INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Área Departamental de Engenharia Eletrotécnica de Energia e Automação Retificador Trifásico Controlado com Fator de Potência Quase Unitário JORGE MIGUEL RODRIGUES DUARTE (Licenciado) Dissertação de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica - Ramo Automação e Eletrónica Industrial Orientadores: Professor Doutor Miguel Cabral Ferreira Chaves Professor Doutor Paulo José Duarte Landeiro Gambôa Júri: Presidente: Professor Doutor Luís Manuel dos Santos Redondo 1º Vogal: Professor Doutor Miguel Cabral Ferreira Chaves 2º Vogal: Professor Doutor Armando José Leitão Cordeiro Setembro 2015 Resumo Com o crescimento do transporte de energia e utilização de acionamentos eletromecânicos de velocidade variável podemos assistir ao consequente crescimento do uso de conversores de potência totalmente controlados. Os do tipo AC-DC têm como objetivo primordial o de controlar uma tensão contínua, elevando ou decrescendo a mesma conforme o necessário, e o controlo de correntes do lado da rede trifásica. A presente dissertação tem por objetivo fazer o estudo teórico e a respetiva comprovação experimental da aplicação de um retificador trifásico controlado, bidirecional em potência, com fator de potência quase unitário. Este tipo de conversores permite a interligação com a rede elétrica de cargas DC, passivas ou ativas, e em particular a alimentação de onduladores de tensão para aplicação em sistemas de acionamento eletromecânico de velocidade variável bidirecionais em potência. O trabalho foi iniciado com a modelização do sistema, estudo do controlador a utilizar para o controlo da tensão DC e correntes AC e simulação numérica do sistema proposto em Matlab- Simulink. Na fase seguinte foi projetado, dimensionado e construído o protótipo do retificador trifásico controlado, permitindo validar o modelo matemático, os dois controladores e a técnica de controlo. Este protótipo teve por base o modelo matemático desenvolvido. O mesmo foi feito à custa do uso de um módulo de IGBT’s com drives integradas. Para o controlo do conversor foi usado o SPWM por ser um modulador onde se pode alterar parâmetros como a frequência de comutação dos semicondutores usados e a frequência das correntes do lado da corrente alternada. Tendo o conversor proposto um fator de potência quase unitário, foi ainda comprovada a possibilidade de injeção de potência reativa, tanto para o lado do conversor como para o lado da rede trifásica. No final os resultados do protótipo laboratorial e simulados foram confrontados sendo possível concluir a robustez do conversor. Palavras-chave: Inversor de Tensão Trifásico; Modulador SPWM; Retificador Trifásico Controlado; Fator de Potência Quase Unitário. i Abstract With the growth of energy transmission and use of electro-mechanical variable speed drives we can watch the resultant growth in the use of fully controlled power converters. For the AC-DC type their primary objective is to control a DC voltage, increasing or decreasing the same as necessary, and the control of the current in the side of the three-phase grid. This thesis aims to make the theoretical study and the respective experimental proof of application of a controlled three-phase rectifier, bidirectional and with an almost unity power factor. This type of converters allows interconnection between the grid and DC loads, passive or active, in particular the supply voltage of inverters for use in electromechanical drive systems and bidirectional variable speed power. The work was initiated with the system modeling, study of the controller to be used for the control of DC voltage and AC current and numerical simulation of the proposed system in MatlabSimulink. In the next stage was designed, dimensioned and built the three phase controlled rectifier prototype, allowing the validating of the mathematical model, the two controllers and the technique of control. This prototype was based on the mathematical model developed. The same was done with an IGBT module with integrated drives. For the control of the converter was used the SPWM modulator, which can change various parameters like the operating frequency of the semiconductor used. Since the converter proposed has an almost unity power factor, it was proved the possibility of injecting reactive power, to the converter as well as for the three-phase network. At the end the results of the prototype and those from the simulation were confronted allowing to conclude about the robustness of the converter. Keywords: Three-phase Voltage Inverter; SPWM modulator; Three-phase Controlled Rectifier; Almost unitary Power Factor. ii Agradecimentos Gostaria de neste ponto agradecer em primeiro lugar aos meus orientadores Doutor Miguel Chaves e Doutor Paulo Gambôa, por todo o apoio, disponibilidade e dedicação dadas. Por terem sido sempre os primeiros a contribuir para a realização da presente dissertação e por terem arranjado sempre soluções apesar de todas as adversidades. Ao Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ISEL) e à Área Departamental de Engenharia Eletrotécnica de Energia e Automação (DEEA) por ter disponibilizado os meios necessários à realização da dissertação. Ao Nuno Santos na qualidade de técnico de laboratório de Eletrónica Industrial na ajuda da elaboração inicial no