Systematic procedures for the design of passive components applied to a high performance three-phase rectifier

Abstract

Este trabalho apresenta o estudo de procedimentos para o projeto otimizado de componentes magnéticos e filtros de compatibilidade eletromagnética. As ferramentas desenvolvidas e os conceitos estudados foram aplicados a um retificador Vienna trifásico composto por células de comutação de múltiplos estados. O estudo é conduzido a partir da modelagem do sistema e da avaliação do desempenho computacional de diferentes metodologias para a geração de formas de onda no domínio do tempo e do espectro de frequência, a fim de acelerar o tempo de execução de rotinas que requerem o processamento desses dados repetidamente. Posteriormente, a modelagem de indutores em função da frequência para a inserção em software de simulação de circuitos elétricos e compor a análise dos níveis de interferência eletromagnética foi proposta. Essas ferramentas foram utilizadas para o projeto sistemático de indutores e transformadores de interfase utilizados no protótipo estudado e na modelagem e projeto de filtros de compatibilidade eletromagnética. Por fim, um modelo térmico de regime estacionário para componentes magnéticos com diferentes formatos de núcleo foi apresentado. Os resultados obtidos nas análises são comprovados experimentalmente através de um protótipo de 7,5 kW, composto por quatro células de comutação por fase, e medições de temperatura e de emissão de ruído eletromagnético conduzido a partir de estruturas construídas durante a realização do trabalho.

Abstract: This work presents the study of procedures for the optimized design of passive components and electromagnetic compatibility filters. The tools developed, and the concepts studied were applied to a three-phase Vienna rectifier composed of multistate switching cells. The study is conducted from the system modeling and the evaluation of the computational efforts for different methodologies for the time-domain waveforms and frequency spectrum generation, in order to speed up the execution time of routines that require the processing of data repeatedly. Subsequently, the modeling of inductors as a function of frequency for insertion in electrical circuit simulation software and composing the electromagnetic compatibility analysis was proposed. These tools were used for the systematic design of inductors and interphase transformers used in the studied prototype and in the modeling and design of electromagnetic compatibility filters. Finally, a steady-state thermal model for magnetic components with different core formats was presented. Experimental verifications were performed through a prototype of 7.5 kW, composed of four switching cells, and measurements of temperature and conducted electromagnetic noise emission, from structures assembled during the dissertation.