Mestrado em Engenharia Elétrica

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Aplicação de módulos semicondutores híbridos em acionamentos elétricos
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2021-02-26) Pongelupe, Fábio de Almeida; Pereira, Heverton Augusto; Cupertino, Allan Fagner; http://lattes.cnpq.br/3035620499629987; http://lattes.cnpq.br/4298795970350194; Heverton Augusto Pereira; Allan Fagner Cupertino; Fernando Lessa Tofoli; Tomás Perpetuo Corrêa
Módulos semicondutores híbridos consistem em soluções que reúnem interruptores de silício e de algum material de larga banda proibida (do inglês, wide band gap (WBG)), proporcionando a obtenção de soluções de melhor custo benefício. Estes módulos apresentam-se como uma alternativa de aumento de eficiência em relação às tecnologias de silício, porém com custo total agregado inferior aos módulos puros de WBG. Por se tratar de uma tecnologia recente, o desenvolvimento de módulos híbridos compostos por Si-IGBT e SiC-MOSFET ou GaN-HEMT ainda é restrito a laboratórios de pesquisa, os quais têm feito progresso acerca dos principais desafios para viabilização da tecnologia. Entre os temas de pesquisa, é possível destacar a dificuldade em construir modelos comportamentais para ambientes de simulação de eletrônica de potência. Diante disso, este trabalho propõe uma estratégia para modelar a conexão paralela de interruptores e diodos que, por meio de tabelas look-up extraídas de folhas de dados, permite um acoplamento entre os domínios elétrico e térmico dos componentes em questão. A partir desta modelagem, este trabalho propõe uma metodologia de seleção de interruptores para compor um par híbrido formado por um Si-IGBT e um SiC-MOSFET, os quais são utilizados para acionar um motor de indução de 440 V e 300 HP. Dentre as combinações analisadas, foram escolhidas duas soluções híbridas com potencial de redução de perdas, as quais são comparadas com as soluções puras de silício e SiC de mesma corrente disponíveis no mercado. As comparações são feitas a partir de um perfil de operação diário real para o acionamento elétrico de um exaustor. Os resultados demonstraram uma potencial redução de perdas energéticas diárias de 45% em relação aos módulos originais de silício, além de apresentar uma redução de área de chips SiC entre os demais módulos, indicando potenciais reduções de custo. Portanto, os pares híbridos selecionados foram avaliados como soluções de melhor relação custo-benefício considerando o perfil de operação da aplicação.
Avaliação e implementação de um retificador trifásico de três níveis de baixo custo com controle digital por histerese
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2021-02-25) Ramos, Gabriel Vilkn; Stopa, Marcelo Martins; Luiz, Alex-Sander Amável; http://lattes.cnpq.br/7844638464222284; http://lattes.cnpq.br/1893099190537471; Marcelo Martins Stopa; Alex-Sander Amável Luiz; Allan Fagner Cupertino; Ademir Nied
Implementa-se neste trabalho um retificador ativo de três níveis de baixo custo com controle digital por histerese de corrente, voltado para aplicações industriais de alta potência. O retificador consiste em um arranjo em ponte com dois interruptores eletrônicos e quatro diodos de potência por fase. A estratégia de comutação proposta é baseada na implementação digital de um controlador de corrente por histerese, trabalhando com baixas taxas de amostragem. A frequência de amostragem reduzida limita intencionalmente a frequência de comutação do conversor e reduz o estresse sobre os semicondutores diminuindo os riscos de falhas do conversor, sem deterioração da qualidade das formas de onda de tensão e corrente. A técnica também possui menor propagação e espalhamento do espectro harmônico que a implementação analógica do controlador. O sistema de controle é concebido para limitar a ondulação de corrente, esforços e perdas nos interruptores. Resultados obtidos por meio de simulação e experimentação em laboratório referentes a um protótipo de baixa potência do conversor mostraram que a qualidade das formas de onda de tensão e corrente podem ser melhoradas a partir da escolha criteriosa da indutância de entrada e da taxa de amostragem do controlador por histerese.
