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dossier sobre motores elétricos e controlo
conversores de frequência multinível de Média Tensão com tolerância a falhas Bruno Baptista1, Sérgio Mendes1, André Mendes2 1 2
WEGeuro - Indústria Eléctrica, S.A. 4470-605 Maia, Portugal
UC/IT, Universidade de Coimbra / Instituto de Telecomunicações, FCTUC, DEEC, Portugal
Atualmente os conversores de eletrónica de potência multinível são uma das escolhas preferidas para aplicações de alta potência. Entregam uma onda da tensão de saída com menor distorção harmónica, que resultará numa maior eficiência dos motores que acionam. Também poderão comtemplar sistemas de tolerância a falhas que contribuirão para um aumento de confiabilidade do sistema, uma grande mais ‑valia em sistemas industriais críticos.
Figura 1. Conceito de conversor multinível [2]: (a) 2 níveis; (b) 3 níveis; (c) n níveis.
Topologias de conversores multinível 1. INTRODUÇÃO A evolução no campo da eletrónica de potência permitiu o desenvolvimento de conversores, que vieram resolver, de forma sofisticada, dificuldades no controlo dos motores de indução. No que respeita ao tipo de conversores instalados em meios industriais, a sua maior parte são de dois níveis. Contudo, o interesse por parte da indústria e o meio académico em relação aos conversores multinível tem crescido consideravelmente. Este interesse é consequência das vantagens que este tipo de conversor multinível apresenta sobre os conversores de dois níveis, possibilitando a obtenção de uma forma de onda da tensão de saída de melhor qualidade. Sendo esta mais próxima de uma onda sinusoidal, tem uma menor distorção da tensão, levando a uma menor distorção da corrente, a menores perdas no motor devido às componentes harmónicas, evitando assim sobreaquecimento deste. Também os esforços de tensão são menores nos semicondutores do conversor. Em situação ideal, um conversor multinível com um número infinito de níveis possui uma distorção harmónica nula na forma de onda da tensão de saída. Este tipo de conversores responde a uma variada gama de aplicações industriais que necessitam de variação de velocidade, tais como compressores, bombas centrífugas, ventiladores, correias transportadoras e moinhos.
Durante os últimos anos, foram desenvolvidas várias topologias de conversores multinível. As três principais estruturas referidas na literatura estão representadas na Figura 2 e são [3]: conversores de ponte H em cascata com fontes CC isoladas, conversores com fixação do ponto neutro (NPC) e conversores de condensadores flutuantes. Também, são referidas estruturas híbridas, como por exemplo NPC+Ponte H ou Condensadores Flutuantes+Ponte H. Neste tipo de conversores de eletrónica de potência, os IGBTs são os interruptores semicondutores predominantes. Neste artigo será dada enfase ao conversor multinível de ponte H em cascata, já que a nível industrial é uma topologia frequentemente utilizada. Para explicar o seu funcionamento é utilizado o conversor MVW3000 da WEG, um produto que já é fabricado em Portugal.
Figura 2. Principais topologias de conversores multinível.
2. CONVERSORES MULTINÍVEL O conceito de conversor multinível foi introduzido a partir de 1975. O termo começou a ser utilizado com o conversor de três níveis, e, subsequentemente, várias topologias de conversores multinível foram desenvolvidas [1]. Os conversores multinível são constituídos por um conjunto de condensadores, cada um com uma fração da tensão do barramento de corrente contínua que alimenta o conversor. Ademais, incorporam um conjunto de semicondutores que permitem colocar à saída do conversor diferentes níveis de tensão, dependendo do vetor de comando dos interruptores controlados. Na Figura 1, são apresentados os esquemas que pretendem simular um braço de um conversor que proporciona na saída diferentes níveis de tensão Va: (a) 2 níveis, (b) 3 níveis e (c) n níveis. www.oelectricista.pt o electricista 74
3. TOLERÂNCIA A FALHAS No que respeita aos motores em ambiente industrial, é comum que estes se insiram num sistema, comumente chamado por acionamento elétrico. Normalmente, este sistema é constituído pela alimentação, que pode ser garantida diretamente pela rede elétrica ou por um conversor de eletrónica de potência, o próprio motor e a carga mecânica. Muitos destes acionamentos estão frequentemente instalados em processos críticos, podendo decorrer da sua avaria, um prejuízo avultado. Por este motivo, a possibilidade de ter um conversor com tolerância a falhas no acionamento é muito atrativa, sendo que a utilização deste tipo de conversores contribui para um aumento de confiabilidade do sistema. Num conversor com tolerância a falhas, de modo geral,