BRUNO VERONEZI FUENTES ESTUDO DO CONVERSOR NPC …layout design is started. The mathematical converter modeling is necessary in the control project, which is performed in dq0 coordinates

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICABACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

BRUNO VERONEZI FUENTES

ESTUDO DO CONVERSOR NPC TRIFÁSICO E PROJETO DE CONTROLE

VETORIAL PARA CONEXÃO COM A REDE ELÉTRICA

JOINVILLE

2016

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICABACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

BRUNO VERONEZI FUENTES

ESTUDO DO CONVERSOR NPC TRIFÁSICO E PROJETO DE CONTROLE

VETORIAL PARA CONEXÃO COM A REDE ELÉTRICA

Trabalho de conclusão apresentado ao curso

de Engenharia Elétrica do Centro de Ci-

ências Tecnológicas, da Universidade do

Estado de Santa Catarina, como requisito

parcial para a obtenção do grau de Bacha-

rel em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Joselito Anastácio

Heerdt

JOINVILLE

2016

"ESTUDO DO CONVERSOR NPC TRIFÁSICO E PROJETO DE

CONTROLE VETORIAL PARA CONEXÃO COM A REDE ELÉTRICA"

por

Bruno Veronezi Fuentes

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção

do título de

Bacharel em Engenharia Elétrica

e aprovado em sua forma final pelo

CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DO

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARTINA

Banca Examinadora:

Joinville, 29 de Junho 2016.

Dr. Joselito Anastácio HeerdtCCT/UDESC (Orientador/presidente)

Dr. Sérgio Vidal Garcia OliveiraCCT/UDESC/FURB

Dr. Gierri WaltrichINEP/UFSC

Dr. Yales Rômulo de NovaesCCT/UDESC

Dedico este trabalho aos meus pais, Cássia eNelson, ao meu irmão Lucas, à minha namo-rada, Ana Maria, aos meus amigos e a todosque sempre me apoiaram.

AGRADECIMENTOS

À minha família, pelos valores passados e por sempre me apoiaremem todos os momentos, e pela dedicação para me proporcionarem oportuni-dades únicas de desenvolvimento. Espero retribuir tamanho amor à vocês damelhor forma possível durante toda minha caminhada.

À minha namorada, pelo companheirismo, por sempre me confortarnas horas mais difíceis e pela compreensão de minhas ausências em dedica-ção aos estudos.

Ao professor Dr. Joselito Anastácio Heerdt, pela atenção, pelas res-postas e pelas orientações que fizeram com que este trabalho de conclusãode curso se tornasse uma fonte de muito aprendizado.

À todos os professores, por me motivarem a buscar pelo conheci-mento, não só na graduação mas em toda minha vida.

Aos amigos, por todos os momentos e experiências compartilhadas.

"A consciência de que eu vou morrer é quecria o foco que eu tenho estando vivo. É oque cria a urgência da realização, a necessi-dade de expressar amor. Agora! Não depois,mais tarde. Se você vivesse pra sempre, por-que teria de, sequer, sair da cama pela ma-nhã? Você sempre teria o amanhã. Esse nãoé o tipo de vida que eu quero levar. Eu tenhomedo de ter um vida onde eu poderia ter rea-lizado algo e não realizei."

Neil Degrasse Tyson

RESUMO

Este trabalho de conclusão de curso apresenta um estudo sobre conversoresmultiníveis, iniciando por uma revisão bibliográfica comparando as principaistopologias encontradas na literatura bem como suas aplicações. Um estudosobre o conversor NPC é então realizado, constituindo-se das etapas de ope-ração, bem como o cálculo de perdas para diferentes semicondutores de po-tência. Com a definição dos componentes a serem utilizados, o projeto delayout da placa do conversor é projetada. A modelagem do conversor faz-senecessária para o projeto de controle, que é realizado vetorialmente em co-ordenadas dq0. De posse das funções de transferência de tensão e correnteda planta, propõe-se um controle da tensão CC e das correntes CA. Os resul-tados obtidos são apresentados a partir da operação do conversor em malhaaberta e malha fechada.Palavras-chave: Conversores Multiníveis, NPC, Controle Vetorial

ABSTRACT

This paper work presents a study of multilevel converters, starting with a com-parative review of the main topologies found in literature and also it’s commonapplications. A study of the NPC converter is then performed, including theoperating steps as well as the calculation of losses for different power semi-conductors. Once defined the components to be used, the converter boardlayout design is started. The mathematical converter modeling is necessaryin the control project, which is performed in dq0 coordinates. With the voltageand current transfer functions of the plant, we propose a control of the DCvoltage and AC current. The results are presented from the operation of theconverter in open and closed loop network.Keywords: Multilevel converters, NPC, Vector control

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Princípio básico de funcionamento de um conversor CC-CA.(a) Dois Níveis; (b) Três níveis; (c) N níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Figura 2.2 Topologia VSI monofásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Figura 2.3 Inversor NPC multinível monofásico de três níveis. . . . . . . . . . . . 19

Figura 2.4 Inversor NPC T-Type monofásico de três níveis. . . . . . . . . . . . . . 20

Figura 2.5 Inversor FC de três níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Figura 2.6 Inversor em cascata (H-Bridge) multinível. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Figura 2.7 Aplicações de conversores multiníveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Figura 2.8 Configuração back to back em turbina de geração eólica. . . . . 26

Figura 3.1 Inversor NPC multinível trifasico de três níveis. . . . . . . . . . . . . . . 27

Figura 3.2 Quadrantes de operação conversor NPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Figura 3.3 Etapas de operação do conversor NPC com três níveis . . . . . . 29

Figura 3.4 Correntes média e eficaz de S1 e S4, parametrizadas por IA,pico,com M=0,778. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figura 3.5 Correntes média e eficaz de S2 e S3, parametrizadas por IA,pico,com M=0,778. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figura 3.6 Correntes média e eficaz de D1, D2, D3 e D4 parametrizadaspor IA,pico, com M=0,778. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Figura 3.7 Circuito térmico equivalente para um componente . . . . . . . . . . . 36

Figura 3.8 LAM4 - Fischer Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Figura 3.9 Curvas de dissipação de calor em Kelvin por Watt do LAM4. . 37

Figura 4.1 Circuito a ser modelado. Conversor NPC trifásico conectado arede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Figura 4.2 Mudança de referencial das variáveis do sistema abc paradq0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Figura 4.3 Modelo de comutação do conversor NPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Figura 4.4 Circuito equivalente para valores médios instantâneos. . . . . . . 43

Figura 4.5 Diagrama de blocos em coordenadas dq0 do conversor NPC. 46

Figura 4.6 Circuito equivalente para o lado CC do conversor NPC. . . . . . . 48

Figura 5.1 Diagrama de blocos da estratégia de controle: (a) Malha detensão; (b) Malha de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Figura 5.2 Diagrama de bode em malha aberta de corrente não compen-sado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Figura 5.3 Diagrama de blocos FTMA, malha de corrente. . . . . . . . . . . . . . . 53

Figura 5.4 Diagrama de bode do compensador de corrente. . . . . . . . . . . . . 55

Figura 5.5 Diagrama de bode em malha aberta de corrente do sistemacompensado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Figura 5.6 Diagrama de bode em malha aberta de tensão não compen-sado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Figura 5.7 Diagrama de blocos FTMA, malha de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Figura 5.8 Diagrama de bode do compensador de tensão. . . . . . . . . . . . . . . 59

Figura 5.9 Diagrama de bode em malha aberta da malha de tensão dosistema compensado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Figura 5.10Diagrama de blocos do circuito q-PLL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Figura 6.1 Ferramenta s2z converter, software PSIM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Figura 6.2 Circuito de potência do conversor NPC trifásico conectado arede elétrica no PSIM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura 6.3 Circuito de sincronismo PLL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura 6.4 Circuitos de controle. (a) Controle de tensão do barramentoCC; (b) Controle das correntes CA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Figura 6.5 Configuração ADC do DSP TI F28335 através de bloco doPSIM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Figura 6.6 Proteções de sobre-tensões e sobre-correntes do conversor. . 67

Figura 6.7 Configuração bloco PWM monofásico, software PSIM. . . . . . . . 67

Figura 6.8 Correntes e tensões CA trifásicas do lado CA do conversorNPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Figura 6.9 Tensão no barramento CC submetida a um degrau de tensãopositivo em 0.1s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Figura 6.10Tensão e corrente na fase A do conversor submetido a umdegrau de tensão positivo em 0.1s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Figura 6.11Variáveis Id e Iq utilizadas no controle das correntes . . . . . . . . . 70

Figura 6.12Sistema de sincronismo PLL - Phase Lock Loop . . . . . . . . . . . . . 71

Figura 6.13Tensões Va, Vb e Vc do conversor T-NPC operando com malhaaberta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Figura 6.14Tensão e corrente na fase A, e tensão CC no barramento. . . . 73

Figura 6.15Tensão na fase A e funcionamento do circuito de sincronismo(PLL). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Figura 6.16Tensão e corrente na fase A, e tensão CC no barramento. . . . 75

Figura A.1 Circuito de potência e filtro de modo comum do conversorNPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Figura A.2 Circuitos de medição das tensões de fase do conversor NPC. 81

Figura A.3 Circuitos de medição das correntes de fase do conversor NPC. 82

Figura A.4 Circuitos de adequação de sinais do DSP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Figura A.5 Circuitos para identificação de erro por LED’s, ligações do DSPe chaves externas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Figura A.6 Circuitos dos drivers do conversor NPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Figura A.7 Circuito de fonte auxiliar isolada de 5V e 15V. . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Figura B.1 Camada da superfície superior (toplayer ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura B.2 Camada interna 1 (midlayer1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Figura B.3 Camada interna 2 (midlayer2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Figura B.4 Camada da superfície inferior (bottomlayer ). . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Figura B.5 Menu 3D Body de componente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Figura B.6 Transistor com encapsulamento TO-247 com corpo 3D no soft-ware Alitum Designer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Figura B.7 Transformador de pulso com corpo 3D no software Alitum De-signer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Figura B.8 Vista superior do protótipo em 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Figura B.9 Camada inferior do protótipo em 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Figura C.1 Foto do conversor T-NPC na bancada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Comperação entre principais topologias de conversores multi-níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Tabela 2.2 Níveis de tensão na carga, topologia VSI monofásica. . . . . . . . . 17

Tabela 2.3 Níveis de tensão na carga, topologia NPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Tabela 2.4 Níveis de tensão na carga de conversor topologia NPC T-Type. 20

Tabela 2.5 Níveis de tensão na carga, topologia FC de três níveis.. . . . . . . 21

Tabela 2.6 Níveis de tensão na carga de conversor em cascata (pontecompleta) com três níveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Tabela 3.1 Dados de entrada do conversor CC-CA topologia NPC em es-tudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Tabela 3.2 Perdas em cada componente (em Watts) de uma fase paracada modelo de transistor e diodo analisado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Tabela 3.3 Comparação de rendimento do conversor para componentesanalisados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Tabela 4.1 Tensões nas chaves em cada estado de comutação. . . . . . . . . . 42

Tabela 6.1 Parâmetros utilizados na simulação do conversor operandoem malha aberta e fechada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Tabela 6.2 Ganhos de medição do conversor T-NPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 14

2 CONVERSORES MULTINÍVEIS 152.1 Topologias de conversores CC-CA Multiníveis . . . . . . . . . . 16

2.1.1 Conversor CC-CA em ponte completa . . . . . . . . . . 172.1.2 Conversor com diodos de grampeamento . . . . . . . . 182.1.3 Conversor com condensadores flutuantes . . . . . . . . 202.1.4 Conversor multinível em cascata . . . . . . . . . . . . . 21

2.2 Aplicações de conversores multiníveis . . . . . . . . . . . . . . 232.2.1 Acionamento de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.2 Sistemas de geração de energia . . . . . . . . . . . . . 25

2.2.2.1 Geração Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . 252.2.2.2 Geração Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2.3 Filtros Ativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.4 Carga Eletrônica Ativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3 ESTUDO DO CONVERSOR NPC 273.1 Etapas de operação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2 Parâmetros do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.3 Esforços de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.4 Cálculo de perdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.5 Dimensionamento térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.6 Circuitos de medição e controle . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.7 Dispositivo controlador digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4 MODELAGEM DO CONVERSOR NPC 394.1 Modelagem do conversor a partir do lado CA . . . . . . . . . . 404.2 Modelagem do conversor a partir do lado CC . . . . . . . . . . 48

5 PROJETO DO CONTROLE VETORIAL DO CONVERSOR NPC 515.1 Projeto dos compensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.1.1 Compensadores de corrente . . . . . . . . . . . . . . . 525.1.2 Compensador de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.2 Sincronismo com a rede elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO E EXPERIMENTAIS 626.1 Resultados de simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636.2 Resultados experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.2.1 Operação em malha aberta . . . . . . . . . . . . . . . 716.2.2 Operação em malha fechada . . . . . . . . . . . . . . . 74

7 CONCLUSÃO 76

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 78

APÊNDICE A -- Circuitos do projeto do conversor NPC 80

APÊNDICE B -- Projeto da placa de circuito impresso do conversor 85

APÊNDICE C -- Foto do conversor na bancada 93

APÊNDICE D -- Código do Bloco C do PSIM 94

14

1 INTRODUÇÃO

A evolução da engenharia nos permite obter energia das mais vari-adas fontes existentes, algumas delas com tecnologias estáveis e por issocada vez mais acessíveis, como é o caso da energia solar fotovoltaica, eó-lica, biomassa, e outras que ainda carecem de viabilidade técnica mas estãoem constante evolução, como a Maremotriz e a Geotérmica. A busca por so-luções energéticas sustentáveis é tendência mundial, e acredita-se que embreve dependeremos muito pouco de combustíveis fósseis para obtenção deenergia elétrica.

Os sistemas fotovoltaicos apresentam baixo impacto ambiental , ver-satilidade de instalação e podem se concentrar muito próximos dos consumi-dores, apresentando vantagens significativas como por exemplo a redução decustos em transmissão e redução de perdas energéticas.

A geração de energia por painéis fotovoltaicos pode ser implementadabasicamente de duas formas: sistemas isolados e sistemas conectados àrede elétrica. Os projetos de sistemas conectados à rede elétrica podem sercentralizados, constituindo usinas, ou em micro e mini sistemas descentrali-zados de geração distribuída, instalados em qualquer tipo de consumidor. Osmódulos fotovoltaicos são conectados à rede elétrica através de conversoresCC-CA (inversores) específicos para tal finalidade. A qualidade da energiaentregue à rede por este tipo de sistema é importante e depende diretamenteda topologia, modulação do conversor e do sistema de controle utilizados.

O fator técnico decisivo para projetos de energias renováveis é o ren-dimento do sistema, ou seja, a quantidade de energia que será gerado porele, que comparado a outras fontes de geração deve apresentar-se financei-ramente viável. O avanço da tecnologia dos semicondutores e da eletrônicade potência permite que o processamento de energia de um sistema de ge-ração seja cada vez melhor, aumentando a eficiência do mesmo, além degarantir a qualidade da energia necessária.

No decorrer deste trabalho será abordado o estudo do conversor CC-CA de topologia com grampeamento a diodos (NPC) de três níveis e projetode controle vetorial.

15

2 CONVERSORES MULTINÍVEIS

Conversores estáticos podem ser definidos como dispositivos que rea-lizam o tratamento eletrônico da energia elétrica, sendo empregados na con-versão e controle do fluxo de energia entre dois ou mais sistemas elétricos.A ciência aplicada ao estudo desses conversores é a eletrônica de potência(BARBI, 2012). No presente trabalho será explorado o universo dos conver-sores CC-CA multiníveis.

A necessidade de processar grandes quantidades de energia exige autilização de dispositivos semicondutores mais modernos que suportem ele-vadas amplitudes de tensão e corrente, porém, estes utilizam tecnologias re-centes que se encontram em desenvolvimento, portanto ainda não totalmenteconfiáveis. Com o objetivo de utilizar componentes clássicos com tecnolo-gia madura de média potência em projetos de conversores de alta potência, surge o conceito de conversores multiníveis. Os conversores multiníveissurgiram em 1981, apresentado em um artigo por Nabae, Takahshi e Akagi.(FRANQUELO et al., 2008)

A principal diferença entre um conversor de dois níveis e um multiní-vel é a tensão de saída, onde em um conversor convencional tem-se apenasdois níveis de tensão e em um multinível tem-se três ou mais níveis de tensão,como ilustrado na figura 1. A adição de mais níveis de tensão na saída doconversor também traz melhorias significativas na qualidade da energia, re-duzindo as distorções harmônicas geradas pelo chaveamento do conversor,aproximando a curva de tensão de saída da curva de referência. (RODRI-GUEZ; LAI; PENG, 2002) O foco do presente trabalho é o estudo do conver-sor de topologia NPC com 3 níveis.

16

Figura 2.1 – Princípio básico de funcionamento de um conversor CC-CA. (a)Dois Níveis; (b) Três níveis; (c) N níveis.

Fonte: (RODRIGUEZ; LAI; PENG, 2002)

Neste capítulo, é realizada uma revisão sobre as principais topologiasde inversores multiníveis, detalhando suas características, bem como suasaplicações.

2.1 TOPOLOGIAS DE CONVERSORES CC-CA MULTINÍVEIS

A literatura acerca dos conversores multiníveis apresenta três estrutu-ras básicas, as quais são as mais difundidas: inversor com diodos de gram-peamento (Neutral Point Clamped - NPC), inversor com capacitores de gram-peamento (Flying Capacitor - FC) e o inversor com células de conversoresem ponte completa conectadas em série (H Bridge Converters - HBC) (BATS-CHAUER, 2011).

A tabela 2.1 abaixo é uma tabela traduzida do artigo The Age of Multi-level Converters Arrives, e compara as topologias de conversores multiníveisquanto a quantidade de componentes, modulação, tipo de controle e toleran-cia de falhas.

