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A realização de um filtro ativo de potência utiliza a capacidade de um conversor CCCA produzir uma tensão ou corrente alternada com qualquer forma de onda. Obviamente tal capacidade de síntese é limitada em termos de frequência a um valor de aproximadamente 1/10 da frequência de comutação, admitindo-se ainda a existência de um filtro de saída que minimize a penetração de componentes de alta frequência na rede elétrica.

A função dos inversores é fazer com que se produza uma corrente ou tensão que siga uma dada referência, a qual está relacionada com as componentes da corrente (ou tensão) que se quer compensar.

- Filtro série

Neste caso, em geral, o objetivo é o de minimizar a distorção da tensão de alimentação de uma carga, corrigindo as eventuais componentes harmônicas presentes na tensão da rede local. A tensão produzida pelo filtro é de alguns por cento da tensão nominal da rede, enquanto a corrente que o percorre é a própria corrente da carga. A figura 1 mostra um circuito de filtro série monofásico.

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Figura 1: Filtro série monofásico para compensação de tensão.

Na figura 2 tem-se uma forma de onda distorcida, por efeito da carga (“notches”) e pela presença de distorção na rede (3% de 5ª harmônica). A atuação do filtro (iniciada no instante 50ms) cancela o efeito da distorção harmônica e minimiza o afundamento da tensão, embora não o consiga eliminar. A rede e a carga são as mesmas utilizadas nos exemplos dos filtros passivos em derivação.

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Figura 2: Formas de onda na tensão sobre a carga e da tensão produzida pelo filtro série (a partir de 50ms).

- Filtro em derivação (shunt)

O objetivo de um filtro em derivação (“shunt”) é o de minimizar a distorção da corrente que flui pela rede elétrica, conforme mostra a figura 3. O filtro deve ser capaz de injetar uma corrente que, somada à corrente da carga, produza uma corrente “limpa” na rede.

Na sequência deste capítulo serão discutidos diferentes métodos para obter este comportamento. Note-se que o conversor CC-CA, por não alterar a potência ativa pela rede, não necessita de uma fonte de potência no barramento CC. A estabilização desta tensão pode ser feita contando apenas com um capacitor.

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Figura 3: Filtro ativo tipo derivação, monofásico.

A figura 4 mostra uma simulação de um filtro monofásico. A oscilação que se observa na corrente da rede deve-se à presença do filtro de alta frequência colocado na saída do inversor e que tem como função minimizar a injeção de componentes de alta frequência na rede.

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Figura 4: Filtragem ativa de corrente de carga não linear.

- Filtro ativo monofásico operando com síntese de carga resistiva

Filtros ativos monofásicos podem ser utilizados na correção do fator de potência de cargas de pequena e média potência. As aplicações restringem-se tipicamente a potências de 4 kVA (para alimentação em 220V), dado que cargas maiores normalmente possuem entrada trifásica. Filtragem ativa de uma carga única, ou um conjunto delas, é uma opção a se fazer a correção do fator de potência no estágio de entrada de cada equipamento, utilizado os chamados pré-conversores de fator de potência.

Conforme já foi visto em capítulo anterior, diferentes técnicas de modulação podem ser empregadas para o acionamento do conversor de potência, normalmente um inversor. As mais usuais são a MLP e a por histerese (quando se trata de controle de corrente).

O controle por histerese apresenta como grandes vantagens a robustez (insensibilidade à variação de parâmetros) e resposta instantânea, ou seja, a corrente sintetizada está sempre acompanhando a referência. Por outro lado, o fato da frequência de comutação ser variável faz com que o projeto do filtro de saída (que atenua as componentes produzidas pela comutação) torne-se mais difícil. Existem alternativas para a produção de um controle por histerese com frequência constante através da modulação da janela de histerese, mas isto envolve uma elaboração adicional da estrutura de controle.

O controle MLP, por operar em frequência de chaveamento constante, permite um projeto mais simples do filtro de saída. No entanto, se a forma de onda a ser compensada for muito rica em componentes de alta frequência, o sistema terá dificuldades em compensar corretamente a onda devido à atuação do filtro. Por outro lado, se a carga consumir uma corrente "suave", a resposta poderá ser adequada.

- Estrutura de controle do filtro

A estrutura do sistema de controle para um filtro de acúmulo capacitivo operando em MLP. A forma da referência da corrente é obtida da própria tensão. A amplitude desta referência é modulada de modo a manter a tensão CC no valor desejado. O sinal do erro da tensão CC, passado por um compensador tipo PI (que anula o erro em regime para uma entrada constante) é uma das entradas do bloco multiplicador. Sendo um valor contínuo (que varia muito mais lentamente do que a referência de corrente, que varia na frequência da rede), funciona como fator de escalonamento da forma da corrente. A corrente da rede é realimentada, produzindo, em relação à referência de corrente, um erro o qual, passando por um compensador (tipicamente tipo P ou PI) produz a tensão de controle, que é comparada com a portadora MLP, gerando os pulsos para o comando dos transistores.

Retornando à questão do controle da tensão VCC, consideremos este caso a título de exemplo. Supondo que a tensão no barramento não se altere significativamente, a corrente absorvida pela carga tem uma forma típica e estável. A diferença instantânea entre ir e ic deve fluir pelo filtro. Se a amplitude da corrente da rede for tal que a potência ativa absorvida da rede for maior do que a consumida pela carga, seu único caminho é circular pelo filtro ativo, acumulando energia na capacitância (subindo a tensão). O erro de tensão eventualmente produzido leva, sendo multiplicado pela "forma" da corrente, a uma redução da referência da corrente restabelecendo o balanço de potência e, consequentemente, retornando ao valor correto de referência,