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AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento da Informação do Serviço de Biblioteca – EESC/USP

Silva, Matheus Ferreira

S586c Conversor matricial CA-CA / Matheus Ferreira Silva ;

orientador Ricardo Quadros Machado. –- São Carlos, 2010.

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em

Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas de Energia e

Automação) -- Escola de Engenharia de São Carlos da

Universidade de São Paulo, 2010.

1. Conversores elétricos. 2. Sistemas elétricos de potência. I. Título.

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I

Dedico esse trabalho

Ao meu avô Gilson.

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II

Agradecimentos

Gostaria de agradecer toda a minha família e amigos que sempre me apoiaram

em todos os momentos, sendo esses bons ou maus.

Queria agradecer também a essa instituição de ensino maravilhosa onde eu

tive o prazer de estudar.

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III

Sumário

Agradecimentos ............................................................................................................ II

Lista de Figuras ........................................................................................................... IV

Lista de Tabelas .......................................................................................................... VI

Resumo ...................................................................................................................... VII

Abstract ..................................................................................................................... VIII

1. Introdução ................................................................................................................. 1

1.1 A história do Conversor Matricial .................................................................... 1

1.2 Objetivo .......................................................................................................... 2

2. Princípio de funcionamento ....................................................................................... 5

3. Técnicas de modulação .......................................................................................... 17

3.1 Conversor matricial clássico ......................................................................... 17

3.2 Conversor matricial com elo fictício .............................................................. 21

3.2.1 Inversor ................................................................................................. 22

3.2.2 Retificador ............................................................................................. 24

3.2.3 Modulação do conversor matricial com “elo” fictício ............................... 26

3.3 Conversor indireto ........................................................................................ 27

3.3.1 Inversor ....................................................................................................... 28

3.4 Conversor matricial esparso ......................................................................... 28

4. Simulação em MATLAB/SIMULINK® ...................................................................... 31

4.1 Simulação com 1200 Hz ............................................................................... 37

4.2 Simulação com 44 Hz ................................................................................... 38

5. Conclusão ............................................................................................................... 41

6. Referência bibliográfica:.......................................................................................... 43

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IV

Lista de Figuras

Figura 1 - Conversor matricial mxN. .............................................................................. 5 Figura 2 - Chave bidirecional com ponte de diodo. ....................................................... 6 Figura 3 - Chave bidirecional com dois transistores. ..................................................... 6 Figura 4 - Conversor matricial 3x3. ............................................................................... 7 Figura 5 - Condução das chaves. ................................................................................. 8 Figura 6 - Estado inicial das chaves. ............................................................................. 9 Figura 7 - Primeiro passo. ........................................................................................... 10 Figura 8 - Segundo passo. .......................................................................................... 10 Figura 9 - Terceiro passo. ........................................................................................... 11 Figura 10 - Quarto passo. ........................................................................................... 11 Figura 11 - Fluxograma de estado das chaves. .......................................................... 12 Figura 12 - Gráfico da faixa de ganho. ........................................................................ 18 Figura 13 - Período de variação da diferença entre PosVi e NegVi. ............................ 19 Figura 14 - Conversor matricial indireto com elo fictício. ............................................. 22 Figura 15 - Possíveis estados das chaves. ................................................................. 23 Figura 16 - exemplo da composição da saída. ............................................................ 23 Figura 17 - Sinal espaço vetorial. ................................................................................ 26 Figura 18 - Conversor indireto .................................................................................... 28 Figura 19 - Conversor matricial indireto. ..................................................................... 29 Figura 20 - Conversor matricial esparso. .................................................................... 29 Figura 21 - Conversor matricial do MATLAB/SIMULINK®. .......................................... 31 Figura 22 - Detalhe do bloco IGBT Matrix Converter SVM Switching. ......................... 32 Figura 23 - Detalhe do SVM Rectification Symmetric Sequence. ................................ 33 Figura 24 – Amplitude ................................................................................................. 34 Figura 25 - Espaço vetorial. ........................................................................................ 34 Figura 26 - Razão cíclica. ........................................................................................... 34 Figura 27 - Vetor Nulo. ................................................................................................ 35 Figura 28 - Degrau razão cíclica. ................................................................................ 35 Figura 29 - Saída do bloco do retificador. ................................................................... 35 Figura 30 - Saída do bloco retificador. ........................................................................ 36 Figura 31 - Matrix Converter Switching. ...................................................................... 36 Figura 32 - Limites de chaveamento do IGBT. ............................................................ 37 Figura 33 - Chaveamento total. ................................................................................... 38 Figura 34 - Chaveamento individual. ........................................................................... 38 Figura 35 - Sinal de entrada. ....................................................................................... 39

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V

Figura 36 - Sinal de saída. .......................................................................................... 39 Figura 37 - Chaveamento individual. ........................................................................... 40

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VI

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Terceiro grupo de combinações das chaves. ............................................. 12 Tabela 2 – Primeiro grupo de combinações. ............................................................... 13 Tabela 3 - Segundo grupo de combinações das chaves. ............................................ 13 Tabela 4 - Estado vetorial do inversor. ........................................................................ 22 Tabela 5 - Possíveis estados vetoriais do retificador................................................... 25 Tabela 6 - Chaveamento entre os vetores 6 e 1 do indutor e do retificador. ............... 27

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VII

Resumo

Este trabalho visa uma análise do conversor matricial aplicado à geração

distribuída. Encontram-se apresentadas e analisadas as principais técnicas de

modulação como o conversor matricial clássico, o conversor matricial com “elo” fictício,

o conversor matricial indireto e o conversor matricial esparso.

Com o auxilio do software MATLAB/SIMULINK® foram feitas simulações do

conversor matricial com “elo” fictício, para aplicação em geração distribuída.

Palavras chaves:

Conversor CA/CA; Conversor Matricial; Conversor matricial clássico; Conversor

matricial com “elo” fictício; Conversor Matricial indireto; Conversor matricial esparso

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VIII

Abstract

This monograph aims for an analysis of the matrix converter applied to a

distributed generation system. It introduces and analyses the main modulation

techniques like classical matrix converter, the matrix converter with a fictitious "link"

dummy, indirect matrix converter and the sparse matrix converter.

