Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020 405Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020 405

Seleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-dos em Conversor Modular Multinível

Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular Multilevel Converter

Paulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-celo M. Stopa, Heverton A. Pereira

Selecao da Tensao da Tens˜ ao de Bloqueioao de Bloqueio˜ Otima de IGBTs para Inversores de FrequenciaenciaˆBaseados em Conversor Modular Multinıvelıvel´

Paulo R. M. JSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-Paulo R. M. JSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-uniorSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-uniorSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-unior´ 1, JoSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-, JoSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-ao V. M. FariasSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-ao V. M. FariasSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-ao V. M. Farias˜ 2, Allan F. CupertinoSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-, Allan F. CupertinoSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-3, Gabriel A. MendoncaSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-, Gabriel A. MendoncaSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-

2, Marcelo M. Stopa1,Heverton A. PereiraSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-Heverton A. PereiraSeleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-Seleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-4Seleção da Tensão de Bloqueio Ótima de IGBTs para Inversores de Frequência Basea-

dos em Conversor Modular Multinível1dos em Conversor Modular MultinívelPrograma de Pdos em Conversor Modular MultinívelPrograma de Pdos em Conversor Modular Multinívelos-Graduacdos em Conversor Modular Multinívelos-Graduacdos em Conversor Modular Multiníveldos em Conversor Modular Multinível´dos em Conversor Modular Multinívelos-Graduacdos em Conversor Modular Multinível´dos em Conversor Modular Multinível ao em Engenharia Elao em Engenharia El˜ etrica, CEFET - MG, Belo Horizonte, MG, Brasiletrica, CEFET - MG, Belo Horizonte, MG, Brasil´2Programa de Pos-Graduacos-Graduac´ ao em Engenharia Elao em Engenharia El˜ etrica, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasiletrica, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil´

3Departamento de Engenharia de Materiais, CEFET - MG, Belo Horizonte, MG, Brasil4Departamento de Engenharia Eletrica, Universidade Federal de Vicosa, Vicosa, MG, Brasiletrica, Universidade Federal de Vicosa, Vicosa, MG, Brasil´

e-mail: paulomatiaspq@gmail.com, joao.farias@ifmg.edu.br, afcupertino@ieee.org, gforti@gmail.com, marcelo@cefetmg.br,heverton.pereira@ufv.br

Resumo –Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

Resumo –Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular Multilevel ConverterResumo –Multilevel ConverterO conversor modular multinSelection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

O conversor modular multinSelection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular Multilevel ConverterO conversor modular multinMultilevel ConverterSelection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

´Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

ıvel (CMM)Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

ıvel (CMM)Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

´Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

ıvel (CMM)Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

´Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

´Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

eSelection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

eSelection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

uma topologia inerentemente tolerante a falhas e umaMultilevel Converteruma topologia inerentemente tolerante a falhas e umaMultilevel Converteropcao interessante para acionamentos elao interessante para acionamentos el˜ etricos de metricos de m´ ediaedia´tensao, especialmente quando cargas quadrao, especialmente quando cargas quadr˜ aticas saticas s´ aoempregadas. Para selecionar a melhor tensao de bloqueioao de bloqueio˜de IGBTs, este trabalho apresenta uma metodologiade projeto e comparacao de CMMs considerando aao de CMMs considerando a˜redundancia necessancia necessˆ aria para atingir o requisito dearia para atingir o requisito de´confiabilidade. SPaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-confiabilidade. SPaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-ao comparados projetos utilizando IGBTsPaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-ao comparados projetos utilizando IGBTsPaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-ao comparados projetos utilizando IGBTs˜com tens

Paulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-com tens

Paulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-celo M. Stopa, Heverton A. Pereiracom tenscelo M. Stopa, Heverton A. Pereiraao de bloqueio na faixa de 1,7 a 6,5 kV. A selecPaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-

ao de bloqueio na faixa de 1,7 a 6,5 kV. A selecPaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-celo M. Stopa, Heverton A. Pereiraao de bloqueio na faixa de 1,7 a 6,5 kV. A seleccelo M. Stopa, Heverton A. PereiraPaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-

˜Paulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-

ao de bloqueio na faixa de 1,7 a 6,5 kV. A selecPaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-

˜Paulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-Paulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-

˜Paulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-

aoPaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-

aoPaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-celo M. Stopa, Heverton A. Pereira´celo M. Stopa, Heverton A. Pereirae baseada em mcelo M. Stopa, Heverton A. Pereirae baseada em mcelo M. Stopa, Heverton A. Pereiracelo M. Stopa, Heverton A. Pereira´celo M. Stopa, Heverton A. Pereirae baseada em mcelo M. Stopa, Heverton A. Pereira´celo M. Stopa, Heverton A. Pereiracelo M. Stopa, Heverton A. Pereira´celo M. Stopa, Heverton A. Pereiraetricas de complexidade, volume,celo M. Stopa, Heverton A. Pereiraetricas de complexidade, volume,celo M. Stopa, Heverton A. Pereiracelo M. Stopa, Heverton A. Pereira´celo M. Stopa, Heverton A. Pereiraetricas de complexidade, volume,celo M. Stopa, Heverton A. Pereira´celo M. Stopa, Heverton A. Pereira area dearea de´

silıcio e eficiıcio e efici´ encia do conversor. O uso da metodologiaencia do conversor. O uso da metodologiaˆ eexemplificado em um soprador industrial acionado por ummotor de inducao trifao trif˜ asico de 13,8 kV - 16 MW. Medicao trifasico de 13,8 kV - 16 MW. Medicao trifasico de 13,8 kV - 16 MW. Medic´ oesda velocidade de operacao do acionamento e temperaturaao do acionamento e temperatura˜ambiente desse processo em uma industria siderustria sider´ urgicaurgica´localizada no sudeste brasileiro sao utilizadas na avaliacao utilizadas na avaliac˜ aodas perdas do conversor. Os resultados evidenciam quea classe de tensao otima de IGBTs depende do tipo deotima de IGBTs depende do tipo de´redundancia empregado. Alancia empregado. Alˆ em disso, apesar do aumentoem disso, apesar do aumento´de complexidade e do numero de componentes, os projetosumero de componentes, os projetos´baseados em IGBTs com menor tensao de bloqueio (1,7ao de bloqueio (1,7˜e 3,3 kV) se mostram mais vantajosos devido a menoresperdas, volume e area de silarea de sil´ ıcio.ıcio.´

Palavras-chave – Acionamentos Eletricos, Conversoretricos, Conversor´Modular Multinıvel, Projeto Otimizado, Confiabilidade.ıvel, Projeto Otimizado, Confiabilidade.´

Selection of the Optimal IGBT Blocking Voltagefor Electric Drives based on Modular Multilevel

Converter

Abstract – The modular multilevel converter (MMC) isan inherently fault-tolerant topology and an interestingoption for medium voltage electrical drives, especiallywhen quadratic loads are taken into account. In orderto select the optimal blocking voltage for IGBTs, thispaper presents a design methodology and comparison ofMMCs considering the necessary redundancy to achievethe reliability requirement. Designs using IGBTs withblocking voltage in the range of 1.7 to 6.5 kV are compared.

Manuscript received 05/24/2020; first revision 08/29/2020; accepted forpublication 09/14/2020, by recommendation of Editor Demercil de SouzaOliveira Jr. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2020.4.0033

The selection is based on complexity, volume, silicon areaSelection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

The selection is based on complexity, volume, silicon areaSelection of the Optimal IGBT Blocking Voltage for Electric Drives based on Modular

and efficiency. The methodology application is exemplifiedthrough an industrial blower driven by a 13.8 kV -16 MW three-phase induction motor. Measurements ofthe operating drive speed and ambient temperature ofthis process, which is part of a steel industy located insoutheastern Brazil, is used as mission profile. The resultsshow that the optimal class of IGBTs depends on the typeof redundancy employed. In addition, despite the increasePaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-of redundancy employed. In addition, despite the increasePaulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-in complexity and the number of components, designs

Paulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-in complexity and the number of components, designs

Paulo R. M. Júnior, João V. M. Farias, Allan F. Cupertino, Gabriel A. Mendonça, Mar-based on IGBTs with lower blocking voltage (1.7 and 3.3kV) are proved to be more advantageous due to lowerlosses, volume and silicon area.

Keywords – Electric Drive, Modular multilevelconverter, Optimal Design, Reliability.

