Implementação de um filtro activo de potência para optimização da interface entre a rede e outros sistemas eléctricos : estudo e desenvolvimento de filtros activos de potência do tipo série com sistema de controlo implementado em computador pessoal

Abstract

O uso intensivo de conversores electrónicos de potência e de outras cargas não lineares, tais como equipamentos electrónicos e iluminação com lâmpadas de descarga em meio gasoso, tanto na indústria como nos outros consumidores em geral, é responsável por um aumento na deterioração das formas de onda de corrente e tensão nos sistemas eléctricos. A presença de harmónicos nas linhas eléctricas causa não só maiores perdas no sistema de distribuição de energia, como também problemas de interferências nos sistemas de comunicações, operação indevida de sistemas de protecção, e por vezes, deficiências no funcionamento de equipamentos electrónicos, que são cada vez mais sensíveis, pois incluem sistemas de controlo baseados em microelectrónica, que operam com níveis de energia muito baixos. Os efeitos a longo prazo são basicamente, sobreaquecimento e envelhecimento prematuro dos dispositivos eléctricos e a fadiga mecânica das máquinas eléctricas. Os filtros passivos podem ser utilizados para compensar diversos problemas de qualidade de energia, mas apenas resolvem os problemas para as frequências que são sintonizados. Além disso, a sua operação não pode ser limitada a uma determinada zona da rede eléctrica e os fenómenos de ressonância não podem ser totalmente prevenidos. Os filtros activos são dispositivos electrónicos de potência que não apresentam as desvantagens dos filtros passivos, podendo compensar alguns dos problemas relacionados com a tensão e a corrente, nomeadamente: falhas de curta duração, distorção da corrente ou tensão causada por harmónicos, desequilíbrio de correntes ou tensões em sistemas trifásicos, flutuação (subharmónicos), sobretensões e subtensões momentâneas, e podem também fazer a correcção do factor de potência. Existem fundamentalmente dois tipos de filtros activos: o filtro activo paralelo, para filtragem das correntes nas linhas; e o filtro activo série, para filtragem das tensões de alimentação. Os algoritmos de controlo baseados na teoria p-q podem ser utilizados de forma simples e eficaz no controlo de filtros activos. Os cálculos são feitos no domínio dos tempos, com valores instantâneos de tensões e correntes, e são relativamente simples. No caso da compensação de tensão com um filtro activo série, é também possível utilizar em alternativa, algoritmos baseados no controlo clássico (por exemplo, controlo proporcional + integral), pois os sinais de referência são conhecidos. O objectivo principal desta tese consistiu no estudo, simulação, desenvolvimento, e teste de um filtro activo série com sistema de controlo implementado num computador pessoal (PC) munido de uma placa de aquisição de dados genérica para o barramento PCI. Esta opção justifica-se devido ao baixo custo, elevada capacidade de processamento, versatilidade e pelas inúmeras possibilidades oferecidas por um sistema de controlo baseado em computador pessoal. O controlo do filtro activo série é um tipo de aplicação que requer um controlador rápido, que não perca amostras, e no qual os intervalos de tempo de resposta máximos permitidos sejam garantidos. Estas características implicam a necessidade de um sistema de controlo em tempo real (hard real time, na literatura inglesa). A implementação do circuito de controlo baseada em PC apresenta algumas dificuldades. Os maiores problemas estão relacionados com os sistemas operativos multitarefa vulgares, podendo ser resolvidos apenas por programadores de nível muito avançado. Outro problema é o lento sistema de entrada/saída de dados. Estas placas são ligadas ao barramento PCI, logo não tiram partido de toda a velocidade do processador, sendo normalmente concebidas para monitorização e controlo de processos. Desse modo, são muito limitadas no tocante ao controlo em tempo real, e além disso, os fabricantes ainda não disponibilizam soluções de baixo custo para execução desse tipo de controlo implementado em PC. Habitualmente é necessário fazer a sincronização dos filtros activos de potência com os sinais distorcidos presentes na rede eléctrica. Os circuitos mais simples, como o detector de passagem por zero podem falhar com facilidade, sendo necessário recorrer a circuitos mais robustos. Discutem-se aqui duas soluções possíveis: o circuito Phase Locked Loop e o Filtro Vectorial Adaptativo. Nesta tese apresentam-se também resultados de simulações e experimentais dos controladores desenvolvidos, e dos filtros activos de potência. Além disso é feita uma comparação com uma implementação baseada em microcontrolador.

The intensive use of power converters and other non-linear loads, such as electronic equipments and discharge lamps, in industry and by consumers in general, is responsible for an increase in the deterioration of the power systems current and voltage waveforms. The presence of harmonics in the power lines results in greater power losses in the distribution system, interference problems in communication systems, faulty operation of protection devices, and sometimes, in operation failures of electronic equipments, which are more and more sensitive since they include microelectronic control systems, which work with very low energy levels. In the long run the effects are, basically, overheating and premature aging of electric devices and mechanical fatigue of electrical machines. Passive filters can be used to compensate some power quality problems, but they only solve the problems for the frequencies they were tuned for. Besides, their operation cannot be limited to a certain zone, and resonances cannot be fully prevented. Active power filters are power electronic devices which do not have the disadvantages of passive filters and are able to compensate some voltage and current related problems, namely: short outages, current or voltage distortion due to harmonics, current or voltage unbalance in three-phase systems, flicker (subharmonics), momentary overvoltages or undervoltages, and they can also correct power factor. There are basically two types of active filters: the shunt active filter, to filter line currents; and the series active filter, to filter mains voltages. The control algorithms based on the p-q theory may be easily and efficiently used for controlling active filters. The calculations are done in the time domain, with instantaneous values of voltages and currents, and are relatively simple. If the voltages are being compensated with a series active filter, it is also possible to efficiently use a classical control approach (for example, proportional + integral control), because the reference signals are known. The main objective of this thesis was to study, simulate, develop, and test a series active filter with a control system implemented in a personal computer (PC), using a standard multifunction data acquisition PCI bus card. This option is justified by its relative low cost, high processing capability, versatility, and because of the numerous possibilities offered by such a computer-based system. The control of a series active filter is a type of application which requires a fast controller, which does not lose samples, and where all the maximum allowed deadlines must be met each and every time. These characteristics imply that this application needs a hard real-time control system. A PC implemented controller presents some difficulties. The main problems are related to the standard multitasking operating systems, and can only be solved by very skilled programmers. Another problem is the slow data input/output system. These boards are connected to the PCI bus and do not take advantage of the full processor speed. They are usually designed to acquire data for monitoring purposes or process control. Thus, they are very limited when performing hard real-time control, and besides, hardware manufacturers do not provide low cost solutions to perform PC based hard real-time control, yet. Usually, it is necessary to synchronize the active power filters with the mains distorted electric signals. Simple circuits like zero crossing detectors may easily fail in performing this task, so it is necessary to use more robust circuits. Two possible solutions are discussed here: the Phase Locked Loop and the Vector Adaptative Filter. In this thesis, simulated and experimental results of the developed controllers and active power filters are also presented. Furthermore, a comparison with a microcontroller based implementation is made.