Selecionando três topologias (Conversor trifásico bidirecional com conversor Full- bridge (Figura 10), conversor trifásico PWM com conversor Full-bridge ambos três níveis (Figura 13) e o conversor proposto (Figura 18) para uma comparação, apresenta-se a Tabela 4 que permite comparar os valores dos esforços de corrente e tensão que as topologias possuem, assim como número de interruptores e características dos transformadores.
Os valores obtidos de correntes nesta tabela são provenientes de simulação dos conversores no software PSIM, todos com a potência nominal para efeitos de comparação nas mesmas condições.
Observando a Tabela 4, nota–se que os conversores apresentam número similar de interruptores, porém valores diferentes de correntes pelos mesmos.
Para o caso do conversor PWM trifásico unidirecional com Full–bridge três níveis, a corrente média nos interruptores de entrada é menor mas tem que se considerar os diodos que fazem parte do circuito de entrada e que não existem nos demais conversores. Isto provoca aumento nas perdas de condução e por chaveamento.
Como o conversor proposto apresenta divisão de potência, para a carga da bateria, em três transformadores, isto reduziu significativamente o produto de área para o projeto de cada transformador, o que não ocorreu nos demais conversores. Em tese, isto representa um
Tabela 4: Comparativo entre os parâmetros dos conversores
PARÂMETRO CONVERSOR PWM TRIFÁSICO BIDIRECIONAL PWM TRIFÁSICO UNIDIRECIONAL PWM TRIFÁSICO BIDIRECIONAL COM FULL-BRIDGE COM FULL-BRIDGE TRÊS NÍVEIS MULTIFASE COM ESTÁGIO ÚNICO Unidade Número de interruptores 10 10 12 - Número de diodos 14 20 16 - Número de indutores de entrada 3 3 6 - Número de transformadores 1 1 3 - Produto de Áreas - 470,1 470,1 3x156,7 cm4 por transformador
Corrente eficaz - 19,7 24,0 22 [A]
interruptores de entrada
Corrente média - 12,4 15,8 12 [A]
interruptores de entrada
Corrente eficaz - 27,0 27,0 – [A]
interruptores conversor CC– CC
Corrente média - 17,7 17,7 – [A]
interruptores conversor CC– CC
Corrente média 21 21 21 [A]
nos diodos retificadores
volume bem maior em termos de núcleo de ferrite para comportar a mesma potência processada, observando o projeto dos transformadores dos demais conversores, menos o proposto.
Do ponto de vista de perdas, é possível analisar o aspecto das perdas por condução, através das correntes médias pelos interruptores de cada conversor. Considerando uma queda de tensão média em cada transistor IGBT de 2 V, o conversor PWM trifásico bidirecional com Full–bridgeapresenta 290,4 W, o conversor PWM trifásico unidirecional com Full–bridge três níveis apresenta 331,2 W e o conversor proposto apresenta 288 W.
Cabe ressaltar que os demais conversores ainda apresentam outros elementos como diodos na entrada (conversor PWM trifásico unidirecional com Full–bridge três níveis) que representam mais perdas para serem computadas no rendimento do conversor.
3.4 CONCLUSÕES
Foi realizada a pesquisa para encontrar soluções de carregamento rápido que agregassem as topologias de retificadores com o controle de carga de baterias para veículos elétricos, e comparado com o novo conversor proposto neste trabalho.
Diversas topologias de retificadores foram encontradas e apresentadas de forma a destacar os aspectos relevantes, mostrando que nem sempre apresentam isolação elétrica ou divisão de esforços no processamento de energia.
As topologias mais comuns realizam a retificação e a transferência de energia para a bateria em dois estágios, algumas com e outras sem divisão de esforços. Outras topologias, que realizam estas tarefas em um estágio, apresentam limitações sérias para operação na carga rápida de baterias ou dificuldades na implantação de protótipos de maiores potências, que é exigido neste segmento.
Também foram apresentados alguns trabalhos que seguem na direção de se ter um retificador de grande porte, seguido de diversos conversores CC–CC que controlam a carga dos veículos elétricos individualmente. Esta forma de operação implica em processamento de grande quantidade de potência no retificador ao mesmo tempo em que não se tem um desempenho adequado, devido a não garantia de que os veículos elétricos estejam carregando simultaneamente.
Finalmente, foi apresentado o conversor proposto neste trabalho e analisado sob a ótica da capacidade de retificar e controlar a corrente para carregar a bateria de um veículo elétrico. Também foi mostrada a divisão de esforços na entrada e na transferência de energia para a saída. Com isto acredita-se que tal conversor represente uma solução com grande potencial para atendimento a este segmento com elevado rendimento.
No comparativo entre três topologias selecionadas, a forma como a energia é processada no conversor proposto neste trabalho resulta em menores correntes nos interruptores e menores volumes nos transformadores, o que representa facilidade de construção e uma expectativa de menores perdas nos interruptores.
