Retificador PWM Regenerativo

A conversão CA-CC é usado cada vez mais em uma ampla diversidade de aplicações: fontes de alimentação para microeletrônica, electrodomésticos, balastros eletrônicos, o carregamento da bateria, acionamentos de motores de corrente contínua, de conversão de energia, etc. (2) (3).

Como se mostra na fig 1 conversor AC-DC podem ser classificados entre topologias de trabalho com baixa frequência de comutação (linha comutada) e outros circuitos que operam com alta frequência de comutação.

Os conversores comutados de linha Simples usão diodos para transformar a energia elétrica de CA para CC. A utilização de tiristores permite o controlo do fluxo de energia. A principal desvantagem destes conversores comutados naturalmente é a geração de harmônicos e de potência reativa. (2) (4)

Harmônicos ter um efeito negativo no funcionamento do sistema elétrico e, portanto, cada vez mais atenção é dada para a sua geração e controle. Em particular, várias normas foram introduzidos importantes e rigorosos limites sobre harmônicas que podem ser injetadas na fonte de alimentação.

Um método típico de base e para reduzir a entrada de harmônicas de corrente é a utilização de ligações multipulsos baseados em transformadores com enrolamentos múltiplos. Um melhoramento adicional é a utilização de filtros de energia passiva. Na última década, filtros ativos foram introduzidos para reduzir os harmônicos injetados à rede elétrica.

Outra maneira conceitualmente diferente da redução de harmônicos é o chamado correção do fator de potência (PFC). Nestes conversores, interruptores controlados como  transistor  bipolar de porta isolada (IGBTs), tiristores de porta-turn-off  (GTOs), ou tiristores integrados de gate controlado (IGCT) estão incluídos no circuito de alimentação do retificador para mudar ativamente a forma de onda do Corrente de entrada, reduzindo a distorção (13).

Estes circuitos reduzem as harmônicas e consequentemente melhoram o fator de potência, que é o que  origina o seu nome genérico  PFC.

Várias topologias de PFC como BOOST e retificadores Viena (14) - (17), são adequados para aplicações onde a energia é transmitida apenas a fonte de ac à carga dc.

No entanto, existem várias aplicações onde o fluxo de energia pode ser invertida durante a operação. Exemplo são: locomotivas, transportadores de downhill, guindastes e etc. Em todas estas aplicações, o conversor do lado da linha deve ser capaz de entregar a energia de volta para a fonte de alimentação, que é conhecido como regeneração de energia. Um retificador regenerativo é um retificador capaz de regeneração de energia.

Este artigo é dedicado a este tipo específico de retificador, mostrado com uma linha tracejada na Fig1., Que pode operar com um alto fator de potência ou qualquer combinação de potência ativa e reativa. Estes retificadores, também conhecidos como front-end ativa (AFE), pode ser classificada como retificadores tensão de fonte (VSRs) e retificadores corrente de fonte (CSRs).

Um retificador PWM regenerativo é nada mais do que um inversor que  trabalha com fluxo reverso de potência  de forma a controlar a tensão cc (ou atual). Este fato foi reconhecido por um VSR há duas décadas (1).

A seguir são apresentadas as topologias mais importantes e esquemas de controle para uma operação monofásica  e trifásica. Uma atenção especial é dedicada à aplicação destes conversores.

[pic 1]

  VSRs  PWM monofásicos

Padrão para Harmônicos em retificadores monofásicos: O relevância dos problemas originados pelo harmônicos em retificadores monofásicos comutados de linha tem motivado algumas agências de introduzir restrições para estes conversores. o IEC 61000-3-2 Norma Internacional estabelece limites para todos os equipamentos monofásicos de baixa potência,  com uma corrente de entrada com uma "forma de onda especial" e um ativo de potência de entrada         P <600W. O equipamento de classe D tem uma corrente de entrada com uma forma de onda especial contido no envelope dado na fig. 2 (b). Esta classe de equipamento deve satisfazer certos limites harmônicos. É claro que um retificador monofásico de linha comutada mostrado Figura 2 (a) não é capaz de cumprir a norma IEC 61000-3-2 Classe D, como mostrado na Fig.3. Para retificadores tradicionais a norma pode ser satisfeito apenas por adição de enormes filtros passivos, o que aumenta o tamanho, peso e custo do retificador. Este padrão foi a motivação para o desenvolvimento de métodos ativos para melhorar a qualidade da corrente de entrada e, consequentemente, o fator de potência.

[pic 2]

[pic 3]

Retificador PWM conectado em ponte

a) circuito de alimentação e princípio de funcionamento: A Fig 4 (a) mostra o circuito de alimentação do retificador totalmente controlado monofásico PWM na ligação em ponte (18), o qual utiliza quatro interruptores controlados com díodos antiparalelos para produzir uma tensão DC V0 controlada. Para a operação adequada deste retificador, a tensão de saída deve ser maior do que a tensão de entrada, a qualquer momento (V0 > VS). Este retificador pode trabalhar com dois (PWM bipolar) ou três (PWM unipolar) níveis, como mostrado na figura 4.

As combinações possíveis são os seguintes:

[pic 4]

Onde k = 1, 0 ou -1

Se K = 1, então a tensão indutor será negativa, de modo que a corrente de entrada é irá diminuir valor.

Se K = -1, então a tensão do indutor vai ser positivo, de modo que a corrente de entrada é irá aumentar o seu valor.

Finalmente, se K = 0 o aumento ou a diminuição do valor da corrente de entrada, depende de  Vs. Isso permite um controle completo da corrente de entrada.

Se a condição V0 >  Vs não for satisfeita, por exemplo, durante a inicialização a corrente de entrada não pode ser controlada e o capacitor será carregado através dos diodos para o valor de pico da tensão de fonte (vs) como  típico retificador não controlado. Depois disso, o conversor irá começar a trabalhar em modo controlado aumentando a voltagem de saída Vo do valor de referência.

[pic 5]

Esquema de Controle 

 O esquema de controle clássico é mostrado na figura 5. O controlo inclui um controlador de tensão, tipicamente um controlador proporcional-integrativo (PI), que controla a quantidade de energia requerida para manter constante a tensão de DC-link. O controlador de tensão proporciona a amplitude da corrente de entrada. Por esta razão, a saída do controlador de tensão é multiplicado por um sinal sinusoidal com a mesma fase e frequência do que Vs, a fim de obter a corrente de entrada de referência, ISREF. O controlador rápido de corrente controla a corrente de entrada, de modo que o fator de potência de entrada alcança um valor elevado. Note-se que para o funcionamento PWM o VSR deve ter um filtro capacitivo no lado da CC e filtro indutivo ao lado do AC.