BR102015006743A2

BR102015006743A2 - conversor de potência multiníveis

Info

Publication number: BR102015006743A2
Application number: BR102015006743A
Authority: BR
Inventors: Jean-Paul Lavieville
Original assignee: Schneider Toshiba Inverter
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2015-12-08
Also published as: FR3019699B1; EP2937985B1; EP2937985A3; ES2619657T3; BR102015006743B1; EP2937985A2; US9553516B2; CN104980054B; RU2593393C1; CN104980054A; US20150288284A1; AU2015201700A1; AU2015201700B2; FR3019699A1

Abstract

resumo patente de invenção: "conversor de potência multiníveis". trata-se de um conversor multiníveis, comportando um ou vários braços (b) a conectar cada um, entre uma fonte de tensão (vdc) e uma fonte de corrente (i). cada braço compreende dois estágios (e1, e2) em cascata, o primeiro a conectar à fonte de tensão (vdc), o segundo a conectar à fonte de corrente (i). o primeiro estágio (et1) comporta vários estágios elementares (e1n,... e12, e11) de fileira um a n em cascata, o estágio elementar (e11) de fileira um sendo conectado ao segundo estágio (et2) e o estágio elementar (e1n) de fileira n devendo ser conectado à fonte de tensão (vdc). cada estágio elementar (e1n) comporta um par de células de tipo npc (cen1, cen2) idênticas em série, a conexão sendo direta no estágio elementar de fileira 1, a conexão fazendo-se via n-1 células capacitivas ((can(1),... can (n-1)) para cada estágio elementar de fileira superior a um, o segundo estágio (et2) comportando uma célula com condensador flutuante (ce10).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CONVERSOR DE POTÊNCIA MULTINÍVEIS".

DESCRIÇÃO CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção se refere aos conversores de potência multiníveis mais particularmente destinados a funcionar no domínio da média tensão.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] Os conversores de potência média tensão conhecidos utilizam geralmente interruptores com semicondutores colocados em série para permitir uma elevação em tensão. A dificuldade maior da colocação em série desses interruptores com semicondutores é de obter tensões idênticas nos bornes de todos esses interruptores com semicondutores a cada instante. Se sobrecargas transitórias ou permanentes aparecerem, a destruição dos interruptores com semicondutores pode intervir.

[003] Técnicas baseadas no entrelaçamento dos comandos dos interruptores associados à utilização de transformadores se desenvolveram; elas permitem gerar a repartição das tensões e reconstituir as formas de ondas. Mas os transformadores têm um custo não desprezível e impedem a realização de conversores compactos.

[004] Uma outra solução apareceu, trata-se da topologia dita NPC (para neutra! point clamped ou clampage pelo neutro). Uma célula de tipo NPC comporta dois pares de interruptores com semicondutor em série, dois diodos em série conectados de um lado ao ponto comum entre os dois interruptores do primeiro par e do outro ao ponto comum entre os dois interruptores do segundo par. Encontra-se, além disso, uma série de dois condensadores conectada aos bornes do conjunto formado pelos pares de interruptores com semicondutores. O ponto comum entre os dois diodos em série é ligado ao ponto comum entre os dois condensadores da série.

[005] Essa topologia leva a uma forma de onda satisfeita e a uma redução dos esforços de tensão sobre os interruptores com semicondutores. Ao contrário, podem ocorrer desequilíbrios da tensão nos bornes dos condensadores.

[006] Melhorias da topologia original NPC intervieram, substituindo-se os dois diodos por um par de interruptores com semicondutores. Essa topologia é denominada ANPC com 3 níveis de tensão.

[007] Uma outra melhoria apareceu para aumentar o nível de tensão aceitável, colocando interruptores em série e acrescentando-se um condensador. Essa topologia é denominada ANPC com 5 níveis de tensão. Ela foi desenvolvida pela sociedade ABB. Ela é, todavia, limitada atualmente a níveis de tensão da ordem de 6,9 kV.

[008] Uma outra técnica é baseada na associação de células com condensador flutuante conhecidas também pela denominação de células elementares imbricadas. Uma fonte de tensão pode ser ligada a uma fonte de corrente via um número qualquer dessas células elementares em série. Cada célula elementar comporta dois interruptores com semicondutor em série e um dispositivo de estocagem de energia, tal como um condensador, liga entre eles duas células elementares vizinhas à maneira de uma escala. Essa solução apresenta, todavia, inconvenientes ligados à presença do condensador flutuante entre duas células elementares. Quanto mais aumentar o número de células elementares, mais o sobrecusto ligado aos condensadores aumentará e mais a quantidade de energia estocada nesses condensadores será importante.

[009] Frente às dificuldades resultantes da colocação em série de numerosos interruptores com semicondutores para atingir níveis de tensão elevados, foi preconizado limitar o número de interruptores em série, e associar estágios com células imbricadas em cascata, cada estágio comportando várias células de potência multiníveis comportando várias células elementares imbricadas.

[0010] Assim, no pedido de patente US 2007/0025126, é descrito um conversor de potência multiníveis comportando pelo menos dois braços configurados com células elementares imbricadas ligadas entre elas por condensadores.

[0011] Em uma primeira configuração, cada braço comporta uma cascata de 3 estágios. Esses estágios têm, cada um, uma fileira diferente compreendida entre um e três. Cada estágio comporta tanto os pares de células elementares imbricadas quanto a fileira do estágio. Esses pares de células elementares imbricadas podem assumir três níveis de tensão. O inconveniente dessa primeira configuração é que ela utiliza muitos interruptores e condensadores, o que faz com que ela seja cara e pouco confiável.

[0012] Em uma segunda configuração, cada braço comporta uma cascata de dois estágios, um de fileira e o outro de fileira dois. Cada estágio comporta tantos triplos de células elementares de base imbricadas. Esses triplos de células elementares podem assumir quatro níveis de tensão. Nessa segunda variante, os condensadores utilizados serão encarregados dos níveis de tensão diferentes, segundo o fato de pertencerem ao primeiro estágio ou ao segundo estágio. Isso apresenta uma limitação à padronização. Por outro lado, indutâncias parasitas dos condensadores são tanto mais elevadas, quanto a manutenção em tensão aumentar. Oscilações de tensão de comutação para as células de níveis de tensões os mais importantes vão limitar a atração da montagem.

EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO

[0013] A presente invenção tem por finalidade propor um conversor multiníveis que pode trabalhar em níveis de tensão superiores àqueles da técnica anterior, sem ter necessidade de recorrer aos transformadores, nem de multiplicar o número de interruptores com semicondutores.

[0014] Uma outra finalidade da invenção é de propor um conversor multiníveis que é menos caro e mais viável que os conversores multiníveis da técnica anterior, para um nível de tensão determinada.

[0015] Ainda uma outra finalidade da invenção é de propor um conversor multiníveis que utiliza lotes de condensadores padrões de manutenção em tensão limitada.

[0016] Uma finalidade da invenção é de propor um conversor multiníveis que limita o aparecimento de indutâncias parasitas.

[0017] Essas finalidades são atingidas pela associação de células de tipo NPC e de células capacitivas.

[0018] Mais particularmente, a presente invenção é um conversor multiníveis comportando um ou vários braços, configurados para serem conectados, cada um, entre uma fonte de tensão e uma fonte de corrente. O ou cada braço compreende dois estágios conectados em cascata com um primeiro estágio destinado a ser conectado à fonte de tensão e um segundo estágio destinado a ser conectado à fonte de corrente. O primeiro estágio comporta n estágios elementares de fileira um a n (n superior a um) conectados em cascata, o estágio elementar de fileira um sendo conectado ao segundo estágio e o estágio elementar de fileira n sendo destinado a ser conectado à fonte de tensão. Cada estágio elementar comporta um par de células de tipo NPC idênticos conectados em série, a conexão sendo direta no estágio elementar de fileira um, a conexão fazendo-se via n-1 células capacitivas para cada estágio elementar de fileira n (n superior a um). O segundo estágio comporta uma célula de tipo com condensador flutuante.