I. INTRODUCAO

Nas ultimas dultimas d´ ecadas, houve um crescente aumento naecadas, houve um crescente aumento na´preocupacao com a eficiao com a efici˜ encia energencia energˆ etica em instalacetica em instalac´ oeseletricas no ambiente industrial. O uso de acionamentosetricas no ambiente industrial. O uso de acionamentos´eletricos com velocidade varietricos com velocidade vari´ avel se mostrou uma opcavel se mostrou uma opc´ aointeressante neste aspecto, visto que esta tecnologia permitereduzir o consumo total de energia eletrica [1]. Paraetrica [1]. Para´acionamentos eletricos de metricos de m´ edia tensedia tens´ ao, os conversoresmodulares multinıveis (CMM) tem se mostrado uma famıveis (CMM) tem se mostrado uma fam´ ıliaılia´promissora de conversores [2]. Suas principais caracterısticasısticas´sao: baixoao: baixo˜ dv/dt, elevada eficiencia, modularidade e baixoencia, modularidade e baixoˆconteudo harmudo harm´ onico nas grandezas elonico nas grandezas elˆ etricas [3], [4].etricas [3], [4].´

Sobre as topologias de CMM, a DSCC (do inglesDouble−Star Chopper Cell) e a mais utilizada eme a mais utilizada em´acionamentos eletricos cujo torque de cargaetricos cujo torque de carga´ e proporcionale proporcional´ao quadrado da velocidade [5]. Este tipo de carga emuito utilizado no ambiente industrial, sendo responsavelavel´por aproximadamente 70% do mercado de acionamentoseletricos de metricos de m´ edia tensedia tens´ ao [6]. Atualmente, empresas comoao [6]. Atualmente, empresas como˜Siemens e Benshaw comercializam esta topologia no mercadopara o acionamento de bombas, compressores e ventiladoresindustriais [5]. Porem, esta topologia apresenta algumasem, esta topologia apresenta algumas´limitacoes quando o motor opera em baixas velocidades e altooes quando o motor opera em baixas velocidades e alto˜torque, condicao na qual sao na qual s˜ ao observadas grandes oscilacao observadas grandes oscilac˜ oes deoes de˜tensao nos capacitores de cada submao nos capacitores de cada subm˜ odulo (SM) do conversorodulo (SM) do conversor´[4]. Para melhorar a resposta dinamica do CMM em baixasamica do CMM em baixasˆ

Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020406 Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020406

velocidades, diversas tecnicas para reduzir as oscilacecnicas para reduzir as oscilac´ oes deoes de˜tensao nos capacitores dos SMs tem sido propostas [4], [7].ao nos capacitores dos SMs tem sido propostas [4], [7].˜

Um dos desafios associados ao projeto do CMM e a escolhae a escolha´da tensao de bloqueio dos IGBTs de potao de bloqueio dos IGBTs de pot˜ encia disponencia disponˆ ıveisıveis´no mercado, que variam de 0,6 ate 6,5 kV para dispositivose 6,5 kV para dispositivos´de silıcio [8]. Alguns trabalhos investigam o projetoıcio [8]. Alguns trabalhos investigam o projeto´ otimootimo´do conversor para uma dada aplicacao, diferentes nao, diferentes n˜ ıveis deıveis de´tensao e de potao e de pot˜ encia. A referencia. A referˆ encia [9] propencia [9] propˆ oe um projetooe um projeto˜de um conversor em cascata para a integracao de energiaao de energia˜renovavelavel´ a rede ela rede el` etrica, levando em conta o desempenho doetrica, levando em conta o desempenho do´sistema, complexidade do controle e custo de semicondutores.Os resultados mostram que, para o caso em estudo, oconversor com 19 nıveisıveis´ e a opcao otima para um sistema deotima para um sistema de´conversao de 11 kV. Por sua vez, a referao de 11 kV. Por sua vez, a refer˜ encia [10] comparaencia [10] comparaˆo CMM e o conversor de tres nıveis com grampeamentoıveis com grampeamento´de neutro para um sistema de armazenamento de energiapor baterias. A comparacao e feita com base em ne feita com base em n´ umerosde IGBTs, elementos de filtragem, eficiencia do sistema,encia do sistema,ˆconteudo harmudo harm´ onico e custo. A referonico e custo. A referˆ encia [11] apresenta oencia [11] apresenta oˆprocedimento de projeto e a comparacao de topologias deao de topologias de˜conversores utilizados em acionamentos eletricos de metricos de m´ ediaedia´tensao para diferentes tensao para diferentes tens˜ oes de saoes de sa˜ ıda e nıda e n´ ıveis de potıveis de pot´ encia,encia,ˆporem nao e considerada a injece considerada a injec´ ao de sequao de sequ˜ encia zero noencia zero noˆCMM. Por fim, a referencia [8] propencia [8] propˆ oe determinar a tensoe determinar a tens˜ aode bloqueio otima dos IGBTs utilizados em um conversorotima dos IGBTs utilizados em um conversor´em cascata. A comparacao e baseada na eficie baseada na efici´ encia no pontoencia no pontoˆnominal e na densidade de potencia do conversor. Contudo,encia do conversor. Contudo,ˆconforme referencia [12], considerar apenas a eficiencia [12], considerar apenas a eficiˆ encia noencia noˆponto nominal de operacao pode resultar em um projeto nao pode resultar em um projeto n˜ aootimizado, dependendo do perfil de operacao do conversor.ao do conversor.˜

De fato, a escolha da tensao de bloqueioao de bloqueio˜ otima baseadaotima baseada´no perfil da aplicacao (velocidade de operacao (velocidade de operac˜ ao, perfilao, perfil˜de conjugado e temperatura ambiente) e uma estrate uma estrat´ egiaegia´interessante para determinar o melhor custo-benefıcio deinteressante para determinar o melhor custo-benefıcio deinteressante para determinar o melhor custo-benefıcio de´sistemas de acionamentos eletricos de metricos de m´ edia tensedia tens´ ao. Sendoao. Sendo˜assim, o trabalho [13] busca o numero otimo de notimo de n´ ıveis deıveis de´um CMM considerando o perfil de operacao do acionamento.ao do acionamento.˜Contudo, o volume do conversor e as classes de 1,7 e 2,5kV sao desconsideradas. Alao desconsideradas. Al˜ em disso, o custo da redundem disso, o custo da redund´ ancia,ancia,ˆnecessaria para garantir o mesmo requisito de confiabilidade,aria para garantir o mesmo requisito de confiabilidade,´nao e inclue inclu´ ıdo.ıdo.´

Portanto, este artigo propoe uma metodologia paraoe uma metodologia para˜selecionar a tensao otima de bloqueio dos IGBTs do CMM,otima de bloqueio dos IGBTs do CMM,´utilizado em acionamentos eletricos, considerando estratetricos, considerando estrat´ egiasegias´de redundancia para atingir o mesmo nancia para atingir o mesmo nˆ ıvel de confiabilidadeıvel de confiabilidade´para IGBTs com diferentes classes de tensao. Alao. Al˜ em disso, aem disso, a´selecao do projeto mais viao do projeto mais vi˜ avel inclui mais classes de tensavel inclui mais classes de tens´ oesde IGBTs disponıveis no mercado, baseado no perfil industrialıveis no mercado, baseado no perfil industrial´do acionamento. Para tal, a comparacao entre diferentesao entre diferentes˜projetos adota a complexidade do sistema, area de silarea de sil´ ıcio,ıcio,´eficiencia e volume como figuras de mencia e volume como figuras de mˆ erito.erito.´

A metodologia e aplicada no estudo de caso de um inversore aplicada no estudo de caso de um inversor´de um soprador industrial acionado atraves de um motores de um motor´de inducao trifao trif˜ asico de 13,8 kV e 16 MW. O perfil deao trifasico de 13,8 kV e 16 MW. O perfil deao trifasico de 13,8 kV e 16 MW. O perfil de´operacao utilizadoao utilizado˜ e construe constru´ ıdo a partir de medicıdo a partir de medic´ oes em umaindustria siderustria sider´ urgica do sudeste brasileiro. Este trabalhourgica do sudeste brasileiro. Este trabalho´e organizado em sete sece organizado em sete sec´ oes. A Secoes. A Sec˜ ao II expao II exp˜ oe o CMMoe o CMM˜aplicado em acionamentos eletricos e suas estratetricos e suas estrat´ egias deegias de´controle. O projeto do CMM considerando os requisitos

de confiabilidade e apresentado na Sece apresentado na Sec´ ao III. O modelo deao III. O modelo de˜confiabilidade utilizado neste trabalho e mostrado na Sece mostrado na Sec´ aoIV. Por sua vez, a Secao V exibe o estudo de caso e osao V exibe o estudo de caso e os˜parametros do CMM. Alametros do CMM. Alˆ em disso, as mem disso, as m´ etricas para estimativaetricas para estimativa´da complexidade, volume do conversor, area de silarea de sil´ ıcio eıcio e´eficiencia sencia sˆ ao apresentadas. Em seguida, os resultados sao apresentadas. Em seguida, os resultados s˜ aoexpostos e discutidos na Secao VI. Finalmente, a Secao VI. Finalmente, a Sec˜ ao VIIao VII˜traz as conclusoes deste trabalho.oes deste trabalho.˜

