LucianodeMacedoBarros DissertaçaoV2[1]

(1)

Programa de Pós-Gradução em Engenharia Elétri a

Estudo das Estratégias de Modulação para

Conversores Três Níveis do tipo NPC

Lu iano de Ma edo Barros

Dissertação de Mestrado submetida à Coordenação dos Cursos

de Pós-Gradução em Engenharia Elétri a da Universidade

Fe-deraldeCampinaGrande -CampusI, omopartedos requisitos

ne essários para a obtenção do grau de mestre em Ciên ias no

Domínio em EngenhariaElétri a.

Área de Conhe imento: Pro essamento de Energia

Orientadores:

Cursino Brandão Ja obina

Alexandre Cunha Oliveira

CampinaGrande, Paraíba, Brasil

(2)

Relatórioapresentadoà Coordenação doCursodePós-Gradução

em Engenharia Elétri a da Universidade Federal de Campina

Grande em umprimento às exigên ias para a realização do

Trabalho de Dissertação referente à realização do Programa de

Mestrado em Engenharia Elétri a.

Lu iano de Ma edo Barros

Aluno

Cursino Brandão Ja obina

Orientador

Alexandre Cunha Oliveira

Orientador

(3)

A Deus, pelaoportunidade de viver, bus ando meu aprimoramentomoral,espirituale

inte-le tual.

A Cursino Brandão Ja obina, por toda a ajuda, pelas orientações e pelos onselhos,

ao longo deste trabalho. A Alexandre Cunha Oliveira, que, ao longo destes seis anos de

onvívio, tive exemplo de obstinação, perseverança e amizade. Obrigado pelas prestimosas

observações e onselhos.

Aos meus pais, Luzimar Barros e Maria Hermelindade Ma edo Barros, que me deram

todo o apoio, estrutura e onança. Tenho a sorte de tê-los omo guras de amor

in ondi- ional. Obrigado peloestímuloe pelos valorosos onselhos!

A Tarsila Lívia, por toda ajuda, pa iên ia, ompreensão, onselhos, por ter sido mais

fortequeeumesmo,emalgunsmomentos,nãomedeixandodesanimar. Obrigadopela alma

e pelosorriso nas horas que mais pre isei.

Aos verdadeiros amigos, que os re onhe i nas horas das tribulações. Para vo ês todos

meusagrade imentos: Lu asViní iusHartmann,SimõesSoaresdeToledo,AntoniodePaula

DiasQueiroz, AbinadabeSilvaAndrade,JoãoHelderGonzada Muniz,LuisGustavoCastro,

VanderleiMaiaGomes e Leandrode Luna Araújo.

Aos olegas do LEIAM, Rafael, Osglay, Eisenhower, Bernard, Edgard, Isaa , Gilson,

Jonathan, Camila, Paula, Vagner, Viní ius, Roberto, Nustenil, Gregory, Nady, Tamisa, F

a-brí io, meu muito obrigado.

Agradeço também a CAPES pelo suporte nan eiro que permitiu a realização deste

(4)

Este trabalho de dissertação traz um estudo de estratégias de modulaçãopara onversores

de três níveis omdiodos de grampeamento. Para seter o orretofun ionamentodeste tipo

de onversor, é ne essário queo equilíbrio das tensões nobarramentoCC sejamantido.

Visandoobtermelhorrendimentodo onversormultinível,foirealizadoumlevantamento

das estratégiasde PWM paraestasestruturas, apontandoalgumasparti ularidades de ada

umadelas. Sãoanalisadas in o estratégias,dasquaistrês operamemmalha-fe hadaeduas

em malha-aberta. Também umanovaestratégia em malhafe hada foidesenvolvidavisando

obter melhor balan eamento de tensão em baixas frequên ias de haveamento (720Hz), e

uma menor THD quando omparada om asoutras estratégias em estudo.

Para sedeniràes olhadaestratégiade modulaçãoquetem melhorrendimento,alguns

fatoresserão onsiderados: qualamínimafrequên iaemqueo onversorpodetrabalhar,sem

prejudi arseurendimento,ofun ionamento om argadesbalan eada,osníveisdedistorção

das orrentes e tensões, bem omo as perdas geradaspelo haveamento epor ondução.

São apresentadosneste trabalho, resultados de simulaçõesealgunsexperimentais. Para

testaralgumasdestasestratégias,foi montada aestruturade um onversorde seis braçosde

trêsníveis omdiodosdegrampeamento,utilizandoonovomódulomultiníveldaSEMIKRON.

Utilizou-setambém um pro essador digitalde sinais para geraçãodos sinaisde omando do

onversor.

Este trabalho também apresenta uma introdução ao onversor Ba k-to-Ba k de três

níveis.

Palavras- have: Conversores de Três Níveis om Diodos de Grampeamento,

(5)

This work presents a study of modulation strategies for three-level onverters with diode

neutralpoint lamped. Forproperoperationofthis typeof onverter thevoltagebalan eof

the d -link apa itors must be maintained.

In order toobtain better performan e of the multilevel onverter a survey of the PWM

strategiesforthesestru tureswasmade,pointingoutsomepe uliaritiesofea h. Five

strate-giesare analyzed,threeofwhi hoperatein losed-loopand twoinopen-loop. Anew

losed-loop strategy was designed, improving voltage balan e and output THD at low swit hing

frequen ies (720Hz), when ompared with the otherstrategies understudy.

To dene the hoi e of modulation strategy that has better performan e, some fa tors

will be onsidered: whi h minimum frequen y the onverter an work without ae t your

in ome, operating under load unbalan ed, levels of distortion of urrents and voltages, and

as the losses generated by the swit hing and ondu tion.

Thisworkpresents simulationand experimentalresults. Totest someofthesestrategies

wasmountedthestru tureofa onverterwithsixbran heswiththreelevels lampingdiodes,

the new module using the multilevel SEMIKRON. A digital signal pro essor was used to

generate the ommand signals from the devi es and ber-opti s, to avoidinterferen e.

This work alsoprovidesan introdu tionto the onverter Ba k-to-Ba k three levels.

Keywords: Neutral Point Clamped Three-Level Converters, Modulation Strategies,

(6)

Agrade imentos . . . ii

Resumo . . . iii

Abstra t . . . iv

Índi e . . . v

Índi e de Tabelas . . . viii

Índi e de Figuras . . . ix

Lista de Símbolos . . . xiv

1 Introdução Geral . . . 1

1.1 Breve Introdução Sobre Eletrni a de Potên ia. . . 1

1.2 Conversores - Um EstudoPreliminar . . . 2

1.2.1 Conversor CA-CC. . . 4

1.2.2 Conversor CC-CA. . . 7

1.3 Breve Introdução Sobre Conversores Multiníveis . . . 12

1.4 Modulação Vetorial . . . 13

1.4.1 ModulaçãoVetorialPara Inversores de DoisNíveis . . . 14

1.4.2 ModulaçãoVetorialpara Inversoresde Três Níveis . . . 15

1.5 Revisão bibliográ a . . . 19

1.6 Proposta de Trabalho. . . 24

1.7 Organizaçãodo Trabalho. . . 24

(7)

