DETECÇÃO E CORREÇÃO DE FALHAS DE CIRCUITO ABERTO NO ... · reduz o esforço de tensão sobre os interruptores. As topologias de conversores multiníveis mais conheci-das e estabelecidas

DETECÇÃO E CORREÇÃO DE FALHAS DE CIRCUITO ABERTO NO INVERSOR ANPC DE TRÊS

NÍVEIS

ANTONIO ISAAC L. DE LACERD , EDISON ROBERTO C. DA SILV

¹ DOUTORANDO NO PROGRAMA DE PÓS-GRADUACÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA, PPGEE/UFCG,

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE (UFCG)

58.429-900, CAMPINA GRANDE – PB – BRASIL

² INSTITUTO FEDERAL DA PARAÍBA (IFPB), 58.900-000, CAJAZEIRAS - PB – BRASIL

³ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA UFPB E UFCG

58.429-900, CAMPINA GRANDE – PB – BRASIL

E-mails: [email protected], [email protected]

Abstract This paper deals with open switch faults in Active Neutral Clamped Inverters (ANPC). Detection of faults and its compensation, so that the inverter operation continues until its stop in a planned way are presented. Simulation results confirm

the strategies proposed.

Keywords Fault detection, fault compensation, multilevel inverter, ANPC inverter.

Resumo Este artigo estuda as falhas de circuito aberto em chaves em um inversor multinível do tipo grampeamento ativo a

diodos. Ele investiga a detecção e a correção da falha através de topologias que permitem manter o sistema em operação até uma

parada planejada. A viabilidade das estratégias propostas é verificada através de simulação.

Palavras-chave Detecção de falha, compensação de falha, inversor multinível, inversor ANPC.

1 Introdução

Os conversores multiníveis são constituídos por

uma matriz de chaves passivas e ativas que, quando

apropriadamente conectadas e controladas, podem

processar elevadas tensões de entrada e gerar três ou

mais níveis de tensão contínua de saída. Esta técnica

reduz o esforço de tensão sobre os interruptores. As

topologias de conversores multiníveis mais conheci-

das e estabelecidas são NPC (do inglês "Neutral

Point Clamped") ou diodo grampeado, FC (do inglês

"Flying Capacitor") ou capacitor grampeado, e CHB

(do inglês "Cascaded H-Bridge") ou ponte H em

cascata, as quais foram introduzidas pela primeira

vez em (Nabae, Takahashi e Akagi, 1981), (Meynard

e Foch, 1992) e (Marchesoni, Segarich e Soressi,

2005), respectivamente.

Recentemente, foi introduzida uma topologia

chamada de inversor multinível com diodos grampe-

adores ativos (ANPC) Essa estrutura tem por objeti-

vo produzir uma distribuição mais igualitária da

temperatura de junção dos semicondutores, permitin-

do permite um aumento da potência de saída do con-

versor em operação normal (Bruckner, Bernet e

Guldner, 2005).

A estrutura ANPC, que é mostrada na Figura 1, e

obtida por meio da conexão de chaves ativas em

antiparalelo aos diodos de grampeamento da estrutu-

ra NPC clássica. Dessa forma, o NPC ativo é consti-

tuído por três células. A célula 1 é formada pelas

chaves e . A célula 2 é composta por e

. E a célula 3 por e .

Figura 1. Estrutura de um conversor ANPC de três níveis.

A confiabilidade do equipamento de acionamento

estático é extremamente importante do ponto de vista

eficiência energética. A detecção da falha é necessá-

ria para preservar o funcionamento do processo em

condições próximas às normais por um maior tempo

possível (Ribeiro et al, 2003). Métodos para melhorar

confiabilidade são o sobredimensionamento do con-

versor (Januszewski et al, 1995), a operação de cir-

cuitos ou componentes redundantes em paralelo

(Araujo Ribeiro, Jacobina e da Silva, 2004), o uso de

um controle tolerante a falhas (Jacobina et al, 2003),

ou a introdução de componentes suplementares nas

estruturas básicas (Correa et al, 2001), inclusive

multiníveis (Ceballos e Pou, 2010).