projeto das placas de circuito impresso. Ao ramo da Marinha das Forças Armadas Portuguesas pela construção das placas de circuito impresso. Ao INESC-ID pelo financiamento na aquisição de transdutores de tensão e fontes comutadas. Aos meus colegas e amigos Pedro Raimundo, Mykhaylo Zahyka, Rui Duarte, Sérgio André do ISEL por toda a ajuda dada, amizade e apoio prestado no decorrer da licenciatura, mestrado e mais particularmente da dissertação. Á Rita Garcia por todo o suporte e motivação dada e por todos os fins-de-semana perdidos. À minha mãe, Maria de Fátima Duarte, ao meu pai, Jorge Duarte, por sempre me incentivarem à realização do mestrado, pelo apoio e compreensão demonstrados e à minha irmã mais nova, Ana Patrícia Duarte, por me alegrar e apoiar sempre durante os momentos de maior pressão e por ter sido uma constante durante, não só no meu percurso académico, mas na minha vida. Por fim, um agradecimento a todos os colegas, amigos e professores do ISEL que se encontraram comigo durante o meu percurso académico por terem sido como uma segunda família. iii Abreviaturas AC – Altenate current. BNC – Conector Bayonet Neill Concelman. DC – Direct current. DSP – Digital Signal Processing. HVDC – High Voltage Direct Current. Hz – Hertz. IGBT – Transístor bipolar de porta isolada. ITAE – Integral of Time and Absolute Error. MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Multi-PWM – Multiple Pulse With Modulation. PCB – Printed Circuit Board. PI – Proporcional Integral. PWM – Pulse With Modulation. Single-PWM – Single Pulse With Modulation. SPWM – Sinusoidal Pulse With Modulation. SVPWM – Space Vector Pulse With Modulation. STATCOM – Static Synchronous Compensator. SVC – Static VAR Compensator. TBJ – Transístor Bipolar de Junção. V2G – Vehicle to Grid. iv Simbologia 𝛼𝛽 – Sistema de coordenadas Alfa beta. 𝜑 – Desfasamento entre a primeira harmónica da tensão e corrente [radiano, rad] 𝜏 – Atraso estatístico, [segundos, s] 𝑒 C – Condensador, [farad, F] dq – Sistema de coordenadas de Park. 𝑒 , 𝑒 – Tensão segundo a componente 𝛼 e 𝛽, [volt, V] 𝛼 𝛽 𝑒 , 𝑒 , 𝑒 – Tensão da rede trifásica na primeira, segunda e terceira fases, respetivamente, 1 2 3 [volt, V] 𝑒 , 𝑒 – Tensão segundo a componente direta e inversa, [volt, V] 𝑑 𝑞 𝑓 , 𝑓 – Funções de comando dos semicondutores segundo a componente α e β, respetivamente. 𝛼 𝛽 𝑓 , 𝑓 , 𝑓 – Funções de comando dos semicondutores no primeiro, segundo e terceiro 1 2 3 braços/ramos, respetivamente. 𝑓 , 𝑓 – Funções de comando dos semicondutores segundo a componente direta e inversa, 𝑑 𝑞 respetivamente. 𝑓 – Frequência da rede, [hertz, Hz] 𝑅𝐸𝐷𝐸 𝑓 – Frequência da onda portadora, [hertz, Hz] 𝑃𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎 𝑭 , 𝑭 – Matrizes das funções de comando dos semicondutores segundo a componente α e β, 𝜶 𝜷 respetivamente, das tensões à entrada dos semicondutores. 𝑭 , 𝑭 , 𝑭 – Matrizes das funções de comando dos semicondutores na primeira, segunda e 𝟏 𝟐 𝟑 terceira fases, respetivamente, das tensões à entrada dos semicondutores. 𝑭 , 𝑭 – Matrizes das funções de comando dos semicondutores segundo a componente direta e 𝒅 𝒒 inversa, respetivamente, das tensões à entrada dos semicondutores. 𝐹 – Fluxo numa bobina, [weber, Wb] 𝑆 i – Corrente, [ampere, A] 𝑖 – Correntes no sistema de coordenadas 𝛼𝛽, [ampere, A] 𝛼𝛽 𝑖 , 𝑖 , 𝑖 – Corrente na primeira, segunda e terceira fases, respetivamente, [ampere, A] 1 2 3 𝑖 – Correntes no sistema de coordenadas 123, [ampere, A] 123 𝑖 – Corrente de carga do barramento DC, [ampere, A] 𝑜 𝑖 – Corrente no condensador do barramento DC, [ampere, A] 𝐶 v 𝑖 – Componente direta da corrente, [ampere, A] 𝑑 𝑖 – Componente inversa da corrente, [ampere, A] 𝑑 𝑖 – Corrente à saída do conversor com o sentido rede-barramento DC, [ampere, A] 𝑅 𝑖 – Correntes no sistema de coordenadas 𝑑𝑞, [ampere, A] 𝑑𝑞 𝑁 – Número de espiras numa bobina. 𝑆 L – Indutância, [henry, H] 𝐿 ,𝐿 ,𝐿 – Filtro indutivo para a primeira, segunda e terceiras fases, respetivamente, [henry, H] 1 2 3 R – Resistência, [ohm, Ω] 𝑅 ,𝑅 ,𝑅 – Resistência de linha para a primeira, segunda e terceiras fases, respetivamente, 1 2 3 [ohm, Ω] 𝑆 ,S ,S – Semicondutores superiores para o primeiro, segundo e terceiro braços/ramos, 1 2 3 respetivamente. 𝑆 ′,S ′,S ′ – Semicondutores inferiores para o primeiro, segundo e terceiro braços/ramos, 1 2 3 respetivamente. 𝑢 – Tensão segundo a componente 𝛼, [volt, V] 𝛼 𝑢 – Tensão segundo a componente 𝛽, [volt, V] 𝛽 𝑢 – Tensão direta, [volt, V] 𝑑 𝑢 – Tensão inversa, [volt, V] 𝑞 U – Tensão no barramento DC, [volt, V] dc 𝑉 – Tensão no ponto médio do primeiro braço do conversor, [volt, V] 1 𝑉 – Tensão no ponto médio do segundo braço do conversor, [volt, V] 2 𝑉 – Tensão no ponto médio do terceiro braço do conversor, [volt, V] 3 𝑉 , 𝑉 , 𝑉 – Tensão à entrada do conversor na primeira, segunda e terceira fases, 𝑠1 𝑠2 𝑠3 respetivamente, [volt, V] 𝑉 – Tensão entre a primeira e segunda fases à entrada do conversor, [volt, V] 𝑠12 𝑉 – Tensão entre a segunda e terceira fases à entrada do conversor, [volt, V] 𝑠23 𝑉 – Tensão entre a primeira e terceira fases à entrada do conversor, [volt, V] 𝑠13 𝜔 – Energia em A, [joule, J] 𝐴 𝜔 – Energia em B, [joule, J] 𝐵 𝜔 – Variação de energia, [joule, J] Δ vi Índice Capítulo 1 – Introdução ............................................................................................................... 