[0019] Nesse conversor multiníveis, uma célula capacitiva comporta dois dispositivos de estocagem de energia dispostos em série, esses dispositivos de estocagem de energia tendo uma mesma capacidade de estocagem de energia.

[0020] Em um estágio elementar, as células de tipo NPC comportam uma ponte capacitiva com dois dispositivos de estocagem de energia que tem uma mesma capacidade de estocagem de energia. Cada dispositivo de estocagem de energia de uma célula capacitiva desse estágio elementar tem uma mesma capacidade de estocagem de energia que um dos dispositivos de estocagem de energia de uma célula de tipo NPC.

[0021] Assim, todos os dispositivos de estocagem de energia do primeiro estágio têm uma capacidade de estocagem de energia.

[0022] Para respeitar as regras de conexão em fonte de tensão e fonte de corrente, pelo menos uma das células de tipo NPC de um estágio elementar é conectada a uma célula de tipo NPC de estágio elementar vizinho via uma indutância.

[0023] No conversor, objeto da invenção, uma célula de tipo NPC comporta um quádruplo de interruptores elementares dispostos em série dentre os quais dois estão em posição extrema e dois estão em posição mediana. Um interruptor elementar em posição extrema e um interruptor elementar em posição mediana que não são ligados diretamente estão sempre em estados complementares, um sendo passante e o outro sendo bloqueado, esses dois interruptores elementares formam uma célula de comutação elementar.

[0024] Uma célula de tipo NPC possui uma função de conversão que liga a tensão aplicada na entrada dessa célula à tensão presente na saída dessa célula. As duas células de comutação elementares dessa célula possuem também, cada uma, uma função de conversão. A função de conversão da célula de tipo NPC depende das funções de conversão das duas células de comutação elementares.

[0025] Além disso, as células de tipo NPC de um mesmo estágio elementar têm uma mesma função de conversão.

[0026] Nas duas células de tipo NPC de um mesmo estágio elementar, os interruptores elementares homólogos são comandados de maneira idêntica.

[0027] No conversor, objeto da invenção, uma célula de tipo com condensador flutuante comporta um quádruplo de interruptores elementares dispostos em série dentre os quais dois estão em posição extrema e dois estão em posição mediana. Os dois interruptores elementares em posição extrema estão sempre em estados complementares, os dois interruptores elementares em posição mediana estão sempre em estados complementares, um sendo passante e o outro sendo bloqueado. Os dois interruptores elementares em posição extrema formam uma primeira célula de comutação elementar. Os dois interruptores elementares em posição mediana formam uma segunda célula de comutação elementar.

[0028] Os interruptores elementares comportam, cada um, um comutador eletrônico de potência comandável associado com um diodo conectado em antiparalelo.

[0029] Os dispositivos de estocagem de energia são escolhidos dentre um condensador, uma bateria, uma pilha a combustível.

[0030] A presente invenção se refere também a um variador de velocidade, comportando uma cascata com um conversor assim caracterizado, funcionando como corretor CA/CC e um conversor assim caracterizado funcionando como ondulador CC/CA, ligados entre si por seus lados contínuos por intermédio de uma fonte de tensão.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0031] A presente invenção será melhor compreendida com a leitura da descrição de exemplos de realização dados a título puramente indicativo e de modo nenhum limitativo, fazendo referência aos desenhos anexados, nos quais: - a figura 1A ilustra, de maneira muito esquemática, um braço de conversor multiníveis objeto da invenção com um primeiro estágio e um segundo estágio montados em cascata, o primeiro estágio sendo uma cascata de n estágios elementares, a figura 1B é um conversor multiníveis monofásico, comportando dois braços similares àquele da figura 1A; - a figura 2A mostra uma célula de tipo NPC do conversor multiníveis objeto da invenção e as figuras 2B, 2C, 2D ilustram a circulação da corrente nessa célula levando aos três estados da célula de tipo NPC; - a figura 3A mostra uma célula de tipo com condensador flutuante com três níveis de tensão do conversor multiníveis objeto da invenção e as figuras 3B, 3C, 3D, 3E ilustram a circulação da corrente nessa célula com condensador flutuante, levando aos quatro estados da célula com condensador flutuante; - as figuras 4A e 4B ilustram exemplos de braços de conversor multiníveis objeto da invenção, no qual o primeiro estágio é uma cascata de dois primeiros estágios elementares, a figura 4A é relativa a um ondulador e a figura 4B é relativa a um corretor;

- as figuras 5A e 5B ilustram respectivamente sinais triangulares para o comando dos interruptores elementares das duas células de comutação elementares de uma célula com condensador flutuante como a célula Ce10 da figura 4A, no caso de um comando de tipo modulação de largura de impulso MLI; as figuras 5C e 5D ilustram respectivamente sinais triangulares para o comando dos interruptores elementares das duas células de comutação elementares de uma célula de tipo NPC como a célula Ce11 da figura 4A no caso de um comando de tipo modulação de largura de impulso MLI; a figura 5E ilustra um sinal de senha a comparar com os sinais triangulares para determinar instantes de comutação dos interruptores elementares das células de comutação elementares; - as figuras 6 a 9 ilustram sinais no caso de um conversor, tal como aquele da figura 4A, com uma carga 10 de tipo RL conectada entre o nó S e o nó N3: - as figuras 6.00 a 6.04 ilustram respectivamente o sinal de senha Vref a comparar na portadora Car3 para o comando dos interruptores elementares T4u e T3u, à portadora Car4 para o comando dos interruptores elementares T5u e T6u, à portadora Car1 para o comando do interruptor elementar T1, à portadora Car2 para o comando do interruptor elementar T2; - as figuras 6.1 a 6.8 representam cronogramas correspondentes ao primeiro estágio elementar E11: as figuras 6.1 e 6.2 ilustram respectivamente o sinal de comando dos interruptores elementares T3u, T4u; as figuras 6.3 a 6.7 ilustram respectivamente a corrente que circula do nó N8 para o interruptor elementar T4u, a corrente que circula do nó N9 para os diodos D7 e D8, a corrente que circula do nó N10 para os interruptores elementares T3'u e T4I, a corrente que circula do nó N11 para os diodos D9 e D10, a corrente que circula do nó N12 para o interruptor elementar Τ3Ί; a figura 6.8 ilustra a corrente de saída do braço e que alimenta a carga 10; - as figuras 7.1 a 7.9 representam cronogramas que correspondem ao segundo estágio elementar E12: as figuras 7.1 e 7.2 ilustram respectivamente o sinal de comando dos interruptores elementares T5u, T6u; as figuras 7.3 a 7.8 ilustram respectivamente a corrente que circula do borne E+ que deve ser conectado à fonte de tensão VDC para o interruptor elementar T6u, a corrente que circula do nó N1 para os diodos D1 e D2, a corrente que circula do nó N2 para o interruptor elementar T5'u, a corrente que circula do nó N4 para o interruptor elementar T6I, a corrente que circula do nó N5 para os diodos D5 e D6, a corrente que circula do borne E- que deve ser conectado à fonte de tensão VDC para o interruptor elementar Τ5Ί; a figura 7.9 ilustra a corrente de saída do braço e que alimenta a carga 10; - as figuras 8.1 a 8.5 representam cronogramas que correspondem ao segundo estágio E2, as figuras 8.1 e 8.2 ilustram respectivamente o sinal de comando dos interruptores elementares T1, T2 com uma primeira base de tempo, a mesma que aquela das figuras 6.03 e 6.04; as figuras 8.3 e 8.4 ilustram respectivamente a corrente que circula a partir do interruptor elementar T2 para o interruptor elementar T1, e a corrente que circula do interruptor elementar T2 para o condensador Cf; a figura 8.5 ilustra a corrente de saída do braço e que alimenta a carga 10; as figuras 8.6 e 8.7 ilustram novamente o sinal de comando dos interruptores elementares T1, T2 com uma segunda base de tempo, a mesma que aquela das figuras 8.3 a 8.5; - as figuras 9.1 e 9.2 ilustram respectivamente um cronograma da tensão Vs no bornes da carga 10 e da corrente de saída Is do braço e que alimenta a carga 10; - a figura 10 mostra um exemplo de variador de velocidade que associa dois conversores multiníveis objeto da invenção, um funcionando como corretor e o outro como ondulador.