Em (Wang et al) é analisada a operação de um

ANPC de três níveis quando ocorrem falhas de cir-

cuito aberto e curto circuito. Entretanto, nesse traba-

lho, independentemente do tipo de falha a fase em

que esta falha ocorreu é conectada ao ponto central

do barramento. Isto reduz o índice de modulação

para 0,577 e, consequentemente, a potência de saída

do inversor. Quanto à falha de curto-circuito, o estu-

do é limitado ao caso em que os capacitores e chaves

suportam as condições de curto-circuito.

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

601

mailto:[email protected]

Este trabalho tem por objetivo investigar o uso

de diferentes técnicas de detecção de falhas em um

inversor com diodos grampeadores ativo (ANPC).

Além das estratégias de detecção de falhas, também

serão examinadas técnicas para compensar as falhas

de circuito aberto que ocorrem nos dispositivos de

potência do conversor. Embora importante, as falhas

de curto-circuito não serão abordadas neste artigo.

2 Princípio de Operação

A modulação PWM senoidal para um conversor

ANPC pode ser classificada com base na escolha das

redundâncias do estado zero que são usados na mo-

dulação. Todas as comutações ocorrem entre uma

chave ativa e um diodo. Mesmo assim, se mais do

que dois dispositivos estão ligados ou desligados,

somente uma chave e um diodo participam das per-

das de chaveamento. O controle da distribuição das

perdas de condução pode ser realizado por meio da

utilização específica do caminho superior ou inferior

durante o estado zero. As perdas de condução não

podem ser influenciadas durante os estados P e N.

Três modulações utilizadas no comando do in-

versor ANPC, são examinadas a seguir. A modulação

PWM 1 usa duas portadoras, e com mesma

amplitude e frequência porém com níveis deslocados

no eixo vertical. Em particular, a portadora associada

ao nível negativo está em oposição de fase com rela-

ção à portadora positiva, como indica a Figura 2.

Figura 2. Modulação por largura de pulso da estratégia PWM-1

para o ANPC

Já na modulação PWM 2, os sinais de controle

são obtidos pela comparação entre a tensão de refe-

rência e duas portadoras em oposição de fases e des-

locadas no eixo vertical. Dois estados de chaveamen-

to e

são usados para usados para obter o nível

zero de tensão. Em particular, o primeiro é usado

quando a tensão de referencia é negativa, o segundo

é usado quando a referencia é positiva, como mostra-

do na Figura 3, possível observar que quatro estados

de chaveamento são usados para obtenção dos esta-

dos zero, ,

, e

indicados na Figura 4.

Na modulação PWM 3 os sinais de controle são

obtidos pela comparação da tensão de referência com

duas portadoras com defasagem de 180º entre si. É

Figura 3. Modulação por largura de pulso da estratégia PWM-2 para o ANPC

Figura 4. Modulação por largura de pulso da estratégia PWM-3 para o ANPC

3 Capacidade de tolerância a falhas do inversor

ANPC

Para melhorar a capacidade de tolerância a fa-

lhas o circuito da Figura 1 foi reconfigurado colo-

cando módulos de potência contendo SCRs em para-

lelo com as chaves e (Figura 5). Para uma

falha de circuito aberto, as possíveis condições de

falhas estudadas neste trabalho podem ser divididas

como:

1. Falha em Sx1 ou Sx4;

2. Falha em Sx1 e Sx5 ou Sx4 e Sx6;

3. Falha em Sx2 ou Sx3;

4. Falha em Sx5 e/ou Sx6.

O estudo apresentado em (Huang et al) trata das

condições 1, 2 e 4 acima. Entretanto, propõe que, em

todos casos, a fase em que a falha ocorreu seja co-

nectada ao ponto central do barramento. Diferente-

mente, o circuito proposto permite quatro soluções

para falhas de circuito aberto na qual três delas ainda

mantêm o conversor funcionando com utilização

total do barramento, como será visto a seguir.