II. O CONVERSOR MODULAR MULTINIVELAPLICADO EM ACIONAMENTOS ELETRICOS

O sistema de acionamento eletrico atravetrico atrav´ es do CMMes do CMM´ emostrado na Figura 1. Como observado, esta topologia deconversor e formada por uma associace formada por uma associac´ ao deao de˜ K SMs naoredundantes e M SMs redundantes por braco. O numerototal de SMs por braco e dado pore dado por´ N = K + M. Cada SMe formado por dois IGBTs,e formado por dois IGBTs,´ S1 e S2, dois diodos, D1 e D2,e um capacitor, C. Tipicamente, em paralelo com os SMs,um interruptor formado por um tiristor e um contator, ST , eresponsavel pela retirada de operacavel pela retirada de operac´ ao dos mesmos em casoao dos mesmos em caso˜de falha, podendo ser utilizado tambem, para manter os SMsem, para manter os SMs´redundantes fora do circuito principal enquanto o conversoresta operando normalmente [14]. Os indutores de bracoa operando normalmente [14]. Os indutores de braco´reduzem as distorcoes harmoes harm˜ onicas nas correntes do braco [15].onicas nas correntes do braco [15].ˆNeste trabalho sao considerados indutores acoplados, devidoao considerados indutores acoplados, devido˜ao seu volume e peso reduzido em relacao aos individuais.ao aos individuais.˜Essa configuracao faz com que a indutao faz com que a indut˜ ancia equivalente vistaancia equivalente vistaˆpela corrente de saıda (corrente do motor) seja teoricamenteıda (corrente do motor) seja teoricamente´nula. Com isso, a dinamica do motor namica do motor nˆ ao e afetada [4].e afetada [4].´

A estrategia de controle utilizadaegia de controle utilizada´ e baseada em [4]. Ae baseada em [4]. A´estrutura de controle e dividida em: Controle me dividida em: Controle m´ edio dos SMs,edio dos SMs,´controle individual e o controle vetorial indireto do motor,como ilustrado na Figura 2. No controle medio, a malhaedio, a malha´externa e responsavel por controlar a tensavel por controlar a tens´ ao media de todosedia de todos´os SMs por fase e calcular a corrente circulante necessariaaria´para realizar a troca de energia no conversor. Por sua vez, amalha interna controla a corrente circulante a fim de suprimiras componentes harmonicas de segunda ordem e introduzironicas de segunda ordem e introduzirˆum amortecimento na dinamica do conversor. Esse controleamica do conversor. Esse controleˆe baseado em um controlador proporcional ressonante (PR)e baseado em um controlador proporcional ressonante (PR)´para suprimir a componente de segunda harmonica, queonica, queˆ e

Retificador de12 pulsos

L

L

ia

vccvccvisa

iia

Motor de

Indução

Transformador de3 enrolamentos

Rede elétrica

13,8 kV60 Hz

SM1

Braço

CS1

S2S2S

D1

D2

STSTS

SM

CMM

~

AB

CSMK

SM k+1

SM M

Figura 1. Sistema de acionamento eletrico empregando CMM.etrico empregando CMM.´

Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020 407Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020 407

Controle médio

Controle individual

Controle vetorial indireto

FMM

IMC braçobraço

méd

méd

sup

inf

Controle de

velocidade

Cálculo doescorreg.

Figura 2. Estrutura de controle do CMM aplicado em sistema deacionamento eletrico.etrico.´ IMC-Injecao de modo comum.ao de modo comum.˜ FMM-Filtrode media media m´ ovel.ovel.´

tipicamente encontrada na topologia CMM. Para reduzir asoscilacoes de tensoes de tens˜ ao nos capacitores dos SMs quando o motorao nos capacitores dos SMs quando o motor˜opera em baixas velocidades, a injecao de modo comumao de modo comum˜(IMC) e utilizada. Essa estrate utilizada. Essa estrat´ egia consiste em inserir umaegia consiste em inserir uma´corrente circulante alternada juntamente com uma tensao deao de˜modo comum nos sinais de referencia [4].encia [4].ˆ

Em seguida, o controle individual e utilizado para garantire utilizado para garantir´o balanceamento das tensoes dos capacitores dos SMs. Umoes dos capacitores dos SMs. Um˜filtro de media media m´ ovel (FMM)ovel (FMM)´ e utilizado para suprimir ase utilizado para suprimir as´oscilacoes e melhorar o desempenho do controlador. Por fim,oes e melhorar o desempenho do controlador. Por fim,˜o controle por orientacao indireta de campo do rotor [16],ao indireta de campo do rotor [16],˜ eresponsavel por controlar a velocidade do motor. Os sinaisavel por controlar a velocidade do motor. Os sinais´de controle sao somados, normalizados e enviados para oao somados, normalizados e enviados para o˜modulador de tensao. Neste trabalhoao. Neste trabalho˜ e utilizada a modulace utilizada a modulac´ aopor largura de pulso PS-PWM (do ingles phase−shi f tedpulse width modulation) [17]. Os sinais de referencia dosencia dosˆbracos superiores e inferiores, por fase, sao dados por:ao dados por:˜

v∗s = v∗b +v∗z

v∗sm,u− v∗s

v∗sm,uN+

v∗com

v∗sm,uN+

12, (1)

v∗i = v∗b +v∗z

v∗sm,l+

v∗sv∗sm,lN

+v∗com

v∗sm,lN+

12, (2)

onde v∗b e a refere a refer´ encia do controle individual,encia do controle individual,ˆ v∗z e a refere a refer´ enciaenciaˆdo controle medio,edio,´ v∗s e a refere a refer´ encia do controle vetorialencia do controle vetorialˆindireto, v∗sm,s and v∗sm,i sao as tensao as tens˜ oes de referoes de refer˜ encia dos SMsencia dos SMsˆdos bracos superiores e inferiores, respectivamente. A tensaode modo comum e representada pore representada por´ v∗com.

III. PROJETO DO CMM

O primeiro passo para realizar o projeto do CMM paraaplicacoes de acionamento eloes de acionamento el˜ etricoetrico´ e a determinace a determinac´ ao da tensao da tens˜ aodo barramento c.c. A tensao mınima pode ser computada por:ınima pode ser computada por:´

vcc =√

2vskres, (3)

onde vs e a tense a tens´ ao rms de linha do estator eao rms de linha do estator e˜ kres e o fator dee o fator de´reserva de tensao. Para aplicacao. Para aplicac˜ oes de acionamentos eloes de acionamentos el˜ etricosetricos´

de media tensedia tens´ ao, kres e usualmente 1,2 [18]. Esta reservae usualmente 1,2 [18]. Esta reserva´ eutilizada para garantir a correta operacao do conversor duranteao do conversor durante˜transitorios e compensar a queda de tensorios e compensar a queda de tens´ ao nos indutores deao nos indutores de˜braco, indutancias parasitas e semicondutores [11].ancias parasitas e semicondutores [11].ˆ

