Correção Harmônica em Retificadores Boost

A seção inicia abordando a importância das normas internacionais para a qualidade da energia, focando nos limites de corrente harmônica injetada na rede elétrica. São citadas normas cruciais como a IEC 61000-3-2 (e sua equivalente europeia EN 61000-3-2), que estabelece limites para equipamentos com corrente de entrada até 16A por fase em redes de baixa tensão (220-240V, 50/60Hz), classificando-os em classes A, B, C e D de acordo com o conteúdo harmônico máximo permitido. A norma IEEE 519 também é mencionada como referência para práticas recomendadas de controle de harmônicas. Além das normas internacionais (IEC e IEEE), a seção menciona a existência de regulamentações nacionais, exemplificando com o PRODIST (Brasil), que define limites para harmônicos de tensão, mas não de corrente. A necessidade de atender a esses padrões impulsiona a pesquisa em técnicas de correção do fator de potência (PFC) para retificadores, visando reduzir a distorção harmônica de corrente (THD) e melhorar a qualidade da energia na rede. A aderência a essas normas é essencial para garantir a conformidade dos equipamentos e evitar problemas de interferência eletromagnética.

A seção discute o funcionamento de retificadores convencionais, que frequentemente apresentam baixo fator de potência (aproximadamente 0,65 ou menos), devido à corrente pulsada na entrada com alto conteúdo harmônico. Essa corrente pulsada resulta da operação de uma ponte retificadora de onda completa e um capacitor de filtro, onde os diodos conduzem apenas quando a tensão senoidal de entrada supera a tensão do capacitor. O texto destaca a importância do fator de potência unitário (tensão e corrente em fase e com formas de onda idênticas) para que o retificador seja visto pela fonte como uma carga ideal. Embora alguns retificadores apresentem altos fatores de potência, eles nem sempre são unitários por causa da distorção harmônica inerente à sua topologia. O retificador boost clássico operando em modo de condução descontínua (MCD) é dado como exemplo, pois sua corrente de entrada é distorcida pela presença de harmônicos, afetando negativamente o fator de potência. Apesar das desvantagens em relação ao fator de potência, o retificador boost em MCD é destacado por sua alta eficiência, simplicidade e baixo custo para baixas potências, explicando sua ampla utilização na indústria.

A seção introduz o retificador boost entrelaçado em série, proposto por Nabae, Nakano e Arai em 1994, como uma solução para a obtenção de alto fator de potência. Essa topologia, constituída por dois conversores boost intercalados que operam de maneira complementar, apresenta características vantajosas, como alto fator de potência, controle simplificado, operação em modo de condução descontínua (MCD) e comutação suave ZVS (Zero Voltage Switching). Sua estrutura permite uma menor ondulação da corrente de entrada, fazendo com que a corrente de entrada se comporte de forma mais próxima ao modo de condução contínua (MCC), enquanto cada boost individual opera em MCD. A seção destaca o uso recente dessa topologia em diversos trabalhos de pesquisa, indicando seu potencial para aplicações práticas e melhorias contínuas. Essa topologia se configura como uma alternativa viável para os problemas de distorção harmônica e baixo fator de potência em sistemas de retificação. A simplicidade relativa do controle e a boa performance em termos de fator de potência fazem deste retificador um tema relevante de pesquisa e desenvolvimento.

O trabalho apresenta uma primeira técnica de controle para reduzir a distorção harmônica de corrente (THD) no retificador boost entrelaçado em série. Esta técnica utiliza uma razão cíclica variável, sem exigir modificações no circuito original. O método se baseia na análise do comportamento individual de cada célula boost, observando-se que, quando a razão cíclica se afasta de 0,5, um dos boosts contribui com a maior parte da distorção. Consequentemente, a estratégia de controle atua no boost com maior distorção, compensando o desequilíbrio de tensões entre os capacitores de entrada. Para implementar o controle, são necessárias as leituras das tensões de entrada e de saída. A técnica mantém a comutação suave de tensão inerente ao conversor e utiliza um método de projeto já conhecido na literatura. A solução pressupõe um ganho de tensão próximo à unidade, ou seja, a tensão de saída deve ser próxima à tensão de pico de entrada. O objetivo principal é reduzir a THD, melhorando o fator de potência do retificador boost entrelaçado em série.

