1.3.1 Objetivo Geral
A presente tese tem como objetivo geral a análise e desenvolvimento de retificadores de três níveis com alto fator de potência operando no modo de condução descontínuo e a integração dos mesmos com as células multiníveis.
1.3.2 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos do trabalho são abaixo relacionados:
• Realizar a análise teórica dos retificadores de três níveis propostos em suas versões monofásicas e trifásicas;
• Simular os conversores para verificação das etapas de operação; • Desenvolver um protótipo para validação da análise teórica e da
simulação numérica;
• Realizar a análise teórica dos conversores integrados;
• Simular os conversores integrados para verificação das etapas de operação;
• Desenvolver um protótipo para validação da análise teórica e da simulação numérica;
• Analisar o comportamento das tensões nos barramentos CC para a modulação da PWM assimétrica;
• Verificar em simulação o desbalanço das tensões nos barramentos e propor técnicas de equilíbrio;
• Verificar nos protótipos as técnicas de equilíbrio propostas;
• Desenvolver uma estratégica de controle para a tensão de saída dos retificadores.
1.4 CONTRIBUIÇÕES DO TRABALHO
No item 1.1 foram propostos dois novos retificadores de três níveis baseados no boost intercalado, um na versão monofásica e outro na versão trifásica. Já no item 1.2 foram apresentadas uma família de novas topologias baseadas na
integração dos retificadores de três níveis com as células de comutação multiníveis. Ao total 14 novos conversores foram propostos no presente trabalho:
• Retificador não isolado monofásico de três níveis (1); • Retificador não isolado trifásico de três níveis (1);
• Retificador de três níveis monofásico com capacitor flutuante (1);
• Retificador de três níveis monofásico com capacitor flutuante isolado (1);
• Retificador de três níveis monofásico integrado a conversores em meia ponte associados em série (1);
• Retificador de três níveis trifásico integrado a conversores em meia ponte associados em série (1);
• Retificador de três níveis monofásico integrado a conversores em ponte completa associados em série com retificador simples e duplo (2); • Retificador de três níveis trifásico integrado a conversores em ponte
completa associados em série com retificador simples e duplo (2); • Retificador de três níveis monofásico integrado a conversores forward
associados em série com retificador simples e duplo (2);
• Retificador de três níveis trifásico integrado a conversores forward associados em série com retificador simples e duplo (2);
Os retificadores não isolados propostos na Figura 1 e na Figura 2 foram analisados e suas equações de projetos estão apresentadas no capítulo 3, ainda foram analisados os retificadores com entrada dupla para a posterior integração com os conversores CC-CC. Para validar as topologias, resultados de simulação e práticos são apresentados.
Entre os retificadores integrados propostos, foram desenvolvidas a análise e experimentação prática dos retificadores baseados na associação série de conversores em meia ponte monofásico e trifásico e ainda para os conversores com associação série em ponte completa para as versões monofásicas e trifásicas com retificador duplo e simples, totalizando 6 estruturas integradas. Todas foram simuladas e a experimentação prática foi realizada, porém a apresentação das mesmas ficaria muito extensa. As mais competitivas serão apresentadas no capítulo 4 sendo elas: retificador em meia ponte monofásico, retificador trifásico em ponte
completa com entrada simples e retificador trifásico em ponte completa com entrada dupla. Ainda nesse capítulo é realizada a discussão da escolha dessas topologias para apresentação.
No capítulo 5 do trabalho são apresentadas algumas técnicas de equilíbrio frente ao problema de desbalanço de tensão nos retificadores quando utilizada a modulação PWM assimétrica, para comprovar tais técnicas, são apresentados alguns testes experimentais.
Assim destaca-se as contribuições da presente tese:
• Desenvolvimento de dois novos retificadores não isolados de três níveis (monofásico e trifásico);
• Proposição de 12 retificadores integrados, onde 6 foram estudados e 3 apresentados no presente trabalho;
• Proposição de técnicas de equilíbrio para a operação com a modulação PWM assimétrica.
A organização e apresentação do texto é apresentada no próximo item.
1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O trabalho está dividido em 5 capítulos, sendo o capítulo inicial destinado a introdução geral do trabalho.
Um segundo capítulo é destinado para a revisão bibliográfica dos principais conceitos abordados dentro da proposta da tese, como a revisão do conversor boost intercalado, retificadores monofásicos e trifásicos com alto fator de potência, conversores CC-CC multiníveis e conversores integrados.
