BR102014023057A2 - método e equipamento para eliminação de componentes harmônicos e obtenção de fator de potência unitário em conversores corrente alterna - corrente contínua e corrente contínua - corrente alternada - Google Patents

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Abstract

método e equipamento para eliminação de componentes harmônicos e obtenção de fator de potência unitário em conversores corrente alternada – corrente contínua e corrente contínua – corrente alternada. o presente pedido de patente compreende um método e um equipamento para eliminação de componentes harmônicos baseados em duas técnicas complementares, são elas a eliminação seletiva de harmônicos através da modulação por largura de pulsos (she pwm) em conjunto com o transformador de múltiplos enrolamentos. a associação destes dois recursos é capaz de reduzir a distorção harmônica de corrente a valores extremamente baixos propiciando um fator de potência verdadeiramente unitário. a tecnologia é adequada para conversores corrente alternada – corrente contínua e corrente contínua – corrente alternada de baixa e média tensão que fazem interface com a rede elétrica e devem possuir baixa distorção harmônica da corrente por causa do alto valor de potência envolvida e também por fragilidade da rede elétrica (baixa potência de curto circuito no ponto de acoplamento).

Description

“MÉTODO E EQUIPAMENTO PARA ELIMINAÇÃO DE COMPONENTES HARMÔNICOS E OBTENÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO EM CONVERSORES CORRENTE ALTERNADA - CORRENTE CONTÍNUA E CORRENTE CONTÍNUA - CORRENTE ALTERNADA” [001] O presente pedido de patente compreende um método e um equipamento para eliminação de componentes harmônicos baseados em duas técnicas complementares, são elas a eliminação seletiva de harmônicos através da modulação por largura de pulsos (SHE PWM) em conjunto com o transformador de múltiplos enrolamentos. A associação destes dois recursos é capaz de reduzir a distorção harmônica de corrente a valores extremamente baixos propiciando um fator de potência verdadeiramente unitário. A tecnologia é adequada para conversores corrente alternada - corrente contínua e corrente contínua - corrente alternada de baixa e média tensão que fazem interface com a rede elétrica e devem possuir baixa distorção harmônica da corrente por causa do alto valor de potência envolvida e também por fragilidade da rede elétrica (baixa potência de curto circuito no ponto de acoplamento).
[002] O uso de conversores de potência trifásicos já se tornou comum em aplicações industriais e de sistemas elétricos, contudo quanto maior a quantidade de potência que necessita ser convertida por esses equipamentos, maiores são os problemas relacionados à qualidade de energia. Esses conversores (cargas não lineares) demandam da rede elétrica (fonte de tensão senoidal) correntes não senoidais. Essas correntes por sua vez provocam uma queda de tensão não senoidal na impedância do sistema dando origem a distorções de tensão nos terminais da própria carga e de outras que compartilhem do mesmo sistema elétrico. Essas correntes e tensões distorcidas podem ser decompostas por uma soma da senóide fundamental (na mesma frequência da rede) e de diversas outras senóides de frequências múltiplas da fundamental (harmônicas) (J. Arrilaga and N. R. Watson, Power Systems Harmonics, 2nd ed. Chichester, England: John Wiley & Sons, 2003.).
[003] A presença desses harmônicos num sistema elétrico pode causar ressonância série ou paralela com capacitores instalados, por exemplo, para correção de fator de potência de deslocamento, levando a correntes excessivas e dano a esses capacitores; aumento das perdas no cobre e no ferro de transformadores e máquinas elétricas provocando maior aquecimento das mesmas com possibilidade de falha dos equipamentos; pulsações de torque nas máquinas elétricas, impedindo o correto controle da carga e causando maior estresse mecânico ao equipamento; maiores perdas em condutores elétricos devido ao maior valor RMS de corrente e a presença de altas frequências (efeito pelicular e de proximidade são função da frequência), levando a necessidade de sobre dimensionamento dos condutores; mal funcionamento de dispositivos eletrônicos e de telecomunicação.
[004] Limites e práticas recomendadas para manter os harmônicos em níveis aceitáveis nos sistemas elétricos são estabelecidos na norma IEEE Std 519 (IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Power Systems, IEEE Standard 519, 1992.). A norma IEEE Std 1547 estabelece limites mais severos nos casos de fontes de geração distribuída interconectas ao sistema elétrico. Por sua vez, a norma IEC 61000-4-7 estabelece as técnicas de medição de harmônicos em sistemas de fornecimento de energia (IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, IEEE Standard 1547, 2003.)( Electromagnetic compability (EMC) - Part 4-7: Testing and measurement techniques - General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto, IEC Standard 61000-4-7, 2009.).
