DVRs com Transformadores a Enrolamentos Abertos
3.2.8 Estimativa de Perdas nas Chaves Semicondutoras
A estimativa de perdas considerada neste estudo ´e baseada em um modelo de regress˜ao, o qual fora obtido por testes experimentais. A chave de potˆencia usada fora: IGBT m´odulo dual CM50DY-24H (POWEREX) acionada pelo driver SKHI-10 (SEMIKRON). Tal modelo inclui: a) Perdas de condu¸c˜ao no IGBT e diodo, b) Perdas de comuta¸c˜ao (ligar) no IGBT, c) Perdas de comuta¸c˜ao no IGTB (desligar), e d) energia no diodo quando bloqueado. Maiores detalhes desta t´ecnica bem como modelo s˜ao encontrados em (Cavalcanti et al., 2003, Dias et al., 2009). Essas estimativas de perdas obedecem as seguintes express˜oes:
Pcd = a(Tj)bicl+ c(Tj)di2cl+ c(Tj)fi3cl, (3.30) Psw = 1 ∆[a(vc) b + (Tj)c+ d(vc)e+ (Tj)ficl+ g(vc)h(Tj)2(icl)2], (3.31) Ptot = Pcd+ Psw, (3.32)
onde Pcd s˜ao as perdas de condu¸c˜ao, Psw s˜ao as perdas de chaveamento, Ptot s˜ao as perdas
totais, Tj representa a temperatura de jun¸c˜ao, icl ´e a corrente instantˆanea no coletor e as
vari´aveis a, b, c, d, e, f , g e h s˜ao parˆametros do modelo.
A Figura 3.14 mostra um estudo comparativo das perdas totais nas chaves semicondu- toras entre os DVRs convencionais e o DVR-OEW operando com tens˜oes iguais/diferentes no barramento CC. Nestes resultados, a potˆencia na carga trif´asica fora fixada em 6 kW. As tens˜oes no barramento CC para cada configura¸c˜ao de DVR foram fixadas no intuito de ga- rantir mesmas condi¸c˜oes de opera¸c˜ao para todas as estruturas (i.e., Vdc2L=Vdc, Vdc3L = Vdc/
√ 3, VN P C
n´ıvel de tens˜ao. O mesmo valor da WTHD fora fixado para todas as configura¸c˜oes. Neste caso, a frequˆencia de chaveamento ´e de 10 kHz para o DVR-2L, 7,5 kHz para o DVR-3L,
4,4 kHz para o DVR-NPC e o DVR-OEW operando com tens˜oes iguais no barramento CC
(vca = vcb) e 3,3 kHz para DVR-OEW operando com tens˜oes diferentes (vca = 2vcb). Tais
valores garantem que todos os DVRs ir˜ao gerar tens˜oes com mesmo n´ıvel de THD. Conside- rando as rela¸c˜oes de transforma¸c˜ao em cada estrutura, pode-se considerar dois casos: Caso I - η = 1 e Caso II - η = 2, onde η representa a rela¸c˜ao de transforma¸c˜ao nos transformadores com η = Np/Ns, Np - n´umero de espiras do prim´ario; Ns - n´umero de espiras no secund´ario.
(a) (b)
Figura 3.14: Comparativo das perdas totais entre as estruturas convencionais e DVR-OEW considerando dois casos para rela¸c˜ao de transforma¸c˜ao. (a) η = 1. (b) η = 2.
(a) (b)
Figura 3.15: Comparativo das perdas por chave entre as estruturas convencionais e DVR-OEW considerando dois casos para rela¸c˜ao de transforma¸c˜ao. (a) η = 1. (b) η = 2.