17

Tabela 2.1 – Comperação entre principais topologias de conversores multiní-veis

NPC FC CHB

No de componentes+ chaves+ diodos

+ chaves+ capacitores

- diodos

- chaves- diodos

uso de fontesDC isoladas

Modularidade Baixa Alta AltaComplexidade de controle Média Alta Alta

Preocupações noprojeto de controle

Balanceamentode tensão

Configuraçãode tensão

Divisão deenergia

Tolerancia a erros Difícil Fácil Fácil

Fonte: (FRANQUELO et al., 2008)

2.1.1 Conversor CC-CA em ponte completa

Para o estudo dos conversores multiníveis é importante também co-nhecermos a estrutura clássica de um inversor VSI de dois níveis, apresen-tada na figura 2.2, muito utilizada na indústria por sua simplicidade e robustez.É composta por 4 transistores, 4 diodos em antiparalelo, 1 barramento CC e1 barramento CA.

Tabela 2.2 – Níveis de tensão na carga, topologia VSI monofásica.

Chaves conduzindo Vo (Tensão na Carga)S1, S4 ES1, S2 0S2, S3 -ES3, S4 0

Fonte: Produção do próprio autor.

Para topologias monofásicas o inversor VSI aplica no máximo três ní-veis de tensão na carga: +E, 0 e -E. Estes três níveis são obtidos a partirdo chaveamento dos interruptores conforme a tabela 1. (MARTINS; BARBI,2005)

Podemos observar que os transistores e diodos devem suportar todaa tensão do barramento CC. Para projetos de média e alta potência, essacaracterística é um desafio que motiva o estudo de topologias inovadoras de

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Figura 2.2 – Topologia VSI monofásica

Fonte: (MARTINS; BARBI, 2005).

conversores, como os conversores multiníveis.Para aplicações em baixa tensão (até 600V), é o inversor mais utilizado

devido seu ótimo custo-benefício, porém comercialmente há disponibilidadede modelos com potência em torno de alguns megawatts. (WU, 2006)

2.1.2 Conversor com diodos de grampeamento

Nesta topologia a tensão do barramento CC divide-se em vários níveisde tensão através dos condensadores (capacitores) conectados em série. Oponto médio dos capacitores pode ser definido como pouto neutro. O conver-sor NPC é derivado do conversor meia ponte de dois níveis, e foi introduzidopor Nabae. (NABAE; TAKAHASHI; AKAGI, 1981) A estrutura básica monofá-sica de 3 níveis possui 2 pares de interruptores que são comandados comple-mentarmente, além de dois diodos de grampeamento, como mostra a figura2.3. A tensão de saída possui três níveis (Tabela 2.3), sendo eles garantidospelo chaveamento dos interruptores.

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Figura 2.3 – Inversor NPC multinível monofásico de três níveis.

Fonte: (RODRIGUEZ; LAI; PENG, 2002) .

Tabela 2.3 – Níveis de tensão na carga, topologia NPC.

Chaves conduzindo Vo (Tensão na Carga)S1, S2 E/2S2, S3 0S3, S4 -E/2


Outra estrutura bastante interessante do conversor do tipo NPC é ochamado NPC T-Type (Figura 2.4, proposto por Holz em 1977. Possui 4 inter-ruptores cada qual com um diodo em antiparalelo, porém não possui os doisdiodos para grampeamento como o NPC tradicional.

Nesta topologia é feito o grampeamento ativo com as chaves S1 eS2 e os diodos D1 e D2. Já as chaves Sp e Sn comutam o barramento deentrada para a saída, logo necessitam suportar tensão total do barramentoCC enquanto S1 e S2 apenas metade. (HEERDT, 2011) Os níveis de tensãona saída desta topologia são iguais as da topologia NPC clássica (Tabela 2.4).

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Figura 2.4 – Inversor NPC T-Type monofásico de três níveis.

Fonte: (MEDEIROS, 2013).

Tabela 2.4 – Níveis de tensão na carga de conversor topologia NPC T-Type.

Chaves conduzindo Vo (Tensão na Carga)S1, Sp E/2S1, S2 0S2,Sn -E/2


2.1.3 Conversor com condensadores flutuantes

No lugar de dois diodos para grampeamento, usa-se aqui capacitorespara que os níveis de tensão sejam atingidos. A figura 2.5 ilustra o circuito doinversor multinível com grampeamento por capacitor. A tabela 2.5 apresentaos valores de tensão na saída para as respectivas chaves em condução, quesão iguais aos da topologia NPC convencional.

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Figura 2.5 – Inversor FC de três níveis.

Fonte: (RODRIGUEZ; LAI; PENG, 2002).

Tabela 2.5 – Níveis de tensão na carga, topologia FC de três níveis.

Chaves conduzindo Vo (Tensão na Carga)S1, S2 E/2S2, S3 0S3, S4 -E/2


A topologia com grampeamento por capacitores apresenta uma van-tagem frente a topologia NPC, pois realiza o grampeamento da tensão emtodos os interruptores de forma direta, evitando problemas como a sobreten-são nos mesmos. Em contrapartida, o número de capacitores necessáriospara tal função cresce exponencialmente com o número de níveis sintetizadopelo conversor. Outro fator a ser considerado é a manutenção da tensão doscapacitores, que exige sistema de controle dedicado, aumentando a comple-xidade de um projeto. (BATSCHAUER, 2011)

2.1.4 Conversor multinível em cascata

A conexão em série de conversores é uma das técnicas mais empre-gadas para se obter tensões com múltiplos níveis em conversores.

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A proposta de associação em série de conversores ponte completamonofásicos surgiu em 1975 em uma patente, por Richard Baker, e consisteem somar as tensões de duas ou mais células de conversores, proporcio-nando a síntese de tensões com múltiplos níveis na saída. (RODRIGUEZ;LAI; PENG, 2002)

As tensões contínuas de entrada precisam estar isoladas entre si, oque ocorre normalmente por transformadores de isolamento, e as fontes po-dem ser provenientes de baterias, células combustíveis ou painéis fotovoltai-cos(FRANQUELO; LEON; DOMINGUEZ, 2009).

O circuito para um conversor de 3 níveis em cascata é apresentado nafigura 2.6.

Figura 2.6 – Inversor em cascata (H-Bridge) multinível.

Fonte: (FRANQUELO; LEON; DOMINGUEZ, 2009).

Os valores de tensão de saída estão na tabela 2.6.

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Tabela 2.6 – Níveis de tensão na carga de conversor em cascata (ponte com-pleta) com três níveis.

Chaves conduzindo Vo (Tensão na Carga)T1, TC2 Vdc

T1, T2 ou TC1,TC2 0TC1, TC2 -Vdc


2.2 APLICAÇÕES DE CONVERSORES MULTINÍVEIS

Com o avanço da microeletrônica e consequentemente da eletrônicade potência, é cada vez maior a utilização de dispositivos eletrônicos paraprocessamento de energia elétrica, visando benefícios como alta eficiênciaenergética, controle preciso de processos na indústria e qualidade de energiaem sistemas de geração de energia.

Os conversores multiníveis se apresentam como solução atrativa paraaplicações em média e alta tensão. Nos dias atuais, as topologias NPC, FC eHBC possuem características como qualidade de energia, faixa de potência emodularidade que atingem excelentes sinais de saída, sendo especialmenteprojetados para média e alta potência. (FRANQUELO et al., 2008)

Na figura 2.7, podemos observar o imenso leque de aplicações que osconversores multiníveis podem assumir.

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Figura 2.7 – Aplicações de conversores multiníveis.

Fonte: (FRANQUELO et al., 2008).

Nas sub-seções abaixo trateremos das seguintes aplicações de con-versores multiníveis: Acionamento de motores, sistemas de geração de ener-gia, filtros ativos e carga eletrônica ativa.

2.2.1 Acionamento de motores

Uma aplicação bastante difundida de inversores é o acionamento demotores. Benefícios como a partida suave, preciso controle de velocidade,torque, posição e frenagem são consequências da utilização de um conver-sor para acionamento de motores. Entre as principais aplicações podemosdestacar: acionamento de bombas, ventiladores, compressores e transporta-dores. (MARTINS; BARBI, 2005)

Para aplicações em média tensão (1kV a 36,2kV para corrente alter-nada), torna-se interessante o uso de topologias multiníveis. Controle da cor-rente de partida dos motores, controle do torque, limitação da quantidade departidas, variação da velocidade e o controle de posição são funções realiza-das por eles. Fabricantes como a WEG, ABB e SIEMENS possuem modelosque utilizam estruturas multiníveis no mercado. (BATSCHAUER, 2011)

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2.2.2 Sistemas de geração de energia

Destacam-se na utilização de conversores multiníveis os sistemas degeração de energia renovável fotovoltaico e eólico.

2.2.2.1 Geração Fotovoltaica

Para sistemas de geração de energia fotovoltaica, duas estruturas sedestacam como as mais utilizadas: A VSI de dois níveis e a NPC.

Cerca de 80% dos conversores utilizados em sistemas fotovoltaicos debaixa potência são do tipo ponte completa (topologia VSI), enquanto a estru-tura NPC e NPC T-Type são vistas em menos de 5% dos casos, apesar desuas vantagens como baixa distorção harmônica e menores filtros de saída.(MEDEIROS, 2013)

As principais aplicações de conversores multiníveis em geração deenergia estão em sistemas acima de 10kW instalados ou onde o objetivo é aconexão de centrais de média e alta tensão diretamente com a rede sem ouso de transformadores. (TEODORESCU; LISERRE; RODRIGUEZ, 2011)

2.2.2.2 Geração Eólica

A geração eólica representa hoje a fonte de energia renovável quemais cresce no Brasil e no mundo. As turbinas mais modernas podem chegara 7,0 MW de potência.

Para interface dessas turbinas com a rede de transmissão é necessá-rio um tratamento de energia onde conversores são conectados na configu-ração back to back. Assim, um conversor funciona como retificador e outrocomo inversor, conforme ilustrado na figura 2.8. Devido a elevada potênciadas turbinas é considerada a utilização de conversores multiníveis.(RODRIGUEZ;LAI; PENG, 2002)

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Figura 2.8 – Configuração back to back em turbina de geração eólica.

Fonte: (TEODORESCU; LISERRE; RODRIGUEZ, 2011).

2.2.3 Filtros Ativos

Um grande problema de qualidade de energia é a circulação de harmô-nicos na rede. Em instalações industriais, dispositivos com baixo fator depotência são amplamente utilizados, ocasionando a distorção da tensão noponto de acoplamento comum das instalações, podendo gerar inclusive mul-tas para o estabelecimento. Para correção da circulação de harmônicos narede, são utilizados filtros ativos. Esses filtros funcionam como fontes de cor-rentes controladas, injetando/drenando corrente no ponto onde está conec-tado, de forma que a corrente total drenada da fonte seja idealmente senoi-dal. Para estes filtros, são utilizados em muitos projetos conversores comtopologias multiníveis. (ORTMANN, 2008)

2.2.4 Carga Eletrônica Ativa

Carga eletrônica ativa pode ser definida como um equipamento eletrô-nico capaz de se comportar como carga passiva, porém com um sofisticadosistema de controle capaz de emular diferentes condições de cargas, sendobastante útil para a indústria. Dentre os principais ensaios que utilizam car-gas eletrônicas ativas podemos destacar: Fontes ininterruptas de energia,inversores, gradadores e fontes de tensão ou corrente. (HEERDT, 2011)

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3 ESTUDO DO CONVERSOR NPC

O foco deste trabalho é o projeto de um conversor CC-CA, topologiacom grampeamento a diodos (NPC) com três níveis, trifasico, e controle veto-rial para aplicação em sistemas de geração fotovoltaica. A topologia utilizadaserá a Neutral Point Clamped (NPC).

Figura 3.1 – Inversor NPC multinível trifasico de três níveis.

Fonte: Produção do próprio autor .

3.1 ETAPAS DE OPERAÇÃO

Considera-se as etapas de operação para os quatro quadrantes, en-globando todas as possibilidades de operação do conversor. Cada quadranterepresenta o a polaridade da tensão e corrente na saída do conversor. (Figura3.2

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Figura 3.2 – Quadrantes de operação conversor NPC

Fonte: (HEERDT, 2011).

Durante a operação no primeiro quadrante, ou seja, tensão e correntenegativas na carga, a corrente circula primeiramente pelos transistores S1 eS2 (Etapa 1), e depois por D5 e S2 (Etapas 2, 3 e 4). No segundo quadrante,ou seja, tensão positiva e corrente negativa na carga, a corrente circula pe-los diodos D1 e D2 (Etapa 1) e depois por S3 e D6 (Etapas 2, 3 e 4). Aoperação nos demais quadrantes, possui etapas análogas utilizando os semi-condutores dispostos simetricamente na estrutura. (HEERDT, 2011) A figura3.3 apresenta estas etapas com o conversor NPC monofásico de três níveis.

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Figura 3.3 – Etapas de operação do conversor NPC com três níveis


3.2 PARÂMETROS DO PROJETO

Os parâmetros de entrada definem a potência e o funcionamento doconversor, e foram estabelecidos com a intenção de melhor servir as ativi-dades de pesquisa do laboratório de eletrônica de potência. Deste modo, oestudo teorico do conversor apresentado neste capítulo considera estes pa-râmetros como referência. (Tabela 3.1)

Em sua utilização no laboratório tem-se a possibilidade de implemen-tação de um sistema back-to-back, o qual possui um conversor CA-CC e umconversor CC-CA, podendo assim simular cargas eletrônicamente. Para queesta configuração seja possível, é necessário que a potência de ambos con-versores sejam iguais, ou seja, a potência do inversor proposto por este tra-balho está de acordo com o conversor retificador já existente.

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Tabela 3.1 – Dados de entrada do conversor CC-CA topologia NPC em estudo

Características nominais do inversorPotência de saída por fase SA=3500VATensão total do barramento CC Vdc=800VTensão CA eficaz de fase Vca,rms=220VFrequência fundamental da tensão de saída fA=60HzFrequência da portadora para modulação PWM fp=40kHzAmplitude da moduladora Am=0.778Amplitude da portadora Ap=1Número de níveis do conversor N=3


O layout da placa de circuito impresso para o conversor foi realizadoa partir de modificações em um projeto de layout de um conversor de topo-logia T-NPC. Neste projeto, o circuito de potência foi totalmente refeito comtopologia NPC, além de correções e melhorias no circuito de controle. Tam-bém foi realizado o layout em 3D para que a placa do conversor possa servisualizada.

Todas as modificações realizadas, assim como ilustrações do projetoestão detalhadas no apêndice B.

3.3 ESFORÇOS DE CORRENTE

Considerando os valores nominais de potência e de tensão de saída,a corrente nominal de pico por fase pode ser obtida, de forma aproximada,pela equação 3.1.

IA,pico =SA√

2Vca,rms

= 22.498A (3.1)

O índice de modulação M é definido como a razão entre os valores depico do sinal da moduladora (Am) sobre o valor da portadora (Ap), visto em3.2.

M =Am

Ap(3.2)

A tensão eficaz de saída é determinada por 3.3.

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Vca,rms = MVdc

2√

2(3.3)

Em cada período de comutação, ou seja, a cada período da portadora,a tensão e a corrente de saída será considerada constante devido a frequên-cia da portadora ser muito maior do que a frequência da moduladora. Como arazão cíclica muda a cada período de comutação (Tc), deve-se primeiramenteencontrar uma expressão para a corrente média e eficaz quase instantâneapara em seguida calcular o seu valor médio e eficaz. Determina-se então acorrente média instantânea para cada período de comutação (Equação 3.4),e também a corrente eficaz instantânea para cada período de comutação(Equação 3.5):

Imd(wt,M) =∫

δ(wt,M).T c

0i(wt)dwt

Imd(wt,M) = δ(wt,M).i(wt) (3.4)

Irms(wt,M) =

√1

T c.∫

δ(wt,M).T c

0i(wt)2dwt

Irms(wt,M) = i(wt).√

δ(wt,M) (3.5)

A partir das equações da corrente média e eficaz instantânea definidasacima, 3.4 e 3.5, podemos expressar seu valor médio 3.6 e eficaz 3.7 paraum período da moduladora.

Imd =1

2π.∫ 2π

0δ(wt,M).i(wt)dwt (3.6)

Irms =

√1

2π.∫ 2π

0δ(wt,M).i(wt)2dwt (3.7)

A partir dessas duas equações, corrente média e eficaz, podemosaplicá-las a qualquer componente do conversor, atentando-se para os limi-tes de integração, e calcular os esforços de correntes em cada componente.(HEERDT, 2011)

Para contemplar a operação do conversor nos 4 quadrantes, uma va-riação no ângulo de impedância de carga φ, ou seja, o ângulo entre a tensãoe a corrente, variando de 0 até π. Em 0o tem-se a tensão em fase com a

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corrente, e em π tem-se a tensão defasada de 180o da corrente.Para os interruptores S1 e S4, temos as curvas das correntes média e

eficaz parametrizadas no gráfico 3.4.

Figura 3.4 – Correntes média e eficaz de S1 e S4, parametrizadas por IA,pico,com M=0,778.


Para os interruptores S2 e S3, temos as curvas das correntes média eeficaz parametrizadas no gráfico 3.5.

Figura 3.5 – Correntes média e eficaz de S2 e S3, parametrizadas por IA,pico,com M=0,778.


Os diodos D1 e D2, que conduzem quando a corrente é negativa ea referência de tensão positiva (2o Quadrante). Já os diodos D3 e D4, con-duzem quando a corrente é positiva e a referência de tensão negativa. Paraestes componentes temos as correntes média e eficaz no gráfico 3.6.

O desenvolvimento dos cálculos dos valores das correntes média e

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Figura 3.6 – Correntes média e eficaz de D1, D2, D3 e D4 parametrizadas porIA,pico, com M=0,778.


eficaz em cada componente apresentados nos gráficos 3.4, 3.5 e 3.6 estãodetalhados em (HEERDT, 2011).

3.4 CÁLCULO DE PERDAS

Com o objetivo de construir o protótipo com o máximo rendimento, foirealizado um estudo de perdas para que os melhores componentes semicon-dutores fossem escolhidos.

Uma pré-seleção foi feita com o objetivo de filtrar os componentes pe-los valores nominais de tensão e corrente que satisfazem as especificaçõesdo projeto.