O capítulo 3 contempla o estudo e análise dos retificadores de entrada não isolados, onde é realizada a análise completa para o conversor mais simples (retificador de 3 níveis monofásico) e para os demais apenas apresenta-se a adaptação das equações. Assim nesse capítulo são apresentadas as equações para os retificadores monofásicos com entrada simples e dupla e ainda os retificadores trifásicos com entrada simples e dupla. Os resultados de simulação bem como os resultados práticos são mostrados. Ao final desse capítulo, uma comparação e discussão é realizada entre os retificadores.
O capítulo 4 apresenta os 4 retificadores de entrada apresentados no capítulo 3 integrados aos conversores CC-CC. Os principais resultados experimentais são apresentados para o retificador integrado monofásico baseado na conexão série de dois conversores em meia ponte e ainda para os retificadores trifásicos baseados na conexão série de conversores em ponte completa com entradas simples e dupla.
No capítulo 5 é abordado algumas técnicas de equilíbrio para os capacitores de barramento quando utilizada a modulação PWM assimétrica.
A conclusão geral do trabalho é apresentada no capítulo seis. Ainda os elementos pós-textuais apresentam as planilhas de cálculo, esquemáticos dos circuitos utilizados nos protótipos e circuitos de simulação numérica.
1.6 PUBLICAÇÕES REALIZADAS
Os resultados obtidos com o presente trabalho foram divulgados através de artigos científicos. Até o momento da presente tese, dois artigos foram publicados em congressos nacionais e outro artigo em periódico.
O retificador monofásico de três níveis apresentado na Figura 1 foi publicado em 2015 no IEEE 13th Brazilian Power Electronics Conference and 1st Southern
Power Electronics Conference (COBEP/SPEC) com
DOI:10.1109/COBEP.2015.7420198 e título “Single-phase non-isolated high power factor rectifier based on an interleaved DCM boost converter in a three-level configuration”.
O retificador integrado baseado na integração do retificador monofásico com dois conversores em meia ponte conectados em série apresentado na Figura 5 (a) foi publicado em 2015 no IEEE 13th Brazilian Power Electronics Conference and 1st Southern Power Electronics Conference (COBEP/SPEC) com DOI: 10.1109/COBEP.2015.7420149 e título “Single-phase/-stage PFC AC/DC converter based on the integration of interleaved DCM boost converter and three-level DC-DC topology composed by the series connection of two half-bridge converters”.
O retificador trifásico de três níveis proposto na Figura 2 foi publicado em periódico, na revista IEEE Access com (Volume:7). Páginas 160168 – 160176
DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2951123 e título “Hybrid and Three-Level Three-Phase Rectifiers Using Interleaved DCM Boost Converters”.
1.7 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO
No presente capítulo foi realizada a introdução geral do trabalho, onde dois novos retificadores foram propostos, sendo um monofásico e outro trifásico. Em seguida uma família de topologias foi apresentada integrando tais retificadores com as células multiníveis totalizando 14 conversores. Ainda se destacou que em virtude da grande quantidade de topologias, apenas algumas serão analisadas e estudadas no presente trabalho como os retificadores não isolados, o retificador monofásico integrado baseado na conexão série de dois conversores em meia ponte e ainda os dois retificadores trifásicos integrados com conexão série de conversor em ponte completa com entradas simples e dupla.
Ainda se discutiu que na utilização da modulação PWM assimétrica nas topologias apresentadas, ocorre desiquilíbrio de tensão nos capacitores de barramento, onde algumas técnicas de equilíbrio são propostas no capítulo 5.
Na sequência do trabalho será realizada a revisão bibliográfica dos principais conceitos utilizados no trabalho como alguns retificadores monofásicos e trifásicos com características semelhantes aos propostos, células multiníveis e por fim alguns conversores integrados baseado no conversor intercalado já estudados na literatura.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão bibliográfica será composta pelo levantamento do estado da arte dos principais tópicos utilizados no trabalho, sendo dividida entre retificadores monofásicos baseados no conversor boost, retificadores trifásicos baseados no conversor boost, conversores CC-CC multiníveis e conversores integrados.
2.1 RETIFICADORES MONOFÁSICOS
Alguns retificadores como os apresentados na Figura 10 são possíveis soluções como pré-reguladores de elevado fator de potência baseados nas topologias boost (a) e boost intercalado (b) respectivamente. Quando tais estruturas operam em modo de condução descontínuo, limita-se suas aplicações em altas potências devido as altas correntes e ainda para a estrutura da Figura 10 (a) um filtro de entrada é necessário. Em operação contínua, tais retificadores necessitam de uma malha de corrente para garantir o alto fator de potência, tornando a estrutura e sua implementação mais complexa (FIGUEIREDO; TOFOLI; SILVA, 2000).