4 CONVERSOR TRIFÁSICO ISOLADO EM ALTA FREQUÊNCIA COM
DESLOCAMENTO DE FASE PARA RECARGA DE BATERIAS DE VEÍCULOS ELÉTRICOS
4.1 INTRODUÇÃO
O levantamento realizado anteriormente mostrou que diversos conversores podem atuar como retificadores trifásicos controlando a carga de uma bateria de veículo elétrico, seja por um único estágio, dois estágios ou então, como uma composição de barramento contínuo para que diversos conversores CC–CC carreguem os veículos elétricos.
Analisando tecnicamente um carregador de bateria de veículo elétrico, pode–se concluir que alguns requisitos são essenciais para o desenvolvimento e implementação de um carregador para carga rápida:
• Características elétricas de entrada: baixa distorção harmônica na corrente, correntes balanceadas nas três fases, pouca exigência de filtros de entrada;
• Características de saída: tensão e/ou corrente na saída controladas (bateria);
• Isolação elétrica entre entrada e saída, provendo maior segurança para o usuário durante o manuseio para conectar e desconectar o borne do carregador no veículo elétrico;
Com tais requisitos necessários para um carregador nível 3, este trabalho traz a proposta de uma nova topologia de conversor trifásico com isolamento elétrico e controle das características de entrada e da corrente de saída, dentro de um único estágio de processamento de energia.
Desta forma, esta nova proposta de conversor trifásico de estágio único isolado multifase com controle da corrente de saída por deslocamento de fase se apresenta como alternativa para processamento de grande quantidade de energia no processo de carga da bateria de veículos elétricos.
estrutura de processamento de energia em um único estágio com controles independentes para a entrada e a saída, possuindo as seguintes características:
• Operação multifase com deslocamento de fase: redução dos esforços de corrente nos interruptores, ao mesmo tempo que o deslocamento de fase reduz a ondulação de alta frequência na corrente de entrada;
• Operação com comutação suave: obtida com a modulação PWM assimétrica em conjunto com a operação similar a de um conversor Full–bridge na transferência de potência para a saída;
• Divisão da potência processada entre os transformadores: como os três transformadores estão conectados em série no secundário, e independentes nos primários, isto faz com que a potência que cada um processa seja 1/3 do total, facilitando a fabricação dos transformadores de ferrite;
• Possibilidade de bidirecionalidade na entrada: isto permite conexão com fontes de corrente contínua, como painel fotovoltaico, o que abre frentes para novos arranjos na operação de carregadores nível 3, como conexão com sistemas de armazenamento no barramento intermediário, injeção de energia excedente na rede de distribuição e redução do impacto no sistema elétrico durante sua operação;
• Controles independentes para a entrada e a saída: este modo de operação, com dupla modulação (PWM assimétrico e deslocamento de fase) permite grande flexibilidade para controlar o conversor e a carga da bateria, simultaneamente. Este modo de operação será detalhado mais à frente.
Para um melhor entendimento da dupla modulação pode–se utilizar a topologia de retificador monofásico de estágio único apresentado por (ALVARENGA, 2014) (Figura 19).
A modulação utilizada é o PWM assimétrico, onde os dois braços recebem o mesmo sinal de modulação, e o modo de operação de entrada é contínuo, com o controle similar ao pré-regulador Boost convencional não isolado. A corrente de entrada é modulada de forma a comportar-se como uma fonte de corrente senoidal. Assim, para um ciclo de chaveamento do conversor, pode-se considerar a corrente de entrada constante.
O controle das correntes de entrada do conversor é feita pela razão cíclica, como no pré-regulador Boost convencional. O controle fará com que as correntes de entrada apresentem os mesmo valor, realizando a divisão da potência processada. Esta mesma modulação também controla a tensão do barramento intermediário (Cm).
Figura 19: Retificador monofásico isolado em alta frequência - análise de operação.
O mesmo sinal PWM e seu complemento são aplicados nos dois pares de interruptores M1a/M2a e M1b/M2b, e a defasagem entre os sinais PWM dos braços define a transferência de
potência para a saída.
Esta dupla modulação se apresenta de forma independente e assegura simultaneamente, controle das correntes de entrada, da tensão de barramento intermediário e a transferência de energia para a saída. A Figura 20 mostra um exemplo desta dupla modulação e os efeitos na tensão do primário do transformador 1 ( VLp1).
O conceito utilizado no conversor por (ALVARENGA, 2014) também foi aplicado no conversor proposto neste trabalho para operar como carregador de veículos elétricos nível 3. Este conversor pode ser observado na Figura 21.
A operação deste conversor é semelhante à de um retificador trifásico entrelaçado, onde cada par de braços de interruptores (Sxa e Sxb, x = 1 ,2, 3, 4, 5 e 6) recebe o mesmo
sinal PWM (modulação assimétrica). Este entrelaçamento faz com que as ondulações de alta frequência sejam reduzidas nas correntes de entrada.
