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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39476
ORCID: | http://orcid.org/0000-0002-6406-7023 |
Tipo do documento: | Tese |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
Título: | Análise da viabilidade e da confiabilidade de uma configuração alternativa de conversores de frequência para o acionamento de motores distantes e em ambientes e hostis |
Título(s) alternativo(s): | Feasibility and reliability analysis of an alternative configuration of frequency converters for distant motor drives and in hostile environments |
Autor(es): | Silva, Caio Eduardo |
Primeiro orientador: | Paula, Hélder de |
Primeiro membro da banca: | Oliveira Jr, Demercil Souza |
Segundo membro da banca: | Cupertino, Allan Fagner |
Terceiro membro da banca: | Coelho, Ernane Antônio Alves |
Quarto membro da banca: | Vicente, Eduardo Moreira |
Resumo: | Em certas aplicações industriais, tais como atividades de mineração, siderurgia e extração de petróleo, o acionamento de motores através de conversores de frequência envolve grandes distâncias e, devido à aplicação da forma de onda PWM no cabo de grande extensão, diversos problemas de alta frequência são gerados. Tradicionalmente, os mesmos são reduzidos com o uso de filtros instalados na saída da ponte inversora, havendo diferentes tipos dos mesmos para este fim. Contudo, apesar da ampla utilização deste tipo de solução, tem-se que a mesma não representa a solução absoluta para o problema, visto que os filtros apresentam inconvenientes como elevado peso, volume e custo, além de perdas elétricas. Ademais, são raras as topologias que operam tanto no modo comum como no modo diferencial, concomitantemente. Neste contexto, foi proposta na literatura uma configuração de conversores de frequência voltados para sistemas de acionamento de máquinas elétricas alimentadas por cabos longos, que, além de solucionar tais problemas de alta frequência, apresenta vantagens adicionais, como a redução da queda de tensão no cabo longo e a redução do volume de cobre requerido pelo cabo para a transmissão de energia. Entretanto, como nesta proposta a ponte inversora e uma parte do banco de capacitores do link c.c. são diretamente conectados aos terminais do motor, o qual normalmente encontra-se em ambientes mais hostis, torna necessário que esta configuração seja avaliada do ponto de vista de sua viabilidade e confiabilidade, utilizando-se uma metodologia que possa trazer resultados confiáveis (como aquelas baseadas na física da falha), de forma a validá-la para a sua aplicação comercial. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é desenvolver um estudo comparando topologias e estratégias de modulação de conversores multiníveis, sob diversos aspectos de viabilidade e confiabilidade, sobretudo, do ponto de vista de sua aplicabilidade à topologia de transmissão c.c.. Neste sentido, foram discutidos os mecanismos e modos de falhas dominantes em dispositivos de potência de conversores de frequência, quais sejam, módulos IGBT de silício (Si), capacitores eletrolíticos de alumínio (CEA) e capacitores de filme metalizado (CFM), quanto aos estressores temperatura e umidade. Para os IGBTs, no que tange a avaliação do estado termomecânico, são considerados como dominantes o mecanismo e modo de falha de fadiga e desconexão do fio de ligação, respectivamente, e, no que concerne ao estressor umidade, no que tange à avaliação do estado eletroquímico, tem-se como dominante o mecanismo de falha de corrosão metálica e a migração de íons devido à umidade e campo elétrico. Já no caso dos capacitores, para os de filme metalizado tem-se como mecanismo de falha dominante a redução de rigidez dielétrica e para os eletrolíticos de alumínio, tem-se a vaporização do eletrólito e a reação eletroquímica, devido à degradação da camada de óxido e queda na capacitância da folha do anodo; ambos sob o modo de falha de desgaste. Foram apresentadas e discutidas algumas topologias de inversores multinível (clássicas e híbridas), suas peculiaridades e suas vantagens e desvantagens foram trazidas, foram realizados comparativos entre as mesmas, além de uma avaliação qualitativa da influência de cada uma delas na confiabilidade do inversor como um todo. Com isso, foi realizada uma discussão a respeito de quais seriam as topologias e estratégias que apresentariam características que não seriam interessantes para o sistema na configuração alternativa, que possui bancos de capacitores servindo separadamente retificador e inversor, as quais não foram consideradas nas análises subsequentes. Ainda neste trabalho, para um estudo de caso considerando um sistema de guincho de uma mina subterrânea, apresentou-se os procedimentos, ferramentas e dados de entrada (perfil de missão), tanto ambientais (temperatura ambiente), quanto de operação do sistema (variáveis operacionais do guincho), que foram utilizados no desenvolvimento das análises de confiabilidade e viabilidade para a configuração alternativa proposta na literatura. Como resultados, verificou-se um melhor desempenhos dos capacitores de filme metalizado de maneira geral, e mais especificamente dos capacitores candidatos CFM10, CFM11 e CFM12, provavelmente devido aos seus menores valores de R_th-ca e ESR, mesmo apresentando temperaturas de ponto quente máxima inferiores à maioria dos demais candidatos. Quanto às topologias, é possível concluir a partir das premissas utilizadas neste estudo de caso, que a topologia 3L-ANPC aplicando as estratégias PWM-1 e PWM-2, que seriam aqueles mais adequados do ponto de vista das análises de confiabilidade e viabilidade realizadas neste estudo. De qualquer modo, é importante ressaltar que este trabalho é uma parte da análise necessária para a viabilização da configuração alternativa, e que estudos adicionais ainda serão necessários, sob vários aspectos, por exemplo, sob o ponto de vista dos cabos longos que conectam retificadores e inversores. Os resultados obtidos e a metodologia aplicada, que são relacionados principalmente às questões de confiabilidade do sistema, não apenas servirão para avaliar a viabilidade desta configuração alternativa de conversor de frequência, proposta na literatura e direcionada para acionamentos de máquinas distantes, mas, também, fornecerão importantes subsídios para quaisquer aplicações e estudos relacionados à confiabilidade de conversores instalados em ambientes hostis. |
