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A análise e o projeto de um retificador abaixador trifásico, incluindo os parâmetros elétricos e de controle, as formas de onda de tensão e corrente, as equações de operação e as constantes de deslizamento. Além disso, é fornecida a especificação de todas as variáveis necessárias para a implementação do circuito, incluindo os resistores, capacitores e diodos utilizados.
O que você vai aprender
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
RETIFICADORES MONOFÁSICOS E
TRIFÁSICOS COM CARGA DIFERENCIAL
CONTROLADOS POR REGIME DE
DESLIZAMENTO: ANÁLISE, PROJETO E
IMPLEMENTAÇÃO
Tese submetida à Universidade Federal de Santa Catarina Como parte dos requisitos para a Obtenção do grau de Doutor em Engenharia Elétrica
Florianópolis, Novembro de 2008
ii
‘Esta Tese foi julgada adequada para obtenção do Título de Doutor em Engenharia Elétrica, na área de concentração de Eletrônica de Potência, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina.’
Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing. Orientador
Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Prof. Katia Campos de Almeida, Ph.D.
Banca Examinadora:
Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing. Presidente
Prof. Ivan Eidt Colling, Dr.
Prof. Gilberto Costa Drumond Souza, Ph.D.
Prof. Marcelo Lobo Heldwein, Dr.
Prof. Enio Valmor Kassick, Dr.
Prof. Samir Ahmad Mussa, Dr.
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A mi esposa Yeriza y mi hijo Matias
A mis padres Manuel e Isabel, hermana y familiares
v
Meus agradecimentos são para todos àqueles que têm a intenção de difundir o conhecimento científico e tecnológico, melhorarem a qualidade de vida e, principalmente, enriquecer a humanidade com saber e dignidade. Agradeço a Deus por iluminar meu caminho, me dando forças para vencer todas as dificuldades. Ao Professor Ivo Barbi, pelo seu incentivo, apoio e amizade desenvolvida no decorrer da orientação deste trabalho. Ao Professor Ivan Eidt Colling, pelo seu apoio, amizade e soporte técnico entregado no decorrer deste trabalho. Aos Professores do Instituto de Eletrônica de Potência (INEP-UFSC): Arnaldo José Perin, Denizar Cruz Martins, Enio Valmor Kassick, João Carlos dos Santos Fagundes, Hari Bruno Mohr e Samir Ahmad Mussa, pela notável dedicação a excelência do ensino e pesquisa neste laboratório. Aos membros da banca examinadora pela disposição em analisar, criticar e dar contribuições para a finalização deste trabalho. Aos Mestrandos e Doutorandos: Carlos Illa Font, Alceu Andrê Badim, Andrê Bardermarker, Mateus, Jean P. Rodriguez, Cícero Postiglioni. Aos demais colegas bolsistas, mestrandos e doutorandos que sempre estiveram dispostos a dar apoio e incentivo. Aos ex-funcionários do INEP Patrícia Schmitt, e Rafael e aos funcionários do INEP Abraham Hipolito, Regina, Antonio Luiz S. Pacheco e Luiz Marcelius Coelho pela amizade e auxílio. À Universidade de Antofagasta e Capes por viabilizarem a realização deste trabalho. A minha esposa e filho, que deram o suporte e a companhia durante meus estudos, apoiando e dando força nos momentos difíceis e compartindo minha felicidade nos momentos felizes, nesta bela e inesquecível cidade. A meus pais, Manuel e Isabel os quais contribuiram em minha formação humana e profissional dando as ferramentas necessárias para alcançar esta meta.
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Abstract of Thesis presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Electrical Engineering.
November / 2008
Advisor: Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing Area of Concentration: Power Electronic and Electrical Driver Keywords: AC-DC Power conversion; DC-AC power convertion; power quality; power supplies; variable structure system Number of pages: 225
Abstract: This work presents the study of two step-down rectifiers, a single-phase and its three-phase version, in addition to develop the design and implementation of the three-phase rectifier proposed by Colling and Barbi. The main characteristics of these rectifiers are: to use of conventional switching cells, to allow the bidirectional energy transfer, through the inversion of the reference signal, to obtain an output voltage lower, equal or larger than the peak value of the input voltage and to achieve a reduction of input current THD and a high power factor. The converters are analyzed as a connection of independent subconverters, controlled by sliding mode with decentralized switching scheme. This control, allows to obtain a robust system and a straightforward implementation. Initially a revision of the proposed topologies that operate with differential load connected is done in the research of the Power Electronics Institute of the UFSC. Subsequently, mathematical analyses are shown, resulted from numerical simulations of the different proposed rectifiers and the experimental results of the rectifiers tests, for both, single-phase and three-phase versions implemented in this work.
