Desenvolvimento de um filtro ativo de potência paralelo com nova topologia multinível

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica e de ComputadoresAtualmente, é muito importante a qualidade de energia elétrica (QEE) que é fornecida ao setor industrial e residencial, devido aos prejuízos económicos causados pela falta de QEE, pois a eficiência e o tempo de vida útil das cargas são afetados. Por tal motivo, este tema tornou-se objeto de estudo e de grande preocupação a nível mundial. Para garantir a melhoria na qualidade das formas de onda geradas pelos inversores, a abordagem comum prende-se, principalmente, com o aumento da frequência de comutação dos semicondutores. Contudo, isto leva ao aumento das perdas de comutação, maior stress aplicado aos semicondutores e ao aumento das interferências eletromagnéticas. Para contornar esta situação, uma abordagem interessante consiste no uso de inversores com mais níveis na forma de onda gerada na sua saída. Hoje em dia, o avanço tecnológico permite, então, conjugar estes dois métodos (aumento da frequência de comutação e aumento dos níveis de tensão), utilizando semicondutores de última geração da eletrónica de potência (nomeadamente SiC – Carboneto de Silício). Estes semicondutores são capazes de comutar a elevadas frequências, com perdas de comutação reduzidas, e, com isso, possibilitar reduzir o tamanho do inversor. Assim, esta dissertação consiste no desenvolvimento de um inversor com tecnologia multinível operando como filtro ativo de potência paralelo (FAP), contribuindo então para mitigar os problemas de QEE. Trata-se de uma versão monofásica que permite compensar os problemas de QEE relacionados com harmónicos de corrente e com o baixo fator de potência. Assim, com o desenvolvimento do inversor é possível a sintetização de correntes com elevada qualidade e com baixo ripple, bem como reduzido tamanho face aos inversores atuais. A dissertação apresenta uma análise comparativa de conversores bidirecionais multinível, limitados ao máximo de cinco níveis, tendo como objetivo aplicações de FAP diretamente ligados à rede elétrica. Com base neste estudo foi possível selecionar a topologia adotada e efetuar uma verificação detalhada da topologia com recurso à ferramenta de simulação PSIM. Posteramente, foi integralmente desenvolvido um protótipo laboratorial, incluindo hardware e software (programação em DSP), e foi efetuada uma verificação experimental, permitindo validar as vantagens e limitações da topologia e das tecnologias adotadas.Nowadays, the power quality supplied to the industrial and domestic sector is very important, due to the economic losses caused by the lack of power quality, because the efficiency and the shelf life of the loads are affected. For that reason, this subject matter has become object of study and of concern worldwide. The improvement in the waveforms quality generated by the inverters, the common approach, was mostly related with the increased of semiconductors frequency switching. However, this leads to increased switching losses, increased stress applied to the semiconductors and increased electromagnetic interference. To overcome this situation, the most interesting approach, consists on using inverters with more levels in the waveform generated at their output. The technologic advance allows to combine these two methods (increased frequency switching and increased voltage levels), by using latest generation semiconductors of power electronics (namely SiC – Silicon Carbide). These semiconductors are capable to switch at high frequencies, with reduced switching losses, and thus make it possible to reduce the inverter size. Therefore, this dissertation consists on the development of a inverter with multilevel technology operating as active power filter, contributing to the mitigation of QEE problems. It is a single-phase version, that allows to compensate the QEE problems related with harmonic currents and power factor. For that reason, with the development of a inverter is possible the current synthesis with higher quality and low ripple, as well reduced size compared to current inverters. The dissertation presents a comparative analysis of the multilevel bidirectional converters, confined to five levels, having as a main goal the application in FAP directly connected to the electrical power grid. Based on this study was possible to select the chosen topology and do a detailed verification using the simulation tool PSIM. Subsequently, a laboratory prototype was fully developed, including hardware and software (DSP programming), and an experimental verification was carried out, allowing to validate the advantages and limitations of the topology and adopted technologies.Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “Quality4Power - Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI-EEE/28813/2017.Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “DAIPESEV – Development of Advanced Integrated Power Electronic Systems for Electric Vehicles”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI EEE/30382/2017