With the support of the MATLAB/SIMULINK® Software, it was simulated the

matrix converter with the fictitious “link” for distributed generation system applications.

Keywords:

AC/AC Converter; Matrix converter; Classic matrix converter, Matrix converter with a

fictitious “link”, indirect matrix converter and sparse matrix converter

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1

1. Introdução

O Conversor CA/CA, que também podem ser chamados de Cicloconversores,

tem como objetivo converter um sinal de entrada em um sinal de saída com a

frequência e amplitude desejada. Ele pode ser utilizado em acionamento de grandes

motores de CA, conversão de energia em geradores e motores que utilizam tensões

com freqüências diferentes em relação à rede (microturbinas, motores a diesel e

turbinas eólicas). Esse tipo de conversor pode funcionar com dois princípios

diferentes, sendo o primeiro é a associação de retificadores controlados, e o segundo

chaves bidirecionais que interligam as entradas e as saídas (Conversor Matricial).

“A topologia do conversor matricial tem recebido muita atenção devido a sua

simplicidade conceitual. No entanto, sua efetiva aplicação tem sido muito restrita

devido à implementação prática, especialmente em termos das comutações não-ideais

dos interruptores.” (Pomilio, 2010).

1.1 A história do Conversor Matricial

O conversor matricial começou a ser estudado em 1976 por Lazlo Gyugyi e

Brian Pelly (Gyugyi, Pelly, 1976). Por ser tratar de um conversor CA-CA, esse estudo

apresentava uma vantagem, que é o fato dele não apresentar elementos

armazenadores de energia. Porém, apresentava desvantagens como, por exemplo,

possuir um circuito de comutação forçada, que garantia que aos tiristores existentes

na época um fluxo de energia bidirecional, volumoso e com um fraco desempenho.

A topologia do conversor matricial ficou mais atrativa após a implementação

dos transistores de potência em circuitos bidirecionais (Jones, Bose, 1976), entretanto

o real desenvolvimento deste conversor só se deu em 1980, com os trabalhos de

Venturini (Venturini, 1980) e Venturini e Alesina (Alesina, Venturini, 1980). Eles

definiram que as chaves utilizadas no conversor seriam feitas de transistores de

potência. Uma de suas maiores contribuições foi a rigorosa análise matemática para

descrever o comportamento em baixa freqüência do conversor, introduzindo o conceito

de modulação matricial de baixa freqüência. Nesse método de modulação, também

conhecido como conversão direta, a tensão de saída é obtida multiplicando os

módulos (chamado de transformada) da matriz pela tensão de entrada.

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Posteriormente Venturini e Alesina utilizaram a modulação por largura de pulso

(Pulse With Modulation - PWM), realizada com comutação em alta freqüência (Alesina,

Venturini, 1981) e, com isso, obtendo um reduzido conteúdo harmônico das variáveis

de entrada e saída. Inicialmente o conversor matricial não conseguia obter ganho

(relação entre a entrada e a saída) superior a 50%, mas os mesmos autores, em 1989,

(Alesina, Venturini, 1989) maximizaram esse ganho para 87%. Porém, foi necessária a

inserção de uma função com terceira harmônica de freqüência tanto de saída quanto

de entrada, na saída do conversor.

Paralelamente com o desenvolvimento da técnica de conversão direta foi

criada a técnica de conversão indireta. Essa técnica é baseada em um “elo fictício” e

foi introduzida por Rodriguez, em 1983, (Rodriguez, 1983). Nesse método, as saídas

são chaveadas utilizando apenas duas das três possíveis entradas usando a técnica

de PWM que convencionalmente é usada para inversores, ou seja, existe sempre uma

entrada que não está conectada a carga. Ainda em 1983, Braun e Hasse introduziram

o uso da modulação por vetores espaciais para análise e controle de conversores

matriciais (Braun, Hasse, 1983). Em 1989 Huber, Borojevic e Burany publicaram o

primeiro de uma série de trabalhos em que foi aplicado o princípio de modulação por

vetores espaciais (SPVM) a fim de solucionar alguns problemas do conversor matricial

(Huber, Borojevic, Burany, 1992).

1.2 Objetivo

Esse trabalho visa o completo entendimento do conversor matricial e um

estudo de sua aplicação em Geração Distribuída (GD). Tal análise pode ser feita

devido ao fato do conversor matricial ter sido inicialmente projetado para ser utilizado

em motores e estudos demonstrem que essa tecnologia pode ser utilizada também em

GD. As microturbinas ou as turbinas eólicas necessitam de conversão CA/CA, já que

elas geram energia com uma frequência diferente da frequência da rede.

Existem estudos que estimam que o potencial eólico brasileiro seja da ordem

de 143 GW (Centro de Referência para Energia Solar e Eólica – CRESESB/CEPEL.),

“mais do que toda a sua produção atual, cujas fontes somadas totalizam 74 gigawatts.”

(Plataforma Itaipu, 2010).

A geração elétrica por microturbina também vem se mostrando muito

interessante, já que a ela é um gerador de energia que trabalha através da queima de

combustível, a queima faz girar a microturbina e assim gera a energia. Essa tecnologia

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tem baixa eficiência se não for reutilizado o resíduo de calor que ela gera. As

vantagens da microturbina são:

a) Aceita vários tipos de combustíveis diferentes.

b) Baixa manutenção.

c) Deve ser utilizada para cogeração.

d) Alta segurança. O combustível quem vem sendo mais utilizado em microturbinas é o gás

natural, pois esse combustível é menos poluente em relação aos outros e o governo

brasileiro tem interesse em utilizá-lo para geração de energia elétrica (Dreifus, 2010).

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2. Princípio de funcionamento

O conversor matricial é um circuito chaveado capaz de ligar uma fonte de m

fases a uma carga com N fases, como mostrado na Figura 1. Ele tem mxN chaves

bidirecionais que precisam garantir o funcionamento nos quatro quadrantes, ou seja,

essas chaves precisam garantir tanto a condução da corrente quanto o bloqueio da

tensão nos dois sentidos quando necessário.

Figura 1 - Conversor matricial mxN.