[005] Além de analisar a amplitude de cada componente harmônica (normalmente em relação à fundamental), dois outros indicadores são utilizados para indicar qualitativa e quantitativamente o grau de distorção das correntes e tensões num sistema. São eles o de distorção harmônica total (THD do inglês Total Harmonic Distortion), utilizado para tensões e correntes, e o de distorção total de demanda (TDD do inglês Total Demand Distortion), utilizado para correntes de forma a diferenciar a levar em conta as condições de carga durante as medições (J. Arrilaga and N. R. Watson, Power Systems Harmonics, 2nd ed. Chichester, England: John Wiley & Sons, 2003.)( IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Power Systems, IEEE Standard 519, 1992.). Os dois indicadores estão representados em [1] e [2], sendo que eles se tornam o mesmo valor nas condições em que a corrente fundamental se iguala à corrente nominal do equipamento. Condição que será considerada daqui por diante.
[1] [2] [006] Em que n é a ordem do harmônico avaliado e N é a ordem do maior harmônico a ser considerado na composição do indicador. Embora teoricamente N possa ser tão grande quanto desejado, a norma IEEE Std. 519 o estabelece como sendo 50 (IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Power Systems, IEEE Standard 519, 1992.). O que também atende a IEC 61000-4-7 que estabelece o valor mínimo de 40 e a IEEE Std. 1566 que estabelece que os harmônicos até o de ordem 49 sejam avaliados no caso de conversores para acionamento de motores de alta potência (Electromagnetic compability (EMC) - Part 4-7: Testíng and measurement techniques - General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto, IEC Standard 61000-4-7, 2009.) (IEEE Standard for Performance of Adjustable Speed AC Drives Rated 375kW and Larger, IEEE Standard 1566, 2005.).
[007] Na presença desses harmônicos o fator de potência de uma instalação ou equipamento deixa de ser apenas o cosseno do ângulo de defasagem entre a tensão e corrente fundamental, mas incorpora também as componentes harmônicas de tensão e corrente em seu cálculo como mostrado em [3] abaixo. Esse é o assim chamado fator de potência verdadeiro (do inglês true power factor) (W. M. Grady and R. J. Gilleskie, “Harmonics and how they relate to power factor”, presented at Proc. EPRI Power Quality Issues & Opportunities Conf., San Diego, CA, Nov. 1993.).
[3] [008] O fator de potência verdadeiramente unitário depende então de dois fatores: tensão e corrente fundamental em fase e ausência de conteúdo harmônico significativo de tensão e corrente. O primeiro requisito é inerente a retificadores passivos a diodos e pode facilmente ser obtido em retificadores ativos através do controle adequado de corrente em componentes dq (N. Mohan, T. M. Undeland and W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3rd ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2003) (A. Yazdani and R. Iravani, Voltage-Sourced Converters: Modeling, Control and Applications, 1st ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2010). Já o segundo, a redução dos harmônicos, é mais complexo e é função da topologia do conversor, da técnica de modulação adotada e de algum método adicional de redução de harmônicos (A.-S.A. Luiz and B.J.C. Filho, “Sinusoidal voltages and currents in high power converters”, in 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, Orlando, Nov. 2008, pp. 3315-3320).
[009] O uso de retificadores passivos em sistemas trifásicos provoca o aparecimento de harmônicos da ordem h = 6k ± 1, em que k = 1, 2, 3... (J. Arrilaga and N. R. Watson, Power Systems Harmonics, 2nd ed. Chichester, England: John Wiley & Sons, 2003) (N. Mohan, T. M. Undeland and W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3rd ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2003.). A redução na quantidade de harmônicos produzida pode, nesse caso, se dar através do uso de transformadores de múltiplos enrolamentos em que cada enrolamento alimenta um retificador e a defasagem angular entre os enrolamentos é propriamente escolhida de forma que, no primário, se obtenha uma eliminação maior de harmônicos (B. Singh et al., “Multipulse AC-DC converters for improving power quality: A review”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 01, pp. 260-281, Jan. 2008). Dessa forma, a quantidade de enrolamentos secundários (x) define quantos harmônicos serão eliminados e os harmônicos característicos no primário podem ser generalizados por h=6xk ± 1.
[0010] Um simples transformador trifásico de três enrolamentos (Delta-delta-estrela), por exemplo, gera a defasagem necessária (30°) entre seus enrolamentos para ter no primário somente os harmônicos de ordem h=12k ± 1. Embora transformadores de mais enrolamentos possam ser utilizados diminuindo ainda mais a quantidade de harmônicos, como ocorre com o conversor multi-níveis em cascata em que dependendo do nível de tensão utilizam-se transformadores de até 15 enrolamentos (P. W.