EXPOSIÇÃO DETALHADA DE MODOS DE REALIZAÇÃO PARTICULARES

[0032] Refere-se à figura 1A que mostra um esquema elétrico de um braço B de um conversor multiníveis, objeto da invenção, em uma estrutura geral. Ele permite trabalhar a tensões do domínio da média tensão até aproximadamente 13,8 kV.

[0033] Ele será descrito em uma primeira etapa em um exemplo de um braço de conversor CC/CA.

[0034] O conversor multiníveis, objeto da invenção, conforme aquele ilustrado na figura 1B, comporta um ou vários braços B similares àquele representado na figura 1A. Eles são destinados a serem ligados, cada um, entre duas mesmas fontes de alimentação elétrica, dentre as quais uma fonte de tensão VDC e uma fonte de corrente I. Dois braços são utilizados em um conversor monofásico. Três braços seriam utilizados em um conversor trifásico.

[0035] O braço B da figura 1A é destinado a ser conectado entre a fonte de tensão VDC e a fonte de corrente I. O conversor pode, então, funcionar como conversor CC/CA (ondulador) ou como conversor CA/CC (corretor). No caso de um conversor CC/CA, a fonte de corrente é alternada e pode ser, por exemplo, um motor elétrico, e a fonte de tensão é contínua e pode ser, por exemplo, uma barra de corrente contínua conectada na saída de um corretor.

[0036] No caso de um conversor CA/CC, a fonte de corrente é alternada e pode ser, por exemplo, a rede de alimentação, e a fonte de tensão é contínua e pode ser, por exemplo, um condensador ou uma batería.

[0037] O braço B de conversor comporta dois estágios Et1, Et2 conectados juntos em cascata. O primeiro estágio Et1 ou estágio de entrada é destinado a ser conectado à fonte de tensão VDC que é contínua e o segundo estágio Et2 ou estágio de saída é destinado a ser conectado à fonte de corrente I na configuração de conversor CC/CA que é ilustrado nas figuras 1.

[0038] Em uma configuração de conversor CA/CC, o primeiro estágio Et1 ou estágio de saída seria conectado a uma fonte de tensão contínua e o segundo estágio Et2 ou estágio de entrada seria conectado a uma fonte de corrente alternada. A entrada e a saída do conversor são invertidas, quando se passa do funcionamento como ondulador ao funcionamento como corretor e vice-versa.

[0039] O primeiro estágio Et1 é formado de n estágios elementares E11, E12,..., E1n tendo uma fileira compreendida entre 1 e n (n inteiro superior a um) conectados em cascata. O estágio elementar E11 de fileira 1 é conectado ao segundo estágio Et2. O estágio elementar E1n de fileira n é destinado a ser conectado à fonte de tensão VDC.

[0040] O segundo estágio Et2 é formado de uma célula de tipo com condensador flutuante Ce10 com três níveis de tensão.

[0041] Cada estágio elementar E11, E12,..., E1n do primeiro estágio Et1 comporta um par de células de tipo NPC (Ce11, Ce12), Ce21, Ce22),..., (Cen1, Cen2) ligadas em série. A ligação entre as duas células de tipo NPC (Ce11, Ce12), (Ce21, Ce22),... (Cen1, Cen2) de um mesmo estágio elementar E11, E12,... E1n de fileira 1 a n, é feita por n-1 células capacitivas. Para o estágio elementar E11 de fileira 1, a ligação entre suas duas células de tipo NPC Ce11, Ce12 é então direta. Quando n-1 é superior a um, há n-1 células capacitivas que são conectadas em série. A célula capacitiva do estágio elementar E12 de fileira 2 é referenciada Ca2(1) e por analogia àquelas do estágio elementar En de fileira n Can(1) a Can(n-1). Cada célula capacitiva comporta um par de dispositivos de estocagem de energia em série. Os dois dispositivos de estocagem de energia de uma célula capacitiva têm uma mesma capacidade de estocagem de energia. Além disso, todos os dispositivos de estocagem de energia das células capacitivas do primeiro estágio Et1 têm um mesmo valor de estocagem de energia.

[0042] Os dispositivos de estocagem de energia utilizados no conversor objeto da invenção, que seja nas células de tipo NPC ou com condensador flutuante ou ainda nas células capacitivas podem ser realizados por qualquer dispositivo capaz de estocar a energia elétrica e restituí-la sob a forma de tensão. Os dispositivos de estocagem de energia podem assumir a forma de um condensador, de uma batería, de uma pilha a combustível...

[0043] Na sequência, com uma preocupação de simplificação, a referência VDC representará, ao mesmo tempo, a fonte de tensão e a tensão nos bornes dessa fonte de tensão.

[0044] Percebe-se que a tensão VDC foi cindida em n+1 tensões associadas em série, das quais duas mais extremas, denominadas E1n1 e E1n(n+1), são as tensões de entrada das células de tipo NPC Cen1 e Cen2.

[0045] No funcionamento ondulador, representou-se uma única fonte de tensão VDC. Naturalmente que essa fonte de tensão VDC poderia ser constituída de um conjunto de n+1 fontes de tensão elementares independentes.

[0046] Cada célula de tipo NPC comporta, conforme será visto depois, referindo-se à descrição da figura 3A, um ponto divisor capacitivo de entrada que materializa uma fonte de tensão. As tensões E1n1, E1n(n+1) são as tensões nos bornes dessas pontes capacitivas.

[0047] As tensões E1n2 a E1nn são tensões flutuantes que são aplicadas às n-1 células capacitivas Can(1) a Can(n-1). Essas n-1 células capacitivas Can(1) a Can(n-1) formam fontes de tensão flutuantes.

[0048] Do mesmo modo, as saídas das células de tipo NPC Cen1 e Cen2 do estágio elementar E1n são consideradas como fontes de tensão flutuantes.

[0049] A ligação entre dois estágios elementares vizinhos é feita entre duas células de tipo MPC respectivas, via uma indutância Laux11, Laux21,... Laux1(n-1), Laux2(n-1). Cada uma dessas indutâncias é assimilável a uma fonte de corrente para respeitar as regras de conexão entre fonte de tensão e fonte de corrente. Os valores dessas duas indutâncias são os mesmos. Ao contrário, duas indutâncias que não ligam dois mesmos estágios não têm forçosamente os mesmos valores. Como variante, seria possível utilizar apenas uma única indutância para ligar um primeiro estágio elementar e um segundo estágio elementar vizinho. Ela seria colocada entre uma célula de tipo NPC do primeiro estágio elementar e uma célula de tipo NPC do segundo estágio elementar vizinho. A outra célula de tipo NPC do primeiro estágio elementar seria ligada diretamente à outra célula de tipo NPC do segundo estágio elementar vizinho. É para esquematizar essa variante que a indutância Laux21 na figura 1A foi representada em pontilhados. Isto significa que ela é opcional. Nesse caso, a única indutância utilizada teria por valor a soma das duas indutâncias da montagem com duas indutâncias.

