Capacitor eletrônico: proposta, análise, dimensionamento, modelagem e controle

Abstract

Em conversores monofásicos conectados à rede elétrica, é frequente a presença de capacitores de grande valor e volume no barramento cc. Isso se deve ao fato de o fluxo de potência entre a fonte e a rede não serem iguais, necessitando de um elemento armazenador de energia entre os estágios do sistema, que seja capaz de absorver ou suprir essa diferença de energia quando necessário. Esse fluxo de energia gera variações indesejadas na tensão do barramento cc. Para reduzir essa variação, grandes capacitores, na maioria das vezes eletrolíticos, são adicionados ao barramento cc. Porém, este componente possui baixa vida útil e grande risco de falhas, tornando-o um ponto crítico do sistema. Baseado neste problema, diversas propostas para redução do capacitor do barramento cc são apresentadas. Um conversor cc-cc conectado ao barramento é capaz de transferir o fluxo de potência para outro capacitor menor, viabilizando a utilização de capacitores de outras tecnologias, como os de filme metálico, que possuem maior vida útil e confiabilidade. Dessa forma, este trabalho apresenta uma proposta de capacitor eletrônico projetado para suprimir a ondulação de tensão presente no barramento cc de conversores conectados à rede elétrica. O sistema proposto é capaz de emular uma capacitância real por meio do controle da corrente de entrada do conversor. O valor de referência da corrente de entrada é obtido por meio da leitura da tensão do barramento cc que posteriormente é aplicado em uma função de transferência que representa a admitância do modelo de um capacitor. Esta condição torna o conversor capaz de operar como um capacitor eletrônico. Cálculos e simulações são realizados para validar o desempenho do sistema proposto, e mostram o conversor possui comportamento equivalente a um capacitor real.

Abstract: In grid connected single phase converters, the presence of large capacitors on the dc bus is frequent. This is since the power flow between the source and the grid is not equal, requiring a storage element between the stages of the system, which is capable of absorbing or supplying this energy difference when necessary. This energy flow generates undesirable ripple in the dc bus voltage. To reduce this ripple, large capacitors, most often electrolytic, are added to the dc bus. However, this component has a short lifetime and an elevated risk of failure, making it a critical point of the system. Based on this problem, several proposals for reducing the dc bus capacitor are presented. A dc-dc converter connected to the dc bus can transfer the power flow to another smaller capacitor, allowing the use of capacitors from other technologies, such as metallic film, which have a longer lifetime and reliability. Thus, this work presents a proposal for an electronic capacitor designed to suppress the voltage ripple present in the dc bus of grid connected converters. The proposed system is able to emulate a real capacitance by controlling the input current of the converter. The reference value of the input current is obtained by measuring the DC link voltage, which is subsequently applied to a transfer function that represents the admittance of a capacitor model. This condition makes the converter capable of operating as an electronic capacitor. Calculations and simulations are performed to validate the performance of the proposed system, and show the converter has behavior equivalent to a real capacitor.