Sınırlılıklar

Neste capítulo, revisam-se brevemente as classes de UPS definidas na literatura. As vantagens e desvantagens de cada classe de UPS foram enumeradas. As UPSs de dupla conversão, objeto de estudo deste trabalho, foram conceituadas. As perdas assumidas dominantes nestas UPSs foram detalhadas na sequência e as equações para o cálculo destas perdas, bem como os modelos térmicos de regime permanente para o conversor, foram apresentados. Estas equações e modelos serão adotados nos estudos de rendimento conduzidos neste trabalho. Em seguida, foram descritos os métodos elétricos e calorimétricos de medição de perdas em conversores, que serão avaliados experimentalmente nesta pesquisa.

O capítulo a seguir apresenta as abordagens de modelagem e de simulação da UPS de dupla conversão.

3 MODELAGEM E SIMULAÇÃO DA

UPS DE DUPLA CONVERSÃO

Neste capítulo são apresentadas as abordagens para a modelagem e simulação das UPSs de dupla conversão. Estas simulações são obrigatórias para as análises de rendimento, pretendidas neste trabalho. Inicialmente, são detalhados os circuitos de potência e as especificações das UPSs de dupla conversão em estudo. Os modelos dos estágios inversor e retificador e as técnicas adotadas para o controle e sintonia de ganhos dos controladores destes estágios são descritos na sequência. Por fim, enumeram-se os procedimentos de dimensionamento dos filtros de entrada e de saída.

3.1 Circuitos de potência em estudo

Historicamente, os conversores de dois níveis (2n) foram adotados nas UPSs de dupla conversão trifásicas comerciais como primeira alternativa para a conversão c.a./c.c. e c.c./c.a.. A Figura3.1ilustra um inversor em topologia de dois níveis. Nesta topologia, a tensão Vao– i.e., a

tensão entre o nó da fase a e o ponto central do barramento c.c. – assume apenas dois estados, ou níveis: +VDC/2 e −VDC/2, em que VDC constitui a tensão plena do barramento c.c.. As chaves,

nestes arranjos, devem ser dimensionadas para que suportem a tensão VDC. Os filtros de saída

no inversor (ou de entrada do retificador) devem recuperar a componente fundamental de tensão a partir da forma de onda com degraus de amplitude pico-a-pico de VDC.

Figura 3.1 – Topologia de inversor de dois níveis.

Carga Filtro LC VDC/2 VDC/2 o Tensão reversa máxima de VDC S1 S2 a b c

Fonte: Dados da pesquisa, 2016.

Nos conversores de três níveis (3n), em contraponto, a tensão Vaoexcursiona entre três

estados: +VDC/2, 0 e −VDC/2. Como resultado, a tensão de saída do inversor (ou de entrada do

harmônica em comparação com os conversores 2n. Demonstra-se este aumento de “resolução” na Figura3.2, em que as tensões de linha de saída de inversores 2n e 3n são contrapostas.

Figura 3.2 – Tensões de saída de linha de um inversor de topologias de dois e de três níveis.

Topologias: (a) dois níveis, (b) três níveis. Fonte: Adaptado deTOSHIBA(2008).

As Figuras3.3(a) e3.3(b) representam duas topologias típicas de conversores de três níveis, referidas na literatura por NPC (Neutral Point Clamped) ou NPC1 e por NPC2 ou “tipo T”, nesta ordem. Neste texto, doravante, as nomenclaturas NPC1 e NPC2 serão adotadas em referência a estas duas topologias. Na topologia NPC1, todas as chaves podem ser especificadas para o bloqueio de metade da tensão plena do barramento, como indicado na Figura3.3(a). Já na topologia NPC2, apenas as chaves que conectam o nó “o” às fases podem ser dimensionadas com tensão reversa máxima de VDC/2, como aponta a Figura3.3(b).

Estas topologias de três níveis, já disponíveis em módulos de potência comerciais, são provavelmente adotadas nas UPSs atuais nos estágios de conversão c.c./c.a. e c.a./c.c.. Desde 2008, a fabricante Toshiba passou a comercializar UPSs com conversores 3n (TOSHIBA,2008). A série G9000 deste fabricante, que se estende às UPSs de dupla conversão de 100 kV A a 1 M V A, integra conversores 3n. A série de UPSs GE TLE (da fabricante General Electric), com potências de 225 kW a 1, 5 MW também inclui estágios 3n. Já a Engetron, fabricante brasileira de UPS, iniciou os estudos para a comercialização de UPSs de dupla conversão de três níveis.

