BR102015010508A2

BR102015010508A2 - conversor de potência multiníveis

Info

Publication number: BR102015010508A2
Application number: BR102015010508A
Authority: BR
Inventors: Jean-Paul Lavieville
Original assignee: Schneider Toshiba Inverter
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2015-12-08
Also published as: EP2945272B1; CN105099244A; EP2945272A1; US9571004B2; CN105099244B; RU2015117057A3; FR3021173A1; AU2015202564A1; RU2015117057A; FR3021173B1; BR102015010508B1; ES2735723T3; RU2663822C2; US20150333658A1; AU2015202564B2

Abstract

conversor de potência multiníveis. trata-se de um conversor multiníveis que compreende pelo menos um braço (b) formado por n estágios (et1, et2,...., etn) montados em cascata. o primeiro estágio (et1) compreende uma única estrutura de comutação (ce10) de quatro níveis de tensão e um iésimo estágio (i compreendido entre dois e n) compreende i estruturas de comutação (cei1, cei2, ...ceii) de quatro níveis de tensão, idênticas montadas em série. cada estrutura de comutação de quatro níveis de tensão compreende uma célula de tipo com condensador flutuante (t1, t1', t2, t2', c12), duas células de comutação de base (t3u, t3'u; t3l, t3'l) e uma ponte divisora capacitiva (c9, c10, c11), as células de comutação de base sendo conectadas entre a ponte divisora de tensão e a célula de tipo com condensador flutuante.

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 especialmente destinados a funcionar no domínio da média tensão.

ESTADO DA TÉCNICA ANTERIOR

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

[003] Técnicas baseadas no entrelaçamento dos comandos dos interruptores associadas à utilização de transformadores se desenvolveram, elas permitem gerir a distribuição das tensões e reconstituir as formas de ondas. Mas os transformadores têm um custo que não pode ser desprezado e eles impedem a realização de conversores compactos.

[004] Outra solução apareceu, trata-se das células de tipo NPC (para neutral point clamped ou pinçamento pelo neutro) com 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 ponto comum entre os dois interruptores do segundo par. É encontrada além disso, uma série de dois condensado res conectada nos terminais do conjunto formado pelos pares de interruptores com semicondutores. O ponto comum entre os dois dio- dos em série é ligado ao ponto comum entre os dois condensadores da série.

[005] Esse tipo de célula leva a uma forma de onda satisfatória e a uma redução das limitações de tensão nos interruptores com semicondutores. Em contrapartida, podem se produzir desequilíbrios da tensão nos terminais dos condensadores.

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

[007] Para aumentar ainda mais o nível de tensão aceitável, foi proposto colocar mais interruptores em série e acrescentar condensadores, o que leva à topologia denominada ANPC de 5 níveis de tensão. As células de tipo ANPC 5 níveis de tensão são atualmente limitadas a níveis de tensão da ordem de 6,9 kV, o que não é obrigatoriamente suficiente.

[008] São conhecidos também conversores multiníveis modulares (MMC para modular multilevel converter) nos quais cada braço a montar nos terminais de uma fonte de tensão contínua compreende dois conjuntos em série, que têm um terminal comum para ligar a uma fonte de corrente alternada. Cada conjunto compreende vários módulos, cada um deles formado por pelo menos dois interruptores elementares em série e por um condensador conectado em paralelo com eles. Uma conexão é realizada entre o ponto comum aos dois interruptores elementares de um módulo e uma extremidade da série de interruptores de um módulo próximo. Em função do estado passante ou bloqueado dos interruptores elementares de um módulo, o condensador está cur-to-circuitado ou no circuito. Os condensadores têm o mesmo valor e uma tensão de ruptura idêntica igual à relação entre a tensão contínua aplicada a um braço dividida pelo número de módulos do braço. O valor dos condensadores depende da frequência do sinal de saída no lado alternado no caso de um funcionamento em ondulador ou do sinal de entrada no caso de um funcionamento em retificador. A tensão de ruptura dos mesmos é limitada, o que permite limitar as sobretensões geradas por suas indutâncias parasitas. No caso de um variador de velocidade, a frequência de alimentação de um motor varia de zero ao valor de referência, o que faz com que não seja possível ter um con-densador de valor razoável.

[009] Foi também proposto realizar células de tipo com conden-sador flutuante, conhecidas também sob a denominação de células elementares imbricadas. Tal célula de tipo com condensador flutuante permite ligar uma fonte de tensão a uma fonte de corrente associando para isso um número qualquer de células elementares em série. Cada célula elementar compreende dois interruptores com semicondutor em série e um condensador liga entre si duas células elementares próximas na maneira de uma escada. Essa solução apresenta, no entanto, inconvenientes ligados à presença do condensador flutuante entre duas células elementares. Quanto mais aumenta o número de células elementares, mais aumenta o custo suplementar ligado aos conden-sadores e maior é a quantidade de energia estocada nesses conden-sadores. Os condensadores têm o mesmo valor, mas tensões de ruptura diferentes, a tensão de ruptura aumenta com a posição da célula elementar, ela vale kE/n k sendo a posição da célula elementar, n sendo o número total de células elementares e E a tensão aplicada na entrada da célula elementar de posição um. O valor dos condensadores está essencialmente ligado à frequência de comutação. Quanto mais elevada for a tensão de ruptura dos condensadores, maior é o tamanho dos mesmos. O mesmo acontece para a indutância parasita que eles possuem. Essas indutâncias parasitas estão na origem de sobretensões de comutação, sobretensões maiores vão, portanto, aparecer nas células elementares de posição elevada.

[0010] Nos artigos [1], [2] dos quais as referências se encontram no final da descrição, foi proposta uma célula de três interruptores com semicondutores em série que permite obter 4 níveis de tensão que incluem uma célula de tipo com condensador flutuante. Ela é, no entanto, limitada atualmente, com os interruptores com semicondutores existentes, a níveis de tensão da ordem de 6,6 kV o que não é suficiente em certas aplicações, esse nível só correspondendo a uma fração da faixa útil de média tensão. O número de níveis de tensão age sobre a ruptura no tempo dos isolantes de um motor que será alimentado pela célula. Quanto menor for o número dos níveis de tensão, mais reduzida é a duração de vida dos isolantes. Eles são submetidos a patamares de tensão de grande amplitude.

EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO

[0011] A presente invenção tem como objetivo propor um conversor multiníveis que pode trabalhar a níveis de tensão superiores àqueles da técnica anterior, sem ter necessidade de recorrer aos transformadores, nem de multiplicar o número de interruptores com semicondutores colocados em série.

[0012] Outro objetivo da invenção é propor um conversor multiníveis que é menos caro e mais confiável do que os conversores multiníveis da arte anterior, para um nível de tensão dado.

[0013] Ainda outro objetivo da invenção é propor um conversor multiníveis que utiliza lotes de condensadores padrões de tensão de ruptura limitada.

[0014] Um objetivo suplementar da invenção é propor um conversor multiníveis que limita o aparecimento de indutâncias parasitas e a influência das mesmas.