Como não existe nenhum dispositivo que possa atender todos esses requisitos,

é necessário que essas chaves sejam compostas de diodos e transistores. Elas

podem ser construídas de duas maneiras diferentes:

a) Com um transistor:

O circuito é composto de quatro diodos e um transistor IGBT, o transistor é

instalado no centro de uma ponte de diodos, como mostrado na Figura 2. Nessa

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configuração, existem dois caminhos para o fluxo da corrente (o caminho um e o dois

da Figura 2) e ambos passam pelo mesmo transistor, e somente ele controla o

bloqueio da tensão. Assim, durante a condução existem sempre três dispositivos

ativos, ocorrendo então uma queda relativamente alta de tensão em cada chave.

Figura 2 - Chave bidirecional com ponte de diodo.

b) Com dois transistores:

A outra opção é composta por dois diodos e dois transistores IGBT ligados em

antiparalelo, como mostrado na Figura 3. Nessa topologia, que tem dois transistores

por chave para fazer o bloqueio da tensão, a corrente é conduzida sempre por dois

dispositivos, por isso as perdas durante a condução é menor. Outro fator importante

dessa configuração é o fato de ser possível controlar a direção da corrente que passa

em cada transistor.

Figura 3 - Chave bidirecional com dois transistores .

Por esses motivos, a segunda configuração é a mais utilizada em conversores

matriciais. Além disso, o conversor, formado por três entradas e três saídas, é o mais

estudado e utilizado, pois é assim que se conecta uma carga trifásica (um motor) na

rede elétrica, isso pode ser visto na Figura 4.

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O conversor da Figura 4 tem nove chaves bidirecionais, e elas possibilitam que

as três saídas possam ser ligadas a qualquer instante a qualquer uma das três

entradas. Entretanto esse chaveamento tem de obedecer duas a restrições, pois,

normalmente a entrada é uma fonte de tensão e a saída é uma carga que tem

características indutivas. Logo, a entrada não pode ser curto-circuitada e a saída não

pode ser aberta.

Figura 4 - Conversor matricial 3x3.

Para obedecer às regras de chaveamento, será apresentada uma técnica de

comutação. Essa técnica realiza o chaveamento em quatro etapas e é chamada de

chaveamento semi-suave.

Primeiramente, é definido que as chaves podem assumir apenas dois estados,

e esses estados são representados por “1” quando em condução e “0” quando em

corte.

��� � � �, �� ��� �, �� ����� (1)

Sendo que os valores de j são as variáveis de entrada que serão

representadas por (“a”, “b”e “c”) e os valores de i as variáveis de saída definidas por

(“A”, “B” e “C”). Com esses dados pode-se construir a matriz de transferência

instantânea:

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� � ���� ��� ������ ��� ������ ��� ���� (2)

Para explicar a técnica de comutação será feito um chaveamento, imaginário,

de um estado A para um estado B representado abaixo:

� � �� � �� � �� � �� (3)

� � �� � �� � �� � �� (4)

No chaveamento realizado entre as equações (3) e (4), pode-se observar que

ocorreu a troca de estado em apenas duas chaves, por isso, a Figura 5 apresenta

somente essas duas chaves.

Figura 5 - Condução das chaves.

Essa técnica é controlada pela corrente de saída e para ser utilizada é

necessário conhecer qual transistor vai conduzir a corrente dentro da chave, já que

quando a chave está operando os dois transistores dela estão ativados, mas apenas

um está conduzindo. Como já definido, a chave “A” está ativa antes do chaveamento,

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9

portanto tanto a SA1 quanto a SA2 estão ligadas (Figura 6). No exemplo, a direção da

corrente de saída está indicada. Os passos a serem seguidos são:

Primeiro: Desligar o transistor que não está conduzindo (SA1), (Figura 7).

Segundo: Ligar o transistor da chave SB que irá conduzir a corrente (SB1), com

isso não haverá curto-circuito já que o diodo não permite a corrente reversa (Figura 8).

Terceiro: Desligar o transistor SA2, (Figura 9).

Quarto: Ligar o último transistor, da chave B (SB2), (Figura 10).

Figura 6 - Estado inicial das chaves.

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10

Figura 7 - Primeiro passo.

Figura 8 - Segundo passo.

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11

Figura 9 - Terceiro passo.

Figura 10 - Quarto passo.

Para um melhor entendimento desse método, segue abaixo o diagrama

mostrando o chaveamento durante o processo (Figura 11):

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12

Figura 11 - Fluxograma de estado das chaves.

Como visto anteriormente, cada elemento da matriz pode aceitar dois valores e

também existem restrições topológicas do conversor. Sendo assim, são possíveis

3³=27 combinações diferentes ao invés de 2 � 512 que seria a previsão sem as

restrições.

Ao analisar as 27 possíveis combinações entre as chaves foi verificada a

existência de três grupos distintos:

1. O primeiro grupo é composto de seis elementos, sendo que, as três fases de

entrada estão ligadas a três fases distintas, Tabela 2.

2. O segundo grupo é composto por dezoito elementos, que têm em comum o

fato de que cada elemento do grupo tem duas saídas ligadas à mesma entrada

e uma das entradas está desconectada da carga, Tabela 3.

3. O terceiro grupo tem apenas três elementos e eles têm as três fases de saída

ligadas a mesma fase de entrada, ou seja, é um vetor nulo, Tabela 1.

Tabela 1 - Terceiro grupo de combinações das chaves .

Grupo Estado

Saída (chaves on) Tensão de fase da saída Tensão de linha da saída

A B C � �� �� �� ��� ��

3

1 � �� �� � � � 0 0 0

2 �� ��� ��� �� �� �� 0 0 0

3 �� ��� ��� �� �� �� 0 0 0

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Tabela 2 – Primeiro grupo de combinações.

Grupo Estado

Saída (chaves on) Tensão de fase da saída Tensão de linha da saída

A B C � �� �� �� ��� ��

1

1 � ��� ��� � �� �� � � ��� ��

2 � ��� ��� � �� �� ��� ���� �� �

3 �� �� ��� �� � �� �� � ��� ���� 4 �� ��� �� �� �� � ��� �� � �

5 �� �� ��� �� � �� �� � � ��� 6 �� ��� �� �� �� � ���� �� � ���

Tabela 3 - Segundo grupo de combinações das chaves.