[0050] No nível do estágio elementar E12 de fileira 2, as saídas das células de tipo NPC Ce21 e Ce22 são conectadas via as indutâncias Laux11, Laux21 a duas fontes de tensão flutuantes constituídas pelas pontes capacitivas das duas células de tipo NPC Ce11, Ce12. Essas duas fontes de tensão têm um ponto comum. As referências E111, E112 correspondem às tensões nos bornes dessas pontes capacitivas.

[0051] As saídas das células de tipo NPC Ce11 e Ce12 realizam uma fonte de tensão flutuante E2 que é aplicada na entrada da célula de tipo com condensador flutuante Ce10 do segundo estágio Et2. A estrutura e o funcionamento de uma célula de tipo com condensador flutuante com três níveis de tensão são descritos com referência às figuras 3A a 3E.

[0052] Escolhem-se os componentes do nesimo estágio elementar E1n, de maneira que a tensão de entrada VDC seja cindida em n+1 tensões de entrada iguais aplicadas a cada uma das duas células de tipo NPC Cen1, Cen2 e das n-1 células capacitivas Can(1),..., Can(n- 1). Aplica-se assim VDC/n+1 sobre cada uma das células do mesmo estágio elementar.

[0053] Pode-se definir uma função de conversão f associada a cada célula de tipo NPC ou com condensador flutuante, ela liga a tensão de entrada Ve aplicada a essa célula à tensão V presente na saída da mesma dita célula.

[0054] Em cada estágio elementar do primeiro estágio, configuram-se e comandam-se as duas células de tipo NPC, de maneira que suas funções de conversão associadas sejam iguais duas a duas. Desse modo, as tensões aplicadas na entrada de cada uma das células do primeiro estágio, mas também do segundo estágio são iguais a VDC/n+1. Todas as células de tipo NPC ou com condensador flutuante do conversor devem suportar essa tensão VDC/N+1. Isso responde ao objetivo inicial de redução dos esforços de tensão sobre os interruptores com semicondutores para uma tensão contínua determinada aplicada ao estágio elementar de fileira n do primeiro estágio.

[0055] Vai ser descrita rapidamente a estrutura de uma célula de tipo NPC com três níveis de tensão, referindo-se às figuras 2A a 2D.

[0056] Essa célula de tipo NPC comporta um quádruplo de interruptores elementares montados em série denominados K11, K12, K21, K22. Nesse quádruplo, um primeiro interruptor elementar K11 e um segundo interruptor elementar K22 estão em posição extrema e um primeiro interruptor elementar K12 e um segundo interruptor elementar K21 estão em posição mediana, os dois interruptores elementares em posição mediana são diretamente ligados um ao outro no nó M3. No quádruplo, um interruptor elementar em posição extrema é diretamente ligado a um interruptor elementar em posição mediana. Essa ligação permite definir um primeiro ponto meio M1 entre o primeiro interruptor elemento K11 em posição extrema e o primeiro interruptor elementar K12 em posição mediana e um segundo ponto meio M2 entre o segundo interruptor elementar K22 em posição extrema e o segundo interruptor elementar K21 em posição mediana.

[0057] Os interruptores elementares K11, K12, K21, K22 são interruptores com semicondutor e comportam, cada um, um comutador eletrônico de potência comandável T11, T12, T21, T22, tal como um transistor de potência IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) associado com um diodo D11, D12, D21, D22, conectado em antiparalelo. Ao invés dos transistores IGBT, outros comutadores eletrônicos de potência, tais como transistores MOSFET ou outros são consideráveis. Para não sobrecarregar as figuras, omitiu-se representar os meios de comando dos comutadores eletrônicos de potência.

[0058] Um primeiro diodo D100 e um segundo diodo D200 em série são conectados entre o primeiro ponto meio M1 e o segundo ponto meio M2. O diodo D100 tem seu catodo conectado ao primeiro ponto meio M1, o diodo D200 tem seu anodo conectado ao segundo ponto meio M2. Um ponto divisor capacitivo, com um primeiro dispositivo de estocagem de energia C100 e um segundo dispositivo de estocagem de energia C200 é conectado aos bornes extremos do quádruplo de interruptores elementares K11, K12, K21, K22. Os dois dispositivos de estocagem de energia C100 e C200 têm uma mesma capacidade de estocagem da energia elétrica. O ponto meio A entre os dois dispositivos de estocagem de energia C100, C200 em série é ligado ao ponto meio B entre os dois diodos D100, D200 em série. O diodo D100 tem seu anodo conectado ao ponto meio B, o diodo D200 tem seu catodo conectado ao ponto meio B.

[0059] Definem-se duas funções de comutação. A primeira função de comutação F1 é utilizada para o comando de uma primeira célula de comutação elementar G1 compreendendo o primeiro interruptor elementar K11 em posição extrema e o segundo interruptor elementar K21 em posição mediana. A segunda função de comutação F2 é utilizada para o comando de uma segunda célula de comutação elementar G2 compreendendo o primeiro interruptor elementar K12 em posição mediana e o segundo interruptor elementar K22 em posição extrema. Os interruptores elementares de uma mesma célula de comutação elementar G1 ou G2 não são conectados diretamente um ao outro e estão sempre em estados complementares, um sendo passante e o outro bloqueado.

[0060] A primeira tensão de entrada V1 se aplica aos bornes do primeiro dispositivo de estocagem de energia C100. A segunda tensão de entrada V2 se aplica aos bornes do segundo dispositivo de estocagem de energia C200.

[0061] A tensão de saída V é medida entre o ponto meio A entre os dois dispositivos de estocagem de energia C100, C200 e o nó M3 comum aos dois interruptores elementares K12, K21 em posição mediana.

[0062] A combinação K12 bloqueado e K11 passante não ê autorizada nessa montagem liberando três níveis de tensão. O estado 1 é ilustrado na figura 2B, o estado 2 é ilustrado na figura 2C, o estado 3 é ilustrado na figura 2D.

[0063] Será descrita rapidamente a estrutura de uma célula de tipo com condensador flutuante com três níveis de tensão, referindo-se às figuras 3A a 3E.

[0064] Essa célula de tipo com condensador flutuante comporta um quádruplo de interruptores elementares montados em série denominados K110, K120, K210, K220. Nesse quádruplo, um primeiro interruptor elementar K110 e um segundo interruptor elementar K220 estão em posição extrema e um primeiro interruptor elementar K120 e um segundo interruptor elementar K210 estão em posição mediana, os dois interruptores elementares K120, K210 em posição mediana estão diretamente ligados um ao outro no nó M30. No quádruplo, um interruptor elementar em posição extrema é diretamente ligado a um interruptor elementar em posição mediana. Essa ligação permite definir um primeiro ponto meio M10 entre o primeiro interruptor elementar K110 em posição extrema e o primeiro interruptor elementar K120 em posição mediana e um segundo ponto meio M20 entre o segundo interruptor elementar K220 em posição extrema e o segundo interruptor elementar K210 em posição mediana.