[0015] Para conseguir isso, a presente invenção propõe realizar um conversor multiníveis que compreende pelo menos um braço formado por vários estágios de posição um a n (n inteiro e superior a um) montados em cascata, o estágio de posição 1 sendo destinado a ser conectado a uma fonte de corrente e o estágio de posição n sendo destinado a ser conectado a uma fonte de tensão. O estágio de posição um compreende uma única estrutura de comutação de quatro níveis de tensão. Um estágio de posição i (i compreendido entre dois e n) compreende i estruturas de comutação de quatro níveis de tensão idênticas montadas em série. Cada uma dessas estruturas de comutação compreende uma célula de tipo com condensador flutuante de três níveis de tensão que compreende um quadrupleto de interruptores elementares em série que possuem um nó médio, duas células de base formadas cada uma delas por um par de interruptores elementares em série que apresentam dois terminais extremos e um ponto médio e uma ponte divisora capacitiva que tem duas extremidades que compreende um tripleto de dispositivos de estocagem de energia montados em série entre os quais dois dispositivos de estocagem de energia estão na posição extrema. Cada dispositivo de estocagem de energia na posição extrema é conectado aos terminais extremos de uma célula de comutação de base diferente, um ponto médio de cada célula de comutação de base é conectado a uma extremidade diferente do quadrupleto de interruptores elementares. O nó médio de cada célula de tipo com condensador flutuante do estágio de posição i é conectado a uma extremidade da ponte divisora capacitiva de uma estrutura de comutação de quatro níveis de tensão do estágio de posição i-1.

[0016] O conversor assim definido permite atingir um nível de tensão da ordem de 13,8 kV com interruptores de tensão de ruptura limitada (6,5 kV) disponíveis atualmente, limitando-se para isso o número de estágios a dois e portanto utilizando-se somente seis interruptores elementares em série.

[0017] Para equilibrar em tensão as estruturas de comutação de quatro níveis de tensão, os dispositivos de estocagem de energia de uma mesma ponte divisora capacitiva têm uma mesma capacidade de estocagem de energia e uma mesma tensão de ruptura.

[0018] Para respeitar as regras de conexão entre fonte de tensão e fonte de corrente, o nó médio de pelo menos uma célula de tipo com condensador flutuante do estágio de posição i é conectado a uma extremidade da ponte divisora capacitiva do estágio de posição i-1 via uma indutância.

[0019] Quando várias indutâncias ligam o estágio de posição i ao estágio de posição i-1, essas indutâncias têm um mesmo valor.

[0020] Os dois pares de interruptores elementares das duas células de comutação de base de um mesmo estágio possuem uma mesma função de comutação.

[0021] Em funcionamento, os interruptores elementares de um mesmo par estão sempre em estados complementares com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

[0022] No quadrupleto de interruptores elementares de uma célula de tipo com condensador flutuante, dois estão na posição extrema e dois estão na posição mediana, os dois interruptores elementares na posição extrema estão sempre em estados complementares e os dois interruptores elementares na posição mediana estão sempre em estados complementares, um sendo passante e o outro estando bloqueado.

[0023] Os interruptores elementares compreendem cada um deles um comutador eletrônico de potência que pode ser comandado associado com um diodo conectado em antiparalelo.

[0024] Os dispositivos de estocagem de energia são escolhidos entre um condensador, uma bateria, uma pilha de combustível.

[0025] A presente invenção também se refere a um variador de velocidade que compreende uma cascata com um conversor assim caracterizado que funciona em retificador CA/CC e um conversor as- sim caracterizado que funciona em ondulador CC/CA, ligados entre si por seus lados contínuos por intermédio de uma fonte de tensão. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0026] A presente invenção será melhor compreendida com a leitura da descrição de exemplos de realização dados a título puramente indicativo e de nenhuma forma limitativo fazendo-se referência aos desenhos anexos nos quais: [0027] - a figura 1A ilustra, de maneira bastante esquemática, um braço de conversor multiníveis objeto da invenção com n estágios montados em cascata, a figura 1B é um conversor multiníveis monofá-sico que compreende dois braços similares àquele da figura 1 A;

[0028] - a figura 2 mostra uma das estruturas de comutação de 4 níveis de tensão do conversor multiníveis objeto da invenção;

[0029] - a figura 3A mostra um braço de um conversor objeto da invenção de dois estágios em um funcionamento de ondulador e a figura 3B mostra um braço de um conversor objeto da invenção de dois estágios em um funcionamento de retificador;

[0030] As figuras 4.1 a 4.13 ilustram cronogramas do sinal de referência Vref (Fig. 4.1), das portadoras utilizadas com a tensão de referência Vref para o comando dos interruptores elementares da estrutura de comutação de 4 níveis de tensões da figura 2: K1, K1' (Fig. 4.2), K2, K2' (Fig. 4.3), K3u, K3'u, K3I, Κ3Ί (Fig. 4.4), dos sinais de comando dos interruptores elementares da estrutura de comutação de 4 níveis de tensões da figura 2: K1 (Fig. 4.5), K1' (Fig. 4.6), K2 (Fig. 4.7), K2' (Fig. 4.8), K3u (Fig. 4.9), K3’u (Fig. 4.10), K3I (Fig. 4.11), Κ3Ί (Fig. 4.12), da tensão de saída Vs da estrutura de comutação de 4 níveis de tensão (Fig. 4.13), em um funcionamento de conversão CC/CA;

[0031] - as figuras 5.1 a 5.14 ilustram cronogramas do sinal de referência Vref (Fig. 5.1), das portadoras utilizadas com a tensão de referência Vref para o comando dos interruptores elementares do braço do conversor multiníveis da figura 3A: T1, TT (Fig. 5.2), Τ2, Τ2' (Fig. 5.3), T3u, Τ3'υ, Τ3Ι, Τ3Ί (Fig. 5.4), T4u, T4'u, T4I, Τ4Ί (Fig. 5.5), T5u, T5'u, T5I, Τ5Ί (Fig. 5.6), T6u, T6'u, T6I, Τ6Ί, T7u, T7’u, T7I, Τ7Ί (Fig. 5.7), das funções de comutação utilizadas para o comando dos interruptores elementares do braço do conversor multiníveis da figura 3A: F10 (Fig. 5.8), F20 (Fig. 5.9), F30 (Fig. 5.10), F40 (Fig. 5.11), F50 (Fig. 5.12), F60 (Fig. 5.13), da tensão de saída Vs do braço do conversor multiníveis da figura 3A (Fig. 5.14) em um funcionamento de conversão CC/CA;

[0032] - a figura 6 ilustra um exemplo de variador de velocidade que associa dois conversores multiníveis objeto da invenção, um que funciona como retificador e o outro como ondulador.

EXPOSIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES ESPECIAIS

[0033] É feita referência 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 cerca de 13,8 kV enquanto que a tensão de ruptura dos interruptores com semicondutores existentes atualmente é limitada a 6.45 kV.

[0034] O mesmo será descrito em um primeiro tempo em um exemplo de um braço de conversor CC/CA.

[0035] O conversor multiníveis objeto da invenção, como aquele ilustrado na figura 1B, compreende um ou vários braços B similares àquele representado na figura 1 A. Eles são destinados a ser ligados, cada um deles entre duas mesmas fontes de alimentação elétrica, entre 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.

[0036] 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 nesse caso funcionar como conversor CC/CA (ondulador) ou então como conversor CA/CC (retificador). No caso de um conversor CC/CA, a fonte de corrente é alternada e pode ser por exemplo, um motor elétrico por exemplo, e a fonte de tensão é contínua e pode ser por exemplo um barramento de corrente contínua ligado na saída de um retificador, [0037] 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 bateria.