Figura 10 - Retificadores com alto fator de potência – (a) Retificador Boost; (b) Retificador intercalado Lin Vin Cin DR1 DR2 DR3 DR4 Co Ro L Do S (a) Vin Cin1 DR1 DR2 DR3 DR4 Co Ro Lin1 S1 Cin2 Lin2 S2 (b)
Fonte: Adaptado de Figueiredo, Tofoli e Silva
O retificador boost convencional apresentado na Figura 10 (a) é uma das estruturas mais utilizadas como estágio de pré-regulação com alto fator de potência. Quando o indutor L opera em condução descontínua, a corrente de pico é proporcional à tensão de entrada, desta forma dispensa-se o uso de uma malha de controle de corrente, tornando o controle de tal estrutura simplificado. Além de dispensar o uso de uma malha de corrente em operação descontínua, outras características positivas são observadas como: fator de potência próximo à unidade,
baixa distorção da corrente de entrada, entrada em condução do interruptor com corrente zero. Pelo fato de operar em condução descontínua, valores de corrente eficazes maiores nos semicondutores acarretam em maiores perdas de condução tornando-se um ponto desvantajoso, ainda faz-se necessário a utilização de um filtro de entrada.
Em Bravo (1993) é realizado o estudo do conversor boost em condução descontínua para entradas 110/220V, onde as etapas de operação bem como o equacionamento detalhado do conversor é apresentado.
O tradicional retificador baseado no conversor boost motivou o desenvolvimento de novas topologias como o retificador proposto por Nabae (1994) apresentado na Figura 10 (b). O conversor proposto por Nabae (1994) é composto por um divisor de tensão de entrada através de capacitores de entrada (Cin1 e Cin2) e
dois conversores boost compostos pelos indutores de entrada (Lin1 e Lin2), pelos
interruptores (S1 e S2) e pelo capacitor de saída Co. O comando dos interruptores
são complementares e os dois conversores boost operam de maneira intercalada integrados a ponte retificadora (Dr1-Dr4).
Cada conversor boost opera no modo de condução descontínua como um seguidor de tensão, entretanto a corrente de entrada segue a forma de onda da tensão de entrada sem uma malha de controle de corrente. A corrente de entrada apresenta baixa ondulação assim como nos conversores operando no modo de condução contínuo sem a necessidade de um filtro adicional de entrada.
Tal estrutura, quando comparada a algumas soluções de um único interruptor, como a apresentada na Figura 10 (a), possui menores ondulações da corrente de entrada e menores esforços de corrente para a operação descontínua. Destaca-se a revisão desse conversor, uma vez que o retificador proposto na Figura 1 é uma derivação de três níveis do conversor Nabae.
Os interruptores S1 e S2 operam de maneira complementar sendo
apresentada de forma simplificada na Figura 11 as 4 etapas de operação, não apresentando as etapas de comutação suave. Em Postiglione (2011) são verificadas e descritas todas as etapas considerando as etapas de comutação suave nos interruptores.
Na etapa 1 o interruptor S1 está em condução, a tensão do capacitor Cin1 é
aplicada no indutor Lin1 e a corrente flui através do diodo Dr1 armazenando energia
Na etapa 2 o interruptor S1 é bloqueado enquanto o interruptor S2 entra em
condução. A tensão do capacitor Cin2 é aplicada em Lin2 armazenando energia. Já a
energia armazenada em Lin1 é transferida para a carga e para o capacitor Co.
Na etapa 3 a corrente em Lin1 chega a zero bloqueando o diodo Dr1. O
indutor Lin2 ainda está na etapa de acumulação de energia.
Na etapa 4 o interruptor S2 é bloqueado e o interruptor S1 entra em
condução, a energia em Lin2 é transferida a carga e ao capacitor Co. Quando a
corrente no indutor Lin2 se anula, retorna-se a etapa 1.
