Relatorio-Simulacao-Inversor-NPC-Ponte-Completa-Transistor-IGBT

Escolher um circuito prático com utilização do transistor como amplificador e realizar a simulação do circuito Elaborar um relatório com introdução aplicação justificativa desenvolvimento parte teórica do funcionamento do circuito e resultados com base nos gráficos da simulação Atividade Eletrônica Analógica Escolher um circuito prático com utilização do transistor como amplificador e realizar a simulação do circuito Elaborar um relatório com introdução aplicação justificativa desenvolvimento parte teórica do funcionamento do circuito e resultados com base nos gráficos da simulação INTRODUÇÃO O circuito a ser simulado é um tipo de inversor conhecido na literatura como NPC em ponte completa Em linhas gerais um inversor é um tipo de circuito que converte um sinal do tipo CC em um sinal do tipo alternado CA Portanto este tipo de inversor em específico é muito utilizado em sistemas de conversão de energia projetado especificamente para fornecer uma tensão de saída de forma senoidal Em termos de características o inversor NPC de ponte completa utiliza três níveis de tensão no lado da tensão alternada Ainda a sigla NPC referese à Neutral Point Clamped e isso significa que o circuito utiliza um ponto neutro no centro para equilibrar as tensões SILVA R Isso é considerado uma vantagem haja vista que as tensões em relação ao neutro podem ser ajustadas de forma que se criem tensões com forma de onda desejada pelo projetista Dando continuidade de acordo com SILVA R o inversor tipo NPC em ponte completa é composto por três conjuntos de interruptores semicondutores nesse trabalho utilizouse transistores de potência do tipo IGBT de forma que cada um desses conjuntos sejam conectados entre uma fase do circuito de carga e o ponto neutro A Figura 1 mostra a estrutura deste inversor Na figura Vdc representa a fonte de alimentação contínua CC D1 e D2 são diodos responsáveis por grampear a tensão no neutro e os 8 transistores são responsáveis por chavear a tensão CC convertendo o sinal para uma tensão CA a ser recebida pela carga A seguir serão demonstradas as aplicações deste tipo de inversor e as justificativas para escolha de simulação do mesmo Figura 1 NPC em ponte completa APLICAÇÃO As principais aplicações deste circuito são na área de sistemas de energia e de acionamentos de motores mas não se resumem a isto A seguir serão demonstrados três exemplos fundamentais de aplicações No caso de acionamentos de motores elétricos o inversor NPC em ponte completa é empregado por conta da sua capacidade de fornecer uma tensão de saída de alta qualidade por reduzir a componente harmônica e os picos de tensão Este tipo de característica é muito importante haja vista que em aplicações como na indústria automação etc é necessário um controle de processos preciso e estável MAZIDI M Outra aplicação fundamental é na geração de energia fotovoltaica Este tipo de inversor é muito utilizado nesses sistemas haja vista que através dele é possível converter a corrente contínua gerada nos painéis solares em corrente alternada CA de alta qualidade para alimentar a residência e a rede elétrica conectada ao sistema BORRÁS J Além disso outro exemplo de aplicação é na transmissão de energia Este tipo de inversor é muito utilizado em sistemas de transmissão de energia do tipo HVDC corrente contínua em alta tensão justamente por promover uma conversão de energia de alta qualidade nos pontos de recebimento de energia BORRÁS J JUSTIFICATIVA As principais justificativas para o estudo deste circuito se firmam em dois pontos O primeiro deles é a relevância deste tipo de sistema no contexto atual onde cada vez mais é preciso um controle estável e eficaz de processos industriais envolvendo motores de forma que este circuito é capaz de promover isto Além do mais no atual contexto de energias renováveis e utilização de sistemas fotovoltaicos este tipo de inversor é uma ótima opção haja vista seu alto desempenho e qualidade de energia convertida Isto acontece pois o inversor NPC tem a capacidade de produzir uma tensão de saída de alta qualidade com baixa distorção harmônica e poucos picos de tensão Além disso permite que a energia seja fornecida de volta à fonte de energia continua bidirecional isso é útil para sistemas de energia solar e sistemas de acionamentos de motores elétricos SILVA R Portanto em resumo as justificativas para escolha da simulação deste circuito são eficiência e qualidade de energia e integração com energias renováveis no contexto atual DESENVOLVIMENT Como dito anteriormente os interruptores utilizados IGBTs são controlados de forma a criar uma tensão de saída CA com três níveis de tensão positivo zero e negativo Isso acontece por conta do princípio lógico de funcionamento do circuito Basicamente o agrupamento de transistores é composto por 8 chaves sendo que cada chave tem uma chave complementar Portanto são 4 chaves complementares A Figura 2 demonstra a complementariedade entre as chaves Os grupos contendo chaves com a mesma cor são compostos por chaves complementares Nesse caso por exemplo qa1 é complementar a qa1 barrado Ou seja quando qa1 estiver aberta qa1 barrada está fechado e viceversa A estratégia para controle desse circuito é a utilização de um sinal PWM para controle das chaves O sinal PWM Pulse Width Modulation nada mais é que uma técnica utilizada para controlar a quantidade média de energia