Estágio conversor CA/CC para carregador de veículos elétricos baseado na topologia ANPC

Abstract

A mobilidade elétrica é uma tendência relativamente recente, todavia tem-se demonstrado uma área em grande crescimento, uma vez que apresenta inúmeras vantagens, entre as quais a contribuição para a diminuição da utilização de combustíveis fósseis e das emissões de CO2. Assim sendo, surge a necessidade de desenvolver na indústria automóvel veículos que minimizem emissões poluentes para o meio ambiente. Neste sentido, os veículos elétricos (VE) contribuem para um desenvolvimento sustentável, proporcionando várias vantagens em comparação com os veículos com motor de combustão interna. Enquadrada na temática da mobilidade elétrica, mais concretamente nos carregadores ultrarrápidos dos veículos elétricos, esta dissertação de mestrado apresenta o estudo e desenvolvimento da topologia de conversor CA/CC trifásico, com a topologia ainda pouco explorada, neste contexto, denominada por active neutral-point-clamped (ANPC), e a modulação space vector pulse width modulation (SVPWM). Deste modo, primeiramente, é apresentada uma revisão de literatura sobre alguns conversores trifásicos CA/CC referentes à aplicação de sistemas de carregamento de VEs, tais como, o conversor CA/CC trifásico full-bridge, o conversor CA/CC trifásico neutral-point-clamped (NPC), e o conversor a desenvolver no âmbito desta dissertação, o conversor CA/CC trifásico ANPC. De seguida, é apresentado o estado da arte relacionado com teorias de controlo, ou seja, modulações PWM, controlo de corrente, teorias de cálculo de potência e algoritmos de sincronização com a rede elétrica. Deste modo, é possível verificar a particularidade de cada técnica abordada, bem como, compreender o funcionamento principal e o processo empregado para projetar o conversor em desenvolvimento. Após esta análise, é realizado um conjunto de simulações desenvolvidas no software PLECS. Assim, procede-se à construção de modelos térmicos com o propósito de avaliar e comparar os resultados obtidos pela modulação SVPWM convencional e híbrida. A análise visa identificar qual dessas abordagens demonstra uma eficiência superior no contexto específico do estudo. Ainda em ambiente de simulação em PLECS, é desenvolvido um modelo de simulação em que o controlo está preparado para ser portado para o DSP e ser validado em modo offline. Posteriormente, é projetado um protótipo laboratorial do conversor ANPC no software Altium Designer

Electric mobility is a relatively recent trend, yet it has demonstrated significant growth as it brings forth numerous advantages, notably the reduction in the use of fossil fuels and CO2 emissions. Consequently, there is a pressing need to develop vehicles in the automotive industry that minimize environmental impact. In this sense, electric vehicles (EVs) contribute to sustainable development by providing several advantages compared to internal combustion engine vehicles. In the context of electric mobility, more specifically in ultrafast chargers of electric vehicles, this master dissertation presents the study and development of a three-phase AC/DC converter topology, with the still little explored active neutral-point-clamped (ANPC) topology and space vector pulse width modulation (SVPWM). Therefore, initially, a literature review is presented on various three-phase AC/DC converters relevant to the application in electric vehicle (EV) charging systems. These include the three-phase AC/DC full-bridge converter, the three-phase AC/DC neutral-point-clamped (NPC) converter, and the converter to be developed within the scope of this dissertation, the three-phase AC/DC ANPC converter. Next, the state of the art related to control theories is presented, i.e., PWM modulations, current control, power calculation theories and synchronization algorithms with the electricity grid. In this way, it is possible to examine the specific characteristics of each technique discussed, as well as to understand the main functioning and the process employed in designing the developing converter. Following this analysis, a series of simulations are conducted using the PLECS software. Subsequently, thermal models are constructed with the aim of evaluating and comparing the results obtained from both conventional and hybrid SVPWM modulation. The analysis aims to identify which of these approaches demonstrates superior efficiency in the specific context of the study. Also, in the PLECS simulation environment, a simulation model is developed in which the control is prepared to be ported to the DSP and validated in offline mode. Subsequently, a laboratory prototype of the ANPC converter is designed using Altium Designer software.