A princípio foram escolhidos transistores IGBT com diodo em antipa-ralelo e MOSFET com diodo intrínseco, como tentativa de diminuir o númerode componentes do conversor. Também foram considerados transistores semdiodo em antiparalelo. Para os cálculos foi utilizado o software Mathcad.

Foram testados os seguintes semicondutores:

• IGBT IRG4PC50W(IR)+ Diodo ISL9R3060G2 (Fairchild).

• IGBT RGTH60TS65D(ROHM);

• IGBT IXSH30N60BD1(IXYS);

• MOSFET COOLMOS SPW47N60C3(Infineon);

Para cada modelo de transistor e diodo, foram realizados os cálculosde perdas teóricas de condução e comutação. O estudo realizado considera

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apenas as perdas existentes no circuito de potência do conversor, não consi-derando as perdas nas fontes auxiliares, drivers, capacitores e indutores. Osresultados obtidos estão na tabela 3.2.

Tabela 3.2 – Perdas em cada componente (em Watts) de uma fase para cadamodelo de transistor e diodo analisado

Modelo de transistor e diodoPerdas em cada componente de uma fase

0 π/2 π

IGBT IRG4PC50W +Diodo ISL9R3060G2

S1,D1 23,278 11,997 5,949S2,D2 10,675 18,721 26,518S3,D3 10,675 18,721 26,518S4,D4 23,278 11,997 5,949D5,D6 3,279 5,643 3,279

IGBT RGTH60TS65Dcom diodo em antiparalelo

S1,D1 25,974 12,695 4,68S2,D2 23,786 31,693 38,17S3,D3 23,786 31,693 38,17S4,D4 25,974 12,695 4,68D5,D6 3,279 5,643 3,279

IGBT IXSH30N60BD1com diodo em antiparalelo

S1,D1 45,063 22,245 5,196S2,D2 43,285 43,698 42,509S3,D3 43,285 43,698 42,509S4,D4 45,063 22,245 5,196D5,D6 3,279 5,643 3,279

MOSFET SPW47N60C3com diodo intrínseco

S1,D1 18,313 7,682 2,927S2,D2 16,415 58,381 96,726S3,D3 16,415 58,381 96,726S4,D4 18,313 7,682 2,927D5,D6 3,279 5,643 3,279


Com base na potência total perdida em uma fase, calcula-se o rendi-mento do conversor para cada modelo de transistor e diodo. (Tabela 3.3)

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Tabela 3.3 – Comparação de rendimento do conversor para componentesanalisados

SemicondutoresRendimento por fase nas diferentes

condições de funcionamento:Transistores Diodos 0 graus 90 graus 180 graus

MOSFET COOLMOS SPW47N60C3(Infineon)com diodo em antiparalelo

ISL9R3060G2 (Fairchild).Apenas para D5 e D6 (grampeamento)

97,874% 96,064% 94,445%

IGBT RGTH60TS65D(ROHM) com diodo emantiparalelo do tipo FRD


97,058% 97,221% 97,432%

IGBT IXSH30N60BD1(IXYS) com diodo emantiparalelo do tipo FRED.


95,025% 96,070% 97,169%

IGBT IRG4PC50W(IR) sem diodo emantiparalelo

ISL9R3060G2 (Fairchild). Usado tantopara grampeamento como em antiparalelo.

97,917% 97,965% 97,998%


Através do estudo, decidiu-se pela utilização dos componentes parao circuito de potência: Transistores IGBT modelo IRG4PC50W, do fabri-cante International Rectifier e diodos modelo ISL9R3060G2, do fabricanteFairchild. A escolha destes componentes é justificada por apresentarem osmelhores índices de rendimento dentre os componentes pré-selecionados,além de performarem um rendimento aproximadamente constante em funçãodo ângulo de carga.

A diferença em porcentagem de rendimento do conversor utilizandoestes componentes pode parecer pouco expressiva, porém é preciso consi-derar que o conversor é projetado para aplicação em geração fotovoltaica.Nestes sistemas busca-se o máximo aproveitamento da energia obtida, poiso rendimento do sistema completo ainda é baixo, não deixando margem parao desperdício de energia em seu processamento. Quando analisa-se o funci-oinamento do conversor ao longo de sua vida útil, aproximadamente 20 anos,conclui-se que uma mínima diferença no rendimento representa uma grandeeconomia.

3.5 DIMENSIONAMENTO TÉRMICO

A corrente que circula no componente produz calor, tanto em condu-ção quanto na comutação. Esse calor gerado deve ser transferido para oambiente, caso contrário a temperatura da junção se eleva acima dos limitesmáximos permitidos e provoca a falha do componente.

O cálculo térmico realizado emprega a utilização do circuito equiva-lente representado na figura 3.7. A metodologia utilizada tem como referênciaos cálculos descritos em (BARBI, 2012), porém aplicados para vários compo-nentes em um mesmo dissipador.

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Figura 3.7 – Circuito térmico equivalente para um componente


A temperatura máxima da junção (Tj) e da cápsula (Tc) são dadas naficha de dados dos transistores e diodos, sendo de 150oC para ambos osmodelos de componentes. A temperatura do dissipador (Td) é determinadapelo modelo a ser utilizado, e a tempatura ambiente (Ta) considerada é de40oC.

Os valores da resistência térmica entre a junção e a cápsula do semi-condutor (R jc) e e junção e ambiente (R ja) também são dados nas fichas dedados dos componentes. Já a resistência entre o componente e o dissipador(Rcd) é estimada em 0,5 oC/W, e a resistência entre o dissipador e ambiente(Rda) fornecida na ficha de dados do dissipador.

Visando a possibilidade de operação de apenas uma fase do conver-sor isoladamente, utilizaremos um total de 3 dissipadores, sendo um por fase.Deste modo, o conversor poderá operar com diferentes componentes semi-condutores em cada fase, possibilitando análise térmica comparativa entre osmesmos.

Para que os cálculos de um dissipador para vários componentes, considera-se a soma da potência dissipada em todos os componentes que serão acopla-dos a ele. Serão 10 componentes de potência em cada dissipador (4 transis-tores e 6 diodos). O modelo de dissipador utilizado será o LAM 4, da FischerElektronik, de 125mm de comprimento e ventilação forçada alimentada com12V.

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Figura 3.8 – LAM4 - Fischer Elektronik

Fonte: Site do fabricante.

Figura 3.9 – Curvas de dissipação de calor em Kelvin por Watt do LAM4.

Fonte: Site do fabricante.

3.6 CIRCUITOS DE MEDIÇÃO E CONTROLE

A chamada interface analógica engloba os circuitos de condiciona-mento dos níveis de tensão e corrente do conversor, possibilitando assim aleitura destes dados através de um dispositivo controlador, o DSP. Já os cir-cuitos da interface discreta, são responsáveis pela adequação dos sinais desaída do dispositivo controlador até os circuitos de drivers, que comandam aschaves do conversor. Os circuitos aqui utlizados pertencem ao projeto de con-versor apresentado na tese de doutorado do professor Dr. Joselito AnastácioHeerdt. (HEERDT, 2011). Algumas modificações nestes circuitos foram rea-lizadas pelo presente trabalho, e são apresentadas em detalhes no apêndiceA.

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3.7 DISPOSITIVO CONTROLADOR DIGITAL

Utiliza-se um DSP para leitura, processamento dos sinais e controledo conversor. O módulo utilizado será o TMS320F28335 do fabricante TexasInstruments. Entre as especificações deste dispositivo destacam-se a veloci-dade de clock de até 150Mhz, a arquitetura do tipo Harvard, converor analó-gico digital de 12 bits, entre outras. Para a finalidade de executar o controledo conversor em estudo, o hardware se mostra suficiente.

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4 MODELAGEM DO CONVERSOR NPC

A partir do modelo matemático do conversor objetiva-se controlar asdinâmicas do sistema utilizando-se de compensadores.

Serão desenvolvidos neste capítulo modelos matemáticos para o con-versor NPC. A metodologia aplicada é aplicável a conversores CC/CA emgeral, desde que seja levado em consideração a topologia, o filtro e a cargautilizada.

A topologia do conversor é determinante pois define as funções decomutação empregadas no processo de modelagem do sistema.

A conexão do conversor se faz através de filtros. Os filtros influenciamsignificativamente o processo de modelagem, sendo eles que determinam asvariáveis de estado que descrevem o comportamento do sistema.

O tipo de carga dependerá da aplicação, pois o conversor NPC possuifluxo bidirecional de potência, permitindo o mesmo operar como retificador ouinversor, podendo a carga estar tanto do lado CC como do CA.

A modelagem do conversor NPC apresentada neste capítulo baseia-se em (BORGONOVO, 2001).

A estrutuda do conversor NPC a ser controlada é apresentada abaixona figura 4.1.

Figura 4.1 – Circuito a ser modelado. Conversor NPC trifásico conectado arede.


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4.1 MODELAGEM DO CONVERSOR A PARTIR DO LADO CA

A rede elétrica da figura 5.1 é representada por três fontes de tensãosenoidais equilibradas.

va(t) =Vaopsen(ωt)

vb(t) =Vbopsen(ωt +120o)

vc(t) =Vcopsen(ωt−120o) (4.1)

Um sistema trifásico pode ser representado como um sistema bifá-sico equivalente através da transformada abc/αβ através da transformada deClarke. Este novo sistema é composto por coordenadas ortogonais entre si,e não mais defasadas de 120o como o sistema abc. Através da transformadade Park é possível colocar o sistema estacionário com a mesma velocidadedo campo girante, de forma que o sistema girante fique estático com relaçãoa esse referencial girante. O sistema passa então a ter referência síncrona,defasado em 90o de seu inicial abc, e é composto por dois eixos síncronos,chamados de eixo direto (id) e eixo em quadratura (iq), além da componentezero. (ORTMANN, 2008)

Realiza-se a mudança de referencial das tensões da equação (4.1),em coordenadas abc, para uma nova referência defasada em 90o de suainicial, o que faz com que o vetor resultante fique em fase como o eixo diretodo novo sistema em coordenadas dq0.

Figura 4.2 – Mudança de referencial das variáveis do sistema abc para dq0.


As tensões de fase para o sistema com o novo referencial ficam ex-

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pressas conforme a equação (4.2).

va(t) =Vaopsen(ωt +90o)

vb(t) =Vbopsen(ωt +210o)

vc(t) =Vcopsen(ωt−30o) (4.2)

Simplificando o circuito da figura 4.1 temos o circuito da figura 4.3em função de suas chaves e suas respectivas possibilidades de comutaçãoem cada fase do conversor. Para obtenção de seu modelo matemático docircuito, serão consideradas comutações ideais afim de simplificar o modeloa ser obtido.

Figura 4.3 – Modelo de comutação do conversor NPC


As funções de comutação do conversor são descritas em (4.3). Aequação (4.4) representa as restrições de comutação do sistema, não per-mitindo que os capacitores do barramento CC entrem em curto-circuito.

Si j =

1, i conectado a j i ∈ a,b,c0, i no conectado a j j ∈ p,o,n

(4.3)

sip + sio + sin = 1 onde i ∈ a,b,c (4.4)

É tirada a média de todas as variáveis do sistema sobre um períodode comutação Ts empregando o operador da média (4.5) pois dessa maneiraé possível utilizar variáveis de controle contínuas (razão cíclica) ao invés devariáveis de controle discretas (funções de comutação).

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fmedia(t) =1Ts

∫ t

t−Ts

f (τ)dτ (4.5)

Relacionando tensões de pico Vao,Vbo e Vco com a razão cíclica,temos (4.6). Na tabela 4.1 é possível identificar as tensões nas chaves emcada estado de comutação.

Vao =V cc

2Da(t)

Vbo =V cc

2Db(t)

Vco =V cc

2Dc(t) (4.6)

Tabela 4.1 – Tensões nas chaves em cada estado de comutação

Chave Estado Tensão na chave

SaP Vcc/2O 0N -Vcc/2

SbP Vcc/2O 0N -Vcc/2

ScP Vcc/2O 0N -Vcc/2


O circuito equivalente para valores médios instantâneos é represen-tado na figura 4.4.

43

Figura 4.4 – Circuito equivalente para valores médios instantâneos.

Fonte: (SANTOS, 2011).

O modelo de grandes sinais pode ser obtido através da aplicação dasleis de kirchhoff tanto do lado CC quanto do lado CA. As variáveis de estadossão as tensões nos capacitores e as correntes nos indutores.

Considerando tensões e correntes equilibradas, cada fase do sistemaé descrita (4.7).

Vao(t) = Ldiadt

+Ria(t)+ ea(t)

Vbo(t) = Ldibdt

+Rib(t)+ eb(t)

Vco(t) = Ldicdt

+Ric(t)+ ec(t) (4.7)

Substituindo a equação (4.6) na equação (4.7) obtém-se o sistema deequações diferenciais:

ea(t) =−Ldiadt−Ria(t)+

Vo2

Da(t)

eb(t) =−Ldibdt−Rib(t)+

Vo2

Db(t)

ec(t) =−Ldicdt−Ric(t)+

Vo2

Dc(t) (4.8)

Da equação (4.8) obtemos os seguintes vetores:

Eabc =

ea(t)eb(t)ec(t)

; Iabc =

ia(t)ib(t)ic(t)

;Dabc =

Da(t)Db(t)Dc(t)

;Vo =

VoVoVo

(4.9)

44

As equações diferenciais 4.8 podem ser expressas na forma vetorialconforme a equação (4.10). Esta equação é um modelo de grande sinal emespaço de estados, variável no tempo, em regime permanente. O modeloobtido é não linear, existindo acoplamento entre as variáveis de estado e va-riáveis de controle.

Eabc =−LdIabc

dt−RIabc +

Vo

2Dabc (4.10)

Podemos escrevê-la na forma de equação de estados conforme aequação (4.11).

ddt

iaibic

=

−RL 0 0

0 −RL 0

0 0 −RL

iaibic

+ 1

L 0 00 1

L 00 0 1

L

Vcc2 Da(t)− ea

Vcc2 Db(t)− eb

Vcc2 Dc(t)− ec

(4.11)

Iremos converter as três variáveis trifásicas em duas variáveis expres-sas em coordenadas rotativas, que apresentam valores constantes em regimepermanente. Para isso, é utilizada a matriz de transformação da equação(4.12). Esta matriz de transformação é o resultado do produto da transfor-mada de Clarke pela transformada de Park.

Tdq0 =

√23

1√2

1√2

1√2

cos(ωt) cos(ωt + 2π

3 ) cos(ωt− 2π

3 )sen(ωt) sen(ωt + 2π

3 ) sen(ωt− 2π

3 )

(4.12)

É possível também realizar a transformação do sistema de coordena-das dq0 para abc, de maneira análoga a matriz (4.12) pela matriz (4.13).

T−1dq0 = T T

dq0 =

√23

1√2

cos(ωt) sen(ωt)1√2

cos(ωt +120o) sen(ωt +120o)1√2

cos(ωt−120o) sen(ωt−120o)

(4.13)

Os vetores tensão, corrente e razão cíclica no sistema dq0 são repre-sentados conforme equação (4.14).

45

Edq0 = Tdq0Eabc

Idq0 = Tdq0Iabc

Ddq0 = Tdq0Dabc (4.14)

Onde:

Edq0 =

e0(t)ed(t)eq(t)

; Idq0 =

i0(t)id(t)iq(t)

;Ddq0 =

D0(t)Dd(t)Dq(t)

(4.15)

Aplicando a transformada da equação (4.12) na equação (4.11) temosa equação de estados com componentes dq0 (4.16).

ddt

i0idiq

=

0 0 −RL

−RL ω 0−ω −R

L 0

i0idiq

+ 1

L 0 00 1

L 00 0 1

L

Vcc2 D0(t)− e0

Vcc2 Dd(t)− ed

Vcc2 Dq(t)− eq

(4.16)

Considerando apenas as componendes dq, sendo i0=0, temos (4.17).Esta equação é definida como o modelo de grande sinal e não linear emcoordenadas dq0, com valores constantes em regime permanente.

ddt

[i0id

]=

[−R

L ω

−ω −RL

][i0id

]+

[ 1L 00 1

L

][Vcc2 Dd(t)− ed

Vcc2 Dq(t)− eq

](4.17)

Aplicando a transformada (4.12) nas tensões da rede elétrica é obtidaa equação (4.18).

Edq0 = Tdq0Eabc =

e0(t)ed(t)eq(t)

=

0√32 Ep

0

(4.18)

Substituindo a equação (4.18) na equação (4.16), estas podem serescritas segundo as equações diferenciais (4.19).

did(t)dt

=−RL

id +ωiq +1L(Vcc

2Dd(t)−

√32

Ep)

diq(t)dt

=−ωid−RL

iq +1L

Vcc

2Dq(t) (4.19)

46

O funcionamento do conversor NPC é descrito pelo diagrama de blo-cos da figura 4.5.

Figura 4.5 – Diagrama de blocos em coordenadas dq0 do conversor NPC.


É de interesse obter a função de transferência das correntes de eixodireto e em quadratura em função das razões cíclicas. Observa-se a exis-tência de um acoplamento entre as variáveis Id, Iq, Dd e Dq. Para que esteacoplamento seja evitado utiliza-se de um artifício matemático, onde são de-finidas as variáveis auxiliares D’d e D’q.

D′d = Dd(t)−

ωLV cc

Iq(t)

D′q = Dq(t)+

ωLV cc

Id(t) (4.20)

Substituindo a equação (4.20) na equação (4.19) temos a equação(4.21).

did(t)dt

=−RL

id +1L(V cc

2D′d(t)−

√32

Ep)

diq(t)dt

=−RL

iq +1L

V cc2

D′q(t) (4.21)

47

Estas equações descrevem o modelo não linear, logo não é cabível ateoria clássica de controle, pois esta é baseada em sistemas lineares.

