Avaliação e implementação de técnicas de modulação PWM para aplicação em conversor NPC/PONTE H de cinco níveis

Autor: Matheus Bezerra Eiras da Silva
Přispěvatelé: Marcos Antônio Severo Mendes, Lenin Martins Ferreira Morais, Thiago Ribeiro de Oliveira
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
instacron:UFMG
Popis: Com o cont´ınuo crescimento industrial, a demanda pela energia el´etrica cresce no mesmo ritmo. Em vista disso, a utiliza¸c˜ao de conversores multin´ıveis de alta potˆencia e m´edia tensa˜o, para atendimento a`s cargas industriais, esta´ cada vez mais presente, em vista das vantagens que os conversores multin´ıveis apresentam. Dentre estas vantagens, pode-se citar a minimiza¸c˜ao da THD das formas de onda de tens˜ao, al´em da minimiza¸c˜ao de efeitos de EMI, (interferˆencia eletromagn´etica). No entanto, mesmo que estejam em alta nas aplica¸c˜oes de m´edia tens˜ao, o controle destes conversores ainda tem se mostrado um desafio: o nu´mero de vari´aveis medidas, vari´aveis de controle e sinais de comando ´e maior em aplica¸c˜oes multin´ıvel, o que tornam os sistemas mais complexos. As t´ecnicas de modula¸c˜ao por largura de pulso, PWM, aplicadas no comando das chaves visam a reduzir impactos como tens˜oes de modo comum, redu¸c˜ao de perdas de chaveamento, minimiza¸c˜ao da THD nos lados da rede e da carga, entre outros problemas. Todos esses paraˆmetros podem impactar na escolha do hardware utilizado para o controle e comando do conversor. Por esse motivo, a escolha correta da t´ecnica de modula¸c˜ao PWM deve ser feita para garantir a opera¸c˜ao adequada do conversor multin´ıvel. Neste trabalho as principais t´ecnicas de modula¸c˜ao por largura de pulso, PWM escalares e vetoriais s˜ao comparadas, sob o ponto de vista destes parˆametros. A topologia escolhida para estudo das t´ecnicas de modula¸c˜ao ´e a topologia NPC em ponte H de cinco n´ıveis trif´asica. Sua escolha se deve ao fato de o conversor apresentar benef´ıcios consider´aveis em rela¸c˜ao `as outras topologias multin´ıveis presentes na literatura - como por exemplo menor dv/dt e THD quando comparado ao conversor NPC de trˆes n´ıveis tradicional, ou a menor complexidade de montagem e simplifica¸c˜ao dos sinais de comando quando comparado ao NPC de cinco n´ıveis. A implementa¸c˜ao e simula¸c˜ao das t´ecnicas de modula¸c˜ao s˜ao realizadas no software Matlab/Simulink, sendo os moduladores avaliados atrav´es dos resultados de simula¸c˜ao obtidos. As simula¸c˜oes permitem concluir que as t´ecnicas de modula¸c˜ao escalar PD-PWM unipolar e SV-PD-PWM unipolar, melhor se adequam `a aplicac¸a˜o de acionamentos el´etricos estudada neste trabalho. O trabalho tamb´em apresenta a s´ıntese matem´atica cl´assica de um modulador vetorial de cinco n´ıveis, discutindo a complexidade matem´atica imposta pela caracter´ıstica do conversor NPC em ponte H de cinco n´ıveis, que apresenta estados redundantes. Por fim, este estudo tamb´em apresenta uma proposta de adaptac¸a˜o do modulador escalar PD-PWM unipolar, visando o balanc¸o das tenso˜es do barramento CC. Uma caracter´ıstica intr´ınseca das topologias multin´ıveis ´e a necessidade de regula¸c˜ao das tens˜oes dos capacitores do barramento, o que justifica a proposta de adapta¸c˜ao do Modulador PD-PWM unipolar na aplica¸c˜ao de acionamentos el´etricos estudada. O modulador adaptado ´e simulado, sendo as formas de onda de tensa˜o e corrente de carga, tensa˜o dos capacitores, CMV e THD apresentados. With the continued industrial growth, the demand for electricity grows at the same pace. In view of this, the use of high power and medium voltage multilevel converters, to meet industrial loads, is increasingly present in view of the advantages that multilevel converters present. The advantages include the minimization of voltage waveform THD and the minimization of EMI (electromagnetic interference) effects. However, even though they are raising in medium voltage applications, the control of these converters has still been a challenge: the number of measured/control variables and command signals is higher in multilevel applications, which makes the systems more complex. Pulse-width modulation techniques, PWM, applied in the command of the switches, aim to reduce impacts such as common mode voltages, reduce switching losses, and minimize the THD on the network and load sides, among other problems. All of these parameters can impact the choice of hardware used in the converter’s driver. For this reason, the correct choice of PWM modulation technique must be made to ensure proper operation of the multilevel converter. In this work the main techniques of pulse width modulation, scalar and vector PWM are compared from the point of view of these parameters. The topology chosen for the study of modulation techniques is the three-phase five-level H-bridge NPC converter. This choice is based in the fact that the converter has considerable benefits over other multilevel topologies present in the literature - such as lower dv / dt and THD, when compared to the traditional three-level NPC converter, or the lower assembly complexity and simplification of command signals when compared to the five-level NPC converter. The implementation and simulation of scalar modulation techniques are performed in Matlab / Simulink software, and the modulators are analysed through the simulation results obtained. The simulations allow us to conclude that the unipolar PD-PWM and SV-PD-PWM unipolar scalar modulation techniques are better suited to the application of electric drives studied in this work. The paper also presents the classical mathematical synthesis of a five-level vector modulator, discussing the mathematical complexity imposed by the five-level H-bridge NPC converter feature, which has redundant states. Finally, this study also presents a proposal to adapt the unipolar PD-PWM scalar modulator, aiming at the DC bus voltage balance. An intrinsic feature of multilevel topologies is the need to regulate busbar capacitor voltages, which justifies the proposed adaptation of the unipolar PD-PWM modulator in the application of electric drives studied. The adapted modulator is simulated and the voltage waveforms of the load current, capacitor voltage, CMV and THD are presented.
Databáze: OpenAIRE
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