Grupo Estado

Saída (chaves on) Tensão de fase da saída Tensão de linha da saída

A B C � �� �� �� ��� ��

2

1 � ��� ��� � �� �� � � 0 �� �

2 �� �� �� �� � � �� � 0 � �

3 �� ��� ��� �� �� �� ��� 0 ���� 4 �� ��� ��� �� �� �� ���� 0 ��� 5 �� �� �� �� � � �� 0 ���

6 � ��� ��� � �� �� ��� 0 ��

7 �� �� ��� �� � �� �� � � � 0

8 � ��� �� � �� � � � �� � 0

9 �� ��� ��� �� �� �� ���� ��� 0

10 �� ��� ��� �� �� �� ��� ���� 0

11 � ��� �� � �� � ��� �� 0

12 �� �� ��� �� � �� �� ��� 0

13 �� ��� �� �� �� � 0 �� � � �

14 � �� ��� � � �� 0 � � �� �

15 �� ��� ��� �� �� �� 0 ���� ��� 16 �� ��� ��� �� �� �� 0 ��� ���� 17 � �� ��� � � �� 0 ��� ��

18 �� ��� �� �� �� � 0 �� ���

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Como já foi definida tanto a matriz de transferência instantânea quanto a

técnica de chaveamento que vai ser utilizada, o próximo passo é calcular as relações

entre a saída e a entrada do conversor.

A tensão de saída é demonstrada através da formulação abaixo:

�� � �������� (5)

�� � �������� (6)

�������� � ���� ��� ������ ��� ������ ��� ���� � �������� (7)

Por esse mesmo método, utilizando a equação (2), também é possível calcular

as correntes de saída do conversor que são:

�� � �������� (8)

�� � �������� (9) �� � ��� � �� (10)

Pode-se obter também uma relação entre a tensão de linha da saída e a

tensão fase da entrada. Para isso ser possível, é utilizada a Matriz “!��”, que é uma

derivação da Matriz “T”:

��� � ���� � ��� ��� � ��� ��� � ������ � ��� ��� � ��� ��� � ������ � ��� ��� �"�� ��� � ���� (11)

����������� � ��� # �������� (12)

Quando aplicadas as equações (7) e (10), obtém-se a relação instantânea

entre a saída e a entrada, mas, para que seja possível criar um conversor matricial,

também é necessário criar as regras de modulação. Sendo assim, é fundamental

observar os padrões de chaveamento do sistema, pois, como visto, o conversor

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matricial tem algumas restrições de chaveamento. Primeiramente, faz-se importante

recordar que a chave trabalha com alta freqüência de chaveamento e que sua saída

tem uma baixa freqüência. Essa saída tem freqüência e amplitude variáveis e elas são

geradas modificando o tempo em que a chave fica aberta ou fechada, razão cíclica,

usando para cada uma delas sua devida função de chaveamento.

A razão cíclica é definida por:

$�� � ���� /&��' (13)

Nessa fórmula o “(��” é a razão cíclica, o “)��” é o tempo que a chave fica

ligada e o “!�” é o período de chaveamento, sendo i as variáveis de saída e j as

variáveis de entrada. Com isso, pode-se afirmar que:

� * $�� * 1 (14) +��� � ,$��&�' $��&�' $��&�'$��&�' $��&�' $��&�'$��&�' $��&�' $��&�'- (15)

Usando essa fórmula, é possível determinar o valor da tensão de saída e da

corrente de entrada, se o valor de .��� for conhecido:

�� � �+��� � �� (16) �� � �+���� � �� (17)

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3. Técnicas de modulação

Nesse capítulo serão apresentadas algumas técnicas de modulação, mas

antes disso, é determinada a tensão de entrada e definida a corrente de saída como:

�� � ��� # ∑ � ��� �0�� 1 &2 � �'34 56 (18)

�� � �� # ∑ � ��� �0�� 1 7� 1 &2 � �'34 56 (19)

O objetivo desse capítulo é criar uma matriz de modulação que seja capaz de

fornecer as seguintes grandezas:

�� � 8 # ��� # ∑ � ��� �0�� 1 &9 � �'34 56 (20)

�� � 8 # �� # ∑ � ��� �0�� 1 7� 1 &2 � �' 34 56 (21)

Nessas equações, q é o ganho do conversor.

O conversor matricial pode ser modulado por varias técnicas diferentes. Por

isso, ele é capaz de se adaptar a várias diferentes aplicações. Algumas técnicas

utilizadas para fazer a modulação do conversor matricial são:

a) PWM (Pulse Width Podulation) que pode ser aplicada na modulação do conversor matricial clássico.

b) SVM (Space Vector Modulation) a modulação por espaço vetorial é aplicada no conversor matricial com “elo” fictício e nos conversores indiretos (Huber e Borojevic, 1995).

c) A terceira técnica é proposta por Hassan Nikkhajoei e M. Reza Iravani (Nikkhajoei e Iravani, 2005) essa técnica também é usada em conversores matriciais clássicos.

3.1 Conversor matricial clássico

O primeiro assunto que vai ser abordado sobre esse conversor é a relação do

ganho entre a entrada e a saída, que no começo do estudo era de apenas 0,5 e com

os estudos de Alesina e Venturini (Alesina, Venturini, 1989) passou a ser

aproximadamente de 0,87.

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18

Como já foi visto no capitulo anterior, as equações (16) e (17) definem a

relação entre a entrada e a saída. Utilizando as equações (20) e (21), pode-se afirmar

que:

:�;�� < �� < = ��� (22)

Nessa fórmula, tem-se que >?@�� é a parte negativa da tensão de entrada e ABC�� é a parte positiva e, como o sinal de entrada é trifásico (período de 60º), o menor

ponto positivo é equivalente a metade da amplitude máxima e o maior ponto negativo

é equivalente a metade da amplitude mínima. Portanto a tensão de entrada é restrita a

essa faixa de valores, que pode ser verificada na Figura 12.

Figura 12 - Gráfico da faixa de ganho.

A tensão de saída também pode ser separada em valores positivos e negativos

e, assim, ser novamente comparada com a tensão de entrada.