[0038] O braço B de conversor compreende n estágios Et1, Et2, __________Eti, ....Etn conectados juntos em cascata, n é um número inteiro superior ou igual a dois. O primeiro estágio Et1 ou estágio de saída, na aplicação ondulador, é destinado a ser ligado à fonte de corrente I. A mesma é representada formada por uma resistência R e por uma indu-tância L em série na figura 3A.

[0039] O estágio de posição n Etn ou estágio de entrada, na aplicação ondulador, é destinado a ser ligado à fonte de tensão VDC.

[0040] Em uma configuração de conversor CA/CC, o primeiro estágio Et1 ou estágio de entrada seria ligado a uma fonte de corrente e o estágio de posição n Etn ou estágio de entrada seria ligado a uma fonte de tensão. A entrada e a saída do conversor são invertidas quando se passa do funcionamento como ondulador para o funcionamento como retificador e vice-versa.

[0041] A descrição que se segue se baseia na figura 1A e no funcionamento como conversor CC/CA.

[0042] O estágio de posição Et1 compreende uma única estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce10.

[0043] Um estágio de posição i (i inteiro compreendido entre 2 e n) Eti compreende i estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Cei1, Cei2...Ceii, idênticas conectadas em série. Cada uma das i es- truturas de comutação de quatro níveis de tensão Cei1, Cei2...Ceii do estágio de posição i Eti é ligado por intermédio de uma indutância Lauxil, Lauxi2, Lauxii ao estágio de posição i-1. O estágio de posição i-1 não é representado. Assim na figura 1 A, o estágio de posição 2, Et2 compreende estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce21, Ce22 que são ligadas via duas indutâncias Laux21, Laux22 ao estágio de posição 1 Et1.

[0044] O estágio de posição n Etn compreende n estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Cen1, Cen2, ....Cen(n-1), Cenn que são ligadas via n indutâncias Lauxnl, Lauxn2, ....Lauxn(n-I), ....Lauxnn ao estágio de posição (n-1). O estágio de posição i-1 não é representado. 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. As indutâncias que ligam dois mesmos estágios são de mesmo valor. Em contrapartida, indutâncias que não ligam dois mesmos estágios não têm obrigatoriamente os mesmos valores, mas com uma preocupação de simplificação, elas podem ser escolhidas de mesmo valor.

[0045] É possível que a ligação de uma estrutura de comutação de um estágio de posição qualquer ao estágio que o precede, seja feita diretamente sem a presença de uma indutância. Basta que subsista uma ou várias indutâncias entre esse estágio de posição qualquer e o estágio que o precede. Ou as indutâncias que subsistem terão nesse caso um valor aumentado em relação àquele que elas teriam se todas as indutâncias estivessem presentes entre os dois estágios. Faz-se de modo com que o valor total das indutâncias que ligam dois estágios sucessivos seja o mesmo qualquer que seja o número de indutâncias. Foi representada para ilustrar esse princípio, na figura 1 A, a indutância Laux22 em pontilhados, o que significa que ela pode ser omitida.

[0046] É percebido que a tensão VDC aplicada ao estágio de posi- ção n Etn foi cindida em n tensões iguais associadas em série. Elas são as tensões de entrada das estruturas de comutação de quatro níveis de tensão do estágio de posição n. Essas tensões são referenciadas En1, En2, En(n-1), Enn.

[0047] Cada estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce10 a Cenn compreende, como será visto mais adiante, fazendo-se referência à descrição da figura 3A, uma ponte divisora capacitiva que materializa uma fonte de tensão. Essas pontes divisoras capacitivas são referenciadas Ca10, para a estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce10.

[0048] Em variante, é possível que a fonte de tensão VDC seja formada por n fontes de tensão elementares cada uma delas ligada a uma da n estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Cen1, ...Cenn do estágio n Etn, nos terminais de cada uma das pontes divisoras capacitivas. As tensões En1, En2, En(n-1), En são as tensões nos terminais das pontes divisoras capacitivas do estágio de posição n.

[0049] As saídas das estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Cen1 a Cenn são consideradas como fontes de tensão flutuantes. Elas são conectadas via as indutâncias às pontes divisoras capacitivas das estruturas de comutação de quatro níveis de tensões do estágio de posição n-1. Essas estruturas de comutação de quatro níveis de tensão do estágio de posição n-1 são consideradas também como fontes de tensão flutuantes. As indutâncias entre o estágio de posição n e o estágio de posição n-1 são assimiláveis a fontes de corrente para respeitar uma alternância fonte de tensão - fonte de corrente.

[0050] Escolhe-se os componentes do enésimo estágio Etn de maneira que a tensão de entrada VDC seja cindida em n tensões de entrada iguais aplicadas a cada uma das n estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Cen1 a Cenn. Aplica-se assim VDC/n em cada uma das estruturas de comutação de quatro níveis de tensão do enésimo estágio Etn.

[0051] É possível definir uma função de conversão f associada a cada estrutura de comutação de quatro níveis de tensão, ela liga a tensão de entrada Ve aplicada à dita estrutura de comutação de quatro níveis de tensão à tensão Vs presente na saída da mesma dita estrutura de comutação. Vs = f*Ve com -1 < f < 1.

[0052] Em cada estágio, configuram-se e comandam-se as estruturas de comutação de quatro níveis de tensão de maneira que suas funções de conversão associadas sejam iguais. Desse modo, as tensões aplicadas na entrada de cada uma das estruturas de comutação de quatro níveis de tensão são iguais a VDC/n. Todas as estruturas de comutação de quatro níveis de tensão do conversor devem suportar essa tensão VDC/n. Isso responde ao objetivo inicial de redução das limitações de tensão nos interruptores com semicondutores para uma tensão contínua dada aplicada ao estágio de posição n.

[0053] Agora vai ser descrita, fazendo-se referência à figura 2, uma estrutura de comutação de quatro níveis de tensão do conversor multiníveis objeto da invenção. Essa estrutura de comutação de quatro níveis de tensão compreende uma célula de tipo com condensador flutuante 20 de três níveis de tensão, uma primeira e uma segunda célula de comutação de base 21 e 22 e uma ponte divisora capacitiva 23.

[0054] A célula de tipo com condensador flutuante 20 compreende um quadrupleto de interruptores elementares montados em série denominados K1, K2, KT, K2'. Nesse quadrupleto, um primeiro interruptor elementar K2 e um segundo interruptor elementar K2' estão na posição extrema e um primeiro interruptor elementar K1 e um segundo interruptor elementar K1' estão na posição mediana, os dois interruptores elementares K1, K1' na posição mediana são direta mente ligados um com o outro em um nó médio M. No quadrupleto, um interruptor elementar na posição extrema é diretamente ligado a um interruptor elementar na posição mediana. Essa ligação permite definir um primeiro ponto médio M1 entre o primeiro interruptor elementar K2 na posição extrema e o primeiro interruptor elementar K1 na posição mediana e um segundo ponto médio M1* entre o segundo interruptor elementar K2' na posição extrema e o segundo interruptor elementar KT na posição mediana. As extremidades do quadrupleto de interruptores K1, K2, KT, K2' em série são denominadas M2 e M2', a extremidade M2 estando no lado do interruptor elementar K2 e a extremidade M2' estando no lado do interruptor elementar K2'.

[0055] Um dispositivo de estocagem de energia C é conectado entre o primeiro ponto médio M1 e o segundo ponto médio M1'.