602

Figura 5. Estrutura modificada de um conversor ANPC de três níveis

3.1 Falha em Sx1 ou Sx4

Durante a operação normal do conversor os

SCRs permanecem abertos. Após uma falha de cir-

cuito aberto na chave externa , a chave é

desligada e um sinal de gatilho é aplicado em ,

o circuito equivalente é mostrado na Figura 6.

Figura 6. Estrutura reconfigurada de um conversor ANPC de três

níveis, após uma falha de circuito aberto na chave

Desta forma, o novo conversor possui apenas

duas células de comutação, a célula 1 é formada

pelas chaves - , e a célula 2 é composta por

- e os estados de chaveamento e os respectivos

valores de tensão de polo do conversor são mostra-

dos na tabela 1. O esforço de tensão na chave é

igual à tensão total do barramento.

Tabela 1. Estados do ANPC, após uma falha de circuito aberto na

chave .

Estado

P 1 0 0 1

0 0 1 0 1 0

N 0 1 1 0

Após uma falha de circuito aberto na chave ex-

terna . a chave é desligada e um sinal de gati-

lho é aplicado em . O circuito equivalente é

mostrado na Figura 7.

A tabela 2 mostra os estados de chaveamento e

os respectivos valores de tensão de polo do conver-

sor.


níveis, após uma falha de circuito aberto na chave


chave .

Estado

P 1 1 0 1

0 0 0 1 1 0

N 0 0 1 1

3.2 Falha em Sx1 e Sx4

Considerando uma falha de circuito aberto nas

chaves externas e , as chaves e são

desligadas e um sinal de gatilho é aplicado em

e . O circuito equivalente é mostrado na Figura

8.


níveis, após uma falha de circuito aberto nas chaves e

Assim os interruptores - operam de forma

complementar e o conversor passa a operar como um

conversor de dois níveis. O esforço de tensão nas

chaves é igual à tensão total do barramen-

to. Os estados de chaveamento e os respectivos valo-

res de tensão de polo do conversor são mostrados na

tabela 3.


chave e .

Estado

P 1 0

N 0 1


603

3.3 Falha em Sx1 e Sx5 ou Sx4 e Sx6

Após uma falha de circuito aberto nas chaves

e , um sinal de gatilho será aplicado em

, o circuito equivalente sendo igual ao mostra-

do na Figura 6. Já para uma falha de circuito aberto

nas chaves e , um sinal de gatilho deve ser

aplicado em , o circuito equivalente é igual ao


Os estados de chaveamento e os respectivos va-

lores de tensão de polo do conversor são mostrados

nas tabelas 1 e 2, respectivamente.

3.4 Falha em Sx1 e Sx5 ou Sx4 e Sx6

Quando de uma falha de circuito aberto na chave

de interna será enviado um sinal de gatilho ligan-

do as chaves e e as chaves e são

desligadas, desta forma a fase que apresenta o defeito

é conectada ao ponto central do barramento CC.

Durante uma falha de circuito aberto na chave interna

, será enviado um sinal de gatilho fazendo condu-

zir as chaves e e desligando as chaves e

. Desta forma a fase que apresenta o defeito é

conectada ao ponto central do barramento CC. Caso

ocorra uma falha de circuito aberto nas chaves e

ao mesmo tempo, as chaves e são ligadas

e as chaves e são desligadas, conectando uma

das fases da carga ao ponto central do barramento

CC. Assim, o circuito equivalente é um conversor

ANPC de três níveis com apenas dois braços como



níveis, após uma falha de circuito aberto nas chaves e/ou

Nesse caso, o modo de controle PWM requer

uma defasagem de 60 graus entre os valores das

tensões de referência ( e ). As fases das ten-

sões na carga , e são geradas pelas tensões

de referência , . Note-se que com o método

descrito o inversor possui três fases equilibradas com

formas de ondas senoidais, mas a tensão de saída é

reduzida por um fator de √ quando comparado

com um inversor ANPC convencional.

