3.13 Aplica¸c˜ao do Conversor 4L-3f em Sistemas Tolerante a Falhas
3.13.1 Conversor Pre-Falha
Mostra-se na Fig. 3.19 a configura¸c˜ao ponte completa “sadia”, esta topologia ´e seme- lhante a Configura¸c˜ao 5L-3f a menos dos dispositivos de isola¸c˜ao (fuz´ıveis) e de conex˜ao (triacs).
A configura¸c˜ao da Fig. 3.19 possui dez dispositivos de isola¸c˜ao (fuz´ıveis de a¸c˜ao r´apida Fg1, Fg1, Fg2, Fg2, Fl1, Fl1, Fl2, Fl2, Fl3 e Fl3) em cada bra¸co do conversor, e possui seis dispositivos de conex˜ao t0
1, t 00 1, t 0 2, t 00 2, t 0 3 e t 00
3 (triacs), que s˜ao usados para modificar o circuito do conversor depois da isola¸c˜ao da falha.
3.13.2
Conversor Pos-Falha
Ap´os a reconfigura¸c˜ao, doze configura¸c˜oes de quatro bra¸cos (4L) s˜ao obtidas para o conversor pos-falha.
Topologias
Os conversores pos-falha s˜ao listados abaixo:
- 4L-l1g1 (o bra¸co l1 ´e perdido e o bra¸co g1 ´e compartilhado) e 4L-g1l1 (o bra¸co g1 ´e perdido e o bra¸co l1 ´e dividido), g1 ´e conectado ao bra¸co l1 (o triac t0
1 ´e ligado), - 4L-l1g2 (o bra¸co l1 ´e perdido e o bra¸co g2 ´e compartilhado) e 4L-g2l1 (o bra¸co g2 ´e perdido e o bra¸co l1 ´e compartilhado), g2 ´e conectado ao bra¸co l1 (o triac t00
1 ´e ligado), - 4L-l2g1 (o bra¸co l2 ´e perdido e o bra¸co g1 ´e compartilhado) e 4L-g1l2 (o bra¸co g1 ´e perdido e o bra¸co l2 ´e compartilhado), g1 ´e conectado ao bra¸co l2 (triac t0
Cap´ıtulo 3. Conversores de quatro bra¸cos - cargas trif´asicas e bif´asicas 119
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3.20: Conversor monof´asico trif´asico pos-falha (Configura¸c˜ao 4L). (a) Confi- gura¸c˜ao 4L-l1g1. (b) Configura¸c˜ao 4L-l1g2. (c) Configura¸c˜ao 4L-g1l1. (b) Configura¸c˜ao 4L-g2l1.
- 4L-l2g2 (o bra¸co l2 ´e perdido e o bra¸co g2 ´e compartilhado) e 4L-g2l2 (o bra¸co g2 ´e perdido e o bra¸co l2 ´e compartilhado), g2 ´e conectado ao bra¸co l2 (triac t00
2 ´e ligado), - 4L-l3g1 (o bra¸co l3 ´e perdido e o bra¸co g1 ´e compartilhado) e 4L-g1l3 (o bra¸co g1 ´e perdido e o bra¸co l3 ´e compartilhado), g1 ´e conectado ao bra¸co l3 (triac t0
3 ´e ligado), - 4L-l3g2 (o bra¸co l3 ´e perdido e o bra¸co g2 ´e compartilhado) e 4L-g2l3 (o bra¸co g2 ´e perdido e o bra¸co l3 ´e compartilhado), g2 ´e conectado ao bra¸co l3 (triac t003 ´e ligado). Apresenta-se na Fig. 3.20 as Configura¸c˜oes 4L-l1g1, 4L-l1g2, 4L-g1l1, and 4L-g2l1 obtidas quando a fase 1 da carga ´e conectada na entrada do conversor. As outras oito configura¸c˜oes s˜ao obtidas pela substitui¸c˜ao da fase 1 pelas fases 2 e 3. Observa-se que, existem quatro possibilidades de configura¸c˜ao associada com cada fase da carga. O controle PWM ser´a detalhado na pr´oxima se¸c˜ao.
Cap´ıtulo 3. Conversores de quatro bra¸cos - cargas trif´asicas e bif´asicas 120
Tabela 3.5: Vari´aveis gerais associadas com cada configura¸c˜ao.