:�;�� < :�;�� < = ��� < = ��� (23)

Considerando que o menor valor da tensão de entrada é o maior valor possível

para a tensão de saída, por isso pode-se afirmar que:

�!�í#� � �, D�$��%�#� (24)

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19

A proposta de Alesina e Venturini (Alesina, Venturini, 1989) foi de criar uma

função que fosse capaz de aumentar o ganho sem alterar a entrada do sistema e

também continuar respeitando a equação (21), para isso tem-se que:

�� � �� # ∑ E� ��0�� 1 &9 � �'34 56 1 �&�'F��&� (25)

Nessa formula, tem-se que “G'” é a freqüência da saída, “t” é o tempo, “H&)'” é

a função que otimiza o ganho e “I” é a saída do conversor, onde A assume valor 1, B

assume valor 2 e C assume valor 3.

O valor ótimo da amplitude de saída é calculado por:

+íJ&= ��� �:�;��' � +áK&= ��� �:�;��' (26)

Para um conversor matricial com três entradas e três saídas, o período de

variação da diferença de amplitude é de 60º, como mostrado na Figura 13, portanto,

com a equação (26), pode-se afirmar que: E� 1 LMN (�F # ��� � �5 36 # ��� � √5� # �� � 3 # �� # ()* (27) P �� � Q√5� 36 R��� (28)

Figura 13 - Período de variação da diferença entre PosVi e NegVi.

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20

Como já foi demonstrado qual o valor máximo do ganho, o próximo passo é

achar a função H&)'. Para otimizar a tensão de saída, serão usados dois princípios:

Aumentar a tensão positiva mínima da entrada e diminuir a tensão negativa

mínima da entrada. Para isso, será necessária uma função que tenha três vezes a

freqüência da entrada e sua amplitude da função tem de ser igual a duas vezes a

tensão de entrada menos a diferença mínima da tensão de entrada. Portanto o valor

encontrado é:

��� � �� S6 # ��� LMN&5 # 0��' (29) P �� < �+ # ��� (30)

Como não é possível alterar a tensão de entrada, a função encontrada precisa

ser subtraída da tensão de saída. Só usando essa função, não é possível alcançar o

ganho máximo. Para isso ocorrer, é preciso utilizar uma função que dependa do sinal

de saída.

��� � # LMN&5 # 0��' (31) � �* # NTU�4 3$6 � �� V6 (32) P √��

) # �� < �, D # ��� (33) �� < �√�� ��� (34)

O ganho máximo é alcançado quando se combina as duas funções:

√��

) # �� � �+ # ��� (35) P �� � √��

) # ��� � �, WVV # ��� (36)

Que é o ganho máximo já provado, portanto a H&)' é calculado por:

�&�' � � S6 # LMN&5 # 0��' �� V6 # LMN&5 # 0��' (37)

Agora que o ganho do conversor e a função para alcançar esse ganho já foram

definidos, pode-se passar para o próximo passo, que é definir a Matriz .���. Existem

infinitas soluções para essa matriz. A resposta de Alesina e Venturini (Alesina,

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21

Venturini, 1989) para essa Mariz é demasiadamente complexa para ser efetuada em

tempo real. Por isso, foi proposta por Wheeler, Rodríguez, Clare, Empringham e

Weinstein (Wheeler, Rodríguez, Clare, Empringham e Weinstein, 2002) uma

simplificação:

$�� � �� # X� 1 -)./�./�0

1��� 1 +.2� √�� # NTU&0�� 1 Y2' # NTU&5 # 0��'Z (38)

Sendo os valores de j as variáveis de entrada, os valores de i as variáveis de

saída e [j é definido por:

Y2 � \� , 3] 56 , S] 56=� 2 � , , �^ (39)

Essa modulação proposta precisa de uma freqüência de chaveamento de pelo

menos nove vezes maior que a maior freqüência do conversor (comparando a

freqüência de entra e de saída). Existem estudos que utilizam uma freqüência de

chaveamento muito menor (Nikkhajoei e Iravani, 2005).

3.2 Conversor matricial com elo fictício

Essa técnica é chamada de indireta com um “elo” fictício por ser uma

associação fictícia entre dois conversores, sendo o primeiro um retificador e o segundo

um inversor, ligados pelo “elo” fictício, ou seja, é criado um “elo” em que se tem um

nível de tensão contínua. O conversor pode ser visto na Figura 14. Primeiramente,

será feita uma revisão do inversor e do retificador para depois ser analisado como

reage a interação dessas duas técnicas.

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22

Figura 14 - Conversor matricial indireto com elo fi ctício.

3.2.1 Inversor

A entrada do inversor estudado é o “elo” fictício que tem tensão contínua e a

sua saída é uma carga com tensão alternada e que tem característica indutiva. Por

isso, a saída tem sempre que estar ligada a um dos dois pontos, p ou n. Devido a esse

fato as chaves podem assumir apenas oito combinações, sendo que duas dessas

combinações são vetores nulos e as outras seis são vetores não nulos. Com esses

dados, é possível montar a Tabela 4. E essa vai mostrar os vetores do inversor.

Tabela 4 - Estado vetorial do inversor.

Estado

Saída (chaves on) Tensão de fase da saída Tensão de linha da saída

A B C �� �� �� ��� ��� ���

1 _3 _�4 ��4 �3 �4 �4 �34 0 ��34

2 _3 _�3 _�4 �3 �3 �4 0 �34 ��34

3 _4 _�3 _�4 �4 �3 �4 ��34 �34 0

4 _4 _�3 _�3 �4 �3 �3 ��34 0 �34

5 _4 _�4 _�3 �4 �4 �3 0 ��34 �34

6 _3 _�4 _�3 �3 �4 �3 �34 ��34 0

7 _4 _�4 _�4 �4 �4 �4 0 0 0

8 _3 _�3 _�3 �3 �3 �3 0 0 0

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23

A tensão de linha da saída do conversor é definida por: ��5 � 3 56 # ���� 1 ��� # ���)6º 1 ��� # �7��)6º (40)

Com os dados da Tabela 6 e da fórmula (40), são definidos os vetores de

estado das chaves, figura 15.