Design for reliability of multifunctional PV inverters used in industrial power factor regulation
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020-11-05) Gusman, Lucas Soares; Pereira, Heverton Augusto; Cupertino, Allan Fagner; http://lattes.cnpq.br/3035620499629987; http://lattes.cnpq.br/4298795970350194; Heverton Augusto Pereira; Allan Fagner Cupertino; Wesley Peres; Hélio Marcos André Antunes
Consumidores industriais são conhecidos por sua alta demanda de potência ativa e reativa. Assim, tais consumidores possuem grande interesse na geração local por meio de usinas fotovoltaicas (FV) para redução das contas de energia. No entanto, os sistemas FV tradicionais reduzem a potência ativa absorvida da rede e, consequentemente, o fator de potência da instalação. Sob tais condições, multas são cobradas por baixo fator de potência na instalação. Este trabalho realiza um estudo dos efeitos da instalação de uma planta FV no fator de potência industrial. Além disso, soluções baseadas na correção usando bancos de capacitores tradicionais e em inversores FV multifuncionais são implementadas. O estudo de caso de uma planta industrial localizada no Brasil é discutido. Os resultados indicam que o banco de capacitores tradicional é incapaz de corrigir o fator de potência precisamente pelo seu número limitado de taps. De fato, os inversores FV multifuncionais podem prover compensação de potência reativa precisa, o que melhora o fator de potência e elimina multas adicionais. No entanto, uma redução de 24,1 % na vida útil do inversor fotovoltaico é observada em comparação à operação tradicional. Desta forma, uma proposta de dimensionamento do inversor é apresentada com a finalidade de preservar a confiabilidade do sistema considerando a funcionalidade extra do inversor FV (correção de fator de potência).
Estudo, modelagem e controle de um conversor modular multinível em dupla estrela com células meia ponte sob ação de faltas
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020) Silva, Vinícius Marinho; Stopa, Marcelo Martins; Luiz, Alex-Sander Amável; http://lattes.cnpq.br/7844638464222284; http://lattes.cnpq.br/1893099190537471; Marcelo Martins Stopa; Alex-Sander Amável Luiz; Allan Fagner Cupertino; Heverton Augusto Pereira; Marcos Antônio Severo Mendes
Os conversores modulares multiníveis se popularizaram na indústria em diversas aplicações como sistemas de transmissão CA flexíveis, compensadores síncronos estáticos, controle de motores, dentre outros. Apesar de possuírem as vantagens de uma constituição modular e escalável, esta classe de conversores são vulneráveis à faltas em seus submódulos, o que pode acarretar prejuízos de maquinário e desempenho. Por conta disso, o presente trabalho tem como propósito abordar a modelagem e controle de um conversor modular multinível em dupla estrela utilizando células meia ponte em condições plenas e sob faltas em 25%, 50% e 75% dos submódulos de cada fase. Visa-se, mediante estas condições, obter a máxima transferência de energia nos terminais de saída com o mínimo conteúdo harmônico nas formas de onda da corrente e tensão de linha ao se utilizar uma técnica de controle interno PI (Proporcional Integral) e o método de modulação SPWM (do inglês, Sinusoidal Pulse Width Modulation) com múltiplas portadoras, projetando-se assim um sistema standalone para média tensão. Também é elaborado nesta dissertação o dimensionamento deste conversor modular multinível baseando-se na capacidade de armazenamento de energia dos capacitores dos submódulos. São abordados dois métodos para a compensação de faltas nos submódulos do conversor modular multinível proposto. Um dos métodos de compensação se baseia na redistribuição de energia dos submódulos resilientes e o outro numa adaptação da técnica de deslocamento de neutro. O método para compensação de faltas baseado na redistribuição de energia dos submódulos resilientes restitui em 100% os efeitos das faltas no conversor em todas as condições propostas, tanto para as correntes quanto tensões de saída. O método para a compensação de faltas mediante deslocamento de neutro não surte efeito na compensação das faltas nas correntes e tensões de fase da carga, mas compensa em 100% os efeitos das faltas sob a tensão de linha quando estas ocorrem em até 50% do total de submódulos e restitui em 90% os efeitos da falta na tensão de linha quando estas ocorrem em 75% do total de submódulos. Simulações computacionais com especificações obtidas matematicamente foram realizadas na plataforma Matlab/Simulink para validação dos resultados.