Hammond, “A new approach to enhance power quality for médium voltage drives”, in Industry Applications Society 42nd Annual Petroleum and Chemical Industry Conf., Denver, CO, 1995, pp. 231-235),essa grande quantidade de enrolamentos aliada à defasagem não convencional que deve existir entre eles para que ocorra o cancelamento de harmônicos traz grande complexidade e custos elevados na produção dos transformadores.
[0011] Uma solução alternativa ao uso de transformadores tão complexos, se faz através do uso de conversores ativos em que se tem o controle do disparo dos dispositivos semicondutores de potência (J. R. Rodríguez et al., “PWM regenerative rectifiers: State of art”, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 52, no. 01, pp. 5-22, Feb. 2005). Esses conversores, regenerativos por natureza, podem ser feitos, a exemplo da parte inversora, em dois, três ou mais níveis. Quanto maior o número de níveis, menor é a distorção harmônica da corrente demandada pelo conversor. Em conversores de média tensão já é comum o uso de topologias de no mínimo três níveis devido à própria limitação de tensão máxima das chaves (IGBT e IGCT) que são atualmente encontradas no mercado (A. Volke and M. Hornkamp, IGBT Modules: Technologies, Driver and Application, 1st ed. Munich, Germany: Infineon, 2011), (J. Rodríguez et al., “Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives”, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 06, pp. 2930-2945, Dec. 2007).
[0012] As topologias três níveis mais conhecidas são a do conversor três níveis NPC (do inglês Neutral Point Clamped) e a dos conversores três níveis ANPC (do inglês Active Neutral Point Clamped) ou NPP (do inglês Neutral Point Piloted) (A. Nabae, I. Takahashi, H. Akagi, “A new neutral-point-clamped PWM inverter”, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-17, no. 05, pp. 518-523, Sept./Oct. 1981.), (T. Brückner, S. Bernet, and H. Güldner, “The active NPC converter and its loss-balancing control,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 52, no. 3, pp. 855-868, Jun. 2005.),( V. Guennegues, et al., “A converter topology for high speed motor drive applications”, in European Conf. Power Electronics and Applications, Barcelona, Spain, 2009, pp. 1-8.). Para os casos em que o conversor alimenta uma carga em que não há necessidade de regeneração, alternativas já foram apresentadas tanto para baixa tensão quanto para média tensão de conversores três níveis que possuem apenas a capacidade de retificação mantendo no mínimo a mesma qualidade de energia das topologias regenerativas de três níveis e com o uso de uma quantidade reduzida de dispositivos semicondutores (J. W. Kolar and F. C. Zach, “A novel three-phase utility interface minimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifier modules”, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 44, no. 04, pp. 456-467, Aug. 1997.),( Y. Zaho, Y. Li, T. A. Lipo, “Force commutated three levei boost type rectifier”, in Industry Applications Society Annual Meeting, Toronto, Canada, 1993, pp. 771-777.),( M. L. Heldwein, S. A. Mussa, I. Barbi, “Three-phase multilevel PWM rectifiers based on conventional bidirectional converters”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 25, no. 03, pp. 545-549, Mar. 2010.).
[0013] Embora existam diversas topologias com mais até do que três níveis como as que fazem uso do flying capacitor, essas topologias ganham muito em complexidade e perdem em custo e confiabilidade devido ao aumento do número de componentes (J. Rodríguez et al., “Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives”, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 06, pp. 2930-2945, Dec. 2007.). Além disso, mesmo o uso de conversores três níveis em baixa tensão não é muito aceitável uma vez que o número de chaves é multiplicado, no mínimo, por três em relação à alternativa de dois níveis.
[0014] As técnicas de modulação por largura de pulso (PWM do inglês pulse-width modulation) também exercem importante influência no conteúdo harmônico das tensões e correntes demandadas pelos conversores ativos. Embora as técnicas PWM já sejam bem difundidas baseadas em ondas portadoras e vetores espaciais, as limitações impostas na frequência de chaveamento devido às perdas em conversores para aplicações de alta potência fazem com que apareçam harmônicos de ordens mais baixas (A. M. Hava, R. J. Kerkman, T. A. Lipo, “Simple analytical and graphical methods for carrier-based PWM-VSI drives”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 14, no. 01, pp.49-61, Jan. 1999.). Esses harmônicos de mais baixa ordem podem ter sua amplitude reduzida através da aplicação de filtros LCL (M. Liserre, F. Blaabjerg, S. Hansen, “Design and control of an LCL-filter-based three-phase activie rectifier”, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 41, no. 05, pp. 1281-1291, Sept./Oct. 2005.), porém os elementos reativos necessários tem custo e tamanho razoáveis e diminuem a eficiência total do conjunto (em especial quando é necessário amortecimento passivo do filtro).
