BR112017019803B1 - Dispositivo de conversão de potência de média tensão multiníveis com saída alternada - Google Patents

Abstract

Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com saída alternada que compreende um conversor CC/CA multiníveis modular (21) com vários braços (1.1, 1.2, 1.3) em paralelo dos quais as extremidades definem terminais contínuos de entrada (27, 28), cada braço compreendendo duas cadeias de módulos (4.11, 4.12, 4.13, 4.14, 4.15, 4.16) em série, cada módulo de comutação tendo um par de co-mutadores em série (T111, T211), montado nos terminais de um dis-positivo de armazenar energia (4.3), o conversor CC/CA ajustando a frequência na saída do dispositivo de conversão. Ele compreende por outro lado um conversor com saída contínua (20) que compreende dois terminais de saída (A, 22, 91, 92) ligados aos terminais de entrada (27, 28) do conversor CC/CA (21), esse conversor com saída contínua (20) ajustando a amplitude na saída do dispositivo de conversão, o conversor CC/CA (21) compreendendo por outro lado meios de comando (29) dos comutadores (T111, T211) dos módulos que aplicam aos comutadores um controle de inda total durante pelo menos um intervalo de tempo, os módulos de uma mesma cadeia estando no mesmo estado simultaneamente.

Description

DESCRIÇÃO DOMINIO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se ao domínio dos dispositivos de conversão de potência multiníveis com saída alternada destinados a funcionar em média tensão. Tais conversores podem ser utilizados em aplicações de variador de velocidade de alta potência para motores de corrente alternada. Um dos maiores mercados dos variadores de velocidade em média tensão é a substituição de máquinas elétricas rotativas que funcionam com velocidade fixa, ou seja 97% de fatia de mercado, por um sistema à velocidade variável, que integra para isso um variador de velocidade que comandará a mesma máquina rotativa.

ESTADO DA TÉCNICA ANTERIOR

[002] Os conversores de potência multiníveis CC/CA são baseados na colocação em série de módulos de comutação formados com comutadores eletrônicos para permitir uma elevação em tensão elevada na saída, esses comutadores eletrônicos sendo componentes de baixa tensão que têm uma resistência em tensão limitada.

[003] São conhecidos conversores de potência de tipo NPC (para Neutral Point Clamped ou ponto fechado pelo neutro) que compreendem uma série de vários módulos com dois pares de comutadores eletrônicos em série, dois diodos em série conectados de um lado ao nó comum entre os dois comutadores eletrônicos do primeiro par e do outro ao nó comum entre os dois comutadores eletrônicos do segundo par. É encontrada, além disso, uma série de dois condensadores conectada nos terminais do conjunto formado pelos pares de comutadores eletrônicos. O nó comum entre os dois diodos em série é ligado ao nó comum entre os dois condensadores da série.

[004] Esse tipo de módulo leva a uma forma de onda satisfatória e a uma redução das restrições de tensão nos comutadores eletrônicos. Em contrapartida, podem se produzir desequilíbrios da tensão nos terminais dos condensadores.

[005] Melhorias da topologia original NPC intervieram, substituindo para isso os dois diodos por um par de comutadores eletrônicos. Essa topologia é denominada ANPC de 3 níveis de tensão.

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

[007] É conhecido também, como ilustrado na figura 1, um conversor multiníveis modular CC/CA (conhecido sob a denominação MMC para Modular Multilevel Converter) que compreende vários braços 1.1, 1.2, 1.3 dos quais as extremidades definem terminais extremos contínuos 1p, 1n destinados a ser montados em paralelo aos terminais de uma alimentação contínua CC, cada braço 1.1, 1.2, 1.3 é formado por dois meio braços 1.11, 1.12, 1.21, 1.22, 1.31, 1.32 montados em série e ligados a um terminal comum 3.1, 3.2, 3.3. Esses terminais comuns 3.1, 3.2, 3.3 definem terminais alternados destinados a ser ligados a uma carga alternada 70. Essa carga 70 é representada como um motor. No exemplo, o conversor CC/CA é trifásico, cada um dos braços 1.1, 1.2, 1.3 correspondendo a uma fase, a fase 1 para o braço 1.1, a fase 2 para o braço 1.2 e a fase 3 para o braço 1.3. Um conversor monofásico teria somente dois braços.

[008] Cada meio braço 1.11, 1.12, 1.21, 1.22, 1.31, 1.32 compreende uma cadeia de módulos de comutação montados em série. Ela é ligada a um dos terminais 3.1, 3.2, 3.3 via uma indutância L11, L12, L21, L22, L31, L32 para respeitar as regras de conexão em fonte de corrente e fonte de tensão. É preferível que as duas indutâncias de um mesmo braço tenham um mesmo valor para simplificar o funcionamento da montagem. As duas indutâncias poderiam ser acopladas. Na sequência da descrição, será chamada de primeira cadeia de módulos, aquela ligada ao terminal contínuo 1p positivo, e de segunda cadeia de módulos, aquela ligada ao terminal contínuo 1n negativo. Há o mesmo número de módulos de comutação em cada meio braço.

[009] Os módulos de comutação do braço 1.1 são referenciados sucessivamente 4.11 a 4.16 a partir do terminal 1p até o terminal 1n. Os módulos de comutação do braço 1.2 são referenciados sucessivamente 4.21 a 4.26 a partir do terminal 1p até o terminal 1n. Os módulos de comutação do braço 1.3 são referenciados sucessivamente 4.31 a 4.36 a partir do terminal 1p até o terminal 1n.

