Author(s):
Sepúlveda, João 
Date: 2004
Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/835
Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
Subject(s): Aquisição de dados; Compensação de harmónicos; Controlador implementado em computador pessoal; Controlo digital; Controlo em tempo real; Filtro activo série; Filtros activos de potência; Qualidade de energia eléctrica; Teoria p-q; Simulações de sistemas de potência; Active power filters; Data acquisition; Digital control; Harmonics compensation; p-q theory; Personal computer implemented controller; Power quality; Power systems simulations; Real-time control; Series active filter
Description
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.