O melhor projeto para o numero de SMumero de SM´ e ditadoe ditado´principalmente pela capacidade de tensao de bloqueio dosao de bloqueio dos˜IGBTs empregados. Neste trabalho, sao considerados IGBTsao considerados IGBTs˜com a tensao de bloqueio,ao de bloqueio,˜ VbvVbvV , na faixa de 1,7 ate 6,5 kV. Oe 6,5 kV. O´fator de utilizacao, fufuf e calculado atrave calculado atrav´ es de:es de:´

fufuf =v∗sm

vbv,100 f it, (4)

onde vbv,100 f it e a tense a tens´ ao de bloqueio do IGBT para umaao de bloqueio do IGBT para uma˜taxa de 100 FIT (do ingles f ailure in time) devido aradiacoes cosmicas [9]. Esteosmicas [9]. Este´ e um valor te um valor t´ ıpico de FIT paraıpico de FIT para´semicondutores utilizado nos projetos de conversores parasistemas HVDC (do ingles high− voltage direct voltage) epara acionamentos eletricos de metricos de m´ edia tensedia tens´ ao [19], [20]. Asao [19], [20]. As˜referencias de tensencias de tensˆ ao dos SMs,ao dos SMs,˜ v∗sm, sao calculados como:ao calculados como:˜

v∗sm =vcc

K. (5)

Um fufuf mais alto e essencial para um projeto com melhore essencial para um projeto com melhor´custo-benefıcio, visto que o custo dos semicondutorescusto-benefıcio, visto que o custo dos semicondutorescusto-benefıcio, visto que o custo dos semicondutores´ e umaparcela significativa dos custos em conversores de mediaedia´tensao [21]. A Tabela I mostra a tensao [21]. A Tabela I mostra a tens˜ ao de referao de refer˜ encia dosencia dosˆSMs e o fator de utilizacao em funcao em func˜ ao do nao do n˜ umero de SMs.umero de SMs.´Os projetos com 7, 11, 14, 20 e 27 SMs apresentam o fufufmais proximos da unidade para as classes de 6,5, 4,5, 3,3,oximos da unidade para as classes de 6,5, 4,5, 3,3,´2,5 e 1,7 kV, respectivamente. Portanto, esses projetos foramconsiderados para analises subsequentes deste trabalho. Emalises subsequentes deste trabalho. Em´geral, para usar os IGBTs de maneira otimizada, o projeto deveter um fufuf de 0,9 ou superior [21].

A capacitancia do SM pode ser calculada com base nosancia do SM pode ser calculada com base nosˆ

Tabela IFator de Utilizacao para Diferentes Nao para Diferentes N˜ umeros de SMumeros de SM´

K v∗sm (kV ) VbvVbvV (kV ) VdVdV ,100 f it (kV ) fufuf

6 4 6,5 3,6 1,117 3,43 6,5 3,6 0,958 3 6,5 3,6 0,839 2,67 6,5 3,6 0,7410 2,4 6,5 3,6 0,6711 2,18 4,5 2,25 0,9712 2 4,5 2,25 0,8913 1,85 4,5 2,25 0,8214 1,71 3,3 1,8 0,9515 1,6 3,3 1,8 0,8916 1,5 3,3 1,8 0,8317 1,41 3,3 1,8 0,7818 1,33 3,3 1,8 0,7419 1,26 3,3 1,8 0,7020 1,2 2,5 1,2 1,0021 1,14 2,5 1,2 0,9522 1,09 2,5 1,2 0,9123 1,04 2,5 1,2 0,8724 1 2,5 1,2 0,8325 0,96 2,5 1,2 0,8026 0,92 2,5 1,2 0,7727 0,89 1,7 0,9 0,9928 0,86 1,7 0,9 0,95

Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020408 Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020408

requisitos de armazenamento de energia do CMM. Segundo[22], o valor mınimo de capacitınimo de capacit´ ancia do SMancia do SMˆ e dada por:e dada por:´

C =KSnWconvWconvW

3v2cc

, (6)

onde Sn e a pote a pot´ encia aparente nominal do CMM eencia aparente nominal do CMM eˆ WconvWconvWe o requisito de armazenamento de energia por MVA. Parae o requisito de armazenamento de energia por MVA. Para´sistemas de acionamentos eletricos, valores pretricos, valores pr´ oximos a 60oximos a 60´kJ/MVA sao empregados [5].ao empregados [5].˜

Como mencionado anteriormente, este trabalho consideraa estrategia de modulacegia de modulac´ ao PS-PWM. Nessa estratao PS-PWM. Nessa estrat˜ egia,egia,´ Kportadoras triangulares sao usadas por braco, apresentandoao usadas por braco, apresentando˜uma frequencia efetiva de saencia efetiva de saˆ ıda,ıda,´ fe ffe ff , dada por [23]:

fe ffe ff = 2K fswK fswK f , (7)

onde fswfswf e a freque a frequ´ encia da portadora.encia da portadora.ˆA indutanciaanciaˆ L e utilizada para minimizar as oscilace utilizada para minimizar as oscilac´ oes deoes de˜

corrente circulante [24]. Tipicamente, sao utilizados valoresao utilizados valores˜entre 0,05 a 0,15 p.u. para o CMM [25]. Por sua vez, aondulacao de corrente circulante,ao de corrente circulante,˜ ∆iz, e proporcional a [26]:e proporcional a [26]:´

∆iz ∝1

fe ffe ff L. (8)

A fim de manter valores similares de ondulacao de correnteao de corrente˜circulante e da distorcao harmao harm˜ onica total (DHT) da corrente deonica total (DHT) da corrente deˆsaıda para todos os projetos,ıda para todos os projetos,´ fe ffe ff e L sao mantidos constantes.ao mantidos constantes.˜Isso quer dizer que quanto menor o numero de SMs, maior aumero de SMs, maior a´frequencia de comutacencia de comutacˆ ao, conforme discutido em [8].ao, conforme discutido em [8].˜

IV. CONFIABILIDADE E REDUNDANCIA

A funcao de confiabilidadeao de confiabilidade˜ R(t) e a taxa de falhasλ (t) sao ferramentas muito importantes para modelagem daao ferramentas muito importantes para modelagem da˜confiabilidade de conversores eletronicos.onicos.ˆ R(t) representaum grupo de amostras que podem funcionar adequadamentedurante um tempo especıfico eıfico e´ λ (t) e a taxa de falhas de ume a taxa de falhas de um´sistema. As falhas em um dispositivo podem ser causadasaleatoriamente ou por desgastes durante a sua operacao. Asao. As˜falhas por desgaste podem ser reduzidas se o projeto adequadodo conversor e realizado [27]. Portanto, neste trabalho foie realizado [27]. Portanto, neste trabalho foi´considerada a modelagem de confiabilidade do CMM baseadanas falhas aleatorias [28]. Portanto, a funcorias [28]. Portanto, a func´ ao de confiabilidadeao de confiabilidade˜do SM e dada por [29]:e dada por [29]:´

RSM(t) = e−λSMλSMλ t , (9)

onde λSMλSMλ e a taxa de falha do SM. Neste trabalho, se a taxa de falha do SM. Neste trabalho, s´ aoconsiderados as taxas de falha dos IGBTs, do capacitor e dosistema de controle do SM. Essa ultima inclui as taxas deultima inclui as taxas de´falha dos circuitos de acionamentos dos IGBTs, sistema decomunicacao e controlador dos SMs [30]. Assumindo queao e controlador dos SMs [30]. Assumindo que˜a taxa de falha de cada componente e independente, ente independente, ent´ aoλSMλSMλ = 2λIGBTλIGBTλ +λcapacitorλcapacitorλ +λcontroleλcontroleλ .

O CMM e formado por seis bracos, come formado por seis bracos, com´ N SM emcada braco. Considerando que as celulas selulas s´ ao idao id˜ enticas eenticas eˆindependentes, a funcao de confiabilidade do braco pode serao de confiabilidade do braco pode ser˜calculada da seguinte forma [29]:

R(t) =K

∏l=1

RSM(l)(t). (10)

No entanto, a eq. (10) e adequada apenas quando SMse adequada apenas quando SMs´redundantes nao sao utilizados. As cao utilizados. As c˜ elulas redundantes selulas redundantes s´ aooperadas no modo ativo ou no modo de espera. O modoativo opera com ou sem o compartilhamento de carga [31].Neste trabalho, sera considerada a redunda considerada a redund´ ancia ativa que operaancia ativa que operaˆsem o compartilhamento de carga. Desta forma, quando umcomponente falha, a carga sobre os componentes funcionaisrestantes nao e alterada. Portanto, a confiabilidade no ne alterada. Portanto, a confiabilidade no n´ ıvelıvel´de braco do MMC considerando a redundancia ativa pode serancia ativa pode serˆavaliada atraves do modeloes do modelo´ k-out-of-n, fornecido por [31]:

Rativo(t) =N

∑p=K

CpCpCNCNC RSM(t)p(1−RSM(t))N−p. (11)

Por sua vez, considerando a redundancia no modo deancia no modo deˆespera, em que os SMs redundantes sao inseridos no CMMao inseridos no CMM˜apenas quando ocorre falha em algum SM operante, aconfiabilidade pode ser modelada como um processo dePoisson homogeneo com uma taxa constanteeneo com uma taxa constanteˆ λSMλSMλ [31]. Aconfiabilidade no nıvel de braco do MMCıvel de braco do MMC´ e dada por [29]:e dada por [29]:´

Respera(t) =N−K

∑K=0

(λSMλSMλ t)K

K!e−λSMλSMλ t . (12)

