SISTEMA CONVERSOR MONO-TRIFÁSICO DE ALTA QUALIDADE PARA
APLICAÇÕES RURAIS E DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
RICARDO Q. MACHADO1,
SIMONE BUSO2 E
JOSÉ A. POMILIO1
1
Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
Caixa Postal 6101
13081-970 Campinas Brasil
[email protected]
2
Universidade de Padova
Departamento de Engenharia da Informação
Via Gradenigo 6/B
35131 Pádua - Itália
[email protected]
Resumo⎯ Este trabalho descreve um método para a conexão direta entre um sistema
monofásico e outro trifásico. Como principais aplicações pode-se considerar sistemas rurais de
pequeno porte. Mesmo para este tipo de consumidor, a necessidade de energia se expande para
além da simples alimentação de motores de indução, com crescente necessidade de energia de
boa qualidade para alimentar cargas sensíveis como: computadores, equipamentos de
comunicação e eletrodomésticos, etc. Tanto a conversão mono-trifásica quanto a manutenção da
qualidade da energia é feita por um inversor trifásico do tipo PWM. Diferentemente da solução
tradicional, na qual existe uma dupla conversão da energia, o que reduz o rendimento do sistema,
a proposta apresentada processa penas parte da potência consumida pela carga. O sistema
compensa a distorção harmônica da carga local, regula a tensão e a freqüência e garante, para a
rede monofásica, um fator de potência próximo da unidade. Adicionalmente o sistema podo operar
com fontes de geração distribuídas, sejam CA (como um gerador de indução sem controle de
velocidade), sejam CC (como painéis solares ou células a combustível). Resultados experimentais
comprovam o funcionamento do sistema.
Abstract⎯ This paper describes a line-interactive single-phase to three-phase converter. The
typical application is in rural areas supplied by the single-wire with earth return. The traditional
objective of feeding a three-phase induction motor is not anymore the main concern for such
conversion. Due to the evolution of the agro business, some of the local load (as electronic power
converters, computers, communication equipments, etc.) requires high quality power, intended as
sinusoidal, symmetrical and balanced three-phase voltage. Additionally, to maximize the power got
from the feeder, the system provides a unitary power factor to the feeder. A three-phase PWM
converter is used for this purpose. The power converter does not process all the load power, as in
the conventional solutions, but only the fraction necessary to regulate the three-phase bus voltage.
The control strategy, design highlights and experimental results are presented.
Palavras-chave ⎯ Conexão mono trifásica, geração distribuída, controle digital, eletrificação rural,
inversor PWM.
1 - Introdução
A utilização de sistemas de alimentação monofásica em áreas rurais é uma opção de baixo
custo e que se torna conveniente quando a carga alimentada é relativamente baixa. Tais circuitos,
no entanto, normalmente padecem de problemas de regulação de tensão, devido ao longo
comprimento dos alimentadores, bem como de outros problemas de qualidade de energia, como
distorção harmônica e baixo fator de potência.
A evolução tecnológica, no entanto, atinge também estes consumidores, para os quais a
energia elétrica não é mais utilizada apenas para o acionamento de motores [1] e iluminação, mas
também em uma quantidade crescente de equipamentos eletrônicos sensíveis a qualidade da
energia que recebem.
O sistema proposto neste trabalho conjuga a necessidade de obter uma alimentação trifásica
simétrica e equilibrada com requisitos de qualidade da energia, entendidos como regulação da
tensão, da freqüência e minimização de distorções harmônicas na tensão fornecida às cargas
locais.
Nas soluções tradicionais, a proposta é utilizar conversores PWM que processam duas vezes a
potência solicitada: retificando a energia proveniente da rede monofásica e criando uma rede
trifásica desacoplada da primeira [2-8]. Nesta proposta, mostrada na Fig. 1, o inversor PWM opera
como uma fonte de tensão trifásica a qual impõe a tensão no barramento local, ao mesmo tempo
em que controla o fluxo de potência pela rede monofásica. Com o emprego de novas técnicas de
controle associado a microprocessadores e DSP’s de alto desempenho é possível eliminar um dos
conversores. Com isso, tanto as perdas como os custos são minimizados, sem prejuízo na
qualidade da energia entregue ao consumidor. Observe que não há necessidade de uma fonte CC
no inversor, pois tal conversor não processa potência ativa, a qual é toda proveniente da rede
monofásica. Desta forma minimiza-se a circulação de energia pelo conversor eletrônico.
