THD (%) Frequência de Chaveamento (kHz) Convencional Proposto 1:1 Proposto 2:1
Fonte: acervo do autor.
Os resultados apresentados para as análises de distorções harmônicas consistiram na aplicação de uma faixa de frequência entre 1 e 10 kHz. Analisando os resultados obtidos para mesma frequência de 10 kHz, a topologia proposta, em relação a topologia convencional, apresentou uma redução na THD de até 48,2% na corrente da entrada, de até 47,8% na WTHD da tensão de entrada, de até 70% na THD das correntes de saída e de até 73% na WTHD das tensões de saída.
Pode-se observar, que para o mesmo nível de distorções harmônicas da topologia convencional, a topologia proposta obtém estes mesmos resultados com frequências de chaveamento menores. No lado da rede, para os mesmos resultados em 10 kHz na topologia convencional, a topologia proposta obteve os mesmos resultados, de WTHD e THD, com 4 kHz. No lado da carga, por sua vez, para os mesmos resultados em 10 kHz na topologia convencional, a topologia proposta obteve os mesmos resultados, de WTHD e THD, com 3 kHz.
Os resultados apresentados para análise de distorções harmônicas mostraram ainda que a topologia proposta com relação de tensões de barramento CC de 2:1 apresentou melhor resultado, tanto para as tensões, quanto paras as correntes, evidenciando a ideia de que tensões com mais níveis apresentam menor distorção harmônica e, consequentemente, menor distorção harmônica nas correntes.
4.6 ANÁLISE DE PERDAS NOS INTERRUPTORES (IGBTS)
Nesta seção serão apresentados resultados de simulação para uma análise de perdas nos interruptores realizando um comparativo entre a topologia proposta e a topologia convencional da Figura 1.9. Os parâmetros para a simulação são mostrados na Tabela 4.6.
As simulações foram realizadas em malha aberta garantindo potência constante na carga de 10 kW. A topologia convencional é composta por um conversor ponte completa monofásico (retificador) e um conversor ponte completa trifásico (inversor) acionando uma
Tabela 4.6 – Parâmetros da simulação para análise de perdas.
Parâmetro Valor
IGBT Interruptor Littelfuse MG0675S-BN4MM PSIM Software 9.1.1
vc Tensão total dos barramentos CC 600 V
vsj∗ TensãoRMS de referência na carga 245 V
fg Frequência da rede monofásica 60 Hz
fc Frequências de chaveamento 4-5-10 kHz Carga trifásica 10 kW
Fonte: elaborado pelo autor.
carga trifásica. Desta forma, para realizar a análise, os conversores foram separados e ambos funcionaram como inversores monofásico e trifásico, acionando uma carga de 10 kW a partir de uma fonte ideal (barramento CC). Para a topologia proposta, o procedimento na realização das simulações é análogo a topologia convencional, garantindo potência constante na carga.
Na Tabela 4.7 são mostrados os resultados das simulações da topologia proposta com relação simétrica e assimétrica (2:1) e da topologia convencional. Outras simulações foram realizadas para topologia proposta alterando a frequência de chaveamento. Foram realizadas simulações para a topologia proposta, utilizando 5 kHz no caso simétrico e 4 kHz no caso assimétrico. Os resultados mostraram o mesmo valor de THD da corrente de entrada (ig) quando comparados com a topologia convencional, a qual utiliza 10 kHz de frequência de chaveamento. Os resultados são apresentados em p.u., normalizados pela potência na carga.
Tabela 4.7 – Resultados em p.u. das perdas nos IGBTs.
Perdas Convencional
(10 kHz) (10 kHz)Proposta 1:1 (5 kHz)Proposta 1:1 (10 kHz)Proposta 2:1 (4 kHz)Proposta 2:1 Totais 0,0266 0,0377 0,0321 0,0265 0,0226 Retificador A - 0,0050 0,0047 0,0052 0,0049 Retificador B - 0,0069 0,0057 0,0063 0,0054 Retificador Total 0,0106 0,0118 0,0104 0,0115 0,0102 Inversor P - 0,0129 0,0109 0,0060 0,0055 Inversor N - 0,0129 0,0109 0,0090 0,0068 Inversor Total 0,0161 0,0258 0,0218 0,0150 0,0123 Condução 0,0072 0,0266 0,0265 0,0199 0,0199 Comutação 0,0194 0,0111 0,0056 0,0066 0,0027
Fonte: elaborado pelo autor.