Por fim, a confiabilidade do CMM, dos seis bracos,considerando as tecnicas de redundecnicas de redund´ ancia ativa e no modo deancia ativa e no modo deˆespera, sao dadas por:ao dadas por:˜

RCMM,ativo(t) =6

∏bra=1

Rativo(t). (13)

RCMM,espera(t) =6

∏bra=1

Respera(t). (14)

V. ESTUDO DE CASO

O estudo de caso abordado neste trabalho consiste em umacionamento eletrico de um soprador industrial utilizando umetrico de um soprador industrial utilizando um´CMM e um motor de inducao trifao trif˜ asico, 16 MW, 13,8 kV.ao trifasico, 16 MW, 13,8 kV.ao trifasico, 16 MW, 13,8 kV.´Os parametros do motor sametros do motor sˆ ao mostrados na Tabela II. Osao mostrados na Tabela II. Os˜parametros do circuito equivalente do motor foram estimadosametros do circuito equivalente do motor foram estimadosˆa partir destes dados de placa, de acordo com o algoritmoproposto por [32]. As especificacoes do CMM para cadaoes do CMM para cada˜projeto sao exibidas na Tabela III. As taxas de falhaao exibidas na Tabela III. As taxas de falha˜consideradas para o estudo de confiabilidade sao baseadas emao baseadas em˜dados estatısticos, conforme descrito em [30].ısticos, conforme descrito em [30].´

As simulacoes sao realizadas no PLECS/MATLAB a fimao realizadas no PLECS/MATLAB a fim˜de comparar os projetos em metricas de complexidade,etricas de complexidade,´volume total do conversor, area de silarea de sil´ ıcio e eficiıcio e efici´ encia. Aencia. Aˆcomplexidade muitas vezes e avaliada em termos do ne avaliada em termos do n´ umerode operacoes loes l˜ ogicas e aritmogicas e aritm´ eticas (ALO) efetuadas no sistemaeticas (ALO) efetuadas no sistema´de modulacao do conversor [33]. Porao do conversor [33]. Por˜ em, neste trabalho, aem, neste trabalho, a´complexidade e avaliada indiretamente atrave avaliada indiretamente atrav´ es dos nes dos n´ umerosde sensores (corrente e tensao) necessao) necess˜ arios para realizar oarios para realizar o´controle e operacao do CMM.ao do CMM.˜

Para o volume do conversor, e considerada a soma dose considerada a soma dos´volumes individuais dos seguintes componentes: IGBTs,

Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020 409Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020 409

Tabela IIParametros do Motor de Inducametros do Motor de Inducˆ ao

Parametro Valorametro ValorˆPotencia ativa nominalencia ativa nominalˆ (P) 16 MW

Tensao de linha nominal do estatorao de linha nominal do estator˜ (vs) 13,8 kVCorrente nominal do estator (is) 801 A

Frequencia nominalencia nominalˆ ( f ) 60 HzVelocidade nominal (wm) 1795 rpmFator de potencia nominal 0,9encia nominal 0,9ˆ

Eficiencia nominalencia nominalˆ (η) 97,4 %Numero de polosumero de polos´ (p) 4

Tabela IIIParametros do CMM para os Projetos Selecionadosametros do CMM para os Projetos Selecionadosˆ

Projeto do CMMParametros I II III IV Vametros I II III IV Vˆ

K 7 11 14 20 27Nıveis 15 23 29 41 55ıveis 15 23 29 41 55´

vcc (kV ) 24 24 24 24 24vbv (kV ) 6,5 4,5 3,3 2,5 1,7v∗sm (kV ) 3,43 2,18 1,71 1,20 0,89

Sn (MVA) 20 20 20 20 20C (mF) 5 7,86 10 14,28 19,28L (mH) 7,7 7,7 7,7 7,7 7,7

Rarm (Ω) 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14fswfswf (Hz) 945 602 473 348 245fe ffe ff (kHz) 13.23 13.23 13.23 13.23 13.23

Rdissi. (K/kW ) 1 7 25 45 70λIGBTλIGBTλ ( f alhas/ano) 0,0014 0,0012 0,0013 0,0012 0,0013

λcapacitorλcapacitorλ ( f alhas/ano) 0,0018 0,0018 0,0018 0,0018 0,0018λcontroleλcontroleλ ( f alhas/ano) 0,0032 0,0032 0,0032 0,0032 0,0032

capacitores, indutores, dissipadores e sistema de ventilacao.O volume dos IGBTs, VIGBTVIGBTV , pode ser calculado atraves dases das´dimensoes (largura, altura e comprimento) informadas emoes (largura, altura e comprimento) informadas em˜folhas de dados dos fabricantes.

Por sua vez, o volume dos capacitores e estimado seguindoe estimado seguindo´a metodologia proposta em [8], na qual o requisito dearmazenamento de energia e utilizado como premissa. Parae utilizado como premissa. Para´o CMM, a energia armazenada, ECECE , e calculada por [34]:e calculada por [34]:´

EcEcE =3Cv2

cc

K. (15)

Desta forma, assumindo uma constante de volume porenergia armazenada, kEkEk , de 6,3 cm3/J [8] o volume doscapacitores, VcapVcapV , pode ser obtido como:

VcapVcapV = ECECE KEKEK . (16)

O volume dos indutores e estimado a partir de valorese estimado a partir de valores´apresentados em [23], onde e desenvolvido um estudo de casoe desenvolvido um estudo de caso´de um acionamento eletrico com CMM de 5 MVA, 13,8 kV eetrico com CMM de 5 MVA, 13,8 kV e´2 mH de indutancia de braco. O volume total dos 6 indutoresancia de braco. O volume total dos 6 indutoresˆde braco deste conversor foi de 0,02773 m3. De posse destesvalores, foi realizado um escalonamento linear para o estudode caso utilizado no presente trabalho, um CMM de 20 MVA,13,8 kV e 7,7 mH de indutancia de braco. Deste modo, oancia de braco. Deste modo, oˆvolume deste componente e calculado assumindo que cadae calculado assumindo que cada´indutor e realizado pela associace realizado pela associac´ ao de 4 indutores em paraleloao de 4 indutores em paralelo˜

(a fim de garantir a mesma capacidade circulacao de corrente)ao de corrente)˜e uma associacao de 15 destes conjuntos de indutores em sao de 15 destes conjuntos de indutores em s˜ erieerie´(para obtermos a mesma indutancia), desta forma:ancia), desta forma:ˆ

VindVindV = 0,02773x4x15 = 1,6638m3. (17)

Para os dissipadores e sistemas de ventilacao, o volumeao, o volume˜ eobtido atraves de [8]:es de [8]:´

VdissiVdissiV =1

CSPI ×Rdissi, (18)

onde CSPI (do ingles cooling system per f ormance index)e o ındice de desempenho do sistema de resfriamento, eındice de desempenho do sistema de resfriamento, e´Rdissi e a resiste a resist´ encia tencia tˆ ermica do dissipador para o ambiente.ermica do dissipador para o ambiente.´Para sistemas de resfriamento atraves de ventilaces de ventilac´ ao forcada,ao forcada,˜valores tıpicos de 10 W/(Kdmıpicos de 10 W/(Kdm´ 3) sao empregados [8]. Aao empregados [8]. A˜resistencia tencia tˆ ermica do dissipador para o ambienteermica do dissipador para o ambiente´ e calculadae calculada´para manter a mesma temperatura de juncao, TjTjT , do dispositivomais estressado de todos os projetos, dentro de um limiteseguro (temperaturas de juncao e de encapsulamento abaixoao e de encapsulamento abaixo˜de 115 C e 100 C, respectivamente). Por fim, e consideradoe considerado´um fator de compensacao de volumeao de volume˜ CvCvC = 0,7 a fim deconsiderar os espacamentos dos componentes no conversor,devido as diferentes caracteras diferentes caracter` ısticas geomısticas geom´ etricas e isolacetricas e isolac´ ao deao de˜cada componente [35].

