análise comparativa de desempenho de conversores ca-cc monofásicos utilizando fpga para ...

233 Pages·2012·6.25 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

ANÁLISE COMPARATIVA DE DESEMPENHO DE
CONVERSORES CA-CC MONOFÁSICOS UTILIZANDO
FPGA PARA APLICAÇÃO EM NO-BREAKS

Raphael Amaral da Câmara

Fortaleza
Novembro de 2012
ii
RAPHAEL AMARAL DA CÂMARA

ANÁLISE COMPARATIVA DE DESEMPENHO DE
CONVERSORES CA-CC MONOFÁSICOS UTILIZANDO
FPGA PARA APLICAÇÃO EM NO-BREAKS

Tese submetida à Universidade Federal do
Ceará como parte dos requisitos para obtenção
do grau de Doutor em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Cícero Marcos Tavares
Cruz
Co-orientador: Prof. Dr. René Pastor Torrico-
Bascopé

Fortaleza
Novembro de 2012
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
Universidade Federal do Ceará
Biblioteca de Pós-Graduação em Engenharia - BPGE

C174a Câmara, Raphael Amaral da.
Análise comparativa de desempenho de conversores CA/CC monofásicos utilizando EPGA para
aplicação em no-breaks / Raphael Amaral da Câmara – 2012.
205 f. : il. enc. ; 30 cm.

Tese (doutorado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2012
Área de Concentração: Eletrônica de potência e acionamento de máquinas.
Orientação: Prof. Dr. Cícero Marcos Tavares Cruz.
Coorientação: Prof. Dr. René Pastor Torrico-Bascopé.

1. Engenharia Elétrica. 2. Eletrônica de potência. 3. Conversores de corrente elétrica. I. Título.

CDD 621.3
iii
iv

“A persistência realiza o impossível.”
(Ditado chinês)

“Tudo o que, na oração, perdirdes com fé, vós o recebereis.”
(Mt 21, 22)
v

A Deus,
Meu Criador, Salvador e Consolador!
Aos meus pais Edel e Wilson,
À minha esposa Amanda
e nossos filhos Thávyne Sophia e Raphael Mikhail,
A todos os familiares e amigos,
Eu dedico esse trabalho.
vi
AGRADECIMENTOS

À CAPES que contribuiu em parte com o apoio financeiro necessário à realização
desse trabalho e desenvolvimento científico.
Ao professor Cícero Marcos Tavares Cruz por suas valiosas orientações, amizade,
força e disponibilidade durante todo este tempo, da graduação ao doutorado. Agradeço a
confiança em mim depositada. Quero também agradecer ao co-orientador professor René
Pastor Torrico-Bascopé por todas as suas valiosas e criteriosas colaborações desde o início do
curso durante as disciplinas, passando pela concepção desta tese e grande auxílio em sua
execução através de conselhos e disponibilidade física e material.
Aos professores do Departamento de Engenharia Elétrica da UFC, Fernando Antunes,
Luiz Henrique, Demercil, Artur, Bismarck e a todos os servidores Rafael, Mário e
Geraldinho, responsáveis diretamente ou indiretamente pela minha formação na graduação,
mestrado e doutorado. Deixo aqui meu agradecimento especial ao professor Paulo Praça pela
grande colaboração e incentivo no uso do controle digital, pelo companheirismo e enorme
amizade.
Aos meus amigos e colegas de pós-graduação (em ordem alfabética): André, Davi
Joca, Elmano, Fabíola, Hermínio, Lincoln, Ranoyca, Samuel Jó, Serginho, por todas as etapas
que foram vencidas, companheirismo e contribuições técnicas. Ao técnico do GPEC, Pedro
Augusto, um agradecimento especial pelas contribuições práticas e técnicas e pela amizade.
Aos meus colegas professores da Universidade Federal Rural do Semiárido (em ordem
alfabética): Adelson, Adriano Aaron, Augusto Pavão, Bruno Emanuel, Fabiana, Francisco
Targino, Humberto, Idalmir, Patrocínio, pelo apoio, incentivo e compreensão para que eu
pudesse chegar a este momento de titulação e um agradecimento especial aos Profs. Gustavo
Henn e Victor Aguiar pelo companheirismo e amizade.
Aos meus amigos mais antigos (em ordem alfabética): Aldiel, Babim, Branquim,
Deivid, Dielle, Gessi, Ivina, Iviane, Jackson, Jonhny, Júnior, Larissa, Márcio, Ricardo, Tércio,
Tidy e Vilemar por todos os momentos de entretenimento, futebol e metal e, ao meus novos
amigos (em ordem alfabética): Aéclinton e Paula, Beron e Márcia, Igor e Izabel, Rocha Júnior
e Elen, Sávio e Luzirane, por todos os momentos “adultos” de convivência de casais e filhos.
A meus amigos de infância Rondinelle, Mickaele, Marcelo, Liana, Rosa, Marquinhos,
Neto, Aritana, Narcélio, Nenê, Márcio, Paulinho, Lano, Nilzinha, Marta, Marna, Wilame,
Sara, Samuel, Daniel, Hélio, Marciano, Rafael “Cocão”, Rafael “Pipoca”, Ilton e Cíntia por
todos os momentos de uma infância feliz e formadora do meu caráter.
vii
A todos os meus familiares, em especial, aos meus avós Alicio e Cidoca por sempre
incentivarem minha formação profissional e pelas grandes ajudas nos momentos de maiores
necessidades em minha vida.
À minha amada esposa Amanda que sempre me apoiou para a conclusão deste
trabalho com incentivo e muito amor e que compreendeu os momentos difíceis. Aos meus
filhos Thávyne Sophia e Raphael Mikhail que me ensinam a cada dia com suas conquistas e
realizações.
À todas as pessoas que por motivo de esquecimento não foram citadas anteriormente,
vou deixando neste espaço minhas sinceras desculpas.
viii
da Câmara, R. A. “Análise Comparativa de Desempenho de Conversores CA-CC
Monofásicos Utilizando FPGA para Aplicação em No-breaks”, Universidade Federal do
Ceará – UFC, 2012, 232p.