2.1 Introdução. . . 25

2.2 Reti ador de Três Níveis . . . 27

2.2.1 Modelo doReti ador de Três Níveis . . . 29

2.3 Inversor Três Níveis. . . 30

2.3.1 Inversor Com Diodos Fixos noPonto doNeutro . . . 31

2.3.2 Modelo doInversor de Três Níveis . . . 35

2.4 Conversor Ba k-to-Ba k . . . 37

2.4.1 Conversor Ba k-to-Ba k de Três Níveis . . . 37

2.4.2 Modelo doSistema . . . 38

2.5 Con lusões . . . 39

3 Estudo das Té ni as de Modulação em Conversores Multiníveis . . . 40

3.1 Introdução. . . 40

3.2 Balan eamentodas Tensões nos Capa itores doBarramentoCC . . . 41

3.3 Estudo das Té ni as de Balan eamento . . . 46

3.3.1 Estudo da Estratégia 1 . . . 46 3.3.2 Estudo da Estratégia 2 . . . 52 3.3.3 Estudo da Estratégia 3 . . . 62 3.3.4 Estudo da Estratégia 4 . . . 65 3.3.5 Estudo da Estratégia 5 . . . 71 3.3.6 Estudo da Estratégia 6 . . . 78 3.4 Con lusões . . . 81

4 Análise Comparativa das Estratégias de Modulação . . . 82

4.1 Introdução. . . 82 4.2 Fun ionamento em 720Hz . . . 83 4.2.1 Estratégia 1 . . . 83 4.2.2 Estratégia 2 . . . 84 4.2.3 Estratégia 3 . . . 86 4.2.4 Estratégia 4 . . . 87 4.2.5 Estratégia 5 . . . 88 4.2.6 Estratégia 6 . . . 90

(8)

4.3.1 Estratégia 1 . . . 93 4.3.2 Estratégia 2 . . . 94 4.3.3 Estratégia 3 . . . 95 4.3.4 Estratégia 4 . . . 96 4.3.5 Estratégia 5 . . . 97 4.3.6 Estratégia 6 . . . 98 4.4 Carga Desbalan eada -720Hz . . . 98 4.4.1 Estratégia 1 . . . 99 4.4.2 Estratégia 3 . . . 100 4.4.3 Estratégia 4 . . . 101 4.4.4 Estratégia 6 . . . 102 4.5 THD e WTHD - 10kHz . . . 103 4.5.1 Resultados experimentaisdo THD em 10kHz. . . 104 4.6 THD e WTHD - 720Hz. . . 105 4.6.1 Resultados experimentaisdo THD em 720Hz . . . 106

4.7 Análise das Perdas Por Chaveamento - 10kHz . . . 106

4.8 Análise das Perdas Por Chaveamento - 720Hz . . . 107

4.9 Con lusões . . . 108

5 Con lusões Gerais . . . 110

5.1 Trabalhos Futuros . . . 111

(9)

1.1 Estadosdos interruptores para oinversor trifási o de dois níveis. . . 9

1.2 Seqüên ia de omutação etensões de saída.. . . 12

1.4 Estadosdas haves. . . 17

2.2 Estadosdos interruptores para oinversor trifási o de dois níveis. . . 33

3.1 Estadosdas haves. . . 43

3.2 Correnteinjetada no ponto entrale seus respe tivos vetores. . . 44

3.3 Correnteinjetada no ponto entrale seus respe tivos vetores. . . 44

3.4 Dadosgerais utilizadosnas simulações. . . 46

3.5 Correção dovetor de tensão de referên iapelo método proposto. . . 47

3.6 Seleçãodos vetores virtuais para ada região triangular. . . 74

4.1 Dadosgerais para as simulações. . . 82

4.2 Resultados das distorções harmni as em 10kHz.. . . 103

4.3 Resultados das distorções harmni as em 10kHz.. . . 104

4.4 Resultados das distorções harmni as em 720Hz.. . . 105

4.5 Resultados das distorções harmni as em 720Hz.. . . 106

4.6 Resultados das perdas por haveamento e distorção em 10kHz. . . 107

(10)

1.1 Estrutura de um reti ador ontrolado de dois níveis. . . 6

1.2 Cir uitoequivalenteao onversor da Figura1.1. . . 7

1.3 Cir uitoequivalenteao apresentado naFigura1.2. . . 7

1.4 Estrutura de um inversor de dois níveis. . . 9

1.5 a) Braço de um onversor de dois níveis; b) Braço de um onversor de três níveis. . . 13

1.6 Diagramavetorial doinversor de dois níveis. . . 15

1.7 Estrutura de um inversor de três níveis. . . 16

1.8 Sinal de omando de um braço doinversor. . . 16

1.9 Vetores e setores de tensão doinversor de três níveis. . . 18

1.10 Vetores de tensãodo setor A. . . 18

1.11 Vetores de tensãodo setor A. . . 19

2.1 Braçode um onversor de dois níveis até n-níveis. . . 26

2.2 Estrutura de um reti ador de três níveis. . . 28

2.3 Cir uitoequivalentepara a topologiaNPC. . . 29

2.4 Tensão de linha de um onversor de três níveis. . . 30

2.5 Tensão de fase de um onversor de três níveis. . . 31

2.6 Estrutura de um inversor de três níveisNPC. . . 31

2.7 Tensão de saída om o respe tivo estado de haveamento de um inversor de três níveis NPC. . . 32

2.8 Estadosdas haves de um inversor de três níveis. . . 33

2.9 a) Tensão de linha do inversor de três níveis NPC; b) Tensão de pólo do inversor de três níveisNPC. . . 35

(11)

2.11 Estrutura de um onversor Ba k-to-Ba k de três níveis. . . 38

2.12 Cir uitoequivalentegenéri o de um onversor Ba k-to-Ba k de três níveis. . 39

3.1 Diagramavetorial doinversor de três níveis. . . 42

3.2 Correntes no apa itores. a) Grupo 'Z'. b) Grupo 'L'. . . 45

3.3 Vetores do grupo Small. a)Conguração (211). b)Conguração (100). . . . 45

3.4 Vetores do grupo Middle. a)Conguração (201). b) Conguração (210). . . 45

3.5 Diagramade espaço-vetores de um inversor de 3 níveis. . . 47

3.6 Simpli açãododiagramavetorial. . . 48

3.7 Representação da mudança do vetor de referên ia para a simpli ação do diagrama vetorial. . . 48

3.8 Controle do inversor de três níveis. . . 49

3.9 Vetores do grupo Small. . . 49

3.10 Vetor do grupo Large. . . 50

3.11 Vetor do grupo Middle. . . 50

3.12 Tensão de linha (

v

ab

) para o inversor de três níveis. . . 51

3.13 Tensão de fase (

v

an

3.14 Tensões nos apa itorespara o inversor de três níveis. . . 52

3.15 Níveisde tensão para o inversor de três níveis. . . 52

3.16 Denição das variáveis

lb

e

i

lc

3.23 Diagramade ontrole. . . 58

v

ab

) para o reti ador de três níveis. . . 59

3.25 Correntes de entrada (

i

ga

,

i

gb

e

i

gc

) para oreti ador de três níveis. . . 59

3.26 Tensões nos apa itorespara o reti ador de três níveis. . . 60

3.27 Tensões nos apa itorespara o reti ador de três níveis. . . 60

(12)

3.29 Tensões nos apa itores. . . 61

3.30 Correntes de entrada. . . 62

3.31 Diagramade blo os do ontrolador liga-desliga. . . 63

3.32 a)

µ = 0

: Corrente saindodo NP; b)