[0065] Esses interruptores elementares K110, K120, K210, K220 são interruptores com semicondutor e comportam, cada um, um comutador eletrônico de potência comandável T110, T120, T210, T220, tal como um transistor de potência IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), por exemplo, associado com um diodo D110, D120, D210, D220, conectado em antiparalelo. Ao invés dos transistores IGBT, outros comutadores eletrônicos de potência tais como transistores MOSFET ou outros consideráveis.

[0066] Um dispositivo de estocagem de energia C101 é conectado entre o primeiro ponto meio M10 e o segundo ponto meio M20.

[0067] Definem-se duas funções de comutação. A primeira função de comutação F10 é utilizada para o comando de uma primeira célula de comutação elementar J1, compreendendo o primeiro interruptor elementar K110 em posição extrema e o segundo interruptor elementar em posição extrema K220. A segunda função de comutação F20 é utilizada para o comando de uma segunda célula de comutação elementar 12, compreendendo o primeiro interruptor elementar K120 em posição mediana e o segundo interruptor elementar K210 em posição mediana. Os interruptores elementares de uma mesma célula de comutação elementar estão sempre em estados complementares, passante ou bloqueado.

[0068] A tensão de entrada Ve é a tensão nos bornes do quádruplo de interruptores K110, K120, K210, K220. A tensão de saída V é a tensão nos bornes do conjunto formado pelo segundo interruptor elementar K210 em posição intermediária e o segundo interruptor elementar K220 em posição extrema.

[0069] De acordo com o estado dos interruptores elementares, os três níveis de tensão de saída que podem ser obtidos são: 0, Ve/2, Ve. O estado 1 é ilustrado na figura 3B, o estado 2 é ilustrado na figura 3C, o estado 3 é ilustrado na figura 3D e o estado 4 é ilustrado na figura 3E.

[0070] Os interruptores elementares das células descritas mais acima são bidirecionais em corrente, o que torna o conversor objeto da invenção reversível.

[0071] Interessa-se a seguir pelas figuras 4A, 4B que mostram, de maneira mais detalhada, o esquema elétrico de um braço de um conversor multiníveis objeto da invenção. Na figura 4A, o conversor objeto da invenção funciona como ondulador CC/CA. Sua saída lado alternativo é destinada a alimentar uma carga 10 representada formada de uma resistência R e de uma indutância L em série e equivalente a uma fonte de corrente. Na figura 4B, o conversor objeto da invenção funciona como corretor CA/CC. Os dispositivos de estocagem de energia foram chamados condensadores. Isto não é limitativo.

[0072] Nesse exemplo o primeiro estágio Et1 do braço compara apenas n=2 estágios elementares E11, E12 de fileiras 1 e 2. O primeiro estágio elementar E11 comporta duas células de tipo NPC Ce11 e Ce12. A célula de tipo NPC Ce11 comporta quatro interruptores elementares, dos quais dois extremos T4u, T3'u e dois medianos T3u, T4u', assim como dois condensadores Cl, C8 e dois diodos D7, D8. Esses componentes são dispostos conforme na figura 2A.

[0073] Os interruptores elementares da célula de tipo NPC Ce11 se repartem em duas células de comutação elementares Gr4 com T4u e T4'u e Gr3 com T3u e T3'u. Assim, a célula de comutação elementar Gr4 tem um nível 0, quando T4u é bloqueado e T4'u é passante e um nível 1, quando T4u é passante e T4'u é bloqueado. Da mesma forma, a célula de comutação elementar Gr3 tem um nível 0, quando T3u é bloqueado e T3'u é passante e um nível 1, quando T3u é passante e T3'u é bloqueado.

[0074] De maneira similar, a célula de tipo NPC Ce12 comporta quatro interruptores elementares, dos quais dois extremos T4I, Τ3Ί e dois medianos T3I, Τ4Ί assim como dois condensadores C9, C10 e dois diodos D9, D10. Esses componentes são dispostos conforme na figura 2A.

[0075] O segundo estágio elementar E12 comporta duas células de tipo NPC Ce21 e Ce22 e uma célula capacitiva Ca2(1) formada de um par de condensadores em série C3 e C4. A célula de tipo NPC Ce 21 comporta quatro interruptores elementares dos quais dois extremos T6u, T5'u e dois medianos T5u, T6'u, dois condensadores C1, C2 e dois diodos D1, D2. Esses componentes são dispostos conforme na figura 2A.

[0076] Os interruptores elementares da célula de tipo NPC Ce21 se repartem em duas células de comutação elementares Gr5 com T5u e T5'u e Gr6 com T6u e T6'u. Assim, a célula de comutação elementar Gr5 tem um nível 0, quando T5u é bloqueado e T5'u é passante e um nível 1, quando T5u é passante e T5'u é bloqueado. Assim, a célula de comutação elementar Gr6 tem um nível 0, quando T6u é bloqueado e T6'u é passante e um nível 1, quando T6u é passante e T6'u é bloqueado. As células de comutação elementares pertencentes a células NPC de um mesmo estágio elementar têm uma mesma função de conversão.

[0077] De maneira similar, a célula de tipo NPC Ce22 comporta quatro interruptores elementares dos quais dois extremos T6I, Τ5Ί e dois medianos T5I, Τ6Ί, dois condensadores C5, C6 e dois diodos D5, D6.

[0078] A fim de respeitar os esforços enunciados anteriormente, em um mesmo estágio elementar, os comandos dos interruptores elementares homólogos T3u e T3I; T4u e T4I; T5u e T5I; T6u e T6I são idênticos. Por interruptores elementares homólogos, entendem-se dois interruptores elementares pertencentes, cada um, a uma célula de tipo NPC diferente do mesmo estágio elementar e ocupando exatamente a mesma posição nessa célula.

[0079] O primeiro estágio elementar E11 e o segundo estágio elementar E12 são ligados entre eles pelas duas indutâncias Laux11, Laux21.

[0080] O segundo estágio Et2 comporta uma célula de tipo com condensador flutuante Ce10, tal como ilustrada na figura 2B. A célula Ce10 comporta quatro interruptores elementares, dos quais dois extremos T2, T2' e dois medianos T1, T1', assim como um condensador Cf. Esses interruptores elementares se repartem em duas células de comutação elementares Gr1 com T1 e T1' e Gr2 com T2 e T2'. Assim, a célula de comutação elementar Gr1 tem um nível 0, quando T1 é bloqueado e T1' é passante e um nível 1, quando T1 é passante e T1' é bloqueado. Assim, a célula de comutação elementar Gr2 tem um nível 0, quando T2 é bloqueado e T2' é passante e um nível 1, quando T2 é passante e T2' é bloqueado.

[0081] O dimensionamento do condensador Cf da célula de tipo com condensador flutuante não responde às mesmas regras que aquelas dos condensadores das células de tipo NPC. Ao contrário, a manutenção em tensão de todos esses condensadores do conversor é a mesma. Para simplificar, o valor do condensador CF da célula com condensador imbricado depende da frequência de comutação dos interruptores elementares dessa célula. O valor dos condensadores de uma célula de tipo NPC é orientada pela frequência do sinal de saída dessa célula.

[0082] Representou-se uma carga 10 de tipo R, L a ligar entre o nó S e o nó N3. O nó 5 fica localizado no ponto comum entre os dois interruptores elementares medianos T1, T1' da célula de tipo com condensador flutuante Ce10. No exemplo da figura 4A, esse nó S corresponde à saída do braço B em um funcionamento de conversor CC/CA. O nó N3 é localizado no ponto comum entre os dois condensadores C3, C4 do par de condensadores da célula capacitiva Ca2(1). Esse nó N3 corresponde ao ponto meio da fonte de tensão de entrada VDC.

