Circuitos de Auxílio à
Comutação ZVT SimplificadosAplicados a Pólos PWM Bidirecionais:Conceito e Metodologia de Síntese
Rafael Concatto Beltrame, Eng.
Santa Maria, 27 de agosto de 2010
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1.
Introdução e motivação2.
Revisão bibliográfica
3.
Metodologia de síntese– Topologias ZVT simplificadas– Generalização da técnica ZVT e definição das chaves simplificadas
4.
Resultados Experimentais5.
Conclusão
Sumário
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• Economia global Depende de fontes não‐renováveis– 87% de toda energia é não‐renovável– Crescimento econômico Crescimento da demanda– Eletricidade
Apresenta um contínuo aumento
• Apelo ambiental Emissão de CO2– Doenças respiratórias– Efeito estufa Aquecimento global
• Tipos Eletricidade– Menores níveis de poluição dentre as demais– Restrito a construção das usinas geradoras
1. Introdução e Motivação
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• Longo prazo
Investimentos na geração renovável (R$)• Curto prazo Conservação
da energia elétrica
• Brasil Foco no setor industrial (40%)– Motores elétricos
(55%) Celulose, automobilística, petroquímica, etc
– Aplicações com variação de velocidade Eletrônica de Potência
1. Introdução e Motivação
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• Inversores de Freqüência Variação de velocidade– Desenvolver sistemas de alta eficiência Conservação de energia
– Altas taxas de di/dt
e dv/dt
Sobretensões na máquina• Danifica rolamentos e exige mais do sistema de isolação
– Interferência Eletromagnética (EMI)• Problema para veículos elétricos, redes de comunicação industriais, etc
1. Introdução e Motivação
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• Características desejáveis aos conversores– Elevado rendimento– Redução dos elementos reativos
• Filtros Elevação da freqüência de corte• Redução de peso e volume associados• Redução de custos
– Maior portabilidade
e modularidade– Melhor resposta dinâmica
• Solução Aumento da fs
(?)– Aumento das perdas de chaveamento
• Volume de dissipadores
ffs s PPswsw
1. Introdução e Motivação
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• Para aliviar o compromisso entre perdas e fs– Técnica de comutação‐suave– ZVT
• Grande atenção da academia• Reduz di/dt
e dv/dt
Sobretensões e EMI
• Baixos esforços de tensão e corrente• Operação próxima a do conversor dissipativo
• Emprego de modulação PWM convencional
• Seis chaves auxiliares (acionamento motores)
Atrativo
Não atrativo
1. Introdução e Motivação
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• Conceito: Integração de CACs do tipo ZVT– Compartilhamento da AVS Entre
diferentes pólos PWM do conversor
– Reutilização da energia das comutações• Alto grau de
compactação
• Chaveamentos sincronizados• Perda de graus de liberdade
2. Revisão Bibliográfica
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• Conceito: Simplificação de CACs do tipo ZVT– Exemplo
• V. Vlatkovic et al, 1993
2. Revisão Bibliográfica
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• Conceito: Simplificação de CACs do tipo ZVT– Compartilhamento da AVS Mesmo
pólo PWM do conversor
– Independência
na modulação dos pólos PWM– Qualquer
estratégia de modulação
• Minimização do conteúdo harmônico ou perdas de chaveamento
2. Revisão Bibliográfica
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• Conceito: Simplificação de CACs do tipo ZVT– Exemplo
• H. Takano et al, 2001
2. Revisão Bibliográfica
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2. Revisão Bibliográfica
• Metodologia de síntese de topologias ZVT integradas– J. Russi et al, 2007
e Schuch et al, 2009
– Síntese de novas topologias– Sistematização das topologias existentes
• Metodologia de síntese de topologias ZVT simplificadas– Inexistente
– Academia Teoria geral
Rigorismo científico na descrição• Substituição à abordagem de “tentativa‐e‐erro”
– Todas as topologias compartilham dos mesmos princípios– Procedimento de síntese das topologias atuais e de novas
