Circuitos de Auxílio à

Comutação ZVT SimplificadosAplicados a Pólos PWM Bidirecionais:Conceito e Metodologia de Síntese

Rafael Concatto Beltrame, Eng.

Santa Maria, 27 de agosto de 2010

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1.

Introdução e motivação2.

Revisão bibliográfica

3.

Metodologia de síntese– Topologias ZVT simplificadas– Generalização da técnica ZVT e definição das chaves simplificadas

4.

Resultados Experimentais5.

Conclusão

Sumário

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• Economia global  Depende de fontes não‐renováveis– 87% de toda energia é não‐renovável– Crescimento econômico  Crescimento da demanda– Eletricidade

Apresenta um contínuo aumento

• Apelo ambiental  Emissão de CO2– Doenças respiratórias– Efeito estufa  Aquecimento global

• Tipos  Eletricidade– Menores níveis de poluição dentre as demais– Restrito a construção das usinas geradoras

1. Introdução e Motivação

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4

1. Introdução e Motivação

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5

• Longo prazo

Investimentos na geração renovável (R$)• Curto prazo  Conservação

da energia elétrica

• Brasil  Foco no setor industrial (40%)– Motores elétricos

(55%)  Celulose, automobilística, petroquímica, etc

– Aplicações com variação de velocidade  Eletrônica de Potência

1. Introdução e Motivação

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• Inversores de Freqüência  Variação de velocidade– Desenvolver sistemas de alta eficiência  Conservação de energia

– Altas taxas de di/dt

e dv/dt

Sobretensões na máquina• Danifica rolamentos e exige mais do sistema de isolação

– Interferência Eletromagnética (EMI)• Problema para veículos elétricos, redes de comunicação industriais, etc

1. Introdução e Motivação

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• Características desejáveis aos conversores– Elevado rendimento– Redução dos elementos reativos

• Filtros  Elevação da freqüência de corte• Redução de peso e volume associados• Redução de custos

– Maior portabilidade

e modularidade– Melhor resposta dinâmica

• Solução  Aumento da fs

(?)– Aumento das perdas de chaveamento

• Volume de dissipadores

ffs s PPswsw

1. Introdução e Motivação

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• Para aliviar o compromisso entre perdas e fs– Técnica de comutação‐suave– ZVT

• Grande atenção da academia• Reduz di/dt

e dv/dt

Sobretensões e EMI

• Baixos esforços de tensão e corrente• Operação próxima a do conversor dissipativo

• Emprego de modulação PWM convencional

• Seis chaves auxiliares (acionamento motores)

Atrativo

Não atrativo

1. Introdução e Motivação

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• Conceito: Integração de CACs do tipo ZVT– Compartilhamento da AVS  Entre

diferentes pólos PWM do conversor

– Reutilização da energia das comutações• Alto grau de

compactação

• Chaveamentos sincronizados• Perda de graus de liberdade

2. Revisão Bibliográfica

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• Conceito: Simplificação de CACs do tipo ZVT– Exemplo

• V. Vlatkovic et al, 1993

2. Revisão Bibliográfica

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• Conceito: Simplificação de CACs do tipo ZVT– Compartilhamento da AVS Mesmo

pólo PWM do conversor

– Independência

na modulação dos pólos PWM– Qualquer

estratégia de modulação

• Minimização do conteúdo harmônico ou perdas de chaveamento

2. Revisão Bibliográfica

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• Conceito: Simplificação de CACs do tipo ZVT– Exemplo

• H. Takano et al, 2001

2. Revisão Bibliográfica

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2. Revisão Bibliográfica

• Metodologia de síntese de topologias ZVT integradas– J. Russi et al, 2007

e Schuch et al, 2009

– Síntese de novas topologias– Sistematização das topologias existentes

• Metodologia de síntese de topologias ZVT simplificadas– Inexistente

– Academia  Teoria geral

Rigorismo científico na descrição• Substituição à abordagem de “tentativa‐e‐erro”

– Todas as topologias compartilham dos mesmos princípios– Procedimento de síntese das topologias atuais e de novas

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• Estrutura genérica dos conversores PWM– Pólo PWMModulação de S1

e S2– Fonte de corrente  Carga– Semicondutor ideal

Tempos de comutação nulos

– Semicondutor real

Tempos finitos• Sobreposição tensão‐corrente

3. Metodologia de Síntese

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• Estrutura genérica dos conversores ZVT– Alternativa