1 1.1. Motivação ......................................................................................................................... 2 1.2. Objetivos ........................................................................................................................... 7 1.3. Organização e conteúdos .................................................................................................. 8 Capítulo 2 – Modelo e controlo do sistema .............................................................................. 10 2.1. Introdução ....................................................................................................................... 11 2.2. Modelo do Conversor AC-DC ........................................................................................ 13 2.2.1. Modelo do sistema no sistema de coordenadas 123 ................................................ 14 2.2.2. Modelo do sistema no sistema de coordenadas αβ .................................................. 22 2.2.3. Modelo do sistema no sistema de coordenadas dq0 ................................................ 25 2.3. Modulador PWM ............................................................................................................ 28 2.3.1. SPWM – Sinusoidal Pulse With Modulation .......................................................... 29 2.3.2. Outros tipos de Moduladores PWM ........................................................................ 32 2.4. Dimensionamento dos controladores.............................................................................. 35 2.4.1. Controlo de corrente ................................................................................................ 38 2.4.2. Controlo de tensão Udc ........................................................................................... 42 2.5. Simulação do sistema do AC-DC ................................................................................... 46 2.5.1. Modelo de simulação numérica ............................................................................... 47 2.5.2. Parâmetros de simulação ......................................................................................... 58 Capítulo 3 – Construção do protótipo ....................................................................................... 60 3.1. Introdução ....................................................................................................................... 61 3.2. Processador Digital de Sinal (DSP) ................................................................................ 65 3.3. Optoacoplador ................................................................................................................ 68 3.4. Circuitos de disparo para os IGBTs ................................................................................ 69 3.5. Barramento DC ............................................................................................................... 72 3.6. Interligação com a rede elétrica ...................................................................................... 74 vii 3.7. Transdutores ................................................................................................................... 76 3.8. Placa de Circuito Impresso (PCB) .................................................................................. 80 3.9. Medição da tensão alternada ........................................................................................... 83 3.10. Taquigeradora ............................................................................................................. 84 Capítulo 4 – Resultados de simulação e experimentais ............................................................ 86 4.1. Introdução ....................................................................................................................... 87 4.2. Controlo de corrente ....................................................................................................... 88 4.3. Controlo de Tensão ......................................................................................................... 95 Variação de -20V na tensão do barramento DC: ................................................................... 97 Variação de carga de 200Ω para 100Ω: ................................................................................. 99 Variação da tensão em fase-neutro de -10Vmáx:................................................................... 101 Variação para uma referência de iq positiva de 2A: ............................................................. 103 Variação para uma referência de iq negativa de -2A: .......................................................... 105 Capítulo 5 – Conclusões e perspetivas futuras ........................................................................ 108 5.1. Conclusões .................................................................................................................... 109 5.2. Perspetivas futuras ........................................................................................................ 110 Bibliografia .................................................................................................................................. 