A segunda técnica proposta para a redução da THD requer uma modificação na topologia do retificador, com a adição de um diodo próximo ao barramento de saída. Essa alteração é necessária devido ao modo de operação do conversor, que utiliza razões cíclicas simétricas e superiores a 0,5 em ambas as chaves, defasadas em meio período de chaveamento. Com essa abordagem, ambos os boosts operam de maneira idêntica, processando a mesma potência, o que simplifica a análise e otimiza a divisão de esforços de tensão e corrente. A técnica proposta apresenta esforços de corrente menores nos componentes em comparação com a primeira técnica. A THD obtida é de 2,41%, menor do que a obtida na primeira técnica (3,17%), embora a comutação suave seja perdida devido à condução simultânea de corrente nas duas chaves. A exigência de razões cíclicas superiores a 0,5 é outra limitação desta abordagem, que, apesar de necessitar de uma alteração na topologia, apresenta melhores resultados em relação à redução da distorção harmônica.

A metodologia de projeto do conversor boost entrelaçado em série se baseia em trabalhos prévios da literatura, como os de Dums (2005) e Postiglione (2011). A técnica de controle proposta não requer alterações neste procedimento de projeto, utilizando-se os mesmos métodos para calcular os indutores de entrada (L1 e L2), os capacitores (C1, C2 e Co) e o indutor do filtro de entrada (Lf). São apresentadas as especificações de projeto para a construção de um protótipo, incluindo os parâmetros dos componentes calculados a partir da metodologia descrita. A escolha de componentes considera o balanço entre atender as especificações de projeto e minimizar os custos e complexidade do sistema. O dimensionamento dos componentes passivos é crucial para garantir o funcionamento adequado do conversor e a eficácia das técnicas de controle propostas. O projeto considera a operação em modo de condução descontínua (MCD) para cada célula boost individual, buscando otimizar a eficiência do conversor. O objetivo é minimizar as perdas de condução e comutação enquanto se atinge o desempenho desejado em termos de distorção harmônica de corrente (THD).

Para atenuar a ondulação de alta frequência da corrente de entrada, um filtro LC é dimensionado. Os capacitores de entrada (C1 e C2) são aproveitados, adicionando-se apenas um indutor após a fonte. O projeto do filtro visa evitar interferências no circuito original, como quedas de tensão ou defasagens entre tensão e corrente de entrada. A estratégia adotada baseia-se no trabalho de Dums (2005), que considera os capacitores C1 e C2 como independentes em relação à fonte de entrada, utilizando a capacitância de um deles para o cálculo do filtro. O objetivo é encontrar um compromisso entre a atenuação da ondulação de alta frequência e a minimização do tamanho e custo do filtro. A escolha da indutância do filtro é crucial para garantir uma corrente de entrada com baixo conteúdo harmônico, atendendo as restrições impostas pelas normas de qualidade de energia.

A implementação da razão cíclica variável se baseia na leitura das tensões do capacitor C1 e de saída do conversor. No entanto, para melhorar a precisão e robustez do controle, utiliza-se um fator multiplicador θ na leitura da tensão de entrada, permitindo obter a tensão de pico de C1 (VC1pk) com maior acurácia. Essa abordagem compensa a variação da tensão do capacitor C1 com a própria razão cíclica. O termo 'k' na equação da razão cíclica variável é importante para o cálculo de VC1pk e θ nas condições nominais do conversor. O valor de 'k' está associado ao ganho do controlador proporcional-integral (PI), responsável pela regulação da tensão de saída. O valor de 'k' pode variar durante a operação em resposta a mudanças de carga. Para a implementação do controlador digital PI, emprega-se o método de Tustin para converter a função de transferência contínua para a sua equivalente discreta, considerando uma frequência de amostragem de 60 kHz. Esse procedimento é fundamental para o funcionamento em tempo real do controlador no protótipo experimental.

Após as etapas de projeto e simulação, testes experimentais foram conduzidos para validar o estudo teórico. Um protótipo do retificador boost entrelaçado em série foi construído e testado em bancada. Para os testes, utilizou-se a fonte AC Power Source/Analyzer 6813B da Agilent para fornecer a tensão de entrada, cujo THD de tensão (aproximadamente 0,35%) foi considerado desprezível. As formas de onda foram obtidas com o osciloscópio MDO3014 da Tektronix. As medições de eficiência, fator de potência e distorção harmônica total de corrente (THD) foram realizadas com o analisador Digital Power Meter WT230 da Yokogawa e complementadas com cálculos via software Matlab, utilizando os dados obtidos pelo osciloscópio. A utilização de equipamentos de alta precisão e de softwares de análise especializados permitiu a obtenção de resultados confiáveis e a validação do desempenho do retificador em condições reais de operação. Para simular variações de carga, utilizou-se um disjuntor e reostatos, permitindo um ajuste preciso da carga aplicada ao conversor.

