Conversores c.a./c.a com barramento c.c

Algumas das caracter´ısticas esperadas na opera¸c˜ao de um conversor c.a./c.a. s˜ao: forma de onda senoidal, grande faixa de varia¸c˜ao da freq¨uˆencia e da amplitude da tens˜ao de sa´ıda, fa- tor de potˆencia da entrada unit´ario, fluxo bidirecional de potˆencia e velocidade de resposta em curto espa¸co de tempo. Na busca por estas caracter´ısticas de opera¸c˜ao, v´arias topologias vˆem sendo propostas e muitas estrat´egias de controle que melhoram o desempenho das topologias j´a conhecidas vˆem sendo desenvolvidas. Neste cen´ario, as topologias com barramento c.c. tˆem recebido aten¸c˜ao especial e s˜ao as mais investigadas. A topologia mais simples para este tipo de conversor ´e aquela que utiliza uma ponte retificadora a diodos na entrada. Entretanto, como j´a mencionado anteriormente, tal retificador n˜ao permite controle de tens˜ao, n˜ao permite fluxo bidirecional de potˆencia e apresenta corrente de entrada n˜ao senoidal o que causa muitos proble- mas aos sistemas de potˆencia [78], [79]. Retificadores implementados com tiristores permitem controle da tens˜ao atrav´es da varia¸c˜ao do ˆangulo de disparo, todavia, neste tipo de retifica¸c˜ao, o problema da distor¸c˜ao harmˆonica da corrente de entrada ´e intensificado, al´em de que o fator de potˆencia ser pior e isto aumenta a medida que a tens˜ao de sa´ıda do retificador diminui. Filtros passivos muito grandes s˜ao necess´arios para reduzir as distor¸c˜oes harmˆonicas e manter o fator de potˆencia total dentro de n´ıveis aceit´aveis. Como forma de resolver estas desvantagens surgi- ram os conversores controlados por estrat´egias de modula¸c˜ao por largura de pulso (estrat´egias

P W M ). Em [28] ´e apresentado um conversor c.a./c.c. a comuta¸c˜ao for¸cada comandado por

t´ecnicas P W M regenerativo, com fator de potˆencia elevado, boas caracter´ısticas de forma de onda, al´em de uma ampla faixa de controle da tens˜ao c.c. de sa´ıda. O surgimento de dispositivos com disparo e bloqueio controlado e com freq¨uˆencia de chaveamento cada vez maior, a um pre¸co cada vez menor, permitiu a populariza¸c˜ao das t´ecnicas P W M , a medida que conversores mais eficientes eram propostos. Em [29] foram apresentadas trˆes t´ecnicas P W M para retificadores

trif´asicos autocomutados bidirecionais que permitem reduzir significativamente o tamanho dos filtros de entrada e sa´ıda, al´em de duas destas t´ecnicas permitirem a opera¸c˜ao do conversor com fator de potˆencia elevado. Diversos estudos usando o conversor c.a./c.c. comandado por t´ecnicas

P W M foram desenvolvidos por [32], [80], [81], [82], [83], [84], [85].

Quanto ao est´agio inversor nas estruturas de convers˜ao c.a./c.a. com barramento c.c., a forma mais simples de implement´a-lo (convers˜ao c.c./c.a.) ´e atrav´es da modula¸c˜ao seis degraus. A forma de onda fornecida por este tipo de acionamento do inversor embora n˜ao seja exatamente quadrada, apresenta distor¸c˜ao harmˆonica consideravelmente grande [86]. Da mesma forma que na convers˜ao c.a./c.c., os conversores c.c./c.a. comandados por t´ecnicas P W M permitem baixa distor¸c˜ao harmˆonica nas vari´aveis do conversor [87]. Os primeiros inversores comandados por t´ecnicas P W M come¸caram com as topologias a tiristores comandados por comuta¸c˜ao for¸cada atrav´es de circuitos auxiliares, conforme mencionado anteriormente para os retificadores. Em [63], [64] foram apresentadas t´ecnicas P W M para elimina¸c˜ao de harmˆonicos nas formas de onda de sa´ıda de inversores a tiristores com comuta¸c˜ao for¸cada. Em [88] foi realizado um estudo para opera¸c˜ao do conversor c.c./c.a. a tiristores com comuta¸c˜ao for¸cada de forma que fossem minimizadas simultaneamente as perdas e as distor¸c˜oes.

Embora v´arios trabalhos estudando retificadores e inversores comandados por t´ecnicas P W M tenham sido desenvolvidos desde o surgimento da eletrˆonica de potˆencia, segundo [89] as primeiras investidas em convers˜ao c.a./c.a. com moduladores P W M foram realizadas por [61], [65], [66]. Em [61] foi tratado um sistema completo retificador/inversor controlado por t´ecnicas P W M como forma de reduzir o tamanho dos filtros de entrada e do barramento c.c.. Trabalho se- melhante foi desenvolvido em [90]. Em [65] foi apresentado um sistema de convers˜ao completo retificador/inversor tipo fonte de corrente comandado por t´ecnicas P W M que permite alto fator de potˆencia na entrada, formas de ondas senoidais na entrada e na sa´ıda, fluxo de potˆencia bidire- cional e r´apida resposta dinˆamica. Em [66] s˜ao apresentadas duas topologias retificador/inversor que n˜ao utilizam componentes reativos no barramento c.c.. Mais tarde estes sistemas foram estu- dados em [91], [92], [93]. Desde ent˜ao, muito se tem estudado sobre o controle destes conversores tal como [32], [83], [84]. Em [83] ´e desenvolvido um controle por histerese de corrente para o reti- ficador trif´asico e este controle tamb´em ´e aplicado ao retificador monof´asico em [82]. Um n´umero expressivo de trabalhos abordando estrat´egias P W M foram desenvolvidos e o avan¸co das topolo- gias de conversores e dos sistemas de alta performance se confunde com o avan¸co das t´ecnicas

