Este capítulo apresentou os resultados de simulação realizados no software PSIM. Os resultados foram divididos para o conversor cc-cc operando isolado, os inversores FC de 4 níveis e novo híbrido de 5 níveis operando de forma isolada e também para os sistemas integrados.
Inicialmente o conversor cc-cc apresentou os resultados esperados, demonstrando uma tensão total de entrada simétrica entre a tensão do capacitor C2 e a tensão de entrada
Vi. Também se observou que a tensão do capacitor flutuante é igual a metade da tensão
de entrada Vi. Estes requisitos atendem a necessidade para alimentar tanto o inversor a
capacitor flutuante FC 4 níveis e do híbrido.
Em seguida, são apresentadas as simulações para os inversores operando de forma isolada. O capacitor flutuante é simulado por uma fonte de tensão cc com valor igual a tensão que será armazenada no mesmo. As estratégias de modulação para os dois inversores são apresentadas, a modulação level shift que consiste do deslocamento em níveis das portadoras. Para o inversor de 4 níveis são necessárias 3 portadoras e uma modulante, e para o inversor híbrido são necessárias 4 portadoras e uma modulante, a modulante realiza a comparação com as portadoras e envia os sinais de comando para cada um dos interruptores. Os interruptores externos devem ter seus comandos complementares, assim como os interruptores internos, evitando que ocorra curto na fonte de entrada ou no capacitor flutuante. Para o inversor híbrido de 5 níveis, o nível zero é obtido com o bloqueio dos interruptores de S1a a S4a e condução da chave bidirecional.
Capítulo 3. Resultados de Simulação 111
Os sistemas integrados também foram apresentados, demonstrando um compor- tamento satisfatório para o objetivo do estudo. O balanceamento de tensão do capacitor flutuante ocorreu de forma natural através do transformador. A tensão do capacitor C2
teve seu valor igual a tensão de entrada Vi, fazendo que o sistema apresente simetria na
tensão do barramento.
Também foram apresentados as análises da qualidade de energia dos sistemas, sendo apresentados a THD das correntes de saída e a WTHD das tensões de saída. Além disso, também foram apresentados os resultados obtidos com a utilização das funções de modulação, como as correntes médias e eficazes dos interruptores e também as perdas de condução e chaveamento dos interruptores ativos e as perdas de condução e recuperação reversa dos diodos antiparalelo. Realiza-se a comparação das perdas entre as topologias propostas no estudos e as topologias já existentes na literatura.
O inversor multinível alimenta uma carga monofásica RL com tensão de saída de 4 níveis em um caso, e no outro caso de 5 níveis. As taxas de distorção da corrente e da tensão apresentaram valores satisfatórios de acordo com os valores permitidos por norma.
112
4 Resultados Experimentais
Neste capítulo são apresentados os primeiros resultados experimentais obtidos para o sistema proposto. Sendo apresentado os resultados para o conversor cc-cc boost-flyback, integração com inversor FC de 4 níveis e com novo inversor híbrido de 5 níveis.
4.1 Caracterização do Experimento
O experimento consistiu na montagem e verificação do funcionamento do conversor cc-cc boost-flyback, posteriormente, realiza-se a integração com os inversores de 4 e 5 níveis.
A bancada experimental utilizada é da Universidade Federal de Campina Grande, composta por módulos de interruptores IGBT, SKM50GB123D, que são controlados por drivers dedicados, SKHI - 17R, da fabricante Semikron; módulos de diodos, SKKD60F17; 12 módulos PWM; 4 capacitores eletrolíticos de 2200µF ; 1 sensor de tensão. Para a implementação da topologia de 5 níveis, foi inserido ao dissipador um módulo de chave bidirecional, SK80GM063, que também consiste de dois interruptores IGBT. Para o controle do sistema, utilizou-se um Processador Digital de Sinais(DSP, do inglês “Digital
Signal Processor”). A foto da bancada é apresentada na Figura 89.
Figura 89 – Bancada Experimental
Capítulo 4. Resultados Experimentais 113
bela 10.