Para utilizar-se de técnicas clássicas de controle, é necessário entãoa linearização do modelo encontrado. A técnica utilizada será a expansão emsérie de Taylor, que consiste em substituir as variáveis do modelo de grandesinal pela soma de seu valor em regime permanente e sua perturbação. Destemodo, os valores em regime permanente se anulam. (SANTOS, 2011) Des-prezando os termos de segunda ordem e de ordens superiores, é obtido omodelo linear do sistema, também chamado de modelo de pequenos sinais,como mostra a equação (4.22).

ddt

id(t) =−RL

id(t)+1L

V cc2

dd(t)

ddt

iq(t) =−RL

iq(t)+1L

V cc2

dq(t) (4.22)

Transformando a equação (4.22) por Laplace são obtidas as funçõesde transferência que relacionam as correntes (eixo direto e em quadratura)com suas respectivas razões cíclicas (equação (4.23)).

id(s)dd(s)

=V cc

21

Ls+R

iq(s)dq(s)

=V cc

21

Ls+R(4.23)

As equações em regime permanente são obtidas a partir das equa-ções (4.19), que representam o modelo de grandes sinais. Igualando as deri-vadas no tempo a zero e substituindo todas as variáveis por suas expressõesem regime permanente, teremos as equações (4.24).

Dd =2

V cc(RId−ωLIq +

√32

Ep)

Dq =2

V cc(RId +ωLIq) (4.24)

48

4.2 MODELAGEM DO CONVERSOR A PARTIR DO LADO CC

Figura 4.6 – Circuito equivalente para o lado CC do conversor NPC.

Fonte: (SANTOS, 2011).

O circuito possui dois capacitores que serão representados por umCeq. A corrente que flui por ele é dada por (4.25).

ic(t) = i2(t)− icc(t)

Cdvcc(t)

dt= icc− i2(t) (4.25)

A corrente que circula no lado CC do conversor pode ser relacionadacom as correntes de fase pela razão cíclica, expresso em (4.26).

i2(t) = Da(t)ia(t)+Db(t)ib(t)+Dc(t)ic(t)

i2(t) = Dd(t)id(t)+Dq(t)iq(t) (4.26)

Substituindo a equação (4.26) na equação (4.25) é obtida a equação(4.27).

Ceqdvcc(t)

dt= icc(t)−Dd(t)id(t)−Dq(t)iq(t) (4.27)

E então é obtido o modelo de grandes sinais para o lado CC do con-versor, expresso na equação (4.28)

dvcc(t)dt

=icc

Ceq−

Dd(t)id(t)+Dq(t)iq(t)Ceq

(4.28)

A tensão no barramento CC deve ser mantida constante, desta formateremos fluxo de potência ativa do barramento para a rede. Um controlador

49

específico será projetado para garantir esta condição.As equações em regime permanente são obtidas realizando procedi-

mento análogo ao realizado na modelagem do lado CA, e são expressas por(4.29).

Id =

√3

32E2

p

R2 +VccIcc

2R− I2

q −√

32

Ep

4R

Iq =±Id

√1

FP−1 (4.29)

Para fator de potência unitário, a componente da corrente reativa (eixoem quadratura) é zero (Iq=0). A equação (4.29) deverá ser usada apenasquando o fator de potência possuir valor diferente de 1.

Como a equação (4.25) é não linear, será necessário também sua line-arização. Essa será realizada a partir de procedimento análogo ao realizadona modelagem do lado CA, ou seja, utilizando-se da expansão em série deTaylor. Com isso, tem-se a equação linear do lado CC (4.30).

icc(t) = Dd id(t)+ Id dd(t)+Dq iq(t)+ Iqdq(t) (4.30)

Para um sistema equilibrado com aa referência de tensão consideradana figura 4.1, temos:

ed =

√32

Ep (4.31)

eq = 0 (4.32)

As potências ativa e reativa (em valores médios) do conversor são:

P = edId + eqIq (4.33)

Q = edIq− eqId (4.34)

Substituindo a equação (4.31) nas equações (4.33) e (4.34) e relacio-nando para as correntes do eixo direto e em quadratura, temos:

Id =

√23

PEp

(4.35)

50

Id =

√23

QEp

(4.36)

Substituindo as equações (4.35) e (4.36) nas equações das razõescíclicas em determinado ponto de operação obtemos:

Dd =2

Vcc(R

√23

PEp−ωL

√23

QEp

+

√32

Ep) (4.37)

Dq =2

Vcc(R

√23

QEp−ωL

√32

PEp

) (4.38)

Após transformar as equações (4.35), (4.36), (4.37), (4.38) por La-place, linearizá-las e simplificá-las, chegamos na função de transferência dolado CC do conversor, que relacionam a tensão do barramento CC com ascorrentes do eixo direto e em quadratura. São as equações (4.39) e (4.40).

vcc(s)id(s)

=2

Vcc

[√

32 Ep + Id(sL+2R)]

sCeq(4.39)

vcc(s)iq(s)

=2Iq

Vcc

(sL+2R)sCeq

(4.40)

51

5 PROJETO DO CONTROLE VETORIAL DO CONVERSOR NPC

O controle vetorial é uma técnica utilizada no controle de máquinaselétricas de corrente alternada, pois permite controlar de forma mais simplesas variáveis reais do sistema (tensões e correntes), através da atuação sobrevariáveis fictícias relacionadas as reais. Tendo em vista a grande versatili-dade desta ferramenta, seus princípios também são usados no controle deconversores estáticos em geral. (ORTMANN, 2008)

A principal diferença do controle vetorial é a utilização de um artifíciomatemático, a transformada abc/dq0, a qual permite um desacoplamento -três variáveis senoidas são convertidas em duas variáveis contínuas. Destaforma, o acionamento de uma máquina de corrente alternada pode ser reali-zado de forma semelhante ao de uma máquina de corrente contínua. Para ocontrole do conversor permite-se a utilização de controladores classicos.

A estratégia do controle de tensão e corrente pode ser observada nafigura 5.1.

Figura 5.1 – Diagrama de blocos da estratégia de controle: (a) Malha de ten-são; (b) Malha de corrente.


O controle de tensão do conversor consiste basicamente em subtrair a

52

tensão lida no barramento CC (Vcc) da tensão de referência (Vccref). O erroobtido é compensado por um controlador linear e a partir deste é gerada umareferência de corrente de eixo direto da carga (idref), determinando assim aamplitude da corrente a ser injetada na rede. (SANTOS, 2011)

5.1 PROJETO DOS COMPENSADORES

O comportamento do sistema em malha fechada pode ser determi-nado mediante análise de parâmetros (frequência de cruzamento, margemde fase e banda passante) do sistema em malha aberta. Tais parâmetros de-vem ser ajustados, de tal forma, que o sistema seja estável e responda dentrode um tempo determinado.

5.1.1 Compensadores de corrente

A função de transferência do conversor NPC para a malha de correnteé dada pela equação (5.1):

Hi(s) =id(s)dd(s)

=V cc

21

Ls+R(5.1)

O diagrama de bode do sistema não compensado pode ser visto nafigura 5.2.

53

Figura 5.2 – Diagrama de bode em malha aberta de corrente não compen-sado.


A função de transferência da corrente em malha aberta é representadopelo diagrama de blocos da figura 5.3.

Figura 5.3 – Diagrama de blocos FTMA, malha de corrente.


A equação da malha de corrente é representada por:

FT MAi(s) =Ci(s)KpwmHi(s)Khall (5.2)

54

Os ganhos Kpwm e Khall são:

Kpwm =1

Vtri=

110

= 0,1 (5.3)

Khall = 0,04 (5.4)

Além dos ganhos Kpwm e Khall, para os compensadores de corrente énecessário a definição de um ganho para o desacoplamento, como observadono diagrama de blocos da figura 4.5. Este ganho é definido por (ORTMANN,2008):

Kdes =LωVtri

VccKMi= 0,1979 (5.5)

Será projetado um controlador do tipo PI + Polo, satisfazendo as ne-cessidades de compensação da malha de corrente.

Ci(s) = KCi

s+ zeros(s+ polo)

(5.6)

A frequência de cruzamento da FTMA de corrente é definida de modoque a frequência de chaveamento do conversor não prejudique o circuito decontrole. Logo, esta frequência foi escolhida em:

fic =fchav

28,2= 1420Hz (5.7)

A frequência de zero é definida como:

fiz = 400Hz (5.8)

O controle do tipo PI possui um integrador, o qual é representado porum pólo na origem do sistema. A frequência do segundo polo deve ser su-perior a frequência do zero, não podendo ser muito alta devido a intenção dea frequência de cruzamento do compensador seja consideravelmente abaixoda frequência de chaveamento do conversor. O segundo polo é então locali-zado em:

fip2 = 5000Hz (5.9)

A função de transferência Ci(s) é então definida por:

Ci(s) = 588,31s+2,51.103

s(s+3,14.104)(5.10)

O diagrama de bode da equação (5.10) é mostrado na figura 5.4

55

Figura 5.4 – Diagrama de bode do compensador de corrente.


A resposta em frequência em malha aberta para a malha de correnteé:

56

Figura 5.5 – Diagrama de bode em malha aberta de corrente do sistema com-pensado.


A partir da figura 5.5 podemos observar que o sistema é estável comfrequência de cruzamento próxima a 1,4kHz, com margem de fase de 60o.

5.1.2 Compensador de tensão

A função de transferência para a malha de tensão do conversor NPCé dada pela equação (5.11):

Hv(s) =vcc(s)id(s)

=2

V cc

[√

32 Ep + Id(sL+2R)]

sCeq(5.11)

O diagrama de bode do sistema não compensado pode ser visto nafigura 5.6

57

Figura 5.6 – Diagrama de bode em malha aberta de tensão não compensado.


A função de transferência da tensão em malha aberta é representadopelo diagrama de blocos da figura 5.7.

Figura 5.7 – Diagrama de blocos FTMA, malha de tensão.


A equação da malha de tensão é representada por:

FT MAv(s) =Cv(s)Hv(s)Kv1

Khall(5.12)

O ganho do sensor de tensão é definido por:

58

Khall = 7,326.10−4 (5.13)

Será projetado um controlador do tipo PI + Polo, satisfazendo as ne-cessidades de compensação da malha de tensão.

Cv(s) = KCv

s+ zeros(s+ polo)

(5.14)

A frequência de cruzamento da FTMA de tensão é definida tendo comobase a necessidade de a mesma ser muito menor que a frequência de cruza-mento da malha de corrente, para que os controles não se interfiram. Logo,esta frequência foi escolhida em:

fvc =fic

47,3= 30Hz (5.15)

A frequência do zero é definida como:

fvz = 5Hz (5.16)

O controle do tipo PI possui um integrador, o qual é representado porum pólo na origem do sistema. O segundo polo é então localizado em:

fvp2 = 50Hz (5.17)

A função de transferência Cv(s) é então definida por:

Cv(s) = 35s+31.4

s(s+314)(5.18)

O diagrama de bode da equação (5.18) é mostrado na figura 5.8.

59

Figura 5.8 – Diagrama de bode do compensador de tensão.


A resposta em frequência da função de transferência em malha abertapara a malha de tensão é:

60

Figura 5.9 – Diagrama de bode em malha aberta da malha de tensão dosistema compensado.


Na figura 5.9 podemos observar que o sistema é estável com frequên-cia de cruzamento próxima a 30Hz, com margem de fase de 50o.

5.2 SINCRONISMO COM A REDE ELÉTRICA

Para a conexão do conversor proposto com a rede elétrica, faz-se ne-cessário a utilização de um circuito específico para o sincronismo das tensõesda rede com as tensões do lado CA do conversor. Usaremos um circuito PLL(Phase Locked Loop) para realizar tal função. Além de sincronismo, o PLLé responsável pela referência ângular da transformada abc-dq0, utilizada nocontrole vetorial do conversor.

Entre as diversas estruturas de PLL discutidas na literatura, neste tra-balho será usado uma abordagem baseada na teoria de potência ativa e re-ativa, instantâneas, para sistemas trifásicos. (ORTMANN, 2008) O circuitoutilizado será do tipo q-PLL, o qual se utiliza da potência imaginária para rea-

61

lizar o sincronismo das tensões.As tensões da rede serão os sinais de entrada do circuito PLL, repre-

sentadas em coordenadas αβ através da transformada de Clark (5.19).

Tαβ0 =

Vα

Vβ

V0

=

1 − 12 − 1

20

√3

2 −√

32

1√2

1√2

1√2

Va

VbVc

(5.19)

O diagrama de blocos do circuito PLL é descrito pela figura 5.10.

Figura 5.10 – Diagrama de blocos do circuito q-PLL.

Fonte: (ORTMANN, 2008).

62

6 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO E EXPERIMENTAIS

Neste capítulo, primeiramente são apresentados resultados de simu-lação do conversor proposto, com o objetivo de validar o funcionamento dosistema que engloba o conversor e o controle. Para tal o mesmo foi subme-tido a condições de desequilibrio, buscando aproximar ao máximo dos testesposteriormente realizados em laboratório. A implementação do sistema e osresultados obtidos na prática são apresentados em seguida.

O projeto de controle descrito no capítulo 6 foi implementado digital-mente, onde a discretização dos controladores foi realizada através da ferra-menta s2z converter do software PSIM, como mostra a figura 6.1. A frequên-cia de amostragem utilizada neste processo foi de 40kHz, ou seja, a mesmafrequência de chaveamento do conversor.

Figura 6.1 – Ferramenta s2z converter, software PSIM.


63

6.1 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO

O sistema simulado no software PSIM, da Powersim Inc. possui osseguintes especificações:

• Conversor NPC trifásico com filtro indutivo L;

• Dois capacitores de 1000µ em série formando o barramento CC;

• Circuito de sincronismo PLL trifásico;

• Controle vetorial de tensão no barramento CC e controle das correntesna saída trifásica CA;

• Modulação do tipo IPD (In Phase Disposition), onde as duas portadorastriangulares encontram-se em fase.

Os parâmetros de simulação estão na tabela 6.1, abaixo. Na figura 6.2está representado o circuito de potência do conversor na simulação.

Tabela 6.1 – Parâmetros utilizados na simulação do conversor operando emmalha aberta e fechada

.

Parâmetros de simulaçãoTensão de barramento CC (Vcc) 400VCapacitores do barramento CC 1000uFIndutores de filtro CA 420uHResistência série dos filtros indutivos 0.1OhmsValor de referência de tensão (Vccref) 400VGanho de desacoplamento (Kdes) 3.96E-4


64

Figura 6.2 – Circuito de potência do conversor NPC trifásico conectado a redeelétrica no PSIM.


Como podemos observar na figura 6.2, o barramento DC é alimentadopor duas fontes de tensão contínuas com amplitude de 200V cada. Foramadicionadas ainda dois degraus de tensão com amplitude de 50V cada notempo de 0.1s para análise da dinâmica do sistema. Duas resistências de5Ω são necessárias para simulação de uma fonte de corrente, que carregamos capacitores do barramento CC. O circuito de sincronismo PLL trifásico émostrado na figura 6.3.

Figura 6.3 – Circuito de sincronismo PLL.


Os circuitos de controle de tensão e corrente discretizados, assimcomo os blocos das transformadas abc-dq0 e dq0-abc estão na figura 6.4.

65

Figura 6.4 – Circuitos de controle. (a) Controle de tensão do barramento CC;(b) Controle das correntes CA.


A configuração do hardware de controle, o DSP F28335 da Texas Ins-truments foi totalmente realizada via blocos do software PSIM. A configuraçãodo conversor analógico digital encontra-se na figura 6.5. O bloco ADC é uti-lizado no modo DC, logo é necessário compensar os sinais de tensão e cor-rente alternados com uma fonte de tensão de 1.5V na entrada e saída. Destemodo garante-se que o DSP irá receber sinais de 0 a 3V. As instruções parautilização dos blocos de configuração do hardware F28335 da é apresentadoem (IJUIM, 2014).

Os ganhos de medição compensados através de blocos foram valida-dos de acordo com o conversor na bancada, e são apresentados na tabela6.2.

66

Tabela 6.2 – Ganhos de medição do conversor T-NPC.

Ganhos de medição de tensão e correnteTensão barramento CC (total) 1/330Tensão barramento CC (metade) 1/327Corrente CA (Fase A) 1/15.7029Corrente CA (Fase B) 1/15.0886Corrente CA (Fase C) 1/14.2551Tensão CA (Fase A) 1/200Tensão CA (Fase B) 1/200Tensão CA (Fase C) 1/203


Figura 6.5 – Configuração ADC do DSP TI F28335 através de bloco do PSIM.


As proteções contra sobre tensões e sobre correntes são reguladasatravés do circuito da figura 6.6.

67

Figura 6.6 – Proteções de sobre-tensões e sobre-correntes do conversor.


Para a geração das triangulares da modulação IPD, foram utilizados 6blocos PWM, onde cada um deles comanda duas chaves complementares damesma fase. As configurações destes blocos estão em 6.7.

Figura 6.7 – Configuração bloco PWM monofásico, software PSIM.


68

Na figura 6.8 são apresentadas as correntes trifásicas CA controladas,e também as tensões de fase da rede.

Figura 6.8 – Correntes e tensões CA trifásicas do lado CA do conversor NPC.


A tensão do barramento CC é submetida a um degrau de tensão em0.1 segundos, atingindo o pico de 455V, corrigido pelo controle de tensão eatingindo valor nominal de 400V em 0.3 segundos. Esta situação é mostradana figura 6.9 e valida a ação do controle de tensão.

69

Figura 6.9 – Tensão no barramento CC submetida a um degrau de tensãopositivo em 0.1s.


O comportamento da tensão e corrente na fase A é visto na figura6.10. É possível detectar um atraso de 180o da corrente em relação a tensãoantes do degrau, pois até este momento o circuito opera como retificador, car-regando os capacitores do barramento CC. Quando a tensão no barramentoCC é superior ao seu valor nominal, o circuito é forçado a operar como in-versor injetando corrente na rede elétrica, sendo caracterizado por corrente etensão em fase.

70

Figura 6.10 – Tensão e corrente na fase A do conversor submetido a umdegrau de tensão positivo em 0.1s


As variáveis Id e Iq são utilizadas no controle das correntes do conver-sor, e são expostas na figura 6.11. A variável Id é utilizada para setar o valorde referência de amplitude das correntes. Já a variável Iq é mantida em zero,garantindo assim que apenas potência ativa será injetada na rede (FP=1).

Figura 6.11 – Variáveis Id e Iq utilizadas no controle das correntes


71

O sincronismo do sistema (PLL) é ilustrado na figura 6.12.

