Desenvolvimento de um filtro ativo de potência paralelo com topologia interleaved

Abstract

Num mundo cada vez mais competitivo e com recursos limitados, a qualidade de energia elétrica assume, cada vez mais, um papel de elevada importância, pois a eficiência e o tempo de vida útil das cargas, e do próprio sistema elétrico, estão diretamente relacionados com a qualidade da energia elétrica. Tendo isto em consideração, e observado a evolução do mercado, percebe-se a necessidade de soluções que atendam à demanda por inversores de maior qualidade e com preços mais competitivos. No entanto, a maior parte dos avanços obtidos, relativamente à qualidade da forma de onda sintetizada pelos inversores, está relacionada com o aumento da frequência de comutação dos semicondutores. Contudo, como o aumento da frequência de comutação dos semicondutores está limitado por razões físicas dos próprios semicondutores, quando se pretende sintetizar sinais cuja frequência do ripple é superior à frequência de comutação, surgem, então, as topologias interleaved. Assim, para obter um ripple com frequência n vezes superior à frequência de comutação são utilizados n conversores em paralelo, denominando-se de um topologia interleaved de n módulos. É importante ressalvar que nesta topologia, no entanto, o aumento de n vezes o valor do ripple é feito graças ao desfasamento dos sinais portadores e não à custa do aumento de n vezes o número de comutações dos semicondutores, ou seja, não é necessário lidar com a multiplicação de n vezes as perdas devido às comutações. Esta dissertação de mestrado assenta no desenvolvimento de um inversor monofásico que emprega uma topologia interleaved do tipo fonte de tensão controlada por corrente, para aplicações de baixa tensão. O inversor desenvolvido opera como filtro ativo de potência, permitindo assim, mitigar os problemas de qualidade de energia elétrica, relacionados com harmónicos de corrente e com baixo fator de potência, da instalação onde o inversor está instalado. Inicialmente, foi efetuado um estudo detalhado do estado-da-arte sobre as diversas topologias de inversores e sobre teorias de controlo, com o objetivo de identificar as mais relevantes no âmbito desta dissertação. Posteriormente, foi desenvolvido um modelo de simulação em PSIM para validar a topologia selecionada, assim como os algoritmos de controlo. Por fim, foi desenvolvido um protótipo laboratorial, incluindo hardware e software, e, com base nele, foram obtidos resultados experimentais que corroboram a topologia selecionada para a aplicação de filtro ativo de potência, assim como os algoritmos selecionados.

In an increasingly competitive world with limited resources, the power quality increasingly assumes a role of high importance, because the efficiency and lifetime of the loads, and the electrical system itself, are directly related to the power quality. Considering this, and observing the evolution of the market, we perceive the need for solutions that meet the demand for higher quality inverters and with more competitive prices. However, most of the advances made in relation to the quality of the waveform synthesized by the inverters are related to the increased frequency of switching of semiconductors. As the increased frequency of switching of semiconductors is limited by physical reasons of semiconductors themselves, when it is necessary to synthesize signals whose ripple frequency is higher than the switching frequency, then the topologies appear interleaved. Thus, to obtain a ripple with frequency n times higher than the switching frequency are used n converters in parallel, denominating an interleaved topology of n modules. It is important to note that in this topology, however, the increase of n times the ripple value is done by shifting the carrier signals and not due to the increase of n times the number of semiconductor switches, that is, it is not necessary to deal with the multiplication of n times losses as due to switching. This master's thesis aims at the development of a single-phase inverter that employs an interleaved topology of the source type of current-controlled voltage, for low voltage applications. It is intended that the inverter to be developed operates as an active power filter, thus allowing to mitigate the power quality problems related to harmonics and power factor of the installation where the inverter is installed. Initially, a detailed study of the state of the art was made about the diverse topologies of inverters and the control theories, with the objective of identifying the most relevant within the scope of this master's thesis. In posteriority, it was developed a simulation model in PSIM to validate the chosen topology and the algorithms of control. In conclusion, it was developed a laboratorial prototype, including hardware and software and in result there were obtained experimental results that confirm the selected topology for the application of active power filters, as well as the selected algorithms.