[0056] São definidas duas funções de comutação na célula de tipo com condensador flutuante 20. A primeira função de comutação F1 é utilizada para o comando de um primeiro par de interruptores que compreende o primeiro interruptor elementar K1 na posição mediana e o segundo interruptor elementar na posição mediana K1'. A segunda função de comutação F2 é utilizada para o comando de um segundo par de interruptores que compreende o primeiro interruptor elementar K2 na posição extrema e o segundo interruptor elementar K2' na posição extrema. Os dois interruptores elementares de um mesmo par estão sempre em estados complementares, passante ou bloqueado, com exceção de uma diferença do valor de tempo morto. Esse tempo morto será explicado ulteriormente em relação com as figuras 5.

[0057] Os interruptores elementares K1, K2, KT, K2' da célula de tipo com condensador flutuante 20 são interruptores com semicondutor e compreendem cada um deles um comutador eletrônico de potência que pode ser comandado Tr1, Tr2, Tr1', Tr2', tal como um transistor de potência IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), por exemplo, asso- ciado com um diodo D1, D2, D1\ D2' conectado em antiparalelo. No lugar dos transistores IGBT, outros comutadores eletrônicos de potência tais como transistores MOSFET ou outros podem ser considerados.

[0058] A função de comutação F1 vale 1 quando o interruptor elementar K1 é passante e o interruptor elementar K1' está bloqueado e vale 0 quando o interruptor elementar K1 está bloqueado e o interruptor elementar K1' é passante.

[0059] A função de comutação F2 vale 1 quando o interruptor elementar K2 é passante e o interruptor elementar K2’ está bloqueado e vale 0 quando o interruptor elementar K2 está bloqueado e o interruptor elementar K2' é passante.

[0060] Cada uma das células de comutação de base 21, 22 compreende um par de interruptores elementares montados em série. Eles são referenciados K3u, K3'u para a primeira célula de comutação de base 21 e K3I, Κ3Ί para a segunda célula de comutação de base 22. Em um par, os dois interruptores elementares têm um ponto médio. Para a célula de comutação de base 21, o ponto médio é conectado à extremidade M2 do quadrupleto da célula de tipo com condensador flutuante 20. Para a célula de comutação de base 22, o ponto médio é conectado à extremidade M2' do quadrupleto da célula de tipo com condensador flutuante 20.

[0061] Cada célula de comutação de base 21, 22 compreende também um primeiro e um segundo terminal extremo. O primeiro terminal extremo é denominado M3, o segundo terminal extremo é denominado M4 para a primeira célula de comutação de base 21. O primeiro terminal extremo é denominado M3', o segundo terminal extremo é denominado M4' para a segunda célula de comutação de base 22. Os dois primeiros terminais extremos M3 e M3' formam os dois terminais de entrada da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão, enquanto que o terminal M forma o terminal de saída em um funcionamento de conversão CC/CA.

[0062] Os interruptores elementares K3u, K3'u, K3I, Κ3Ί das células de comutação de base 21, 22 são também interruptores com semicondutor e compreendem cada um deles um comutador eletrônico de potência que pode ser comandado, tal como um transistor de potência IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), por exemplo, associado com um diodo conectado em antiparalelo. No lugar dos transistores IGBT, outros comutadores eletrônicos de potência tais como transistores MOSFET ou outros podem também ser considerados.

[0063] É definida uma terceira função de comutação F3 para comandar os interruptores elementares das células de comutação de base 21 e 22. O interruptor elementar K3u e o interruptor elementar K3I são comandados de maneira idêntica. Os dois interruptores elementares K3u, K3'u da célula de comutação de base 21 estão sempre em estados opostos. O mesmo acontece com os interruptores elementares K3I, Κ3Ί da célula de comutação de base 22.

[0064] A função de comutação F3 vale 1 quando os interruptores elementares K3u, K3I são passantes e os interruptores elementares K3'u, Κ3Ί estão bloqueados e vale 0 quando os interruptores elementares K3u, K3I estão bloqueados e os interruptores elementares K3'u, Κ3Ί são passantes.

[0065] A ponte divisora capacitiva 23 compreende um tripleto de dispositivos de estocagem de energia C100, C200 e C300 conectados em série. O primeiro dispositivo de estocagem de energia C100 é montado nos ter minais da primeira célula de comutação de base 21, entre seus terminais extremos M3, M4. O terceiro dispositivo de estocagem de energia C300 é montado nos terminais da segunda célula de comutação de base 22, entre seu primeiro e seu segundo terminais extremos M3', M4'. O segundo dispositivo de estocagem de energia C200 é montado entre a primeira célula de comutação de base 21 e a segunda célula de comutação de base 223, entre os segundos terminais extremos dessas células de comutação de base. A ponte divisora capacitiva 23 possui dois terminais extremos M3 e M3’ que são comuns respectivamente à primeira célula de comutação de base 21 e à segunda célula de comutação de base 22.

[0066] Os dispositivos de estocagem de energia dessa estrutura de comutação de quatro níveis de tensão são escolhidos entre um condensador, uma bateria, uma pilha de combustível. Os dispositivos de estocagem da ponte divisora capacitiva 23 têm a mesma capacidade de estocagem e uma mesma tensão de ruptura.

[0067] De acordo com os estados dos interruptores elementares da estrutura de comutação da figura 1, a estrutura de comutação de quatro níveis de tensão pode tomar oito estados diferentes que levam a quatro níveis de tensões diferentes: 0, Ve/3, Ve/2, Ve.

[0068] A tabela seguinte agrupa esses oito estados diferentes numerados de 1 a 8. A função de comutação f evocada mais acima depende das funções de comutação F1, F2 e F3.

[0069] Com o que precede, a tensão de entrada Ve que se aplica aos terminais da ponte divisora capacitiva 23 é subdividida em três tensões iguais E1, E2, E3 que se aplicam cada uma delas respectivamente aos terminais de um dos dispositivos de estocagem de energia C100, C200, C300. A tensão de saída Vs é expressa por;

Vs = (F1 + F2 + F3) Ve/3 [0070] A tensão Vs é tomada entre o nó M e o nó 3'.

[0071] Foi representado na figura 4.1 o aspecto do sinai de referência também chamado de tensão de referência Vref que vai servir notadamente para determinar os instantes de comutação de todos os interruptores elementares da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão ilustrada na figura 2. Essa tensão de referência Vref vai ser utilizada em várias comparações, como será visto ulteriormente. Ela é sinusoidal e a tensão de saída Vs, que é ilustrada na figura 4.13, está em fase com essa tensão de referência Vref.

[0072] Foi representado na figura 4.2 um cronograma da portadora Car1 utilizada com a tensão de referência Vref para realizar a função de comutação F1 e determinar os instantes de comutação dos interruptores elementares K1, ΚΓ da célula de tipo com condensador flutuante 20. Ela é uma portadora triangular cuja amplitude está compreendida entre -1 e +1.

[0073] Foi representado na figura 4.3 um cronograma da portadora Car2 utilizada com a tensão de referência Vref para realizar a função de comutação F2 e determinar os instantes de comutação dos interruptores elementares K2, K2' da célula de tipo com condensador flutuante 20. Ela é uma portadora triangular cuja amplitude está compreendida entre -1 e +1. As duas portadoras Car1 e Car2 são defasadas de um meio período de comutação. A frequência de comutação é bem maior do que a frequência de tensão de saída Vs ilustrada na figura 2.