[0015] Uma alternativa que, ainda com frequências de chaveamento baixas, apresenta harmônicos de mais alta ordem é a técnica de eliminação seletiva de harmônicos (SHE do inglês Selective Harmonic Elimination) (R. G. Hoft, H. S. Patel, “Generalized techniques of harmonic elimination and voltage control in thyristor inverters: Part I - Harmonic elimination”, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-9, no. 03, pp. 310-317, May/Jun. 1973.), (R. G. Hoft, H. S. Patel, “Generalized techniques of harmonic elimination and voltage control in thyristor inverters: Part II - Voltage control techiniques”, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-10, no. 05, pp. 666-673, Sept./Oct. 1974.). Embora essa técnica seja de mais difícil implementação e eleve os seus primeiros harmônicos não-eliminados (B. K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, 1st ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002.), esses harmônicos bem conhecidos e de mais alta ordem podem ser eliminados através de filtros com menores elementos reativos e do uso de braços ressonantes, (A.-S.A. Luiz, B.J.C. Filho, “Analysis of passive filters for high power three-level rectifiers”, in 34th Annual Conf. IEEE Industrial Electronics, Orlando, 2008, pp. 3207-3212.),( A.-S.A. Luiz, B.J.C. Filho, “Minimum reactive power filter design for high power converters”, in 13th Power Electronics Motion Control Conf,, Poznan, Poland, 2008, pp. 1345-1352.).
[0016] De acordo com J. Pontt et. al, uma topologia é proposta com a finalidade de atender os requisitos da IEEE Std. 519 utilizando uma combinação de conversores três níveis, modulação SHE PWM (para 3 e 5 pulsos) e transformador de três enrolamentos (J. Pontt, J. Rodríguez and R. Huerta, “Mitigation of noneliminated harmonics of SHE PWM three-level multiphase three-phase active front end converters with low switching frequency for meeting standard IEEE-519-92”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 06, pp.1594-1600, Nov. 2004), (IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Power Systems, IEEE Standard 519, 1992.). Essa proposição se mostrou eficaz em reduzir os harmônicos a níveis interessantes com baixa frequência de chaveamento e sem o uso de filtros com elementos capacitivos. Contudo, ela ainda não foi capaz de produzir um fator de potência verdadeiramente unitário por ainda possuir harmônicos dentro das faixas apreciáveis no cálculo de [1] e [3] (IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Power Systems, IEEE Standard 519, 1992.), (Electromagnetic compability (EMC) -Part 4-7: Testing and measurement techniques - General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto, IEC Standard 61000-4-7, 2009.),(IEEE Standard for Performance of Adjustable Speed AC Drives Rated 375kW and Larger, IEEE Standard 1566, 2005.). Além do que, por utilizar apenas conversores três níveis, essa topologia representa ainda um custo elevado para aplicações de baixa tensão devido ao uso de um número excessivo de elementos semicondutores.
[0017] O documento US5835364, intitulado “HARMONIC ELIMINATING PWM CONVERTER” de 10/11/1998 refere-se a um conversor que utiliza transformador e modulação PWM, mas não a técnica de eliminação seletiva de harmônicos. A necessidade do uso de bancos de capacitores é uma característica desfavorável ao seu uso.
[0018] O equipamento proposto na presente invenção é um conversor capaz de eliminar componentes harmônicos e operar com fator de potência unitário. As características de funcionamento apresentadas são alcançadas por meio do processo que utiliza duas estratégias complementares, são elas a eliminação seletiva de harmônicos através da modulação por largura de pulsos associada ao uso de um transformador de múltiplos enrolamentos.
[0019] BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[0020] FIGURA 1 - A Figura 1 exibe a topologia genérica do conversor proposto e seus elementos básicos: um transformador convencional de três enrolamentos (2), (3) e (4) com ligações Dd0y1 ou Dd0y11 (conforme IEC 60076-1) tendo o seu primário (2) conectado a rede elétrica (1) e cada um dos seus secundários (3) e (4) conectado a um conversor (6) chaveando através do método SHE PWM de 9 pulsos. A saída em corrente contínua dos conversores pode ser mantida em barramentos individuais FIGURA 1(b) para possibilitar uma ligação em paralelo dos conversores do lado da carga e assim maior corrente disponível ou ser ligada em série FIGURA 1(a) para obtenção de um maior valor de tensão no barramento de corrente contínua.
