Nesta secção são apresentados resultados experimentais da operação do FAP em regime permanente e transitório, num sistema monofásico com tensão nominal de 50 V e frequência de 50 Hz. Inicialmente é exibido o estágio de pré-carga e regulação do barramento CC do inversor. Posto isso, são mostradas para todas as cargas as formas de onda da tensão e correntes do sistema, espetro harmónico e respetivo valor da THD e do fator de potência total, com e sem compensação do FAP monofásico. Será ainda apresentada a operação do FAP com a entrada de cargas no sistema monofásico.
Por último, é mostrado um resultado com tensão nominal 115 V no sistema monofásico, de forma a ser consumida pela carga uma potência significativa para aferir o rendimento do FAP.
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
5.2.1. Regulação do Barramento CC
Para ser possível injetar a corrente de compensação na rede elétrica, com uma tensão nominal de 50 V, foi regulada uma tensão no barramento CC de aproximadamente 120 V. Na Figura 5.3 pode-se ver as várias etapas da regulação do barramento CC, quando inicialmente se encontra totalmente descarregado. É possível constatar que quando é ligado o relé, que faz a conexão do FAP com a rede elétrica, a tensão no barramento CC sobe lentamente devido à resistência de pré-carga, colocada em série com o inversor. Quando a tensão atinge um valor próximo do valor de pico da tensão da rede, é ligado o relé que efetua o by-pass à resistência de pré-carga, podendo- se visualizar que a tensão no barramento CC sobe para o valor de pico da tensão da rede, cerca de 70 V. Posto isto, é dado início à regulação da tensão no barramento CC, sem o FAP estar a compensar. Ocorre o aumento da tensão para aproximadamente 120 V, mantendo-se regulada neste valor por ação de um controlador PI.
Figura 5.3 – Estágios de carga dos condensadores do barramento CC (20V/div).
5.2.2. Retificador com Carga RC
Nesta secção vão ser apresentados os resultados obtidos da operação do FAP a compensar um retificador em ponte completa com carga RC, onde em série com o retificador foi colocada uma indutância para diminuir a rápida variação da corrente, característica deste tipo de carga. Na Figura 5.4 (a) é apresentada a tensão da rede, vs, e
corrente na fonte, is, onde se pode constatar a forma distorcida da corrente absorvida
pela carga. Na Figura 5.4 (b) é apresentado o espetro harmónico da corrente na fonte, onde se observa que a harmónica de 3ª ordem apresenta quase 50% da amplitude da harmónica fundamental, bem como a existência de harmónicas significativas de 5ª, 7ª e 9ª ordem, esta carga apresenta uma THD de 45,9%.
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
(a) (b)
Figura 5.4 – Retificador com carga RC ligado ao sistema monofásico, sem compensação do FAP: (a) Tensão e corrente na fonte (vS: 20V/div; iS: 10A/div); (b) Espetro harmónico da corrente na fonte.
De forma análoga ao realizado no capítulo das simulações computacionais, foram testadas duas técnicas de comutação do inversor, são estas, o controlo preditivo e PI. Na Figura 5.5 (a) e (b) é mostrada a corrente e tensão após a compensação do FAP com controlo preditivo e PI, respetivamente. Analisando a figura, verifica-se que em ambas as técnicas a corrente fica sinusoidal em fase com a tensão da rede.
(a) (b)
Figura 5.5 – Tensão e corrente na fonte com a compensação do FAP monofásico, retificador com carga RC (vS: 20V/div; iS: 10A/div): (a) Utilizando o controlo preditivo; (b) Utilizando o controlo PI.
Na Figura 5.6 são apresentados os espetros harmónicos da corrente na fonte com a compensação do FAP, considerando as duas técnicas de comutação utilizadas. É possível comprovar que com a compensação do FAP as componentes harmónicas existentes na corrente da fonte são mitigadas. Com o controlo PI obteve-se um valor da THD (Figura 5.6 (b)), 1,4%, inferior ao controlo preditivo (Figura 5.6 (a)), 2,1%.
Em comparação com as simulações computacionais realizadas no Capítulo 3, utilizando a mesma carga, o valor da THD na corrente da fonte obtida, nas duas técnicas de comutação foi muito próxima. Nos resultados experimentais obtidos essa diferença
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
foi mais expressiva. Esse facto deve-se à não linearidade da indutância de acoplamento à rede, como se verificou na Figura 4.8, apresentada anteriormente na secção 4.2.2, uma vez que o valor da indutância varia com a corrente. Assim, o controlo preditivo realiza os cálculos utilizando uma valor de indutância incorreto, o que diminui a performance do controlo. No caso do PI essa variável não entra nos cálculos do controlo, logo essa não-linearidade da indutância não interfere com a performance do mesmo.