Optimum design of modular multilevel converters for variable-speed electrical drives
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2021) Matias Júnior, Paulo Roberto; Cupertino, Allan Fagner; Pereira, Heverton Augusto; http://lattes.cnpq.br/4298795970350194; http://lattes.cnpq.br/3035620499629987; Allan Fagner Cupertino; Heverton Augusto Pereira
O conversor modular multinível (CMM) é uma topologia inerentemente tolerante a falhas e uma opção interessante para acionamentos elétricos de média tensão, especialmente quando cargas quadráticas são empregadas. Para selecionar a melhor tensão de bloqueio de IGBTs, este trabalho apresenta uma metodologia de projeto e comparação de CMMs considerando a redundância necessária para atingir o requisito de confiabilidade. São comparados projetos utilizando IGBTs comerciais com tensão de bloqueio na faixa de 1,7 a 6,5 kV. A seleção é baseada em métricas de complexidade, volume, área de silício e eficiência do conversor. O uso da metodologia é exemplificado por meio de um estudo de caso de um soprador industrial acionado por um motor de indução trifásico de 13,8 kV - 16 MW. Medições da velocidade de operação do acionamento e temperatura ambiente desse processo em uma indústria siderúrgica localizada no sudeste brasileiro são utilizadas na avaliação das perdas do conversor. Os resultados evidenciam que a classe de tensão ótima de IGBTs depende do tipo de redundância empregado. Além disso, apesar do aumento de complexidade e do número de componentes, os projetos baseados em IGBTs com menor tensão de bloqueio (1,7 e 3,3 kV) se mostram mais vantajosos devido a menores perdas, volume ocupado pelo conversor e área de silício.
Reliability-oriented redundancy design for modular multilevel cascaded converter-based STATCOMS
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2019) Farias, João Victor Matos; Pereira, Heverton Augusto; Cupertino, Allan Fagner; http://lattes.cnpq.br/3035620499629987; http://lattes.cnpq.br/4298795970350194; Heverton Augusto Pereira; Allan Fagner Cupertino
Os sistemas de distribuição e transmissão de média/alta tensão possuem uma enorme variedade de cargas não lineares. Além disso, a grande penetração de fontes de energia renováveis no sistema elétrico tem motivado estudos relacionados ao compensador síncrono estático (STATCOM, do inglês static synchronous compensator). Nesse contexto, o conversor multinível é uma tecnologia interessante para esta aplicação. Uma atenção especial é dada aos conversores modulares multiníveis em cascata (MMCCs, do inglês modular multilevel cascaded converters) devido à alta escalabilidade, modularidade, redundância e eficiência, que são características inerentes à topologia. Para ser capaz de atuar em altos níveis de tensão, é necessário associar um grande número de células/dispositivos semicondutores, que pode afetar a confiabilidade do conversor. Células redundantes podem ser empregadas para atender aos requisitos de confiabilidade do conversor. No entanto, o projeto do fator de redundância ainda é um campo a ser explorado. Este trabalho propõe um modelo de confiabilidade para a seleção correta do número de células redundantes, visando atingir uma meta de vida útil determinada. Este modelo combina as análises de falhas aleatórias e falhas por desgaste. O fator de redundância é calculado para determinados requisitos de confiabilidade, ou seja, este trabalho propõe um projeto de redundância orientada a confiabilidade. O estudo de caso é baseado em um MMCC STATCOM de 13,8 kV/17 MVA. A implementação do conversor é baseada em quatro tensões de bloqueio comerciais de dispositivos semicondutores (1,7, 3,3, 4,5 e 6,5 kV). Os custos de capital (CAPEX, do inglês capital expenditure) e os custos operacionais (OPEX. do inglês operational expenditure) são estimados considerando o fator de redundância necessário. Considerando como objetivo 20 anos de operação para o conversor e níveis de confiabilidade maiores que 90%, o projeto baseado em dispositivos de 1,7 kV apresenta o menor custo para a realização do MMCC STATCOM.

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