Modulação síncrona otimizada para minimização de ondulação de potência em máquinas síncronas a írmãs permanentes

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2018.Considerando os sistemas industriais de acionamento elétrico de alta potência, até centenas de MW, e média tensão, até 13,8 kV, os quais atualmente necessitam de se trabalhar com frequência de comutação relativamente baixa nos semicondutores, a modulação síncrona otimizada tem se mostrado uma opção para manter a qualidade da forma de onda das correntes mesmo em frequências reduzidas de comutação. Este trabalho investiga a utilização da técnica de modulação otimizada considerando características específicas de uma máquina síncrona à ímãs permanentes, (MSIP), em especial em máquinas que apresentem força contra-eletromotriz com distribuição não senoidal, no intuito de diminuir ondulações de potência e torque no eixo da máquina. Para tanto, foram desenvolvidas equações que representam a máquina em regime permanente no tempo, levando-se em consideração a existência de harmônicos nas tensões, correntes e potências. A modulação foi projetada otimizando-se os instantes das comutações da forma de onda de saída do inversor, entradas do problema de minimização da potência oscilante representado pelas equações previamente deduzidas e em um ponto de operação de carga e velocidade. As equações e o processo de otimização foram desenvolvidos para um modelo de máquina específica e validados através de simulações e resultados em bancada do acionamento de uma carga resistiva-indutiva utilizando um conversor com ponto neutro grampeado, (NPC), de 3-níveis. Também foram obtidos resultados através de simulação de uma MSIP acionada por modulação PWM por portadora, uma modulação síncrona otimizada convencional que minimiza a distorção harmônica total ponderada, e a modulação otimizada proposta para minimização da potência e torque oscilantes em um ponto de operação específico.Abstract : Considering high power, up to hundreds of MW, medium voltage, up to 13,8 kV, for industrial electric drive, which currently need to operate with relatively lower switching frequency on the semiconductors, synchronous optimal modulation, has been show an option to traditional modulation, maintaining current waveform quality with lower switching frequencies. This work investigates the use of the synchronous optimal modulation considering specific characteristics of a permanent magnet synchronous machine, (PMSM), with special focus on machines that have back electromotive force with non-sinusoidal distribution, in order to reduce power and torque oscillations. For that, a series of equations that represent the machine in steady state in time where developed, taking into account the existence of harmonics in the voltages, currents and power. The modulation was designed by optimizing the switching instants of the inverter waveform as inputs of an oscillating power minimization problem, represented by the previously deduced equations at a point of operation of load and speed. The model and the optimization process were developed for a specific machine model and validated through simulations and practical results of a 3-level neutral point clamped, (NPC) inverter driving a resistive-inductive load. Further results were obtained through simulation and comparisons of a PMSM drive with carrier base PWM modulation, a traditional synchronous optimal modulation that minimizes the weighted total harmonic distortion and the proposed modulation, that has been specifically optimized to reduce power and torque oscillations in a specific operation point of the chosen PMSM