(a) (b)
Figura 5.6 – Espetro harmónico resultante da corrente da fonte após a compensação do FAP (retificador com carga RC): (a) Com controlo preditivo; (b) Com controlo PI.
Na Figura 5.7 (a) e (b) são apresentadas as potências presentes no sistema monofásico, bem como o fator de potência total, antes e depois da compensação do FAP monofásico. Como se pode constatar, após a compensação do FAP o fator de potência total fica unitário, sendo ainda possível comprovar a redução da potência reativa. Ficando assim também validado o funcionamento do FAP para corrigir o fator de potência. Em ambas as técnicas de controlo (PI e preditivo) os resultados obtidos da Figura 5.7 (b) são iguais.
(a) (b)
Figura 5.7 – Fator de potência total e potências no sistema monofásico (retificador com carga RC): (a) Sem compensação do FAP; (b) Com compensação do FAP.
Por último, na Figura 5.8 é mostrada a resposta transitória do FAP quando este começa a compensar os problemas de QEE da carga, pode-se ver a corrente de referência, iF_ref, calculada pelo controlo, bem como a corrente a ser injetada pelo FAP,
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
iF, na rede. Em ambas as técnicas de comutação a transição do início da compensação é
realizada sem qualquer sobrecorrente, ou mesmo correntes transitórias, que possam ser prejudiciais ao bom funcionamento da carga ligada ao sistema monofásico.
Com controlo preditivo Com controlo PI
Figura 5.8 – Resposta transitória do FAP quando é iniciada a compensação (retificador com carga RC): (a) Tensão e corrente na fonte (vS:20V/div; iS:10A/div);
(b) Corrente de referência e de compensação (iF e iF_ref:5A/div).
Na Figura 5.9 (a) e (b) pode-se ver o espetro harmónico da tensão da rede elétrica, sem e com o FAP a compensar. Analisando as figuras é possível constatar que quando o FAP inicia a compensação, a THD da tensão sobe apenas uma décima de percentagem, ou seja, constata-se que o FAP não influencia negativamente a tensão da rede. Para valores maiores de potência, como a corrente na fonte fica sinusoidal, a tendência é que a THD da tensão da rede diminua.
(a) (b)
Figura 5.9 – Espetro harmónico da tensão da rede elétrica (retificador com carga RC): (a) Sem o FAP a compensar; (b) Com o FAP a compensar.
5.2.3. Retificador com Carga RL
Seguindo a ordem dos resultados obtidos no capítulo simulações computacionais, foi testado o funcionamento do FAP a compensar os problemas de QEE de um retificador com carga RL. Na Figura 5.10 (a) é apresentada a tensão da rede e corrente
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
absorvida pela carga, onde a corrente apresenta uma forma de onda muito aproximada a uma onda quadrada. Na Figura 5.10 (b) é apresentado o conteúdo harmónico da corrente, este apresenta um valor de 34,6%.
(a) (b)
Figura 5.10 – Retificador com carga RL ligado ao sistema monofásico, sem compensação do FAP: (a) Tensão e corrente na fonte (vS: 20V/div; iS: 10A/div); (b) Espetro harmónico da corrente na fonte.
Com a utilização do FAP a corrente na fonte fica sinusoidal em fase com a tensão, Figura 5.11. Mais uma vez todas as harmónicas existentes na corrente absorvida pela carga foram mitigadas, e a THD na corrente da fonte diminui drasticamente. Ambas as técnicas de comutação utilizadas tiveram comportamentos muito parecidos.
(a) (b)
Figura 5.11 – Tensão e corrente na fonte com a compensação do FAP monofásico, retificador com carga RL (vS:20V/div; iS:10A/div): (a) Utilizando o controlo preditivo; (b) Utilizando o controlo PI.
Na Figura 5.12 (a) e (b) é mostrado os espetros harmónicos e a THD da corrente resultante com as técnicas de comutação com controlo preditivo e PI, respetivamente. Pode-se observar que da mesma forma ao mostrado na carga anterior, a corrente resultante na fonte após a compensação do FAP com o controlo PI ficou com uma THD, 1,7%, ligeiramente inferior ao conseguido com o controlo preditivo, 2,1%.
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
(a) (b)
Figura 5.12 – Espetro harmónico resultante da corrente da fonte após a compensação do FAP (retificador com carga RL): (a) Com controlo preditivo; (b) Com controlo PI.