µ = 1

: Corrente entrando noNP. . . 63

V

ab

3.43 Vetores virtuais para o primeirosextantedo diagramade espaço vetorial. . . 73

3.44 Sequên iade onexãodafasex (a,bou )para ada pontodobarramentoCC (2,1 e0). . . 75

3.45

d

a2

e

d

a0

omo função de

a

,

i

b

e

i

c

4.1 Tensões nos apa itoresdo barramentoCC. . . 83

4.2 Tensão de linha

V

ab

.. . . 84

(13)

V

4.19 Correntes na arga. . . 92

4.20 Tensões nos apa itores. . . 92

b

). . . 98

(14)

I

b

). . . 100

I

b

). . . 101

I

b

). . . 102

4.42 Níveisde distorção harmni a. . . 104

I

a

). . . 105

4.44 Níveisde distorção harmni a. . . 106

(15)

a, b, c

Terminaisde saídado inversor

C

1 e C

2

Capa itorsuperior e inferior dobarramentoCC

f

Freqüên iaem Hz

θ

Fase dosinal analisado

Unidadeimaginária,(

√

−1

)

L

a

, L

b

, L

c

Indutân ias de fase

R

a

, R

b

, R

c

Resistên ias de fase

∗

, V

c

∗

Vetor tensão de referên ia

(16)

τ

1 , τ

2 , τ

3

Largurasde Pulso

V

_k

Vetor de tensãogenéri o,

V

_k

_{= V}

_kd

_{+ jV}

_kq

v

h

Tensão de sequên ia zero

v

n

o

Tensão de modo omum

P

a

, P

b

, P

c

Diferença entre um nívelCC eas tensões

v

a

,

v

b

e

v

c

P

∗

a

, P

b

∗

, P

c

∗

Valores modi ados de

P

a

,

P

b

e

P

c

V

m

Amplitude datensão de fase

m

Índi e de modulação

π

Constante pi

T

a

, T

b

, T

c

Tempo em que as haves do inversor permane em desligadas, obtidas om

v

a

,

v

b

e

v

c

T

∗

a

, T

b

∗

, T

c

∗

Tempo em que as haves do inversor permane em desligadas, obtidas om

v

∗

a

,

v

∗

b

e

v

∗

c

(17)

1

Introdução Geral

1.1 Breve Introdução Sobre Eletrni a de Potên ia

A modernização e o progresso do mundo e o avanço do uso da eletri idade estão sempre

ligados. Desde oexperimentorealizadoporTalesde Mileto,naGré iaantiga, ahumanidade

omeçava a tateara eletri idade. E om os experimentos de Alessandro Volta (Sé uloXIX,

Pilhas de Volta) e Thomas Edison (Meados de 1879, lâmpada elétri a), a eletri idade e o

seu estudo/uso têm sido ada vez mais difundidos.

Quatro anos após o invento da lâmpada elétri a, Edison fundou a primeira usina de

geração e transmissão de energia elétri a, a General Ele tri Company. Para transmissão

de energia,adotou-se a formaalternada (CA), pois, naforma ontínua(CC), eram geradas

muitas perdas e elevadas quedas de tensão. Em 1888, o " roata-ameri ano"Nikolas Tesla,

onstruiu os primeiros motores de indução e motores sín ronos, sendo responsável também

peladenição de 60Hz omo freqüên iapadrãonos EstadosUnidos, quemais tarde,seria o

sistema adotadoem quase todoo mundo.

Levando em onta que muitos equipamentos eletrni os e outras apli açõesne essitam

de uma alimentação no modo ontínuo, surgiram os primeiros onversores CA-CC

(reti- adores). Os primeiros reti adores eramvalvulados,e logo após, adiodos (neste aso, não

permitiamo ontrolesobreouxo depotên iaetambémsobreosníveisdetensãode saída).

(18)

Den-tre ostiristores desta a-seo SCR (Sili on ControlledRe tier, hamado também de tiristor

onven ional).

Comisto,teveiní ioaeletrni adepotên ia,quetem omoobjetivomelhorarae iên ia

dousodaenergiaelétri aatravésdedispositivossemi ondutoresdepotên ia, omoosIGBTs,

ontrolando o uxo de potên ia entre uma fonte (de tensão, por exemplo) e uma arga. O

ontroleérealizadoatravésde onversoresde potên ia,ondesão lançadossinaisde abertura

e fe hamento ( omutação) para as haves.

A evolução dos semi ondutores tem propi iado muitos avanços naárea daeletrni a de

potên ia. Suafa ilidadede ontrole,a apa idadedetrabalhar ompotên iasmaiselevadas,

e redução de ustos dos modernos dispositivos semi ondutores omparados om aqueles de

alguns anos atrás tem gerado onversores a preços a essíveis em um grande número de

apli ações ederam iní ioa uma série de novas topologias de onversores para apli açãoem

eletrni a de potên ia.

A eletrni a de potên ia, nos dias de hoje, tem seu fo o prin ipal no pro essamento e

nae ientizaçãodaenergia elétri a,forne endo as tensões e orrentes adequadas para ada

tipo de arga. Está presente nas áreas industrial, omer iale residen ial.

1.2 Conversores - Um Estudo Preliminar

Como itadonaseçãoanterior,houveumaampliaçãodasestruturasde onversores ,bus ando

sempre um melhor desempenho. Esta ampliação é per ebida quando se analisa o avanço

das estruturas: reti adores não ontrolados, passando em seguida para os reti adores

ontrolados, para os inversores, fontes haveadas, e para um número ada vez maior de

onversores .

Noiní iodautilizaçãodaenergiaemlargaes ala,as argasqueeram one tadasàrede,

tinham omportamentos lineares,isto é,a orrente onsumidaporelas possuía apenas uma

omponente senoidal na mesma frequên ia da tensão. Além destas argas, haviam argas

indutivas, onde a orrente possuía um atraso om relação à tensão, mas que também são

(19)

Atualmente, om o rápido res imentodo uso de aparelhos eletrni os, omo

omputa-dores, aumenta-se o número das hamadas argas não-lineares. Estes tipos de argas são

alimentadas por energiaelétri a disponívelem orrente/tensão ontínuas.

Então, fez-se ne essárioa onversão daenergiaalternada,queé disponibilizada narede,

paraomodo ontínua, surgindoosprimeiros onversoresCA-CC, hamadosde reti adores.

Estesapresentavamdiodosoutiristores,eumban ode apa itoresnasuasaída,usadopara

ltrar atensão.

Estes reti adores drenam da rede orrentes pulsadas, ou seja, não apresentam mais a

forma senoidal. Logo, estas argas não são mais lineares, já que as orrentes drenadas por

elas apresentam omponentes em diversas frequên ias, múltiplasdafrequên ia fundamental

datensão darede, denominadas omponentes harmni as.

Em onsequên ia disto, surge o on eito de Taxa de Distorção Harmni a (do inglês,

Total Harmoni Distortion - THD). Agora o fator de potên ia, que antes era avaliado

so-mente pelo deslo amento da orrente em relação à tensão, passou a ser deduzido também

pela distorção daformade onda da orrente.

Obaixofatorde potên iadas instalações, devido àsdistorçõesde orrentes, tem gerado

umasériedeproblemas,desdeageração,transmissão,atéossistemasdedistribuição(Barbi, 2006),(Pomilio, 2009). Os resultados destas orrentes distor idas são:

•

interferên ias eletromagnéti as;

•

perdas nas linhas de transmissão (Dissipação por alor), sendo ne essário em alguns asos o sobredimensionamento;

•

distorção harmni anas tensõesdaredede alimentação,devido à ir ulação das om-ponentes harmni as de orrente, omprometendo o fun ionamento de outros

equipa-mentos que estejam one tadosa rede;

•

leituraserradas nos equipamentos de mediçãoe proteção;

(20)

•

omprometimentodaoperaçãodetransformadores,impli andoemdesperdí iode ener-giae aque imento,devido às orrentes parasitas eao efeitode histerese.