[0074] Foi representado na figura 4.4 um cronograma da portadora Car3 utilizada com a tensão de referência Vref para realizar a função de comutação F3 e determinar os instantes de comutação dos interruptores elementares K3u, K3'u, K3I, Κ3Ί das células de comutação de base 21, 22. Este é um sinal constante de amplitude 0,6.

[0075] Os instantes de comutação dos interruptores elementares são obtidos por comparação entre as portadoras triangulares e constantes e o sinal de referência Vref. É possível definir como regra, por exemplo, que um instante de comutação de um interruptor elementar sobrevêm desde que o sinal de referência seja estritamente superior à portadora. Teria sido possível evidentemente fixar como regra que um instante de comutação de um interruptor elementar sobrevêm desde que o sinal de referência seja superior ou igual à portadora.

[0076] A figura 4.5 é um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar K1 da célula de tipo com condensador flutuante 20. Este é um sinal em ameia cujo período é igual àquele do sinal de referência Vref. O interruptor elementar K1 é passante enquanto a tensão de referência Vref for superior à portadora Car1.

[0077] A figura 4.6 é um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar ΚΓ da célula de tipo com condensador flutuante 20. Este é um sinal em ameia em oposição de fase em relação ao sinal de comando do interruptor elementar K1 com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

[0078] A figura 4.7 é um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar K2 da célula de tipo com condensador flutuante 20. Este é um sinal em ameia cujo período é igual àquele do sinal de referência Vref. O interruptor elementar K2 é passante enquanto a tensão de referência Vref for superior à portadora Car2.

[0079] A figura 4.8 é um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar K2' da célula de tipo com condensador flutuante 20. Este é um sinal em ameia em oposição de fase em relação ao sinal de comando do interruptor elementar K2 com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

[0080] A figura 4.9 é um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar K3u da célula de comutação de base 21. Este é um sinal em ameia cujo período é igual àquele do sinal de referência Vref. O interruptor elementar K3u é passante enquanto a tensão de referência Vref for superior à portadora Car3. O mesmo só é passante uma só vez por período do sinal de referência Vref.

[0081] A figura 4.10 é um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar K3’u da célula de comutação de base 21. Este é um sinal em ameia em oposição de fase em relação ao sinal de comando do interruptor elementar K3u com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

[0082] A figura 4.11 é um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar K3I da célula de comutação de base 222. Este é um sinal em ameia cujo período é igual àquele do sinal de referência Vref. O interruptor elementar K3I é passante enquanto a tensão de referência Vref for superior à portadora Car3. O mesmo só é passante uma só vez por período do sinal de referência Vref.

[0083] A figura 4.12 é um cronograma do sinal de comando do interruptor elementar Κ3Ί da célula de comutação de base 21. Este é um sinal em ameia em oposição de fase em relação ao sinal de comando do interruptor elementar K3I com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

[0084] Foi representado na figura 4.13 um cronograma da tensão de saída Vs da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão da figura 2 no qual os quatro níveis de tensão estão bem visíveis: 0 V, 2000 V, 4000 V, 6000 V.

[0085] Agora há um interesse em um exemplo de braço B de conversor objeto da invenção que só compreende dois estágios Et1 e Et2 e, portanto, três estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce10, Ce21, Ce22 como aquela descrita na figura 2.

[0086] Agora será descrito sucintamente esse braço fazendo-se referência à figura 3A. Esse braço é configurado para efetuar uma conversão CC/CA. Na descrição que se segue para simplificar, os dispositivos de estocagem de energia foram chamados de condensado-res. Isso não é limitativo. A única estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce10 do estágio de posição um Etl compreende uma célula de tipo com condensador flutuante formada pelos interruptores elementares extremos T2, T2\ pelos interruptores elementares medianos T1, TV, e pelo condensador C12, uma primeira célula de comutação de base com os interruptores elementares T3u e T3'u, uma segunda célula de comutação de base com os interruptores T3I e Τ3Ί, uma ponte divisora capacitiva com os condensadores C9, C10, C11. O condensador C9 e o condensador C10 têm um nó comum N7, o condensador C10 e o condensador C11 têm um nó comum N8.

[0087] A primeira estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce21 do segundo estágio Et2 ligada via a indutância Laux21 à primeira célula de comutação de base do primeiro estágio Et1 ao nível do nó N6 compreende uma célula de tipo com condensador flutuante formada pelos interruptores elementares extremos T5u, T5'u, pelos interruptores elementares medianos T4u, T4'u, e pelo condensador C7, uma primeira célula de comutação de base com os interruptores elementares T6u e T6'u, uma segunda célula de comutação de base com os interruptores elementares T7u e T7'u, uma ponte divisora capacitiva com os condensadores C1, C2, C3. O condensador C1 e o condensador C2 têm um nó comum N1, o condensador C2 e o condensador C3 têm um nó comum N2.

[0088] A segunda estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce22 do segundo estágio Et2 ligada via a indutância Laux22 ao nível do nó N9 à segunda célula de comutação de base do primeiro estágio Et1 compreende uma célula de tipo com condensador flutuante formada pelos interruptores elementares extremos T5I, Τ5Ί, pelos interruptores elementares medianos T4I, Τ4Ί, e pelo condensador C8, uma primeira célula de comutação de base com os interruptores elementares T7I e Τ7Ί, uma segunda célula de comutação de base com os interruptores elementares T6I e Τ6Ί, uma ponte divisora capacitiva com os condensadores C4, C5, C6, O condensador C3 e o condensa-dor C4 têm um nó comum N3, o condensador C5eo condensador C6 têm um nó comum N5.

[0089] As duas pontes divisoras capacitivas C1-C3, C4-C6 do segundo estágio Et2 são conectadas em série.

[0090] A fonte de tensão VDC é destinada a ser ligada entre os terminais extremos das duas pontes divisoras capacitivas. Assim, o terminal E+ corresponde a um terminal do condensador C1 não ligado a um outro condensador e o terminal E- corresponde a um terminal do condensador C6 não ligado a um outro condensador.

[0091] Na sequência, com uma preocupação de simplificação, a referência VDC representará ao mesmo tempo a fonte de tensão e a tensão nos terminais dessa fonte de tensão.

[0092] A tensão VDC foi cindida em dois grupos de três tensões iguais E1-E3 e E4-E6, a tensão E1 se aplicando aos terminais de condensador C1, a tensão E2 se aplicando aos terminais de condensador C2, a tensão E3 se aplicando aos terminais de condensador C3, a tensão E4 se aplicando aos terminais de condensador C4, a tensão E5 se aplicando aos terminais de condensador C5, a tensão E6 se aplicando aos terminais de condensador C6. A tensão nos terminais do condensador C7 é chamada de E7. A tensão nos terminais do condensador C8 é chamada de E8. A tensão nos terminais do condensador C12 é chamada de E12.

[0093] Uma tensão flutuante Ef é disponível entre os terminais N6, N9 das indutâncias Laux21, Laux22, no lado da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão do primeiro estágio Et1. Essa tensão flutuante Ef é utilizada como tensão de entrada do primeiro estágio Et1, ela é subdividida em três tensões flutuantes iguais t9, E10, t11 que se aplicam respectivamente aos terminais dos condensadores C9, C10, C11.

[0094] É chamada de fd a função de conversão que liga a tensão de entrada Ef e a tensão de saída Es da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce10 do primeiro estágio Et1. A tensão de entrada Ef da estrutura de comutação Ce1G corresponde a E9 + E10 + E11. A tensão de saída Es da estrutura de comutação Ce10 é tomada entre o nó N9 e o nó S.