[0010] Cada módulo de comutação compreende pelo menos um par de comutadores eletrônicos dispostos em série que têm um nó comum 40, o par sendo conectado em paralelo com o dispositivo de armazenar energia 4.3 formando uma disposição em meia ponte, o dispositivo de armazenar energia 4.3 tendo uma capacidade flutuante.

[0011] Os comutadores eletrônicos do módulo 4.11 são referenciados T111, T211. Os comutadores eletrônicos do módulo 4.12 são referenciados T112, T212. As numerações prosseguem da mesma maneira e assim os comutadores eletrônicos do módulo 4.16 são referenciados T116, T216.

[0012] No braço 1.2, os comutadores eletrônicos do módulo 4.21 são referenciados T121, T221. Os comutadores eletrônicos do módulo 4.22 são referenciados T122, T222. Os comutadores eletrônicos do módulo 4.26 são referenciados T126, T226.

[0013] No braço 1.3, os comutadores eletrônicos do módulo 4.31 são referenciados T131, T231. Os comutadores eletrônicos do módulo 4.32 são referenciados T132, T232. Os comutadores eletrônicos do módulo 4.36 são referenciados T136, T236.

[0014] Em cada módulo, o dispositivo de armazenar energia 4.3 tem um terminal de polaridade positiva (+) pelo qual entra uma corrente de carga (corrente positiva) destinada a carregar o mesmo. O dispositivo de armazenar energia 4.3 tem um terminal de polaridade negativa (-) pelo qual entra uma corrente de descarga (corrente negativa) destinada a descarregar o mesmo. Um dos comutadores eletrônicos é ligado ao terminal positivo (+) de armazenar energia 4.3, trata-se daquele de cima denominado T111 para o módulo de comutação 4.11. O outro comutador eletrônico é ligado ao terminal negativo (-) do dispositivo de armazenar energia 4.3, trata-se daquele de baixo denominado T211 para o módulo de comutação 4.11.

[0015] O diodo montado em antiparalelo com o comutador eletrônico de potência T111 é referenciado D111. O diodo montado em antiparalelo com o comutador eletrônico de potência T211 é referenciado D211.

[0016] As numerações dos comutadores eletrônicos de potência e dos diodos dos outros módulos seguem o mesmo princípio. Eles não são obrigatoriamente nomeados nessa descrição, mas são referenciados em algumas figuras. Na sequência da descrição, os comutadores eletrônicos T111, T112, T113, T114, T115, T116, ligados ao terminal positivo (+) de um dispositivo de armazenar energia 4.3 são chamados de primeiros comutadores eletrônicos e os comutadores eletrônicos T211, T212, T213, T214, T215, T216 ligados ao terminal negativo (-) de um dispositivo de armazenar energia 4.3 são chamados de segundos comutadores eletrônicos. Essa qualificação se aplica também aos diodos.

[0017] Em uma mesma cadeia de comutação, todos os comutadores eletrônicos de potência ligados a um terminal de mesma polaridade dos dispositivos de armazenar energia são qualificados de homólogos.

[0018] É atribuída aos módulos de um meio braço uma posição contada de maneira crescente a partir da extremidade mais positiva do meio braço. Os módulos de dois meios braços de um mesmo braço que têm a mesma posição são qualificados de homólogos.

[0019] Os comutadores de potência T111, T211, etc podem ser escolhidos, por exemplo, entre transistores bipolares de porta isolada IGBT, transistores de efeito de campo FET, transistores MOS MOSFET, tiristores comutáveis pelo gatilho GTO, tiristores comutados pelo gatilho integrados IGTC, etc.

[0020] O dispositivo de armazenar energia 4.3 pode ser escolhido, por exemplo, entre um condensador, uma bateria, uma pilha de combustível, etc.

[0021] Nas figuras 2A a 2D, foi representado um módulo de comutação de mesmo tipo que aqueles ilustrados na figura 1.

[0022] Seu primeiro comutador eletrônico de potência é chamado de T1 e o diodo associado D1. Seu segundo comutador eletrônico de potência é chamado de T2 e o diodo associado D2. Nessas figuras, os trajetos de circulação de uma corrente Iu interna a um tal módulo de comutação, em função do estado bloqueado ou passante de seus comutadores eletrônicos de potência T1, T2, estão visíveis. A corrente Iu é alternadamente positiva (figuras 2A, 2B) e negativa (figuras 2C, 2D). Os dois comutadores eletrônicos de potência T1, T2 de um mesmo módulo estão em estados opostos (passante ou bloqueado) com aproximadamente um valor de tempo morto de diferença. Não é possível que os dois comutadores eletrônicos de potência T1, T2 de um módulo de comutação sejam passantes ao mesmo tempo, senão coloca-se o dispositivo de armazenar energia 4.3 em curto-circuito.

[0023] Na figura 2A, o primeiro comutador eletrônico de potência T1 é passante e o segundo comutador eletrônico de potência T2 está bloqueado. A corrente Iu é positiva, ela entra no módulo de comutação 4 pelo primeiro comutador eletrônico de potência T1 e sai do mesmo pelo nó comum 40 entre os dois comutadores eletrônicos de potência T1, T2. Ela não passa pelo dispositivo de armazenar energia 4.3.

[0024] Na figura 2B, o segundo comutador eletrônico de potência T2 é passante e o primeiro comutador eletrônico de potência T1 está bloqueado. A corrente Iu é positiva, ela entra no módulo de comutação 4 pelo dispositivo de armazenar energia 4.3, ela passa pelo segundo diodo D2 e sai pelo nó comum 40 entre os dois comutadores eletrônicos de potência T1, T2. A corrente Iu carrega o dispositivo de armazenar energia 4.3.