[0083] Não será descrito mais em detalhes o braço de conversor da figura 4B. Ele tem a mesma estrutura que aquele da figura 4A com exceção do fato de o nó S, que correspondia à saída na figura 4A, se chamar então nó E, já que ele corresponde agora à entrada. Ele é destinado a ser conectado a uma fonte de corrente alternada (não representada). Da mesma forma, os bornes de entrada E+, E- na figura 4A nos bornes dos quais a fonte de tensão VDC deve ser conectada se chama agora S+ e S- na figura 5B, eles correspondem à saída do conversor e são destinados a alimentar uma fonte de tensão contínua (não representada). Em funcionamento corretor, uma corrente IE circula do nó E para os bornes de saída S+ e S-, enquanto que em funcionamento ondulador das correntes IE+ e IE- circulava dos bornes E+, E- para o nó S. Em funcionamento corretor das correntes IS+ e IS- que aparecem nos bornes S+ e S- são correntes de saída, em funcionamento ondulador a corrente saída denominada IS aparece no nó S.

[0084] O conversor da figura 4A permite obter na saída 7 níveis de tensão diferentes 0, VDC/6, 2VDC/6, 3VDC/6, 4VDC/6, 5VDC/6, VDC e 36 estados em função do nível das células de comutação elementares Gr1 a Gr6, isto é, do estado passante ou bloqueado de seus interruptores elementares.

[0085] Foram agrupados na tabela seguinte os 36 estados diferentes e autorizados, assim como os níveis de tensão V correspondentes na saída do segundo estágio Et2. A tensão V é considerada entre o nó S e o borne E-.

[0086] O conteúdo harmônico da tensão de saída é notavelmente reduzido. |0U87J Analisando essa tabela, percebe-se que vários estados e portanto várias configurações dos interruptores elementares levam a uma mesma tensão V. Todavia, esses estados redundantes podem gerar efeitos diferentes sobre os dispositivos de estocagem de energia do conversor. Assim, no estado 2, a corrente visa a descarregar o condensador Cf da célula de tipo com condensador flutuante Ce10, enquanto que no estado 3, a corrente circula no sentido oposto, o que leva à carga do condensador Cf.

[0088] Vários tipos de comando podem ser utilizados para tornar passantes ou bloqueados os interruptores elementares e, portanto, assegurar a conversão. Um comando tradicional baseado na modulação de largura de impulso MLI pode ser utilizado. Certamente, comandam-se do mesmo modo os interruptores elementares homólogos das duas células de tipo NPC de um mesmo estágio elementar do primeiro estágio.

[0089] Refere-se às figuras 5A a 5D que mostram portadoras triangulares utilizadas para definir os instantes de comutação dos interruptores elementares respectivamente das duas células de tipo NPC e de tipo com condensador flutuante do conversor objeto da invenção. Mais particularmente, as figuras 5A e 5B se referem, respectivamente, ao comando dos interruptores elementares das duas células de comutação elementares de uma célula de tipo com condensador flutuante como a célula Ce10. As portadoras triangulares têm uma amplitude compreendida entre +1 e -1. Elas são defasadas de um semiperíodo de recorte. Por exemplo, a portadora triangular da figura 5A é associada à primeira célula de comutação elementar Gr1 e a portadora triangular da figura 5B é associada à segunda célula de comutação elementar Gr2.

[0090] As figuras 5C e 5D se referem respectivamente ao comando das duas células de comutação elementares de uma célula de tipo NPC como as células de tipo NPC Ce11, Ce12, por exemplo. As portadoras triangulares têm uma amplitude compreendida entre 0 e + 1 (figura 5C) para a primeira célula de comutação elementar Gr3 e entre -1 e 0 (figura 5D) para a segunda célula de comutação elementar Gr4. Elas estão em fase. Os instantes de comutação dos interruptores elementares são obtidos por comparação entre as portadoras triangulares e um sinal de senha, correspondente ao sinal desejado na saída do conversor. Pode-se definir como regra, por exemplo, que um instante de comutação de um interruptor elementar sobrevêm desde que o sinal de senha seja estritamente superior à portadora triangular. Ter-se-ia podido certamente fixar como regra que um instante de comutação de um interruptor elementar sobrevêm, desde que o sinal de senha seja superior ou igual à portadora triangular.

[0091] O sinal de senha é ilustrado na figura SE.

[0092] Outros tipos de comando são certamente consideráveis como, por exemplo, um comando vetorial ou um comando direto do binário, quando o conversor alimenta uma máquina giratória.

[0093] Um modo de comando original é proposto, com referência às figuras 6 a 9. Limita-se ao número de colocação no estado passante dos interruptores elementares das células de tipo NPC dos estágios elementares do primeiro estágio durante um período do sinal de senha Vref. Obtém-se uma regulagem grosseira da tensão de saída desse estágio elementar.

[0094] Utilizando-se para comandar os interruptores elementares do segundo estágio do conversor uma frequência de comutação superior àquela utilizada para comandar os interruptores do primeiro estágio, obtém-se uma regulagem muito mais fina da tensão de saída do conversor, respeitando os problemas de funcionamento de cada um dos interruptores elementares. Lembra-se que a frequência de comutação dos interruptores elementares é ligada à sua tecnologia e a seu calibre. Nessa aplicação, ela pode, por exemplo, estar compreendida entre 500 Hz e 10000 Hz. A frequência do sinal na saída do conversor ilustrado na figura 4A pode variar entre 0 e 150 Hz.

[0095] A figura 6.00 ilustra o andamento do sinal de senha ainda denominada tensão de senha Vref que vai servir notadamente para determinar os instantes de comutação de todos os interruptores elementares das células de tipo NPC e com condensador flutuante. Ela será utilizada em várias comparações, conforme será visto posteriormente. Ela está em fase com a tensão Vs nos bornes da carga 10 conectada na saída do braço B, ilustrada na figura 9.1, por contra a corrente de saída Is da figura 9.2 está em retardo sobre a tensão de senha. Ela tem uma amplitude compreendida entre -0,8 e +0,8 no exemplo descrito. Mais geralmente, a tensão de senha Vref pode variar entre -1 e +1. A amplitude dessa tensão de senha Vref é utilizada para regular a amplitude da tensão de saída Vs.

[0096] A figura 6.01 é um cronograma da portadora Car3 utilizada com a tensão de senha Vref para determinar os instantes de comutação dos interruptores elementares T4u e T3u da célula de tipo NPC Ce11 do primeiro estágio elementar E11 do conversor. É um sinal em intervalos em fase com a tensão de senha Vref e cuja amplitude é Vref/3.

[0097] A figura 6.1 é um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar T3u da célula de tipo NPC Ce11 do primeiro estágio elementar E11 do conversor. É um sinal em intervalos, cujo período é igual àquele do sinal de senha Vref. O interruptor elementar T3u só é bloqueado uma única vez, durante esse período, tanto que a amplitude da tensão de referência Vref é inferior ao patamar negativo da portadora Car3.

[0098] A figura 6.2 é um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar T4u da célula de tipo NPC Ce11 do primeiro estágio elementar E11 do conversor. É um sinal em intervalos cujo período é igual àquele do sinal de senha Vref. O interruptor elementar T4u passando apenas uma única vez durante esse período, quando a tensão de senha Vref é superior ao patamar positivo da portadora Car3.

[0099] Os interruptores elementares T4u e T4u são interruptores elementares em posição mediana e extrema diretamente conectados, eles podem ter o mesmo estado conforme o mostra a tabela precedente. Isto se verifica duas vezes durante um período.