entregue a um dispositivo elétrico Isso acontece através de um ajuste do tempo em que o sinal é mantido em nível alto ou baixo Figura 2 Complementariedade das chaves Para isso a técnica de modelagem PWM se utiliza de dois sinais Um sinal de referência por exemplo uma onda senoidal e um ou mais sinais de portadoras SAHOO S No caso deste trabalho utilizouse uma técnica de modulação conhecida como modulação unipolar na qual se utiliza duas ondas portadoras do tipo triangulares a serem comparadas tempo a tempo com o sinal de referência Através desta comparação é possível emitir sinais de abertura ou fechamento de cada uma das chaves No caso em questão para modulação unipolar utilizamos a seguinte estratégia demonstrada em JAHANGEER S e nos vídeos descritos das referências bibliográficas deste trabalho definimos um sinal de referência máximo vhmax e um mínimo vhmin e montamos o sinal de referência vh Além disso definimos as tensões de polo de referência v10 e v20 vhmax vcc 2 max ref 2 ref 2 vhminvcc 2 min ref 2 ref 2 vh05vhmax05vhmin v10ref 2 vh v20ref 2 vh Feito isso comparamos este sinal com as portadoras Se a tensão de referência v10 for maior que 05 e maior que a portadora 1 emitese um sinal para fechamento das chaves qa1 e qa2 Caso contrário qa1 abre if v10ref05 if v10refvport1 qa11 qa21 else qa10 qa21 Além disso é necessário também estabelecer condições para quando a tensão de referência v10 for maior que 05 if v10ref05 if v10refvport2 y10 y21 else y10 y20 O mesmo tipo de lógica vale para a tensão de referência v20 if v20ref05 if v20refvport1 y31 y41 else y30 y41 if v20ref05 if v20refvport2 y30 y41 else y30y40 O mesmo tipo de lógica vale para a tensão de referência v20 Dando continuidade toda a lógica de programação pode ser vinculada à simulação através de um bloco que permita isto Na simulação realizada a estrutura é semelhante àquela vista na Figura 3 Figura 3 Bloco para programação da lógica do PWM Nesta simulação os sinais de saída 1 2 3 e 4 são enviados como entrada para os transistores fazendoos operar conforme a lógica pré estabelecida do PWM conforme pode ser visto na Figura 4 Em linhas gerais a lógica empregada pelo PWM irá fazer com que sejam estabelecidas na saída do inversor cinco níveis possíveis de sinal VCC VCC2 0 VCC2 e VCC sendo VCC a tensão de entrada contínua do inversor Na teoria este tipo de estrutura controlada explica precisamente o princípio de funcionamento do inversor É possível perceber que através de aberturas e fechamentos sucessivos da chave é possível impor na saída do inversor um sinal alternado e não contínuo Por sua vez isso é capaz de gerar uma corrente alternada a ser enviada para a carga Com isso é possível perceber claramente que a partir de uma fonte de alimentação contínua é possível encontrar na saída do inversor uma corrente do tipo alternada Os resultados da próxima seção sustentam essa afirmação Figura 4 Envio dos sinais de saída do PWM para os transistores RESULTADOS Existem dois resultados principais a serem computados e analisados graficamente a tensão de saída do inversor e a corrente de saída que vai para a carga Esperase que o primeiro apresente uma tensão pulsada com cinco níveis Já com relação ao segundo sinal esperase que seja do tipo senoidal e sem distorções A Figura 5 mostra o comportamento da tensão de saída e através da análise gráfica é possível perceber de fato que o sinal de saída apresenta 5 níveis sendo um tipo de tensão pulsada baseada no funcionamento das chaves aberturas e fechamentos sucessivos e na modelagem do sinal de e entrada Vcc explicitado na Figura 6 Figura 5 Sinal da saída do inversor Figura 6 Sinal de entrada CC Por sua vez a Figura 7 mostra o comportamento da corrente de carga É possível perceber o caráter senoidal dessa corrente validando as expectativas para o funcionamento deste circuito De fato a modelagem de sinal através do inversor NPC monofásico foi capaz de a partir de um sinal de entrada CC e do auxílio de transistores controlados por PWM gerar como sinal de saída uma corrente do tipo CA Figura 7 Corrente de saída CA REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BORRAS Jaume MORALES Rafael HighPower MediumVoltage NPC Converters for Renewable Energy Applications a Review Energies v13 JAHANGEER S Design and analysis of single phase voltage source inverter using Unipolar and Bipolar pulse width modulation techniques IEEE International Conference on Advances in Electrical Electronic and Systems Engineering ICAEES 2017 MAZIDI Muhammad Ali NAYFEG Basel KULSHRESHTHA Pramod Multilevel inverters a survey of topologies controls and applications IEEE Transactions on Industrial Eletronics v49 n4 2002 SAHOO S Tripathy M Analysis and Implementation of Pulse Width Modulation Techniques for Power Electronics Converters International Journal of Advanced Research in Electrical Electronics and Instrumentation v2 nº5 2013 SILVA Ricardo POMILIO José GOMES Elvis Análise de uma topologia NPC aplicada em inversor monofásico Revista Controle e Automação v23 nº 1 2012 Vídeos utilizados como inspiração e auxílio para simulação 1 3 level Diode clamped Multilevel Inverter design NPC Single leg design MATLAB Simulation Link httpswwwyoutubecomwatchvlYPArniBlzct736s 2 Threephase Neutral Point Clamped Inverter NPC design in MATLABSimulink Link httpswwwyoutubecomwatchvFKOIxjtirM 3 Unipolar PWM Technique for Inverter MATLAB Simulation Link httpswwwyoutubecomwatchvtWw0DGc10g