Resultados experimentais

Para obtenção dos resultados experimentais, foi implementado um protótipo de laboratório como detalhado no Apêndice A. Os parâmetros adotados para o ponto de operação continuam sendo os mesmos de simulação e são resumidos novamente na Tabela 7. Também, os algoritmos tanto de controle como de modulação foram implementados em um processador digital de sinais modelo TMS320F28335 da Texas Instruments que fazem parte de um kit de desenvolvimento produzido pela Spectrum Digital e modelo eZdsp™ F28335.

Tabela 8– Parâmetros de projeto.

Parâmetro Valor

Barramento NPC (2vdc) 310 V

Tensão células auxiliares (k = 2, 3, 4, 5) 155 V/k

Indutor de carga (LL) 4,5 mH

Resistor de carga (RL) 124 π Tensão de fase (Vrms) ͳʹ͹

Frequência de comutação (fs) 6,3 kHz Frequência de amostragem (fsa) 1,26 kHz

Primeiramente, foi testado o controle de tensão sobre as células auxiliares visando eliminar a dependência de fontes de tensão isoladas do protótipo. Nesse sentido, controladores PI foram projetados baseados no modelo dinâmico apresentado na seção anterior para valores de k =2, k = 3, k = 4 e k = 5. A atuação do controle de regulação nas células auxiliares é verificada durante a partida do conversor, com uma referência de tensão de 77,5V (k = 2) conforme mostra a Figura 39(a). Do mesmo modo e com especificações idênticas de resposta em frequência, foram projetados controladores PI para os coeficientes de assimetria restantes, de tal forma que os resultados experimentais a seguir foram obtidos sem fontes de tensão isoladas na operação das células auxiliares.

A partir da componente fundamental de pico de fase especificada vf = 179,6 V, o ângulo de comutação da célula principal é de 24,48ͼ. Este ângulo é sintetizado em cada uma das fases da célula principal, conforme, mostrado na Figura 39(b). Adicionalmente, uma vez que a componente fundamental é independente do coeficiente de assimetria, as tensões de fase na saída da célula principal continuaram sem modificações para valores de diferentes k.

Por outro lado, as tensões sintetizadas na saída das células auxiliares vag1(t) e as tensões de fase vag(t), com k = 2 e k = 4, são apresentadas na Figura 40. No caso com k = 2, a tensão sintetizada na célula auxiliar não contém instantes em sobremodulação como mostrado em simulação. Também como era esperado, no caso com k = 4 na Figura 40(b), a tensão na saída das células auxiliares contém instantes de sobremodulação perceptíveis, pois comutações em alta frequência são perdidas durante alguns intervalos de tempo. Estes instantes de sobremodulação acabam exigindo um esforço maior das malhas de controle de tensão nas células auxiliares, uma vez que são traduzidos em harmônicas de baixa ordem, com uma componente fundamental, resultando em potência ativa indesejada que deve ser compensada para não desequilibrar as tensões. Adicionalmente, as tensões de fase apresentam um formato característico da adição de uma tensão de modo comum e foram evidenciados “picos” de tensão que ocorrem durante as comutações do conversor principal, estes são atribuídos ao uso de diferentes circuitos de acionamento tanto na célula principal e células auxiliares de modo que existem comutações em instantes de tempo diferentes.

Figura 39 – (a) Transitório de tensão sobre os capacitores das células auxiliares durante a partida. (b) Tensão sintetizada na saída da célulaprincipal NPC vag2, vbg2 e vcg2.

(a)

Finalmente, o funcionamento do conversor com diferentes coeficientes de assimetria é comparado na Figura 41 a partir das tensões de linha vab, vbc e vca. A componente de terceira ordem é cancelada e as tensões apresentam um formato mais parecido com a senoidal, contudo os instantes de operação em sobremodulação são incrementados para coeficientes de assimetria elevados o que resulta em formas de onda muito mais distorcidas com k = 5 do que com k = 2, ainda nesses casos em que harmônicas de baixa ordem são mais significativas, o controle de tensão apresenta um desempenho satisfatório no equilíbrio de tensão das células auxiliares.

Para analisar o impacto da operação em sobremodulação na distorção harmônica das formas de onda, é calculada a distorção harmônica total (THD) das tensões de fase e linha e adicionalmente a distorção harmônica total ponderada (WTHD) das tensões de linha, do mesmo modo como apresentado em simulação na seção anterior. A Tabela 9 resume os valores dos fatores de distorção harmônica calculados para as formas de onda dos resultados experimentais.

Figura 40 – Tensão vag1 na célula auxiliar e tensão de fase vag (a) k = 2. (b) k =4.

(a)

Figura 41 – Tensões de linha vab, vbc e vca. (a) k = 2, (b) k = 3, (c) k = 4 e (d) k = 5.

(a)

(b)

(c)

Tabela 9– Fatores de distorção harmônica k = 2 k = 3 k = 4 ^{k = 4} (θ =15

°

Como era esperado, as tensões de fase apresentam uma taxa de distorção harmônica maior. Por outro lado, as tensões de linha possuem um formato mais próximo da senoidal devido ao cancelamento dos harmônicos múltiplos de três e consequentemente a distorção harmônica é menor. Contudo, a THD de fase e linha não evidenciam quão significativos são os harmônicos de baixa ordem que normalmente são mais difíceis de ser filtrados na prática. Desta forma, o WTHD das tensões de linha revela que o caso de sobremodulação extremo com k = 5, deve conter harmônicos de baixa ordem mais significativos do que qualquer outro coeficiente de assimetria analisado aqui. Também, a operação com k = 3 é benéfica pois harmônicos de baixa ordem são menos significativos do que com k = 2 onde não existe operação em sobremodulação e a tensão sobre as células auxiliares é maior. Ainda, a operação com k = 4 resulta em tensões menores, de modo que é verificada a operação em um ponto de energia de erro mínimo, conforme a Figura 30, onde espera-se que a operação em sobremodulação seja reduzida e consequentemente seu impacto no WTHD.