A Figura 3.14 mostra as perdas de condu¸c˜ao, chaveamento e totais (condu¸c˜ao + cha- veamento) de todas as chaves em cada configura¸c˜ao considerando duas condi¸c˜oes levando em conta a rela¸c˜ao de transforma¸c˜ao dos transformadores (Casos I e II). Com base na Fi- gura 3.14(a) - Caso I (η = 1), nota-se que mesmo tendo mais chaves, as perdas totais no DVR-OEW (vca = 2vcb) ´e menor do que aquelas obtidas com o DVR-2L e consideravelmente
menor quando comparada com DVR-3L. Isto deve-se ao fato de o conversor A (com maior tens˜ao) estar grampeado a cada 2/3 de ciclo de opera¸c˜ao enquanto que o conversor B (com menor tens˜ao) comuta durante todo o ciclo de opera¸c˜ao. Dessa forma, as perdas de chave- amento podem ser reduzidas consideravelmente. Com rela¸c˜ao ao DVR-OEW operando com tens˜oes iguais, observa-se que suas perdas s˜ao praticamente as mesmas obtidas com DVR- NPC. Como a tens˜ao no barramento CC ´e a metade da tens˜ao no caso da estrutura 2L, o aumento nas perdas de condu¸c˜ao observadas para o DVR-OEW (pelo fato de ter o dobro de chaves operando com mesmo n´ıvel de corrente) ´e compensado pela redu¸c˜ao nas perdas de chaveamento. Por outro lado, as menores perdas s˜ao obtidas para a topologia DVR-OEW operando com tens˜oes diferentes nos barramentos CC.
A Figura 3.15 mostra a caracter´ıstica de perdas por chave nos conversores, a qual for- nece uma ideia do esfor¸co (stress) em cada chave do conversor. Este aspecto ´e importante para eventuais estudos considerando estimativa de falhas. Considerando este resultado, as perdas processadas por cada chave no DVR-OEW s˜ao menores (i.e., DVR-OEW com tens˜oes diferentes nos barramentos CC) ou praticamente as mesmas (i.e., DVR-OEW com tens˜oes iguais) do que as obtidas com a configura¸c˜ao convencional NPC destacada neste resultado.
As Tabelas 3.3 e 3.4 apresentam (de forma quantificada) as perdas nas chaves semicon- dutoras em dois cen´arios: i) todas as configura¸c˜oes operando com a mesma frequˆencia de chaveamento e ii) todas as configura¸c˜oes operando com o mesmo valor de WTHD. Pode-se observar que o DVR-OEW operando com tens˜oes diferentes apresentam menores valores de perdas para ambos os cen´arios. Pode-se perceber que o DVR-OEW operando com tens˜oes diferentes permite reduzir as perdas em torno de 60%, 49% e 32% comparando-se com as estruturas convencionais 2L, 3L e NPC, respectivamente. Para o segundo cen´ario, esta re- du¸c˜ao ´e em torno de 87%, 76% e 50% comparando-se com as estruturas 2L, 3L e NPC, respectivamente.
Tabela 3.3: Comparativo de perdas entre as op¸c˜oes de DVR-OEW e configura¸c˜oes convencionais perante a mesma frequˆencia de chaveamento e η = 1 Comparativo com mesma frequˆencia de chaveamento (10 kHz)
```` ```` ```` ``` Perdas Configura¸c˜ao
2L 3L NPC OEWiguais OEWdif.
Chaveamento (kW) 1,01 0,78 0,59 0,59 0,40
Condu¸c˜ao (kW) 0,14 0,25 0,25 0,25 0,25
Totais (kW) 1,15 1,03 0,84 0,84 0,65
Tabela 3.4: Comparativo de perdas entre as op¸c˜oes de DVR-OEW e configura¸c˜oes convencionais perante o mesmo valor de WTHD e η = 1
Comparativo com mesmo valor de WTHD (0,21%)
```` ```` ```` ``` Perdas Configura¸c˜ao
2L 3L NPC OEWiguais OEWdif.
Chaveamento (kW) 1,01 0,54 0,26 0,26 0,13
Condu¸c˜ao (kW) 0,14 0,25 0,25 0,25 0,25
Totais (kW) 1,15 0,79 0,51 0,51 0,38