A topologia proposta com barramentos assimétricos (vca = 2vcb) foi testada com experimentos utilizando uma carga trifásica de 460 W. Além disso, são apresentados os resultados com transitório de carga e para uma variação de carga resistiva com o objetivo testar o controle aplicado do diagrama da Figura 3.4.
O experimento para carga trifásica foi realizado e os resultados obtidos são apre-sentados nas Figuras 5.8, 5.9 e 5.10. Na Figura 5.8(a) são mostradas a tensão eg com valor rms de 220 V, para melhor visualização com a corrente ig de entrada. Percebe-se que a corrente é senoidal com fator de potência de 99,99 %, validando o controle de corrente aplicado. Na Figura 5.8(b) é apresentada a tensão de entrada gerada (vg), que possui sete níveis, validando a estratégia de modulação utilizada.
Figura 5.8 – Resultados experimentais (Lado da rede).
(a) Tensão (eg) e corrente (ig) da rede.
eg
ig
(b) Tensão de entrada (vg).
Fonte: acervo do autor.
Na Figura 5.9 são apresentadas as tensõesvca e vcb dos barramentos CC. Nota-se que os dois barramentos CC estão controlados e com a assimetria de 2:1. As tensões seguem a referência de 140 V e 70 V, respectivamente. Com a aplicação do controle da tensão de barramento CC por histerese controlando o barramento CC vcb e o barramento CC vca é controlado naturalmente pelo controle PI da soma das tensões dos barramentos CC. As tensões apresentam uma ondulação de baixa frequência, como mencionado anteriormente, a ondulação é resultante de harmônicos de segunda ordem, condição intrísica de sistemas monofásicos.
Na Figura 5.10(a) são mostradas as tensões vs1, vs2 e vs3 de saídas do conversor que alimentam a carga trifásica, em que possuem treze níveis, validando a estratégia de modulação LSPWM aplicada. Na Figura 5.10(b) são mostradas correntes is1 eis2 na carga trifásica com as respectivas tensões filtradas.
Figura 5.9 – Resultados experimentais (Tensões dos barramentos CC (vca,vcb)).
vca
vcb
Fonte: acervo do autor.
Figura 5.10 – Resultados experimentais (Lado da carga).
(a) Tensões de saídavs1evs2.
vs1 vs2 vs3 (b) Correntes no motoris1 eis2. vS1 iS1 vS2 iS2
Fonte: acervo do autor.
Na Figura 5.11 são mostradas as tensões de polo nos retificadores, com o controle de histerese aplicado, apresentando o chaveamento dos interruptores do conversor A (maior tensão) e o do conversor B (menor tensão).
Para testar a resposta do controle a variações de carga, foi aplicada uma variação de carga resistiva na saída dos inversores. O resultado do teste ao controle utilizado é apresentado na Figura 5.12, mostrando a estabilização adequada seguindo as referências aplicadas de tensão e corrente.
Na Figura 5.12(a) são apresentadas as formas de onda das tensões vca e vcb dos barramentos CC, da tensão eg e correnteig da rede para uma variação de carga de 50 Ω para 37,5 Ω. Na Figura 5.12(b) são apresentadas as formas de onda das tensões vca evcb dos barramentos CC, da tensão eg e corrente ig da rede para uma variação de carga de 37,5 Ω para 50 Ω. É possível observar que as tensões e corrente permanecem estáveis em ambos os casos de variação de carga. Estes resultados mostram o correto funcionamento
Figura 5.11 – Resultados experimentais (Tensões de polova10a,va20a,vb10b e vb20b).
va10a
va20a
vb10b
vb20b
Fonte: acervo do autor.
dos controles aplicados.
Figura 5.12 – Resultados experimentais para variação de carga resistiva.
(a) Tensões (vca e vcb) dos barramentos CC, tensão (eg) e corrente (ig) da rede monofá-sica.
vca
vcb
eg ig
(b) Tensões (vca e vcb) dos barramentos CC, tensão (eg) e corrente (ig) da rede mono-fásica.
vca
vcb eg
ig
Fonte: acervo do autor.