NíveiselevadosdoTHDsãosinnimosdeprejuízos. Devidoaesteproblemaeparaevitar

maioresdanos,foram riadasnormasinterna ionaisparaaregulamentaçãoes alizaçãodos

níveis a eitáveisde THD na rede elétri a.

Emprimeirode janeirode1975,foiapresentadopeloCENELEC( Commission Européan

pour la Normalisa ion , órgão europeu responsável por riar padrões e legislaçõespara uma

melhor qualidade de energia), as normas européias (EN50006) que limitavam as

pertur-bações/distúrbios nas redes de forne imento ausadas por aparelhos domésti os equipados

om dispositivoseletrni os.

Atualmente os prin ipais padrões são o europeu IEC ( International Ele trote hni al

Commission) (std. 61000-3-2, 1998) (limites para a distorção harmni a gerada por or-rentes menores que 16A por fase), (std. 61000-3-4, 1998) ( orrentes maiores que 16A por fase)eoameri ano (std. 519-1992,1993)(re omendação doIEEEpara práti aserequisitos para ontrolede harmni asnosistemaelétri ode potên ia). NoBrasil,oórgãoresponsável

pelaelaboração de normasem geralé a ABNT (Asso iaçãoBrasileirade Normas Té ni as)

(ABNT, 2011)que, a m de estar em on ordân ia om muitas das normas interna ionais, é asso iada ao IEC.

1.2.1 Conversor CA-CC

Naeletrni adepotên ia,oreti adoréaestrutura apazderealizara onversãodetensões

e orrentes alternadas (CA) em tensões e orrentes ontínuas (CC).

Naliteratura,épossívelen ontrarum grandenúmerodetrabalhos sobreosreti adores

(Mohan eUndeland, 2003),(Da Silva, 2003),(Mazda, 2003) e (Barbi, 2006).

Osreti adorespodemser lassi ados,em um primeiro aso, de a ordo oma faixade

potên ia em que atuam: baixa, médias e altas potên iase têm seus usos ligados:

•

aos arregadores de baterias;

•

onteúdo harmni ona tensãode saída;

•

baixofator de potên ia;

•

geraçãode harmni osna orrente de entrada.

Deummodogeral,espera-sedeumreti adorquesuas ara terísti asdeentradaesaída

sejamas melhores possíveis. Signi ando om istoque sua tensão de saída sejaestável,não

ontendoperturbaçõesnemondulação( ripple),equeseufatordepotên ia(FP)sejaunitário.

Reti adores Controlados

Nos reti adores ativos, também onhe idos omo reti adores PWM, têm-se o ontrole

através dos semi ondutores de potên ia. Com isso, é possível ontrolar as orrentes de

entrada, bem omo ontrolar o nível de tensão CC na saída do reti ador. O ontrole da

orrente de entrada permite obter melhor fator de potên ia e menor distorção de orrente,

propi iando uma melhorTHD.

Esses reti adoresapresentam ara terísti asmais adequadas aos requisitosde sistemas

(22)

Figura 1.1: Estrutura de um reti ador ontrolado de dois níveis.

Na Figura1.1 é vistoo reti ador PWM de dois níveissem neutro.

sb

v

sc





=





1 − D

x

1 − D

x

1 − D

x





v

0

(1.1)

onde

D

x

orresponde ao estado da have dobraço

x

om

x = 1

,

2

ou

3

.











D

1 =

0, Q

_{1, Q}

1 → 1

1 → 0

D

2 =

0, Q

2 → 1

1, Q

2 → 0

D

3 =

0, Q

_{1, Q}

3 → 1

3 → 0

Pela leide Kir hho, as orrentes daentrada trifási as des revem aseguinteequação:

i

a

+ i

b

+ i

c

= 0

(1.2)

(23)

Figura1.2: Cir uito equivalente ao onversor daFigura1.1.

Com base no ir uito equivalente do onversor apresentado na Figura 1.2 as equações dosistema são:







v

a

− v

b

v

b

− v

c

v

c

− v

a

=

(v

la

− v

lb

) + (v

sa

− v

sb

)

(v

lb

− v

lc

) + (v

bs

− v

sc

)

(v

lc

− v

la

) + (v

sc

− v

sa

)

(1.3) onde





v

sa

− v

sb

v

bs

− v

sc

v

sc

− v

sa





=





v

sab

v

sbc

v

sca





(1.4) e

v

sab

+ v

sbc

+ v

sca

= 0

.

Assim, a partir da equação (1.4), um ir uito ainda mais simples está representado na Figura1.3.

Figura1.3: Cir uitoequivalente aoapresentado naFigura1.2.

1.2.2 Conversor CC-CA

Os onversores CC-CA são denominados pelo setor industrial omo inversores e tem omo

(24)

O inversor pode ter sua freqüên ia de operação, bem omo sua tensão ou orrente de

saídaem valores xosouvariáveis. Noiní iodasua utilização,oinversor apresentavaforma

deondadetensãonasaída om ara terísti asnãosenoidais,devidoao onteúdoharmni o,

o que não é atrativo para ertas apli ações. Com o desenvolvimento dos semi ondutores, o

onteúdoharmni odatensão/ orrente, geradaspelosinversores,forambastante

minimiza-dos, hegando aalguns asos a serem quase 100% reduzidas.

Os inversores podem ser lassi ados em uma das seguintes ategorias, dependen do do

que sedeseja obterna sua saída:

•

Conversores CC-CA de tensão;

•

Conversores CC-CA de orrente;

•

Conversores CC-CA reguladoem orrente;

•

Conversores CC-CA de fase ontrolada.

Será dado ênfase, nessa seção, ao onversor CC-CA de tensão, que será avaliado neste

trabalho.

Este tipo de onversor é omais omum entre os onversores CC-CA. Possui sinal

alter-nado de saída, tendoentão valormédionulo( omporta-se omo fontede tensão alternada).

A tensão ontínua de entrada pode ser gerada por um reti ador, ou mesmo por uma

fonte CC (baterias, por exemplo). Este tipo de onversor tem algumas apli ações, dentre

elas desta am-se:

•

sistemasde a ionamento de máquinas elétri asde orrentealternada;

•

sistemasde alimentação ininterrupta de energia (UPSs).

Estrutura trifási a de dois níveis

O onversor CC-CA trifási o de tensão, om forma de onda retangular nasaída, é uma das

(25)

Figura 1.4: Estrutura de um inversor de dois níveis.

Ofun ionamentodestaestruturaésimples: a adameioperíodo, ada terminaldesaída

de ada braço do inversor é one tado alternadamente, no terminal positivo e negativo da

fonte.