Assim, foi realizada uma mudança do ponto de operação tal que o ângulo de comutação é posicionado mais próximo de 15ͼ, onde a energia do vetor de erro é mínima para

k = 4. Contudo, o valor de pico da componente fundamental deve ser respeitado, de tal forma

que, como mostrado na secção 3.3, o valor de barramento CC deve ser de 292 V (2vdc). Com este valor de barramento na célula principal e k = 4, as células auxiliares são submetidas a tensões de 36,5 V e as tensões de linha apresentam instantes de sobremodulação quase nulos. Desta forma, o THD das tensões de linha é de 6,85%, sendo menor do que mostrado na Tabela 9 para um ângulo de comutação de 24,48ͼ. Da mesma forma, a WTHD das tensões de linha é calculada em 0,226%, que é menor do que o caso com um ângulo de comutação de 24,48ͼ e um coeficiente de assimetria de k = 2. Embora ainda um coeficiente de assimetria como k = 3, continua sendo a melhor escolha em termos de WTHD uma vez que não há necessidade de variar o ponto de operação, o caso com k = 4 e um ângulo de comutação com energia de erro mínima é comparável com k = 2 e k = 3, mas com uma tensão sobre as células auxiliares ainda menor. A Figura 42 mostra as tensões de linha com k = 4 e um ângulo de comutação de 15ͼ.

Com o intuito de explorar outros pontos de operação no gráfico de energia do sinal de erro em sobremodulação, foi variado o barrento CC da célula principal de tal forma a sintetizar a mesma componente fundamental desejada de 179,6V, mas com ângulos de comutação diferentes. Assim o WTHD foi calculado em cada ponto de operação conforme mostra a Figura 43, com diferentes coeficientes de assimetria. De forma geral, a gráfico que relaciona o WTHD, apresenta um comportamento próximo da gráfica da energia do sinal de erro que foi calculada em simulação a partir do vetor de erro nos instantes de sobremodulação. O ponto de operação com um ângulo de 15ͼna Figura 43, coincide com um ponto do sinal de energia mínimo e ao mesmo tempo com um WTHD menor, outro ponto de operação interessante é posicionado entorno de 45ͼ, onde novamente existe um sinal de energia reduzida e WTHD reduzido.

Figura 42 – Tensões de linha com k = 4 e um ângulo de comutação 15ͼǡcom energia do vetor de erro mínima.

Figura 43 – WTHD das tensões de linha para diferentes coeficientes de assimetria e ângulos de comutação. 0.4 WTHD [%] 0.6 0.8 1.0 1.2 0.2 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45° Ângulo [°] k = 2 k = 3 k = 4 k = 5

Para entende melhor o comportamento do conversor entorno dos pontos onde o WTHD é reduzido, a Figura 44 mostra o diagrama SV para coeficientes de assimetria k = 4 e

k = 5 e a componente fundamental de referência associada ao ângulo de comutação em

questão. Assim por exemplo, com um ângulo de 15ͼ e k = 4 na Figura 44(a), a referência, que é representada pela linha pontilhada, segue uma trajetória que passa através de todos os hexágonos habilitados ficando no interior destes, mesmo nos instantes onde ocorre uma transição de um hexágono para o seguinte, e como resultado as células auxiliares possuem a Figura 44 – Diagrama SV para k = 4 e k = 5 e diferentes ângulos de comutação. (a) k = 4 e θ = 15ͼ, (b) k = 4 e θ = 45ͼ, (c) k = 5 e θ = 15ͼ, (d) k = 5 e θ = 45ͼ.

Fonte: Elaborada pelo autor.

(a). θ = 15° ma = 0,98 (b). θ = 45° ma = 0,72 (c). θ = 15° ma = 1,02 (d). θ = 45° ma = 0,75 k = 4 _{k = 4} k = 5 k = 5

capacidade de sínteses da referência com instantes de sobremodulação reduzidos. Este comportamento particular é mantido para um ângulo de comutação de 45ͼna Figura 44(b), em que novamente a referência intersecta os hexágonos habilitados com instantes de sobremodulação reduzidos. Nesses casos, a magnitude do vetor de erro em sobremodulação é reduzido e, consequentemente, a energia do sinal de erro em sobremodulação apresenta pontos mínimos como evidenciado na Figura 30.

De igual forma, o comportamento do conversor com k = 5 e ângulos de 15ͼ e 45ͼ pode ser entendido a partir do diagrama SV na Figura 44(c) e (d). Assim com 15ͼ, a referência ainda está no interior dos hexágonos habilitados, sendo que o ponto mais crítico é a transição entre vetores de alta tensão, em que a referência cai fora dos hexágonos habilitados. Contudo, o tempo desta transição é curto e a referência fica no interior de algum hexágono por um período maior. Neste caso a Figura 43 evidencia que a distorção harmônica provocada por estes instantes é pequena uma vez que o valor do WTHD é próximo de k = 4 em um ângulo de comutação de 15ͼ. Este comportamento novamente é presenciado em um ângulo de comutação de 45ͼ como pode ser visto na Figura 44(d). Assim, novamente, o WTHD em 45ͼ é próximo para os diferentes coeficientes de assimetria analisados (Figura 43).

Desta forma, o seguinte capítulo pretende utilizar o ponto de operação com 45ͼpara o funcionamento do conversor em uma aplicação como retificador trifásico, esperando que a taxa de distorção harmônica das correntes drenadas da rede seja reduzida e ainda, que um coeficiente de assimetria elevado permita reduzir a tensão de operação das células auxiliares.