63ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 8. Engenharia Elétrica

ANÁLISE E IDENTIFICAÇÃO DOS PERCENTUAIS DE POTÊNCIA ATIVA ASSOCIADAS ÀS PRINCIPAIS ESTRATÉGIAS DE MODULAÇÃO UTILIZADAS EM INVERSORES MULTINÍVEIS EM CASCATA

Wandry Rodrigues Faria 1 Sérgio Pires Pimentel 2

1. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás – IFG – Campus Itumbiara 2. Prof. MSc./Orientador – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás – IFG – Campus Goiânia

INTRODUÇÃO:

Os inversores estão relacionados à área da Eletrônica de Potência e são utilizados principalmente em sistemas de acionamento de máquinas elétricas, de compensação de harmônicos e de reativos, de filtros ativos de potências, de fornecimento ininterrupto de energia elétrica e de geração distribuída. Uma das estruturas utilizadas na montagem dos inversores é a estrutura multinível. O seu surgimento foi motivado basicamente pela necessidade de manipular níveis de potência cada vez maiores e, com isso, contornar as limitações tecnológicas dos dispositivos semicondutores disponíveis até então. Dentre as principais topologias da estrutura multinível, a topologia em cascata é a mais utilizada. Uma vez que há variações na estrutura da topologia, há também diferentes métodos para a estratégia de modulação do inversor. Ao optar-se pela estrutura multinível, faz-se necessário, portanto, escolher também o número de níveis, a topologia, os valores das tensões CC e a estratégia de modulação que estarão vinculados ao inversor desejado. Este trabalho propõe que essa seleção baseie-se na análise em conjunto de tais critérios e, também, no percentual de potência ativa que cada um dos módulos em série fornece ou recebe sob a operação da estratégia de modulação escolhida.

METODOLOGIA:

Por envolver conteúdos relacionados à Eletrônica de Potência e uma vez que tal disciplina ainda não foi cursada pelo aluno em seu curso, inicialmente foram desenvolvidas atividades de pesquisa bibliográfica e de aprendizado sobre a área específica do tema. O material necessário foi disponibilizado pelo orientador do projeto e as atividades desse período podem ser resumidas: no estudo dos principais inversores da estrutura multinível e de suas respectivas características; no estudo das topologias em cascata simétrica e cascata assimétrica; e no estudo de estratégias de modulação vinculadas às topologias em cascata da estrutura multinível. Em seguida, o aluno desenvolveu atividades de consolidação do conhecimento adquirido inicialmente que incluíram: na elaboração de simulações computacionais de forma a verificar a operação do inversor multinível com o emprego de cada uma das estratégias de modulação verificadas; e na medição dos níveis de potência ativa. Tais atividades forneceram dados para o início das etapas seguintes: a determinação da relação (níveis de potência ativa versus índice de modulação) a partir dos dados obtidos nas simulações; e a comparação das estratégias de modulação em termos de potência ativa, mediante análise dos gráficos realizados.

RESULTADOS:

As simulações foram realizadas no software PSIM e foram constituídas por: elementos de potência; elementos de controle; e elementos de análise baseados em rotinas escritas na linguagem C++. Para a execução das simulações variou-se o índice de modulação de 0,0 até 1,2, inclusive. Utilizou-se o software MATLAB na criação dos gráficos de comparação a partir das medições nas simulações. Os resultados obtidos referem-se às topologias cascata simétrica e assimétrica (com e sem modulação PWM no módulo de menor tensão). Verificou-se que a cascata assimétrica é capaz de gerar um número maior de níveis com uma quantidade menor de módulos e que, em função da diferença entre as tensões CC da topologia, as diferenças nos percentuais de potência ativa entre os módulos são elevadas. Na cascata simétrica, ao contrário da assimétrica, é necessário o uso de uma quantidade maior de módulos para gerar uma quantidade mediana de níveis. Cada um dos módulos tem a mesma tensão, porém trabalham em diferentes faixas. A potência ativa é praticamente a mesma em todos os módulos, a diferença dessa estratégia com a cascata simétrica é o chaveamento em alta frequência de cada módulo. A modulação PWM consiste em comparar um sinal de referência qualquer com uma onda triangular periódica.

CONCLUSÃO:

Após a realização das atividades foi possível comparar não apenas as estratégias de modulação, mas também o comportamento dos níveis de potência ativa em função do tipo de carga alimentada pelo inversor multinível. Como carga linear utilizou-se uma resistência apenas. E como carga não-linear utilizou-se um retificador monofásico em ponte completa com filtro capacitivo de saída, em paralelo com uma resistência. Concluiu-se que, para a mesma estratégia de modulação, o uso de uma carga linear ou de uma carga não-linear parece não afetar o comportamento dos níveis de potência ativa em cada um dos módulos. Com relação às topologias cascata simétrica e cascata assimétrica, é possível concluir que a cascata assimétrica requer exigências mais rigorosas na manutenção do maior valor de tensão CC disponível. O módulo de maior tensão é responsável por fornecer o maior percentual da potência ativa total da carga e, por isso, a sua tensão tende a se desestabilizar mais facilmente. Isso é observado principalmente para valores de índice de modulação superiores a 0,4. Outras estratégias de modulação (PD, POD e APOD) e outro tipo de carga estão sendo incorporados à análise atual. Os autores continuam executando as atividades do projeto e em busca de novas conclusões sobre o método proposto.

Palavras-chave: Eletrônica de Potência, Qualidade da Energia Elétrica, Medidas Elétricas.