5.5 CONCLUSÕES
Neste capítulo foram apresentados os resultados que validam a topologia proposta, resultados para carga RL de 460 W com fator de potência de 0,8, além de variação de carga resistiva na saída dos inversores. Com os experimentos realizados foram testados os controles utilizados nos casos simétrico e assimétrico. Para as tensões dos barramentos CC no caso simétrico, foi utilizado um controlador PI adicional para balancear as tensões dos barramentos CC. No caso assimétrico, foi utilizado um controle por histerese para o barramento CC vcb, utilizando o controlador PI para a soma dos barramentos CC. As estratégias PWM utilizadas para tensões simétricas e assimétricas dos barramentos CC foram eficientes, foi aplicada a estratégia PWM Level-shifted em conjunto com a PWM
híbrida, fornecendo uma otimização das tensões dos barramentos CC. Os resultados foram apresentados em regime permanente, e também, durante o transitório na variação de carga resistiva, verificando o controle utilizado para corrente de entrada e tensões dos barramentos CC. A corrente de entrada apresentou um resultado senoidal e com fator de potência de 99,89% e 99,99% para os barramentos simétricos e assimétricos, respectivamente, mesmo com a variação de carga as tensões dos barramentos CC e a corrente da rede seguiram as referências. As tensões dos barramentos CC foram controladas com o balanceamento de vca =vcb, para barramentos simétricos e para o caso assimétrico de vca = 2vcb.
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste trabalho foi proposto um conversor que agrega as vantagens dos conversores multiníveis para geração de tensão com baixa dv/dt tanto na entrada, quanto na saída; possui o isolamento elétrico da rede com a carga por meio de transformadores em cascata que proporcionam também barramentos CC isolados e tensão multinível na entrada, além de controles para corrente de entrada fornecendo uma corrente de entrada senoidal e com fator de potência próximo a unidade e tensão nos barramentos CC controladas e balanceadas para o caso simétrico e tensões controladas para o caso assimétrico, os barramentos CC fornecem energia para inversores que acionam uma carga OEWIM trifásica que possui menor ondulação de torque do que os motores trifásicos convencionais. As tensões aplicadas nos interruptores são menores do que no conversor convencional, diminuindo o estresse nos interruptores. Os transformadores de baixa frequência foram utilizados devido a facilidade de implementação para o abaixamento de tensão, necessário em aplicações em trens elétricos, também com a característica de isolação galvânica da rede e entre os conversores.
Foram apresentados resultados de simulação para a topologia proposta com relação da tensão entre os barramentos CC de 1:1, 2:1 e 3:1, em que uma carga OEWIM foi utilizada. Os resultados obtidos na simulação possuem características esperadas como apresentado anteriormente no modelo do sistema, gerando tensões multiníveis, na entrada e na saída, de acordo com o nível de assimetria nas tensões dos barramentos CC. Também, foram realizadas simulações para análise de distorções harmônicas nas tensões e correntes do conversor proposto utilizando os métodos WTHD e THD para avaliar o desempenho. Verificou-se que em todos os casos o conversor proposto obteve melhores resultados que o conversor convencional. Além de simulações para análise de perdas nos interruptores, a topologia proposta com relação assimétrica (2:1) apresentou resultados satisfatórios, apresentando menores perdas totais que o conversor convencional.
Foram realizados experimentos que validam a topologia proposta em ambos os casos de assimetria entre as tensões dos barramentos CC. Os experimentos foram realizados com carga de 460 W e com variação de carga. Assim como as simulações, as correntes foram controladas com formato senoidal e com fator de potência acima do exigido pelas concessionárias de energia, as tensões dos barramentos CC também foram controladas, verificando o funcionamento ótimo dos controles com a variação da carga resistiva em que as grandezas controladas seguiram as referências.
PROPOSTAS PARA CONTINUIDADE DO ESTUDO
Para continuidade de pesquisa com a topologia do conversor proposto, é possível mo-dificar a topologia substituindo os transformadores de baixa frequência por transformadores
de média frequência.
Também é possível analisar variações na topologia com substituição de alguns braços utilizando IGBT por braços a diodo, quando não houver recuperação de energia na frenagem.
Por fim, existe a possibilidade de análise para utilização de frenagem regenerativa dos trens elétricos proporcionando energia para sistemas de armazenamento.
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APÊNDICE A – DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DOS TRANSFORMADORES
O circuito equivalente de um transformador não ideal é mostrado na Figura A.1. Em (FITZGERALD; KINGSLEY; UMANS, 2008) é apresentado que ao realizar os ensaios em vazio e em curto circuito do transformador é possível determinar os seguintes parâmetros: resistências do primário e secundário (r1 er2), resistência do núcleo (rp), indutâncias do primário e secundário (l1 e l2) e indutância de dispersão do núcleo (lm).
Figura A.1 – Circuito equivalente de um transformador não ideal.
r1 l1 r2 l2
rp lm
Fonte: acervo do autor.