Configura¸c˜oes 4L l1g1 l1g2 g1l1 g2l1 l2g1 l2g2 g1l2 g2l2 l3g1 l3g2 g1l3 g2l3 p g2 g1 g2 g1 g2 g1 g2 g1 g2 g1 g2 g1 s g1 g2 l1 l1 g1 g2 l2 l2 g1 g2 l3 l3 k l2 l2 l2 l2 l1 l1 l1 l1 l1 l1 l1 l1 i l21 l21 l21 l21 l12 l12 l12 l12 l13 l13 l13 l13 m l3 l3 l3 l3 l3 l3 l3 l3 l2 l2 l2 l2 j l31 l31 l31 l31 l32 l32 l32 l32 l23 l23 l23 l23 δ −1 1 −1 1 −1 1 −1 1 −1 1 −1 1
3.13.3
T´ecnica PWM
As tens˜oes de p´olo de referˆencia para o conversor pos-falha s˜ao determinadas como feito para a Configuara¸c˜ao 4L-3f, desta forma se v∗
g, vl1∗, v∗l2 e v∗l3 representam as tens˜oes de referˆencia do lado da fonte e do lado da carga, as tens˜oes de p´olo de referˆencia s˜ao dadas por v∗ p0 = δvg∗+ vµ∗ (3.38) v∗ s0 = v∗µ (3.39) v∗ k0 = v∗i + vµ∗ (3.40) v∗ m0 = v∗j + vµ∗. (3.41)
As equa¸c˜oes (3.38)-(3.41) mostram uma forma generalizada indicando as tens˜oes de p´olo de referˆencia para cada configura¸c˜ao pos-falha. As vari´aveis p, s, k, i, m, j e δ s˜ao definidas na Tabela 3.5. Estas vari´aveis s˜ao usadas nas pr´oximas se¸c˜oes para obter rela¸c˜oes que associam cada configura¸c˜ao. Por exemplo, para a Configura¸c˜ao 4L-l2g2, p = g1, s = l2, k = l1, i = l12, m = l3, j = l32 e δ = 1 (ver Tabela 3.5). Substituindo estas vari´aveis em (3.38)-(3.41), as tens˜oes de p´olo de referˆencia para a Configura¸c˜ao 4L-l2g2 s˜ao obtidas como segue
v∗ g10 = v∗g+ v∗µ (3.42) v∗ l10 = v∗l12+ vµ∗ (3.43) v∗ l20 = v∗µ (3.44) v∗ l30 = v∗l32+ vµ∗ (3.45) onde v∗ l12 = vl1∗ − vl2∗ e vl32∗ = v∗l3− vl2∗. A tens˜ao v∗
µpode ser calculada a partir de (3.9) levando em considera¸c˜ao os M´etodos A ou B (fator de distribui¸c˜ao global ou local) apresentados para a Configura¸c˜ao 4L-
Cap´ıtulo 3. Conversores de quatro bra¸cos - cargas trif´asicas e bif´asicas 121
3f. Assim, para qualquer configura¸c˜ao pos-falha (4L), pode-se utilizar procedimento semelhante ao realizado para a Configura¸c˜ao 4L-3f.
3.13.4
Identifica¸c˜ao da Falha
O efeito de uma falha em uma ou duas chaves (em um mesmo bra¸co) pode ser repre- sentado por um erro nas tens˜oes de p´olo com rela¸c˜ao as tens˜oes de p´olo de referˆencia usadas para gerar os sinais de gatilho [133]. A compara¸c˜ao direta entre as tens˜oes medi- das e suas referˆencias resulta em um erro de tens˜ao que pode ser usado para identificar a chave sob falha.
Considere ∆vj0 como representando o desvio na tens˜ao de p´olo devido a uma falha na chave qj e qj, por exemplo, onde j = g1, g2, l1, l2 e l3. A tens˜ao de p´olo v0j0 depois da ocorrˆencia da falha pode ser descrita como
v0
j0 = vj0+ ∆vj0. (3.46)
A ocorrˆencia da falha pode ser determinada pela an´alise do erro de tens˜ao obtida a partir da compara¸c˜ao entre a tens˜ao de p´olo v0
j0 e seu respectivo valor de referˆencia v∗
j0. Este erro ´e dado por
δvj0= v∗j0− vj00 = ∆vj0+ ²jd (3.47)
onde ²jd´e a discretiza¸c˜ao do erro introduzida pela t´ecnica de modula¸c˜ao empregada. O efeito do erro de discretiza¸c˜ao pode ser minimizado usando um processo de calibra¸c˜ao. Depois, o erro de tens˜ao δvj0 pode ser aproximado por δvj0 = ∆vj0. O desvio de tens˜ao ±∆vj0 reflete no erro de tens˜ao δvj0. Baseado neste erro, ´e poss´ıvel detectar a identificar a chave sob falha. Ent˜ao, o bra¸co pode ser isolado [133].
3.13.5
Compensa¸c˜ao da Falha
Ap´os a ocorrˆencia da falha, o procedimento de reconfigura¸c˜ao muda o conversor de cinco bra¸cos (Fig. 3.19) para o conversor de quatro bra¸cos (Fig. 3.20). Dois casos podem ser considerados
- Caso 1: Se antes da falta a fonte prim´aria e a carga possuem mesma frequˆencia e vg pode ser mantida sincronizada com vlξ (ξ = 1, 2 ou 3) com ε = 0o (ε = 180o) ´e necess´ario apenas configura¸c˜oees onde δ = −1 (δ = 1) usando apenas um triac t01 (t
00 1). Considerando, por exemplo, que o bra¸co g1 ´e perdido e vg e vl1 est˜ao previamente sincronizadas com |ε| ≤ 60o (ou seja, apenas conversores pos-falha do tipo δ = −1 s˜ao
Cap´ıtulo 3. Conversores de quatro bra¸cos - cargas trif´asicas e bif´asicas 122 necess´arias e os triacs t0 1, t 0 2 e t 0
3 s˜ao empregados), ent˜ao o triac t 0
1 ´e disparado para obter a Configura¸c˜ao 4L-g1l1 [ver Fig. 3.20(c)].