A potencia comutadaencia comutadaˆ e uma estimativa indireta dae uma estimativa indireta da´ area dearea de´silıcio do conversor, que afeta diretamente o custo. Esta figuraıcio do conversor, que afeta diretamente o custo. Esta figura´de meritoerito´ e calculada por [10]:e calculada por [10]:´

PcomPcomP = NsemiNsemiN VbvVbvV IcIcI , (19)

onde NsemiNsemiN e o numero de dispositivos semicondutoresumero de dispositivos semicondutores´utilizados e IcIcI e a corrente nominal do dispositivo.e a corrente nominal do dispositivo.´

Por sua vez, a eficienciaenciaˆ e derivada da perda de energia aoe derivada da perda de energia ao´longo de um ciclo diario. As perdas de conducario. As perdas de conduc´ ao e comutacao e comutac˜ aoforam estimadas com o auxılio deılio de´ look−up tables, conformedescrito em [36] e ilustrado na Figura 3. Os dados necessariosarios´para estimar as perdas de conducao, perdas de comutacao, perdas de comutac˜ ao eimpedancias tancias tˆ ermicas dos dispositivos sermicas dos dispositivos s´ ao obtidos das folhasao obtidos das folhas˜de dados do fabricante. Neste trabalho, sao considerados osao considerados os˜IGBTs da ABB com os numeros de sumeros de s´ erie 5SND 0800M170100erie 5SND 0800M170100´de 1,7 kV - 800 A, 5SNA 0800N330100 de 3,3 kV - 800 A,5SNA 0800J450300 de 4,5 kV - 800 A e 5SNA 0800J450300de 6,5 kV - 750 A, alem do IGBT da Mitsubishi CM800HB-em do IGBT da Mitsubishi CM800HB-´50H de 2,5 kV - 800 A. O perfil de carga industrial utilizado,caracterizado pela velocidade do acionamento e temperaturaambiente, sao obtidos a partir de medicao obtidos a partir de medic˜ oes de uma indoes de uma ind˜ ustriaustria´siderurgica no sudeste brasileiro, e surgica no sudeste brasileiro, e s´ ao mostrados na Figuraao mostrados na Figura˜4. O perfil de conjugado e aproximado assumindo-se umae aproximado assumindo-se uma´caracterıstica quadrıstica quadr´ atica da carga.atica da carga.´

O numero de SM redundantesumero de SM redundantes´ e calculado atrave calculado atrav´ es de umes de um´metodo iterativo proposto em [28], cujo objetivoetodo iterativo proposto em [28], cujo objetivo´ e garantire garantir´o requisito de confiabilidade. Para acionamentos eletricosetricos´de media tensedia tens´ ao, geralmenteao, geralmente˜ e assumida uma estimativa dee assumida uma estimativa de´vida util de 7 anos [37], [38]. Portanto, o nutil de 7 anos [37], [38]. Portanto, o n´ umero de SMsumero de SMs´redundantes e calculado para que o conversor tenha 99% dee calculado para que o conversor tenha 99% de´confiabilidade em 7 anos de operacao. Vale ressaltar que aao. Vale ressaltar que a˜redundancia afeta a escolha do projeto com o melhor custo-ancia afeta a escolha do projeto com o melhor custo-ˆbenefıcio, visto que obenefıcio, visto que obenefıcio, visto que o´ M afeta em todas as metricas utilizadasetricas utilizadas´(complexidade, volume, area de silarea de sil´ ıcio e eficiıcio e efici´ encia).encia).ˆ

Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020410 Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020410

TjTjT

Multi- CauerMulti- CauercamadaMulti- Cauer Z j-c

Z c-h

Pasta térmicaDissipador

Cálculo

de Perdas

Z h-w

S1,2

D1,2

Módulo IGBT

Pl Módulo IGBT

Multi-camada Foster j-c

Pl

Tc Th

Ta

Z

Ta

mb

(°C

)w

mw

mw

(rpm

)

Perfil de Carga Industrial

Modelo Térmico

Tj

S1

Look-up Tables

S2

D2

D2

D

D1

Perdas

Perdas

~

SM

SM

CMM

Figura 3. Modelo de estimativa de perdas do CMM.

(a)

0

1000

2000

m

(rpm

)

(b)

15

20

25

30

Ta

mb

(°C

)

Tempo (h)

0 2412 186

0 2412 186

Figura 4. Perfil de carga industrial: (a) Velocidade do motor; (b)Temperatura ambiente.

A fim de comparar os diferentes projetos do CMMbaseando-se em diferentes metricas, umetricas, um´ ındice normalizado,ındice normalizado,´kxkxk , e calculado atrave calculado atrav´ es de:es de:´

kxkxk =x− xmin

xmax − xmin, (20)

onde x e a metrica avaliada (complexidade, volume,etrica avaliada (complexidade, volume,´ area dearea de´silıcio e eficiıcio e efici´ encia),encia),ˆ xmin e xmax sao os valores mao os valores m˜ ınimos eınimos e´maximos deste indicador, respectivamente. Para comparar osaximos deste indicador, respectivamente. Para comparar os´diferentes projetos, o ındice normalizado totalındice normalizado total´ e calculado por:e calculado por:´

ktktk = kcomplex.+ kvolkvolk .+ kakak .sil.+ ke f ici.. (21)

E importante ressaltar que o presente trabalho assume quetodos os ındices normalizados possuem o mesmo fator deındices normalizados possuem o mesmo fator de´

impacto. Porem, de acordo com a necessidade do projeto,em, de acordo com a necessidade do projeto,´podem ser atribuıdos pesos diferentes para a mıdos pesos diferentes para a m´ etrica em queetrica em que´se deseja ter maior ou menor relevancia [13].ancia [13].ˆ

VI. RESULTADOS

A confiabilidade do CMM sem considerar a redundancia,ancia,ˆ emostrada na Figura 5 para todos os projetos. Como esperado,o projeto I apresentou a maior confiabilidade, devido aomenor numero de componentes. A confiabilidade em 7 anosumero de componentes. A confiabilidade em 7 anos´de operacao sem redundao sem redund˜ anciaanciaˆ e de apenas 0,1567 para estee de apenas 0,1567 para este´projeto, podendo chegar a ate 0,0058 para os projetos come 0,0058 para os projetos com´maior numero de componentes.umero de componentes.´

Por sua vez, quando a redundanciaanciaˆ e empregada, ae empregada, a´confiabilidade pode ser elevada ate atender os requisitose atender os requisitos´de projeto. A Figura 6 ilustra a confiabilidade do CMMconsiderando a redundancia do modo ativo. Neste quesito,ancia do modo ativo. Neste quesito,ˆo projeto II alcancou a maior confiabilidade, 0,9984 em 7anos de operacao. E importante notar que todos os projetospossuem uma confiabilidade acima de 0,99 em 7 anos deoperacao. Isso evidencia que o cao. Isso evidencia que o c˜ alculo dealculo de´ M foi realizadocorretamente. As diferencas observadas entre os projetos saoassociadas aos arredondamentos, uma vez que M deve ser umnumero inteiro.umero inteiro.´

Alem da redundem da redund´ ancia no modo ativo, tambancia no modo ativo, tambˆ em foiem foi´

0 2 4 6 8 10

Tempo de operação (anos)

0

0.5

1

RC

MM

(x)

(pu

)

I II III IV V

0,15670,1567

0,05890,0589

0,02510,0251

0,00580,00580,0058

Figura 5. Confiabilidade no CMM sem redundancia.ancia.ˆ

0 2 4 6 8 100.98

0.99

1

RM

MC

C(x

) (p

u)

I II III IV V

0,99530,9953

0,9983

0,9965

0,99710,99740,99740,99740,99740,99740,9974

Tempo de operação (anos)

Figura 6. Confiabilidade no CMM com redundancia ativa.ancia ativa.ˆ

0 2 4 6 8 10

Tempo de operação (anos)

0.98

0.99

1

RC

MM

(x)

(pu)

I II III IV V

0,99150,9915

0,99740,9974

0,9984

0,99820,9982

Figura 7. Confiabilidade no CMM com redundancia no modo deancia no modo deˆespera.

Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020 411Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020 411

considerada a redundancia no modo de espera. O resultadoancia no modo de espera. O resultadoˆpara a confiabilidade do CMM nesta estrategia de redundegia de redund´ anciaanciaˆe exibida na Figura 7. Neste caso, o projeto IVe exibida na Figura 7. Neste caso, o projeto IV´apresentou a maior confiabilidade, 0,9984 para 7 anos deoperacao. Diferencas sao. Diferencas s˜ ao observadas entre os dois tipos deao observadas entre os dois tipos de˜redundancia visto que elas requerem diferentes valores deancia visto que elas requerem diferentes valores deˆM. Essencialmente, a redundancia no modo de espera requerancia no modo de espera requerˆmenos SMs redundantes que a redundancia ativa.ancia ativa.ˆ

E importante notar que o fato de a confiabilidade ser muitobaixa sem a utilizacao de estratao de estrat˜ egias de redundegias de redund´ ancia, nancia, nˆ ao einteressante comercializar um conversor CMM sem consideraralgum tipo de redundancia.ancia.ˆ E possıvel notar queıvel notar que´ a medida quea medida que`celulas redundantes selulas redundantes s´ ao inseridas no circuito, a confiabilidadeao inseridas no circuito, a confiabilidade˜do conversor melhora significativamente. Desta forma, parauma comparacao justa, este trabalho considera que a meta deao justa, este trabalho considera que a meta de˜confiabilidade e um requisito do projeto.e um requisito do projeto.´

As perdas totais dos semicondutores do CMM,desconsiderando a redundancia, para cada velocidade deancia, para cada velocidade deˆoperacao e projeto sao e projeto s˜ ao apresentados na Figura 8. Comoao apresentados na Figura 8. Como˜observado, o projeto que contem o IGBT com a menorem o IGBT com a menor´tensao de bloqueio apresenta menores perdas. Isto pode serao de bloqueio apresenta menores perdas. Isto pode ser˜relacionado a dois fatores: menores perdas de conduca dois fatores: menores perdas de conduc` ao dosao dos˜dispositivos (menor queda de tensao em conducao em conduc˜ ao) e menorao) e menor˜frequencia de comutacencia de comutacˆ ao requerida.ao requerida.˜

A fim de escolher o melhor projeto para a redundancia noancia noˆmodo ativo e a redundancia no modo de espera, a tomadaancia no modo de espera, a tomadaˆde decisao e realizada atrave realizada atrav´ es das mes das m´ etricas de complexidade,etricas de complexidade,´area de silarea de sil´ ıcio, volume do conversor e eficiıcio, volume do conversor e efici´ encia. A Tabelaencia. A TabelaˆIV mostra a comparacao geral de cada projeto levando emao geral de cada projeto levando em˜consideracao a redundao a redund˜ ancia no modo ativo.ancia no modo ativo.ˆ

O projeto I apresenta a menor complexidade, metrica estaetrica esta´que e avaliada indiretamente atrave avaliada indiretamente atrav´ es do nes do n´ umero de sensoresumero de sensores´(correntes dos bracos e tensao dos SMs). Em relacao dos SMs). Em relac˜ ao a area dearea de´

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Velocidade (%)

0

200

400

Per

das

(kW

) I II III IV V

Figura 8. Perdas dos semicondutores no CMM em funcao daao da˜velocidade do motor (percentual da velocidade nominal).

Tabela IVComparacao Geral de cada Projeto Considerando aao Geral de cada Projeto Considerando a˜

Redundancia Ativaancia Ativaˆ

Projeto do CMMParametros I II III IV Vametros I II III IV Vˆ

K 7 11 14 20 27M 3 4 4 5 6

Numero de IGBTsumero de IGBTs´ 120 180 216 300 396fufuf 0,95 0,97 0,95 1,00 0,99

Numero de sensoresumero de sensores´ 66 96 114 156 204PcomPcomP (MVA) 585 648 570,2 600 538,5Volume (m33) 22,34 15,61 14,38 14,32 14,15

Perda de energia diariaaria´ (kWh) 4254 3634 2667 3803,8 1920

silıcio, aferida indiretamente atravıcio, aferida indiretamente atrav´ es da potes da pot´ encia comutada, oencia comutada, oˆprojeto V apresenta o melhor resultado, com a menor potenciaenciaˆcomutada. Alem disso, o projeto V apresenta o menor volume,em disso, o projeto V apresenta o menor volume,´devido principalmente, a maior resista maior resist` encia do dissipador. Deencia do dissipador. Deˆacordo com (18), valores elevados da resistencia tencia tˆ ermica doermica do´dissipador para o ambiente favorecem a reducao do volume.ao do volume.˜Por fim, o projeto V tambem apresenta a melhor eficiem apresenta a melhor efici´ encia,encia,ˆseguindo a tendencia demonstrada na Figura 8.encia demonstrada na Figura 8.ˆ

A partir do ındice normalizado total e os resultadosındice normalizado total e os resultados´apresentados na Tabela IV, o grafico de comparacafico de comparac´ ao para osındices individuais e totalındices individuais e total´ e mostrado na Figura 9.a e 9.b,e mostrado na Figura 9.a e 9.b,´respectivamente. Para escolher o projeto com o melhor custo-benefıcio, deve-se encontrar aquele que possuir o menorbenefıcio, deve-se encontrar aquele que possuir o menorbenefıcio, deve-se encontrar aquele que possuir o menor´ ındiceındice´geral ktktk . Portanto, para a redundancia no modo ativo, o projetoancia no modo ativo, o projetoˆIII, que e baseado em IGBTs com tense baseado em IGBTs com tens´ ao de bloqueio de 3,3ao de bloqueio de 3,3˜kV e selecionado. Observa-se que este projeto apresenta ume selecionado. Observa-se que este projeto apresenta um´desempenho moderado em todas as metricas avaliadas.etricas avaliadas.´

Por sua vez a Tabela V mostra a comparacao geral de cadaao geral de cada˜projeto levando em consideracao a redundao a redund˜ ancia no modo deancia no modo deˆespera. O resultado foi similar ao da redundancia no modoancia no modoˆativo. O projeto I apresentou a menor complexidade. Por suavez, o projeto V apresentou a menor area de silarea de sil´ ıcio, menorıcio, menor´volume e maior eficiencia.encia.ˆ

Aplicando os dados da Tabela V em (21), o graficoafico´

I II III IV V0

0.5

1

Índi

ceI

ndiv

idua

l

kcomplex.

kvol.

ka.sil.

kefici.

Projeto

0

1

2

3

Índi

ceTo

tal k

t

I II III IV V

(a)

(b)

0,980,98 1,00

Figura 9. Redundancia no modo ativo: (a)ancia no modo ativo: (a)ˆ Indice individual, (b)Indice total.

Tabela VComparacao Geral de cada Projeto Considerando aao Geral de cada Projeto Considerando a˜

Redundancia no Modo de Esperaancia no Modo de Esperaˆ

Projeto do CMMParametros I II III IV Vametros I II III IV Vˆ

K 7 11 14 20 27M 3 3 4 5 5

Numero de IGBTsumero de IGBTs´ 120 168 216 300 384fufuf 0,95 0,97 0,95 1,00 0,99

Numero de sensoresumero de sensores´ 66 90 114 156 198PcomPcomP (MVA) 585 604,8 570,2 600 522,2Volume (m33) 22,34 15,47 14,38 14,32 14,13

Perda de energia diariaaria´ (kWh) 2978 2665 2074 3043 1571

Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020412 Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020412

0

0.5

1

Índi

ceI

ndiv

idua

l

kkcomplex.

kkvol.

kka.sil.

kkefici.

Projeto

1

2

3

Índi

ceTo

tal k

t

I II III IV V

I II III IV V

(a)

(b)

1,311,001,00

Figura 10. Redundancia no modo de espera: (a)ancia no modo de espera: (a)ˆ Indice individual, (b)Indice total.

de comparacao para os ındices individuais e total para aındices individuais e total para a´redundancia no modo de esperaancia no modo de esperaˆ e obtido, conforme ilustradoe obtido, conforme ilustrado´na Figura 10.a e 10.b. Neste caso, o projeto V, baseado emIGBTs com tensao de bloqueio de 1,7 kV, apresenta o menorao de bloqueio de 1,7 kV, apresenta o menor˜ındiceındice´ ktktk . E interessante observar que a baixa area de silarea de sil´ ıcio,ıcio,´baixo volume e alta eficiencia compensaram a complexidadeencia compensaram a complexidadeˆdeste projeto.