Caminho paralelo para desviar a corrente do pólo 

PWM previamente à

comutação– Fonte controlada de corrente (iLx

)  Indutor auxiliar (Lx

)– Fonte auxiliar de tensão (AVS)  Conjunto de dispositivos

3. Metodologia de Síntese

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• Implementação da AVS– Estrutura genérica

3. Metodologia de Síntese

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– Fontes Vx1

e Vx2• Acoplamento magnético• Fontes CC isoladas• Níveis intermediários do link

CC

– Sx1

e Sx2• Arranjo de chaves e diodos

3. Metodologia de Síntese

• Implementação da AVS– Estrutura genérica

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• Distribuição dos componentes no CAC – Caminho de corrente

• Ao menos um elemento indutivo• AVS  Fontes de tensão CC e chaves semicondutoras

– Seis possíveis combinações– Verificar redundâncias

3. Metodologia de Síntese

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3. Metodologia de Síntese

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3. Metodologia de Síntese• A metodologia de simplificação de CACs do tipo ZVT 

– Implementação da AVS– Redução no número de chaves de alta freqüência– Operação equivalente ao conversor ZVT clássico– Chaves semicondutoras simplificadas

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• Casos analisados– Níveis de tensão da AVS

• Combinação

– Etapas de operação

Diagramas Blocos+

Chaves simplificadas

3. Metodologia de Síntese

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*Caso 1

†Caso 2

+Caso 3

3. Metodologia de Síntese

• Combinações possíveis  Análise das etapas de operação

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3. Metodologia de Síntese

Diagrama‐3

(H. Takano et al, 2001)

• Exemplos

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3. Metodologia de Síntese

(J. Choi et al, 2001)

Diagrama‐3

• Exemplos

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• Protótipo Implementando– Inversor SEMISTACK (Semikron)– Módulo SKM50GB123D– Filtro LC  3mH, 4uF

4. Resultados Experimentais

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• CAC Simplificado– H. Takano et al, 2001– Sxj

IRG4BC20UD– Dxj

8ETH06

4. Resultados Experimentais

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4. Resultados Experimentais

• Operação: Topologia ZVT Simplificada– Comutação ZVS

(S5

)– Comutação ZCS

(Sx3

)

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• Regime Permanente: Topologia ZVT Simplificada– Padrão PWM com Mínimas‐Perdas SVM

• Sem comutações 60º

em torno de Imax

• Liberdade na escolha da seqüência de chaveamento

4. Resultados Experimentais

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ZVT Integrada                         ZVT Simplificada

4. Resultados Experimentais

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• Qualidade de Energia (Yokogawa®

WT1600)– THD

da tensão de linha [vab1

(t)] após o filtro LC– Topologia ZVT Simplificada Menor THD

• Seqüência não voltada à

minimização da THD • Seqüência simétrica• Contendo apenas os vetores adjacentes (sem SSVs extras)

Topologia ZVT Integrada Topologia ZVT Simplificada

4. Resultados Experimentais

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• Medição de Eficiência (Yokogawa®

WT1600)– Topologia ZVT Simplificada Menores perdas

• Seqüência de Mínimas‐Perdas SVM• Perdas de acionamento minimizadas

4. Resultados Experimentais

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• Metodologia de síntese de topologias ZVT simplificadas– Identificação das restrições

de operação

– Proposta de chaves simplificadas– Diagrama de blocos

representativos da estrutura do CAC

• Método gráfico e intuitivo• Síntese de topologias inéditas e já

publicadas

• Resultados experimentais– Comprovaram a metodologia de síntese– Comprovaram as conclusões obtidas a partir da análise comparativa

• A escolha da técnica (integração ou simplificação)  tem  impacto do desempenho global do conversor

5. Conclusão

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Contato:beltrame@mail.ufsm.brbeltrame@mail.ufsm.br

Agradecimentos

Programa de Pós‐Graduação em  Engenharia Elétrica – UFSM

Coordenação de Aperfeiçoamento de  Pessoal de Nível Superior

Conselho Nacional de Desenvolvimento  Científico e Tecnológico