As tensões e/ou correntes geradas por inversores de potência a partir de um processo modulação de alta freqüência, provocam entre outras coisas, reduções da eficiência e da vida útil motores elétricos, transformadores, cabos, etc.. No caso dos motores industriais da linha "standard" adota-se como solução paliativa a subutilização ("motor derating") ou a elevação de sua classe de isolação para a categoria imediatamente acima. De forma semelhante, grandes conversores eletrônicos tais como retificadores a diodo ou tiristores geram uma distribuição harmônica no espectro de freqüência indesejada que perturbam o sistema elétrico. Esses problemas têm sido tratados pelas concessionárias de energia e institutos de pesquisa e de padronização através da adoção de normas e recomendações como a IEEE519-1992 nos Estados Unidos e IEC 6100-3-2/IEC 6100-3-4 na Europa.
Existem várias alternativas para a redução e/ou eliminação do conteúdo harmônico gerado por conversores eletrônicos. A referência [2] apresenta uma discussão sobre essas alternativas abordando desde técnicas mais simples como o uso de soluções passivas a até soluções sofisticadas como o uso de compensadores instantâneos de potência harmônica. Estas técnicas são classificadas em [2] segundo o seu emprego como mostra a Figura 2.9. Grande parte delas implica em certa complexidade e em custos elevados, ou ainda, são de difícil aplicação em sistemas de acionamentos elétricos, [63]-[68].
Considerando-se as limitações da freqüência de chaveamento dos conversores multiníveis propõe-se então a nova classificação desses métodos da Figura 2.10, [66].
O método de filtragem utilizando elementos passivos é um dos primeiros métodos de redução de harmônicos empregado em sistemas elétricos. Em um sentido mais amplo este é o mais simples de todos os métodos de redução de harmônicos, embora os procedimentos de projeto sejam em muitos casos bastante complexos e não representem uma solução geral (específico para cada aplicação). Os filtros passivos consistem em um conjunto de indutores, capacitores e resistores arranjados com o objetivo de eliminar harmônicos de baixa ordem (5o, 7o, 11o, 13o…). Sua principal vantagem é seu reduzido custo em comparação com outros métodos [11] e suas desvantagens são os seus elementos pesados e volumosos, os possíveis problemas de ressonância e o aumenta das
Figura 2.9 Classificação dos métodos de redução de harmônicos em função da aplicação.
correntes e tensões fundamentais. A última implica em perdas extras de energia e na necessidade de superdimensionamento dos elementos do sistema.
O filtro ativo é outro método de redução de conteúdo harmônico que emprega conversores de potência monofásicos ou trifásicos associados ao conceito de potência instantânea [4] ou outro tipo de estratégia de conformação da forma de onda de corrente, [63]. Existem dois tipos de filtros ativos, que são os filtros de corrente (ou "shunt") e os de tensão (ou série), que podem ser implementados em versões de dois ou mais níveis. Nesta técnica o conversor fornece a potência harmônica exigida pela carga, e a rede de energia elétrica fornece apenas a componente fundamental da corrente e/ou tensão, [69]. Isto faz com que a rede "enxergue" a carga como se ela fosse puramente resistiva. A filtragem ativa resulta em uma melhor eliminação de harmônicos que os métodos passivos, com bom controle dinâmico de potência harmônica, reativa e fundamental, sob condições de carga equilibrada e desequilibrada. Suas principais desvantagens são: maior complexidade do controle, elevado nível de perdas de chaveamento, problemas de interferência eletromagnética (EMI), necessidade de ampla faixa de passagem para o controle, o que implica em altas freqüências de chaveamento do conversor, impraticável em aplicações de média tensão e alta potência, e difícil utilização no estágio inversor dos acionamentos elétricos à velocidade variável. Soluções híbridas de filtros ativos e passivos, (um pequeno filtro passa-baixa entre o filtro ativo e a rede de energia elétrica), resolve parte desses problemas [2], mas a necessidade de ampla faixa de passagem e o problema do emprego da técnica no estágio inversor permanecem sem solução, [66].
SOLUÇÕES PARA CARGAS INSTALADAS SOLUÇÕES BASEADA EM ELETRÔNICA DE POTÊNCIA MÉTODOS DE TÉCNICAS DE FILTRAGEM Filtros Ativos
Filtros Passivos Filtros Híbridos Cancelamento misto monofásico e trifásico Retificadores Multipulsos RETIFICAÇAO ATIVA Retificadores Retificadores “Boost” MÉTODOS DE REDUÇÃO DE HARMÔNICOS
Figura 2.10 Classificação dos métodos de redução de harmônicos em função da faixa de passagem.