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Resumo de la Tezo prezentita al UFSC kiel parta postulo por la havigo de la titolo de Doktoro pri Elektra Inĝenierarto
Gvidanto: Prof. Ivo Barbi, Dr.Ing. Fako de Koncentriĝo: Povuma Elektroniko kaj Elektra Funkciigado. Ŝlosilvortoj: AK-KK konvertiloj; KK-AK konvertiloj; energikvalito; sistemoj kun variigebla strukturo; nutrofontoj. Nombro da paĝoj: 225
Resumo: En tiu ĉi laboro oni presentas la studon de du tensimallevaj rektifiloj: unu el ili estas la unufaza kaj la alia estas ĝia trifaza versio. Krome, oni prezentas la projekton kaj pridiskutas la ellaboradon de la trifaza rektifilo proponita de Colling kaj Barbi. La ĉefaj ecoj de la menciitaj strukturoj estas: ili uzas la tradiciajn ŝaltĉelojn, ili ebligas la energitransdonon el AK- al KK-nutrofonto kaj inverse, estante tiu inversigo de la energifluo efektivigebla per simpla inversigo de du referencaj signaloj, ili kapablas disponigi elirtension pli malalta, egala aŭ pli alta ol la enirtensio kaj ili permesas la funkciadon kun malalta rilatumo de harmondistordo (RHD) ĉe la enirkurento kaj kun alta agofaktoro. La konvertiloj estas analizataj kiel konektaĵoj de sendependaj subkonvertiloj, reguligataj per reĝimo de glitado kun malcentralizan skemon de ŝaltigo. En la komenca parto de la laboro, oni revizias la strukturojn, kiuj nutras ŝarĝojn per subtraha konekto, proponitajn kaj ellaboritajn en la Instituto pri Povuma Elektroniko de la Federacia Universitato de Sankta- Katarino. Poste, oni prezentas la matematikan analizon, la rezultojn de nombraj simuloj, same kiel la eksperimentajn rezultojn koncernantajn la unufazan kaj la trifazan rektifilojn ekestigitajn dum ĉi tiu laboro.
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Símbolos e abreviaturas usadas nos diagramas e equacionamentos Símbolo Descrição A : Matriz de sistema ou matriz de estado ampop : Amplificador operacional B : Vetor de entrada ou vetor de controle BESS : Sistema de armazenamento de energia em baterias ( Battery Energy Storage System ) BJT : Transistor bipolar de junção ( B ipolar J unction T ransistor ) C : Capacitor [F] CA : Corrente alternada (como subíndice, é escrito em minúscula) CC : Corrente contínua (como subíndice, é escrito em minúscula) Cd : Capacitor do filtro de corrente contínua [F] Cv (s) : Função de transferência do controlador de tensão CSI (s) : Função de transferência do circuito PI com filtro C1FC : Capacitor 1 do filtro Butterworth do sinal de corrente C2FC : Capacitor 2 do filtro Butterworth do sinal de corrente D : Interruptor não controlado (diodo); razão cíclica (razão de condução) Dr : Diodo retificador do circuito de comando complementar d(t) : Razão cíclica variável no tempo f (^) cd : Freqüência de comutação para regime de deslizamento [Hz] FP : Fator de Potência f (^) pa : Freqüência de corte do filtro passa-altos [Hz] f (^) r : Freqüência da rede [Hz] f (^) s : Freqüência de comutação [Hz] FT : Função de transferência i : Corrente instantânea [A] I : Corrente máxima
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IGBT : Transistor bipolar com porta isolada ( I solated- G ate B ipolar T ransistor ) IGCT : Tiristor comutado por porta integrada ( I ntegrated- G ate C ommutated T hyristor ) K 1 e K 4 : Constante de regime de deslizamento da tensão [V/V] K 2 , K 3 e K 5 : Constante de regime de deslizamento da corrente [V/A] KV : Ganho do compensador de tensão L : Indutância [H] Ld : Indutor do filtro de corrente contínua [H] MCT : Tiristor semicondutor-controlado de metal-óxido ( M etal- oxide-semiconductor C ontrolled T hyristor) MOSFET : Transistor de efeito de campo de metal-óxido semicondutor ( M etal- O xide- S emiconductor F ield- E ffect T ransistor ) n : Ordem do sistema N1, N2..Nn : Pontos do circuito de controle P : Potência [W] PI : Ações de controle proporcional e integral Ps : Potência de saída [W] PWM : Modulação por largura de pulso ( P ulse- W idth M odulation ) Q : Interruptores ideais; Potência reativa R : (^) Resistor [Ω]
