29]. Foram desenhadas duas PCBs tendo em atenção a dimensão das pistas condutoras para a

potência em causa.


52

Figura 5.10 – CNC Protomat S62 da LPKF onde foram implementadas as PCBs.

Na Figura 5.11 observa-se a PCB do circuito de potência apresentado na Figura 5.1.

Figura 5.11 – PCB do Circuito de potência.

A PCB do circuito de comando apresentado na Figura 5.5 encontra-se representada na

Figura 5.12.

Figura 5.12 – PCB do Circuito de comando.

A PCB do circuito de potência da Figura 5.11 mede 8,8 cm de largura e 4,3 cm de

altura. A PCB do circuito de comando, mede 11,8 cm de largura e 3,5 cm de altura.


53

5.5 Resultados obtidos

Após a implementação do rectificador monofásico apresentado, utilizou-se um medidor

de Qualidade de Energia para obter as formas de onda da corrente e da tensão na entrada do

rectificador activo, assim como as respectivas medições da THD.

A tensão da fonte apresentava alguma distorção harmónica como se pode observar

Figura 5.13. Não foi possível melhorar a forma de onda da tensão na fonte uma vez que não foi

influenciada pelo rectificador activo monofásico. A análise da distorção harmónica da tensão

obtida com o medidor de Qualidade de Energia apresenta-se na Figura 5.14. Como se pode

observar existe um pequeno valor de terceiro harmónico e com menor representatividade quinto

e sétimo harmónicos.

Figura 5.13 – Forma de onda da tensão que alimenta o rectificador activo.


54

Figura 5.14 – Análise da distorção harmónica da tensão que alimenta o rectificador activo.

A Figura 5.15 ilustra a forma de onda da corrente à entrada do rectificador activo

monofásico, quando a carga é constituída por uma resistência de 100 Ω e um condensador de

500 µF. Como se pode observar, a forma de onda não é apresenta uma forma de onda com

alguma distorção, mas com resultados muito superiores aos que se poderiam obter com um

rectificador a díodos. A análise da distorção harmónica da corrente obtida com o medidor de

Qualidade de Energia apresenta-se na Figura 5.16. Como se pode observar, o valor da THD não

é um valor ideal, em grande medida devido ao valor do sétimo harmónico que é relativamente

elevado. Contudo, estes resultados são muito melhores aos que seriam obtidos com um

rectificador a díodos.

Figura 5.15 – Forma de onda da corrente que alimenta o rectificador activo, com uma carga constituída por um condensador de 500 µF e uma resistência de 100 Ω.


55

Figura 5.16 – Análise da distorção harmónica da corrente Figura 5.15.

Se a carga do rectificador for constituída por uma resistência de 100 Ω e um

condensador de 300 µF, obteve-se a forma de onda da corrente de alimentação que se

apresenta na Figura 5.17. A análise da distorção harmónica da corrente de alimentação pode

observar-se na Figura 5.18.

Figura 5.17 – Forma de onda da corrente que alimenta o rectificador activo, com uma carga constituída por um condensador de 300 µF e uma resistência de 100 Ω.


56

Figura 5.18 – Análise da distorção harmónica da corrente da Figura 5.17.

Como se pode observar, ao utilizar um condensador com uma capacidade inferior a

distorção harmónica da corrente de alimentação do rectificador activo é menor.

Após a obtenção dos resultados da implementação prática foi possível retirar as

conclusões que se apresentam no último capítulo desta dissertação.

57

6 Conclusões e Perspectivas Futuras

Sumário

Neste capítulo apresentam-se as conclusões obtidas ao longo das diferentes etapas

deste trabalho. É feita uma análise comparativa entre os resultados obtidos e os objectivos

propostos inicialmente, no estudo dos rectificadores com consumo de corrente sinusoidal.

Referem-se ainda as possibilidades de trabalho futuro no âmbito desta dissertação.

6.1 Conclusões

Os dispositivos electrónicos são em geral alimentados em corrente contínua proveniente

de rectificadores a díodos, que por sua vez recebem a energia da rede de distribuição de energia

eléctrica.