[0021] FIGURA 2 - A Figura 2 indica um conversor de dois níveis convencional com capacidade de operação conversora ou inversora.
[0022] FIGURA 3 - A Figura 3 indica uma representação por fase da topologia de conversor NPC três níveis com capacidade de operação em quatro quadrantes.
[0023] FIGURA 4 - A Figura 4 indica uma representação por fase da topologia de conversor ANPC três níveis com capacidade de operação em quatro quadrantes.
[0024] FIGURA 5 - A Figura 5 indica uma representação por fase da topologia de conversor NPP três níveis com capacidade de operação em quatro quadrantes.
[0025] FIGURA 6 - A Figura 6 indica uma representação por fase da topologia do conversor de Vienna em que só existe a possibilidade de fluxo de potência no sentido conversor para carga.
[0026] FIGURA 7 - A Figura 7 apresenta uma representação por fase da topologia do conversor elevador de 3 níveis com comutação forçada em que só existe a possibilidade de fluxo de potência no sentido conversor para carga.
[0027] FIGURA 8 - A Figura 8 apresenta uma representação por fase da topologia do conversor 3 níveis baseado na topologia NPC em que só existe a possibilidade de fluxo de potência no sentido conversor para carga.
[0028] FIGURA 9 - A Figura 9 apresenta uma representação por fase da topologia do conversor 3 níveis baseado na topologia NPP em que só existe a possibilidade de fluxo de potência no sentido conversor para carga.
[0029] FIGURA 10 - A Figura 10 exibe duas topologias em que conversores multiníveis (10) (11) são utilizados para alimentação de um motor ou gerador (12) em tensões da ordem de até 9 kVrms. O barramento de corrente contínua pode ser conectado em série permitindo a obtenção de 5 níveis de tensão provenientes do conversor e consequentemente sendo possível o uso de um inversor em 5 níveis (10) do lado da máquina (Figura 10(a)). De forma alternativa os barramentos de corrente contínua podem de forma independente alimentar conversores em 3 níveis (11) que alimentam uma máquina com os 6 terminais da bobina acessíveis (Figura 10(b)>.
[0030] FIGURA 11 - A Figura 11 mostra os dados de simulação para um conversor dois níveis. Os dados simulados são relativos a uma fase, representada na figura como fase A. No primeiro gráfico, no eixo das ordenadas, está representada a tensão em Volts chaveada pelo conversor, evidenciada pelos pulsos em onda quadrada; no mesmo gráfico também esta representada a referência senoidal associada aos pulsos resultantes da modulação PWM; no eixo das abscissas está representado o tempo em segundos. No segundo gráfico está representado o espectro harmônico resultante da tensão chaveada pelo conversor; no eixo das ordenadas, está representada a tensão dos componentes harmônicos expressa como um valor percentual em relação à amplitude da tensão da componente fundamental; no eixo das abscissas está representada a ordem dos componentes harmônicos.
[0031] FIGURA 12 - A Figura 12 mostra os dados de simulação para um conversor dois níveis. Os dados simulados são relativos a uma fase, representada na figura como fase A. No primeiro gráfico, no eixo das ordenadas, está representada a corrente no enrolamento secundário do transformador em Ampères; no eixo das abscissas está representado o tempo em segundos. No segundo gráfico está representado o espectro harmônico associado à corrente que circula no enrolamento secundário do transformador; No eixo das ordenadas está representada a intensidade de corrente de cada componente harmônico expressa como um valor percentual em relação à amplitude da corrente da componente fundamental; no eixo das abscissas está representada a ordem dos componentes harmônicos.
[0032] FIGURA 13 - A Figura 13 mostra os dados de simulação para um conversor dois níveis. Os dados simulados são relativos a uma fase, representada na figura como fase A. No primeiro gráfico, no eixo das ordenadas, está representada a corrente no enrolamento primário do transformador, em Ampères, refletida a partir do enrolamento secundário (primário e secundário em ligação Delta); no eixo das abscissas está representado o tempo em segundos. No segundo gráfico, no eixo das ordenadas, está representada a corrente no enrolamento primário do transformador, em Ampères, refletida a partir do enrolamento secundário (primário em delta e secundário em estrela); no eixo das abscissas está representado o tempo em segundos. No terceiro gráfico, no eixo das ordenadas, está representada a corrente total no enrolamento primário do transformador, em Ampères, refletida a partir dos dois enrolamentos secundários; no eixo das abscissas está representado o tempo em segundos.