Tabela 10 – Parâmetros da montagem experimental
Componentes Símbolo Valor
Capacitores C1,2 2200 µF Frequência de chaveamento cc-cc fsb 40 kHz Resistor de carga Ro 16 Ω Indutor de carga Lo 7 mH Índice de modulação ma 0,80 Frequência da fundamental fm 60 Hz
Frequência de chaveamento inversor fs 10 kHz
4.2 Modulação implementada
A modulação implementada no DSP para realizar o chaveamento dos interruptores é apresentada em Oliveira (2005), em que um algoritmo é proposto com objetivo de facilitar a implementação em sistemas baseados em microprocessadores.
Para sua implementação, alguns passos devem ser seguidos, sendo eles:
• Passo um: define-se o número de níveis do inversor, com isso, calcula-se os eixos horizontais que representarão cada um dos níveis;
• Passo dois: calcular o valor da variável Pa, que consiste da diferença entre o eixo superior e o valor da tensão de referência;
• Passo três: encontrar os intervalos de tempo em que os interruptores permanecerão conduzindo ou bloqueados, em um período de modulação;
• Passo quatro: definir os estados de condução dos interruptores.
Após definir o número de níveis N do inversor, para calcular os valores de cada um dos eixos utiliza-se a Equação (4.1). Em que k é um número inteiro, em que k = 1,2,...,N. A variável ‘a´ terá valor crescente até chegar ao valor do número de níveis do inversor
N. A variável ‘b´ está relacionada ao número de níveis do inversor, para um inversor de
N níveis, b = N − 1. A variável ‘Vcc´ representa a tensão do barramento que alimenta o
inversor.
Eixo(k) = (1
2 −
a
Capítulo 4. Resultados Experimentais 114
4.2.1
Inversor 4 Níveis
Seguindo os passos mencionados anteriormente, é possível realizar a implementação da modulação para o inversor do sistema integrado de 4 níveis. Neste caso, o número de níveis N é igual a 4. Encontra-se então os valores dos eixos através da Equação (4.1), então: Eixo(1) = Vcc 2 , Eixo(2) = Vcc 6 , Eixo(3) = −Vcc 6 e Eixo(4) = −Vcc 2 .
Agora, para cálculo da variável Pa, o algoritmo faz a varredura para determinação
de onde o valor da tensão de referência se encontra e com isso deve entrar nas seguintes condições.
• Se (Vref > V6cc) => Pa = Eixo[1] − Vref
• Se (Vref >
−Vcc
6 && Vref <
E
6) => Pa= Eixo[2] − Vref
• Se (Vref < −V6cc) => Pa = Eixo[3] − Vref
Tendo encontrado o valor da variável Pa, é realizado o cálculo dos intervalos de
tempo de condução e bloqueio dos interruptores através da Equação (4.2) e (4.3), em que
Vcc é a tensão do barramento e T s é o período de chaveamento.
T x= Pa
( Vcc
N −1)
T s (4.2)
T y = T s − T x (4.3)
Com os tempos de condução e bloqueio, são enviados para os módulos PWM e em seguida, os sinais são enviados para os drivers que são responsáveis pelo comando dos interruptores.
A Figura 90 apresenta um exemplo do que acontece na modulação que foi imple- mentada para o inversor de 4 níveis.
Capítulo 4. Resultados Experimentais 115
V
ccV
cc-V
cc-V
cc/2
/6
/6
/2
v
refP
aeixo[1]
eixo[2]
eixo[3]
eixo[4]
0
Figura 90 – Representação da modulação para 4 níveis.
4.2.2
Inversor 5 níveis
Para o inversor de 5 níveis deve ser realizado os mesmo passo que o realizado para o inversor de 4 níveis. A atenção que deve ser dada para o caso de 5 níveis é que para obtenção do nível zero de tensão, é necessário manter acionada apenas o interruptor bidirecional, bloqueando as demais. Isto é contornado pelo fato da bancada apresentar drivers individuais, em que os comandos são enviados separadamente para cada um dos interruptores, tornando possível a modulação desejada.
O número N neste caso é igual a 5, portanto, os valores dos eixos horizontais calculados a partir da Equação (4.1) são: Eixo(1) = Vcc
2 , Eixo(2) = Vcc 4 , Eixo(3) = 0, Eixo(4) = −Vcc 4 e Eixo(5) = −Vcc 2 .