O método do cancelamento de harmônicos se baseia no princípio de que os harmônicos de baixa ordem podem ser eliminados através de um deslocamento adequado de fase em múltiplas unidades de conversores conectados em série [5]. Esse método de redução de conteúdo harmônico é algumas vezes denominado de retificação multipulsos já que cada unidade de retificador apresenta pulsos de corrente em baixa freqüência e o aumento do número de pulsos (número de pontes de retificadores) com a defasagem apropriada aumenta o conjunto de harmônicos de baixa ordem cancelados entre as unidades do conversor e melhora o fator de potência do sistema [5]. Este é um método bastante simples que à semelhança de outros métodos utiliza estruturas básicas da Eletrônica de Potência na “síntese” de cargas lineares e redução de harmônicos. Todavia, este método requer um transformador de entrada pesado e volumoso e com projeto mais complicado à medida que o número de pulsos aumenta. Este método gera ainda elevadas quedas de tensão e apreciável conteúdo harmônico quando sujeito aos desequilíbrios de carga ou tensão de linha. O cancelamento misto ("mixed
cancellation") é uma alternativa para este método e consiste na mistura de retificadores monofásicos e trifásicos a diodo a fim de reduzir o conteúdo harmônico de baixa ordem, uma vez que o 5o e o 7o harmônico de retificadores monofásicos e trifásicos a diodo estão freqüentemente em antifase, [6]. Embora esse método não necessite de ampla faixa de passagem, também se verifica a dificuldade de emprego do mesmo no estágio de saída dos acionamentos elétricos à velocidade variável.
O retificador ativo é outro método de redução de harmônicos composto de um conversor de potência e um regulador de corrente para conformação de suas ondas de
MÉTODOS DE REDUÇÃO DE HARMÔNICOS TÉCNICAS DE BAIXA FREQÜÊNCIA RETIFICAÇAO ATIVA Retificadores “Buck” Retificadores “Boost” MÉTODOS DE CANCELAMENTO Cancelamento misto monofásico e trifásico Retificadores Multipulsos TÉCNICAS DE FILTRAGEM Filtros Passivos
TÉCNICAS DE FILTRAGEM Filtros Ativos Filtros Híbridos TÉCNICAS DE ALTA FREQÜÊNCIA
corrente, ou outra técnica equivalente. Existem duas topologias diferentes, uma com a saída em tensão, VSC, e outra em corrente, CSC, denominadas respectivamente, retificador elevador ("boost") e retificador abaixador ("buck"). O retificador ativo apresenta capacidade regenerativa de energia, ajuste das tensões e correntes do barramento c.c., correntes de entrada aproximadamente senoidais, fator de potência controlável (capacitivo, indutivo ou unitário) e capacidade de operação com tensões distorcidas e desequilibradas e com variações de freqüência. De forma semelhante ao filtro ativo, suas principais desvantagens são: maior complexidade do controle, elevado nível de perdas de chaveamento, exigência do controlador com larga faixa de passagem (com alta freqüência de chaveamento, inviável para conversores de alta potência) e problemas de interferência eletromagnética (EMI). Além disso, este também apresenta menor eficiência que o retificador a diodo, devido às perdas de comutação.
Em contraposição aos métodos mais complexos, alguns autores recomendam utilização de filtros passivos senoidais para a redução dos harmônicos dos conversores estáticos de alta potência. Outros autores asseguram que os resultados alcançados com a configuração LCL de terceira ordem superam aqueles obtidos com o emprego de indutores puros em retificadores [7]-[10]. O mesmo é verificado no caso dos inversores de freqüência onde se indica o filtro LC de segunda ordem em vez da alimentação direta de motores ou outras cargas c.a., [7], [11] e [70]. Este fato está associado ao princípio de que filtros de ordem mais elevada podem apresentar maior capacidade de atenuação com menores valores dos elementos reativos. Contudo a baixa freqüência de comutação dos semicondutores dos conversores para média tensão industrial dificulta o processo de filtragem uma vez que a modulação produz um conteúdo harmônico em uma região do espectro de freqüência em que mesmo os filtros de segunda ou terceira ordem apresentam pouca capacidade de atenuação dos referidos harmônico. A alternativa geralmente adotada nesse caso consiste em reduzir a freqüência de corte do filtro. Esse procedimento é desaconselhado, pois gera filtros mais pesados e caros, além de interferir na amplitude e na fase da grandeza sintetizada pelo conversor em conseqüência da proximidade das freqüências fundamental e de corte do filtro. Por esse motivo alguns autores optam pelo uso de configurações de filtro de maior ordem e/ou grau de complexidade na tentativa de aumentar a atenuação do filtro dos harmônicos de baixa ordem como é o caso dos trabalhos nas referências [70]-[74]. Ainda nessa linha, se verifica na literatura que a adição de elementos ressonantes ao filtro senoidal melhora
a eliminação de harmônicos concentrados em regiões específicas do espectro de auxiliando o filtro principal e incrementando sua capacidade de atenuação [71].