[0033] FIGURA14 - A Figura 14 mostra os dados de simulação para um conversor dois níveis. Os dados simulados são relativos a uma fase, representada na figura como fase A. No gráfico está representado o espectro harmônico associado à corrente total que circula no enrolamento primário do transformador em Ampères; no eixo das ordenadas está representada a intensidade de corrente de cada componente harmônico expressa como um valor percentual em relação à amplitude da corrente da componente fundamental; no eixo das abscissas está representada a ordem dos componentes harmônicos. No gráfico está indicada a distorção harmônica total da corrente que circula pelo enrolamento primário do transformador igual a 0,582 %.
[0034] FIGURA 15 - A Figura 15 mostra os dados de simulação para um conversor três níveis. Os dados simulados são relativos a uma fase, representada na figura como fase A. No primeiro gráfico, no eixo das ordenadas, está representada a tensão em Volts chaveada pelo conversor, evidenciada pelos pulsos em onda quadrada; no mesmo gráfico também está representada a referência senoidal associada aos pulsos resultantes da modulação PWM; no eixo das abscissas está representado o tempo em segundos. No segundo gráfico está representado o espectro harmônico resultante da tensão chaveada pelo conversor; no eixo das ordenadas, está representada a tensão dos componentes harmônicos expressa como um valor percentual em relação à amplitude da tensão da componente fundamental; no eixo das abscissas está representada a ordem dos componentes harmônicos.
[0035] FIGURA 16 - A Figura 16 mostra os dados de simulação para um conversor três níveis. Os dados simulados são relativos a uma fase, representada na figura como fase A. No primeiro gráfico, no eixo das ordenadas, está representada a corrente no enrolamento secundário do transformador em Ampères; no eixo das abscissas está representado o tempo em segundos. No segundo gráfico está representado o espectro harmônico associado à corrente que circula no enrolamento secundário do transformador; no eixo das ordenadas está representada a intensidade de corrente de cada componente harmônico expressa como um valor percentual em relação à amplitude da corrente da componente fundamental; no eixo das abscissas está representada a ordem dos componentes harmônicos.
[0036] FIGURA 17 - A Figura 17 mostra os dados de simulação para um conversor três níveis. Os dados simulados são relativos a uma fase, representada na figura como fase A. No primeiro gráfico, no eixo das ordenadas, está representada a corrente no enrolamento primário do transformador, em Ampères, refletida a partir do enrolamento secundário (primário e secundário em ligação Delta); no eixo das abscissas está representado o tempo em segundos. No segundo gráfico, no eixo das ordenadas, está representada a corrente no enrolamento primário do transformador, em Ampères, refletida a partir do enrolamento secundário (primário em delta e secundário em estrela); no eixo das abscissas está representado o tempo em segundos. No terceiro gráfico, no eixo das ordenadas, está representada a corrente total no enrolamento primário do transformador, em Ampères, refletida a partir dos dois enrolamentos secundários; no eixo das abscissas está representado o tempo em segundos.
[0037] FIGURA 18 - A Figura 18 mostra os dados de simulação para um conversor três níveis. Os dados simulados são relativos a uma fase, representada na figura como fase A. No gráfico está representado o espectro harmônico associado à corrente total que circula no enrolamento primário do transformador em Ampères; no eixo das ordenadas está representada a intensidade de corrente de cada componente harmônico expressa como um valor percentual em relação à amplitude da corrente da componente fundamental; no eixo das abscissas está representada a ordem dos componentes harmônicos. No gráfico está indicada a distorção harmônica total da corrente que circula pelo enrolamento primário do transformador igual a 0,1 %.
[0038] DESCRIÇÃO DETALHADA DA TECNOLOGIA
[0039] A presente tecnologia envolve um método e um equipamento para eliminação de componentes harmônicos.
[0040] O método para eliminação de componentes harmônicos compreende as seguintes etapas: a) eliminação de componentes harmônicos de ordem h, definida pela expressão h=6k ± 1, através do uso de transformadores de três enrolamentos, em que k= {1,3,5,7, ...}; b) eliminação de componentes harmônicos de ordem h definida pela expressão h=12k ± 1, em que k= {1,2,3,4,...), através do uso de modulação por largura de pulso com eliminação seletiva de harmônicos (SHE PWM).
[0041] A ordem de componentes harmônicos a serem eliminados nas etapas “a” e “b” pode ser igual ou superior a 50. Na etapa “b” o tipo de modulação por largura de pulso com eliminação seletiva de harmônicos (SHE PWM) mais indicado é o de 9 pulsos.