O valor da variável Pa é calculado a partir da identificação da posição da tensão de
referência e realização de uma das seguintes condições. • Se (Vref > V4cc) => Pa = Eixo[1] − Vref
• Se (Vref >0 && Vref < V4cc) => Pa = Eixo[2] − Vref
• Se (Vref >
−Vcc
4 && Vref <0 ) => Pa= Eixo[3] − Vref
• Se (Vref > −V2cc && Vref < −V4cc ) => Pa= Eixo[4] − Vref
Após encontrar o valor da variável Pa, o algoritmo segue para cálculo dos tempos de
Capítulo 4. Resultados Experimentais 116
e (4.3). Os tempos são enviados então para os módulos PWM e posteriormente para os drivers de comando dos interruptores.
A Figura 91 apresenta um exemplo do que acontece na modulação que foi imple- mentada para o inversor de 4 níveis.
/2
/4
0
/4
v
refP
aeixo[1]
eixo[2]
eixo[3]
eixo[4]
/2
eixo[5]
V
ccV
cc-V
cc-V
ccFigura 91 – Representação da modulação para 5 níveis.
4.3 Conversor cc-cc
Inicialmente, realiza-se a montagem do conversor cc-cc para verificar seu correto funcionamento. A conexão dos pontos entre os dispositivos é realizada através de cabos, a alimentação do conversor é feita por meio da rede, através do ’varivolt’, passando pelo retificador e com isso alimentando o capacitor de entrada C3. O comando para os
interruptores do conversor cc-cc são enviados pelo DSP ao módulo PWM e posteriormente enviados através de um cabo ‘flat´ para o driver que é conectado ao mesmo. A configuração desta montagem é apresentada na Figura 92. A carga R1 é de 25 Ω e a carga R2 é de 350
Capítulo 4. Resultados Experimentais 117 S + C 1 - + C 2 - D 1 R 1 R 2 L m S 1 + V 1 - + - V 2 + V o1 - + V o2 - I 2 I R1 I R2 I C2 I D1 I C1 N 1 N2 I 1 DSP Módulo PWM + C 3 - I C3 S S 1
Figura 92 – Montagem experimental do conversor cc-cc.
As tensões de saída do conversor são apresentadas na Figura 93. As saídas apresen- tam as tensões desejadas, sendo a tensão de saída Vo igual ao dobro da tensão de entrada
e a do capacitor C1 igual a um quarto da tensão da saída Vo. Isso mostra que a tensão do
capacitor C2 é igual a tensão de entrada, tendo em vista que Vo é dada pela soma da sua
tensão e da tensão entrada.
Figura 93 – Tensões de saída do conversor cc-cc.
A Figura 94-a apresenta as correntes nos dispositivos do conversor. Enquanto a Figura 94-b apresenta as tensões de bloqueio dos dispositivos. A tensão do diodo D1 e
Capítulo 4. Resultados Experimentais 118
de entrada Vi, enquanto que a tensão no interruptor S1 é dada pela soma da tensão do
secundário V2 e da armazenada no capacitor C1.
(a) Correntes dos dispositivos do con- versor cc-cc.
(b) Tensões de bloqueio dos dispositi- vos do conversor cc-cc.
Figura 94 – Esforços nos dispositivos do conversor cc-cc.
A Tabela 11 apresenta a comparação entre os valores teóricos, simulados e experi- mentais. Observa-se que os resultados obtidos experimentalmente são satisfatório, estando abaixo dos valores teóricos e simulados devido as perdas dos componentes.
Tabela 11 – Comparações de resultados teóricos com simulados. Grandeza Teórico Simulado Experimental
ID1med 0,85 A 0,932 A 0,75 A ID1ef 1,309 A 1,69 A 1,15 A ISmed 2,2 A 2,08 A 1,98 A ISef 3,29 A 3,02 A 2,97 A IS1med 3 A 2,71 A 2,65 A IS1ef 4,28 A 4,26 A 4,02 A VD 300 V 300 V 300 V VS 300 V 300 V 300 V VS1 150 V 150 V 150 V