[0025] Na figura 2C, o primeiro comutador eletrônico de potência T1 é passante e o segundo comutador eletrônico de potência T2 está bloqueado. A corrente Iu é negativa, ela entra no módulo de comutação 4 pelo nó comum 40 entre os dois comutadores eletrônicos de potência T1, T2, ela atravessa o primeiro diodo D1 e sai do módulo de comutação pelo catodo do primeiro diodo D1. Ela não passa pelo dispositivo de armazenar energia 4.3.

[0026] Na figura 2D, o segundo comutador eletrônico de potência T2 é passante e o primeiro comutador eletrônico de potência T1 está bloqueado. A corrente Iu é negativa, ela entra no módulo de comutação 4 pelo nó comum 40 entre os dois comutadores eletrônicos de potência T1, T2, ela atravessa o segundo comutador eletrônico de potência T2, o dispositivo de armazenar energia 4.3 e sai do módulo de comutação sem passar nem pelo primeiro comutador eletrônico de potência T1, nem pelo primeiro diodo D1.pelo nó comum 40 entre os dois comutadores eletrônicos de potência T1, T2. O dispositivo de armazenar energia 4.3 se descarrega.

[0027] Nos conversores CC/CA multiníveis modulares convencionais como aquele da figura 1, as cadeias de módulos de comutação têm como função ao mesmo tempo a de adaptar a amplitude do sinal formando a partir da alimentação elétrica contínua CC e presente ao nível de cada terminal comum 3.1, 3.2, 3.3 e a de regular a frequência desse sinal. Os comutadores eletrônicos de potência são comandados por Modulação por Largura de Pulso MLP (em inglês Pulse Width Modulation ou seja PWM).

[0028] Com um tal comando dos comutadores eletrônicos de potência T1, T2, passa-se alternativamente, quando a corrente Iu é positiva, da situação na qual o primeiro comutador eletrônico de potência T1 é passante (figura 2A) para a situação na qual o segundo diodo D2 conduz (figura 2B). Cada vez que o segundo diodo D2 conduz, a tensão nos terminais do dispositivo de armazenar energia 4.3 aumenta. Quando a corrente Iu é negativa, passa-se alternativamente da situação qual o segundo comutador eletrônico de potência T2 é passante (figura 2D) para a situação na qual o primeiro diodo D1 conduz (figura 2C). Cada vez que o segundo comutador eletrônico de potência T2 é passante, a tensão nos terminais do dispositivo de armazenar energia 4.3 diminui.

[0029] Fazendo-se referência de novo à figura 1, e se interessando a um dos braços, por exemplo, ao braço 1.1, há uma ligação entre o comando dos módulos de seus dois meio braços.

[0030] É suposto que a montagem está bem equilibrada e que a tensão fornecida pela alimentação elétrica contínua CC vale VDC, cada dispositivo de armazenar energia 4.3 é carregado a VDC/3 visto que no exemplo representado, a cadeia de módulos de comutação compreende três módulos de comutação em cada meio braço. Com n módulos a tensão seria de VDC/n. Não é possível que, em um mesmo braço, todos os comutadores eletrônicos de potência ligados a um mesmo terminal, seja positivo, seja negativo, dos dispositivos de armazenar energia sejam passante ao mesmo tempo, para respeitar a equação das tensões. De fato, a cada instante, a soma da tensão nos terminais de um meio braço e da tensão nos terminais do outro meio braço é igual à tensão fornecida pela alimentação elétrica contínua CC.

[0031] Em um meio braço, com esse comando MLP, os módulos de comutação são ativados sucessivamente, o que significa que, os comutadores eletrônicos de potência ligados a um mesmo terminal, seja positivo, seja negativo, dos dispositivos de armazenar energia são tornados passantes ou bloqueados sucessivamente. A tensão alternada criada, retirada ao nível de um dos terminais comuns 3.1, 3.2, 3.3, compreende um número de níveis igual ao número de módulos em um meio braço mais um.

[0032] Um conversor multiníveis modular que utiliza em cada braço duas cadeias de módulos de comutação montados em série como aqueles das figuras 2 foi descrito pela primeira vez no pedido de patente DE 10 10 031 de Rainer Marquardt.

[0033] O pedido de patente EP 2 408 081 descreve também um conversor multiníveis que utiliza cadeias de módulos de comutação montados em série.

[0034] Os documentos WO2014/133026A1 e EP2963801A1 descrevem também dispositivos de conversão de potência multiníveis modulares. O mesmo acontece no artigo intitulado "Start-up and low speed operation of an adjustable-speed motor driven by a modular multilevel cascade inverter' - Makoto e al. - ECCE, 2012 - IEEE - 15/09/2012, páginas 718-725.

[0035] Se os conversores CC/CA multiníveis modulares são destinados a fornecer sinais de saída, no lado alternado, em frequência muito baixa, por exemplo inferior à dezena de Hertz, que permitem notadamente regular a velocidade de motores de corrente alternada, como existem dispositivos de armazenar energia de capacidade flutuante dentro de cada módulo de comutação, a corrente que circula nesses dispositivos de armazenar energia muda de sentido tão lentamente que eles continuam a ser carregados até atingir sua tensão de ruptura e correm o risco de ser deteriorados. Se então formos levados a superdimensionar esses dispositivos de armazenar energia, o custo do conversor multiníveis modular se torna proibitivo, pois esses dispositivos de armazenar energia custam em geral muito caros.