Consumidor
local
Barramento no qual está
conectado o consumidor
LS
vCA
v AB
imonofásica vmonfásica
Rede
monofásica
vBC
C conv
C DC
Lconv
Filtro de
saída
Conversor
PWM
Fig. 1 – Sistema para conversão mono-trifásica.
Este sistema possui outra característica interessante que é possibilidade de aumentar a
capacidade de fornecimento local de energia, inserindo fontes alternativas tais como: geração
hídrica (gerador de indução associado a uma turbina hidráulica), painéis fotovoltaicos e células a
combustível. Esta associação de várias fontes com um alimentador monofásico representa o
sistema híbrido de geração de energia mostrado na Fig. 2.
Consumidor
local
Máquina
Primária
Gerador de
Indução
LS
vCA
v AB
imonofásica vmonfásica
Rede
monofásica
vBC
Filtro de
saída
C conv
Conversor CC-CC
Lconv
LFC
iLFC
Fonte CC painél solar ou
célula à combustível
CDC
Conversor
PWM
Fig. 2 – Sistema Híbrido para geração distribuida.
2 – Operação Básica do Sistema
A estratégia de controle faz a imposição de tensões simétricas, equilibradas e senoidais no
barramento no qual o consumidor irá se conectar. Além disso, deseja-se que: imonofásica (corrente
na rede monofásica) e vmonofásica (tensão na rede monofásica) estejam em fase ou defasadas 180o,
garantindo fator de potência unitário. A defasagem será de 180° caso haja uma fonte conectada
ao consumidor local, injetando a energia excedente para a rede.
Esta estratégia se baseia na operação do sistema elétrico interligado, no qual o controle do
fluxo de potência ativa pode ser feito pelo ajuste da diferença da tensão instantânea entre dois
pontos, o que é conseguido tanto pela alteração dos valores eficazes quando da defasagem. O
fluxo de potência depende tanto desta diferença quanto da impedância existente entre os pontos
conectados [9-10].
Um dos objetivos deste sistema é o de garantir ao usuário local energia de qualidade, que se
exprime, dentre outras características, por uma tensão estabilizada. Ressalta-se que da
capacidade do inversor impor a tensão local depende a capacidade de compensação automática
de potência reativa e de harmônicas.
Caso exista um gerador trifásico conectado ao barramento local, as tensões senoidais e
equilibradas do barramento produzirão correntes do gerador senoidais e equilibradas. Ou seja,
mesmo na presença de cargas desequilibradas, reativas e não-lineares, o GI mantém boas
condições de operação. Uma análise semelhante pode ser feita para o lado da rede monofásica.
Com isso, as componentes harmônicas da corrente da carga, e a potência reativa fluirão através
do conversor PWM.
Na realidade, como o conversor PWM possui uma impedância de saída finita (determinada
pelo filtro passivo de saída e pela lei de controle do inversor), haverá uma certa influência das
harmônicas tanto no GI e na rede. No entanto, com projeto adequado do filtro e do controle da
tensão, este efeito pode ser suficientemente reduzido [9-10].
Caso, a demanda energética da carga seja menor do que as eventuais fontes locais podem
fornecer, o excesso será enviado à rede monofásica. Caso a energia solicitada pela carga seja
superior àquela gerada localmente, o sistema absorve energia da rede, como mostra a Fig. 3.
Em relação à variável
Pmonofásica (potência ativa absorvida e/ou injetada na rede monofásica),
caso o sinal seja positivo, o ângulo β é positivo e VAB (tensão de linha imposta pelo inversor) está
adiantado em relação a Vmonofásica (tensão de linha na rede monofásica). Se o sinal for negativo, β
também o é, e VAB estará atrasada em relação Vmonofásica. Em qualquer uma das situações, a
tensão local VAB, será tal a produzir uma corrente pela linha que resulte em fator de potência
unitário.
VLS
β
VAB
VAB
β
VLS
Absorção de energia da rede
Entrega de energia à rede
Fig. 3 – Diagramas fasoriais.