Figura 15 - Possíveis estados das chaves.

A tensão de linha da saída é obtida por aproximação através de três vetores,

sendo que um deles é um vetor nulo, como mostrado da Figura 16, ou seja, o sinal

girante da saída está contido entre um vetor inferior e um vetor superior. Na figura

esse vetor girante está entre os vetores 6 e 1.

Figura 16 - exemplo da composição da saída.

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24

A razão cíclica do vetor de estado do chaveamento pode ser calculada por:

�8 � �8 ��6 � $� # NTU&V�º� Y' (41)

�9 � �9 �!a � $� # NTU&Y' (42)

�6� � �6� �!6 � � � �9 � �8 (43)

Nessa fórmula, “!:” é um período pré determinado de chaveamento, sendo

que, tanto o período, quanto o modo de chavear, podem ser alterados de acordo com

a necessidade do conversor. Também, tem-se (� que é o indice de modulação do

inversor que é calculado por:

� < $� < � (44) $� � √5� # �� �;�a (45)

P ����������� � $� # , LMN&06� 1 5�º'LMN&06� 1 5�º� �3�º'LMN&06� 1 5�º1 �3�' - # �;� (46)

����������� � �� # �;� (47)

Onde “!�” é a matriz de baixa frequência do inversor.

3.2.2 Retificador

O retificador tem como entrada três geradores de tensão e, por isso, não pode

ser curto-circuitado e a sua saída é contínua (o “elo” fictício). Essa característica faz

com que seja possível ter apenas nove combinações diferentes de chaveamento,

mostradas na Tabela 5, sendo que dessas nove, três são vetores nulos e as outras

seis são não nulo.

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25

Tabela 5 - Possíveis estados vetoriais do retificad or.

Estado

chave on Tensão de saída �;�

Corrente da entrada

a b C �; �� �� �� �� 1 � 3 0 ��4 � �� ��� b34 0 �b34

2 0 ��3 ��4 �� �� ��� 0 b34 �b34

3 � 4 ��3 0 �� � �� � �b34 b34 0

4 � 4 0 ��3 �� � �� �b34 0 b34

5 0 ��4 ��3 �� �� ���� 0 �b34 b34

6 � 3 ��4 0 � �� � � b34 �b34 0

7 � 3+� 4 0 0 � �� 0 0 0 0

8 0 ��3+��4 0 �� �� 0 0 0 0

9 0 0 ��3+��4 �� �� 0 0 0 0

O controle do chaveamento do retificador é feito pela corrente de entrada e

apresenta resposta parecida com o inversor, a razão de chaveamento pode ser

calculada por: �< � �< ��6 � $% # NTU&V�º� Y' (48)

�= � �= �!6 � $% # NTU&Y' (49)

�6% � �6% �!6 � � � �< � �= (50)

Nessa fórmula, tem-se o (> que é o índice de modulação do retificador e pode

ser calculado por:

� < $% < � (51)

$% � ��� �;�a (52)

P �9�9�9�� � $% # , LMN&0�� 1 5�º'LMN&0�� 1 5�º� �3�º'LMN&0�� 1 5�º1 �3�' - # �;� (53)

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26

�9�9�9�� � �% # �;� (54)

Em que, “!>” é a matriz de baixa frequencia do retificador.

3.2.3 Modulação do conversor matricial com “elo” fi ctício

A modulação do conversor matricial indireto com “elo”fictício é feita por:

����������� � �� # �% # �������� (55)

Como já foi observado, o retificador e o inversor têm seis vatores não nulos e a

saída do conversor é a associação deles. Logo, existem 6x6 combinações diferentes

de chaveamento.

Para a real aplicação dessa modulação, são utilizados dois sinais de

referência, sendo o primeiro uma referência da corrente de entrada, e o segundo uma

referência da tensão de saída.

Com essas referências, é feito um sinal de espaço vetorial que é mostrado na

Figura 17. Esse sinal é capaz de mostrar a posição que se encontra a referência, e

assim é possível saber entre quais vetores será feito a aproximação do sinal.

Figura 17 - Sinal espaço vetorial.

Como já foi definido entre quais vetores o retificador e o inversor estão

aproximados, são feitas as possiveis combinações entre eles que são:

a) O vetor nulo.

b) Vetor inferior do retificador com o vetor inferior do inversor.

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27

c) Vetor inferior do retificador com o vetor superior do inversor.

d) Vetor superior do retificador com o vetor inferior do inversor.

e) Vetor superior do retificador com o vetor superior do inversor.

A saída do inversor é dada pela razão ciclica entre os chaveamentos que já foi

definida.

Para ficar mais claro o funcionamento do conversor, será apresentado um

exemplo. Primeiro, é definido que o sinal de referência da corrente está localizado

entre o vetor 6 e o vetor 1, e o sinal e referência da tensão também estão entre esses

vetores. É observado que isso é apenas uma hipótese, pois poderia ser feita qualquer

combinação de entrada e saída do vetor de referência. Durante o !: acontecerão cinco

chaveamentos passando por todos os pares possíveis de combinações, ou seja, c?-b?, c?-b@, c@-b?, c@-b@ e cA-bA. A Tabela 6 mostra as possíveis combinações.

Tabela 6 - Chaveamento entre os vetores 6 e 1 do in dutor e do retificador.

Par de

chaves

Ponto fictício Chaves

p n � �� �� �� ��� ��� �� ��� ��� 1 a b 1 0 0 0 1 0 1 0 0

2 a b 1 0 0 0 1 0 0 1 0

3 a c 1 0 0 0 0 1 0 0 1

4 a c 1 0 0 0 0 1 1 0 0

5 a a 1 0 0 1 0 0 1 0 0

Ao analisar a tabela, fica claro o funcionamento da modulação e fica provado

que o “elo” é realmente fictício. Para se comprovar a Tabela 6, será analisado o par de

chaves 1 que é composto pelo estado 6 do retificador e do inversor, que podem ser

encontrados na Tabela 5 e 4 respectivamente, ao ser combinados nota-se que “��4”

está conectado com ” _�4” e que � 3” está conectado com ” _�3” e “_3”. Portanto, a

entrada “a” está conectado as saídas “C” e “A” e a entrada “b” está conectada a saída

“B”, com isso comprova-se a Tabela 6.