Esta tese de doutorado apresenta duas novas topologias de conversores CA-CC com uso de
neutro comum: conversor de cinco níveis intercalado e conversor de cinco níveis tipo T. Além
disso, uma nova forma de implementação da técnica de controle indireto da corrente (Indirect
Current Control - ICC) é apresentada. Assim, para comprovação da praticidade dos
conversores apresentados, toma-se como base o conversor CA-CC de três níveis convencional
e então é realizada uma análise comparativa de desempenho entre esses três conversores CA-
CC monofásicos para aplicação em no-breaks. Os conversores analisados possuem como
característica comum a correção do fator de potência, o controle digital realizado por FPGA e
a conexão da fonte de alimentação com o estágio de saída, facilitando o uso de inversor e by-
pass para no-breaks. O primeiro conversor analisado é o conversor de três níveis
convencional que apresenta como principal característica o reduzido número de componentes.
O segundo conversor analisado é o conversor de cinco níveis intercalado que apresenta como
principal característica as reduzidas perdas de comutação e condução. Finalmente, o terceiro
conversor analisado é o conversor de cinco níveis tipo T que apresenta como principais
características: reduzidas perdas de comutação e condução; os elementos magnéticos operam
com o dobro da frequência de comutação reduzindo desta maneira o peso e o volume. A
análise teórica dos conversores monofásicos, os conceitos básicos sobre o controle digital e a
técnica de modulação, a metodologia de projeto, simulação e resultados experimentais dos
protótipos construídos são apresentados para validar o princípio de funcionamento dos
conversores propostos.

Palavras-Chave: análise comparativa, célula de comutação tipo T, correção de fator de
potência, FPGA, no-break, conversores CA-CC.
ix
da Câmara, R. A. “Comparative Analysis of Performance of Single Phase AC-DC Converters
Using FPGA for UPS Applications”, Universidade Federal do Ceará – UFC, 2012, 232p.

This thesis presents two novel topologies of AC-DC converters with common neutral: five-
level interleaved converter and five-level T type converter. Besides, a novel type of
implementation of Indirect Current Control (ICC) is also presented. Thus, a comparative
analysis of performance between three single phase AC-DC converters for UPS applications
is realized. The analyzed converters have as common characteristics: power factor correction,
digital control using FPGA and connection between input power supply and converter output
enabling the use of UPS inverter and by-pass. The first one analyzed converter is the
conventional three level converter which presents as main feature reduced numbers of power
semiconductors and components. The second one analyzed converter is the five level
interleaving converter which presents as main feature reduced conduction and commutation
losses. Finally, the last one analyzed converter is the T type five level converter which
presents as main features: reduced conduction and commutation losses and magnetic
components operating with the double of switching frequency reducing weight and volume.
Theoretical analysis of the single phase converters, basics concepts of digital control and
modulation technique, design procedure, simulation and experimental results of lab models
are presented in order to validate the principle of operation of the proposed converters.

Keywords: comparative analysis, T type switching cell, power factor correction,
FPGA, UPS, AC-DC converters