[0036] Por outro lado, o tamanho e o custo dos dispositivos de armazenar energia incluídos nesses conversores multiníveis modulares são inversamente proporcionais à frequência do sinal de saída. Quanto mais baixa for a frequência, mais volumosos e caros serão os conversores. Isso limita o emprego dos conversores multiníveis modulares com muitos módulos de comutação para a alimentação de motores de corrente alternada de velocidade variável. EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO

[0037] A presente invenção tem justamente como objetivo propor um dispositivo de conversão de potencia multiníveis modular com saída alternada que pode fornecer sinais em baixa frequência sem por essa razão ser volumoso.

[0038] Um outro objetivo da invenção é fornecer um dispositivo de conversão de potência multiníveis modular que utiliza componentes de potência de baixa tensão para aplicações em média tensão, esses últimos permitindo obter um rendimento melhor do que com componentes em média tensão.

[0039] Um outro objetivo da invenção é fornecer um dispositivo de conversão de potência multiníveis modular que não precisa ter dispositivos de armazenar energia de capacidade flutuante superdimensionados.

[0040] Mais um outro objetivo da invenção é fornecer um variador de velocidade que utiliza um dispositivo de conversão de potência multiníveis modular assim caracterizado e que pode funcionar em torque constante e baixa velocidade notadamente para aplicações de ventilação, bombeamento, tração.

[0041] Um objetivo suplementar da invenção é propor um variador de velocidade que tem necessidades em componentes passivos reduzidas tais como um transformador de potência volumoso e oneroso ou filtros LC de nivelamento.

[0042] Para conseguir isso a presente invenção é um dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com saída alternada e entrada alternada ou contínua que compreende:

[0043] - um conversor CC/CA multiníveis modular, com vários braços montados em paralelo, dos quais as extremidades definem terminais contínuos de entrada, cada braço compreendendo duas cadeias de módulos de comutação em série, ligadas a um terminal comum, esse terminal comum definindo um terminal alternado de saída do dispositivo de conversão de potência multiníveis modular, cada módulo de comutação compreendendo pelo menos um par de comutadores eletrônicos de potência dispostos em série, montado nos terminais de um dispositivo de armazenar energia, os comutadores eletrônicos de potência de uma mesma cadeia, ligados a um terminal de mesma polaridade do dispositivo de armazenar energia sendo qualificados de homólogos, o conversor CC/CA multiníveis modular sendo destinado a ajustar a frequência na saída do dispositivo de conversão multiníveis modular e compreendendo, por outro lado, meios de comando dos comutadores eletrônicos de potência para colocar os mesmos em um estado passante ou bloqueado, caracterizado pelo fato de que:

[0044] - os meios de comando são adaptados para lhes aplicar, durante pelo menos uma parte de um intervalo de tempo de funcionamento do dispositivo de conversão de potência, um controle de onda total, os módulos de uma mesma cadeia tendo nesse caso seus comutadores eletrônicos de potência homólogos em um mesmo estado simultaneamente e pelo fato de que ele compreende:

[0045] - um conversor com saída contínua e entrada contínua ou alternada que compreende dois terminais de saída ligados aos terminais contínuos de entrada do conversor multiníveis modular, esse conversor com saída contínua sendo destinado a ajustar a amplitude na saída do dispositivo de conversão de potência.

[0046] Cada módulo compreende um primeiro comutador de potência ligado a um terminal de polaridade positiva do dispositivo de armazenar energia e um segundo comutador de potência ligado a um terminal de polaridade negativa do dispositivo de armazenar energia e durante o controle de onda total, uma corrente só circula nos módulos de comutação dos quais o primeiro comutador de potência esta no estado passante.

[0047] Os meios de comando aplicam, durante pelo menos uma segunda parte restante do intervalo de tempo, aos comutadores eletrônicos de potência, um comando MLP, o comando MLP sendo aplicado quando uma corrente de saída do dispositivo de conversão de potência multiníveis modular é inferior a um limite, o controle de onda total sendo aplicado quando a corrente de saída é superior ou igual ao limite.

[0048] Durante o comando MLP, os meios de comando comandam os comutadores eletrônicos de potência de módulos de uma mesma cadeia de módulos, sucessivamente.

[0049] Em um módulo, cada comutador eletrônico de potência é associado com um diodo em antiparalelo de maneira a formar um elemento de comutação bidirecional em corrente.

[0050] A conexão das cadeias de módulos se um mesmo braço ao terminal comum é feita via indutâncias.

[0051] Cada comutador eletrônico de potência pode ser escolhido entre um transistor bipolar de porta isolada, um transistor de efeito de campo, um transistor MOSFET, um tiristor comutável pelo gatilho, um tiristor comutado pelo gatilho integrado.

[0052] O dispositivo de armazenar energia pode ser escolhido entre um condensador, uma bateria, uma pilha de combustível.

[0053] É possível que o conversor com saída contínua e entrada contínua seja um conversor CC/CA multiníveis modular que possui um único braço do qual as extremidades definem dois terminais de entrada contínuos, que compreende dois meio braços em série que têm um terminal comum, esse terminal comum definindo um dos terminais contínuo de saída, uma das extremidades do braço definindo o outro terminal de saída, cada meio braço compreendendo uma cadeia de módulos de comutação com pelo menos um par de comutadores eletrônicos de potência montados em série, esse par sendo montado nos terminais de um dispositivo de armazenar energia, e meios de comando dos comutadores eletrônicos de potência de cada módulo.