A maioria dos dispositivos electrónicos é constituída por cargas não lineares, como os

díodos, ou transístores. Este tipo de cargas caracteriza-se, entre outras coisas, por provocar

distorção harmónica na corrente da rede de distribuição de energia eléctrica. Como a rede de

distribuição de energia eléctrica possui impedância, a corrente distorcida vai provocar uma

queda de tensão nessa impedância e consequentemente a tensão da fonte também vai

apresentar distorção harmónica. Assim, qualquer carga ligada à rede de distribuição de energia

eléctrica vai ser alimentada por uma tensão distorcida, o que vai afectar ou impedir o seu

funcionamento e por outro lado, a vida útil do dispositivo eléctrico pode ser reduzida

substancialmente. Nalguns casos, cargas lineares como os condensadores ou bobinas, podem

agravar o problema da distorção harmónica se foram alimentadas por tensões e correntes

distorcidas.

Nos últimos anos o número de dispositivos electrónicos aumentou exponencialmente e

portanto o problema da distorção harmónica aumentou na mesma medida.

Existem diversas formas de minimizar o problema da distorção harmónica. Neste

trabalho, apresenta-se uma solução baseada num rectificador activo monofásico.


58

Os rectificadores activos são alvo de estudo por parte de empresas e instituições de

desenvolvimento científico há vários anos, no entanto, ainda são pouco utilizados nos

dispositivos electrónicos. Há várias razões para que isto aconteça, como o facto do estudo dos

rectificadores activos ainda não ter atingido um grau de maturidade que permita equipar os

todos os dispositivos electrónicos com rectificadores activos. Porém, o custo é a principal razão,

uma vez que os rectificadores activos são mais caros que os rectificadores tradicionais, os

fabricantes de dispositivos electrónicos estão reticentes em adoptar esta tecnologia, para não

perder competitividade face à concorrência.

Neste trabalho apresentou-se uma forma de implementar um rectificador activo

monofásico, em que o custo baixo foi sempre uma prioridade. Para tal, os objectivos

estabelecidos inicialmente incluíram uma análise técnica, sobre o conceito de Qualidade de

Energia e os problemas que lhe estão associados, seguida de um estudo estatístico para

perceber a gravidade destes problemas.

Na etapa seguinte, estudou-se o actual estado da arte dos rectificadores activos,

monofásicos e trifásicos. Tanto ao nível da investigação, como ao nível da disponibilidade

comercial dos rectificadores activos.

Seguidamente foram analisadas e simuladas algumas topologias como forma de

preparar a implementação prática que foi a etapa que se seguiu.

Na implementação prática houve diversas limitações que condicionaram o trabalho final,

como por exemplo a disponibilidade comercial dos componentes. O custo dos componentes era

outra das limitações, contudo, transformou-se esta limitação num dos objectivos a atingir, já que

para o desenvolvimento de equipamentos comercialmente competitivos este é um dos requisitos

fundamentais. Assim, procurou-se utilizar um microcontrolador de baixo custo e que pudesse

realizar os sinais de comando para controlar um rectificador activo ligado a uma carga

Comparando os resultados obtidos em simulação e os resultados práticos, pode

concluir-se que ainda há alguma margem para melhorar, no entanto, os resultados práticos

obtidos já são bastante animadores e permitem pensar nos rectificadores activos como uma

solução a ter em conta para a minimização do problema da distorção harmónica.

Outra das vantagens dos rectificadores activos é a eliminação do problema da distorção

harmónica na sua origem. Este facto é especialmente importante, porque o utilizador não se

preocupa em reduzir ou eliminar os problemas de Qualidade de Energia que ele próprio possa

causar, se isso não o beneficiar de alguma maneira.


59

Do ponto de vista do autor para além da satisfação pessoal de concluir o projecto

atingindo os objectivos propostos inicialmente, salienta-se o conhecimento adquirido desde a

idealização de um projecto até à sua implementação.

6.2 Perspectivas Futuras

O rectificador activo monofásico encontra-se a funcionar de acordo com os objectivos

iniciais, dentro de limites aceitáveis, contudo, pode ser melhorado. Como trabalho futuro

sugerem-se os seguintes pontos:

Melhorar a forma de onda da corrente na fonte, reduzindo ainda mais a distorção

harmónica da mesma.

Estudar outros tipos de microcontroladores para integrar o circuito de comando,

reduzindo o custo e melhorando o desempenho.

Tentar reduzir o tamanho das várias placas do rectificador activo.

Desenvolver um invólucro de protecção para as placas, para permitir integrar o

rectificador activo em dispositivos electrónicos de uso quotidiano.

Fazer um estudo comparativo de custos de implementação em larga escala entre

rectificadores tradicionais e rectificadores activos.

61

Referências Bibliográficas

[1] Rectifier – Wikipedia, the free encyclopedia – http://en.wikipedia.org/wiki/Rectifier – Online

(24-9-2009)

[2] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, “Power Electronics”, Second Edition, John Wiley

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