[0042] O equipamento proposto trata-se de um conversor capaz de eliminar componentes harmônicos e operar com fator de potência unitário. As características de funcionamento apresentadas são alcançadas por meio do processo descrito acima que utiliza duas estratégias complementares, são elas a eliminação seletiva de harmônicos através da modulação por largura de pulsos associada ao uso de um transformador de múltiplos enrolamentos. A topologia genérica não limitante do dispositivo está apresentada na figura 1. O equipamento compreende um transformador de múltiplos enrolamentos, composto de um enrolamento primário (2), pelo menos um par de enrolamentos secundários, um configurado em ligação delta (3) e outro em ligação estrela (4); sendo que cada enrolamento secundário se conecta individualmente a um conversor (6) chaveado por meio de modulação por largura de pulso com eliminação seletiva de harmônicos. O equipamento proposto pode conter múltiplos pares de enrolamentos secundários (3) e (4) ligados a múltiplos conversores (6) configurando repetições da unidade básica que inclui o par de enrolamentos secundários (3) e (4) e os conversores conectados individualmente a estes enrolamentos.
[0043] A redução na quantidade de harmônicos produzida se dá através do uso de transformadores de múltiplos enrolamentos em que cada enrolamento alimenta um conversor e a defasagem angular entre os enrolamentos é propriamente escolhida de forma que, no primário, se obtenha uma eliminação de harmônicos. Dessa forma, a quantidade de enrolamentos secundários define quantos harmônicos serão eliminados. Um simples transformador trifásico de três enrolamentos (Delta-delta-estrela), por exemplo, gera a defasagem necessária (30°) entre seus enrolamentos para ter no primário somente os harmônicos de ordem h (definida pela expressão h=12k ± 1, em que k= (1, 2, 3,...}). A obtenção da corrente senoidal no primário do transformador (livre de harmônicos até a ordem 50) ocorre também devido ao fato de os conversores em questão terem os ângulos do SHE PWM calculados de forma a eliminar os harmônicos que não são eliminados pela ligação do próprio transformador que são os de ordem h (definida pela expressão h= 12k ± 1, em que k= (1, 2, 3, 4,...}), através do uso de modulação por largura de pulso com eliminação seletiva de harmônicos (SHE PWM), conforme indicado na Tabela 1, que exibe os valores de componentes harmônicos a serem eliminados no caso em que o número de enrolamentos do transformador for igual a três. Os harmônicos pares não são característicos devido à simetria de um quarto de onda e os harmônicos triplos são cancelados entre fases devido a ligação trifásica a três fios.
Tabela 1 - Ordens dos harmônicos eliminados por cada elemento.
[0044] A saída em corrente contínua dos conversores pode ser mantida em barramentos individuais (figura 1(b)) para possibilitar uma ligação em paralelo dos conversores do lado da carga e assim obter maior corrente disponível e também pode ser ligada em série para obtenção de um maior valor de tensão no barramento de corrente contínua (figura 1(a)). As medições de tensão e corrente necessárias ao sincronismo com a rede e ao controle do conversor podem ser tomadas tanto do lado primário (preferencial) quanto dos secundários.
[0045] Os conversores (6) podem possuir distintas topologias de acordo com os níveis de tensão e corrente envolvidas na comutação e bloqueio das chaves, como também da necessidade ou não de fluxo de potência bidirecional. As figuras 2-9 indicam as topologias multiníveis que podem ser adotadas para os conversores, podendo ser dos tipos: NPC, ANPC, NPP, Conversor de Viena, Conversor elevador com comutação forçada.
[0046] A figura 2 indica um conversor de dois níveis convencional com capacidade de operação conversora ou inversora. As demais figuras indicam topologias de três níveis, sendo que as topologias apresentadas nas figuras 3-5 indicam os conversores NPC, ANPC e NPP, respectivamente. Todas essas também com capacidade de operação em quatro quadrantes. Já as figuras 6-9 indicam as topologias possíveis em três níveis em que só existe a necessidade de fluxo de potência no sentido do conversor para a carga e, portanto, o número de chaves ativas pode ser reduzido.
[0047] A figura 10 mostra uma aplicação do método proposto em uma configuração preferencial do conversor, em que o mesmo é implementado com um transformador de dois enrolamentos secundários (3) e (4), conversores (6) de três níveis (figuras 3-5 e 7-8) para alimentação de um motor (12) ou gerador (12) em tensões da ordem de até 9 kVrms. O barramento de corrente contínua pode ser conectado em série permitindo a obtenção de cinco níveis de tensão (10) provenientes do conversor e consequentemente sendo possível o uso de um inversor em 5 níveis do lado da máquina (figura 10(a)) ou os barramentos de corrente contínua podem de forma independente alimentar conversores em 3 níveis (11) que alimentam uma máquina com os seis terminais da bobina acessíveis (figura 10(b)). Essa é a configuração menos complexa do equipamento, pois utiliza o menor número de enrolamentos do transformador e, portanto, é economicamente interessante e confiável.