A tabela 4 apresenta os estados de chaveamento

para o conversor ANPC três-níveis com apenas dois

braços.

Tabela 4. Estados do conversor ANPC.

Esta-do

1 1 0 0 0 0

1 1 0 0 0 1

0 0 1 0 0 1 0

1 0 1 0 0 1 0

0 1 0 0 1 0 0

0 1 0 1 1 0 0

0 0 1 1 0 0

0 0 1 1 0 1

3.5 Falha em Sx5 e/ou Sx6

Considere-se agora uma falha de circuito aberto

na chave de grampeamento . Um sinal de coman-

do é enviado pra desligar a chave . Similarmente,

caso ocorra uma falha na chave , a chave será

desligada. Assim o circuito equivalente será um

conversor NPC de três níveis com a adição de SCRs,

como mostrado na Figura 10.

Figura 10. Estrutura reconfigurada de um conversor NPC de três níveis

Nesta configuração os pares de chaves - e

- operam de forma complementar. A tabela 5,

define os estados possíveis para os interruptores de

um braço do inversor e seus respectivos valores de

tensão de polo.

Tabela 5. Estrutura reconfigurada de um conversor NPC de três níveis..

Estado

P 1 1 0 0

0 0 1 1 0 0

N 0 0 1 1

4 Detecção e Identificação da Falha

Para correção da falha é necessário não só detec-

tar o braço defeituoso, mas também o dispositivo

com falha, a fim de definir melhor a estratégia pós-

falha.


604

No inversor de dois níveis, a falha de circuito

aberto pode ser detectada através da monitorização

das tensões ou correntes diferentes do inversor (Ri-

beiro et al, 2001). Em (Da Silva, et al, 2006) foi

realizado um estudo da identificação do dispositivo

com falha para o conversor NPC. Em uma condição

de carga equilibrada a falha pode ser detectada pelos

erros nas tensões de polo provocados pelos dispositi-

vos defeituosos. Considere-se esses erros de tensão

como sendo (x = a,b,c), no caso de falhas nos

dispositivos. As tensões do inversor podem ser repre-

sentadas por meio das equações a seguir.

Tensões de fase neutro:

2 1 1

3 3 3

1 2 1

3 3 3

1 1 2

3 3 3

an ao ao

bn bo

cn co

V V V

V V

V V

(1)

Tensões de modo comum:

0 0 0 0 0

1( )

3n a a b cV V V V V

(2)

Tensões de linha:

1 1 0

0 1 1

1 0 1

ab ao ao

bc bo

ca co

V V V

V V

V V

(3)

Os erros de tensão são definidos como =

- (i = a, b, c, n, j = a, b, c, n, 0 e i j), onde

significa erro de tensão, significa tensão PWM de

referência, e significa a tensão medida. Os erros

de tensão causados são

0 0 0 0 0

1( )

3n a a b cV V V V V

(4)

Este método permite apenas identificar em que

parte do braço que ocorreu a falha, se o erro for posi-

tivo a falha ocorreu nas chaves , entre-

tanto se o erro for negativo a falha ocorreu nas cha-

ves . A identificação da chave defei-

tuosa pode ser realizado seguindo um conjunto de

passos:

1. Após o cálculo do erro, se o erro for positi-

vo deve ser enviado um sinal de gatilho li-

gando as chaves e desligando

as chaves , caso contrário se o

erro for negativo as chaves e

devem ser ligadas e as chaves

devem ser desligadas;

2. Se o erro for positivo e a tensão medida for

zero então a falha será em , já se a tensão

medida for maior que então a falha foi

em ou se for menor que a falha

ocorreu em ;

3. Caso contrário, se o erro for negativo e a

tensão medida for zero então a falha será em

, já se a tensão medida for maior que

então a falha foi em ou se for

menor que então a falha ocorreu em

;

5 Resultado de simulação

O conversor ANPC foi simulado com frequência

de chaveamento de 10 kHz, uma tensão de entrada de

pico de 120 V, 60 Hz, frequência na carga 60 Hz,

índice de modulação m = 0.9 e uma carga composta

por R = 30 Ohms e L = 10mH, as falhas ocorrendo

em t = 0.44s nas chaves do braço a.