111 Anexos ......................................................................................................................................... 113 Anexo 1 – Transformação de coordenadas .............................................................................. 114 Anexo 2 – Análise da potência ................................................................................................ 121 Anexo 3 – Ficheiros para construção do protótipo (PCB)....................................................... 127 viii Índice de figuras Figura 2.1 – Esquema global do conversor com funções de comando. .................................................................14 Figura 2.2 – Disposição dos vetores de tensão simples no referencial 𝜶𝜷. ...........................................................17 Figura 2.3 – Sistema global do conversor. ............................................................................................................18 Figura 2.4 – Método de comando do SPWM com as evoluções temporais das modulantes, da portadora, das funções de comando e uma tensão composta. ...........................................................................................31 Figura 2.5 – Funcionamento do Multi-PWM. ........................................................................................................32 Figura 2.6 – a) Funcionamento do Single-PWM para uma portadora constante e uma modulante sinusoidal; b) Funcionamento do Single-PWM para uma portadora do tipo dente de serra e uma modulante constante.33 Figura 2.7 – Vetores mais usados para o SVPWM. ................................................................................................34 Figura 2.8 – Entradas e saídas do controlador de tensão 𝒖𝒅𝒄. .............................................................................35 Figura 2.9 - Tensão aplicada, u, e referencial móvel dq expresso no referencial estático 𝜶𝜷, sem posicionamento de d sobre tensão u; ....................................................................................................................................36 Figura 2.10 - Tensão aplicada e referencial móvel dq expresso no referencial estático 𝜶𝜷, com posicionamento do vetor d sobre tensão composta u. ..........................................................................................................36 Figura 2.11 – Vetor de tensão composta u expressa no referencial 𝜶𝜷, usando como referencia o angulo do vetor d do referencial de coordenadas móveis; ....................................................................................................37 Figura 2.12 – Esquema global da malha de controlo de corrente. ........................................................................38 Figura 2.13 – Diagrama de blocos da malha interna de corrente. .........................................................................39 Figura 2.14 – Circuito equivalente do barramento DC no sistema de coordenadas dq; ........................................43 Figura 2.15 – Diagrama de blocos para controlo de tensão Udc. ..........................................................................43 Figura 2.16 – Sistema completo usando as equações deduzidas. .........................................................................47 Figura 2.17 – Código das equações do subsistema “Conversor Barramento DC”; .................................................48 Figura 2.18 – Código das equações do subsistema “Rede 3~”; ..............................................................................48 Figura 2.19 – Código das equações do subsistema “Carga RL”; .............................................................................48 Figura 2.20 – Bloco de sincronismo com a rede, “Sen/Cos”. .................................................................................49 Figura 2.21 – Equações da matriz de concórdia para passagem de 123 para αβ. ..................................................49 Figura 2.22 - Equações do Matlab-Simulink referentes ao cálculo das ondas de sincronismo. ..............................49 Figura 2.23 – Expansão do bloco ‘Controlo -> SPWM’. .........................................................................................50 Figura 2.24 – Controlador PI da tensão no barramento DC. ..................................................................................51 Figura 2.25 – Controlador PI da corrente direta na rede trifásica. ........................................................................51 Figura 2.26 – Controlador PI da corrente referente à potência reativa; ................................................................52 Figura 2.27 – Geração de modulantes síncronas com a rede trifásica, “dq/ABC Geração modulantes”. ...............53 Figura 2.28 – Transformação de ‘dq’ em αβ; ........................................................................................................53 Figura 2.29 – Transformação de αβ em ‘ABC’; ......................................................................................................53 Figura 2.30 – Bloco de geração de referências. .....................................................................................................54 Figura 2.31 – Bloco de cálculo das potências; .......................................................................................................55 ix