Para a obtenção datensão de saída trifási a,adota-se oângulo de defasagem om valor

de 120 o

entre as sequên ias de haveamento de ada braço do inversor. Assim,

onsegue-se o mesmo omportamento dos sistemas trifási os onven ionais, pois o braço que está

haveando está a 120 o

atrasado om relação ao braço doinversor haveado anteriormente e

120 o

adiantado em relaçãoao braço doinversor haveado posteriormente.

x

Q

x1

Q

x2

v

x0

(26)

As equações (1.5) - (1.8) denem ada uma das tensões rela ionadas om o ir uito da Figura1.4. Tensões de pólo:







v

a0

v

b0

v

c0

(1.5)

Tensão de modo omum:

v

n0

(1.6)

Tensões de fase:







v

an

= v

a0

− v

n0

v

bn

= v

b0

− v

n0

v

cn

= v

c0

− v

n0

(1.7) Tensões de linha:







v

ab

= v

a0

− v

b0

= v

an

− v

bn

v

bc

= v

b0

− v

c0

= v

bn

− v

cn

v

ca

= v

c0

− v

a0

= v

cn

− v

an

(1.8)

Y

c

são as admitân ias, das fases

a

,

b

e

c

, respe tivamente.

Pela leide Kir hhoa soma das orrentes que hegam nonó

n

édada por:

i

a

+ i

b

+ i

c

= 0

(1.12)

Substituindoos valores das equações (1.9) -(1.11) naequação (1.12), obtém-se:

v

an

Y

a

+ v

bn

Y

b

+ v

cn

Y

c

= 0

(1.13)

Osvaloresde

v

an

,

v

bn

e

v

cn

dados na equação(1.7)são substituidos em (1.13):

(27)

onsiderando o sistema equilibrado,tem-se

Y

a

= Y

b

= Y

c

= Y

. Da equação (1.14) é isolado o valordatensão de modo omum:

v

n0

=

v

a0

+ v

b0

+ v

c0

3

(1.15)

Astensõesdepólosãodenidasem funçãodoestadode onduçãodas havesedatensão

nobarramentoCC:

v

x0

= (2q

x

− 1)

E

2

(1.16)

onde

E

é a tensão no barramento CC;

x = a

,

b

ou

c

;

q

v

x0

é a tensão de pólodobraço

x

.

Substituindoas tensões de póloobtidasna equação (1.16),nas equações das tensões de linha (1.8), tem-se:





v

ab

v

bc

v

ca





=





v

a0

− v

b0

v

b0

− v

c0

v

c0

− v

a0





=





(2q

a

− 1)

E

₂

− (2q

b

− 1)

E

₂

(2q

b

− 1)

E

₂

− (2q

c

− 1)

E

₂

(2q

c

− 1)

E

₂

− (2q

a

− 1)

E

₂





= E





q

a

− q

b

q

b

− q

c

q

c

− q

a





= E





1 ₋₁

0

1 ₋₁

−1

0

1 







q

a

q

b

q

c





(1.17)

Astensõesdefasepodemseres ritasemfunçãoapenasdas tensõesdepólosubstituindo

a tensãode modo omum daequação (1.15) naequação (1.7), assim:





v

an

v

bn

v

cn





=

1

3 



2v

a0

− v

b0

− v

c0

−v

a0

+ 2v

b0

− v

c0

−v

a0

− v

b0

+ 2v

c0





=

1

3 



2 _{−1 −1}

−1

2 ₋₁

−1 −1

2 







v

a0

v

b0

v

c0





(1.18)

onde as tensões de pólo são obtidas da equação (1.16), as tensões de fase são dadas em função doestado das haves por:





v

an

v

bn

v

cn





=

E

3 



2q

a

− q

b

− q

c

−q

a

+ 2q

b

− q

c

−q

a

− q

b

+ 2q

c





=

E

3 



2 _{−1 −1}

−1

2 ₋₁

−1 −1

2 







q

a

q

b

q

c





(1.19)

Num sistema eqüilibrado a três fases, as tensões de fase são obtidas em função das

tensões de linha:





v

an

v

bn

v

cn





=

1

3 



2v

a0

− v

b0

− v

c0

−v

a0

+ 2v

b0

− v

c0

−v

a0

− v

b0

+ 2v

c0





=

1

3 



v

ab

− v

ca

v

bc

− v

ab

v

ca

− v

bc





=

1

3 



1

0 ₋₁

−1

1

0

0 ₋₁

1 







v

ab

v

bc

v

ca





(1.20)

(28)

NaTabela1.2 estãorela ionadas astensões doinversor de dois níveispara osdiferentes estados de ondução das haves. Pode-se observar que as tensões de pólo possuem dois

níveis, astensõesde linha três níveis eas tensões de fase in o níveis.

Tabela 1.2: Seqüên iade omutaçãoe tensões de saída.

Vetores Estados

V

ao

V

bo

V

co

V

ab

V

bc

V

ca

V

an

V

bn

V

cn

0 000

−E/2 −E/2 −E/2

0

1 100

+E/2

−E/2 −E/2

E

0 −E

2E/3

−E/3

2 110

+E/2

−E/2

0 E

−E

E/3

−2E/3

3 010

−E/2 +E/2 −E/2 −E

E

0 −E/3

2E/3

−E/3

4 011

−E/2 +E/2 +E/2 −E

0 E

−2E/3

E/3

5 001

−E/2 −E/2 +E/2

0 −E

E

−E/3

2E/3

6 101

+E/2

−E/2 +E/2

E

−E

0 E/3

−2E/3

E/3

7 111

+E/2

0

1.3 Breve Introdução Sobre Conversores Multiníveis

Ousomaiordosreti adoreseinversores,emespe ialnosúltimosanos,devidoaumaumento

gradativo da demanda por energia elétri a, faz om que novas topologias e estratégias de

modulaçãosejam desenvolvidas.

Então surgiu, em 1981, uma nova topologia de onversor, utilizando três níveis, om

diodosligadosaopontodoneutro(Nabaeetal.,1981). Estaestruturaé hamadadeinversor omdiodosdegrampeamento( Neutral PointClamped-NPC).Suatensãodesaídatemuma

quantidade reduzida de harmni osquando omparada om o onversor de dois níveis. Nas

Figuras1.5(a)e 1.5(b)éapresentadaaestruturadetrês níveis,formadaapartirde módulos de dois níveis. Pode-se ver que as haves são one tadas em série, sendo in luído na nova

estrutura, os diodos de grampeamento.

Uma das vantagens do onversor multinível se refere ao stress sobre a have. Para

um inversor de dois níveis, a máxima tensão a ser suportada pela have que se en ontra

(29)

1 D

2 D

1 Q

2 Q

(a)

Diodos

de

grampeamento

Q

4 Q

1 Q

2 Q

₃

1 D

3 D

2 D

4 D

(b)

Figura 1.5: a)Braço de um onversor de dois níveis; b) Braçode um onversor de

três níveis.

a onguração, sempre haverá duas haves abertas, então a tensão passa a ser E/2 sobre

ada havequeesta bloqueada,reduzindo ostress sobre asmesmas,sendopossívelporisto,

trabalhar om tensõesmais elevadas.

Além de estruturas novas, té ni as de modulação por largura de pulso ( Pulse Width

Modulation-PWM)têmsidodesenvolvidaspara ir uitosinversores omointuitodereduzir

harmni os e permitir o ontrole da tensão fundamental de saída (Bhagwat e Stefanovi , 1983).

Outra té ni a de modulação que tem sido utilizada por apresentar algumasvantagens,

é té ni ade modulaçãovetorial,que será abordadana próximaseção.

1.4 Modulação Vetori al

(30)

(van der Broe k et al.,1988), e emprega uma notação vetorial para pro essamento de suas grandezas, simpli ando om isto, aanálisedosistema estudado (Veenstrae Rufer,2000).