[0054] Os meios de comando dos comutadores eletrônicos de potência de cada módulo do conversor CC/CC multiníveis modular podem aplicar aos comutadores eletrônicos de potência um controle de onda total, o controle de onda total tendo uma frequência maior do que a frequência do controle de onda total dos meios de comando dos comutadores eletrônicos de potência de cada módulo do conversor CC/CA multiníveis modular.

[0055] O conversor com saída contínua e entrada alternada pode ser uma ponte retificadora de comutação comandada.

[0056] Em variante, o conversor com saída contínua e entrada alternada pode ser um conversor CA/CC multiníveis modular.

[0057] A presente invenção se refere também a um variador de velocidade que compreende um dispositivo de conversão de potência multiníveis modular assim caracterizado.

[0058] Quando o dispositivo de conversão de potência multiníveis modular compreende um conversor com saída contínua e entrada alternada, a entrada alternada é destinada a ser ligada a uma alimentação elétrica alternada.

[0059] Quando o dispositivo de conversão de potência multiníveis modular compreende um conversor com entrada contínua e saída contínua, o variador de velocidade pode compreender, por outro lado, um conversor com entrada alternada e saída contínua, destinado a ser ligado no lado da entrada alternada a uma alimentação elétrica alternada e ligado no lado da saída contínua ao conversor com entrada contínua e saída contínua.

[0060] Um transformador destinado a ser ligado de um lado à alimentação elétrica alternada e ligado do outro lado à entrada alternada do conversor com entrada alternada e saída contínua do dispositivo de conversão de potência multiníveis modular pode ser previsto no variador de velocidade.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0061] 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;

[0062] A figura 1, já descrita, ilustra um conversor multiníveis modular CC/CA convencional;

[0063] As figuras 2A, 2B, 2C, 2D, já descritas, ilustram os diferentes trajetos da corrente dentro de um módulo de comutação em função do estado de seus comutadores eletrônicos de potência;

[0064] A figura 3 ilustra um exemplo de dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com entrada contínua e saída alternada objeto da invenção;

[0065] A figura 4A ilustra sinais de ponto de ajuste sinusoidais que vão servir para determinar os instantes de comutação dos primeiro e segundo comutadores de potência de um módulo de comutação do primeiro braço, segundo e terceiro braços do conversor CC/CA multiníveis modular da figura 3, no caso de um controle de onda total;

[0066] As figuras 4B, 4C, 4D são cronogramas que ilustram, a partir dos sinais de ponto de ajuste da figura 4A, o estado dos comutadores eletrônicos de potência de um módulo de comutação localizado em cada um dos braços do conversor CC/CA multiníveis modular da figura 3;

[0067] A figura 4E ilustra a evolução, em função do tempo, das tensões simples Va, Vb, Vc, e a figura 4F ilustra a evolução, em função do tempo, das tensões compostas retiradas entre dois terminais comuns;

[0068] As figuras 5A1, 5A2, ilustram em função do tempo, o sinal de referência e a portadora em dentes de serra utilizados para determinar os momentos de controle de onda total e de comando MLP aplicados aos comutadores eletrônicos de potência, na figura 5A1 o sinal de referência é uma sinusoide completa e na figura 5A2 o sinal de referência é uma sinusoide truncada ao nível das cristas; a figura 5B ilustra a evolução, em função do tempo, das tensões simples Va,Vb, Vc;

[0069] A figura 6 ilustra a evolução, no tempo, da tensão continua fornecida pela alimentação elétrica contínua ilustrada na figura 3 e a figura 6B ilustra a evolução, no tempo, da tensão contínua formada pelo conversor CC/CC multiníveis modular ilustrado na figura 3;

[0070] As figuras 7A, 7B, 7C, 7D ilustra trajetos de correntes que circulam no conversor CC/CA multiníveis modular da figura 3 e em uma carga alimentada por esse conversor por ocasião de um controle de onda total;

[0071] A figura 8 ilustra um variador de velocidade que compreende um dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com entrada contínua e saída alternada objeto da invenção;

[0072] A figura 9A ilustra um outro exemplo de dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com entrada alternada e saída alternada objeto da invenção, a figura 9B ilustra um variador de velocidade que compreende um outro exemplo de dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com entrada alternada e saída alternada objeto da invenção;

[0073] A figura 10 A ilustra um conversor CC/CA trifásico com dois módulos de comutação por braço e a figura 10B ilustra cronogramas da tensão simples obtida entre seus terminais de saída alternadas R, S, T e o ponto médio O e da tensão composta entre os terminais R e S por ocasião de um controle de onda total.

[0074] Partes idênticas, similares ou equivalentes das diferentes figuras descritas abaixo levam as mesmas referências numéricas de modo a facilitar a passagem de uma figura para a outra.

EXPOSIÇÃO DETALHADA DE MODOS DE REALIZAÇAO ESPECIAIS

[0075] Agora vamos nos interessar, fazendo para isso referência à figura 3, a um exemplo de dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com saída alternada e entrada contínua objeto da invenção. Trata-se de um dispositivo de conversão de potência trifásico.

[0076] Ele compreende em série um conversor CC/CC multiníveis modular (ou redutor) 20 e um conversor CC/CA multiníveis modular (ou ondulador) 21.

