Pacheco, Leonardo Freire
Conversor série ressonante bidirecional operando
como transformador de estado sólido / Leonardo
Freire Pacheco ; orientador, Ivo Barbi, 2019.
310 p.
DDissertação (mestrado) - Universidade Federal de
Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós
Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2019.
RESUMO É apresentado nessa dissertação o estudo e implementação de uma topologia de Transformador de Estado Sólido baseado num derivado do Conversor Série Ressonante: o LLC Ressonante. Este conversor tem em sua entrada tensão alternada e fornece em sua saída tensão alternada em fase, assim como um transformador convencional. Possui isolação galvânica e nível de tensão ajustável através do número de espiras do transformador, porém possui peso e volume reduzido em relação aos transformadores convencionais, por ser um transformador de média frequência. Inicialmente, apresenta-se uma contextualização sobre Transformadores de Estado Sólido, seguido de fundamentação teórica sobre Conversores Série Ressonantes e LLC Ressonantes. Em seguida, o projeto e dimensionamento dos elementos presentes na topologia é feito com base na potência nominal determinada. Devido ao efeito da ressonância, os elementos semicondutores da estrutura comutam de forma não-dissipativa, e para garantir a comutação suave, devem ser empregados sensores de tensão e corrente, além da implementação de tempo morto entre acionamento de interruptores complementares. A estratégia de comutação adotada é capaz de processar energia para cargas resistivas, bem como para cargas com propriedades indutivas, tais como motores, entretanto não foram obtidos resultados experimentais para tal caso. Por ser um Conversor LLC Ressonante, suas propriedades o tornam passivo de ganho em sua tensão de saída modificando apenas a frequência de comutação dos seus interruptores. Após o estudo e simulação de toda a topologia, é apresentado o desenvolvimento de um protótipo com potência nominal de 2 kW, com valor eficaz de tensão de entrada de 220 V e frequência de 60 Hz. Finalmente, a análise teórica e as simulações são validadas através de resultados experimentais, mostrando a eficácia do conversor e sua operação como um Transformador de Estado Sólido. Observa-se que a topologia possui vantagens, tais como relativamente poucos interruptores, ajuste amplo de tensão de saída através do número de espiras do transformador, ajuste fino de tensão de saída através da frequência de comutação, e peso e volume reduzidos.
ABSTRACT
This paper presents the study and implementation of a Solid State Transformer topology based on a Resonant Series Converter derivative: Resonant LLC. This converter has sinusoidal voltage in its input and provides in its output sinusoidal voltage in phase, just like a conventional transformer. It has galvanic isolation and adjustable voltage level through the number of turns of the transformer, but it has a reduced weight and volume compared to conventional transformers, because it is a medium frequency transformer. Initially, a theoretical basis is presented on Resonant Series Converters and Resonant LLCs, followed by contextualization on Solid State Transformers. Then, the design and dimensioning of the elements present in the topology is done based on the determined rated power. Due to the resonance effect, the semiconductor elements of the structure switch non-dissipative, and to ensure soft switching, voltage and current sensors must be employed, in addition to the implementation of dead time between the activation of complementary switches. The adopted switching strategy is able to process energy for resistive loads, as well as for loads with inductive properties, such as motors, however no experimental results were obtained for this case. Because it is a Resonant LLC Converter, its properties make it possible to gain its output voltage by modifying only the switching frequency of its switches. After the study and simulation of the entire topology, the development of a prototype with a nominal power of 2 kW, with an input voltage effective value of 220 V and a frequency of 60 Hz is presented. Finally, the theoretical analysis and the simulations are validated through experimental results, showing the efficiency of the converter and its operation as a Solid State Transformer. It is observed that the topology has advantages such as relatively few switches, wide adjustment of output voltage through the number of turns of the transformer, fine adjustment of output voltage through the switching frequency, and reduced weight and volume.
