O software de simulação escolhido foi o PSIM 7.0.5. A topologia simulada foi a Neutral Point Clamped de três níveis, ilustrada na figura 1, tendo sido objecto de comparação as diversas técnicas de controlo dos conversores multinível. Entre essas técnicas foram simuladas as seguintes:
- MLI com portadoras em fase
- MLI com portadoras em oposição de fase
- Modulação vectorial
Figura 1. Conversor NPC de três níveis
MLI com portadoras em fase
A modulação com duas portadoras em fase está ilustrado na figura 2, existem duas portadoras triangulares que interceptam uma moduladora nas suas arcadas superiores e inferiores. Desta intercepção surge os dois sinais de controlo que juntamente com os seus complementares formam os quatro sinais que controlam os quatro transístores de um ramo.
Figura 2. a)Portadoras e moduladoras b) e c) Sinais de controlo para os transistores
A simulação do conversor foi realizada perante as seguintes condições:
- Tensão DC de entrada: 100 V.
- Frequência de comutação: 1.6 kHz.
- Índice de modulação: 1.
- Frequência do sinal de saída: 50 Hz.
- Carga trifásica RL: R=50 ohm e L=0.01 H.
Nestas condições obteve-se os resultados, apresentados de seguida, para a variação de tensão no ponto médio (figura 3), corrente no ponto médio (figura 4), corrente de entrada nos três ramos (figura 5), tensão num transístor (figura 6), tensão simples (figura 7), tensão composta (figura 8) e espectro harmónico da tensão composta (figura 9).
Figura 3.Variação da tensão no ponto médio
Figura 4. Corrente no ponto médio
Figura 5. Corrente na entrada dos três ramos do conversor
Figura 6. Tensão simples
Figura 7. Tensão composta
Figura 8. Espectro harmónico da tensão composta
As formas de onda observadas nas figuras anteriores servem para analisar o comportamento do conversor. Como se pode ver nas figuras 3 e 4 o ponto médio não têm uma tensão constante nem uma corrente estável resultando dai oscilações nos níveis de tensão à saída. São também observadas a corrente na entrada dos três ramos e tensão nos terminais de um dos transístores. Nas figuras 7 e 8 pode-se ver os patamares de tensão bem definidos de um conversor de três níveis. Por fim, é ilustrado o espectro harmónico da tensão composta com harmónicos à volta da frequência de comutação e do seu múltiplo a 3.2 kHz. Foi calculada ainda a THD (Total Harmonic Distortion), tendo dado 0,35. A THD foi ainda calculada para os índices de modulação de 0,5 (THD=0,69) e 0,25 (THD=1,39).
MLI com portadoras em oposição de fase
Este tipo de modulação é bastante semelhante ao caso anterior, resultando dai apenas pequenas diferenças na performance do conversor. Na figura 9 estão representadas as formas de ondas das portadoras em oposição de fase, a onda moduladora e os sinais de controlo resultantes.
Figura 9.a)Portadoras e moduladoras b) e c) Sinais de controlo para os transistores
Os resultados obtidos das simulações mostraram-se bastante semelhantes, apenas para indices de modulação baixos se nota a diferença entre o valor eficaz e a THD da tensão composta. O valor eficaz é superior para a modulação em oposição de fase mas apresenta valores de THD piores como se pode ver pelas tabelas 1 e 2.
Tabela 1. Valores de RMS e THD da tensão entre fases para três índices de modulação diferentes com portadoras em fase
Tabela 2. Valores de RMS e THD da tensão entre fases para três índices de modulação diferentes com portadoras em oposição de fase
O circuito de simulação pode ser visto aqui.
Modulação vectorial
A MLI Vectorial ou SVPWM (Space Vector PWM) consiste na representação de todos os estados possíveis da saída em vectores no plano d-q e escolher qual desses vectores deve representar a saída dependendo da posição do vector de referência. Na figura 10 estão representados os 27 vectores resultantes dos estados possíveis na saída de um conversor de três níveis, existindo 8 estados redundantes.
figura 10. Diagrama de vectores
Os resultados obtidos da modulação vectorial, nas mesmas condições da simulação anterior, estão ilustrados nas figuras 12- 15.
Figura 11. Variação de tensão no ponto médio
Figura 12. Corrente no ponto médio
Figura 13. Tensão simples
Figura 14. Tensão composta
Figura 15. Espectro harmónico da tensão composta
Pelo espectro harmónico é observável que a componente fundamental tem uma amplitude superior à modulação com duas portadoras em fase e que os harmónicos de maior relevancia aparecem em volta da frequência de amostragem (1.6 kHz). Na tabela 3 tem-se os valores de RMS e THD para vários índices de modulação.
Tabela 3. Valores de RMS e THD da tensão entre fases para três índices de modulação diferentes com modulação vectorial
Pelos resultados que aparecem na tabela rapidamente conclui-se que a modulação vectorial tem uma performance superior tanto a nível de valor eficaz como ao nível de THD. A estrategia de comutação permite ainda ter vantagens em relação a perdas nos interruptores.
O circuito de simulação pode se visto aqui.
