Conventional Single Phase Shift (CSPS)

A técnica phase shift foi pensada para que as duas tensões alternadas, de saída das duas pontes, estejam desfasadas entre si num determinado ângulo α. Na sua versão original, esse desfasamento era criado apenas devido à aplicação de comandos de gate desfasados de uma ponte para a outra. Assim sendo, após o aparecimento de outras técnicas de controlo derivadas desta, esse método passou a ser conhecido nos dias de hoje por conventional single phase shift (CSPS).

Comparativamente com todas as técnicas phase shift a técnica CSPS é a mais utilizada por ser de todas a que apresenta um menor grau de complexidade [2], [100]. Esta técnica apenas é significativamente menos vantajosa, comparativamente com as outras, quando o valor da tensão V1 for inferior à tensão nV2 [98]. Isto porque, quando

opera nestas condições esta técnica apresenta valores de potência reativa e de corrente do conversor elevados.

Na Figura 3.10 apresentam-se os sinais de gate impostos aos IGBTs de um conversor DAB para que este funcione com a técnica CSPS, bem como as tensões de saída das duas pontes, a corrente e a potência de saída da ponte H1. Neste controlo apenas

é imposto um desfasamento, α, entre os sinais de gate dos IGBTs de uma ponte para a outra. Deve ter-se em atenção que os IGBTs do mesmo braço (p. ex. S1 e S2) têm

obrigatoriamente de ter sinais de gate opostos, pois caso contrário acontecerá um curto-circuito. Uma vez aplicados sinais de gate desfasados de uma ponte para a outra, também as tensões de saída das duas pontes (vH1 evH2) estarão desfasadas entre si. As

tensões vH1 evH2 têm apenas dois níveis que permanecem fixos durante metade do período

de comutação. Como se pode verificar pela Figura 3.10 os dois níveis da tensão vH1 são V1 e -V1 volts, isto acontece pelo facto da ponte H1 estar a ser alimentada por uma tensão

de V1 volts. O mesmo raciocínio é válido para a tensão de saída da ponte H2.

No conversor DAB, utilizando-se a técnica CSPS, a potência ativa transferida bem como o seu sentido podem ser regulados pela alteração do valor do ângulo de desfasamento α. Contudo, a potência ativa transferida pelo conversor não é proporcional ao desfasamento α, dependendo por isso de outros parâmetros do circuito.

(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h)

Figura 3.10 – Funcionamento do conversor DAB com a técnica de controlo conventional single phase

shift a transferir energia da fonte V1 para V2: (a) Sinal de gate de S1 e S4; (b) Sinal de gate de S2 e S3; (c) Sinal de gate de Q1 e Q4; (d) Sinal de gate de Q2 e Q3; (e) Tensão de saída da ponte H1 (vH1);

(f) Tensão de saída da ponte H2 (vH2); (g) Corrente de saída da ponte H1 (iH2); (h) Potência de saída da ponte H1 (pH2).

Na equação (3.3) apresenta-se a equação que permite determinar a potência ativa transferida da fonte V1 para V2 (Ptransf), quando o conversor é controlado pela técnica

CSPS. A potência ativa transferida pelo conversor depende, para além do ângulo de desfasamento α, das tensões do barramento CC de cada uma das pontes H (V1 e V2), da

relação de transformação do transformador (n), da frequência de comutação dos IGBTs (fc) e do valor da indutância total do circuito (Ltotal). A relação de transformação

do transformador utilizado no conversor é dada pela equação (3.4), onde n1 e n2

representam o número de espiras de cada um dos enrolamentos do transformador situados respetivamente do lado das pontes H1 e H2. A variável Ltotal representa a soma do valor

da indutância auxiliar (Laux) com o da reactância de dispersão do transformador (Ltransf),

como se pode ver pela equação (3.5).

𝑃_{𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠} = 𝑉1 𝑛 𝑉2 360° 𝑓_𝑐 𝐿_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝛼 − 𝛼2 180°) (3.3) 𝑛 = 𝑛1 𝑛₂ (3.4) 𝐿_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} = 𝐿_𝑎𝑢𝑥+ 𝐿_{𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓} (3.5) Na Figura 3.11 apresenta-se um gráfico da potência ativa transferida da fonte V1

para a fonte V2 do conversor DAB quando controlado pela técnica CSPS em função do

desfasamento α. É de realçar que neste gráfico é tido em consideração que, excetuando o ângulo de desfasamento α, todos os parâmetros que influenciam a potência ativa transferida pelo conversor são mantidos constantes e capazes de permitir uma potência máxima transferível pelo conversor de 4 kW.

Figura 3.11 – Potência ativa transferida entre as fontes V1 e V2 do conversor DAB quando controlado por conventional single phase shift em função do ângulo de desfasamento α.

O desfasamento imposto entre as tensões de saída das duas pontes H pode variar entre -90 e 90 graus. Pela observação da Figura 3.11, pode verificar-se que ao ser aplicado um desfasamento negativo a potência, Ptrans, assume valores negativos. Significa isso que

nesse caso a energia é transferida da fonte V2 para V1. As informações deste gráfico são

também válidas para o conversor DHB, porém, nesse caso os parâmetros do conversor serão diferentes dos assumidos no exemplo apresentado.

Da observação do gráfico, conclui-se que a transferência da máxima potência é conseguida com α = 90°, ou no caso da transferência se dar no outro sentido é conseguida com α = -90°, que são os valores limite para o ângulo de desfasamento. Contudo, quanto

aconselhável que o conversor opere com valores de α baixos, coincidentes com a zona mais linear da sua curva de potência ativa transferida [54]. Assim, o ângulo de desfasamento deve ser mantido entre os -30° e os 30°. Este procedimento irá refletir-se numa melhor eficiência do conversor visto que a potência reativa diminui consideravelmente.

Através da análise da equação (3.3) conclui-se que, para um determinado valor de

V1 e V2, quanto menor for o valor de Ltotal menor será o ângulo de desfasamento necessário

para que a potência desejável seja transferida. No entanto deve ter-se em atenção que quanto menor for o valor da indutância Ltotal maior será o valor di/dt da corrente. Assim,

e tendo em conta a gama de operação aconselhável, a indutância Ltotal deve ser capaz de

assegurar um ângulo de desfasamento próximo dos -30° ou 30°, dependendo do sentido da transferência de energia.

Como já foi referido anteriormente, o conversor DAB permite a operação com gamas de potências mais elevados que os outros conversores IBDCs apresentados. Esta afirmação é confirmada pela equação (3.6), que apresenta a dependência da potência ativa transferida num conversor DHB quando controlado pela técnica CSPS. Como se pode verificar, mantendo-se os valores de todos os parâmetros envolvidos, nesse conversor a energia transferida será metade da transferida no conversor DAB.

𝑃_{𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠} =1 2 𝑉₁ 𝑛 𝑉₂ 360° 𝑓_𝑐 𝐿_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝛼 − 𝛼2 180°) (3.6)