Carga eletrônica ativa trifásica

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013.Neste trabalho estão apresentados os estudos efetuados do conversor trifásico bidirecional de três níveis (NPCm), aplicado a operação como Carga Eletrônica Ativa de corrente alternada. Os esforços de corrente e de tensão são analisados, modelados e comparados com o conversor NPC, bem como as perdas dos seus dispositivos semicondutores, para variações da defasagem da corrente e do índice de modulação. Semicondutores estado da arte foram ensaiados em laboratório e utilizados nos dois conversores, tais como os modernos diodos e transistores de Carboneto de Silício (SiC), visando a análise comparativa das perdas e a obtenção de conversores de alta eficiência. São obtidos modelos para o sistema quando composto por filtros de primeira ou de terceira ordem, apresentando os problemas inerentes de cada topologia. No caso do filtro de primeira ordem, composto por um indutor, são apresentados vários resultados de simulação com o controle da corrente drenada, para diferentes frequências harmônicas, mostrando a possibilidade de ocorrência de saturação do controlador e como contorná-la. Para o caso de utilização de um filtro de terceira ordem (LCL), é proposto um sistema de controle formado por um controlador clássico, a Realimentação dos Estados (RE) e um Observador de Estados (OE). O observador é usado para obter o valor da variável a ser controlada, sem o uso de sensores, e a RE é usada para se obter uma amortização ativa das oscilações na frequência de ressonância do filtro. Neste caso, primeiro são apresentados resultados de simulação com o sistema de controle analógico, depois são analisados os problemas causados pela discretização e implementação com controladores digitais, mostrando qual a ação foi tomada para contornar tais problemas. Por fim, vários resultados experimentais com o controlador digital são apresentados, mostrando que o protótipo construído foi capaz de emular correntes com conteúdo harmônico amplo e genérico, com boa rejeição às perturbações causadas pelas alterações da tensão ou da indutância do equipamento sob teste (EST).<br>Abstract : This work presents a study of a modified Neutral Point Clamped (here called NPCm), a bi-directional three-phase three-levels inverter, operating as an AC Active Electronic Load. First, the current and voltage stresses are analyzed, modelled and compared with the standard Neutral Point Clamped (NPC) inverter. State-of-the-art semiconductors were selected and tested in different controlled temperature of operation, in order to obtain their energy losses characteristics, like the modern silicon carbide (SiC) diodes and transistors. Later, this devices were used as main power semiconductors for both inverter topologies and their losses were compared as function of load current and modulation index variations, in order to achieve best performance on efficiency and same time establishing know how on its usage and power losses qualification. Models are obtained for the system when with first or third order filters were used, showing inherent characteristics of each topology. In the case of the first order filter with an inductor, several simulation results are presented with current control for various harmonic frequencies, showing the possible occurrence of controller saturation and how to avoid it. In the case of utilization of a third order filter (LCL type), this work proposes a digitally implemented control strategy comprising state feedback, robust observer, phase-locked loop and a linear current controller to cope with AC AEL applications. The observer is used to obtain the value of variable to be controlled, without the utilization of sensors and the state feedback is used to obtain an active damping of oscillations at the resonance frequency. First the simulations results are presented with an analog control, later is the problems caused by the digital controllers discretization and implementation are analysed, showing how the build prototype was able to control currents with broad and generic harmonic content showing good rejection of the perturbations caused by changes on voltage or inductance of the equipment under test (EUT)