Namodulaçãovetorial onsideram-seosseguintesfatores: aidenti açãodesetorespara

o posi ionamentodos vetores a serem implementados, a relação entre os vetores e ossinais

de omando, asdeniçõesdos vetores possíveisedisponíveis, ade omposiçãodestes vetores

nos eixos

dq

, e qualsequên ia de vetores será adotada, para omporo vetor de referên ia.

Com o surgimento do SV-PWM ( Spa e Ve tor - PWM) houve a possibilidade de

re-presentar osestadosdas havesdo onversorem:

(0 ⇒

bloqueio) e

(1 ⇒

ondução),gerando vetores espa iais.

Como nos estudos queseguirão sobre asté ni as de modulaçãopara onversores

multi-níveis foram usados modulação vetorial de dois e três níveis, será abordado a seguir, de

maneirasu inta,a modulaçãovetorial para onversores de dois e três níveis.

1.4.1 Modulação Vetorial Para Inversores de Dois Níveis

Para o onversor de dois níveis, representado naFigura1.4, tem-sena Tabela1.3 os respe -tivosvetores. Para este tipode estrutura de dois níveis om três braços,hápossibilidadede

utilizaçãode

(2

3 ₎

vetores.

Tabela 1.3: Seqüên iade omutaçãoe tensões de saída.

Vetores Estados

V

ao

V

bo

V

co

0 000

−E/2 −E/2 −E/2

1 100

+E/2

−E/2 −E/2

2 110

+E/2

−E/2

3 010

−E/2 +E/2 −E/2

4 011

−E/2 +E/2 +E/2

5 001

−E/2 −E/2 +E/2

6 101

+E/2

a arga. Já os vetores gerados pelos outros estados são denominados vetores ativos, pois

geram uxo de energia entre a fonte ea arga.

Será demonstrado a seguir omo são determinados os vetores espa iais de tensão e o

tempo de apli ação de ada um em um período da modulação. Na Figura 1.6 é visto o diagrama vetorial para o inversor de dois níveis e as seis regiões em que ele pode ser

dividido.

c

),determina-se otempode apli açãode ada vetor espa ial.

1.4.2 Modulação Vetorial para Inversores de Três Níveis

Para o onversor de três níveis, representado na Figura 1.7, tem-se, na Tabela 1.4, as on-gurações destes vetores. Para este tipo de estrutura de três níveis om três braços, há

possibilidade de utilização de

(3

3 _{) = 27}

(32)

diferentes de tensões nasaída doinversor.

Figura 1.7: Estrutura de um inversor de três níveis.

ÉvistonaFigura1.8 oexemplode um sinalde omando genéri o paraum braçode um inversor durante um período de modulação por largura de pulso. Na modulação vetorial,

determina-seas largurasde pulso de omando (

τ

2x

,

τ

1x

e

τ

0x

), mostrada naFigura1.8.

Figura1.8: Sinal de omando de um braço do inversor.

Na Figura1.9, tem-sea representação grá ados vetores daTabela1.4. Na modulação vetorial, o vetor de tensão de referên ia é formado apli ando-se à arga os vetores mais

próximos do vetor desejado. Com isto, tem-se na saída uma tensão om menos onteúdo

harmni oparauma dadafreqüên iade haveamento.(Leeetal.,1994), (LiueCho, 1993) e (Seo etal.,2001).

Para simpli ar o estudo, a Figura 1.9 foi dividida em seis setores de A a F. Na Figura1.10 o Setor A é detalhadoe suas regiõesnumeradas de um a quatro.

(33)

Tabela 1.4: Estadosdas haves.

Vetores Estados (k

x

) Estados (

V

a0

) Estados(

V

b0

) Estados (

V

c0

)

0

000 -E/2 -E/2 -E/2

111 0 0 0

222 E/2 E/2 E/2

1 100 0 -E/2 -E/2 211 E/2 0 0 2 110 0 0 -E/2 221 E/2 E/2 0 3 010 -E/2 0 -E/2 121 0 E/2 0 4 011 -E/2 0 0 122 0 E/2 E/2 5 001 -E/2 -E/2 0 112 0 0 E/2 6 101 0 -E/2 0 212 E/2 0 E/2

7 200 E/2 -E/2 -E/2

8 210 E/2 0 -E/2

9 220 E/2 E/2 -E/2

10 120 E/2 -E/2

11 020 -E/2 E/2 -E/2

12 021 -E/2 E/2 0

13 022 -E/2 E/2 E/2

14 012 -E/2 0 E/2

15 002 -E/2 -E/2 E/2

16 102 0 -E/2 E/2

(34)

Figura1.9: Vetores e setoresde tensão doinversor de três níveis.

•

Região 1: Se

(V

a

-

V

c

)

< E/2;

•

Região 2: Se

(V

a

-

V

b

V

c

)

<E/2;

(35)

Figura1.11: Vetoresde tensãodo setor A.

1.5 Revisão bibliográ a

Como já omentado, a partir de estudos rela ionados a área de eletrni a de potên ia,

om o intuito de se melhorar a qualidade da energia, se desenvolveu uma nova topologia

de onversores : os multiníveis(Nabae et al.,1981). Este tipo de onversor foi generalizado posteriormenteparaestruturade n níveis(BhagwateStefanovi ,1983)e(Choietal.,1991). Esses onversores ,nos diasde hoje,têmsido utilizadosem apli açõesdemédiaealtatensão

(Tolbert et al.,1999),(Suh et al.,1998),(Rodriguezetal.,2007)e (Franqueloet al.,2008). Três diferentes topologiasdesses onversoresmultiníveisforampropostas: Ade diodode

grampeamento( Neutral Point Clamped)(Nabae et al.,1981); apa itores utuantes ( ying apa itors) (Meynard e Fo h, 1992), (Lai e Peng, 1995) e (Ho hgraf et al., 1994); e em as ata ( as aded multi ell)(Mar hesoni, 1992)e (Hammond,1997).

O onversormultinívelapresentavantagens omrelaçãoàestrutura onven ionaldedois

níveis, sendo a prin ipal o número de níveis de tensão em sua saída (Nabae et al., 1981), (Ratnayake e Murai, 1998), (Tolbert et al., 1999), (Choi et al., 1991), (Newton e Sumner, 1997), (Mar hesoni, 1992) (Rodriguezet al.,2002a) e(Franquelo etal., 2008).

(36)

níveis também NPC e aasso iação destas duas estruturas.

Oreti adordetrêsníveisapresenta,emsuasaída,doisbarramentosCC(doisban osde

apa itores) (Rodriguezet al.,2005). Para esta estrutura ter um fun ionamentoadequado, torna-se ne essário um ontrole das tensões do barramento de saída, om equilíbrio e uma

divisãoigualitáriadatensãoem adaban ode apa itores(Umbríandaetal.,2010)e(Chen etal., 2008).

Como uso de inversoresde três níveis, foi obtidouma melhoriana onversão de energia

CC-CA, devido à melhoria da forma de onda de tensão de saída que se aproxima a uma

senóide, apresentando assim,menores níveisde distorção harmni a(BhagwateStefanovi , 1983) e(Rodriguezetal., 2002a).

Assim omopara osreti adoresde três níveis, para o orretofun ionamentodos

inver-sores multiníveis,é ne essáriohavero balan eamentodas tensões.

