Desenvolvimento de um filtro ativo paralelo monofásico compacto e didático utilizando MOSFETs

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

A crescente modernização dos setores económicos e sociais, a par do aumento da qualidade de vida das pessoas, deve-se em larga escala à crescente utilização de equipamentos eletrónicos, capazes de realizar as mais variadas e complexas tarefas. Estes equipamentos absorvem correntes distorcidas, provocando efeitos prejudiciais à qualidade da energia no sistema elétrico, manifestando-se numa sequela de consequências, como aumento das perdas em diferentes dispositivos ou mesmo o mau funcionamento de determinados equipamentos. No sector industrial podem causar uma diminuição da eficiência na produção, e consequentemente reverter em perdas económicas elevadas. No seguimento dos trabalhos de investigação na área da Qualidade de Energia Elétrica desenvolvidos pelo Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho, esta dissertação descreve o desenvolvimento de um Filtro Ativo Paralelo monofásico, utilizado para mitigar harmónicas na corrente e o baixo fator de potência. Pretende-se que o equipamento desenvolvido seja o mais eficiente e compacto possível, sendo a utilização de MOSFETs no inversor de potência um dos pontos fulcrais para conquistar esse objetivo. Através da utilização de frequências de comutação elevadas é conseguida a diminuição dos componentes constituintes do mesmo, tornando-o mais compacto e leve. Um dos desígnios deste equipamento é a sua utilização em demostrações públicas da tecnologia, para tal foi desenvolvida uma interface gráfica com o utilizador, onde é possível visualizar formas de onda do sistema, bem como outras variáveis importantes para o entendimento do funcionamento do equipamento e da tecnologia envolvida. Ao longo deste documento é realizado um levantamento dos vários componentes constituintes do Filtro Ativo Paralelo, por forma a perceber o seu funcionamento, bem como as diversas topologias de hardware e teorias de controlo exequíveis de implementar. De forma a avaliar o funcionamento do Filtro Ativo Paralelo monofásico, são realizadas simulações computacionais, analisando a sua operação para diferentes condições de carga. Por fim, é apresentada toda a implementação prática deste equipamento, terminando com os resultados experimentais.

The growing modernization of economic and social sectors, along with the increase of quality of life, is due in large measure to the growing use of electronics equipment, capable of performing the most varied and complex tasks. These devices absorb distorted currents, causing pernicious effects to the power quality of the electrical system, manifesting itself in several consequences, such as, increased losses on different devices, or even malfunctioning of some equipment. In the industrial sector it may cause a decrease in production efficiency, and consequently revert to high economic losses. Following the research in the area of Power Quality developed by the Group of Energy and Power Electronics (GEPE), of the University of Minho, this dissertation describes the development of a single-phase Shunt Active Power Filter, used to mitigate current harmonics and low power factor. The main goal is that the developed equipment is as efficient and compact as possible, and for that, the use of MOSFETs in the power inverter is of crucial importance in order to achieve this purpose. Through the use of high switching frequencies is achieved a reduction in the size of the components, making it more compact and lightweight. One of the purposes of this equipment is its use in public technology demonstrations, and in this way, an graphical user interface was developed, where is possible to view the waveforms of the system, as well as other important variables, in order to understand the operation of the equipment and the technology involved. Throughout this document the various constituent components of the Shunt Active Power Filter are presented, in order to understand its operation, as well as the various hardware topologies and control theories feasible to be implemented. In order to evaluate the performance of the single-phase Shunt Active Power Filter, computational simulations are performed, and its operation is analyzed for different load conditions. Finally, every practical implementation of this equipment is presented, and this dissertation ends with the experimental results.