[0095] É chamada de fc2 a função de conversão que liga a tensão de entrada VDC/2 e a tensão de saída VN3N6 da primeira estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce21 do segundo estágio Et2. A tensão de entrada VDC/2 da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce21 corresponde a E1 + E2 + E3. A tensão de saída VN6n9 da estrutura de conversão Ce21 é tomada entre o nó N3 e o nó N6.

[0096] É chamada de fc3 a função de conversão que liga a tensão de entrada VDC/2 e a tensão de saída VE„N9 da segunda estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce22 do segundo estágio Et2. A tensão de entrada VDC/2 da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce22 corresponde a E4 + E5 + E6. A tensão de saída VN9E da estrutura de comutação Ce22 é tomada entre o nó E- e o nó N9.

[0097] Escolhendo-se os componentes das duas estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce21 e Ce22 do segundo estágio Et2 de maneira que as tensões que se aplicam aos terminais das duas pontes divisoras capacitivas sejam mesmo iguais a VDC/2 e escolhendo-se funções de conversão fc2 e fc3 iguais, as tensões aplicadas na entrada de cada uma das três estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce10, Ce21, Ce22 são iguais a VDC/2. Há uma distribuição equilibrada das tensões entre cada estrutura de comutação de quatro níveis de tensão. Essas estruturas de comutação de quatro níveis de tensão só têm nesse caso que suportar a metade da tensão de entrada, o que corresponde ao objetivo fixado.

[0098] No braço ilustrado na figura 3A, os comandos dos interruptores elementares T3u e T3I são idênticos, os comandos dos interruptores elementares T4u e T4I são idênticos, os comandos dos interruptores elementares T5u e T5I são idênticos, os comandos dos interruptores elementares T6u e T6I são idênticos, os comandos dos interruptores elementares T7u e T7I são idênticos. Além disso, como enuncia- do mais acima por ocasião da descrição da figura 2, os comandos dos interruptores elementares T6u e T7u são idênticos e os comandos dos interruptores elementares T6I e T7I são idênticos.

[0099] Com suas três estruturas de comutação de quatro níveis de tensão, um tal braço B possui seis funções de comutação F10, F20, F30, F40, F50, F60.

[00100] A função de comutação F10 é utilizada para o comando do par de interruptores elementares T1, TT na posição mediana da célula de tipo com condensador flutuante da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão do primeiro estágio Et1.

[00101] A função de comutação F20 é utilizada para o comando do par de interruptores elementares T2, T2' na posição extrema da célula de tipo com condensador flutuante da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão do primeiro estágio Et1.

[00102] A função de comutação F30 é utilizada para o comando dos interruptores elementares T3u, T3'u, T3i, T3'i das células de comutação de base da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão do primeiro estágio Et1.

[00103] A função de comutação F40 é utilizada para o comando dos pares de interruptores elementares T4u, T4'u, T4I, Τ4Ί na posição me- diana das duas células de tipo com condensador flutuante situadas nas estruturas de comutação de quatro níveis de tensão do segundo estágio Et2.

[00104] A função de comutação F50 é utilizada para o comando dos pares de interruptores elementares T5u, T5'u, T5I, Τ5Ί na posição extrema das duas células de tipo com condensador flutuante situadas nas estruturas de comutação de quatro níveis de tensão do segundo estágio Et2.

[00105] A função de comutação F60 é utilizada para o comando dos interruptores elementares T6u, T6'u, T7u, T7'u, T7I, Τ7Ί, T6I, Τ6Ί das células de comutação de base das estruturas de comutação de quatro níveis de tensão do segundo estágio Et2. É possível se referir à descrição da figura 2 no que diz respeito aos valores tomados por essas funções de comutação em função do estado passante ou bloqueado dos interruptores elementares.

[00106] O conversor da figura 3A permite obter na saída 7 níveis de tensão diferentes, 0, VDC/6, 2VDC/6, 3VDC/6, 4VDC/6, 5VDC/6, VDC entre os nós S e E- e 64 estados em função do estado passante ou bloqueado de seus interruptores elementares.

[00107] Foram agrupados na tabela seguinte os 64 estados diferentes assim como os 7 níveis de tensão Vs correspondentes na saída do primeiro estágio Et1. A tensão Vs é tomada entre o nó S e o terminal E-. A tensão de saída Vs é expressa por: Vs = [F10 + F20 + F30 + F40 + F50 + F60]VDC/2 [00108] Analisando-se essa tabela, é percebido que vários estados e, portanto, várias configurações dos interruptores elementares levam a uma mesma tensão VS. Esse grau de liberdade é interessante para manter o equilíbrio das tensões flutuantes. Esse grau de liberdade será utilizado para manter o equilíbrio das tensões dos condensadores.

[00109] Foi representado na figura 5.1 o aspecto da tensão de referência Vref que vai servir notadamente para determinar os instantes de comutação de todos os interruptores elementares do braço B ilustrado na figura 3A. Ela corresponde àquela ilustrada na figura 4.1. Ela está em fase com a tensão Vs na saída do estágio Et1 tomada entre o nó S e o nó E-, ilustrada na figura 5.14.

[00110] Foi representado na figura 5.2 um cronograma da portadora Car10 utilizada com a tensão de referência Vref para realizar a função de comutação F10 e determinar os instantes de comutação dos interruptores elementares T1, TT da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce10 do primeiro estágio Et1. Ela é uma portadora triangular da qual a amplitude é compreendida entre -1 e +1.

[00111] Foi representado na figura 5.3 um cronograma da portadora Car20 utilizada com a tensão de referência Vref para realizar a função de comutação F20 e determinar os instantes de comutação dos interruptores elementares T2» T2' na posição extrema da célula de tipo com condensador flutuante da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce10 do primeiro estágio Et1. Ela é uma portadora triangular da qual a amplitude é compreendida entre -1 e +1. A portadora Car20 é deslocada de π ou de 1/2 fsw em relação à portadora Carlo. A grandeza fsw representa a frequência de comutação, ela é bem mais elevada do que a frequência da tensão de saída Vs ilustrada na figura 5.14.

[00112] Foi representado na figura 5.4 um cronograma da portadora Car30 utilizada com a tensão de referência Vref para realizar a função de comutação F30 e determinar os instantes de comutação dos interruptores elementares T3u, T3'u, T3I, Τ3Ί das células de comutação de base da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce10 do primeiro estágio Et1. A portadora Car30 é deslocada de rr/2 ou de 1/fsw em relação à portadora Car10.

[00113] Foi representado na figura 5.5 um cronograma da portadora Car40 utilizada com a tensão de referência Vref para realizar a função de comutação F40 e determinar os instantes de comutação dos inter- ruptores elementares T4u, T4'u, T4I, Τ4Ί na posição mediana das duas células de tipo com condensador flutuante situadas nas estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce21, Ce22 do segundo estágio Et2. Este é um sinal constante de amplitude -2/3.

[00114] Foi representado na figura 5.6 um cronograma da portadora Car50 utilizada com a tensão de referência Vref para realizar a função de comutação F50 e determinar os instantes de comutação dos interruptores elementares T5u, T5'u, T5I, Τ5Ί na posição extrema das duas células de tipo com condensador flutuante situadas nas estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce21, Ce22 do segundo estágio Et2. Este é um sinal constante de amplitude nula.