Algumas estratégias propõem a redução do diagrama vetorial de um inversor de três

níveis para um de dois níveis (Seo etal.,2001) e(de Oliveira.,2005), reduzindo otempode exe uçãodo algoritmo. Essas té ni as também fazem uso daadição de uma omponentede

sequên ia zero para solu ionar o problema do desbalan eamento, assim omo em (Steinke, 1992), (Lee et al., 1999) e (Ogasawara e Akagi, 1993), obtendo a redução da distorção harmni a nos sinais de saída dos inversoresmultiníveis,quando omparadas oma té ni a

onven ional em que uma portadoratriangularé omparada asinais senoidais.

Té ni as tradi ionais PWM (Holtz, 1994) têm sido estendidas para onversores multi-níveis om su esso, usando múltiplas portadoras para o haveamento dos onversores ( M -GratheHolmes,2002),sendomais omumenteutilizadasnasindústrias(Kouroetal.,2010). Outras té ni as PWM estão sendo propostas na literatura, visando melhorar ada vez

mais os resultados. Entre estas estratégias, amodulação porespaço vetorial ( SVM) tem se

desta ado, pois ofere e uma exibilidade signi ativa para otimização das formas de onda

(Liue Cho, 1993), (Celanovi e Boroyevi h, 2000) e(Bakhshaiet al.,2001).

Em (Celanovi e Boroyevi h, 2001) é desenvolvido um algoritmo geral de modulação espaçovetorialpara onversoresn-níveltrifási o,alémdisso, onúmerode passosne essários

(37)

donúmerode níveis do onversor, o que torna aestratégia bem atrativa.

Também é visto em (Celanovi e Boroyevi h, 2000) uma nova formulação matemáti a paraoproblemadobalan eamentodos apa itoresdobarramentodo onversor. Alémdisso,

ele dimensiona o tamanho do apa itor para qualquer ponto de operação do inversor, isto

sendo normalizado om ovalorda orrentede saída. Com os resultados apresentados pelos

autores itados, hega-seaummaiores lare imentosobreas ompensaçõesentre otamanho

do apa itor do barramento, o tamanho da ondulação da tensão no barramento CC, omo

também sobre a estratégia de balan eamento dessas tensões.

Em (Mahdavi et al., 1999) há também a utilização da modulação vetorial através do ontrolede orrentede saídaem inversoresmultiníveisde tensão,visando diminuiroerrode

orrente, melhorandoodesempenhodoinversoremapli açõesde ompensaçãodaspotên ias

reativas.

Aestratégia em (Rodriguezetal.,2002b)baseada também namodulaçãovetorial,além de produzir uma menor taxa de distorção harmni a, possui um menor número de

omu-tações,quea arretammenoresperdaspor haveamentoegerammelhore iên iadoinversor.

Foi proposto em (Pou et al., 2005) uma té ni a de modulação para inversores multi-níveis, que opera em baixas frequên ias de haveamento, visando a redução das perdas na

omutação. Sãorealizados ál ulosquedeterminamqualamelhorsequên iade vetorespara

o primeirosetor dodiagramavetorial, quepor simetria,são estendidos aos demais setores.

Em (Busquets-Monge et al., 2004) utiliza-se vetores virtuais visando tornar a orrente média no ponto entral nula, garantindo om isso o equilíbrio das tensões no ponto do

neutropara qualquer tipode arga(linearounão linear),desde quea

i

a

+ i

b

+ i

c

= 0

( arga eqüilibrada). Dessaforma, amodulaçãopropostadiminuisigni ativamenteotamanho dos

apa itoresdobarramento. Foi onstatadotambémquequando omparada omaté ni ade

espaçovetorialtradi ional( SV),até ni avirtual( VSV)podetrabalhar omumafrequên ia

de haveamento menor, para se ter o mesmo número de transições das haves, nas duas

té ni as.

Umamodi ação naté ni aseno-triângulo( sinusoidal pulse width modulation SPWM)

(38)

no ponto do neutro, mantendo uma forma senoidal na tensão de saída. Essa té ni a evita

a ne essidade de altas apa itân ias do barramento CC, o que é inevitável na maioria das

apli ações industriais de onversores multinível.

Outros estudos apontam para a adição de um hardware para este balan eamento,

adi- ionando um ir uitode regulação,que forçaa transferên iade energiaentre os apa itores

(Cheng eCrow, 2002),(Newton e Sumner, 1999),(vonJouanne et al.,2002) e (Choi etal., 1991). Esse ir uito pode ser implementado usando a adição de mais algumas haves e diodos ao onversor, o que torna o pro esso um pou o mais aro e mais omplexo. Em

(Cheng e Crow, 2002) é itado também que o ir uito extra onsegue resultados de balan- eamento melhores que as té ni as de espaço vetorial ( SVM) e ( DC oset) dis utidas em

(Fang Zheng Peng, 1996).

Em(OgasawaraeAkagi,1993)e(NewtoneSumner,1997)foramfeitasanálisesanalíti as para oproblema davariaçãodatensãonobarramentoe estudadaa estabilidade baseada no

modelo dinâmi odesenvolvido. Utiliza-se a orrente média no ponto do neutro ( NP) para

orrigir o problema da variação de tensão, om adição de uma omponente de sequên ia

zero. Osmétodos não são e azes quando se utilizabaixas frequên iasno haveamento.

Em (Khajehoddin et al., 2008) é proposta uma estratégia de balan eamento de tensão novaeaperfeiçoada,para onversoresmultiníveis,quefazuso domodelodeuxode orrente

independente da estratégia de modulação adotada. Este modelo prevê os novos estados de

haveamentodo onversorbaseadonosvaloresde orrentesdesaída,datensãodobarramento

e da orrente geradapelo haveamento.

Jáem(Verneetal.,2008)éproposto um ir uitosimplesqueprevêodesvio dastensões nos apa itores para diferentes modos de operação. Este modelo gera um algoritmo de

otimização para minimizar o desbalan eamento das tensões no barramento. Isto permite

sele ionarasmelhores ombinaçõesde haveamentopara ada i loeéapli ávela onversores

de n-níveis.

Para o problema do balan eamento em reti adores é proposto por (Chen et al., 2008) umaestratégiade ontrolede potên iadireta( Dire tPower Control- DPC).Nessetrabalho

(39)

a ordo om a direção da orrente no ponto médio, sendo analisado também o efeito dos

estados de haveamento nas potên ias ativae reativa.

Em(Umbríanda et al.,2010) forampropostas algumas alternativaspara o projeto dos ontroladores, quesão baseados narejeição de um distúrbio, tendoem vista que este termo

não-linear pode ser aproximado de um sinal de ter eira ordem harmni a. O ontrole das

tensões dobarramentoteve resposta mais rápidae melhor,utilizandoaté ni ade prin ípio

de modelointerno( IMP),oqualin luiummodelo dotermonão linearno ontrolador. Este

modelo onsisteem uma função de transferên ia para obter a anulaçãoda perturbação.

Atravésdajunçãodoreti adore doinversor detrês níveisdotipoNPC, obtém-seuma

estrutura hamada de "Ba k-to-Ba k"(Ying hao et al., 2008). Este tipo de onversor têm atraído ada vez mais a atenção devido às suas vantagens, tais omo: uxo de potên ia

bidire ional, baixa distorção harmni a de orrente, alto fator de potên ia e ontrole das

tensões nos apa itores do barramento CC (Kohlmeier, 1987).