Figura 6.12 – Sistema de sincronismo PLL - Phase Lock Loop


6.2 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

A validação da proposta de controle apresentada neste trabalho foi im-plementada em um conversor com topologia NPC modificada, T-NPC. A es-colha deste conversor para a implementação se dá pois suas característicasconstrutivas e operacionais são muito semelhantes ao conversor proposto,sendo válida a modelagem matemática apresentada neste trabalho.

O código para implementação foi gerado a partir de blocos específici-cos do software PSIM para o modelo de DSP TI F28335. Para comunicaçãocom o hardware, foi utilizado o software Code Composer Studio.

6.2.1 Operação em malha aberta

Foi efetuado a ligação do conversor em malha aberta sem a atuaçãodo controle para validar seu funcionamento, atuação do circuito de sincro-nismo com a rede PLL e defasagem entre tensões e correntes de fase dolado CA do conversor. Cada fase do conversor foi ligada a uma carga resis-tiva de 15Ω. As tensões Va, Vb e Vc são apresentadas na figura 6.13.

72

Figura 6.13 – Tensões Va, Vb e Vc do conversor T-NPC operando com malhaaberta.


A tensão e corrente na fase A estão em fase, como mostra a figura6.14. Na mesma figura, em verde, tem-se a amplitude do barramento CC.

73

Figura 6.14 – Tensão e corrente na fase A, e tensão CC no barramento.


Para teste do circuito de sincronismo com a rede elétrica, PLL, foi con-figurada como saída uma GPIO do DSP para leitura da referência gerado porele, visto em 6.15.

74

Figura 6.15 – Tensão na fase A e funcionamento do circuito de sincronismo(PLL).


6.2.2 Operação em malha fechada

A implementação do projeto de controle foi parcialmente testada noconversor em bancada. Com o objetivo de validar o funcionamento do con-trole das correntes apenas, foi estabelecido uma referência de corrente paraid . Para evitar picos de corrente no início de operação do conversor, foi im-plementado uma rampa no código do controle, onde a referência de correntecresce gradualmente durante trinta segundos até alcançar o valor estabele-cido. A figura 6.16 mostra a atuação do controle de corrente para uma refe-rência de 4A.

75

Figura 6.16 – Tensão e corrente na fase A, e tensão CC no barramento.


76

7 CONCLUSÃO

A busca por sistemas de geração cada vez mais eficientes é desejadapois representa redução de custos de geração, fator este decisivo para a dis-seminação do uso de energia fotovoltaica. Conversores multiníveis apresen-tam vantagens frente a conversores tradicionais mostrando-se interessantespara tal aplicação.

O trabalho apresentou um estudo do conversor NPC, englobando umprojeto para o circuito de potência para esta topologia. Objetivando sua futuraconstrução, o projeto da placa de circuito impresso foi realizado a partir demodificações em projeto existente, oriundo da tese do professor Dr. JoselitoAnastácio Heerdt. Este projeto, uma vez construído, permitirá a conclusão deestudos comparativos de perdas entre as topologias NPC e T-NPC, além daimplementação de um sistema back-toback.

A partir de equacionamento matemático do conversor a partir das cor-rentes média e eficaz em cada componente, foi possível a realização de cál-culo teórico das perdas do conversor com diferentes tecnologias de semicon-dutores. A partir destes cálculos, concluiu-se que o uso de IGBT’s de últimageração permitem obter conversores de alta eficiência e volume reduzido. Noprojeto de conversor apresentado, estima-se um rendimento acima de 97%.

A modelagem do conversor conectado a rede através de filtros induti-vos foi apresentada em coordenadas dq0 através da aplicação das transfor-madas de Clarke e Park. A partir das funções de transferência obtidas, foipossível o projeto de controle vetorial do conversor, que facilita o projeto decontrole de correntes senoidais trifásicas.

O sistema foi então validado através de simulação, onde a ação docontrole pode ser observada. Os resultados obtidos, incluindo um circuito desincronismo com a rede (PLL) e módulos de configuração do DSP F28335,foram satisfatórios. O controle foi inserido em um bloco C no software PSIM,onde a mesma simulação foi utilizada para geração de código para implemen-tação no dispositivo controlador digital.

Como a construção do conversor NPC proposto não foi realizada, oprojeto de controle foi implementado em conversor com topologia T-NPC, poisa modelagem matemática de ambos é a mesma. A partida suave do conver-sor conectado a rede, com controle de correntes trifásicas e tensão CC dobarramento é um grande desafio.

Sugestões para trabalhos futuros:

• Construção do projeto do conversor;

77

• Implementação de sistema back-to-back com os conversores T-NPC eNPC;

• Estudo da qualidade de energia processada através do conversor apre-sentado;

• Implementação da estratégia de controle em FPGA;

78

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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APÊNDICE A -- Circuitos do projeto do conversor NPC

Os circuitos do conversor NPC proposto neste trabalho tem como baseo projeto do conversor T-NPC apresentado em (HEERDT, 2011). Foram reali-zadas modificações nos circuitos, que serão descritas e ilustradas nas figurasapresentadas neste apêndice.

O circuito de potência do conversor (Figura A.1) foi totalmente remo-delado para a topologia NPC. No conversor NPC, utiliza-se as quatro chavesem série, e os diodos de grampeamento (D5) e D6) entre as chaves S2 e (S3,como mostra a figura.

Figura A.1 – Circuito de potência e filtro de modo comum do conversor NPC.

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 7/5/16 Sheet ofFile: \\..\Power_Rectifier.SchDoc Drawn By:

22

11

D1_A

VBUS+

VBUS-

G_S1_A

S_S1_A

G_S4_A

G_S1_BS_S1_B

G_S4_B

G_S1_CS_S1_C

G_S4_C

S2_AIRG4PC50W

S3_A

S2_B

S3_B

S2_C

S3_C

S1_A

G_S3_A

G_S2_A

S_S2_A

G_S3_B G_S3_C

G_S2_B G_S2_C

S_S2_B S_S2_C

1000

uF

+1

-2

Cdc

1

1 2

420uH

LA

+5V

100nFCa20

+5V

100nFCa18

+5V

100nFCa19

VBUSgnd

RaMa

RbMb

RcMc

VC

VB

VA

1uF

Cf11uF

Cf2

1uF

Cf31uF

Cf4

1uF

Cf5

3W33

Rf1

1uF

Cf63W33

Rf2

3W33

Rf3VC

VB

VA

VN

22nFCf7

PE

33nF

Cf11

33nFCf12

Até +400V

Até -400V

Rede 380V/60HzRin1

Sin2

Tin3

Nin4

Rout 5

Sout 6

Tout 7

Nout 8

Filtro Modo Comum

Filtro

1 1

2 2

3 344 55 66

+7

08

M9

ref

10

LTSP25_C

+5V

1 1

2 2

3 344 55 66

+7

08

M9

ref

10

LTSP25_B

+5V

1 1

2 2

3 344 55 66

+7

08

M9

ref

10

LTSP25_A

+5V

22nFCf8

22nFCf9

22nFCf10

22

11

D1_B 22

11

D1_C

22

11

D4_A 22

11

D4_B 22

11

D4_C

22

11

D2_A

22

11

D2_B 22

11

D2_C

22

11

D3_A

22

11

D3_B 22

11

D3_C

S1_B S1_C

S4_A S4_B S4_C

1000

uF

Cdc

2

1000

uF

Cdc

3

1000

uF

Cdc

4

1000

uF

Cdc

5

1000

uF

Cdc

6

1000

uF

Cdc

7

1000

uF

Cdc

8

B1B2B3B4B5

B6

B7

B8Montar perto dos Hall

1 2

420uH

LB

1 2

420uH

LC

33nF

Cf13

33nF

Cf15

33nFCf14

33nFCf16

10k

Rg2S1A

10k

Rg2S1B

10k

Rg2S1C

10k

Rg2S4A

10k

Rg2S4B

10k

Rg2S4C

10k

Rg2S2A

10k

Rg2S3B

10k

Rg2S3C

10k

Rg2S3A

10k

Rg2S2B

10k

Rg2S2C

2W220kRb1

Rb2

Rb3

Rb4

Rb5

Rb6

Rb7

Rb8

Conversor NPCCircuito de Potência Bruno V. Fuentes

22

11

D05_C

22

11

D06_C22

11

D06_B

22

11

D05_B22

11

D05_A

22

11

D06_A

VBUSgndVBUSgndVBUSgnd

PIB101COB1PIB201COB2PIB301COB3PIB401COB4PIB501COB5

PIB601COB6

PIB701

COB7

PIB801

COB8

PICa1801

PICa1802

COCa18PICa1901

PICa1902

COCa19PICa2001

PICa2002

COCa20

PICdc101

PICdc102COCdc1

PICdc201

PICdc202COCdc2

PICdc301

PICdc302COCdc3

PICdc401

PICdc402COCdc4

PICdc501

PICdc502COCdc5

PICdc601

PICdc602COCdc6

PICdc701

PICdc702COCdc7

PICdc801

PICdc802COCdc8

PICf101 PICf102

COCf1

PICf201 PICf202

COCf2

PICf301 PICf302

COCf3PICf401 PICf402

COCf4

PICf501 PICf502

COCf5

PICf601 PICf602

COCf6

PICf701

PICf702

COCf7PICf801

PICf802

COCf8PICf901

PICf902

COCf9PICf1001

PICf1002

COCf10

PICf1101

PICf1102

COCf11

PICf1201

PICf1202COCf12

PICf1301

PICf1302

COCf13

PICf1401

PICf1402

COCf14

PICf1501

PICf1502

COCf15

PICf1601

PICf1602

COCf16

PID10A01

PID10A02COD10A

PID10B01

PID10B02COD10B

PID10C01

PID10C02COD10C

PID20A01

PID20A02COD20A

PID20B01

PID20B02COD20B

PID20C01

PID20C02COD20C

PID30A01

PID30A02COD30A

PID30B01

PID30B02COD30B

PID30C01

PID30C02COD30C

PID40A01

PID40A02COD40A

PID40B01

PID40B02COD40B

PID40C01

PID40C02COD40C

PID050A01

PID050A02COD050A

PID050B01

PID050B02COD050B

PID050C01

PID050C02COD050C

PID060A01

PID060A02COD060A

PID060B01

PID060B02COD060B

PID060C01

PID060C02COD060C

PIFiltro01

PIFiltro02

PIFiltro03

PIFiltro04

PIFiltro05

PIFiltro06

PIFiltro07

PIFiltro08

COFiltro

PILA01 PILA02COLA

PILB01 PILB02COLB

PILC01 PILC02COLC

PILTSP250A01

PILTSP250A02

PILTSP250A03PILTSP250A04

PILTSP250A05

PILTSP250A06

PILTSP250A07 PILTSP250A08

PILTSP250A09PILTSP250A010

COLTSP250A

PILTSP250B01PILTSP250B02


PILTSP250B05

PILTSP250B06

PILTSP250B07 PILTSP250B08


COLTSP250B

PILTSP250C01PILTSP250C02


PILTSP250C05

PILTSP250C06

PILTSP250C07 PILTSP250C08


COLTSP250C

PIRb101PIRb102

CORb1

PIRb201PIRb202CORb2

PIRb301PIRb302

CORb3

PIRb401PIRb402CORb4

PIRb501PIRb502CORb5

PIRb601PIRb602CORb6

PIRb701PIRb702CORb7

PIRb801PIRb802CORb8

PIRf101 PIRf102CORf1

PIRf201 PIRf202CORf2

PIRf301 PIRf302

CORf3

PIRg2S1A01PIRg2S1A02

CORg2S1APIRg2S1B01PIRg2S1B02

CORg2S1BPIRg2S1C01PIRg2S1C02

CORg2S1C


CORg2S2A

PIRg2S2B01 PIRg2S2B02

CORg2S2BPIRg2S2C01 PIRg2S2C02

CORg2S2C

PIRg2S3A01 PIRg2S3A02



CORg2S3C




CORg2S4C

PIS10A01

PIS10A02

PIS10A03

COS10A

PIS10B01

PIS10B02

PIS10B03

COS10B

PIS10C01

PIS10C02

PIS10C03

COS10C

PIS20A01

PIS20A02

PIS20A03

COS20APIS20B01

PIS20B02

PIS20B03

COS20BPIS20C01

PIS20C02

PIS20C03

COS20C

PIS30A01

PIS30A02

PIS30A03

COS30APIS30B01

PIS30B02

PIS30B03

COS30BPIS30C01

PIS30C02

PIS30C03

COS30C

PIS40A01

PIS40A02

PIS40A03

COS40A

PIS40B01

PIS40B02

PIS40B03

COS40B

PIS40C01

PIS40C02

PIS40C03

COS40C

PICa1801 PICa1901 PICa2001

PILTSP250A07

PILTSP250B07

PILTSP250C07

PIRg2S1A02

PIS10A01

PIRg2S1B02

PIS10B01

PIRg2S1C02

PIS10C01

PIRg2S2A02

PIS20A01

PIRg2S2B01

PIS20B01

PIRg2S2C01

PIS20C01

PIRg2S3A01

PIS30A01

PIRg2S3B02

PIS30B01

PIRg2S3C02

PIS30C01

PIRg2S4A02

PIS40A01

PIRg2S4B02

PIS40B01

PIRg2S4C02

PIS40C01


PILTSP250A08

PILTSP250B08

PILTSP250C08

PILTSP250A09

PILTSP250B09

PILTSP250C09

PIB101 PIFiltro01

PIB201

PIFiltro02

PIB301

PIFiltro03

PIB401

PIFiltro04

PICdc102 PICdc202

PICdc301 PICdc401

PIRb201

PIRb301

PICdc502 PICdc602

PICdc701 PICdc801

PIRb601

PIRb701

PICf202PIRf101

PICf402PIRf201

PICf602PIRf301

PID10A02

PID20A01PID050A01

PIRg2S1A01PIS10A03

PIS20A02

PID30A02

PID40A01

PID060A02PIRg2S3A02

PIS30A03PIS40A02

PID30B02

PID40B01

PID060B02PIRg2S3B01

PIS30B03PIS40B02

PID30C02

PID40C01

PID060C02PIRg2S3C01

PIS30C03PIS40C02

PILA02 PILTSP250A04

PILTSP250A05

PILTSP250A06

PILB02

PILTSP250B04

PILTSP250B05

PILTSP250B06

PILC02

PILTSP250C04

PILTSP250C05

PILTSP250C06

PIRb102

PIRb202

PIRb302

PIRb402

PIRb502

PIRb602

PIRb702

PIRb802

PIB501

PICf702 PICf802 PICf902 PICf1002

PILTSP250A010

PILTSP250B010

PILTSP250C010

PID10B02

PID20B01PID050B01

PIRg2S1B01

PIS10B03PIS20B02

PID10C02

PID20C01PID050C01

PIRg2S1C01PIS10C03PIS20C02

PID20A02

PID30A01

PILTSP250A01

PILTSP250A02

PILTSP250A03

PIRg2S2A01PIS20A03PIS30A02

PID20B02

PID30B01PILTSP250B01PILTSP250B02

PILTSP250B03

PIRg2S2B02PIS20B03PIS30B02

PID20C02

PID30C01


PILTSP250C03

PIRg2S2C02PIS20C03PIS30C02

PICf101

PICf201

PICf701

PIFiltro05

PILA01

PICf301

PICf401

PICf801

PIFiltro06

PILB01

PIB601

PICdc101 PICdc201

PICf1101 PICf1301 PICf1501

PID10A01 PID10B01 PID10C01

PIRb101

PIS10A02 PIS10B02 PIS10C02

PIB801

PICdc702 PICdc802

PICf1201 PICf1402 PICf1602

PID40A02 PID40B02 PID40C02 PIRb801PIRg2S4A01 PIRg2S4B01 PIRg2S4C01PIS40A03 PIS40B03 PIS40C03

PIB701

PICdc302 PICdc402

PICdc501 PICdc601

PICf1102

PICf1202

PICf1302

PICf1401

PICf1502

PICf1601



PIRb401

PIRb501

PICf501

PICf601

PICf901

PIFiltro07

PILC01

PICf102

PICf302

PICf502

PICf1001PIFiltro08

PIRf102

PIRf202

PIRf302

Fonte: Adaptado de (HEERDT, 2011).

Para a medição das tensões de fase do lado CA do conversor, temosos circuitos apresentados em A.2. Como melhoria, foram substituidos diodosde grampeamento por diodos zener.

Para medição das correntes de fase da rede, são usados os circuitospresentes na figura A.3. Aqui não foram realizadas modificações dos circuitosencontrados em (HEERDT, 2011).

Para a adequação do nível de tensão entre o sinal PWM gerado peloDSP e o comando das chaves pelos drivers, é necessário o circuito apresen-tado em A.4. Aqui foram realizadas modificações nas sequências de chaves

81

Figura A.2 – Circuitos de medição das tensões de fase do conversor NPC.

