Foi proposto um estimador de perdas nos módulos IGBTs operando com modulação senoidal e frequência constante. O estimador utiliza dados de corrente e tensão de polo oriun- dos de simulações de regime permanente, que são mais rápidas que as simulações dinâmicas. Resultados experimentais com temperatura livre e simulação com modelo linear concordaram com o estimador proposto.
As estimações de perdas tendo como base modulação senoidal (regime permanente) servem como uma aproximação boa para simulações com modulação SYPWM (com otimiza- ção de tensão de barramento). Esta aproximação se mostrou boa para baixas, médias e altas frequências de modulação. Concluindo, pode-se utilizar a estimação baseada em regime per- manente como uma primeira estimativa para classi cação de conversores operando de forma sincronizada.
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Estimação de con abilidade de
conversores sincronizados e tolerância à
falha
Con abilidade é uma disciplina cientí ca relativamente nova, que surgiu no nal da Se- gunda Guerra Mundial. Nasceu da preocupação com a falha de dispositivos eletrônicos que faziam parte dos aparatos bélicos. Hoje, a engenharia de con abilidade tem característi- cas multidiciplinares. Projetos de muitos componentes eletro-eletrônicos e mecânicos são orientados para atender uma con abilidade mínima estipulada em normas técnicas.
A de nição de con abilidade pode ser entendida como uma probabilidade que um com- ponente ou sistemas de componentes, operando sob condições normais, desempenhe uma função especí ca num certo intervalo de tempo ou de ciclos de operação. (KAPUR e LAM- BERSON, 1997, p. 1-5). Desta forma, percebe-se quatro conceitos básicos no estudo da con abilidade:
* Componente ou sistemas de componentes que realizam uma função determinada. Tais componentes podem ser mecânicos, elétricos, biológicos e outros.
* Conceito de falha que deve ser de nido de forma bem clara nos ensaios experimentais, pois esta pode ser parcial (não implica em parada de funcionamento) ou total (implica em parada de funcionamento). A falha pode ser lida de forma quantitativa, por exemplo uma resistência de contato que aumenta com a utilização da mesma. A falha pode também ser
lida de forma qualitativa (Funciona/Não funciona), como no caso das falhas concretas ou totais.
* Esforço ou stress a que são submetidos estes componentes ou sistemas. Tal esforço pos- sui duas dimensões: intensidade e tempo (ou ciclos operacionais). A dimensão intensidade está ligada à maneira como o componente está sendo utilizado. Neste aspecto, a tempera- tura exerce um papel fundamental, principalmente em componentes eletro-eletrônicos. A temperatura acelera os processos físico-químicos das falhas diminuindo a vida útil física do componente.
* Conceito de probabilidade que aponta para a abordagem do problema não do ponto do vista determinístico (da certeza), mas probabilístico (da incerteza).
Desta forma, determinar a con abilidade de um componente ou sistema envolve submeter amostras destes a um determinado esforço e medir o tempo ou número de ciclos até a falha de cada componente. De posse destes dados, realizar uma inferência estatística da população a partir dos dados determinados desta amostra.
A con abilidade é um critério para comparação de conversores estáticos, pois é uma descrição de quanto a con guração está susceptível a falha. Tal falha está associada a prejuízo por tempo parado, despesas de manutenção e, em alguns casos, danos físicos a máquinas e a pessoas. Por exemplo, um problema comum na comparação de conversores que realizam a mesma tarefa e que possuem quantidade de módulos IGBTs diferentes é que pode ser impraticável saber qual o mais con ável por inspeção simples, pois a corrente dos braços, bem como, as tensões de barramento aumentam, na maioria das vezes, com a redução do número de braços. Desta forma, um conversor com menos braços possui menos componentes de falha. No entanto, estes componentes são submetidos a correntes e tensões de barramento maiores, ou seja, submetidos a um esforço de intensidade maior. Estimar a con abilidade das con gurações, operando sobre as mesmas condições, responderia a pergunta de qual o conversor seria mais susceptível a falhas, ou seja, se a redução do investimento inicial em módulos afetou signi cativamente a con abilidade.
Este capítulo divide-se em duas etapas. Na primeira etapa é proposto um método para estimação da con abilidade de conversores monofásico-trifásicos operando de forma sincronizada. Tal método é baseado na distribuição de probabilidade de Weibull, a mais
completa, pois aborda as três características de falha (KAPUR e LAMBERSON, 1977), (LAWLESS, 1982), APÊNDICE B. O método utiliza as perdas nos módulos IGBTs como única fonte de calor nestes módulos. Tais perdas nos módulos podem ser estimadas em regime permanente (quando a modulação for senoidal) ou a partir de simulação dinâmica (para outros tipos de modulação). O método faz com que a temperatura de junção dos módulos convirja para um valor de equilíbrio entre o calor gerado pelas perdas e o calor dissipado para o meio ambiente, a partir da interação dos sistemas elétricos e térmicos. As mesmas condições de relação de tensão, carga e resistência térmica são utilizadas para todos os conversores, garantindo uma comparação nos mesmos níveis de operação. De posse da temperatura de junção de equilíbrio, é determinada a con abilidade do conversor naquele nível de esforço. O método utiliza o modelo de Arrhenius para agregar o efeito da temperatura no processo de falha. Os processos de falha são substancialmente acelerados pela temperatura dos módulos (SANKARAN et al., 1997), (LU et al., 2009), (FRATELLI et al.,1999).
Na segunda etapa do capítulo são realizadas duas aplicações de tolerância à falha com redundância standby para a con guração 10C. Serão realizadas aplicações de tolerância à falha no reti cador monofásico e no inversor trifásico.
Os conceitos básicos de con abilidade de componentes e sistemas utilizados neste tra- balho se encontram no APÊNDICE B.