- Caso 2: Se antes da falha as frequˆencias s˜ao iguais mas vg n˜ao pode se manter em fase com vlξ (ξ = 1, 2 ou 3) ou quando as frequˆencias da fonte prim´aria e da carga n˜ao s˜ao iguais ´e escolhido a o tipo de topologia (δ = −1 or δ = 1) com a reconfigura¸c˜ao como uma fun¸c˜ao de εo, o valor inicial de ε. Se |εo| ≤ 60o´e escolhido δ = −1 enquanto se |εo| ≥ 60o ´e escolhido δ = 1. Para recuperar e manter toda a capacidade de tens˜ao do conversor a frequˆencia da carga ωldeve se tornar igual a ωge |ε| ≤ 60o ou |ε| ≥ 300o. Considere por exemplo que o bra¸co g1 ´e perdido, ent˜ao existem trˆes possibilidades de topologias pos-falha:
i) se −60o ≤ |ε
o| ≤ 60o triac t 0
1 ´e disparado para obter a Configura¸c˜ao 4L-g1l1 (δ = −1);
ii) se 60o ≤ |ε
o| ≤ 180o triac t 0
2 ´e disparado para obter a Configura¸c˜ao 4L-g1l2 (δ = −1);
iii) if 180o ≤ |ε
o| ≤ 300o triac t 0
3 ´e disparado para obter a Configura¸c˜ao 4L-g1l3 (δ = −1).
A estrat´egia de compensa¸c˜ao da falha pode ser resumida como segue: 1) Medi¸c˜ao das tens˜oes vio;
2) Computa¸c˜ao do erro de tens˜ao eio pela compara¸c˜ao das tens˜oes de referˆencia com as tens˜oes atuais;
3) Determina¸c˜ao se estes erros correspondem ou n˜ao a uma condi¸c˜ao de falha; 4) Identifica¸c˜ao da chave sob falha e isola¸c˜ao destas chaves;
5) Remo¸c˜ao dos comandos das chaves sob falha;
6) Determina¸c˜ao da topologia pos-falha (valores de p, s, k, i, m, j, e δ) 7) Disparo do triac apropriado;
8) C´alculo das tens˜oes de p´olo de referˆencia, usando p, s, k, i, m, j, e δ.
3.13.6
Resultados Experimentais
Mostra-se na Fig. 3.21 alguns resultados experimentais para a configura¸c˜ao pre-falha e pos-falha alimentando uma carga trif´asica RL. Nos resultados experimentais os modos de falhas foram criados artificialmente pela retirada do bra¸co ql1 − ql1, desta forma a Configura¸c˜ao 5L foi mudada para a Configura¸c˜ao 4L-l1g2. O filtro da carga n˜ao ´e usado e a tens˜ao vl123 (vl1, vl2 e vl3) ´e sincronizada com eg. Nestes resultados experimentais a falha ocorreu no instante t = 0.11s e a reconfigura¸c˜ao da topologia do conversor de potˆencia ocorreu no instante t = 0.127s.
Cap´ıtulo 3. Conversores de quatro bra¸cos - cargas trif´asicas e bif´asicas 123
As formas de onda apresentadas na Fig. 3.21 s˜ao: tens˜ao e corrente da fonte prim´aria (eg e 5ig) [Fig. 3.21(a)], tens˜ao da fonte e tens˜ao de sa´ıda do conversor filtrada (vl1) [Fig. 3.21(b)] e tens˜ao do barramento capacitivo (vc) [Fig. 3.21(c)].
0.05 0.11 0.15 −250 −200 −150 −100 −50 0 50 100 150 200 250 t (s) eg (V ) , 5 i g (A) e g 5i g (a) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.11 0.14 0.16 0.18 0.2 −200 −100 0 100 200 t (s) eg , v l1 (V) e g v l1 (b) 0 0.11 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 50 100 150 200 250 t (s) vc (V) (c)
Figura 3.21: Formas de ondas experimentais para os conversores pre-falha e pos-falha quando o bra¸co ql1 − ql1 ´e perdido e a Configura¸c˜ao 4L-l1g2 ´e obtida. (a) Tens˜ao e corrente da fonte prim´aria. (b) Tens˜ao no conversor de sa´ıda e tens˜ao na fonte prim´aria. (c) Tens˜ao no barramento CC.
Pode-se observar nestes resultados que a capacidade de tens˜ao ´e a mesma antes e depois da falha, apesar de usar apenas quatro bra¸cos para a opera¸c˜ao pos-falha.
Cap´ıtulo 3. Conversores de quatro bra¸cos - cargas trif´asicas e bif´asicas 124