Em (Ying hao et al., 2010) é apresentado um ontrole integrado para o NPC Ba k-to-Ba k, realizando o balan eamento da seguinte forma: através do ontrole de potên ia

direta ( DPC), e usando uma malha de ontrole para reduzir o atraso da resposta. Com

esse ontrole édemonstradoqueotamanho dos apa itoresdobarramento,pornãoestarem

sofrendo tantas utuações de tensão, podem ser diminuídos.

A utilização desta topologia de onversor apresenta ara terísti as interessantes para

apli ações envolvendo a exploração de fontes de energias renováveis, em sistemas de alta

potên ia (Ying hao etal.,2008)e (Portillo etal.,2006).

Té ni a de modulação de espaço vetorial também foi abordada para esta topologia

(Grigoletto e Pinheiro, 2009). É estabele ida a relação entre o balan eamento das ten-sões nos apa itores e asdistorções harmni as nas tensões de saída. Desta forma, é riado

um grau de liberdadepara operar om baixos índi es de THD, minimizandoodesequ ilíbrio

das tensõesno barramento.

Já em (Tan et al., 2010) é apresentado este tipo de onversor operando om baixa frequên ia de haveamento, mostrando um desempenho satisfatório, o que torna atrativo

(40)

1.6 Proposta de Trabalho

Serão desenvolvidos, neste trabalho, estudos sobre asté ni as de modulaçõesem inversores

(Cap. 3), bem omo da possibilidade de serem utilizadas em reti adores. As estratégias forames olhidasdea ordo omasuafa ilidadedeimplementação,osbonsresultadosobtidos

por elas, bem omo por serem bastante itadasnaliteraturada área.

Alguns fatores das estratégias es olhidas serão analisados, tais omo a frequên ia de

haveamento, perdas, análisesharmni as, observando quais têm melhores resultados.

Ainda será proposto um estudo de um onversor Ba k-to-Ba k de três níveis.

1.7 Organização do Trabalho

Neste trabalho, serão estudadas algumasestratégias de modulaçãopara onversores de três

níveis. Oestudo seen ontra dividido em quatro apítulos:

Capítulo 1: Será apresentada uma breve introdução sobre eletrni a de potên ia, bem

omo uma introdução aos estudos sobre onversores de potên ia, que será o fo o prin ipal

deste trabalho. Também apresentaum estudona literaturasobre onversores multiníveis.

Capítulo 2: Serão apresentados os estudos realizados om os onversores multiníveis,

mas pre isamente, os de três níveis. Serão analisadas as vantagens, desvantagens, destes

tipos de onversores . Ainda neste apítulo, serão apresentadas as estruturas de três níveis

do onversor CA-CC edo onversor CC-CA, bem omo aasso iação dessasduas estruturas

omumente hamadade Ba k-to-Ba k.

Capítulo3: Serãoapresentadas as estratégias es olhidas de modulaçãoPWM. Também

serãoapresentados osresultadosobtidosparaobalan eamentodatensãodos apa itoresdo

barramentoCC, por ada uma delas.

Capítulo4: Será abordadaa análise omparativadas estratégias propostas.

(41)

2

Conversores Multiníveis

2.1 Introdução

O enário mundial sobre fontes de energia esta mudando. A dependên ia sobre os

om-bustíveis fósseis, o seu alto usto, bem omo, as questões ambientais,estão levando a ada

dia um maior investimento em pesquisas e desenvolvimento rela ionados à exploração de

fontes de energia alternativase/ou renováveis.

Um dos fo os da pesquisa relativa ao uso de fontes renováveis de energia, que tem

in-teraçãodireta omaeletrni adepotên ia,éodesenvolvimentodetopologiasde onversores

om o propósito de integração de fontes de geração distribuída a rede de distribuição de

energia.

O onstantepro essode desenvolvimentodenovosdispositivossemi ondutoreseabus a

porestruturasde onversores adavezmais e ientese apazes de ontrolarníveisde

potên- ia ada vez maiores, tem fomentado os estudos e desenvolvimentos observados na área de

onversores estáti os.

Atualmente,existeuma erta on orrên iaentreastopologias lássi asde onversoresde

potên iausandodispositivossemi ondutoresquesuportamaltastensõeseasnovastopologias

de onversores utilizando dispositivossemi ondutores de médiatensão.

Ousode onversoresmultiníveltem res idonas indústrias,prin ipalmenteparausoem

(42)

(Suh e Hyun, 1997), (Lee et al., 1994), (Mar hesoni, 1989), (Choi et al., 1991). Devido a este aumentonos últimosanos, etambém ade iên ianodesempenho em altastensõesdos

semi ondutores, adotou-se a onexão destes dispositivos em série, surgindo os onversores

multinível.

Estasestruturasmultiníveisforamprimeiramentepropostasparasistemasde

a ionamen-tos elétri os de alta potên ia (Nabae et al., 1981). Atualmente, têm-se outras apli ações, tais omo: Compensadores estáti os de reativos, orrigindo o fator de potên ia em argas

industriais, sistemas de transmissão de orrente ontínua ( High Voltage Dire t Current

-HVDC) e ltros ativosde potên ia(Celanovi e Boroyevi h, 2000) e(Tolbert et al.,2000). Pode ser visto na Figura 2.1 de uma forma bem simples e generalizada um braço de um onversor de dois níveisaté n-níveis. Do lado ontínuoen ontram-seos apa itores edo

outro (braço do onversor) os interruptores que geram na saída, a depender do número de

níveis, n-níveisde tensãoformando um sinal em es ada.

)

+

Vc

Va

a

Vc

Va

Vc

a

0

Figura2.1: Braço de um onversor de dois níveisaté n-níveis.

Em um onversor onven ional apenas se tem dois níveis na sua tensão de saída (daí

o nome, onversor de dois níveis). Em um onversor multinível têm-se três ou mais níveis

de tensões na saída. Esta é a prin ipal diferença entre os onversores . Mas a partir desta

diferença omeçam asvantagens e também desvantagens, omoindi adas aseguir:

Vantagens:

•

menor tensãoapli adanos interruptores;

(43)

rendi-mento;

•

menor onteúdo harmni o nasaída;

•

tendo tensão de saída em níveis, diminui-se os transitórios de tensão, reduzindo os problemas de interferên ias eletromagnéti as (EMI);

•

Redução dos harmni os de baixa freqüên ia do lado da tensão CA, signi ando re-dução notamanho da indutân ia.

Desvantagens:

•

oequilíbriodas tensõesdos apa itoresdobarramentoCCtemqueser mantidoparao orretofun ionamentodaestrutura, garantindo om isso, amesmatensãode bloqueio

nas haves e osníveisde tensão ne essários para o PWM.

•

om maiornúmerode interruptores, onseqüentemente,o usto nal daestrutura será mais alta;

•

om este aumento no número de interruptores, será ne essário também, um ontrole mais omplexo,que varia om onúmero de níveis;

•

adependerdafreqüên iade omutação,tem-semaioresperdasduranteo haveamento, devido aomaior número de interruptores.

Estas desvantagens têm sido reduzidas ao longo dos anos, prin ipalmente omo itado

anteriormente, peloprogresso feitonaáreadaeletrni a, viabilizandodispositivosmais

mo-dernos, omoos IGBTs,aumentandoa potên ia ea freqüên ia de haveamento.

O ontrole tem sido fa ilitado devido ao surgimento e aperfeiçoamento de novos

pro- essadores, omo osDSPs ( Digital SignalPro essor),que tem pro essamentomais rápido e

uma apa idade aumentada de ál ulo.

2.2 Reti ador de Três Níveis