O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas.
Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera.
Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência.
Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo.
Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.The work presented in this Master Thesis allowed the study and experimental implementation of a fault-tolerant power converter solution.
Several papers about fault-tolerant converter topologies, ways and methods to detect faults, among other aspects were studied and analyzed. To achieve safety and reliability requirements, some fault-tolerant power converter solutions with different topologies and different operation methods were also studied and analyzed. The main failure modes and topology weaknesses were identified. This approach allowed designing new ways to mitigate those failures through a combination of relays and redundant elements in standby mode. The chosen solution of redundant power converter consists of an assembly of two bridges in a four quadrant operation mode each.
Several aspects were analyzed involving the technical nature of power circuits and gate signals were stands the need for dead time between IGBT signals of the same arm, galvanic isolation between different gate circuits and need to minimize possible self-inductions between DC sources and the power circuits.
To improve the safety and reliability in the operation of a fault-tolerant power converter an electronic circuit was developed allowing signal routing and gate inhibition during failure and switching between power converters. Another circuit was created to improve the switching performance of relays through a controlled overvoltage process, thereby reducing the switching times.
A DC motor drive was chosen to experimentally test the fault-tolerant power converter solution.
The control algorithm was developed in Matlab/Simulink and installed on a digital signal processing (DSP) board. The supervision of overall system can be performed in real time.
Experimental results obtained using the laboratory prototype are presented and discussed.
The results were conducted through proper fault detection and show an efficient switching between the power converter redundant bridges