3.3 Conversor indireto

O conversor indireto é realmente a associação de um retificador com um

inversor, sendo que o retificador tem funcionamento idêntico ao do conversor matricial

indireto com um elo fictício e o inversor tem pequenas mudanças. Por isso, para se

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28

entender o funcionamento do conversor indireto estudar o novo inversor a ser

utilizado.

3.3.1 Inversor

A Tabela 4 mostra que as chaves ou estão ligadas no ponto p ou no ponto n,

por isso, é possivel fazer o circuito mostrado na Figura 18.

Figura 18 - Conversor indireto

Com a diferença mostrada na figura, pode-se montar a matriz de chaveamento

do inversor:

�� � �� ���� ���� ��� (56)

Esse circuito é possivel, já que, enquanto o _3� está ativado, o _4� fica

desativado e vice-versa. Essa é a única diferença entre esse conversor e o conversor

indireto com ponto fictício.

3.4 Conversor matricial esparso

O conversor matricial esparso tem princípio de funcionamento idêntico ao

conversor matricial indireto, tendo como diferença apenas o numero de transistores.

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29

Nota-se que, quanto menor a quantidade de transistores, menor é a quantidade de

dispositivos que serão controlados.

O conversor matricial indireto tem 18 transistores, assim como o conversor

clássico. Já o conversor matricial esparso tem 15 transistores. A Figura 19 mostra o

funcionamento das chaves no conversor matricial indireto, já a Figura 20 mostra o

funcionamento das chaves do retificador no conversor matrcial esparso.

Figura 19 - Conversor matricial indireto.

Figura 20 - Conversor matricial esparso.

A Figura 20 demonstra como é realizada a condução com um transistor a

menos, pode-se notar que os modelos C e D conduzem como o conversor matricial

indireto, já A e B são conduzidas pelo mesmo transistor e tem três dispositivos ativos.

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31

4. Simulação em MATLAB/SIMULINK®

Esse capítulo visa compreender o funcionamento do conversor matricial

existente no MATLAB/SIMULINK®. O conversor usado usa a modulação por “elo”

fictício e ele foi simulado com uma freqüência de entrada de 1200 Hz, pois essa é uma

freqüência possível de uma microturbina (Nikkhajoei e Iravani, 2005) e (Dreifus, 2010),

ele também foi simulado com uma freqüência de 44 Hz de entrada (Barakati, Kazerani

e Chen, 2005), sendo que nas duas simulações a freqüência de saída é de 60 Hz.

Por motivo de proteção do conversor foi instalado em sua entrada um filtro LC.

Como o conversor matricial do MATLAB foi feito com transistores ideais, não

ocorreram problemas de comutação e, com isso, não foi necessário a inserção de um

circuito para fazer a proteção caso ocorresse uma sobretensão causada pela abertura

de uma das fases.

A Figura 21 mostra o conversor matricial. Ele pode ser dividido em quatro

regiões que são:

1. Entrada do conversor.

2. As chaves bidirecionais.

3. Saída do conversor.

4. Bloco de controle do chaveamento.

Figura 21 - Conversor matricial do MATLAB/SIMULINK® .

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A Figura 22 mostra

Matrix Converter SVM Switching

da entrada, é produzida a modulação por espaço vetorial, tanto do retificador quanto

do inversor, e com esses espaços vetoriais é realizado o chaveamento.

Figura 22 - D etalhe

A Figura 23 mostra

produz a modulação dos estados vetoriais

do estado vetorial do retificador

a) Amplitude, que é responsável pelo ganho do sistema, é encontrada no

para se obter esse sinal foi

passasse por dois blocos sendo que a saída

somatória entre dois sinais da referência trifásica e no segundo bloco é feito um

cálculo do valor eficaz desse sinal

calculada.

mostra internamente o bloco de controle do chaveamento (

Matrix Converter SVM Switching). Pode-se observar que, com os sinais de referência

é produzida a modulação por espaço vetorial, tanto do retificador quanto

espaços vetoriais é realizado o chaveamento.

etalhe do bloco IGBT Matrix Converter SVM Switc

o bloco SVM Rectification Symmetric Sequence, esse bloco

estados vetoriais do retificador. Para ser feita a modulação

estado vetorial do retificador, é necessário cinco passos descritos abaixo

responsável pelo ganho do sistema, é encontrada no

para se obter esse sinal foi necessário que o sinal de referê

passasse por dois blocos sendo que a saída no primeiro bloco é feito uma

somatória entre dois sinais da referência trifásica e no segundo bloco é feito um

cálculo do valor eficaz desse sinal. A Figura 24 mostra a amplitude do sinal

32

do chaveamento (IGBT

os sinais de referência

é produzida a modulação por espaço vetorial, tanto do retificador quanto

espaços vetoriais é realizado o chaveamento.

do bloco IGBT Matrix Converter SVM Switc hing.

o bloco SVM Rectification Symmetric Sequence, esse bloco

Para ser feita a modulação

descritos abaixo:

responsável pelo ganho do sistema, é encontrada no scope 4,

o que o sinal de referência trifásico

ro bloco é feito uma

somatória entre dois sinais da referência trifásica e no segundo bloco é feito um

mostra a amplitude do sinal

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33

b) Espaço vetorial: Primeiramente se obtém o sinal dente de serra e isso é

possível após o sinal de referencia trifásico passar pelos dois primeiro blocos, o

primeiro bloco produz uma senoide com amplitude de 0,866 em fase com a

entrada “a” e o segundo bloco utiliza a função arco tangente para produzir um

sinal que varia entre os ângulos -180º a +180º. Em seguida o sinal com o

degraus é produzida pela definição de cada setor,a Figura 25 mostra o sinal

produzido no scope 7.

c) Razão cíclica: Para se calcular a razão cíclica é feito um somatório entre o sinal

dente de serra e um sinal do estado vetorial (observação: esse sinal do estado

vetorial é transformado em graus antes da somatória) e esse novo sinal é

passado por um bloco que produz a razão cíclica através das equações (48),

(49) e (50), Figura 26 dado pelo scope 10.

d) Vetor nulo: O vetor nulo é produzido através do sinal degrau dado pelo scope

7, como mostrado na Figura 27 (scope 11).

e) Degrau da razão cíclica: com a razão cíclica e o sinal de rampa, que é

produzido com a freqüência de chaveamento do conversor, é produzido o sinal

degrau da razão cíclica, que nada mais é do que o tempo que cada vetor é

ativado durante o período predeterminado de chaveamento. A Figura 28

mostra o scope 14 que é esse sinal.