[00115] Foi representado na figura 5.7 um cronograma da portadora Car60 utilizada com a tensão de referência Vref para realizar a função de comutação F60 e determinar os instantes de comutação dos interruptores elementares T6u, T6'u, T7u, T7'u, T7I, Τ7Ί, T6I, Τ6Ί das células de comutação de base das estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce21, Ce22. Este é um sinal constante de amplitude +2/3.

[00116] Os instantes de comutação dos interruptores elementares são obtidos por comparação entre as portadoras triangulares e constantes e o sinal de referência Vref. É possível definir como regra, por exemplo, que um instante de comutação de um interruptor elementar sobrevêm desde que o sinal de referência seja estritamente superior à portadora. Teria sido possível evidentemente fixar como regra que um instante de comutação de um interruptor elementar sobrevêm desde que o sinal de referência seja superior ou igual à portadora.

[00117] A figura 5.8 é um cronograma da função de comutação F10 utilizada para o comando do par de interruptores elementares T1, T1' na posição mediana da célula de tipo com condensador flutuante da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão do primeiro estágio Et1. Este é um sinal em ameia cujo período é igual àquele da frequência de comutação fsw. A função de comutação F10 está a um nível 1 enquanto a tensão de referência Vref for superior à portadora Car10.

[00118] Os comandos dos dois interruptores T1 e TT do par são obtidos a partir da função de comutação F10. O comando do interruptor elementar T1 é similar à função de comutação F10 com exceção de que a frente de subida das ameias é retardada de um tempo morto em relação à frente de subida das ameias da função de comutação F10. Em contrapartida a frente de descida das ameias para o comando do interruptor elementar T1 é sincronizada com aquela das ameias da função de comutação F10. O comando do interruptor elementar T1' é similar a uma função complementar da função de comutação F10 com exceção de que a frente de subida das ameias é retardada do tempo morto em relação à frente de subida das ameias da função complementar. Em contrapartida, a frente de descida das ameias para o comando do interruptor elementar T1' é sincronizada com aquela das ameias da função complementar da função de comutação F10, Os dois interruptores elementares T1, TT do par estão em estados complementares com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

[00119] A figura 5.9 é um cronograma da função de comutação F20 utilizada para o comando do par de interruptores elementares T2, T2' da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce10 do primeiro estágio Et1. Ele é um sinal em ameia cujo período é igual àquele da frequência de comutação fsw. A função de comutação F20 está a um nível 1 enquanto a tensão de referência Vref for superior à portadora Car20. O que acaba de ser explicado a respeito do comando dos interruptores elementares T1, T1' e dos tempos mortos se aplica para o comando do par de interruptores elementares T2, T2' com base no sinal em ameia da função de comutação F20. Os dois interruptores elementares T2, T2' do par estão em estados complementares com exce- ção de uma diferença do valor de tempo morto.

[00120] A figura 5.10 é um cronograma da função de comutação F30 utilizada para o comando dos pares de interruptores elementares (T3u, T3'u) e (T3I, Τ3Ί) das células de comutação de base da estrutura de comutação de quatro níveis de tensão Ce10 do primeiro estágio Et1. Este é um sinal em ameia cujo período é igual àquele da frequência de comutação fsw. A função de comutação F30 está a um nível 1 enquanto a tensão de referência Vref for superior à portadora Car30. O que acaba de ser explicado a respeito do comando dos interruptores elementares T1, ΤΓ e dos tempos mortos se aplica para o comando dos pares de interruptores elementares (T3u, T3'u) e (T3I, Τ3Ί) com base no sinal em ameia da função de comutação F30. Os dois interruptores elementares de cada par (T3u, T3'u) e (T3I, Τ3Ί) estão em estados complementares com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

[00121] A figura 5.11 é um cronograma da função de comutação F40 utilizada para o comando dos pares de interruptores elementares (T4u, T4'u) e (T4I, Τ4Ί) na posição mediana das duas células de tipo com condensador flutuante situadas nas estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce21, Ce22 do segundo estágio Et2. Este é um sinal em ameia cujo período é igual àquele do sinal de referência Vref. A função de comutação F40 está a um nível 1 enquanto a tensão de referência Vref for superior à portadora Car40. O que acaba de ser explicado a respeito do comando dos interruptores elementares T1, TT e dos tempos mortos se aplica para o comando dos pares de interruptores elementares (T4u, T4'u) e (T4I, Τ4Ί) com base no sinal em ameia da função de comutação F40. Os dois interruptores elementares de cada par (T4u, T4'u) e (T4I, Τ4Ί) estão em estados complementares com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

[00122] A figura 5.12 é um cronograma da função de comutação F50 utilizada para o comando dos pares de interruptores elementares (T5u, T5'u) e (T5I, Τ5Ί) na posição extrema das duas células de tipo com condensador flutuante situadas nas estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce21, Ce22 do segundo estágio Et2. Este é um sinal em ameia cujo período é igual àquele do sinal de referência Vref. A função de comutação F50 está a um nível 1 enquanto a tensão de referência Vref for superior à portadora Car50. O que acaba de ser explicado a respeito do comando dos interruptores elementares T1, TT e dos tempos mortos se aplica para o comando dos pares de interruptores elementares (T5u, T5'u) e (T5I, Τ5Ί) com base no sinal em ameia da função de comutação F50. Os dois interruptores elementares de cada par (T5u, T5'u) e (T5I, Τ5Ί) estão em estados complementares com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

[00123] A figura 5.13 é um cronograma da função de comutação F60 utilizada para o comando dos pares de interruptores elementares (T6u, T6'u), (T7u, T7'u) e (T6I, Τ6Ί), (T7I, Τ7Ί) das células de comutação de base das estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce21, Ce22 do segundo estágio Et2. Este é um sinal em ameia cujo período é igual àquele do sinal de referência Vref. A função de comutação F60 está a um nível 1 enquanto a tensão de referência Vref for superior à portadora Car60. O que acaba de ser explicado a respeito do comando dos interruptores elementares T1, TI' e dos tempos mortos se aplica para o comando dos pares de interruptores elementares (T6u, T6'u), (T7u, T7'u) e (T6I, Τ6Ί), (T7I, Τ7Ί) com base no sinal em ameia da função de comutação F60. Os dois interruptores elementares de cada par (T6u, T6’u), (T7u, T7'u) e (T6I, Τ6Ί), (T7I, Τ7Ί) estão em estados complementares com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

[00124] Foi representado na figura 5.14 um cronograma da tensão de saída Vs do braço de conversor ilustrado na figura 3A no qual os sete níveis de tensão estão bem visíveis: 0 V, 1000 V, 2000 V, 3000 V, 4000 V, 5000 V, 6000 V. A tensão varia por patamares, de 1000 V no exemplo descrito.

[00125] Não será descrito mais em detalhe o braço conversor da figura 3B. Ele tem a mesma estrutura que aquele da figura 3A com exceção do fato de que o nó S que correspondia à saída na figura 3A se chama agora nó E isto que ele corresponde agora à entrada. Ele é destinado a ser conectado a uma fonte de corrente alternada (não representada). Do mesmo modo os terminais de entrada E+, E- na figura 3A, ao nível dos quais a fonte de tensão VDC deve ser ligada se chamam agora S+ e S- na figura 3B, eles correspondem à saída do conversor e são destinados a alimentar uma fonte de tensão contínua (não representada). Em funcionamento retificador, uma corrente IE circula do nó E para os terminais de saída S+ e S- enquanto que em funcionamento ondulador de correntes IE+ e IE- circulam dos terminais E+ e E- para o nó S. Em funcionamento retificador correntes IS+ e IS-que aparecem nos terminais S+ e S- são correntes de saída, e em funcionamento ondulador a corrente de saída chamada Is aparece no nó S.