A Figura 11 mostra a comparacao entre o projeto IIIao entre o projeto III˜(melhor custo-benefıcio para a redund(melhor custo-benefıcio para a redund(melhor custo-benefıcio para a redund´ ancia no modo ativo)ancia no modo ativo)ˆe o projeto V (melhor custo-benefıcio para a redunde o projeto V (melhor custo-benefıcio para a redunde o projeto V (melhor custo-benefıcio para a redund´ ancia noancia noˆmodo de espera). A redundancia no modo de espera apresentaancia no modo de espera apresentaˆvantagem na area de silarea de sil´ ıcio, volume e eficiıcio, volume e efici´ encia, mas perde naencia, mas perde naˆcomplexidade, devido ao maior numero de sensores.umero de sensores.´

VII. CONCLUSAO

Este trabalho propos uma metodologia para selecionar aos uma metodologia para selecionar aˆtensao de bloqueioao de bloqueio˜ otima para um CMM em um sistema deotima para um CMM em um sistema de´acionamento eletrico levando em consideracetrico levando em considerac´ ao os mesmosrequisitos de confiabilidade da aplicacao. IGBTs com tensao. IGBTs com tens˜ aode bloqueio na faixa de 1,7 a 6,5 kV foram utilizados nacomparacao. A comparacao. A comparac˜ ao e realizada com base nas me realizada com base nas m´ etricasetricas´

ComplexidadeComplexidade

Área de silícioÁrea de silício

VolumeVolume

Perdas

Red. ativaRed. espera

Figura 11. Comparacao entre o melhor projeto da redundao entre o melhor projeto da redund˜ ancia noancia noˆmodo ativo com o melhor do modo de espera.

de complexidade, volume do conversor, area de silarea de sil´ ıcio eıcio e´eficiencia do CMM.encia do CMM.ˆ

Foi considerado um estudo de caso de um sopradorindustrial acionado por um motor de inducao de 13,8 kV - 16ao de 13,8 kV - 16˜MW. Os resultados evidenciam que a classe otima de IGBTsotima de IGBTs´depende do tipo de redundancia analisado. Em relacancia analisado. Em relacˆ ao aredundancia no modo ativo, a classe de tensancia no modo ativo, a classe de tensˆ ao de 3,3 kV foiao de 3,3 kV foi˜a mais vantajosa, considerando que os projetos apresentemuma confiabilidade acima de 99 % em 7 anos de operacao.Este projeto possui uma moderada complexidade, eficienciaenciaˆe area de silarea de sil´ ıcio e baixo volume. Desta forma, apresentou oıcio e baixo volume. Desta forma, apresentou o´menor ındice total,ındice total,´ ktktk , qualificando este projeto como o melhorem termos de custo-benefıcio. Por sua vez, considerando aem termos de custo-benefıcio. Por sua vez, considerando aem termos de custo-benefıcio. Por sua vez, considerando a´redundancia no modo de espera e os mesmos requisitos deancia no modo de espera e os mesmos requisitos deˆconfiabilidade para os projetos, a classe de tensao de 1,7 kVao de 1,7 kV˜foi superior as demais. Apesar da alta complexidade, esteas demais. Apesar da alta complexidade, este`projeto possui alta eficiencia, baixaencia, baixaˆ area de silarea de sil´ ıcio e volume,ıcio e volume,´apresentando o menor ktktk que os outros projetos.

Vale ressaltar que, de acordo com o requisito deconfiabilidade, o projeto com o melhor custo-benefıcioconfiabilidade, o projeto com o melhor custo-benefıcioconfiabilidade, o projeto com o melhor custo-benefıcio´pode mudar, visto que o numero de SMs redundantesumero de SMs redundantes´necessarios serarios ser´ ao alterados. Isso afetarao alterados. Isso afetar˜ a as metricas utilizadasetricas utilizadas´(complexidade, volume, area de silarea de sil´ ıcio e eficiıcio e efici´ encia).encia).ˆ Eimportante salientar que a metodologia empregada nestetrabalho pode ser estendida para outras aplicacoes emetodologias de estimativa de confiabilidade, volume ecomplexidade.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a CAPES - codigo de financiamentoodigo de financiamento´001, CNPq, FAPEMIG e o CEFET-MG pelo apoio financeiro.

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Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020 413Eletrôn. Potên., Fortaleza, v. 25, n. 4, p. 405-414, out./dez. 2020 413

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DADOS BIOGRAFICOS

Paulo Roberto Matias Juniorunior´ , possui graduacao emEngenharia Eletrica (2018) pela Universidade Federal deetrica (2018) pela Universidade Federal de´Vicosa (UFV). Atualmente e mestrando pelo Programae mestrando pelo Programa´de Pos Graduacos Graduac´ ao em Engenharia Elao em Engenharia El˜ etrica Centro Federaletrica Centro Federal´de Educacao Tecnolao Tecnol˜ ogica de Minas Gerais (CEFET-MG).ogica de Minas Gerais (CEFET-MG).´Seus principais interesses de pesquisa incluem conversoresmodulares multinıvel, acionamentos elıvel, acionamentos el´ etricos e confiabilidadeetricos e confiabilidade´de conversores de potencia.encia.ˆJoao Victor Matos Fariasao Victor Matos Farias˜ , possui graduacao em Engenhariaao em Engenharia˜Eletrica (2018) pela Universidade Federal de Vicosa (UFV) eetrica (2018) pela Universidade Federal de Vicosa (UFV) e´mestrado (2019) em Engenharia Eletrica pelo Centro Federaletrica pelo Centro Federal´de Educacao Tecnolao Tecnol˜ ogica de Minas Gerais (CEFET-MG).ogica de Minas Gerais (CEFET-MG).´Atualmente e doutorando pelo Programa de Pe doutorando pelo Programa de P´ os Graduacos Graduac´ ao emEngenharia Eletrica da Universidade Federal de Minas Geraisetrica da Universidade Federal de Minas Gerais´(UFMG). Seus principais interesses de pesquisa incluemconversores modulares multinıvel, sistemas de correnteıvel, sistemas de corrente´contınua em alta tensınua em alta tens´ ao, compensadores sao, compensadores s˜ ıncronos estıncronos est´ aticos,aticos,´acionamentos eletricos e confiabilidade de conversores deetricos e confiabilidade de conversores de´potencia.encia.ˆAllan Fagner Cupertino, possui graduacao em Engenhariaao em Engenharia˜Eletrica (2013) pela Universidade Federal de Vicosa (UFV),etrica (2013) pela Universidade Federal de Vicosa (UFV),´mestrado (2015) e doutorado (2019) em Engenharia Eletricaetrica´pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Realizoudoutorado sanduıche na Aalborg University, Dinamarca.ıche na Aalborg University, Dinamarca.´Desde 2014 e professor no Centro Federal de Educace professor no Centro Federal de Educac´ aoTecnologica de Minas Gerais (CEFET-MG), atuando naogica de Minas Gerais (CEFET-MG), atuando na´ areade maquinas elaquinas el´ etricas e eletretricas e eletr´ onica de potonica de potˆ encia. Seus principaisencia. Seus principaisˆinteresses de pesquisa incluem conversores modularesmultinıvel e suas aplicacıvel e suas aplicac´ oes, energia solar fotovoltaica,oes, energia solar fotovoltaica,˜sistemas de armazenamento de energia por baterias econfiabilidade de conversores eletronicos.onicos.ˆGabriel Alves Mendonca, possui graduacao (2008) eao (2008) e˜mestrado (2012) em Engenharia Eletrica pela Universidadeetrica pela Universidade´Federal de Minas Gerais (UFMG). Atualmente e doutorandoe doutorando´pelo Programa de Pos Graduacos Graduac´ ao em Engenharia Elao em Engenharia El˜ etricaetrica´da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Seusprincipais interesses de pesquisa incluem sistemas eletricosetricos´de potencia, eletrencia, eletrˆ onica de potencia, monica de potencia, mˆ aquinas elaquinas el´ etricas eetricas e´acionamentos eletricos.etricos.´Marcelo Martins Stopa, possui graduacao (1994), mestradoao (1994), mestrado˜(1997) e doutorado (2011) em Engenharia Eletrica pelaetrica pela´Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Desde 1997e professor no Centro Federal de Educace professor no Centro Federal de Educac´ ao Tecnolao Tecnol˜ ogica deogica de´Minas Gerais (CEFET-MG), atuando na area de marea de m´ aquinasaquinas´eletricas, acionamentos eletricas, acionamentos el´ etricos e eletretricos e eletr´ onica de potonica de potˆ encia.encia.ˆSeus principais interesses de pesquisa incluem maquinasaquinas´

eletricas, acionamentos eletricas, acionamentos el´ etricos, eletretricos, eletr´ onica de potonica de potˆ encia eencia eˆconversores eletronicos.onicos.ˆHeverton Augusto Pereira, possui graduacao em Engenhariaao em Engenharia˜Eletrica (2007) pela Universidade Federal de Vicosa (UFV),etrica (2007) pela Universidade Federal de Vicosa (UFV),´mestrado em Engenharia Eletrica (2009) pela Universidade deetrica (2009) pela Universidade de´Campinas (UNICAMP) e doutorado em Engenharia Eletricaetrica´(2015) pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).Realizou doutorado sanduıche (2014) na Aalborg University,ıche (2014) na Aalborg University,´Dinamarca. Desde 2009 e professor na Universidade Federale professor na Universidade Federal´de Vicosa. Seus principais interesses de pesquisa incluemconversores conectados a rede para sistemas de energiaa rede para sistemas de energia`fotovoltaica e eolica e sistemas de transmissolica e sistemas de transmiss´ ao de alta tensao de alta tens˜ aobaseados em MMC.