Figura 23 - Detalhe do SVM Rectification Symmetric Sequence.

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34

Figura 24 – Amplitude

Figura 25 - Espaço vetorial.

Figura 26 - Razão cíclica.

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35

Figura 27 - Vetor Nulo.

Figura 28 - Degrau razão cíclica.

A saída do bloco SVM Rectification Symmetric Sequence produz a modulação

por vetor espacial do retificador mostrado nas Figuras 29 e 30.

Figura 29 - Saída do bloco do retificador.

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Figura 30 - Saída do bloco retificador.

O bloco SVM inversion Symmetric sequence tem comportamento parecido com

o bloco do retificador, sendo que a única diferença é a escolha do zero já que o

inversor apresenta dois zeros e o retificador tem três.

O bloco Matrix Converter Switching é o responsável pela modulação

propriamente dita, pois, ele recebe os vetores espaciais do retificador e do inversor,

demonstrada na equação (55). A Figura 28 mostra esse bloco, a escolha da saída é

feita de acordo com a equação (59), para se obter a equação (59) utiliza-se as

equações (57) e (56).

Figura 31 - Matrix Converter Switching.

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37

��� �� �������� � � �� ���� ������� ����� (57)

��� �� ����������� � ��� �� � �� �! �"# (58)

$ � � �� % �� �� �� % �� �� % �� �� �! % �� � % �� �� �" % ���� % �� �� �� % ��� �� % �� �� �! % ��� � % �� �� �" % ����� % ���� �� �� % ���� �� % ���� �� �! % ���� � % ���� �� �" % ����� (59)

4.1 Simulação com 1200 Hz

Uma microturbina pode gerar potência na faixa de 25 a 500 kW com freqüência

de operação de 50.000 a 120.000 rpm (833,33 a 2000 Hertz) (Dreifus, 2010), por isso,

a freqüência utilizada na simulação foi de 1200 Hertz.

A simulação comprovou que o conversor matricial com “elo” fictício não é uma

técnica que pode ser usada para converter a energia de uma microturbina, pois a

freqüência de chaveamento excede os limites de operação do IGBT. Os limites de

chaveamento do IGBT podem ser visto na Figura 32 (Casenin, 2003). As Figuras 33 e

34 mostram o chaveamento total e o chaveamento de uma das chaves

respectivamente.

Figura 32 - Limites de chaveamento do IGBT.

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38

Figura 33 - Chaveamento total.

Figura 34 - Chaveamento individual.

A freqüência de chaveamento de um IGBT está sendo:

����� �. ��⁄ � � � ()* (60)

Essa simulação só comprova que o conversor matricial com “elo” fictício não

pode ser usado para esse propósito, mas existem estudos que comprovam que é

possível modular o conversor matricial para ele ser utilizado em microturbinas com

freqüência de chaveamento de 7 kHz (Nikkhajoei e Iravani, 2005) (Nikkhaejoei e

Karimi-Ghartemani,2006).

4.2 Simulação com 44 Hz

Para ser viável economicamente a instalação de uma turbina eólica, é

necessário que a velocidade do vento esteja na faixa de 5,8 a 8 metros por segundo

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39

(Plataforma Itaipu). Com essa velocidade, é possível produzir uma na faixa de 32 a 44

Hertz . Portanto, a freqüência escolhida foi a de 44 Hertz (Barakati, Kazerani e Chen,

2005).

O conversor matricial com “elo” fictício obteve bons resultados para simular

uma turbina eólica. As Figuras 35, 36 e 37 mostram sua resposta.

A Figura 35 é a entrada do conversor, pode-se notar que:

a) A tensão de entrada é senoidal. b) Existe um pequeno atraso da corrente em relação à tensão e a forma de onda

da corrente não é senoidal, mas o fator de potência continua próximo ao unitário

Figura 35 - Sinal de entrada.

Com a Figura 36 pode-se afirmar que:

a) O filtro de saída faz a corrente atrasar 90º em relação à tensão, mas produz uma corrente senoidal.

b) A saída tem a freqüência de 60 HZ desejada. c)

Figura 36 - Sinal de saída.

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Na Figura 37, pode-se notar que a quantidade de chaveamento dessa

conversão é aceitável.

Figura 37 - Chaveamento individual.

O estudo de S. M. Barakati, M. Kazerani e X. Chen comprova ainda que o

conversor matricial indireto é uma tecnologia viável para a aplicação em turbinas

eólicas, e ele se mostrou capaz de operar no ponto máximo de potência mesmo com

uma mudança de velocidade durante o tempo analisado (Barakati, Kazerani e Chen,

2005).

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5. Conclusão

O presente trabalho apresentou o conversor matricial e suas diferentes formas

de modulação e uma alternativa viável para os problemas de comutação do conversor.

Foi observada a evolução contínua que essa tecnologia obteve ao longo

desses trinta anos de existência, sendo que alguns de seus problemas iniciais já foram

resolvidos, como, por exemplo, o baixo ganho que o conversor apresentava.

Com suas diferentes técnicas de modulação, o conversor se mostra com uma

grande capacidade de adaptação para várias aplicações diferentes.

A técnica de modulação por espaço vetorial (usada no conversor matricial

indireto, conversor matricial esparso e no conversor matricial com “elo” fictício) se

mostrou muita atrativa, pois é fácil de aplicar e se mostrou capaz de aceitar uma

variação da freqüência de entrada sem perder o ponto máximo de potência (Barakati,

Kazerani e Chen, 2005). Além disso, essa técnica viável também é viavel para os

conversores CA-CC (retificadores) e conversores CC-CA (inversores).

Pode-se afirmar que o estudo realizado foi capaz de proporcionar um amplo

aprendizado sobre o conversor matricial.

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