Desenvolvimento de ferramentas computacionais para a análise de perdas em conversores estáticos: aplicação ao cálculo de rendimento de UPSs trifásicas de dupla conversão

Exportado OPUSMade available in DSpace on 2019-08-11T01:37:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 main_dissertacao.pdf: 15705014 bytes, checksum: ed5d3afa8376db8402d06d9006cc4817 (MD5) Previous issue date: 28As UPSs (Uninterruptible Power Supplies) de dupla conversão são equipamentos que proveem a alimentação segura e sustentada de subsistemas com missão crítica, em que os distúrbios oua interrupção no suprimento podem levar a perdas e danos. Esta dissertação objetiva comparar os rendimentos globais de UPSs trifásicas de dupla conversão nas topologias de dois níveis,com componentes de silício e de carbeto de silício (SiC) e de três níveis em arranjos NPC1 (Neutral-Point Clamped) e NPC2, com dispositivos de silício. A metodologia adotada se baseia na comparação de 80 projetos de UPSs de dupla conversão, com distintas especificações de tensão no barramento c.c., frequência de chaveamento e potência nominal. Para tanto, ferramentas de software com interface gráfica foram implementadas em MATLAB para estimar as perdas nos semicondutores e nos indutores dos filtros LCL de entrada e LC de saída da UPS. As simulações das UPSs foram conduzidas no ambiente MATLAB/Simulink e incluem o controle dos estágios inversor e retificador. Para fins de validação experimental das estimativas teóricas de perdas, um protótipo de um conversor buck de 5; 5 kW foi construído e a potência dissipada neste circuito foi medida via wattímetro digital. Em seguida, um protótipo simples e de baixo custo de um calorímetro indireto série foi desenvolvido, para que as incertezas associadas às leituras de perdas fossem reduzidas. Os resultados de simulação indicam que a topologia NPC1 exibe maior rendimento global dentre as UPSs com componentes de silício, para a maior parte dos projetos deUPS avaliados. Ademais, as UPSs com SiC superam o desempenho da maioria das variações de silício em análise, o que acena para a viabilidade dos componentes de SiC para estas aplicações.Os resultados experimentais apontam para a concordância entre as estimativas de perdas e as medições via wattímetro. A efetividade do protótipo de calorímetro indireto série para a medição de perdas é demonstrada em ensaios com resistores de potência. Por fim, as técnicas propostas para a avaliação teórica de perdas podem ser estendidas para qualquer conversor estático e podem orientar o projeto de equipamentos mais eficientes e com maior densidade de potência.Double-conversion UPSs (Uninterruptible Power Supplies) are devices that provide safe and continuous supply to mission-critical systems, in which disturbances or interruptions in power supply can lead to losses or damages. This thesis aims to compare the energy efficiency performance of three-phase double-conversion UPS in two-level topologies, with silicon and silicon carbide (SiC) devices, and in three-level topologies in NPC1 (Neutral-Point Clamped) andNPC2 configurations, with silicon power modules. The adopted methodology is based on the comparison of 80 designs of double-conversion UPS, with several values of d.c. bus voltages,switching frequencies and rated power. In order to accomplish this goal, software tools with graphical interface were implemented in MATLAB, for semiconductor losses estimation and for inductor losses calculation in input and output LC and LCL filters. UPS simulations were performed in MATLAB/Simulink and include the inverter and rectifier control. For experimental validation of the theoretical results, a circuit of a 5.5 kW buck converter was built and power losses measurements were conducted with a digital wattmeter. Then, a simple and low cost indirect series calorimeter prototype was developed, in order to reduce the uncertainties in power losses measurement. Simulation results show that NPC1 topology exhibits the highest global efficiency among the silicon based UPSs, in most UPS designs. Furthermore, the SiC based UPSsmostly overcome the performance of silicon based UPSs, which shows the competiveness of SiC devices for UPS applications. Experimental results prove the agreement between theoretical and measured results using digital wattmeter. Preliminary tests with power resistors demonstrate the effectiveness of the indirect series calorimeter prototype. Lastly, the proposed techniques for losses evaluation could be extended for any power converter and could enhance equipment design regarding energy efficiency and power density