Figura 11 - Etapas do Conversor Nabae
Vin Cin1 DR1 DR2 DR3 DR4 Co Ro Cin2 Cin1 Lin1 Lin2 S1 S2 Vin Cin1 DR1 DR2 DR3 DR4 Co Ro Cin2 Cin1 Lin1 Lin2 S1 S2 ETAPA 1 ETAPA 2 ETAPA 3 ETAPA 4 Vin Cin1 DR1 DR2 DR3 DR4 Co Ro Cin2 Cin1 Lin1 Lin2 S1 S2 Vin Cin1 DR1 DR2 DR3 DR4 Co Ro Cin2 Cin1 Lin1 Lin2 S1 S2
Fonte: Autoria Própria
Os indutores Lin1 e Lin2 operam no modo de condução descontínuo onde a
corrente em cada indutor é deslocada em 180º, visto que a operação dos interruptores S1 e S2 ocorrem de maneira complementar. O deslocamento de 180º
entre as corrente é também encontrado na literatura como efeito intercalado ou em inglês interleaving.
A corrente de entrada é o somatório das correntes nos indutores Lin1 e Lin2 e
a ondulação é reduzida, não sendo necessário um filtro de entrada, uma vez que os capacitores de entrada Cin1 e Cin2 já atuam como filtro. A amplitude da corrente de
entrada é proporcional à tensão de alimentação, desta forma dispensando o uso de uma malha de corrente.
A Figura 12 ilustra o comportamento das correntes nos indutores Lin1 e Lin2.
Também é possível observar a corrente de entrada para o conversor Nabae.
O conversor Nabae possui uma configuração relativamente simples, destaca-se como vantagens a baixa ondulação da corrente de entrada, onde a estrutura possui um fator de potência praticamente unitário e não é necessário o uso de filtros, dispensa o uso de sensores de corrente, visto que não é necessária uma malha de controle de corrente, tornando a estrutura com custo reduzido. Como os indutores operam em condução descontínua, os interruptores entram em condução com corrente nula, contribuindo para um rendimento mais elevado. Os esforços de tensão nos semicondutores são iguais a tensão de barramento.
Figura 12 - Correntes nos Indutores e Corrente de Entrada para o Conversor Nabae
I
Lin1I
Lin2V
inV
cin1V
cin2I
inI
Lin1I
Lin2V
inV
cin1V
cin2I
inV
GS1V
GS2Fonte: Autoria Própria
O conversor Nabae opera com uma característica de entrada com potência constante para uma tensão de entrada e razão cíclica fixa. O controle da tensão do barramento CC sob variações de carga pode ser obtido variando-se a frequência de operação do conversor, ou ainda utilizando uma modulação PWM assimétrica.
Dentro da literatura vários trabalhos utilizam o conversor Nabae como retificador de entrada para diversas aplicações, onde normalmente tal retificador já é integrado a um conversor CC-CC. Tais trabalhos são apresentados no item 2.4.
2.2 RETIFICADORES TRIFÁSICOS
Em aplicações onde são necessários retificadores trifásicos, como o processamento de energia em sistemas eólicos, normalmente são utilizados retificadores trifásicos de dois e três níveis baseados no conversor boost apresentados na Figura 13. Essas topologias normalmente operam no modo de condução contínuo e são interessantes soluções para aplicações em altas potências. Para baixas potências tais topologias apresentam custo elevado, uma vez que para garantir o alto fator de potência existem vários interruptores controlados, incluído os circuitos de comando e sensores de corrente (BLAABJERG; MA, 2013; CHEN; GUERREO; BLAABJERG, 2009; MALINOWSKI et. al, 2015).
Figura 13 - Retificadores trifásicos boost operando em MCC – (a) boost dois níveis (b) boost três níveis
(a) (b)
Fonte: Adaptado de Chen, Guerreo e Blaabjerg
Para aplicações em menores potências, os conversores operando no modo de condução descontínuo, como os apresentados na Figura 14 são possíveis soluções. A corrente de entrada segue o formato da tensão, dispensando a necessidade de malhas de corrente para garantir o alto fator de potência e ainda somente um ou dois interruptores são utilizados (VILATHGAMUWA; JAYASINGHE, 2012).
Figura 14 - Retificadores trifásicos boost operando em MCD – (a) boost (b) boost intercalado com um interruptor e (c) boost intercalado com dois interruptores
(a)
(b)
(c)
O conversor apresentado na Figura 14 (a) tem a desvantagem de apresentar elevados picos de corrente devido a operação descontínua. Ainda um filtro de entrada é necessário, o conversor apresenta distorção de baixa frequência e geração de elevada interferência eletromagnética.
Já o retificador apresentando na Figura 14 (b), apesar do aumento de componentes em relação a estrutura (a) possui uma operação intercalada, onde as perdas de condução são reduzidas e ainda os picos de correntes são menores. Este apresenta reduzida ondulação na corrente de entrada eliminando o filtro de entrada adicional, porém ainda apresenta distorção de baixa frequência das correntes de entrada, limitando o fator de potência do retificador.