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 7/5/16 Sheet ofFile: \\..\Analog1.SchDoc Drawn By:

22k

Ra16

560Ra32

560

Ra31

560Ra33

1K

Ra34

1K

Ra35

BIAS

10nFCa7

10nFCa8

100nFCa9

VA

VB

VBUS+

VBUS-

+5V

+5V

ADC-A3

ADC-B0

ADC-A4

22k

Ra17

22k

Ra18

22k

Ra19

22k

Ra20

22k

Ra21

22k

Ra22

22k

Ra23

22k

Ra24

22k

Ra25

22k

Ra26

22k

Ra27

22k

Ra28

22k

Ra29

22k

Ra30

22k

Ra42

22k

Ra43

22k

Ra44

22k

Ra45

22k

Ra46

22k

Ra47

390

Ra48

390Ra49

1K

Ra50

22k

Ra36

22k

Ra37

22k

Ra38

22k

Ra39

22k

Ra40

22k

Ra41

12

3

4

6

7 U5MAX4238

12

3

4

6

7 U6MAX4238100pF

Ca15

+5V +5V

Montar estes capacitores próximos de U5, U6 e U12

Ra16-30 (SMD1206)

VBUSgnd22k

Ra54

22k

Ra55

22k

Ra56

22k

Ra57

22k

Ra58

22k

Ra53

100nFCa101K

Ra52

390Ra51

ADC-B1

VN

22k

Ra62

560Ra73

560

Ra72 1k

Ra75

BIAS

10nFCa21

VC

+5V

ADC-B222k

Ra63

22k

Ra64

22k

Ra65

22k

Ra66

22k

Ra67

22k

Ra68

22k

Ra69

22k

Ra70

22k

Ra711

2

3

4

6

7 U12MAX4238

Ra16-30 (SMD1206)

VN

+5V

MEDIÇÃO DAS TENSÕES DE FASE DA REDE

MEDIÇÃO DAS TENSÕES DE BARRAMENTO CC

100pFCa16

100pFCa22

Conversor NPC Bruno Fuentes

D1D Zener

D2D Zener

D4D Zener

D5D Zener

D3D Zener

D6D Zener

D7D Zener

D8D Zener

Circuitos medição de tensão CA

PICa701

PICa702

COCa7

PICa801

PICa802

COCa8

PICa901

PICa902

COCa9

PICa1001

PICa1002

COCa10

PICa1501

PICa1502

COCa15PICa1601

PICa1602

COCa16

PICa2101

PICa2102

COCa21

PICa2201

PICa2202

COCa22

PID101PID102

COD1

PID201PID202

COD2

PID301

PID302COD3

PID401

PID402COD4

PID501

PID502COD5

PID601

PID602COD6

PID701

PID702COD7

PID801

PID802COD8

PIRa1601 PIRa1602

CORa16PIRa1701 PIRa1702




CORa20

PIRa2101 PIRa2102CORa21





PIRa2601 PIRa2602





CORa30

PIRa3101 PIRa3102

CORa31

PIRa3201

PIRa3202CORa32

PIRa3301

PIRa3302CORa33

PIRa3401 PIRa3402

CORa34

PIRa3501 PIRa3502

CORa35







PIRa4201 PIRa4202






CORa47


PIRa4901

PIRa4902CORa49

PIRa5001PIRa5002CORa50

PIRa5101

PIRa5102CORa51


















PIRa7201 PIRa7202

CORa72

PIRa7301

PIRa7302CORa73


PIU501

PIU502

PIU503

PIU504PIU506

PIU507 COU5

PIU601

PIU602

PIU603

PIU604PIU606

PIU607 COU6

PIU1201

PIU1202

PIU1203

PIU1204

PIU1206

PIU1207 COU12


PIU501

PIU507

PIU601

PIU607

PIU1201PIU1207

PIU503PIU1203

PICa702

PICa802

PICa902

PICa1002

PICa1502 PICa1602

PICa2102

PICa2202

PID101 PID201

PID301PID401 PID501

PID601 PID701 PID801

PIU504

PIU603

PIU604

PIU1204

PICa701PIRa3402 POADC0B0


PICa901PIRa5001 POADC0A3

PICa1001PIRa5201 POADC0A4


PID102

PIRa7102

PIRa7201

PIU1202

PID202

PIRa6602

PIRa7302

PIRa7501

PID302

PIRa2002

PIRa3202

PIRa3401

PID402

PIRa3002

PIRa3301

PIRa3501

PID502

PIRa2502

PIRa3101

PIU502

PID602

PIRa5101

PIRa5202PIRa5802

PID702

PIRa4102

PIRa4902

PIRa5002

PID802

PIRa4702

PIRa4801

PIU602

PIRa1602PIRa1701 PIRa1702PIRa1801 PIRa1802PIRa1901 PIRa1902PIRa2001



PIRa3102

PIRa3201PIRa3302

PIU506

PIRa3602PIRa3701 PIRa3702PIRa3801 PIRa3802PIRa3901 PIRa3902PIRa4001 PIRa4002PIRa4101


PIRa4802

PIRa4901

PIRa5102PIU606




PIRa7202

PIRa7301PIU1206

PIRa6201

PIRa2601

PIRa3601

PIRa4201

PIRa5301

PIRa1601

PIRa2101PIRa6701

POADC0A3

POADC0A4

POADC0B0

POADC0B1

POADC0B2


a serem comandadas, necessárias devido a modificação de topologia do con-versor do projeto base (T-NPC) para o proposto (NPC).

Na figura A.5 temos as ligações do DSP, circuitos para indifação deerros através de LED’s na placa do conversor e também chaves liga/desligaconectadas a entradas digitais do DSP. Nestes circuitos os diodos de gram-peamento também foram substituidos por diodoszener.

Os circuitos de drivers são apresentados em A.6. No projeto basecontava com um circuito RC auxiliar conectado a saída de gatilho dos drivers,que desempenha função de atenuar ruídos de comutação em chaves de car-boneto de silício (SiC). Como no conversor proposto serão utilizados IGBT’sde silício, este circuito auxiliar não é necessário.

Por fim, prevê-se ainda a utilização de uma fonte auxiliar isolada comsaídas de 5V e 15V, apresentada em A.7. Neste circuito não foram propostasmodificações do projeto inicial.

82

Figura A.3 – Circuitos de medição das correntes de fase do conversor NPC.

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 7/5/16 Sheet ofFile: \\..\Analog2.SchDoc Drawn By:

10kRa1

15kRa2

10kRa3

15kRa4

330pFCa1

10kRa5

15kRa6

10kRa7

15kRa8

330pFCa3

10kRa9

15kRa10

10kRa11

15kRa12

330pFCa5

+5V

+5V

+5V

ADC-A0

ADC-A1

ADC-A2

Ra

Ma

12

3

4

6

7 U1MAX4238

12

3

4

6

7 U2MAX4238

12

3

4

6

7 U3MAX4238

100RMa

BIAS

Rb

Mb

100RMb

BIAS

Rc

Mc

100RMc

BIAS

1nFCa2

1nFCa4

1nFCa6

100pFCa11

100pFCa12

100pFCa13

+5V +5V +5V

Montar estes capacitores próximos de U1, U2, U3

MEDIÇÃO DAS CORRENTES DE FASE DA REDE

Carga Eletrônica Ativa Trifásica CEA-CACircuito de Medição das Correntes Joselito A Heerdt

PICa101 PICa102

COCa1

PICa201

PICa202

COCa2

PICa301 PICa302

COCa3

PICa401

PICa402COCa4

PICa501 PICa502

COCa5

PICa601

PICa602COCa6

PICa1101

PICa1102

COCa11PICa1201

PICa1202

COCa12PICa1301

PICa1302

COCa13

PIRa101 PIRa102

CORa1

PIRa201 PIRa202

CORa2

PIRa301 PIRa302

CORa3

PIRa401

PIRa402

CORa4

PIRa501 PIRa502

CORa5



PIRa801

PIRa802CORa8


PIRa1001 PIRa1002

CORa10

PIRa1101 PIRa1102

CORa11

PIRa1201

PIRa1202

CORa12PIRMa01

PIRMa02CORMa

PIRMb01

PIRMb02CORMb

PIRMc01

PIRMc02CORMc

PIU101

PIU102

PIU103

PIU104PIU106

PIU107 COU1

PIU201PIU202

PIU203

PIU204

PIU206

PIU207 COU2

PIU301

PIU302

PIU303

PIU304

PIU306

PIU307 COU3


PIU101

PIU107

PIU201PIU207

PIU301PIU307

PIRa101

PIRa501

PIRa901

PICa201

PICa401

PICa601


PIRa401

PIRa801

PIRa1201

PIU104

PIU204

PIU304

PIRa301PIRMa02

PIRa701PIRMb02

PIRa1101PIRMc02

PICa101

PIRa102

PIRa201

PIU102

PICa102

PIRa202

PIU106 POADC0A0

PICa202PIRa302 PIRa402 PIU103

PICa301

PIRa502

PIRa601

PIU202

PICa302

PIRa602

PIU206 POADC0A1PICa402PIRa702PIRa802 PIU203

PICa501

PIRa902

PIRa1001

PIU302

PICa502

PIRa1002

PIU306 POADC0A2PICa602PIRa1102PIRa1202 PIU303

PIRMa01

PIRMb01

PIRMc01

POADC0A0

POADC0A1

POADC0A2


Figura A.4 – Circuitos de adequação de sinais do DSP.

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 7/5/16 Sheet ofFile: \\..\Digit1.SchDoc Drawn By:

1 2U9A

9 8U9D

GPIO-06/EPWM-4A

GPIO-07/EPWM-4B

GPIO-09/EPWM-5B

GPIO-08/EPWM-5A

11 10U9E

13 12U9F

GPIO-10/EPWM-6A

GPIO-11/EPWM-6B

147

VCC

GND

U9G

5 6U9C

6k8Rd5

6k8Rd6

6k8Rd7

6k8Rd8

6k8Rd9

6k8Rd10

1/8W 1K5Rd11

1K5Rd12

1K5Rd13

1K5Rd14

1K5Rd15

1K5Rd16

+15V

GPIO-24/EQEPA-2

GPIO-25/EQEPB-2

Sw4

Sw33 4

U9B SN74LS07

+5V

9 8U10D SN74LS07

+5V

100nFCd3

100nFCd4

R11-16(SMD 1206)

TP_S1_A

BT_S2_A

TP_S1_B

BT_S2_B

TP_S1_C

BT_S2_C1 2U10A

3 4U10B

11 10U10E

13 12U10F

147

VCC

GND

U10G

5 6U10C

6k8Rd17

6k8Rd18

6k8Rd19

6k8Rd20

6k8Rd21

6k8Rd22

1/8W 1K5Rd23

1K5Rd24

1K5Rd25

1K5Rd26

1K5Rd27

1K5Rd28

+15VR11-16(SMD 1206)

TP_S4_A

BT_S3_A

TP_S4_B

BT_S3_B

TP_S4_C

BT_S3_C

GPIO-00/EPWM-1A

GPIO-01/EPWM-1B

GPIO-02/EPWM-2A

GPIO-03/EPWM-2B

GPIO-04/EPWM-3A

GPIO-05/EPWM-3B

TMS (49)TDI(97)

TDO (98)TCK (48)

EMU0 (100)

TRSTn (99)

EMU1 (50)

+3V3

JTAG interface

3V3-ISO (1,51)GND-ISO (6,56) TX-ISO

RX-ISO12

CN4

Serial Interface

Entrada para fonte externa isolada.Para utilizar é necessário remover os resistores de 0 ohm (jumpers) da controlcard

TMS1 TRSTn 2

TDI3 GND 4

PD5 NC 6

TDO7 GND 8

TCK9 GND 10

TCK_11 GND 12

EMU013 EMU1 14

CN6

GND-ISO (6,56)

123

CN5

330

Rd31

330

Rd32

+3V3

+3V3

Montar bem proximo do DIMM100, senão será necessário colocar buffer

Conversor NPCCircuito Digital 1 Bruno V. Fuentes

PICd301

PICd302

COCd3

PICd401

PICd402

COCd4

PICN401

PICN402

COCN4 PICN501PICN502

PICN503

COCN5

PICN601 PICN602PICN603 PICN604

PICN605 PICN606

PICN607 PICN608PICN609 PICN6010PICN6011 PICN6012

PICN6013 PICN6014

COCN6

PIRd501

PIRd502

CORd5PIRd601

PIRd602

CORd6PIRd701

PIRd702

CORd7PIRd801

PIRd802

CORd8PIRd901

PIRd902

CORd9PIRd1001

PIRd1002

CORd10

PIRd1101

PIRd1102

CORd11PIRd1201

PIRd1202

CORd12PIRd1301

PIRd1302

CORd13PIRd1401

PIRd1402

CORd14PIRd1501

PIRd1502

CORd15PIRd1601

PIRd1602

CORd16

PIRd1701

PIRd1702

CORd17PIRd1801

PIRd1802

CORd18PIRd1901

PIRd1902

CORd19PIRd2001

PIRd2002

CORd20PIRd2101

PIRd2102

CORd21PIRd2201

PIRd2202

CORd22PIRd2301

PIRd2302

CORd23PIRd2401

PIRd2402

CORd24PIRd2501

PIRd2502

CORd25PIRd2601

PIRd2602

CORd26PIRd2701

PIRd2702

CORd27PIRd2801

PIRd2802

CORd28

PIRd3101PIRd3102

CORd31

PIRd3201PIRd3202CORd32

PISw301 PISw302

COSw3

PISw401 PISw402

COSw4

PIU901 PIU902

COU9A

PIU903 PIU904

COU9B

PIU905 PIU906

COU9C

PIU908PIU909

COU9D

PIU9010PIU9011

COU9E

PIU9012PIU9013

COU9F

PIU907

PIU9014COU9G

PIU1001 PIU1002

COU10A

PIU1003 PIU1004

COU10B

PIU1005 PIU1006

COU10C

PIU1008PIU1009

COU10D

PIU10010PIU10011

COU10E

PIU10012PIU10013

COU10F

PIU1007

PIU10014COU10G

PICN605

PIRd3102

PIRd3202

PICd301

PICd401

PIU9014

PIU10014

PIRd1101 PIRd1201 PIRd1301 PIRd1401 PIRd1501 PIRd1601


PIRd1402

PIU908

PIRd2602

PIU10010

PIRd2302PIU1002

PIRd1202

PIU904

PIRd1602

PIU9012

PIRd2702

PIU10012

PICd302

PICd402

PICN604

PICN608PICN6010PICN6012



PISw302

PISw402

PIU907

PIU1007

PICN402PO3V30ISO (1051)

PICN501PORX0ISOPICN502POTX0ISOPICN401

PICN503POGND0ISO (6056)

PICN601POTMS (49) PICN602 POTRSTn (99)PICN603POTDI(97)

PICN606

PICN607POTDO (98)PICN609PICN6011

POTCK (48)

PICN6013POEMU0 (100) PICN6014 POEMU1 (50)

PIRd502PIU901POGPIO0070EPWM04B

PIRd602

PIU903POGPIO0010EPWM01B

PIRd702

PIU905POGPIO0000EPWM01A

PIRd802


PIRd902


PIRd1002


PIRd1702PIU1001POGPIO0100EPWM06A

PIRd1802


PIRd1902


PIRd2002


PIRd2102


PIRd2202


PIRd3101

PISw401POGPIO0240EQEPA02

PIRd3201

PISw301POGPIO0250EQEPB02

PIRd1302

PIU906

PIRd2502

PIU1008

PIRd2402

PIU1004

PIRd1102PIU902

PIRd1502

PIU9010

PIRd2802

PIU1006

PO3V30ISO (1051)

POEMU0 (100) POEMU1 (50)

POGND0ISO (6056)

POGPIO0000EPWM01A

POGPIO0010EPWM01B

POGPIO0020EPWM02A

POGPIO0030EPWM02B

POGPIO0040EPWM03A

POGPIO0050EPWM03B

POGPIO0060EPWM04A

POGPIO0070EPWM04B

POGPIO0080EPWM05A

POGPIO0090EPWM05B

POGPIO0100EPWM06A

POGPIO0110EPWM06B

POGPIO0240EQEPA02

POGPIO0250EQEPB02

PORX0ISO

POTCK (48)

POTDI(97)

POTDO (98)

POTMS (49) POTRSTN (99)

POTX0ISO


83

Figura A.5 – Circuitos para identificação de erro por LED’s, ligações do DSPe chaves externas.

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 7/5/16 Sheet ofFile: \\..\Digit2.SchDoc Drawn By:

ER_A1

ER_B1

ER_C1

1 2U11A

1K

Rd29GPIO-12/TZ-1

330

Rd30+3V3

ER_A2

ER_B2

ER_C2

3 4U11B

5 6U11C

9 8U11D

11 10U11E

147

VCC

GND

U11G

3.3V - ISO1

ISO-RX-RS2322345

GND_ISO6

ADC - B07

ADC - B19

ADC - B211

ADC - B313

ADC - B415

ADC - B517

ADC - B619

ADC - B721

GND8

GND10

GND12

GND14

16

GPIO-58/MCLKR-A/XD2118

GPIO-60/MCLKR-B/XD1920

GPIO-62/SCIRX-C/XD1722

GPIO-00/EPWM-1A23

GPIO-02/EPWM-2A24

GPIO-04/EPWM-3A25

GPIO-06/EPWM-4A/SYNCI/SYNCO26

GND27

GPIO-08/EPWM-5A/CANTX-B/ADCSOC-A28

GPIO-10/EPWM-6A/CANRX-B/ADCSOC-B29

GPIO-48/ECAP5/XD3130

GPIO-8431

GPIO-8632

GPIO-12/TZ-1/CANTX-B/MDX-B33

GPIO-15/TZ-4/SCIRX-B/MFSX-B34

GPIO-24/ECAP-1/EQEPA-2/MDX-B35

GPIO-26/ECAP-3/EQEPI-2/MCLKX-B36

GND37

GPIO-16/SPISIMO-A/CANTX-B/TZ-538

GPIO-18/SPICLK-A/SCITX-B39

GPIO-20/EQEPA-1/MDX-A/CANTX-B40

GPIO-22/EQEPS-1/MCLKX-A/SCITX-B41

GPIO-8742

GPIO-28/SCIRX-A/Resv/TZ543

GPIO-30/CANRX-A44

GPIO-32/I2CSDA/SYNCI/ADCSOCA45

GPIO-34/ECAP1/XREADY46

GND47

TCK48

TMS49

EMU150

3.3V - ISO 51

ISO-TX-RS232 52

53 53

54 54

55 55

GND_ISO 56

ADCIN-A0 57

GND 58

ADCIN-A1 59

GND 60

ADCIN-A2 61

GND 62

ADCIN-A3 63

GND 64

ADCIN-A4 6566

ADCIN-A5 67

GPIO-59/MFSR-A/XD20 68

ADCIN-A6 69

GPIO-61/MFSR-B/XD18 70

ADCIN-A7 71

GPIO-63/SCITX-C/XD16 72

GPIO-01/EPWM-1B/MFSR-B 73

GPIO-03/EPWM-2B/MCLKR-B 74

GPIO-05/EPWM-3B/MFSR-A/ECAP-1 75

GPIO-07/EPWM-4B/MCLKR-A/ECAP-2 76

+5V 77

GPIO-09/EPWM-5B/SCITX-B/ECAP-3 78

GPIO-11/EPWM-6B/SCIRX-B/ECAP-4 79

GPIO-49/ECAP6/XD30 80

GPIO-85 81

+5V 82

GPIO-13/TZ-2/CANRX-B/MDR-B 83

GPIO-14/TZ-3/SCITX-B/MCLKX-B 84

GPIO-25/ECAP-2/EQEPB-2/MDR-B 85

GPIO-27/ECAP-4/EQEPS-2/MFSX-B 86

+5V 87

GPIO-17/SPISOMI-A/CANRX-B/TZ-6 88

GPIO-19/SPISTE-A/SCIRX-B 89

GPIO-21/EQEPB-1/MDR-A/CANRX-B 90

GPIO-23/EQEPI-1/MFSX-A/SCIRX-B 91

+5V 92

GPIO-29/SCITX-A/Resv/TZ6 93

GPIO-31/CANTX-A 94

GPIO-33/I2CSCL/SYNCO/ADCSOCB 95

+5V 96

TDI 97

TDO 98

TRSTn 99

EMU0 100

CN7

Conector DIMM 28335

ADC-A3

ADC-B0

ADC-A4

ADC-B1

ADC-B2

ADC-A0

ADC-A1

ADC-A2

GPIO-06/EPWM-4A GPIO-07/EPWM-4B

GPIO-09/EPWM-5BGPIO-08/EPWM-5AGPIO-10/EPWM-6A GPIO-11/EPWM-6B

GPIO-00/EPWM-1A GPIO-01/EPWM-1BGPIO-02/EPWM-2A GPIO-03/EPWM-2BGPIO-04/EPWM-3A GPIO-05/EPWM-3B

GPIO-12/TZ-1

GPIO-24/EQEPA-2 GPIO-25/EQEPB-2

TMS (49)

