Filtro de Harmônicos Híbridos - UDESC - CCT · 2016-09-08 · Filtros de Harmônicos Híbridos...
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Filtro de Harmônicos Híbridos
1
Disciplina: Condicionadores de Energia- CEN
Professor: Marcello Mezaroba
Mestrandos: Everton Peres Correa
Marcus Vieira Soares
2016
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Filtros de Harmônicos Híbridos
Composto por um filtro passivo sintonizado e um filtro ativo;
Apontados como solução plausível para compensação harmônica com
baixo custo e elevada eficiência;
O filtro ativo possui baixa potência nominal enquanto que o filtro passivo
processa a maior parcela de potência;
O filtro passivo cria um caminho de baixa impedância para componentes
harmônicas de corrente na qual encontra-se sintonizado;
Quando um filtro passivo paralelo opera com um filtro ativo paralelo visa-
se a compensação de harmônicos na corrente;
Quando o mesmo opera com um filtro ativo série visa-se a compensação
de harmônicos na tensão;
A metodologia de projeto de potência de filtro híbridos é similar às de
filtro passivos shunt e filtro ativos, porém procura-se um menor
processamento de potência pelos dispositivos chaveados;
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3
Filtro Ativo Paralelo + Filtro Ativo Sintonizado
Características:
• Filtro Passivo compensa harmônicos de baixa frequência;
• Filtro Ativo compensa harmônicos de alta frequência;
• Potência do FAP é reduzida;
• Tensão do FAP é a mesma do PCC;
3
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4
Equações para os projeto de Filtro passivos shunt
2
1
2222
12
1
22
1 IKILhIRIKRIKI
IKR hhshshs
hh
hh
h
QRL h
h
h
hh
Lh
QRC
22
h: ordem do harmônico
Rh: resistência série do filtro para o harmônico h
Kh: valor máximo permitido para o harmônico h (% de I1)
I1: valor eficaz da fundamental da corrente do alimentador
Ih: valor eficaz do harmônico h da corrente do alimentador
Rs, Ls: resistência e indutância série do alimentador
ω: frequência angular da tensão do alimentador
Resistência do
filtro sintonizado:
Indutância do
filtro sintonizado:
Capacitância do
filtro sintonizado:
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Malha de Controle
Malha de controle do FAP (Similar a da operação singular)
5
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Especificações dos Dispositivos
6
𝑃0 (potência da carga) 30,06 k𝑊
𝑓𝑠 (Frequência de comutação) 50 k𝐻𝑧
𝑉0 (Tensão do barramento CC) 800V
∆𝑉0(Ondulação de tensão máxima no barramento) 1%
∆𝑖𝐿 (Ondulação de corrente máxima) 5%
fres (Frequência de ressonância do filtro LC) 2150 Hz
𝑃𝐹𝐴 (Potência Nominal do Filtro Ativo) 3 kVA
𝑆𝑡𝑟𝑓 (Potência nominal do trafo) 45 𝑘𝑉𝐴
𝑍𝑡𝑟𝑓 (Impedância do trafo) 6%
𝑆𝑜 (Potência nominal das cargas) 45 𝑘𝑉𝐴
Carga resistiva 20% 𝑆𝑜
Carga RL 30% 𝑆𝑜
Retificador 3φ com filtro capacitivo e carga RC 30% 𝑆𝑜
Retificador 3φ controlado com carga L (α=60°) 20% 𝑆𝑜
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Equações de Projeto FAP
7
2
/ 3746
2 .
oo
b b
PC F
f V V
8674
bMIN
L s
VL H
I f
16,333
2ns s
s s
f C FL C
64
ss s
ns s
RR
f L
Planta de Corrente:
_
( )( )
( )
fs bis PWM i s
fss
i s VG s K K
sLd s
1 1
k 2
SV rdVT
SI B B
K VG
V s C
Planta de Tensão de Barramento
1 1
k 2
SVVD
SI B
KG
s C
Planta de Tensão Diferencial
Capacitor do barramento(Co):
Indutor do Filtro de saída (Lf):
Capacitor do Filtro de Saída (Cf):
Resistor do Filtro de Saída (Rf):
Dimensionamento de componentes Modelos das plantas a serem
controladas
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Diagramas de bode
Malha da tensão total de barramento Malha da tensão diferencial
Para a planta de corrente foi utilizado um ganho do tipo proporcional unitário.