Na Figura 14 (c) é apresentado o conversor proposto por Nabae (1994) em sua versão trifásica, como semelhante em sua versão monofásica, dois conversores
boost operam de maneira intercalada, reduzindo as perdas de condução da
operação descontínua e ainda a corrente de entrada possui baixa ondulação sem a necessidade de filtros. Assim como para versão monofásica, vários trabalhos utilizam o conversor Nabae com entrada trifásica, alguns destes são apresentados no item 2.4.
2.3 CONVERSORES CC-CC MULTINÍVEIS
Os conversores CC-CC são largamente utilizados nas mais diversas aplicações, tanto em uso doméstico quanto industrial. Em aplicações onde o processamento de energia é aplicado em altas potências é necessário o emprego de semicondutores com características suficientemente capazes de suportar altas correntes quando em condução e assumir altos valores de tensão quando bloqueados. Em aplicações onde as características de tensão e corrente do semicondutor não são suficientes, pode-se recorrer a técnicas de associação dos mesmos, onde é possível dividir a tensão ou corrente em um conversor. Tal prática de divisão de tensão em um determinado conversor abre possibilidades para uma linha de estudos em conversores estáticos, conhecidos como multiníveis (BRAGA; BARBI, 2000).
Os conversores multiníveis são largamente aplicados em conversores CC- CA (inversores) para o acionamento de máquinas CA, onde é possível obter
algumas melhorias como estabilidade mecânica, quando comparado a um inversor convencional de onda quadrada. Em Braga e Barbi (2000) é realizada uma revisão sobre algumas técnicas multiníveis aplicadas em inversores.
Entre as possibilidades de divisão de tensão nos semicondutores destacam- se três métodos: grampeamento de tensão a diodo (NPC), grampeamento de tensão a capacitor (capacitor flutuante) e ainda associação de conversores.
Em Nabae et. al (1980) é apresentado uma técnica capaz de se obter três níveis de tensão conhecida como NPC (neutral point clamped) aplicada a um conversor CC-CA, comumente chamada de inversor de três níveis. A técnica multinível quando aplicadas em conversores CC-CC tem como finalidade reduzir a tensão nos interruptores como também aumentar a frequência de operação dos indutores.
Em Ruan, Li e Chen (2008) são apresentadas as principais topologias dos conversores CC-CC tradicionais em suas versões de três níveis, onde é relatada a origem de tais conversores.
Idealmente, para reduzir as tensões dos interruptores pela metade da tensão de entrada, cada interruptor é substituído por dois em série. Devido as diferentes características entre os semicondutores e a diferença de comando, pode ocorrer um desbalanceamento entre as tensões em que os interruptores ficam submetidos. Adicionando dois diodos de grampeamento ambos os interruptores ficam submetidas à metade da tensão de entrada (Vin/2). Esta técnica é conhecida como
técnica NPC.
Pinheiro e Barbi (1992) apresentam a técnica multínivel baseado no conversor CC-CC half-bridge, denominado como Convesor CC-CC PWM ZVS de Três Níveis, ainda os mesmos relatam a motivação de tal trabalho nos inversores de três níveis.
A Figura 15 apresenta o conversor NPC, formado por quatro interruptores (S1,S2,S3 e S4), dois capacitores para divisão da tensão de entrada (Cin1 e Cin2), dois
diodos para grampeamento (D1 e D2) e um transformador para saída isolada. O
estágio de saída é formado por uma ponte retificadora, um indutor e um capacitor para filtro.
Figura 15 - Conversor CC-CC PWM ZVS Três Níveis
S
1S
2S
3S
4C
in1T
rL
oC
oL
rR
oC
in2 Do1 Do3 Do2 Do4 D1 D2V
inFonte: Adaptado de Pinheiro e Barbi (1992)
No trabalho de Pinheiro e Barbi (1992) são apresentados os resultados experimentais para o conversor CC-CC PWM ZVS de Três Níveis com potência de saída (Po) de 1500 W, tensão de entrada (Vin) de 600 V, tensão de saída (Vo) de 60V
e frequência de comutação (fs) em 100 KHz. Os autores comparam o conversor
proposto com o conversor Full-Bridge ZVS e apontam que não há diferenças significativas entre os dois para um tensão de entrada de 600V, porém em aplicações onde a tensão de entrada é maior, o conversor de três níveis se mostra como solução natural.