Por outro lado, em setembro de 2015, a Mitsubishi Electric anunciou uma nova de linha de UPSs de dupla conversão (UPSs Summit Series) com dispositivos de carbeto de silício (SiC). Os módulos de potência de SiC, já disponíveis atualmente, exibem, em comparação com os de Si, maior condutividade térmica, maior intensidade máxima de campo elétrico, maior velocidade de deriva dos elétrons (saturation electron drift velocity), menor densidade de portadores intrínsecos

(DIMARINO; BURGOS; BOROYEVICH,2015) e maior largura de banda (SINGH; PECHT,

2008). Como consequência destas propriedades, o SiC permite melhor transferência de calor para o ambiente, menor resistência em condução (on-state resistance) e, ainda, a operação em frequências de chaveamento e temperaturas de junção mais elevadas (DIMARINO; BURGOS;

Figura 3.3 – Topologias de inversores de três níveis. Carga Filtro LC VDC/2 VDC/2 o Carga Filtro LC VDC/2 VDC/2 (a) (b) o Tensão reversa máxima de VDC/2 Tensão reversa máxima de VDC S1 S2 S3 S4 D6 D5 S1 S3 S2 S4 a b c a b c Topologias: (a) NPC1, (b) NPC2. Fonte: Dados da pesquisa, 2016.

BOROYEVICH,2015). Segundo informações da Mitsubishi Electric, a nova série de UPSs

com SiC inclui apenas modelos de 500 kV A, com previsão de expansão para UPSs de 750 kV A

(MITSUBISHI,2015). O rendimento anunciado desta série de UPSs atinge 98% em carga de

50% (MITSUBISHI,2015). Não foram localizados, todavia, outros dados ou a documentação técnica destas UPSs. De qualquer forma, o anúncio de lançamento desta série de UPS, com desempenho sem precedentes, acena para a viabilidade dos dispositivos de SiC em UPS.

A viabilidade destes dispositivos também é demonstrada em alguns trabalhos de pesquisa. Por exemplo, também em setembro de 2015, o instituto de pesquisas Fraunhofer ISE (Institut für Solare Energiesysteme), reportou, no portal de notícias do instituto, o desenvolvimento de um protótipo de UPS de 10 kV A com transistores de SiC, com rendimento de 98, 7 %, em colaboração com a fabricante ROHM (FRAUNHOFER,2015). Segundo informações veiculadas no portal, o protótipo opera à frequência de chaveamento de 100 kHz e o volume total é de apenas 5 litros. A redução de volume e de custos dos indutores atinge cerca de 66 %, comparativamente às UPSs tradicionais à base de silício, segundo aquela fonte. Como os resultados da pesquisa não foram oficialmente publicados até a presente data, não foram obtidos detalhes do estudo ou

do protótipo implementado.

Também a pesquisa deMcbryde et al.(2010), por exemplo, atesta o ganho de rendimento de UPSs com módulos de SiC a partir de medições em protótipos experimentais de UPSs de dupla conversão de 6 kV A/230 V , em topologia half-bridge no inversor e no retificador, à frequência de chaveamento de 20 kHz. O rendimento do protótipo com MOSFETs e diodos de SiC no estágio inversor e somente diodos de SiC no retificador é comparado ao da montagem com IGBTs e diodos de silício nos dois estágios, em distintas condições de carga. A UPS com SiC, quando comparada à UPS com módulos de Si, exibe um aumento de rendimento de 1, 35 % e 0, 93 %, para as condições de carregamento de 16, 6 % e de 66, 6 %, nesta ordem. Como os próprios autores indicam, este ganho de rendimento poderia ser ainda maior se a operação em frequências de chaveamento mais elevadas fosse avaliada.

Em razão do largo uso e destas novas tendências de mercado, elegem-se, para os estudos de rendimento deste trabalho, as topologias de dois níveis com módulos de potência de Si e de SiC e de três níveis de Si, nos arranjos NPC1 e NPC2. A opção por módulos e não por dispositivos discretos já considera as variações de componentes, em uma mesma topologia, para que o desempenho global seja “ótimo”. Por exemplo, na topologia NPC1, o fabricante tende a compor um braço de chaves de modo que os transistores mais internos sejam “otimizados” para menores perdas de condução e os mais externos, para menores perdas de chaveamento – e.g., como se nota no módulo FS3L50R07W2H3F, do fabricante Infineon. Isso leva a um aumento no rendimento do conversor, em especial, na operação como inversor. Assim, para que a comparação entre as topologias já contemple estas adaptações de projeto, apenas módulos com no mínimo um braço de chaves são especificados. De outra forma, os componentes discretos deveriam ser dimensionados dependendo das condições em que operam, em cada topologia, o que tornaria esta seleção mais complexa. Cabe salientar ainda que a seleção de módulos de SiC apenas de dois níveis se deve à indisponibilidade de opções comerciais em outras topologias.