TDI(97)TDO (98)TCK (48)

EMU0 (100)TRSTn (99)

EMU1 (50)

GPIO-84 (31) GPIO-85 (81)GPIO-86 (32)

GPIO-87 (42)

3V3-ISO (1,51)TX-ISORX-ISO

GND-ISO (6,56) GND-ISO (6,56)

3V3-ISO (1,51)

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

GPIO-18 (39)

GPIO-29 (93)

GPIO-34 (46)

13 12

U11F

SN74LS07

+5V

100nFCd15

U1(4)

U2(4)

U3(4)

Ca10(2)

Ca7(2)

Ca8(2)

Ca21(2)

330

Rd40+3V3

AK

led1

1KRd42330

Rd41+3V3

AKled2

1K

Rd44330

Rd43+3V3AK

led3

1KRd46330

Rd45+3V3

AK

led4

1K

Rd48330

Rd47+3V3AK

led5

1KRd50330

Rd49+3V3

AK

led6

Boot Mode F28335 (**Não montar os resistores)

GPIO-18 (39)GPIO-29 (93)

GPIO-34 (46)

2k2Rd2

2k2Rd3

2k2Rd4

Boot Mode F2808

12 3

4

SW212 3

4

SW2_b

GPIO-84 (31)

GPIO-85 (81)

GPIO-86 (32)

GPIO-87 (42)

0Rsw01

0Rsw02

0

Rsw03

NM

Rsw04

NM

Rsw05

NM

Rsw06

NM

Rsw07

2k2Rd33

Conversor NPCCircuito Digital 2 Bruno V. Fuentes

D9

D Zener

D11

D Zener

D13

D Zener

D10

D Zener

D12

D Zener

D14

D Zener

PICd1501

PICd1502

COCd15


PICN704

PICN705PICN706

PICN707

PICN708PICN709

PICN7010

PICN7011PICN7012

PICN7013

PICN7014PICN7015

PICN7016

PICN7017PICN7018

PICN7019

PICN7020PICN7021

PICN7022

PICN7023PICN7024

PICN7025

PICN7026PICN7027

PICN7028

PICN7029PICN7030

PICN7031

PICN7032PICN7033

PICN7034

PICN7035PICN7036

PICN7037

PICN7038PICN7039

PICN7040

PICN7041PICN7042

PICN7043

PICN7044PICN7045

PICN7046

PICN7047PICN7048

PICN7049

PICN7050


PICN7054

PICN7055PICN7056

PICN7057

PICN7058PICN7059

PICN7060

PICN7061PICN7062

PICN7063

PICN7064PICN7065

PICN7066

PICN7067PICN7068

PICN7069

PICN7070PICN7071

PICN7072

PICN7073PICN7074

PICN7075

PICN7076PICN7077

PICN7078

PICN7079PICN7080

PICN7081

PICN7082PICN7083

PICN7084

PICN7085PICN7086

PICN7087

PICN7088PICN7089

PICN7090

PICN7091PICN7092

PICN7093

PICN7094PICN7095

PICN7096

PICN7097PICN7098

PICN7099

PICN70100

COCN7

PID901PID902

COD9

PID1001PID1002

COD10

PID1101PID1102

COD11

PID1201PID1202

COD12

PID1301PID1302

COD13

PID1401PID1402

COD14

PIled10APIled10KCOled1

PIled20APIled20K

COled2

PIled30APIled30K

COled3

PIled40APIled40K

COled4

PIled50APIled50K

COled5

PIled60APIled60K

COled6

PIRd201

PIRd202

CORd2PIRd301

PIRd302

CORd3PIRd401

PIRd402

CORd4

PIRd2901 PIRd2902

CORd29PIRd3001PIRd3002

CORd30

PIRd3301

PIRd3302CORd33



PIRd4201 PIRd4202

CORd42


PIRd4401 PIRd4402CORd44

PIRd4501PIRd4502

CORd45

PIRd4601 PIRd4602CORd46


PIRd4801 PIRd4802

CORd48

PIRd4901PIRd4902

CORd49

PIRd5001 PIRd5002

CORd50

PIRsw0101PIRsw0102

CORsw01

PIRsw0201PIRsw0202

CORsw02

PIRsw0301PIRsw0302

CORsw03

PIRsw0401PIRsw0402CORsw04


PIRsw0601PIRsw0602

CORsw06


PISW201PISW202 PISW203

PISW204

COSW2

PISW20b01

PISW20b02 PISW20b03

PISW20b04

COSW20b

PIU1101 PIU1102

COU11A

PIU1103 PIU1104

COU11B

PIU1105 PIU1106

COU11C

PIU1108PIU1109

COU11D

PIU11010PIU11011

COU11E

PIU11012PIU11013

COU11F

PIU1107

PIU11014COU11G

PIled10A

PIled20A

PIled30A

PIled40A

PIled50A

PIled60A

PIRd3001

PICd1501

PICN7077

PICN7082

PICN7087

PICN7092

PICN7096

PIU11014

PID902

PIRd2901

PIRd4002

PID1202

PIRd4502

PIRd4601

PID1002

PIRd4102

PIRd4201

PID1302

PIRd4702

PIRd4801

PID1102

PIRd4302

PIRd4401

PID1402

PIRd4902

PIRd5001

PICd1502

PICN708

PICN7010

PICN7012

PICN7014

PICN7027

PICN7037

PICN7047

PICN7058

PICN7060

PICN7062

PICN7064

PID901

PID1001

PID1101

PID1201

PID1301

PID1401

PIRd202 PIRd302 PIRd402PIRd3301

PIU1107

PICN702PORX0ISOPICN703

PICN704

PICN705

PICN707POADC0B0

PICN709POADC0B1

PICN7011POADC0B2

PICN7013

PICN7015

PICN7016

PICN7017PICN7018

PICN7019

PICN7020PICN7021

PICN7022

PICN7023POGPIO0000EPWM01APICN7024POGPIO0020EPWM02APICN7025POGPIO0040EPWM03APICN7026POGPIO0060EPWM04A

PICN7028POGPIO0080EPWM05APICN7029POGPIO0100EPWM06APICN7030

PICN7031

PIRsw0402

POGPIO084 (31)PICN7032

PIRsw0602


PIRd3002

PIU1102

PIU1104

PIU1106

PIU1108

PIU11010

PIU11012

POGPIO0120TZ01PICN7034

PICN7035POGPIO0240EQEPA02PICN7036

PICN7038PICN7039

PIRsw0102


PICN7041PICN7042

PIRsw0702


PICN7044PICN7045

PICN7046

PIRsw0302

POGPIO034 (46)

PICN7048POTCK (48)PICN7049POTMS (49)PICN7050POEMU1 (50)

PICN701 PICN7051 PO3V30ISO (1051)PICN7052 POTX0ISOPICN7053

PICN7054

PICN7055PICN706 PICN7056 POGND0ISO (6056)

PICN7057 POADC0A0

PICN7059 POADC0A1

PICN7061 POADC0A2

PICN7063 POADC0A3

PICN7065 POADC0A4PICN7066

PICN7067PICN7068

PICN7069

PICN7070PICN7071

PICN7072

PICN7073 POGPIO0010EPWM01BPICN7074 POGPIO0030EPWM02BPICN7075 POGPIO0050EPWM03BPICN7076 POGPIO0070EPWM04B

PICN7078 POGPIO0090EPWM05BPICN7079 POGPIO0110EPWM06BPICN7080

PICN7081

PIRsw0502

POGPIO085 (81)

PICN7083

PICN7084

PICN7085 POGPIO0250EQEPB02PICN7086

PICN7088PICN7089

PICN7090

PICN7091

PICN7093

PIRsw0202

POGPIO029 (93)PICN7094PICN7095

PICN7097 POTDI(97)PICN7098 POTDO (98)PICN7099 POTRSTn (99)PICN70100 POEMU0 (100)

PIled10KPIRd4001

PIled20KPIRd4101

PIled30KPIRd4301

PIled40KPIRd4501

PIled50KPIRd4701

PIled60KPIRd4901

PIRd201PISW20b04

PIRd301

PISW203

PIRd401

PISW204

PIRd2902PIU1101

PIRd3302PISW20b03

PIRd4202 PIU1103

PIRd4402 PIU1105

PIRd4602 PIU1109

PIRd4802 PIU11011

PIRd5002 PIU11013

PIRsw0101

PIRsw0401

PISW201PIRsw0201

PIRsw0501

PISW202

PIRsw0301

PIRsw0601

PISW20b01

PIRsw0701

PISW20b02

PO3V30ISO (1051)

POADC0A0

POADC0A1

POADC0A2

POADC0A3

POADC0A4

POADC0B0

POADC0B1

POADC0B2

POEMU0 (100)POEMU1 (50)

POGND0ISO (6056)

POGPIO0000EPWM01A POGPIO0010EPWM01BPOGPIO0020EPWM02A POGPIO0030EPWM02B



POGPIO0120TZ01

POGPIO018 (39)

POGPIO0240EQEPA02 POGPIO0250EQEPB02

POGPIO029 (93)

POGPIO034 (46)

POGPIO084 (31)

POGPIO085 (81)

POGPIO086 (32)

POGPIO087 (42)

PORX0ISO

POTCK (48)POTDI(97)POTDO (98)

POTMS (49) POTRSTN (99)

POTX0ISO


84

Figura A.6 – Circuitos dos drivers do conversor NPC.

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 7/5/16 Sheet ofFile: \\..\Driver Rectifier.SchDoc Drawn By:

CTOP 1

GT 2

ET 3

T114

T125

RST6

TP7

ER8

VS9

GND10

BT11

T2212 T2113

EB 14GB 15CBOT 16

Drv4

SKHI20opA

CTOP 1

GT 2

ET 3

T114

T125

RST6

TP7

ER8

VS9

GND10

BT11

T2212 T2113

EB 14GB 15CBOT 16

Drv5

SKHI20opA

CTOP 1

GT 2

ET 3

T114

T125

RST6

TP7

ER8

VS9

GND10

BT11

T2212 T2113

EB 14GB 15CBOT 16

Drv6

SKHI20opA

T11 1

T12 2

T21 3

T22 4

ADT1 5

ADT2 6

+VS7

GND8

PS2

Aux Power Supply*

+15V

Pa1

Pb6

S1a 3

S1b 2

S2a 5

S2b 4

TD3

+15V

TP_S4_A

BT_S3_A

ER_A2

100n

FC

d14

33uF

Cd1

3

100nFCd10

100nFCd11

100nFCd12

+15V +15V

TP_S4_BBT_S3_B

ER_B2

TP_S4_C

BT_S3_C

ER_C21KRc4 1K

Rc5

1KRc6

+15V +15V +15V

Pa1

Pb6

S1a 3

S1b 2

S2a 5

S2b 4

TD41206

CTOP 1

GT 2

ET 3

T114

T125

RST6

TP7

ER8

VS9

GND10

BT11

T2212 T2113

EB 14GB 15CBOT 16

Drv1

SKHI20opA

CTOP 1

GT 2

ET 3

T114

T125

RST6

TP7

ER8

VS9

GND10

BT11

T2212 T2113

EB 14GB 15CBOT 16

Drv2

SKHI20opA

CTOP 1

GT 2

ET 3

T114

T125

RST6

TP7

ER8

VS9

GND10

BT11

T2212 T2113

EB 14GB 15CBOT 16

Drv3

SKHI20opA

T11 1

T12 2

T21 3

T22 4

ADT1 5

ADT2 6

+VS7

GND8

PS1

Aux Power Supply*

+15V

Pa1

Pb6

S1a 3

S1b 2

S2a 5

S2b 4

TD1

+15V

TP_S1_A

BT_S2_A

ER_A1

100n

FC

d6

33uF

Cd5

100nFCd7

100nFCd8

100nFCd9

+15V +15V

TP_S1_BBT_S2_B

ER_B1

TP_S1_C

BT_S2_C

ER_C11KRc1

1KRc2

1KRc3

+15V +15V +15V

Pa1

Pb6

S1a 3

S1b 2

S2a 5

S2b 4

TD2

1206

G_S1_AS_S1_A

G_S2_AS_S2_A

G_S1_BS_S1_B

G_S2_BS_S2_B

G_S1_CS_S1_C

G_S2_CS_S2_C

G_S4_A

G_S3_A

G_S4_B

G_S3_B

G_S4_C

G_S3_C

VBUS+ VBUS+ VBUS+

S_S1_A

S_S1_A

S_S1_B

S_S1_B

S_S1_C

S_S1_C

VBUS- VBUS- VBUS-

VBUSgndVBUSgndVBUSgnd

S_S2_A S_S2_B S_S2_C

Drv3_T11Drv3_T12

Drv3_T21Drv3_T22

Drv3_T11Drv3_T12Drv3_T21Drv3_T22

Drv4_T11Drv4_T12

Drv4_T21Drv4_T22



Drv2_T11Drv2_T12

Drv2_T21Drv2_T22


Drv5_T11Drv5_T12

Drv5_T21Drv5_T22

Conversor NPCCircuito dos Drivers Bruno V. Fuentes

PICd501

PICd502

COCd5 PICd601

PICd602

COCd6

PICd701

PICd702

COCd7PICd801

PICd802

COCd8PICd901

PICd902

COCd9

PICd1001

PICd1002

COCd10PICd1101

PICd1102

COCd11PICd1201

PICd1202

COCd12

PICd1301

PICd1302

COCd13 PICd1401

PICd1402

COCd14

PIDrv101

PIDrv102PIDrv103

PIDrv104

PIDrv105

PIDrv106

PIDrv107

PIDrv108

PIDrv109

PIDrv1010

PIDrv1011

PIDrv1012

PIDrv1013PIDrv1014

PIDrv1015

PIDrv1016

CODrv1

PIDrv201

PIDrv202PIDrv203

PIDrv204

PIDrv205

PIDrv206

PIDrv207

PIDrv208

PIDrv209

PIDrv2010

PIDrv2011

PIDrv2012

PIDrv2013PIDrv2014

PIDrv2015

PIDrv2016

CODrv2

PIDrv301

PIDrv302PIDrv303

PIDrv304

PIDrv305

PIDrv306

PIDrv307

PIDrv308

PIDrv309

PIDrv3010

PIDrv3011

PIDrv3012

PIDrv3013PIDrv3014

PIDrv3015

PIDrv3016

CODrv3

PIDrv401

PIDrv402

PIDrv403

PIDrv404PIDrv405

PIDrv406

PIDrv407

PIDrv408

PIDrv409

PIDrv4010

PIDrv4011

PIDrv4012

PIDrv4013

PIDrv4014

PIDrv4015

PIDrv4016

CODrv4

PIDrv501

PIDrv502

PIDrv503

PIDrv504PIDrv505

PIDrv506

PIDrv507

PIDrv508

PIDrv509

PIDrv5010

PIDrv5011

PIDrv5012

PIDrv5013

PIDrv5014

PIDrv5015

PIDrv5016

CODrv5

PIDrv601

PIDrv602

PIDrv603

PIDrv604PIDrv605

PIDrv606

PIDrv607

PIDrv608

PIDrv609

PIDrv6010

PIDrv6011

PIDrv6012

PIDrv6013

PIDrv6014

PIDrv6015

PIDrv6016

CODrv6

PIPS101PIPS102

PIPS103PIPS104

PIPS105PIPS106

PIPS107

PIPS108

COPS1

PIPS201

PIPS202

PIPS203

PIPS204

PIPS205

PIPS206

PIPS207

PIPS208

COPS2

PIRc101

PIRc102CORc1

PIRc201

PIRc202CORc2

PIRc301

PIRc302CORc3

PIRc401

PIRc402CORc4

PIRc501

PIRc502CORc5

PIRc601

PIRc602CORc6

PITD101 PITD102

PITD103

PITD104PITD105PITD106

COTD1

PITD201 PITD202

PITD203

PITD204PITD205PITD206

COTD2

PITD301 PITD302

PITD303

PITD304

PITD305PITD306

COTD3

PITD401 PITD402

PITD403

PITD404

PITD405PITD406

COTD4

PICd501 PICd601

PICd701 PICd801 PICd901


PICd1301 PICd1401

PIDrv109 PIDrv209 PIDrv309


PIPS107

PIPS207

PIRc102 PIRc202 PIRc302

PIRc402 PIRc502 PIRc602



PIDrv204

PITD303

PIDrv205

PITD302

PIDrv2013

PITD305

PIDrv2012

PITD304

PIDrv304

PITD405

PIDrv305

PITD404

PIDrv3013

PIPS203

PIDrv3012

PIPS204

PIDrv404

PITD203

PIDrv405

PITD202

PIDrv4013

PITD205

PIDrv4012

PITD204

PIDrv504

PITD103

PIDrv505

PITD102

PIDrv5013

PITD105

PIDrv5012

PITD104

PIDrv108

PIDrv408

PIDrv208

PIDrv508

PIDrv308

PIDrv608





PICd502 PICd602



PICd1302 PICd1402



PIPS108

PIPS208

PIDrv104

PIPS101

PIDrv105

PIPS102

PIDrv106

PIRc101PIDrv1012

PIPS104

PIDrv1013

PIPS103

PIDrv206

PIRc201

PIDrv306

PIRc301

PIDrv406

PIRc401

PIDrv506

PIRc501PIDrv604

PITD403

PIDrv605

PITD402

PIDrv606

PIRc601PIDrv6012

PIPS202

PIDrv6013

PIPS201

PIPS105

PITD101 PITD201

PIPS106

PITD106 PITD206

PIPS205

PITD301 PITD401

PIPS206

PITD306 PITD406

PIDrv103

PIDrv401

PIDrv4016

PIDrv203

PIDrv501

PIDrv5016

PIDrv303

PIDrv601

PIDrv6016

PIDrv1014

PIDrv4014

PIDrv2014

PIDrv5014

PIDrv3014

PIDrv6014







Figura A.7 – Circuito de fonte auxiliar isolada de 5V e 15V.