A análise do desempenho do retificador, incluindo rendimento, fator de potência e THD, foi feita através do estudo da sua curva de carga, tanto com quanto sem a técnica de correção de THD ativa. Os resultados das curvas de eficiência demonstraram uma melhoria significativa em todo o espectro de potência testado quando a técnica de correção estava ativa. Essa melhoria foi atribuída à redução dos valores de pico das correntes nos indutores, diminuindo as perdas. A análise indica que a técnica de correção de THD não apenas reduz a distorção harmônica, mas também aumenta a eficiência do conversor, uma vantagem adicional importante do método proposto. Simulações com componentes reais foram realizadas para estudar os efeitos da sobrecompensação, ou seja, aumentar a amplitude de variação da razão cíclica além do projetado. Os resultados mostraram uma deterioração da THD com sobrecompensação, mas uma redução da corrente de entrada média instantânea no pico da senóide, indicando uma possível otimização do sistema através de um ajuste fino do parâmetro de controle.

Os resultados experimentais mostraram que ambas as técnicas de controle propostas atingiram uma significativa redução na THD de corrente, superando os requisitos da norma IEC 61000-3-2. A técnica apresentada no Capítulo 3 alcançou uma THD de 3,17%, enquanto a técnica do Capítulo 4 obteve um resultado ainda melhor, com THD de 2,41%. Em ambos os casos, houve melhorias significativas no fator de potência em relação ao conversor sem a técnica de correção ativa. A análise das formas de onda da corrente de entrada demonstra a efetividade das técnicas de controle propostas em reduzir o conteúdo harmônico. As figuras apresentadas no documento ilustram a qualidade da forma de onda da corrente com e sem a aplicação das técnicas de controle, validando a sua eficácia na redução da THD e consequentemente na melhoria da qualidade da energia fornecida pelo conversor.

A conclusão do trabalho compara as duas técnicas de controle propostas para o retificador boost entrelaçado em série, ambas baseadas em razão cíclica variável. A primeira técnica, apresentada no Capítulo 3, não necessita de modificações na topologia original, atuando sobre o boost com maior distorção harmônica. A segunda técnica, descrita no Capítulo 4, requer a adição de um diodo e opera com comandos simétricos nas chaves, resultando em uma operação mais simples, mas com a perda da comutação suave. Em termos de desempenho, a segunda técnica apresenta uma distorção harmônica de corrente (THD) ligeiramente menor (2,41%) em comparação com a primeira (3,17%). Ambas as técnicas, no entanto, demonstram uma melhoria significativa na THD em relação ao conversor sem correção, atendendo aos requisitos da norma IEC 61000-3-2 e apresentando melhorias no fator de potência e eficiência.

A primeira técnica apresenta a vantagem da simplicidade de implementação, pois não necessita de modificações na topologia original do retificador boost entrelaçado em série. No entanto, ela apresenta um resultado de THD um pouco superior em relação à segunda técnica. A segunda técnica, por sua vez, apresenta uma THD inferior, mas a desvantagem de exigir a adição de um diodo ao circuito, aumentando a complexidade e custo do sistema. Além disso, esta segunda técnica opera com razões cíclicas sempre superiores a 0,5, perdendo a comutação suave. A escolha entre as duas técnicas depende, portanto, do balanceamento entre a complexidade do circuito e o desempenho em termos de THD. Em termos de eficiência e fator de potência, ambas as técnicas apresentaram resultados superiores ao conversor sem correção, demonstrando a eficácia das estratégias propostas.

Os resultados obtidos demonstram a viabilidade e eficácia das técnicas de controle propostas para melhorar o desempenho do retificador boost entrelaçado em série, reduzindo significativamente a THD e aumentando o fator de potência. As técnicas propostas atendem aos requisitos das normas internacionais de qualidade de energia, como a IEC 61000-3-2, e apresentaram melhorias em eficiência em comparação com o conversor convencional. Apesar dos resultados positivos, o trabalho sugere que há potencial para futuras pesquisas, como a otimização dos parâmetros de controle e a exploração de outras estratégias de controle para atingir ainda melhores níveis de redução da THD e melhoria da eficiência. A metodologia apresentada pode servir como base para o desenvolvimento de fontes de alimentação mais eficientes e que respeitam as normas de qualidade de energia.