3 – Resultados Experimentais
3.1 - Conversão mono-trifásica
Nesta primeira etapa são mostradas situações onde estão presentes rede monofásica e cargas
locais. Tal estrutura foi chamada de conversão mono-trifásica,
3.1.A - Análise em Regime Permanente
O sistema está alimentando uma carga resistiva equilibrada com potência igual a 1800 W. Na
Fig. 4 são mostradas as tensões trifásicas produzidas pelo inversor. Como esperado, tais tensões
estão balanceadas e defasadas 120o. Na Fig. 5, como a carga absorve energia da rede
monofásica, o resultado é um β negativo entre a tensão de linha nos terminais do inversor e a
tensão da rede monofásica. A tensão aplicada à carga é senoidal e tanto a corrente quanto a
tensão da rede monofásica possuem a mesma distorção.
vA
vB
vC
-1 6 o
β
v m o n o fá sica
vAB
− i m o n o fá sic a
Fig. 6 – Ângulo β (500mV = 45°). Tensão no
Fig. 4 – Alimentação de carga resistiva
barramento CA e na rede monofásica
equilibrada: Tensões trifásicas entregue ao
(180V/div.). Corrente na rede monofásica
consumidor (90V/div). Horizontal: 10ms/div.
(10A/div.). Horizontal: 10ms/div.
A Fig. 6 mostra uma situação de carga trifásica equilibrada de 1500W. Como a fase C não
está conectada á rede, o suprimento de potência à carga conectada em tal fase depende de uma
circulação de potência das demais fases. Dos 500 W necessários, cada uma das outras fases (A e
B) suprem metade. Os valores medidos são ligeiramente superiores devido às perdas do
conversor.
Fig. 6 – Fluxo de potência pelo inversor para alimentação de uma carga trifásica equilibrada.
3.1.B - Análise Dinâmica
Para testar o comportamento dinâmico do sistema, uma carga linear monofásica de 500 W foi
conectada entre as fases A e B. No momento em que tal carga é inserida, ocorre uma redução na
tensão do barramento CA. Tal afundamento é determinado de acordo com os limites indicados
pela ANEEL e rapidamente compensados pela atuação do controle da tensão CA através dos
novos valores de ângulo β e amplitude de VAB. Com isso, o sistema absorve uma quantidade
adicional de energia da rede monofásica para suprir a carga que foi inserida [11].
As Figs. 7 e 8 mostram o desacoplamento conseguido entre os controles da tensão CA (que é
ajustado visando obter em regime permanente FP unitário na rede monofásica) e o controle da
tensão do barramento CC, a qual faz ajustes transitórios no ângulo β de modo a regular a referida
tensão. Note que VAB não depende do valor instantâneo de VCC.
Em outro teste, um motor de indução de ½ CV (sem carga mecânica) foi conectado ao
barramento CA sem que houvesse algum tipo de partida suave. No instante em que ocorre a
inserção do motor, tanto a corrente proveniente da rede monofásica quanto a tensão do
barramento CC sofrem alterações. Essas alterações podem ser mensuradas como um ∆β e, de
acordo com a estratégia adotada de transitoriamente somente alterar o defasamento entre
imonofásica e vmonofásica, a amplitude de VAB não sofre nenhuma alteração, como mostra a Fig. 9.
Apesar da grande demanda de potência reativa durante a partida, não se observa redução na
tensão da carga.
A Fig. 10 ilustra uma situação em que o sistema já retornou ao regime permanente isto é,
muitos ciclos de rede após a partida do motor.
A Fig. 11 apresenta o diagrama fasorial do sistema já em equilíbrio, podendo-se verificar o fator
de potência praticamente unitário. A Fig. 12 mostra espectros de tensão e de corrente para a
mesma situação da Fig. 11. Nestas medições foi utilizada uma fonte monofásica que não
apresentava distorção harmônica, o que explica as melhores formas de onda em relação aos
resultados anteriores.
VCC
VCC
330V
∆VAB
0V
vAB
vAB
icarga
icarga
Fig. 8 – Detalhes da figura 8: Tensão no
Fig. 7 – Tensão no barramento CC do inversor,
barramento CC do inversor, VCC (45V/div).