Abstract: | In certain industrial applications, such as mining, steel industry, and oil extraction, the driving of motors through frequency converters involves large distances, and, due to the application of the PWM waveform in the long cable, several high-frequency problems are generated. Traditionally, these problems are reduced using filters installed at the output of the inverter bridge, with different types available for this purpose. However, despite the wide use of this type of solution, it does not represent the absolute solution to the problem, as the filters have drawbacks such as high weight, volume, and cost, in addition to electrical losses. Furthermore, topologies that operate in common mode and differential modes simultaneously are rare. In this context, a configuration of frequency converters aimed at drive systems for electrical machines powered by long cables was proposed in the literature, which, in addition to solving such high-frequency problems, presents additional advantages, such as reducing the voltage drop in the long cable and reducing the volume of copper required by the cable for power transmission. However, as in this proposal, the inverter bridge and part of the capacitor bank of the d.c. bus is connected directly to the motor terminals, which are normally found in more hostile environments, making it necessary for this configuration to be evaluated from the point of view of its feasibility and reliability, using a methodology that can bring reliable results (such as those based in the Physics of Failure (PoF)), to validate it for its commercial application. In this context, the main goal of this work is to develop a study comparing topologies and modulation strategies of multilevel converters under different aspects of feasibility and reliability, especially from the point of view of their applicability to d.c. transmission topology. In this sense, the dominant failure modes and mechanisms in frequency converter power devices were discussed, namely, silicon (Si) IGBTs modules, aluminum electrolytic capacitors (CEA), and metallized film capacitors (CFM), regarding temperature and humidity stressors. For IGBTs, concerning the evaluation of the thermomechanical state, the mechanism and failure mode of fatigue and bond wire lift-off, respectively, are considered dominant, and, about the humidity stressor, concerning the evaluation of the electrochemical state, the dominant failure mechanism is the metallic corrosion and the ions migration due to humidity and electric field. In the case of capacitors, for those made of metallized film, the dominant failure mechanism is the reduction of dielectric strength, and for aluminum electrolytic, there is vaporization of the electrolyte and the electrochemical reaction, due to the degradation of the oxide layer and drop in anode foil capacitance; both under wear failure mode. Some multilevel inverter topologies (classic and hybrid) were presented and discussed, their peculiarities and advantages and disadvantages were presented, and comparisons were made between them, in addition to a qualitative assessment of the influence of each of them on the reliability of the inverter as a whole. With this, a discussion was held regarding which topologies and strategies would present characteristics that would not be interesting for the system in the alternative configuration, which has banks of capacitors serving separately rectifiers and inverters, whose topologies and strategies were not considered in subsequent analyses. Still in this work, for a case study considering a winch system in an underground mine, the procedures, tools, and input data (mission profile), both environmental (ambient temperature) and system operation (winch operational variables) were presented, which were applied in the development of reliability and feasibility analyzes for the alternative configuration proposed in the literature. In this research, it was concluded that, in general, there was a better performance with metallized film capacitors, and more specifically with CFM10, CFM11, and CFM12 candidate capacitors, probably due to their lower values of R_th-ca and ESR, even though they present lower maximum hotspot temperatures than most of the other candidates. As for topologies, it is possible to conclude from the premises used in this case study that the topology 3L-ANPC applying the strategies PWM-1 and PWM-2 would be the most appropriate from the point of view of the reliability and feasibility analyzes carried out in this study. In any case, it is important to highlight that this work is a part of the analysis necessary to make the alternative configuration viable and that additional studies will still be necessary under several aspects, for example, from the point of view of the long cables that connect rectifiers and inverters. The results obtained and the methodology applied, which are mainly related to system reliability issues, will not only serve to evaluate the feasibility of this alternative frequency converter configuration proposed in the literature and aimed at driving distant machines, but will also provide important subsidies for any applications and studies related to the reliability of converters installed in hostile environments. |
Palavras-chave: | Inversores multiníveis Confiabilidade Ambientes hostis Módulos IGBT Capacitores Estressor temperatura Estressor umidade Multilevel inverters Reliability Hostile environments IGBT modules Capacitors Temperature stressor Humidity stressor |
Área(s) do CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::ELETRONICA INDUSTRIAL CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIA::MAQUINAS ELETRICAS E DISPOSITIVOS DE POTENCIA |
Assunto: | Engenharia elétrica |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editora: | Universidade Federal de Uberlândia |
Programa: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica |
Referência: | SILVA, Caio Eduardo. Análise da viabilidade e da confiabilidade de uma configuração alternativa de conversores de frequência para o acionamento de motores distantes e em ambientes e hostis. 2023. 288 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.575. |
Identificador do documento: | https://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.575 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39476 |
Data de defesa: | 26-Out-2023 |
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS): | ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação. |
Aparece nas coleções: | TESE - Engenharia Elétrica |
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