R1FC : (^) Resistor 1 do filtro Butterworth do sinal de corrente [Ω] R2FC : (^) Resistor 2 do filtro Butterworth do sinal de corrente [Ω] R3FC : (^) Resistor 3 do filtro Butterworth do sinal de corrente [Ω]
R4FC : (^) Resistor 4 do filtro Butterworth do sinal de corrente [Ω] R32 e R38 : Resistores do circuito inversor com amplificadores operacionais [Ω] RSA : (^) Resistor do circuito somador [Ω]
RS1 : Resistor do circuito somador que ajusta o valor de S 1 [Ω] RS2 : (^) Resistor do circuito somador que ajusta o valor de S 2 [Ω] RS3 : (^) Resistor do circuito somador que ajusta o valor de S 3 [Ω]
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σ :^ Superfície de deslizamento φι : Defasagem da fase i, com relação à origem, no sistema de alimentação trifásico [rad] ϕ : Ângulo de fase na evolução senoidal (na freqüência da rede em graus) ω : Freqüência angular da rede de alimentação [rad/s]
ωzi :^ Freqüência angular dos zeros [rad/s] ωpi :^ Freqüência angular dos pólos [rad/s]
Índices e subíndices Símbolo Descrição 1, 2, 3...N : Numeração para descrever os componentes 1i, 2i : Componentes do circuito PI com filtro 0 : Saída a, b e c ou A, B e C
: Fases do sistema trifásico
C1, C2 : Capacitor 1 ou 2 C1s : Sinal de saída do sensor de tensão de VC cc : Corrente contínua ccret : Operação como retificador, lado de corrente contínua ccinv : Operação como inversor, lado de corrente contínua cret : Comutação como retificador cvaz : Comutação em vazio cinv : Comutação como inversor ca : Corrente alternada ch1, ch2, ch3 : Componentes do comparador com histerese d1, d2, d3, d4 : Divisor de tensão 1, 2, 3 e 4. Relacionado com as medições das tensões Vc1 e VC dif1,..,difn : Relacionado com componentes dos circuitos diferenciadores dlz : Deslizamento dlz.mín.i : Limite mínimo para que aconteça o deslizamento sem fugas na operação como inversor
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dlz.mín.r : Limite mínimo para que aconteça o deslizamento sem fugas na operação como retificador H- : Limite inferior do circuito de histerese H+ : Limite superior do circuito de histerese in : Entrada inv : Operação como inversor L : Carga L1, L2 : Indutor 1 ou 2 máx : Valor máximo mín : Valor mínimo op- : Potencial negativo do amplificador operacional op+ : Potencial positivo do amplificador operacional p : Valor de pico part : Partida pc1,....pcn : Componente do circuito limitador de corrente iLcc pi : Componente do pólo do controle PI ps1 : Potencial da variável S 1 , que relaciona o erro de Lca ps3 : Potencial da variável S 3 , que relaciona o erro de Lcc pot1 : Potenciômetro 1 ref1,...refn : Relacionado com os sinais de referência ret : Operação como retificador rms : Valor eficaz ( R oot M ean S quare ) sat : Saturação salR : Lado secundário do transformador de sinal S1, S2,..,S4 : Interruptores controlados sec : Secundário tm : Tempo morto zi : Componente do zero do controle PI
Superíndices Símbolo Descrição
Fig. 3.13. Freqüência das comutações em função do ângulo de fase em três condições