VCC (180V/div). Tensão no barramento CA
Tensão no barramento CA (200V/div.). Corrente
(200V/div.). Corrente de carga (2A/div.).
de carga (2A/div.). Horizontal: 40ms/div.
Horizontal: 100ms/div.
vmonofásica
-imonofásica
vAB
imotor
vCC
-imonofásica
Fig. 9 – Partida de motor trifásico: Corrente na Fig. 10 – Tensão (100V/div) e corrente (10A/div.)
na rede monofásica. Horizontal: 5ms/div.
rede monofásica (20A/div). Tensão no
barramento CA (500V/div.). Tensão no
barramento CC (200V/div.). Corrente no motor
(5A/div.). Horizontal: 50ms/div.
vmonofásica
vmonofásica
-imonofásica
vAB
-imonofásica
Fig. 11 – Diagrama fasorial da tensão (180V/div.) Fig. 12 – Espectro de vmonofásica, vAB e -imonofásica.
e da corrente (10A/div.) na rede monofásica.
3.1.C - Análise com Carga Não-linear
Uma carga não-linear composta por um retificador trifásico não controlado consumindo 600 W
foi conectada no barramento CA. A Fig. 13 demonstra a capacidade de compensação das
harmônicas por parte do sistema. A referência interna e a tensão na rede monofásica estão
superpostas, ilustrando o sincronismo entre as tensões produzidas pelo inversor e a rede.
Também, determinou-se o THD tanto para VAB quanto para icarga e os valores medidos foram 2% e
40% respectivamente.
A Fig. 14 mostra a tensão de referência do conversor PWM e a tensão produzida em seus
terminais sendo que ambas estão superpostas. O inversor é capaz de suprir toda a distorção
solicitada pela carga. Com isso, a corrente circulante pela rede monofásica permanece senoidal.
O defasamento apresentado entre Vmonofásica e Imonofásica resultou em um FP igual a 0,99.
vref = vmonofásica
*
vA = vA
vmonofásica
vAB
icarga
-imonofásica
Fig. 14 – Alimentação de carga não-linear:
Fig. 13 – Alimentação de carga não-linear:
Tensão de referência e tensão filtrada no
Tensão gerada internamente e tensão na rede
monofásica (180V/div). Tensão no barramento barramento CA (360V/div). Tensão (100V/div.) e
corrente (10A/div.) na rede monofásica.
CA (250V/div.) e corrente na carga (5A/div.).
Horizontal: 5ms/div.
Horizontal: 5ms/div.
3.1.D - Variação de Carga Não-linear
Nesta situação o sistema possui inicialmente um carregamento igual ao apresentado no item
3.1.C. Em um determinado instante adicionou-se 600 W ao retificador trifásico. O controle da
tensão do barramento CC do conversor PWM identificou tal variação e rapidamente alterou β para
que o sistema absorvesse da rede monofásica a energia adicional. Após este degrau de carga, FP
e THD permaneceram os mesmos do item anterior, Fig. 15.
i carga
v fonte
-i monofásica
Fig. 15 – Alimentação de carga não-linear: Corrente de carga (10A/div.). Tensão no barramento
CA (180V/div.). Corrente na rede monofásica (10A/div.). Horizontal: 10ms/div.
3.1.E - Operação sob Variação de Freqüência
Para verificar a capacidade do sistema autar sob variação da tensão da rede, o que é feito Poe
meio de um PLL (phase locked-loop), foi imposta na rede monofásica um degrau de 0,5 Hz
quando nos terminais do conversor PWM estava conectada uma carga linear trifásica de 1300 W.
O sincronismo entre vref e vmonofásica é rapidamente obtido devido à performance do PLL. Porém,
tais variações resultam em oscilações no fluxo de potência entre a carga + inversor e a rede
monofásica.