Como se pode visualizar na Figura 5.13, após a compensação do FAP o fator de potência total foi corrigido. A Figura 5.13 (b) mostra os resultados obtidos com o controlo preditivo, sendo estes iguais aos obtidos com o controlo PI.
(a) (b)
Figura 5.13 – Potências e fator de potência total no sistema (retificador com carga RL): (a) Sem compensação do FAP; (b) Com compensação do FAP.
5.2.4. Carga RL
Neste teste foi utilizada uma carga linear que apresenta apenas consumo de potência reativa, como de pode ver na Figura 5.14.
(a) (b)
Figura 5.14 – Sistema monofásico com carga RL, sem compensação do FAP: (a) Tensão e Corrente na fonte (vS:20V/div; iS:10A/div); (b) Espetro harmónico da corrente absorvida pela carga.
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
Na Figura 5.15 (a) e (b) pode-se visualizar a corrente na fonte resultante da compensação do FAP com técnicas de comutação com controlo preditivo e PI, respetivamente. Constata-se que a corrente encontra-se em fase com a tensão da rede, sendo também notória a diminuição da corrente eficaz.
(a) (b)
Figura 5.15 – Tensão e corrente na fonte com a compensação do FAP monofásico, carga RL (vS:20V/div;
iS:10A/div): (a) Utilizando o controlo preditivo; (b) Utilizando o controlo PI.
Na Figura 5.16 estão apresentados os espetros harmónicos na corrente após a compensação do FAP. Ao contrário dos resultados mostrados nas duas cargas anteriores, neste caso, quando foi utilizado o controlo preditivo como técnica de comutação, a THD obtida foi ligeiramente inferior ao caso do controlo PI. Neste caso, a corrente injetada não é abrangida por variações elevadas de corrente em relação ao resto do sinal, por isso a variação da indutância é menor, e nesse caso com o controlo preditivo consegue-se obter uma melhor performance.
(a) (b)
Figura 5.16 – Espetro harmónico resultante da corrente da fonte após a compensação do FAP (carga RL): (a) Com controlo preditivo; (b) Com controlo PI.
Na Figura 5.17, verifica-se que no instante em que o FAP é ligado a corrente eficaz diminui. Este excesso de corrente deve-se apenas à potência reativa que a carga
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
troca com a fonte, toda essa potência é agora trocada entre o FAP e a carga, ficando a fonte apenas incumbida de entregar potência ativa ao sistema monofásico.
Com controlo preditivo Com controlo PI
Figura 5.17 – Resposta transitória do FAP quando é iniciada a compensação (carga RL): (a) Tensão e Corrente na fonte (vS:20V/div; iS:10A/div);
(b) Corrente de referência e de compensação (iF e iF_ref:5A/div).
Na Figura 5.18 pode-se ver o fator de potência total antes e depois da compensação. Por ação do FAP este foi corrigido para a unidade. Sendo ainda possível constatar a redução da potência reativa, para próximo de zero, que apresentava um valor superior à própria potência ativa consumida pela carga.
(a) (b)
Figura 5.18 – Espetro harmónico resultante da corrente da fonte após a compensação do FAP (carga RL): (a) Com controlo preditivo; (b) Com controlo PI.
5.2.5. Retificador com Carga RC e Indutância Série Baixa
Por último testou-se a mesma carga da secção 5.2.2, a diferença foi a diminuição da indutância série, de forma a obter uma THD elevada, analisando assim a resposta do FAP num caso radical de operação. Na Figura 5.19 (a) pode-se observar a forma de onda da corrente absorvida pela carga. Esta apresenta a forma de onda típica de muitos equipamentos utilizados em casas, escritórios e comércio, como é possível verificar nas medições mostradas na secção 1.4. Na Figura 5.19 (b) é apresentado o espetro
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
harmónico da corrente, como se pode comprovar este apresenta um valor da THD bastante elevado, cerca de 100%.
(a) (b)
Figura 5.19 – Retificador com carga RC e indutância série baixa ligado ao sistema monofásico, sem compensação do FAP: (a) Tensão e corrente na fonte (vS: 20V/div; iS: 10A/div);
(b) Espetro harmónico da corrente na fonte.
Na Figura 5.20 (a) e (b) são apresentados os sinais da tensão e corrente na fonte após a compensação do FAP. Como se pode constatar, a corrente na fonte obtida não ficou puramente sinusoidal, apresentando ainda alguma distorção, devido ao elevado conteúdo harmónico presente na corrente da carga. Comparando as duas técnicas utilizadas, o resultado obtido foi bastante inferior no controlo preditivo. O que mais uma vez reforça a ideia de que quando existem variações bruscas de corrente, o valor da indutância de acoplamento também sofre grandes variações, e o controlo preditivo perde qualidade de resposta. Já no controlo PI o resultado foi melhor, pois a corrente da fonte ficou bastante sinusoidal.