[0077] O conversor CC/CC multiníveis modular 20 compreende um braço 20.1 do qual as extremidades 22, 23 formam dois terminais de entrada contínuos que são destinados, em utilização, a ser ligados a uma alimentação elétrica contínua 24. O braço 20.1 compreende dois meio braços 25 em série que têm um terminal comum A. Cada meio braço 25 compreende uma cadeia de módulos de comutação 26 ligada ao terminal comum A via uma indutância L1, L2. Esses módulos de comutação são similares àqueles das figuras 2A-2D, com um par de elementos de comutação bidirecionais em corrente em série e um dispositivo de armazenar energia flutuante montado em paralelo com o dito par. Não foi representado em detalhe cada módulo 26 de comutação, basta se referir às figuras 2A-2D para ver a estrutura dos mesmos.

[0078] O conversor CC/CA multiníveis modular 21 é similar àquele descrito na figura 1. Ele não é descrito de novo em detalhes. Todos os braços 1.1, 1.2, 1.3 do conversor são ligados em paralelo e suas extremidades definem dois terminais contínuos referenciados 27, 28. O terminal 27 (positivo) é ligado ao terminal comum A do conversor CC/CC multiníveis modular 20 e o terminal 28 (negativo) é ligado a uma das extremidades 22 do braço 20.1, aquela destinada ao terminal negativo da alimentação elétrica contínua 24. São os terminais de entrada do conversor CC/CA multiníveis modular 21 ou os terminais de saída do conversor CC/CC multiníveis modular 20. É suposto que todos os componentes do conversor CC/CA multiníveis modular 21 levam as mesmas referências que na figura 1. Cada meio braço e portanto cada cadeia de módulos são portanto ligados a um dos terminais de entrada contínuos 27 ou 28.

[0079] Na presente invenção, o conversor CC/CA multiníveis modular 21 tem como função converter a tensão contínua fornecida pelo conversor CC/CC multiníveis modular 20 em tensão alternada e regular a frequência dos sinais na saída, quer dizer dos sinais presentes nos terminais comuns 3.1, 3.2, 3.3, no lado alternado. Esses terminais comuns 3.1, 3.2, 3.3 devem ser ligados à carga, representada nesse exemplo tal como um motor 70 com três enrolamentos montados em estrela e, portanto, que tem um terminal comum 70.1. Cada enrolamento é montado entre um dos terminais comuns 3.1, 3.2, 3.3 que liga os dois meio braços de um braço e o terminal comum 70.1 da carga 70. Ao contrário do que ocorria na técnica anterior, a amplitude desses sinais é comandada, ela, pelo conversor CC/CC multiníveis modular 20. Há a separação entre a função de comando da frequência e aquela da amplitude.

[0080] Uma característica do dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com saída alternada objeto da invenção é que, para cada módulo do conversor CC/CC multiníveis modular 21, o comando de seus comutadores eletrônicos de potência é tal que se limita ao máximo a passagem de uma corrente, qualquer que seja seu sentido de escoamento, nos dispositivos de armazenar energia 4.3. Essa corrente é uma corrente de carga ou corrente positiva ou uma corrente de descarga ou corrente negativa. Limita-se assim o tempo de duração dos estados representados nas figuras 2B e 2D descritas precedentemente para evitar que os dispositivos de armazenar energia se carreguem ou se descarreguem tempo demais.

[0081] É buscado não se encontrar ou se encontrar o menos possível nas configurações das figuras 2B, 2D e a se encontrar o mais frequentemente possível e o maior tempo possível nas configurações das figuras 2A, 2C.

[0082] Uma tal circulação da corrente interna ao conversor CC/CA multiníveis modular 21 é possível se os comutadores eletrônicos de potência de cada módulo de comutação são comandados com um controle de onda total.

[0083] Na figura 3, foram representados de maneira esquemática, com a referência 29, e para um só dos módulos de comutação 4.16 somente, meios de comando de seus comutadores eletrônicos de potência T116 e T216. Fica bem entendido que tais meios de comando existem para todos os comutadores eletrônicos de potência de todos os módulos do conversor CC/CA multiníveis modular 21.

[0084] Para facilitar a compreensão do funcionamento do conversor CC/CA multiníveis modular 21, vai ser primeiro explicado fazendo para isso referência à figura 10A, o funcionamento de um conversor CC/CA convencional trifásico comandado por um controle de onda total. Ele não é um conversor multiníveis. Ele compreende três braços B1, B2, B3 ligados por seus terminais extremos emparalelo aos terminais de uma alimentação elétrica contínua que fornece uma tensão VDC e que é representada por dois condensadores C1, C2 em série que têm um ponto médio O. Cada braço se decompõe em dois meio braços que têm um terminal comum e esses terminais comuns que formam os terminais de saída alternados do conversor são referenciados R, S, T. Cada meio braço só compreende um elemento de comutação bidirecional em corrente com um comutador eletrônico de potência e um diodo em antiparalelo. O braço B1 compreende um comutador eletrônico de potência T10, o diodo D10, eles são ligados ao terminal positivo (+) da fonte de alimentação contínua, ou ao condensador C1. O braço B1 compreende também o comutador eletrônico de potência T10', o diodo D10', eles são ligados ao terminal negativo (-) da fonte de alimentação elétrica contínua, ou seja ao condensador C2. O braço B2 compreende o comutador eletrônico de potência T20, o diodo D20, eles são ligados ao terminal positivo (+) da fonte de alimentação contínua, ou seja ao condensador C1. O braço B2 compreende também o comutador eletrônico de potência T20', o diodo D20', eles são ligados ao terminal negativo (-) da fonte de alimentação elétrica contínua, ou seja ao condensador C2. O braço B3 compreende o comutador eletrônico de potência T30, o diodo D30, eles são ligados ao terminal positivo (+) da fonte de alimentação contínua, ou seja ao condensador C1. O braço B3 compreende também o comutador eletrônico de potência T30', o diodo D30', eles são ligados ao terminal negativo (-) da fonte de alimentação elétrica contínua, ou seja ao condensador C2.