Por outro lado, os módulos de potência selecionados para compor as várias topologias devem ser de mesma classe de corrente e de tensão (i.e., de mesma tensão máxima de barramento c.c.), para que nenhuma das topologias seja penalizada nesta comparação de rendimento. Todavia, a tentativa de padronização dos vários módulos quanto à capacidade de corrente se torna complexa, em virtude da variedade de parâmetros associados aos limites máximos de corrente. De fato, estes parâmetros são definidos segundo as práticas do fabricante e variam com as condições de operação (e.g., com a temperatura de junção e de encapsulamento). Sendo assim, para a seleção dos módulos, orienta-se pelo parâmetro comum aos catálogos, referido por “corrente c.c. máxima de coletor/dreno”. Este parâmetro só embasa a opção pelos módulos e não o dimensionamento térmico da UPS. Na Tabela3.1, enumeram-se os módulos avaliados neste trabalho. A seleção por módulos na faixa de 60 A − 75 A e de tensão de barramento c.c. máxima de 1200 V se baseia apenas no critério de disponibilidade de dispositivos no mercado, nas várias topologias em estudo.

Tabela 3.1 – Módulos semicondutores de potência comparados neste trabalho quanto ao rendimento. Módulos comparados

Modelo Tipo Tensão reversa

máxima das chaves

Corrente c.c. máxima de coletor/dreno

FF75R12RT4 (Infineon) 2 níveis/ Si 1200 V 75 A

CCS050M12CM2 (CREE) 2 níveis/ SiC 1200 V 59 A

F3L75R07W2E3B11 (Infineon) NPC1/ Si 650 V 75 A

F3L150R12W2H3B11

(Infineon) NPC2/ Si

1200 V (S1/S4)

650 V (S2/S3) 75 A

Como, em geral, o rendimento de cada topologia depende das condições de operação, UPSs de dupla conversão com várias potências nominais, níveis de tensão de barramento c.c. e frequências de chaveamento são avaliadas. Na Tabela3.2constam as especificações das UPSs consideradas neste trabalho1_.

Tabela 3.2 – Especificações das UPSs de dupla conversão avaliadas na comparação de topologias.

Especificações Valores avaliados

Tensão do barramento c.c. (VDC) [550, 650, 750, 850] V Frequência de chaveamento (fsw) [3, 84; 7, 68; 15, 36; 30, 72] kHz

Potência nominal de saída (Pout) [2, 500; 4, 375; 6, 250; 8, 125; 10, 000] kW

Admite-se que as UPSs de dupla conversão em análise integram inversores e retificadores com mesma topologia. A Figura 3.4 representa os circuitos de potência simulados. Nestes circuitos, as baterias ou o conversor c.c./c.c. que as conecta ao barramento são desprezados. Todos os circuitos são simulados no software Simulink/MATLAB.

Nas simulações destas UPSs, não se associam módulos de potência em paralelo ou em série. Assume-se o uso do dissipador P16 com o ventilador SKF 16B230-1, do fabricante Semikron. Os módulos que integram o estágio inversor são montados em um único dissipador. Em outro dissipador, também com convecção forçada, são dispostos os módulos do estágio retificador.

Ademais, os dissipadores e os dispositivos semicondutores são representados por mo- delos térmicos de parâmetros concentrados (descritos na seção2.2.3). A resistência térmica do dissipador é estimada pelo valor informado no catálogo do fabricante, supondo um cenário de

1 _{Apesar de as UPSs com potências inferiores a 10 kW comumente não serem trifásicas, considera-se esta faixa}

de potências para que não se exceda a temperatura de junção máxima nos dispositivos das UPSs com tensões de barramento c.c. de 850 V e frequência de chaveamento de 30, 72 kHz. Do mesmo modo, frequências de chaveamento menores do que 10 kHz são avaliadas apenas para que cada topologia seja submetida a vários cenários, em que dominam ora as perdas de condução, ora as de chaveamento.

Figura 3.4 – Diagrama esquemático das UPSs de dupla conversão avaliadas.

Rede elétrica

Filtro LCL Retificador Inversor Filtro LC Carga

(a) (b) (c) Lf Cf Li L C

Conversores: (a) com estrutura de dois níveis, (b) com estrutura NPC1, (c) com estrutura NPC2. Fonte: Dados da pesquisa, 2016.

ocupação da superfície com resistência térmica dissipador-ambiente de cerca de 0, 03 K/W . Nesta condição, não há violação do limite térmico na junção dos semicondutores em nenhuma das UPSs em estudo, em regime nominal de carga.

Na Figura 3.5 consta uma representação gráfica das UPSs simuladas, indicadas por círculos. No total, portanto, são dimensionadas 80 UPSs de dupla conversão. A tensão de entrada e de saída das UPSs simuladas é de 220 V .

Figura 3.5 – Representação gráfica das UPSs simuladas (indicadas por círculos), com as respectivas especificações.

P_out [W] 10000 8125 6250 4375 2500 30720 15360 f_sw [Hz] 7680 3840 550 650 750 850 V DC [V]

Fonte: Dados da pesquisa, 2016.