[95] muito foi desenvolvido neste campo: em [26] ´e discutido o projeto de moduladores P W M ; em [27] ´e discutido uma nova estrat´egia P W M baseado na escolha do n´umero de pulsos para cada per´ıodo do sinal de referˆencia; em [96] ´e introduzida uma componente de seq¨uˆencia zero no sinal de referˆencia como forma de aumentar a regi˜ao de linearidade do P W M ; e em [97] foi feita uma an´alise dos harmˆonicos gerados pela modula¸c˜ao seno-triˆangulo. O avan¸co das estrat´egias de modula¸c˜ao levou ao desenvolvimento das chamadas t´ecnicas vetoriais. O conceito da modula¸c˜ao vetorial baseia-se na defini¸c˜ao que um sistema trif´asico pode ser representado por um ´unico vetor girante. A aplica¸c˜ao deste conceito ao inversor trif´asico resulta em oito vetores no plano que podem ser usados para sintetizar um determinado vetor de referˆencia [98], este ´e o chamado m´etodo de modula¸c˜ao vetorial ou “Space Vector”. Em [31], [30] ´e mostrada a equivalˆencia entre a modula¸c˜ao vetorial e a escalar (seno/triˆangulo). Em [24], [99], [100] s˜ao apresentadas revis˜oes bibliogr´aficas das t´ecnicas P W M e sua evolu¸c˜ao ao longo do tempo.

Em [81] ´e apresentada a topologia de convers˜ao c.a./c.c. monof´asica meia ponte com elevado fator de potˆencia, forma de onda senoidal, fluxo de potˆencia bidirecional e controle da tens˜ao de sa´ıda e em [90] ´e apresentada a topologia ponte completa. Em [82] a topologia meia ponte foi apresentada com controle por histerese da corrente. Uma nova topologia de fonte ininterrupta ligada `a rede monof´asica ´e proposta em [101]. Em [102], [103], [104] s˜ao apresentadas topologias para convers˜ao de um sistema monof´asico para trif´asico.

Em geral, deseja-se primordialmente que o conversor tenha o melhor desempenho poss´ıvel dentro da aplica¸c˜ao a qual se destina. Entretanto, dois outros aspectos n˜ao menos importantes precisam ser considerados em certas situa¸c˜oes: custo e tamanho total do sistema. Neste sentido, o estudo de configura¸c˜oes com n´umero reduzido de componentes ´e um t´opico importante dentro da eletrˆonica de potˆencia.

Redu¸c˜ao de componentes

Os sistemas de convers˜ao c.a./c.a. que empregam conversores com barramento c.c. s˜ao mais co- mumente realizados com as topologias ponte completa [61], [62], [81]. Estas topologias utilizam n´umero elevado de dispositivos semicondutores o que eleva o custo e o tamanho do sistema al´em de reduzir a sua confiabilidade (aumenta a probabilidade de falha). Topologias com n´umero reduzido de dispositivos vˆem sendo propostas e largamente estudadas na literatura t´ecnica. Em [105], [106], [107], [108], [109], [110], [111], [112] foi estudada a topologia meia ponte, nas quais bra¸cos do sistema s˜ao substitu´ıdos por conex˜oes ao ponto central do barramento. Estudos semel-

hantes para o conversor monof´asico/trif´asico foram realizados por [113], [114]. Em [115], [116], [117], [118], [119] foram apresentadas topologias de baixo custo baseadas na combina¸c˜ao de dis- positivos semicondutores de alto desempenho (maiores custos) com dispositivos de desempenho mais modestos (menores custos). A redu¸c˜ao de componentes tamb´em ´e realizada atrav´es do compartilhamento de bra¸cos do conversor, em [120], [121], [122], [123] s˜ao realizados estudos com a configura¸c˜ao monof´asica/monof´asica usando trˆes bra¸cos um dos quais ´e compartilhado entre a entrada (retificador) e a sa´ıda (inversor) do sistema de convers˜ao e em [124], [125] s˜ao apresentadas t´ecnicas de modula¸c˜ao vetorial para esta topologia. A topologia trif´asica/trif´asica usando cinco bra¸cos foi estudada em [126], [127], [128], [129]. Em [130], [131] s˜ao apresentadas diversas topologias de convers˜ao c.a./c.a. com n´umero reduzido de componentes utilizando o conceito de bra¸co compartilhado. Outro foco de estudo ´e a minimiza¸c˜ao dos componentes pas- sivos que comp˜oem o barramento c.c. e o filtro indutivo de entrada. Estes componentes, al´em de custo elevado, ocupam cerca de 20 − 40% do tamanho total de um sistema de convers˜ao operando na ordem de alguns kilohertz [92], [132]. Em [133], [134] s˜ao apresentadas estrat´egias de minimiza¸c˜ao do tamanho do banco de capacitores que comp˜oem o barramento c.c. e em [66], [91], [92], [93] s˜ao propostas estrat´egias de opera¸c˜ao de conversores com barramento c.c. sem elementos passivos compondo o barramento.