[0048] A invenção pode ser melhor compreendida através dos exemplos abaixo, não limitantes a: Exemplo 1 - Resultados das simulações realizadas [0049] Resultados das simulações realizadas utilizando a ferramenta Simulink® do MATLAB® tanto para um sistema de baixa tensão aplicando-se conversores de dois níveis (dados do sistema simulado na tabela 2) quanto para uma aplicação em média tensão utilizando conversores de três níveis (dados do sistema simulado na tabela 3). O transformador utilizado na simulação é composto de três enrolamentos.
Tabela 2 - Dados do sistema simulado de baixa tensão aplicando-se conversores de dois níveis.
Tabela 3 - Dados do sistema simulado de média tensão aplicando-se conversores de três níveis.
[0050] Os resultados obtidos a partir das simulações estão dispostos em gráficos. Nas figuras de 11-14 estão os resultados para a simulação de conversor dois níveis, nelas estão as formas de ondas da tensão (e espectro harmônico) chaveada pelo conversor, a corrente (e espectro) no secundário do transformador, as correntes do secundário refletidas para o primário e a corrente resultante no primário e o espectro harmônico da corrente no primário do transformador, respectivamente. As figuras de 15-18 indicam os mesmos resultados para o caso do uso de conversores a três níveis.
[0051] Em todos os resultados pode-se verificar que, embora as correntes sejam altamente distorcidas nos secundários do transformador, a eliminação seletiva em conjunto com o transformador de três enrolamentos foi capaz de produzir uma distorção harmônica total de corrente extremamente baixa no primário (calculados até o 50° harmônico). Esses THD aplicados na equação [3] resultam em um fator de potência verdadeiramente unitário. Isso foi obtido com conversores cujas frequências de chaveamento eram de 1140 Hz para conversores de dois níveis e de 1080 Hz (540 Hz por chave) no caso de conversores três níveis.

Claims (8)

1. Método para eliminação de componentes harmônicos caracterizado por compreender as seguintes etapas: a) eliminação de componentes harmônicos de ordem h, definida pela expressão h=6k ± 1, através do uso de transformadores de três enrolamentos, em que k={1,3,5,7, ...}; b) eliminação de componentes harmônicos de ordem h definida pela expressão h=12k ± 1, em que k={1,2,3,4,...}, através do uso de modulação por largura de pulso com eliminação seletiva de harmônicos (SHE PWM).
2. Método para eliminação de componentes harmônicos, de acordo com a reivindicação 1, etapas “a” e “b”, caracterizado pela ordem de componentes harmônicos a serem eliminados poder ser igual ou superior a 50.
3. Método para eliminação de componentes harmônicos, de acordo com a reivindicação 1, etapa “b”, caracterizado pelo o tipo de modulação por largura de pulso com eliminação seletiva de harmônicos (SHE PWM) ser preferencialmente de 9 pulsos.
4. Equipamento para eliminação de componentes harmônicos caracterizado por compreender um transformador de múltiplos enrolamentos composto de um enrolamento primário (2), pelo menos um par de enrolamentos secundários, um configurado em ligação delta (3) e outro em ligação estrela (4); sendo que cada enrolamento secundário se conecta individualmente a um conversor (6) chaveado por meio de modulação por largura de pulso com eliminação seletiva de harmônicos.
5. Equipamento para eliminação de componentes harmônicos, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por poder conter múltiplos pares de enrolamentos secundários (3) e (4) ligados a múltiplos conversores (6) configurando repetições da unidade básica que inclui o par de enrolamentos secundários (3) e (4) e os conversores conectados individualmente a estes enrolamentos.
6. Equipamento para eliminação de componentes harmônicos, de acordo com a reivindicação 4 e 5, caracterizado por conter um transformador de múltiplos enrolamentos, mas preferencialmente dois enrolamentos secundários.
7. Equipamento para eliminação de componentes harmônicos, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelos conversores poderem estar associados em série e também em paralelo.
8. Equipamento para eliminação de componentes harmônicos, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelos conversores poderem ser multiníveis dos tipos NPC, ANPC, NPP, Conversor de Viena, Conversor elevador com comutação forçada.
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