(a) (b)
Figura 5.20 – Tensão e corrente na fonte com a compensação do FAP monofásico, retificador com carga RC e indutância série baixa (vS:20V/div; iS:10A/div):
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
Na Figura 5.21 (a) e (b) estão apresentados os espetros harmónicos da corrente da fonte com as duas técnicas de comutação, controlo preditivo e PI, respetivamente. É possível constatar que no controlo preditivo a THD resultante da compensação do FAP foi de 6%, em contrapartida conseguiu-se 3% com o controlo PI.
(a) (b)
Figura 5.21 – Espetro harmónico resultante da corrente da fonte após a compensação do FAP (retificador com carga RC e indutância série baixa): (a) Com controlo preditivo; (b) Com controlo PI.
Na Figura 5.22 é apresentado o instante em que o FAP começa a compensar os problemas de QEE da carga, pode-se ver que apesar das grandes variações de corrente, o FAP é capaz de seguir a corrente de referência, diminuindo assim as harmónicas na corrente absorvida pela carga.
Figura 5.22 – Resposta transitório ao início da compensação FAP (retificador com carga RC e indutância série baixa), com controlo PI (vS:20V/div; iS:10A/div; iF e iF_ref:5A/div).
5.2.6. Operação do Filtro Ativo Paralelo com Alteração de Cargas
Neste teste é exibida a resposta transitória do FAP à entrada de uma nova carga no sistema monofásico. Inicialmente, está ligado ao sistema um retificador com carga RL, sendo de seguida adicionada ao sistema uma segunda carga, um retificador com carga RC. Na Figura 5.23 (b) é possível visualizar a corrente na carga. No instante em que é ligada a segunda carga verifica-se a existência de um pico de corrente devido às
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
características do retificador com carga RC. Na Figura 5.23 (a) é visível a correspondente tensão e corrente na fonte a ser compensada pelo FAP. Pode-se constatar o bom funcionamento do FAP a compensar as harmónicas da corrente, ao mesmo tempo que auxilia na diminuição do pico de corrente, provocado pela entrada da nova carga no sistema.
Figura 5.23 – Alteração de cargas ligádas ao sistema monofásico:
(a) Tensão e corrente na fonte (vS:20V/div; iS:10A/div); (b) Corrente na carga (iL:5A/div).
5.2.7. Rendimento do FAP
Por forma a aferir o rendimento do FAP, foi testado o funcionamento do mesmo a compensar uma carga já abordada neste capítulo, um retificador com carga RL, mas neste caso a tensão do sistema monofásico foi de 115 V, possibilitando uma potência significativa para a realização deste teste. Para obter o rendimento, foi medida a potência antes e depois do FAP com este a compensar a referida carga. Na Figura 5.24 é possível ver o esquema de ligação dos wattímetros no sistema monofásico.
Figura 5.24 – Esquema elétrico da montagem dos wattímetros.
Inversor Filtro RLC Rede Elétrica Carga W at tí m et ro W at tí m et ro
Capítulo 5 – Resultados Experimentais do Filtro Ativo Paralelo
Na Figura 5.25 pode-se ver a corrente e tensão antes e depois da compensação, sendo possível comprovar o bom funcionamento do FAP com uma tensão de 115 V no sistema monofásico (Figura 5.25 (b)).
(a) (b)
Figura 5.25 – Tensão e corrente na fonte (retificador com carga RL): (a) Sem compensação do FAP; (b) Com compensação do FAP.
Na Figura 5.26 apresentam-se fotografias tiradas ao ecrã do wattímetro de precisão utilizado nas medições, instalado a montante e a jusante do FAP monofásico. Apesar de estas medições serem pouco rigorosas, uma vez que as medições da potência à entrada e saída não foram efetuadas simultaneamente, pois existe apenas um wattímetro de precisão disponível. Contudo, consegue-se retirar uma boa aproximação do rendimento do FAP monofásico. Através dos valores da medição da potência ativa, o rendimento obtido do FAP com uma tensão de 115 V foi de cerca de 95,3%.
(a) (b)
Figura 5.26 – Fotografia tirada ao wattímetro, Zimmer LMG95, instalado no sistema monofásico: (a) A montante do FAP; (b) A jusante do FAP.