Na tabela foram apresentados os resultados da análise de perdas nos interruptores, mostrando que a topologia proposta para relação simétrica possui maiores perdas totais, podendo chegar a 3,77% da potência da carga. Já a topologia convencional atingiu 2,66% da potência da carga. No entanto, para a topologia proposta com relação assimétrica (2:1) houveram menos perdas totais, atingindo até 2,26% da potência da carga. Como esperado,
também foi constatado que em todos os casos o conversor ponte completa trifásico possui o maior percentual de perdas, visto que são dois interruptores a mais do que o ponte completa monofásico.
Analisando as perdas totais por condução, é mostrado na tabela que a topologia convencional possui o menor percentual de perdas, totalizando 0,72%. Este resultado é esperado, tendo em vista a menor quantidade de interruptores. A topologia proposta possui, em todos os casos, perdas totais por condução superiores, atingindo no pior caso, 3,7 vezes mais que a topologia convencional. Porém, a topologia proposta apresentou uma redução de até 7,2 vezes nas perdas totais por comutação (0,27%) em relação a topologia convencional, a qual tem percentual de 1,94%. Em virtude das estratégias PWM aplicadas, esta redução está relacionada com a redução do chaveamento em um ciclo, como mostra a Figura 5.7.
Com os resultados da análise de perdas foi possível perceber que a topologia proposta com relação assimétrica (2:1), mesmo com um número superior de componentes, possui menores perdas totais que a topologia convencional. A topologia proposta com relação assimétrica (2:1) também apresentou melhores resultados, visto que diminuiu-se as perdas quando aplicada frequência de chaveamento inferior, com o objetivo de igualar as distorções harmônicas entre as topologias. Desta forma, as menores perdas totais apresentadas foram relacionadas a topologia proposta no caso assimétrico (2:1), com frequência de chaveamento de 4 kHz.
4.7 CONCLUSÕES
Neste capítulo foram apresentados os resultados de simulação para a topologia proposta. Todos os resultados foram apresentados em regime permanente. Foi analisada a topologia proposta com relação simétrica e assimétrica das tensões dos barramentos CC. Os resultados mostraram tensões multiníveis, na entrada e na saída, de 5 e 9 níveis para o caso simétrico, de 7 e 13 níveis para o caso assimétrico (2:1) e de 9 e 16 níveis para o caso assimétrico (3:1), respectivamente. No caso assimétrico (3:1), como esperado, existe uma assimetria na tensão gerada na saída do conversor. Uma análise de THD e WTHD foi realizada, a partir de um comparativo entre a topologia proposta com a topologia convencional, apresentando melhores resultados para a topologia proposta, com menores valores de distorções harmônicas. Com os resultados da análise de distorções harmônicas é possível concluir que tensões multiníveis possuem menor WTHD, à medida que, mais níveis são gerados. Com isso, o THD das correntes também é diminuído na mesma proporção. As perdas nos interruptores também foram analisadas, a topologia proposta com relação assimétrica (2:1) apresentou melhores resultados que a topologia convencional. Os resultados de simulação mostraram ainda um ótimo funcionamento dos controles aplicados, para o controle de corrente da entrada e das tensões dos barramentos
CC. Os resultados fortalecem a topologia proposta e as estratégias aplicadas, resultados experimentais são apresentados no próximo capítulo para a topologia apresentada.
5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
5.1 INTRODUÇÃO
Nesta seção serão apresentados os resultados experimentais referentes ao conversor monofásico para trifásico proposto neste trabalho, com o intuito de validar as estratégias de controle das correntes de entrada e controle das tensões dos barramentos CC. Serão apresentados resultados para o caso simétrico e para o caso assimétrico (2:1). Na seção caracterização do experimento são apresentados os parâmetros e equipamentos utilizados para realização dos experimentos.