[0085] A tensão entre um terminal de saída alternado R, S ou T e o ponto médio O varia entre +VDC/2 e -VDC/2 da maneira representada na figura 10B com um controle de onda total. Os comutadores eletrônicos de potência de cada módulo estão em estados opostos com aproximadamente um valor de tempo morto de diferença, pois eles não devem ser passantes ao mesmo tempo com o risco de curto-circuitar a fonte de alimentação elétrica VDC. Em um período do sinal de saída, cada comutador eletrônico de potência é passante durante a metade do tempo. Os três primeiros cronogramas representam respectivamente as tensões simples VRO, VSO, VTO e o ultimo representa a tensão composta URS entre o terminal R e o terminal S.

[0086] Quando o comutador eletrônico de potência T10 é passante, a tensão do terminal de saída R passa para +VDC/2. Se a corrente que percorre o braço B1 é positiva, ela passa pelo comutador eletrônico de potência T10. Se a corrente que percorre o braço B1 é negativa, ela passa pelo diodo D10. Quando o comutador eletrônico de potência T10' é passante, a tensão do terminal de saída R passa para -VDC/2. Se a corrente que percorre o braço B1 é positiva, ela passa pelo diodo D10'. Se a corrente que percorre o braço B1 é negativa, ela passa pelo comutador eletrônico de potência T10'.

[0087] Para cada um dos braços 1.1, 1.2, 1.3, durante uma metade do período, a indutância L11, L21, L31 é ligada ao terminal positivo de entrada 27 e durante a outra metade, a indutância L12, L22, L32 é ligada ao terminal negativo de entrada 28. Por causa da presença dessas indutâncias, o potencial presente no terminal positivo de entrada 27 ou no terminal negativo de entrada nunca está presente nos terminais comuns 3.1, 3.2, 3.3. Não se controla diretamente o potencial nesses terminais comuns.

[0088] No conversor CC/CA 21 ilustrado na figura 3, para obter a tensão +VDC em um nó comum 40 ligado a uma das indutâncias L11, L21, L31, os meios de comando 29 tornam passantes simultaneamente os primeiros comutadores eletrônicos de potência T111, T112, T113 de todos os módulos de comutação 4.11, 4.12, 4.13 da primeira cadeia de módulos. Os primeiros comutadores eletrônicos de potência T114, T115, T116 de todos os módulos de comutação 4.14, 4.15, 4.16 da segunda cadeia de módulos não devem ser passantes. Eles são bloqueados, pois senão é criado um curto-circuito de braço.

[0089] Para ter certeza de não obter esse curto-circuito, os meios de comando 29 tornam passantes também os segundos comutadores eletrônicos de potência T214, T215, T216 de todos os módulos de comutação 4.14, 4.15, 4.16 da segunda cadeia de módulos, e isso em sincronismo com o comando dos primeiros comutadores eletrônicos de potência T111, T112, T113 da primeira cadeia de módulos.

[0090] Para obter a tensão -VDC em um terminal extremo das indutâncias L12, L22, L32 oposta àquela ligada a um terminal comum 3.1, 3.2, 3.3, os meios de comando 29 tornam passantes simultaneamente os primeiros comutadores eletrônicos de potência T114, T115, T116 de todos os módulos de comutação 4.14, 4.15, 4.16 da segunda cadeia de módulos. Os primeiros comutadores eletrônicos de potência T111, T112, T113 de todos os módulos de comutação 4.11, 4.11, 4.13 da primeira cadeia de módulos não devem ser passantes. Eles são bloqueados, pois senão é criado um curto-circuito de braço.

[0091] Para ter certeza de não obter esse curto-circuito, os meios de comando 29 tornam passantes também os segundos comutadores eletrônicos de potência T211, T212, T213 de todos os módulos de comutação 4.11, 4.12, 4.13 da primeira cadeia de módulos, e isso em sincronismo com o comando dos primeiros comutadores eletrônicos de potência T114, T115, T116 da segunda cadeia de módulos.

[0092] Nos módulos que têm seu primeiro comutador eletrônico de potência passante, a corrente passará através dele se ele for positivo (como na figura 2A) e passará pelo primeiro diodo se ele for negativo (como na figura 2C). Ela não passa mais pelo dispositivo de armazenar energia. A corrente só circula nos módulos de comutação dos quais o primeiro comutador de potência é passante. Ela não passará pelos módulos de comutação dos quais o segundo comutador de potência é passante.

[0093] Os primeiros comutadores eletrônicos de potência de uma cadeia de módulos de comutação e os primeiros comutadores eletrônicos de potência da outra cadeia de módulos de comutação estão em estados complementares com aproximadamente um valor de tempo morto de diferença.

[0094] Os segundos comutadores eletrônicos de potência de uma cadeia de módulos de comutação e os segundos comutadores eletrônicos de potência da outra cadeia de módulos de comutação estão em estados complementares com aproximadamente um valor de tempo morto de diferença.

[0095] Os comutadores eletrônicos de potência de um mesmo módulo de comutação estão em estados complementares com aproximadamente um valor de tempo morto de diferença.

[0096] Quando se torna passante, em um módulo de comutação,um segundo comutador eletrônico de potência, é encontrada nos terminais do primeiro comutador eletrônico de potência desse módulo de comutação, a tensão do dispositivo de armazenar energia.