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• Estrutura genérica dos conversores PWM– Pólo PWMModulação de S1
e S2– Fonte de corrente Carga– Semicondutor ideal
Tempos de comutação nulos
– Semicondutor real
Tempos finitos• Sobreposição tensão‐corrente
3. Metodologia de Síntese
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• Estrutura genérica dos conversores ZVT– Alternativa
Caminho paralelo para desviar a corrente do pólo
PWM previamente à
comutação– Fonte controlada de corrente (iLx
) Indutor auxiliar (Lx
)– Fonte auxiliar de tensão (AVS) Conjunto de dispositivos
3. Metodologia de Síntese
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– Fontes Vx1
e Vx2• Acoplamento magnético• Fontes CC isoladas• Níveis intermediários do link
CC
– Sx1
e Sx2• Arranjo de chaves e diodos
3. Metodologia de Síntese
• Implementação da AVS– Estrutura genérica
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• Distribuição dos componentes no CAC – Caminho de corrente
• Ao menos um elemento indutivo• AVS Fontes de tensão CC e chaves semicondutoras
– Seis possíveis combinações– Verificar redundâncias
3. Metodologia de Síntese
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3. Metodologia de Síntese• A metodologia de simplificação de CACs do tipo ZVT
– Implementação da AVS– Redução no número de chaves de alta freqüência– Operação equivalente ao conversor ZVT clássico– Chaves semicondutoras simplificadas
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• Casos analisados– Níveis de tensão da AVS
• Combinação
– Etapas de operação
Diagramas Blocos+
Chaves simplificadas
3. Metodologia de Síntese
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*Caso 1
†Caso 2
+Caso 3
3. Metodologia de Síntese
• Combinações possíveis Análise das etapas de operação
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• Protótipo Implementando– Inversor SEMISTACK (Semikron)– Módulo SKM50GB123D– Filtro LC 3mH, 4uF
4. Resultados Experimentais
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• CAC Simplificado– H. Takano et al, 2001– Sxj
IRG4BC20UD– Dxj
8ETH06
4. Resultados Experimentais
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4. Resultados Experimentais
• Operação: Topologia ZVT Simplificada– Comutação ZVS
(S5
)– Comutação ZCS
(Sx3
)
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• Regime Permanente: Topologia ZVT Simplificada– Padrão PWM com Mínimas‐Perdas SVM
• Sem comutações 60º
em torno de Imax
• Liberdade na escolha da seqüência de chaveamento
4. Resultados Experimentais
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• Qualidade de Energia (Yokogawa®
WT1600)– THD
da tensão de linha [vab1
(t)] após o filtro LC– Topologia ZVT Simplificada Menor THD
• Seqüência não voltada à
minimização da THD • Seqüência simétrica• Contendo apenas os vetores adjacentes (sem SSVs extras)
Topologia ZVT Integrada Topologia ZVT Simplificada
4. Resultados Experimentais
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• Medição de Eficiência (Yokogawa®
WT1600)– Topologia ZVT Simplificada Menores perdas
• Seqüência de Mínimas‐Perdas SVM• Perdas de acionamento minimizadas
4. Resultados Experimentais
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• Metodologia de síntese de topologias ZVT simplificadas– Identificação das restrições
de operação
– Proposta de chaves simplificadas– Diagrama de blocos
representativos da estrutura do CAC
• Método gráfico e intuitivo• Síntese de topologias inéditas e já
publicadas
• Resultados experimentais– Comprovaram a metodologia de síntese– Comprovaram as conclusões obtidas a partir da análise comparativa
• A escolha da técnica (integração ou simplificação) tem impacto do desempenho global do conversor
5. Conclusão
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Contato:[email protected]@mail.ufsm.br
Agradecimentos
Programa de Pós‐Graduação em Engenharia Elétrica – UFSM
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
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