[00100] A figura 6.3 ilustra um cronograma da corrente IN8 que circula do nó N8 para o interruptor elementar T4u. O nó N8 é comum à indutância Lauxl 1 e ao interruptor elementar T4u.

[00101] A figura 6.4 ilustra um cronograma da corrente IN9 que circula do nó N9 para os diodos D7 e D8. O nó N9 é comum aos condensadores Cl, C8 e aos diodos D7 e D8.

[00102] A figura 6.5 ilustra um cronograma da corrente IN 10 que circula do nó N10 para os interruptores elementares T3'u e T4I. O nó N10 é comum aos condensadores C8, C9 e aos interruptores elementares T3'u e T4I.

[00103] A figura 6.6 ilustra um cronograma da corrente IN11 que circula do nó N11 para os diodos D9 e D10. O nó N11 é comum aos condensadores C9, C10 e aos diodos D9 e D10.

[00104] A figura 6.7 ilustra um cronograma da corrente IN12 que circula do no N12 para o interruptor elementar Τ3Ί. O nó N12 é comum à indutância Laux21 e ao interruptor elementar Τ3Ί.

[00105] A figura 6.8 ilustra um cronograma da corrente de saída Is do braço de conversor ilustrado na figura 4A. Os cronogramas das figuras 6.3 a 6.7 representam partes da corrente Is ilustrada na figura 6.8.

[00106] A figura 6.02 representa um cronograma da portadora Car4, utilizada com a tensão de senha Vref da figura 6.00 para determinar os instantes de comutação dos interruptores elementares T6u e T5u da célula de tipo NPC Ce21 do segundo estágio elementar E12 do conversor. É um sinal em intervalos em fase com a tensão de senha Vref e cuja amplitude é 2Vref/3. Superpôs-se sobre esse cronograma, em muito, a tensão de senha Vref.

[00107] A figura 7.1 representa um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar T5u da célula de tipo NPC Ce21 do segundo estágio elementar E12 do conversor. É um sinal em intervalos, cujo período é igual àquele do sinal de senha Vref. O interruptor elementar T5u é bloqueado apenas uma única vez, durante esse período, quando a amplitude da tensão de senha Vref é inferior ao patamar negativo da portadora Car4.

[00108] A figura 7.2 representa um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar T6u da célula de tipo NPC Ce21 do segundo estágio elementar E12 do conversor. É um sinal em intervalos, cujo período é igual àquele do sinal de senha Vref. O interruptor elementar T6u passando apenas uma única vez durante esse período, quando a amplitude da tensão de senha Vref é superior ao patamar positivo da portadora Car4.

[00109] Os interruptores elementares T6u e T5u representam interruptores elementares em posição mediana e extrema diretamente conectados, eles podem ter o mesmo estado conforme o mostra a tabela precedente. Isto se verifica duas vezes durante um período.

[00110] A figura 7.3 ilustra um cronograma da corrente IE+ que circula do borne E+, devendo ser conectado à fonte de tensão VDC, para o interruptor elementar T6u.

[00111] A figura 7.4 ilustra um cronograma da corrente IN1 que circula do nó N1 para os diodos D1 e D2. O nó N1 é comum aos condensadores C1, C2 e aos diodos D1 e D2.

[00112] A figura 7.5 ilustra um cronograma da corrente IN2 que circula do nó N2 para o interruptor elementar T5'u. O nó N2 é comum aos condensadores C2, C3 e ao interruptor elementar T5'u.

[00113] A figura 7.6 ilustra um cronograma da corrente IN4 que circula do nó N4 para o interruptor elementar T6I. O nó N4 é comum aos condensadores C4, C5 e ao interruptor elementar T6I.

[00114] A figura 7.7 ilustra um cronograma da corrente IN5 que circula do nó N5 para os diodos D5 e D6. O nó N5 é comum aos condensadores C5, C6 e aos diodos D5 e D6.

[00115] A figura 7.8 ilustra um cronograma da corrente IE- que circula do borne E-, devendo ser conectada à fonte de tensão VDC, para o interruptor elementar Τ5Ί.

[00116] A figura 7.9 ilustra um cronograma da corrente de saída IS do braço de conversor ilustrado na figura 4A.

[00117] A figura 6.03 representa um cronograma da portadora Car1 utilizada com a tensão de senha Vref para determinar os instantes de comutação do interruptor elementar T1 da célula de tipo com condensador flutuante Ce10 do segundo estágio E2 do conversor. É um sinal triangular de amplitude compreendida entre +1 e -1. A tensão de senha Vref é superposta à portadora Car1.

[00118] Afigura 6.04 representa um cronograma da portadora Car2 utilizada com a tensão de senha Vref para determinar os instantes de comutação do interruptor elementar T2 da célula de tipo com condensador flutuante Ce10 do segundo estágio E2 do conversor. É um sinal triangular de amplitude compreendida entre +1 e -1 de mesma frequência, mas em oposição de fase em relação à portadora Car 1 da figura 6.03. A tensão de senha Vref é superposta à portadora Car2.

[00119] A figura 8.1 ilustra um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar T1 da célula Ce10 de tipo com condensador flutuante do segundo estágio Et2. Esse interruptor elementar T1 é passante, quando a tensão de senha Vref é superior a Car1.

[00120] A figura 8.2 ilustra um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar T2 da célula Ce10 de tipo com condensador flutuante do segundo estágio Et2. Esse interruptor elementar T2 é passante, quando a tensão de senha Vref é superior a Car2.

[00121] Esses dois sinais de comando são sinais em intervalos à frequência das portadoras Car1 e Car2. Essa frequência é bem mais elevada do que aquela dos sinais de comando dos interruptores elementares T4u, T3u, T6u, T5u do primeiro estágio ilustrados nas figuras 6.1,6.2, 7.1,7.2 que está à frequência da corrente de saída Is.

[00122] A figura 8.3 ilustra um cronograma da corrente IT1 que circula a partir do interruptor elementar T2 para o interruptor elementar T1.

[00123] A figura 8.3 ilustra um cronograma da corrente ICf que circula a partir do interruptor elementar T2 para o condensador Cf.

[00124] A figura 8.5 ilustra um cronograma da corrente de saída Is do braço do conversor ilustrado na figura 4A. Esses três últimos cronogramas devem ser comparados com os cronogramas das figuras 8.6 e 8.7 que são cronogramas dos comandos do interruptor elementar T1 e do interruptor elementar T2. Os cronogramas das figuras 8.3 a 8.7 têm a mesma base de tempo. As bases de tempo dos cronogramas das figuras 6.03, 6.04 8.1, 8.2 foram dilatadas para tornar mais visíveis os instantes de comutação dos interruptores elementares.

[00125] A figura 9.1 ilustra um cronograma da tensão nos bornes da carga 10 conectada na saída do braço de conversor ilustrado na figura 4A, a saída fazendo-se no nó S comum aos interruptores elementares T1 e T1' da célula Ce10.

[00126] A figura 9.2 ilustra um cronograma da corrente de saída Is que circula na carga 10 conectada na saída do braço de conversor ilustrado na figura 4A.

[00127] Pode-se observar que a tensão ilustrada na figura 9.1 é centrada sobre OV, e sua amplitude vai de -3000V a +3000V. Os sete níveis de tensão são bem visíveis. A tensão varia por patamares de 1000V. Os valores mencionados na tabela precedente são todas positivas, há uma defasagem de VDC/2 entre essas grandezas. Para a simulação a partir da qual os cronogramas são oriundos, a resistência da carga 10 vale 10 ohms, indutância vale 300 mH, o que leva a uma corrente máxima de 30A para um valor eficaz de 20A.