O sinal de deslocamento de fase é aplicado em um conjunto trifásico completo, controlando a transferência de potência para a saída, assim como no conversor monofásico (Figura 19). No caso deste conversor trifásico, o deslocamento de fase aplicado a um conjunto trifásico completo fará com que a potência seja transferida para a saída. Como há três transformadores conectados em seus primários, aos interruptores; e com os secundários conectados em série, a potência será transferida para a saída de forma que cada transformador processará quantidade de energia similar aos demais.
De acordo com (CARDOSO, 2006) a razão cíclica de cada interruptor (e de seu respectivo complemento) varia com a tensão de entrada e outros valores fixos do conversor, portanto, a corrente resultante estará em fase com a respectiva tensão que serviu de referência
(a) Modulação assimétrica – variação da razão cíclica, sem deslocamento
(b) Modulação simétrica (razão cíclica fixa em 50%) com deslocamento de fase
(c) Modulação assimétrica (razão cíclica variável) com deslocamento de fase
Figura 20: Modos de modulação PWM: assimetria e deslocamento de fase(ALVARENGA, 2014)
para tanto. Além disso, o controle da razão cíclica também permitirá o controle da tensão de barramento intermediário.
O deslocamento de fase faz com que ocorra defasamento no acionamento dos interruptores dentro de um período de chaveamento (considerando um par de braços, por exemplo S1a/b e S2a/b), o que propicia a redução da ondulação de corrente em alta frequência na soma das correntes nos indutores em cada fase. Isto representará redução na exigência dos
Figura 21: Diagrama elétrico do conversor proposto para carregamento rápido de veículos elétricos.
filtros de entrada.
Considerando o conversor CA–CC monofásico (Figura 19), pode–se analisar o efeito do controle da razão cíclica sobre o da defasagem e vice–versa.
No conversor monofásico da Figura 19 as correntes de entrada são controladas pela razão cíclica dos interruptores, bem como a tensão de barramento intermediário, sem ser afetada pela defasagem entre os sinais PWM dos interruptores. A defasagem apenas faz com que as oscilações de alta frequência sejam reduzidas nas correntes de entrada, assim como na tensão do barramento intermediário.
Do ponto de vista da defasagem, que controla a transferência de potência para a saída, sabe-se que na passagem por zero da tensão de entrada, a razão cíclica dos interruptores inferiores é mínima enquanto dos superiores é alta (invertendo no outro semi–ciclo). Isto faz com que o controle da defasagem atue para aumenta–la no sentido de transferir mais potência para a saída, evitando a redução da tensão de saída. Este controle é mais rápido na resposta que o controle da razão cíclica, no entanto, como a razão cíclica é pequena, não tem efeito o aumento da defasagem, pois não ocorrerá aumento na transferência de potência para a saída. O controle satura e não consegue evitar o surgimento de uma oscilação de baixa frequência (120 Hz), decorrente do comportamento da razão cíclica dos interruptores.
Levando esta análise para o conversor trifásico proposto, onde o comportamento das razões cíclicas é similar ao caso monofásico, destaca-se que como as fases são defasadas de 120o elétricos, ocorrerá uma composição entre as razões cíclicas das fases. Isto significa que, mesmo que uma fase esteja com razão cíclica pequena ou grande (sempre nos extremos), impedindo de aumentar a transferência de potência para a saída; as outras duas fases estarão com valor intermediário, o que assegurará capacidade de aumentar a transferência de potência para a saída. O resultado é que ocorrerá um comportamento médio de transferência de energia
para a saída entre as fases, tanto que o comportamento do controle de defasagem é constante, sem oscilações de baixa frequência.
Portanto, com a inserção de transformadores monofásicos isolados em alta frequência entre os pontos A e B, C e D, E e F, o conversor passará a ter três enrolamentos independentes na saída. Estes enrolamentos podem ser conectados em paralelo ou em série para perfazer uma única saída e controlar o carregamento da bateria do veículo elétrico.
A conexão elétrica em paralelo não é a mais indicada, pois circularão, com esta conexão, correntes assimétricas e não controladas devido a variações da modulação. De outro lado, a conexão série garantirá divisão de potência entre os transformadores de forma que não seja necessário controle para esta condição.
Na saída ainda é necessário um sistema de monitoração e controle da corrente de saída da bateria, e sobre a sua tensão. Isto permite que, com o ajuste da defasagem entre os pares de braços, a corrente de carga e a tensão da bateria sejam controladas de forma correta.
Na Figura 20 está apresentado um exemplo de como o comando operará neste conversor, com razão cíclica e com deslocamento de fase variáveis. Também está apresentado o comportamento da corrente de magnetização do primário de um dos transformadores de alta frequência.
Tomando novamente a Figura 21 para análise, pode-se deduzir que a circulação de corrente nos primários dos transformadores virá do capacitor de barramento intermediário, ou seja, sem relação com as correntes de entrada (independente da defasagem de 120o elétricos que existe entre as fases da rede de energia).