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 7/5/16 Sheet ofFile: \\..\Fonte Aux.SchDoc Drawn By:

K2

A3

NC1U7LM4040

+5V

1KRa59

1KRa60

1K

Ra611uF+1

-2

Ca17

BIAS+3V

+5V

12

3

4

6

7 U4MAX4238

+1,5V

+5V

0.47uFCd1

33uFCd2

+3V3

IN1

GN

D2

OUT 3U8 LM3940IMP-3.3

100pFCa14

+5V

Montar perto do U4

+15V 1

GND 2

12V 3

GND 4

5V 5

GND 6

Barramento CC 7

GND Barramento 8

Faux

Fonte Chaveada

+5V

0Ra100

+15V

Fonte Chaveada Auto-alimentada

VBUS+VBUS-

LAM 3 - 75mm - 12V

Ven

tilad

or 1

2V

Fischer Elektronik

GND+12V

LAM 4 - 100mm - 12V

HS1

Dissipador LAM

**Posicionar os conectores proximos aos

12

CN1

LAM 3 - 75mm - 12V

Ven

tilad

or 1

2V

Fischer Elektronik

GND+12V

LAM 4 - 100mm - 12V

HS2

Dissipador LAM

LAM 3 - 75mm - 12V

Ven

tilad

or 1

2V

Fischer Elektronik

GND+12V

LAM 4 - 100mm - 12V

HS3

Dissipador LAM

ventiladores dos dissipadores HSx**

**Posicionar Ra100 proximo a fonte**

12

CN2

Conversor NPCFonte de Alimentação Auxiliar Bruno V. Fuentes

PICa1401

PICa1402

COCa14

PICa1701

PICa1702

COCa17

PICd101

PICd102

COCd1PICd201

PICd202

COCd2

PICN101

PICN102

COCN1

PICN201

PICN202

COCN2

PIFaux01

PIFaux02

PIFaux03PIFaux04

PIFaux05

PIFaux06PIFaux07

PIFaux08

COFauxCOHS1

COHS2

COHS3

PIRa5901

PIRa5902CORa59

PIRa6001PIRa6002

CORa60

PIRa6101

PIRa6102

CORa61


PIU401

PIU402

PIU403

PIU404PIU406

PIU407 COU4

PIU701

PIU702

PIU703

COU7

PIU801

PIU802

PIU803

COU8

PICa1701PIRa5901

PIRa6002PIU702

PICd201

PIU803

PICa1401

PICd101

PIFaux05

PIRa5902PIU401

PIU407

PIU801

PIFaux01

PIU402

PIU406

PICa1402

PICa1702

PICd102 PICd202

PIFaux02

PIFaux06

PIRa6102

PIRa10001PIRa10002

PIU404PIU701

PIU703

PIU802

PICN101

PICN201

PIFaux04

PICN102

PICN202

PIFaux03

PIRa6001

PIRa6101PIU403

PIFaux07

PIFaux08


APÊNDICE B -- Projeto da placa de circuito impresso do conversor

Para o layout da placa do conversor, utilizaremos como base um layoutde conversor já existente no laboratório, oriundo da tese de doutorado doprofessor Dr. Joselito Anastácio Heerdt, orientador do presente trabalho, re-alizando as modificações necessárias e também melhorias e correções noprojeto.

Os critérios adotados no projeto de layout são:• Distância mínima de 1.6mm entre trilhas do circuito de potência e 0.2mm

entre trilhas do circuito de controle, garantindo isolação, evitando curtoscircuitos e possíveis interferências;

• Espessura mínima de 3mm para trilhas do circuito de potência e 0.25mmpara demais trilhas;

• Priorização do menor comprimento para ligação entre conexões evi-tando indutâncias parasitas;

• Posicionamento de trilhas de modo que não haja formação de espirasentre as mesmas, podendo ocasionar interferências.

Além do circuito de potência do conversor, a placa engloba suportepara o DSP, drivers, filtros e fontes auxiliares. O objetivo principal de englobartodos esses elementos em uma mesma placa é a praticidade de operação embancada, além da redução significativa do tamanho do conversor. O softwareutilizado para o projeto de layout é o Altium Designer.

Entre as modificações realizadas no projeto base, destacam-se:

• Circuito de potência totalmente redesenhado para o conversor NPC;

• Substituição de diodos de grampeamento por diodos zener nos circui-tos de medição, reduzindo o número de componentes necessários;

• Retirada de circuito auxiliar utilizado para comando das chaves comsemicondutores SiC (carboneto de silício) dos drivers;

• Correção de componentes que apresentavam footprint incorreto;

• Reposicionamento de componentes;

• Aumento da espessura de trilhas entre os drivers e as chaves.

86

B.0.1 Projeto de layout 2D

O projeto de layout possui 4 camadas, sendo duas superficiais e duasinternas. Cada uma delas possui função específica e compreende diferentescircuitos do conversor.

Na camada da superfície superior (Toplayer ), estão os filtros induti-vos e capacitvos, transdutores, DSP, componentes dos circuitos de medição,condicionamento e controle.

Figura B.1 – Camada da superfície superior (toplayer )


Na camada Midlayer1, tem-se o plano de barramento CC positivo (VBUS+)localizado abaixo dos componentes de potência, e também o barramento deterra (GND) localizado abaixo do circuito de controle. O plano VBUS+ faz-seconveniente pois está interligado aos componentes semicondutores de po-tência e também aos capacitores do barramento CC. O plano GND localizadoabaixo dos circuitos de condicionamento e controle é útil pois interliga todosos CI’s e componentes a referência de terra. Além dos polígonos, foram rea-lizadas ligações entre componentes através desta camada.

87

Figura B.2 – Camada interna 1 (midlayer1)


Na camada interna 2 (Midlayer2), tem-se o plano de barramento terra(GND) localizado abaixo dos componentes de potência, e também o barra-mento de +5V localizado abaixo dos circuitos de controle. O barramento GNDde potência é necessário pois compreende o ponto médio do barramento CC,além de gerar referência de terra a todos os componentes de potência. O bar-ramento +5V da eletrônica é bastante útil pois alimenta o DSP e CI’s utilizadospara condicionamento dos sinais. Além dos polígonos, foram realizadas liga-ções entre componentes através desta camada.

88

Figura B.3 – Camada interna 2 (midlayer2)


Na camada da superfície inferior (Bottomlayer ), tem-se os componen-tes de potência juntamente com os dissipadores, capacitores de filtro, fontesde alimentação para os drivers e componentes dos circuitos de condiciona-mento e controle. Esta camada possui ainda em sua malha de trilhas umplano de barramento CC negativo (VBUS-) localizado abaixo dos circuitos depotência. Este plano, juntamente com os planos de GND (camada interna 2) eVBUS+ (camada interna 1) formam o barramento CC de potência do conver-sor. Estes polígonos exercem função de barramentos que auxiliam na ligaçãoentre componentes.

89

Figura B.4 – Camada da superfície inferior (bottomlayer ).


B.0.2 Projeto de layout 3D

Com o objetivo de visualizar o protótipo o mais próximo da realidadepossível e com isso otimizar o posicionamento dos componentes na placa, foirealizado o projeto de layout 3D do conversor, no software Altium Designer.Para que cada componente tenha visualização em 3D é preciso que seu foot-print esteja em 3D. Alguns modelos de componentes eletrônicos foram obti-dos na biblioteca online de desenhos 3D content central. Já os que não foramencontrados nesta plataforma foram desenhados aproximando-se ao máximode sua forma real, através de software CAD de desenho mecânico.

Para adicionar o desenho 3D de um componente é necessário queo desenho esteja no formato .step. Na PCBLibrary escolher o componentedesejado. No menu superior Place, selecionar Generic STEP Model em 3DModel Type. Carregar o arquivo .step pelo botão Embed STEP Model. Épossível que o componente não esteja na mesma posição espacial que ofootprint 2D, é possível então ajustar e obter o melhor posicionamento, atravésda visualização do componente em 3D. (MOIA, )

90

Figura B.5 – Menu 3D Body de componente.


Figura B.6 – Transistor com encapsulamento TO-247 com corpo 3D no soft-ware Alitum Designer.


Já para criar o desenho 3D de um componente, é possível selecio-nando a opção Extruded no menu 3D Body de um componente. Deve-sepreencher as dimensões da base do componente respeitando os limites exis-tentes do footprint 2D, e verifique o resultado após com a visualização 3D docomponente.

91

Figura B.7 – Transformador de pulso com corpo 3D no software Alitum Desig-ner.


O layout completo do conversor em 3D pode ser visto nas figuras B.8e B.9.

Figura B.8 – Vista superior do protótipo em 3D


92

Figura B.9 – Camada inferior do protótipo em 3D


APÊNDICE C -- Foto do conversor na bancada

Figura C.1 – Foto do conversor T-NPC na bancada.


APÊNDICE D -- Código do Bloco C do PSIM

/ /−−Codigo do bloco C S i m p l i f i e d para PSIM v9 . 1 . 1/ / Codigo u t i l i z a d o para con t ro l e v e t o r i a l de conversor NPC t r i f a s i c o ./ / Bruno Fuentes ./ // /−−−−−−−−−−−−−−−−DECLARACAO VARIAVEIS−−−−−−−−−−−−−−−−

s t a t i c double id , iq , i0 , i d r e f , Ia , Ib , Ic , Vcc , Vccref , evk ,evk0 , evk1 , evk2 , uvk , uvk0 , uvk1 , uvk2 , eidk , uidk ,uidk1 , uidk2 , eidk1 , eidk2 , Dd, i q r e f , eiqk , eiqk1 , eiqk2 ,uiqk , uiqk1 , uiqk2 , Dq, Da, Db, Dc , theta , the ta_ in , gnd ,Vbus , Vbusneg , Va , Vb , Vc , v_alpha , v_beta , teste_PLL ,pwm, star t_chav , ia_1 , ia_2 , ia_3 , ia_4 , ib_1 , ib_2 , ib_3 ,ib_4 , ic_1 , ic_2 , ic_3 , ic_4 , va_1 , va_2 , va_3 , vb_1 ,vb_2 , vb_3 , vc_1 , vc_2 , vc_3 , vbus_1 , vbus_2 , vbus_3 ;

double kdes , bv0 , bv1 , bv2 , av0 , av1 , av2 ,bi0 , bi1 , bi2 , ai0 , ai1 , a i2 ;

/ /−−−−−−−−−−−−−−−−−Var iave is con t ro le−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−bv0= −7.8971144E−004; / / −0.00039485572∗2;bv1= −6.1968026E−007; / / (−3.0984013E−007)∗2;bv2= 7.8909176E−004; / / 0.00039454588∗2;av0= 1 . ;av1= −1.9921807;av2= 0.99218069;

b i0= 2.72337625E−003; / / 0.0054467525∗0.5;bi1= 1.65693235E−004; / / 0.00033138647∗0.5;bi2= −2.557683E−003; / / −0.005115366∗0.5;ai0= 1;a i1= −1.4362657;a i2= 0.43626571;/ /−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−ENTRADAS−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−ia_1=x1 ;ib_1=x2 ;ic_1=x3 ;va_1=x4∗ (0.012856486); / / ( 1 / pico_tensao_CA )vb_1=x5∗ (0.012856486);vc_1=x6∗ (0.012856486);vbus_1=x7 ;t he ta_ in =x8 ;pwm=x9 ;/ /−−−−−−−−MEDIA DE 3 VALORES DE MEDICAO−−−−−−−−−−−−ia_3=ia_2 ;ia_2=ia_1 ;ib_3=ib_2 ;ib_2=ib_1 ;ic_3= ic_2 ;ic_2= ic_1 ;va_3=va_2 ;

95

va_2=va_1 ;vb_3=vb_2 ;vb_2=vb_1 ;vc_3=vc_2 ;vc_2=vc_1 ;vbus_3=vbus_2 ;vbus_2=vbus_1 ;

Ia =( ia_1+ia_2+ia_3 )∗0.333;Ib =( ib_1+ib_2+ib_3 )∗0.333;I c =( ic_1+ ic_2+ ic_3 )∗0.333;Va=( va_1+va_2+va_3 )∗0.333;Vb=( vb_1+vb_2+vb_3 )∗0.333;Vc=( vc_1+vc_2+vc_3 )∗0.333;Vbus=( vbus_1+vbus_2+vbus_3 )∗0.333;

/ /−−−−−−−−−−−−−−DEF. CONSTANTES−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−t he ta =( the ta_ in −1.570796);gnd=0;teste_PLL =0;/ / kdes =0.09896; / / an t igo (800V)/ / kdes=7.9168e−3; / / 400V, considerando L=2∗420u/ / kdes=0.00039584; / /400V, considerando L=420ukdes=0.000791682; / / 200V/ /−−−−−−−−−−−−−−−−−−BOTOES−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

i f (pwm > 0 .5 )s ta r t_chav =1;

/ /−−−−−−−−−−−I n i c . v a r i a v e i s cont ro ladores−−−−−−−−−−−−−−−−−−−i f ( s ta r t_chav ==0)evk =0;evk1 =0;evk2 =0;uvk =0;uvk1 =0;uvk2 =0;e idk =0;eidk1 =0;eidk2 =0;u idk =0;uidk1 =0;uidk2 =0;e iqk =0;eiqk1 =0;eiqk2 =0;u iqk =0;uiqk1 =0;uiqk2 =0;

96

/ /−−−−−−−−−−−−−− Teste do PLL : GPIO58−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−i f ( s in ( t he ta_ in ) > 0)teste_PLL =1;i f ( s in ( t he ta_ in ) < 0)teste_PLL =0;

/ /−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ABC − alpha beta−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

v_alpha =0.8164∗(1∗Va−0.5∗Vb−0.5∗Vc ) ;v_beta =0.8164∗(0∗Va+0.8660∗Vb−0.8660∗Vc ) ;

/ /−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−ABC−dq0−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

i d =0.666∗( cos ( the ta )∗ Ia + cos ( theta −(2.0944))∗ Ib + cos ( the ta +(2.0944))∗ I c ) ;i q =0.666∗( s in ( the ta )∗ Ia + s in ( theta −(2.0944))∗ Ib + s in ( the ta +(2.0944))∗ I c ) ;/ / i 0 =0.666∗(0.5∗ Ia + 0.5∗ Ib + 0.5∗ I c ) ;

/ /−−−−−−−−−−−−−−−−−Contro lador de tensao−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

Vccref =200;

evk=Vccref−Vbus ;uvk=bv0∗evk+bv1∗evk1+bv2∗evk2−av1∗uvk1−av2∗uvk2 ;

evk2=evk1 ;evk1=evk ;uvk2=uvk1 ;uvk1=uvk ;

/ / uvk= i d r e f ; uvk = a r e f e r e n c i a para a corrende i d .

/ /−−−−−−−−−−−−−Contro lador de cor ren te id−−−−−−−−−−−−−−−−−

eidk=gnd−i d ;

u idk=b i0∗eidk+b i1∗eidk1+bi2∗eidk2−a i1∗uidk1−ai2∗uidk2 ;

eidk2=eidk1 ;eidk1=eidk ;uidk2=uidk1 ;uidk1=uidk ;

Dd=uidk− i q∗kdes ;

/ /−−−−−−−−−−−−−−−−−−−Contro lador de cor ren te iq−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

97

eiqk=gnd−i q ;

u iqk=b i0∗eiqk+b i1∗eiqk1+bi2∗eiqk2−a i1∗uiqk1−ai2∗uiqk2 ;

eiqk2=eiqk1 ;eiqk1=eiqk ;uiqk2=uiqk1 ;uiqk1=uiqk ;

Dq=uiqk+ i d∗kdes ;

/ /−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−dq0−ABC−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

Da=Dd∗cos ( the ta ) + Dq∗s in ( the ta ) + gnd ;Db=Dd∗cos ( theta −(2.0944)) + Dq∗s in ( theta −(2.0944))+ gnd ;Dc=Dd∗cos ( the ta +(2 .0944) ) + Dq∗s in ( the ta +(2.0944))+ gnd ;

/ /−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−Limi tadores−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

i f (Da>=1)Da=1; ;i f (Da<=−1)Da=−1; ;i f (Db>=1)Db=1; ;i f (Db<=−1)Db=−1; ;i f (Dc>=1)Dc=1; ;i f (Dc<=−1)Dc=−1; ;

/ /−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−SAIDAS−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−y1=Da ;y2=Db ;y3=Dc ;y4= i d ;y5= i q ;y6=uvk ;y7= the ta ;

98

y8=v_alpha ;y9=v_beta ;y10=teste_PLL ;

Documents

BRUNO VERONEZI FUENTES ESTUDO DO CONVERSOR NPC …layout design is started. The mathematical converter modeling is necessary in the control project, which is performed in dq0 coordinates