As Figuras 11 a 17 exibem as correntes na carga

para as três fases e a tensão entre duas fases. Pode-se

perceber uma pequena distorção após a ocorrência da

falha, porém após um pequeno instante de tempo

após a falha ter sido detectada o circuito é reconfigu-

rado sem a necessidade do desligamento do sistema.

Nas Figuras 12 e 13 pode-se notar a redução da po-

tência de saída do conversor e do número de níveis,

pois o conversor passou a operar com apenas dois

níveis.

Já nas Figuras 18 a 23 mostram a tensão nos ca-

pacitores do barramento CC. Durante uma falha,

ocorre o desbalanceamento da tensão do barramento

havendo necessidade de correção através de uma

técnica de contole. Após uma falha em uma das cha-

ves da parte superior do braço a tensão no capacitor

C1 tende a crescer e a tensão no capacitor C2 decres-

ce. Para uma falha em uma das chaves da parte infe-

rior do braço a tensão no capacitor C1 diminui e a

tensão no capacitor C2 aumenta.

Na tabela 6 pode-se observar a distorção harmô-

nica total das correntes na carga, para o conversor

operando em condição normal e em condição de

diferentes falhas.

Tabela 6. Distorção harmônica total.

Condição THD (%)

Normal 1.49

Falha 1.51

Falha 2.8

Falha 2.8

Falha 1.51

Falha 1.53

Falha 1.53

Falha e 2.4

5 Resultado experimentais

O Inversor ANPC foi implementado experimen-

talmente utilizando DSP para o controle com fre-

quência de chaveamento de 10 kHz, uma tensão de


605

entrada de pico de 138 V, 60 Hz, frequência na carga

60 Hz, índice de modulação m = 0.9 e uma carga

composta por R = 50 Ohms e L = 7mH, as falhas

ocorrendo de forma aleatória.

As Figuras 24, 26 e 28 exibem as correntes na

carga para as três fases, já as Figuras 25, 27 e 29

mostram as tensões entre fases. Pode-se perceber

uma pequena distorção após a ocorrência da falha,

porém após um tempo a falha é detectada e o circuito

é reconfigurado sem a necessidade do desligamento

do sistema. Nas Figuras 26 e 27 pode-se notar a re-

dução da potência de saída do conversor e do número

de níveis, pois o conversor passou a operar com

apenas dois níveis.

6 Conclusão

Este trabalho investigou a capacidade de tole-

rância a falhas de um conversor ANPC de três níveis.

Para maior tolerância, foram adicionados dois SCRs,

em paralelo com as chaves exteriores. Foram estuda-

dos quatro tipos de falhas e para caso foi indicado o

circuito de compensação e a tabela de estados do

mesmo. Resultados de simulação e experimentais

mostraram o comportamento das tensões e correntes

do inversor compensado após a falha e o desempe-

nho do circuito de compensação. Observou-se que a

correção da falha permite ao inversor continuar ope-

rando até que uma manutenção corretiva seja efetua-

da.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Coordenação de Aper-

feiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES),

o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico

e Tecnológico (CNPq) e a Fundação de Apoio à

Pesquisa da Paraíba (FAPESQ) pelo apoio financei-

ro.

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533.

Figura 11. Correntes na carga para as três fases e a tensão entre

duas fases para uma falha na chave


606








duas fases para uma falha na chave e





Figura 18. Tensão nos capacitores do barramento CC para uma

falha na chave


falha na chave


falha na chave


falha na chave


607


falha na chave


falha na chave

Figura 24. Resultados experimentais para as correntes na carga

para as três fases para uma falha na chave

Figura 25. Resultados experimentais para as tensões entre fases

para uma falha na chave










608

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