[00126] 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 amplitude de pulso PWM pode ser utilizado. Evidentemente, comandam-se da mesma maneira os interruptores elementares homólogos das duas estruturas de comutação de quatro níveis de tensão Ce21, Ce22 do segundo estágio Et2.

[00127] Nas figuras 3A, 3B, foi representada uma só fonte de tensão contínua VDC. É evidente que essa fonte de tensão contínua VDC poderia ser constituída por várias fontes de tensão contínuas elementares independentes, cada uma delas montada nos terminais de pelo menos um dispositivo de estocagem de energia C1 a C6. Essas fontes de tensão contínuas podem ser retificadores. Essa configuração é interessante em um sistema de conversão não reversível com um transformador de vários enrolamentos.

[00128] Fazendo-se referência à figura 6, foi representado um vari-ador de velocidade que compreende em cascata um conversor 1 objeto da invenção que funciona como retificador CA/CC e um conversor 2 objeto da invenção que funciona como ondulador CC/CA colocando-se entre os dois, no lado contínuo uma fonte de tensão 3 tal como um dispositivo de estocagem de energia. O retificador 1 é destinado a ser conectado na entrada em 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 utilizador assimilável a uma fonte de corrente tal como um motor de corrente alternada Mo. A figura 6 ilustra um exemplo no qual os dois conversores 1 e 2 são trifásicos. Eles compreenderíam cada um deles três braços tais como aqueles representados nas figuras 3A, 3B.

[00129] O conversor multiníveis objeto da invenção é bem mais compacto e leve do que os conversores da arte anterior com transformador. Ele é muito mais fácil de instalar e de transportar. Ele pode ser utilizado com ou sem transformados de isolamento.

[00130] Ele permite minimizar a poluição harmônica da rede elétrica e a correção do fator de potência quando é utilizado um retificador ativo regenerativo. O conversor objeto da invenção é compatível com a rede alternada até 13,8 kV visto a tensão de ruptura dos componentes semicondutores existentes atualmente, que ele funcione como ondulador ou corretificador. Devido a isso, não é obrigatório utilizar um transformador de adaptação de nível de tensão, solução classicamente utilizada.

[00131] O conversor CC/CA objeto da invenção pode ser utilizado para alimentar parques de motores assíncronos ou síncronos sejam eles novos ou existentes.

[00132] O conversor objeto da invenção tem uma estrutura modular graças ao emprego das estruturas de comutação de quatro níveis de tensão como aquelas da figura 2. Disso resulta que as despesas de manutenção são reduzidas e que a confiabilidade é boa.

[00133] A forma de onda de alimentação da carga é de boa qualidade e as sobretensões no lado fonte de corrente são limitadas e só estão ligadas aos cabos de ligações.

[00134] O barramento contínuo comum pode servir para alimentar vários conversores objeto da invenção.

DOCUMENTOS CITADOS

[00135] "A novel hybrid-clamped four-level converters", Kui Wang e AL, Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, 5-9 Feb. 201, páginas 2442-2447.

[00136] "Voltage balancing control of a four-level hybrid-clamped inverter using modified phase-shifted PWM" Kui Wang e AL., Power Electronics and Applications (EPE), 2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications, 2-6 Sept. 2013, páginas 1-10.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Conversor multiníveis que compreende pelo menos um braço (B) formado por vários estágios de posição um a n (n inteiro e superior a um) (Et1, Et2.. Etn) montados em cascata, o estágio de posição 1 (Et1) sendo destinado a ser conectado a uma fonte de corrente (I) e o estágio de posição n (Etn) sendo destinado a ser conectado a uma fonte de tensão (VDC), caracterizado pelo fato de que o estágio de posição um (Et1) compreende uma única estrutura de comutação de quatro níveis de tensão (Ce10) e um estágio de posição i (i compreendido entre dois e n) compreende i estruturas de comutação de quatro níveis de tensão (Cei1, Cei2, ...Ceii) idênticas montadas em série, cada uma dessas estruturas de comutação compreendendo uma célula de tipo com condensador flutuante (T1, T2, TT, T2', C12) de três níveis de tensão que compreende um quadrupleto de interruptores elementares em série (T1, T2, TT, T2') que possuem um nó médio (s), duas células de base (T3u, T3'u; T3I, Τ3Ί) formadas cada uma delas por um par de interruptores elementares (T3u, T3'u; T3I, Τ3Ί) em série que apresentam dois terminais extremos (N6, N7; N8, N9) e um ponto médio e uma ponte divisora capacitiva (C9, C10, C11) que tem duas extremidades formada por um tripleto de dispositivos de estocagem de energia (C9, C10, C11) montados em série entre os quais dois dispositivos de estocagem de energia (C9, C11) na posição extrema, cada dispositivo de estocagem de energia (C9, C11) na posição extrema sendo conectado aos terminais extremos (N6, N9) de uma célula de comutação de base diferente, um ponto médio de cada célula de comutação de base sendo conectado a uma extremidade diferente do quadrupleto de interruptores elementares (T1, T2, TV, T2'), o nó médio de cada célula de tipo com condensador flutuante do estágio de posição i sendo conectado a uma extremidade da ponte divisora capacitiva de uma estrutura de comutação de quatro níveis de tensão do estágio de posição i-1.

2. Conversor multiníveis de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de estocagem de energia (C9, C10, C11) de uma mesma ponte divisora capacitiva têm uma mesma capacidade de estocagem de energia e uma mesma tensão de ruptura.

3. Conversor multiníveis de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o nó médio de pelo menos uma célula de tipo com condensador flutuante do estágio de posição i é conectado a uma extremidade da ponte divisora capacitiva de uma estrutura de comutação do estágio de posição i-1 via uma indu-tância (Laux21, Laux22).

4. Conversor multiníveis de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que quando várias indutâncias ligam o estágio de posição i ao estágio de posição i-1, essas indutâncias têm o mesmo valor.

5. Conversor multiníveis de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os dois pares de interruptores elementares (T3u, T3'u; T3I, Τ3Ί) das duas células de comutação de base de um mesmo estágio possuem uma mesma função de comutação.

6. Conversor multiníveis de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que em funcionamento, os interruptores elementares de um mesmo par estão em estados complementares com exceção de uma diferença do valor de tempo morto.

7. Conversor multiníveis de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que no quadrupleto de interruptores elementares (T1, T2, T1', T2') de uma célula de tipo com condensador flutuante dois estão na posição extrema e dois estão na posição mediana, os dois interruptores elementares (T2, T2') na posição extrema estão sempre em estados complementares e os dois interruptores elementares (T1, T1') na posição mediana estão sempre em estados complementares, um sendo passante e o outro sendo bloqueado.

8. Conversor multiníveis de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que os interruptores elementares (ΤΙ, T2, TT, T2') compreendem cada um deles um comutador eletrônico de potência que pode ser comandado com um diodo conectado em antiparalelo.

9. Conversor multiníveis de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de esto-cagem de energia (C1-C12) são escolhidos entre um condensador, uma batería, uma piiha de combustível.

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