[00128] Com referência à figura 10, representou-se um variador de velocidade que comporta em cascata um conversor 1, objeto da invenção que funciona como corretor CA/CC e um conversor 2, objeto da invenção que funciona como ondulador CC/CA, colocando-se a fonte de tensão CC de dois lados 3, como um dispositivo de armazenamento de energia. O corretor 1 é destinado a ser conectado na entrada a uma rede de alimentação elétrica alternada Re assimilável a uma fonte de corrente. O ondulador 2 é destinado a ser conectado na saída a um dispositivo usuário assimilável a uma fonte de corrente, tal como um motor de corrente alternada Μ. A figura 10 ilustra um exemplo no qual os dois conversores 1 e 2 são trifásicos. Eles comportariam, cada um, três braços, tais como aqueles representados nas figuras 4A, 4B.

[00129] O conversor multiníveis objeto da invenção é bem mais compacto e leve que os conversores da técnica anterior com transformador. É muito mais fácil de instalar e de transportar. Ele pode ser utilizado com ou sem transformador de isolamento. Sua ligação direta à rede alternada é possível em funcionamento corretor CA/CC. Ele permite minimizar a poluição harmônica da rede elétrica e a correção do fator de potência associando-o a um corretor ativo regenerativo. O conversor objeto da invenção é compatível com a rede alternada até 13,8 kV, quer ele funcione com ondulador ou corretor.

Dessa forma, não é obrigatório utilizar um transformador de adaptação de nível de tensão, solução classicamente utilizada.

[00130] O conversor CC/CA, objeto da invenção pode ser utilizado para alimentar parques de motores assíncronos ou síncronos quer sejam novos ou existentes.

[00131] O conversor, objeto da invenção, tem uma estrutura modular, graças ao emprego das células de tipo NPC e com condensador flutuante e células capacitivas. Resulta daí que as despesas de manutenção são reduzidas e que a confiabilidade é boa.

[00132] A forma de onda de alimentação da carga é de boa qualidade e as oscilações de tensão de lado de fonte de corrente são limitadas e só são ligadas aos cabos de ligações.

[00133] A barra contínua pode servir para alimentar vários conversores objeto da invenção.

[00134] Uma outra vantagem do conversor, objeto da invenção, é que ele não tem um limite de funcionamento baixa frequência, como é o caso para os conversores de topologia MMC (Modular Multi-level Converter ou conversor multinível modular) utilizado em transmissões nas redes de energia alta tensão.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Conversor multiníveis caracterizado pelo fato de comportar um ou vários braços (B), configurados para serem conectados, cada um entre uma fonte de tensão (VDC) e uma fonte de corrente (I), no qual o ou cada braço compreende dois estágios (E1, E2) conectados em cascata com um primeiro estágio (Et1) destinado a ser conectado à fonte de tensão (VDC), um segundo estágio (Et2) destinado a ser conectado à fonte de corrente (I), no qual o primeiro estágio (Et1) comporta n estágios elementares (E11E1n) de fileira um a n (n superior a um) conectados em cascata, o estágio elementar (E11) de fileira um sendo conectado ao segundo estágio (Et2) e o estágio elementar (E1n) de fileira n sendo destinado a ser conectado à fonte de tensão (VDC), caracterizado pelo fato de cada estágio elementar (E11, E1 n) comportar um par de células de tipo NPC (Ce11, Ce12; Cen1, Cen2) idênticas conectadas em série, a conexão sendo direta no estágio elementar (E1) de fileira 1, a conexão fazendo-se via n-1 células capacitivas (Can(1), Can(n-1)) para cada estágio elementar de fileira n (n superior a um), o segundo estágio (Et2) comportando uma célula de tipo com condensador flutuante (Ce10).

2. Conversor multiníveis, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma célula capacitiva (Ca2(1)) comportar dois dispositivos de estocagem de energia (C3, C4) dispostos em série, esses dispositivos de estocagem de energia tendo uma capacidade de estocagem de energia.

3. Conversor multiníveis, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de, em um estágio elementar, as células de tipo NPC (Ce21, Ce22) comportarem uma ponte capacitiva com dois dispositivos de estocagem de energia (C1, C2: C5, C6) tendo uma mesma capacidade de estocagem de energia, e pelo fato de cada dispositivo de estocagem de energia de uma célula capacitiva desse estágio elementar ter uma mesma capacidade de estocagem de energia que um dos dispositivos de estocagem de energia de uma célula de tipo NPC.

4. Conversor multiníveis, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de todos os dispositivos de estocagem de energia (C1-C10) do primeiro estágio (Et1) terem uma mesma capacidade de estocagem de energia.

5. Conversor multiníveis, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de pelo menos uma das células de tipo NPC (Ce1) de um estágio elementar (E12) ser conectada a uma célula de tipo NPC (Ce11) de um estágio elementar vizinho (E11) via uma indutância (Lauxl 1).

6. Conversor multiníveis, de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de uma célula de tipo NPC comportar um quádruplo de interruptores elementares (K11, K12, K21, K22) dispostos em série dentre os quais dois estão em posição extrema e dois estão em posição mediana, no qual um interruptor elementar (K11, K12) em posição extrema e um interruptor elementar (K21, K12) em posição mediana que não são ligados diretamente estão sempre em estados complementares, um sendo passante e o outro estando bloqueado, esses dois interruptores elementares (K11, K21; K12, K22) formando uma célula de comutação elementar.

7. Conversor multiníveis, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de cada célula de tipo NPC (Ce21, Ce22) possuir uma função de conversão que liga a tensão aplicada na entrada dessa célula à tensão presente na saída dessa célula e as duas células de comutação elementares dessa célula possuírem também uma função de conversão.

8. Conversor multiníveis, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de as células de tipo NPC (Ce21, Ce22) de um mesmo estágio elementar (E11) terem uma mesma função de conversão.

9. Conversor multiníveis, de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de uma célula de comutação de tipo com condensador flutuante comportar um quádruplo de interruptores elementares (K110, K120, K210, K220) dispostos em série dentre os quais dois estão em posição extrema e dois estão em posição mediana, e os dois interruptores elementares (K110, K220) em posição extrema estarem sempre em estados complementares e os dois interruptores elementares (K120, K210) em posição mediana estarem sempre em estados complementares, um sendo passante e o outro sendo bloqueado.

10. Conversor multiníveis, de acordo com uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de, nas duas células de tipo NPC (Ce21, Ce22) de um mesmo estágio elementar, os interruptores elementares (T6u, T6I) homólogos serem comandados de maneira idêntica.

11. Conversor multiníveis, de acordo com uma das reivindicações 6 a 10, caracterizado pelo fato de os interruptores elementares (K11, K12) comportarem, cada um, um comutador eletrônico de potência comandável (T11, T12) associado com um diodo (D11, D12) conectado em antiparalelo.

12. Conversor multiníveis, de acordo com uma das reivindicações 2 a 11, caracterizado pelo fato de os dispositivos de estocagem de energia (C1-C10, Cf) serem escolhidos dentre um condensador, uma batería, uma pilha a combustível.

13. Variador de velocidade, caracterizado pelo fato de comportar uma cascata com um conversor (1), como definido em uma das reivindicações precedentes, que funciona como corretor CA/CC e um conversor (2), como definido em uma das reivindicações precedentes, que funciona como ondulador CC/CA, ligados entre eles por seus lados contínuos por intermédio de uma fonte de tensão (3).