-100
-50
0
50
100
150
Ga
nho
(d
B)
10-2
10-1
100
101
102
103
104
-180
-135
-90
-45
0
Fa
se
(d
eg
)
Bode Diagram
Frequência (Hz)
Gvt
Cvt
FTMAvt
-100
-50
0
50
100
150
Ga
nho
(d
B)
10-2
10-1
100
101
102
103
104
-180
-135
-90
-45
0
Fa
se
(d
eg
)
Bode Diagram
Frequência (Hz)
GV
CV
FTMAv
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Simulação
Circuito do sistema a ser compensado
9
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Simulação
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Simulação
Malha de Controle Implementada no Circuito de Simulação
11
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3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
perc
entu
al [%
]
Harmônicas da corrente rede sem compensação
Irede
IEEE 519
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)
0
-200
-400
200
400
Iph_R V_Ph_R
Tensão e Corrente Não Compensado
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Corrente e Tensão Compensado com o Filtro Sintonizado
13
THDi
2,06%
THDv
3,16%
0
-200
-400
200
400
V_Ph_R V_Ph_S V_Ph_T
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)
0
-50
-100
50
100
Iph_R Iph_S Iph_T
0
-20
-40
20
40
I_Cap_R I_Cap_S I_Cap_T
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)
0
-50
-100
50
100
IcargaR Iph_R I_Cap_R
Corrente
dos filtros
passivos
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Tensão e Corrente Compensado com o FAP
14
0
-200
-400
200
400
V_Ph_R V_Ph_S V_Ph_T
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)
0
-50
-100
50
100
Iph_R Iph_S Iph_T
0-10-20-30
102030
I_Cap_R IconvR
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)
0
-50
-100
50
100
Iph_R IcargaR IconvR+I_Cap_R
THDi
1,71%
THDv
2,37 %
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Amplitude dos Harmônicos de Corrente e Tensão compensado FHP
16
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
per
cen
tual
[%
]Harmônicas da tensão do PAC rede com compensação
VPAC
IEEE 519
Prodist
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
per
cen
tual
[%
]
Harmônicas da corrente rede com compensação
Irede
IEEE 519
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Filtros Híbridos (ativo série + passivo shunt)
16
Os filtros passivos shunt apresentam uma impedância alta na frequência
fundamental e uma impedância muito baixa para os harmônicos, evitando
que eles circulem pela impedância da rede;
No entanto, certo pontos fracos são apresentados:
• Seu funcionamento é altamente dependente da impedância da fonte,
que não é precisamente conhecida;
• Pode entrar em ressonância com a impedância da fonte e assim
ampliar a amplitude dos harmônicos;
A associação do filtro passivo shunt com o filtro ativo série reduz as
deficiências que uma ou outra estrutura operadas isoladamente possam
ter.
A impedância do filtro passivo deve ser menor que a impedância da fonte
na frequência de sintonia para permitir a atenuação requerida.
O filtro ativo funciona como uma alta impedância nas frequências de
sintonia do filtro passivo;
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Filtros Híbridos (ativo série + passivo shunt)
Topologia básica (esquema unifilar e circuito equivalente monofásico)
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Filtros Híbridos (ativo série + passivo shunt)
• Para o projeto de controle do filtro ativo é necessário obter apenas
uma parcela de componentes das harmônicas, assim evitando de
corrigir a componente da fundamental.
• Utiliza-se, portanto, um filtro rejeita faixa de segunda ordem na
medição da corrente da carga
• Um fator K é determinado de modo a emular uma resistência para
as múltiplas frequências, permitindo que a impedância da fonte
seja maior em relação a impedância do filtro passivo shunt.
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Variáveis de Projeto
19
Parâmetros Valores
Vs (Tensão do alimentador fase-neutro) 230 V
frd (Frequência da Rede) 50 Hz
Rs (Resistência série da rede) 70,56mΩ
Ls (Indutância série da rede) 673,54μH
∆𝑖𝐿 (Ondulação de corrente máxima) 5%
fres (Frequência de ressonância do filtro LC) 2150 Hz
So (Potência Total das Cargas) 45kVA
Porcentagem de So Cargas
20% Resistiva
30% Resistiva-indutiva
30% Retificador 3ϕ com filtro C e carga resistiva
20% Retificador controlado com carga fortemente
indutiva (α=60°)
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8674
bMIN
L s
VL H
I f
16,333
2ns s
s s
f C FL C
64
ss s
ns s
RR
f L
Planta de tensão do transformador (com
relação unitária) por razão cíclica do FAS:
Indutor do Filtro de saída (Lf):
Capacitor do Filtro de Saída (Cf):
Resistor do Filtro de Saída (Rf):
Equações do projeto do FAS
11
)(2
sCRsCL
VsG
ff
ff
cc
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Diagramas de bode
-150
-100
-50
0
50
100
Ga
nho (
dB
)
101
102
103
104
105
106
-180
-135
-90
-45
0
45
Fase (
deg)
Bode Diagram
Frequência (Hz)
GV
CV
FTMAv
Malha da tensão do transformador do FAS
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Simulação – Circuito do Sistema
• 1ª simulação sem compensação e fonte de 5ª e 7ª harmônica;
• 2ª simulação desconsidera-se as fontes de 5ª e 7ª harmônica e aplica-se os
• dispositivos de compensação;
• 3ª simulação considera-se o circuito por completo;
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Simulação – Sistema de Compensação
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Simulação – Sistema sem Compensação
Tensão do PAC
apresenta
THD=6,55%
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
perc
entu
al [
%]
Harmônicas da tensão do PAC rede sem compensação
VPAC
IEEE 519
Prodist
0.8 0.81 0.82 0.830.8
4Time (s)
0
-200
-400
200
400
Va_pac Vb_pac Vc_pac
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Simulação – Sistema sem Compensação
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
perc
entu
al [%
]
Harmônicas da corrente rede sem compensação
Irede
IEEE 519
Corrente do
PAC apresenta
THD=8,95%
Harmônicas acima
dos limites: 5ª,7ª,
11ª,13ª
0.8 0.81 0.82 0.83 0.84Time (s)
0
-
50
-
100
50
10
0
Ia_rede Ib_rede Ic_rede
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Simulação – Sistema com Compensação
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
perc
entu
al [
%]
Harmônicas da tensão do PAC rede com compensação
VPAC
IEEE 519
Prodist
Componentes de
tensão nos limites
impostos pela
norma
THDv : 2,67%
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Simulação – Sistema com Compensação
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490
1
2
3
4
5
6
7
8
harmônicas
perc
entu
al [%
]
Harmônicas da corrente rede sem compensação
Irede
IEEE 519
THDi : 2,3%
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Simulação – Sistema com Compensação com
adição de harmônicos na rede
Correção
significativa em
relação aos
harmônicos da
rede
THDv : 3%
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Simulação – Sistema com Compensação com
adição de harmônicos na rede
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