Esta variação instantânea de freqüência altera β e produz perturbação no fluxo de potência que
por sua vez causa alteração na tensão do barramento CC. O compensador PI da tensão do
barramento CC possui como saída um ∆β que lentamente é ajustado. A Fig. 17 apresenta os
mesmo resultados da Fig. 16 isto é, o sistema está em regime [12.] Note-se no entanto, que para
o usuário praticamente não há perturbação, dado que a tensão no barramento CA permanece
regulada e de freqüência controlada.
v ref = vmonofásica
‘
‘
− pmonofásica
− imonofásica
‘
vref = vmonofásica
− p monofásica
vmonofásica = −imonofásica
vmonofásica
Fig. 16 – Variação da freqüência da rede:
Fig. 17 – Variação da freqüência da rede:
Tensão gerada internamente e tensão na rede Tensão gerada internamente e tensão na rede
monofásica (360V/div). Potência instantânea na monofásica (360V/div). Potência instantânea na
rede monofásica (2500W/div.). Tensão
rede monofásica (2500W/div.). Tensão
(250V/div.) e corrente (10A/div.) na rede
(250V/div.) e corrente (10A/div.) na rede
monofásica. Horizontal: 50ms/div.
monofásica. Horizontal: 10ms/div.
3.2 – Geração Distribuída
Aqui foi inserido um gerador de indução, sem controle da turbina, ou seja, sem controle da
potência gerada. O objetivo é aumentar a capacidade do sistema. Em situações nas quais o
consumidor rural estiver auto-suficiente o mesmo poderá vender à concessionária local todo o
excesso de energia, quando a legislação assim o permitir.
3.2.A - Análise em Regime Permanente
O sistema alimenta uma carga resistiva equilibrada com potência igual a 1800 W. A Fig. 18
apresenta a tensão de fase vA e sua referência. Devido ao controle utilizado, o erro residual é
quase nulo. Nestes testes a rede monofásica não é ideal (é a própria rede). O fator de potência
medido entre v fonte e i fonte resultou em 0,99, com THD iguais a 2,2% e 2,28% respectivamente.
Já para VAB o THD encontrado foi 0,9%. A tensão produzida pelo inversor apresenta menor
distorção que a rede local, de modo que se pode afirmar que a distorção na corrente da rede
monofásica é essencialmente devida à distorção do próprio alimentador.
Na Fig. 18, como a carga absorve energia da rede monofásica, o resultado é um β negativo
entre a tensão de linha nos terminais do inversor e a tensão da rede monofásica. Como esperado,
a tensão aplicada à carga é senoidal e tanto a corrente quanto a tensão da rede monofásica
possuem a mesma distorção.
Na Fig. 19 são apresentadas duas das tensões trifásicas produzidas pelo inversor, assim como
as correntes de saída do gerador de indução. Como esperado, tais tensões estão balanceadas e
defasadas 120o, assim como as correntes do GI, o que significa uma operação equilibrada para o
gerador.
iA
*
vA = vA
vmonofásica
vB
iC
vA
-imonofásica
Fig. 19 – Tensões e correntes nos terminais do
Fig. 18 – Tensão de referência e filtrada nos
GI (100V/div). Horizontal: 10ms/div.
terminais do GI (180V/div.). Tensão (100V/div.) e
corrente (10A/div.) na rede monofásica.
Horizontal: 10ms/div.
3 - Conclusões
Foi apresentada uma nova proposta para conversão mono-trifásica com o objetivo de
minimizar o processamento da energia, aumentando o rendimento do sistema e, além disso,
garantir energia de boa qualidade ao consumidor (tensões senoidais equilibradas e FP na rede
monofásica igual a 1). Duas situações distintas foram mencionadas: uma utilizando rede
monofásica+cargas+conversor PWM e outra, utilizando rede monofásica+cargas+conversor
PWM+fonte alternativa de energia (gerador de indução associado a uma turbina hidráulica, painéis
fotovoltaicos e células à combustível). Em ambos os casos são atingidos os objetivos propostos.
O conversor empregado na conversão é um inversor PWM usual, no qual foi alterada a estratégia
de controle. Este sistema poderia utilizar plataformas disponíveis em inversores comerciais, o que
possibilita soluções de baixo custo.
Agradecimento
Os autores gostariam de agradecer a CAPES e FAPESP (proc. BEX0277/02-9 e 00/11038-9)
pelo suporte financeiro a este projeto.
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Input Current Shaping for Low Cost AC Motor Drives”, IEEE Trans. On Industry Applications, vol.
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