[0097] Na presente invenção, com o controle de onda total, os segundos comutadores eletrônicos de potência não intervêm na geração dos sinais de saída. Mas tornando-se os mesmos passantes e associando-se os mesmo ao dispositivo de armazenar energia, eles têm uma função de nivelamento da tensão aplicada aos terminais dos primeiros comutadores eletrônicos de potência que estão nesse caso no estado bloqueado. Eles têm, portanto, todo seu lugar na montagem.

[0098] Assim os dispositivos de armazenar energia 4.3 só são então utilizados com niveladores de sinais. Os valores das capacidades dos dispositivos de armazenar energia 4.3 podem ser reduzidos em relação àqueles necessários com um comando MLP clássico.

[0099] Na presente invenção, no âmbito de uma aplicação a uma carga de tipo motor assíncrono trifásico, a frequência pode ser da ordem do Hertz e mesmo até a dezena de Hertz e a relação cíclica de 0,5. A relação cíclica corresponde à metade do período do sinal desejado na saída do dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com saída alternada.®©®

[00100] Na figura 4A, foram representados sinais de ponto de ajuste sinusoidais que vão servir para determinar os instantes de comutação dos primeiro e segundo comutadores eletrônicos de potência de um módulo de comutação do conversor CC/CA multiníveis modular 21. Esses módulos estão todos eles em uma primeira cadeia de módulos. A sinusoide Φ é relativa, por exemplo, aos comutadores eletrônicos de potência T111, T211 do módulo de comutação 4.11 do braço 1.1. A sinusoide Φ é relativa, por exemplo, aos comutadores eletrônicos de potência T121, T221 do módulo de comutação 4.21 do braço 1.2. A sinusoide Φ é relativa aos comutadores eletrônicos de potência T131, T231 do módulo de comutação 4.31 do braço 1.3. Os instantes de comutação correspondem aos instantes nos quais o sinal de ponto de ajuste muda de sinal.

[00101] Foi representado no cronograma das figuras 4B, 4C, 4D o estado dos primeiro e segundo comutadores eletrônicos de potência T111, T211, T121 e T221, T131 E T231 respectivamente por ocasião de um controle de onda total. Os comandos sobre os diferentes braços são deslocados de um terço de período. No estado 1 eles são passantes e no estado 0 eles são bloqueados. A comutação dos comutadores eletrônicos de potência é provocada pela mudança de sinal do sinal de ponto de ajuste associado.

[00102] Na figura 4E, foi representada a evolução, em função do tempo, da tensão simples chamada respectivamente de Va, Vb, Vc. A tensão simples Va, Vb, Vc é a tensão tomada entre cada terminal comum 3.1, 3.2, 3.3 e um ponto médio fictício da alimentação contínua (barramento contínuo) de entrada do conversor CC/CA multiníveis modular 21. Essa tensão simples possui dois patamares, um positivo e um negativo. Há uma reentrância no topo desses patamares, isso é devido ao fato de que o potencial nos terminais comuns 3.1, 3.2, 3.3 não é diretamente controlado.

[00103] Na figura 4F, foi representada a evolução, em função do tempo, da tensão composta retirada entre dois terminais comuns. A tensão Vab está presente entre os terminais 3.1 e 3.2, a tensão Vbc está presente entre os terminais 3.2 e 3.3 e a tensão Vca está presente entre os terminais 3.3 e 3.1. Essa tensão composta possui três patamares, um nulo, um positivo e um negativo.

[00104] No final, qualquer que seja o número de módulos de comutação colocados em série nos meio braços, a tensão composta tem sempre três níveis. O comando fornecido pelos meios de comando 29 é simples, pois todos os módulos de comutação de um mesmo meio braço são comandados de maneira idêntica em sincronismo. Seus primeiros comutadores eletrônicos de potência estão em um mesmo estado ao mesmo tempo. Seus segundos comutadores eletrônicos de potência estão em um mesmo estado ao mesmo tempo, esse estado sendo oposto àquele dos primeiros comutadores eletrônicos de potência. Os módulos de um mesmo braço, mas que pertencem a meio braços diferentes são comandados de maneira oposta em sincronismo. Em contrapartida, a forma dos sinais de saída é bastante afastada de uma sinusoide que é sempre a forma de onde procurada para a alimentação da carga alternada.

[00105] Com esse controle de onda total, para cada braço, de acordo com o sinal da tensão de ponto de ajuste, é comandado voluntariamente o estado dos primeiro e segundo comutadores eletrônicos de potência de todos os módulos de um de seus meio braços em sincronismo de maneira a que a corrente que circula dentro de cada um dos módulos desse meio braço não atravesse o dispositivo de armazenar energia 4.3. Reduz-se bastante a necessidade em termos de capacidade e a ondulação de tensão nos terminais dos dispositivos de armazenar energia. Os dispositivos de armazenar energia 4.3 têm uma função de nivelamento de sobretensões que aparecem por ocasião das comutações dos primeiro e segundo comutadores eletrônicos de potência de um módulo que não são síncronos, quer dizer por ocasião dos tempos mortos.

[00106] O dimensionamento dos dispositivos de armazenar energia é obtido com a fórmula clássica I = CdU/dt com C a capacidade de um dispositivo de armazenar energia de um módulo de comutação do conversor CC/CA, I a corrente que o atravessa e U a tensão em seus terminais. É limitado ao máximo o tempo de passagem de corrente no dispositivo de armazenar energia.

[00107] Com o controle de onda total, os dispositivos de armazenar energia não são praticamente mais solicitados, e podem ter valores de capacidade vinte vezes menores do que aqueles que eles teriam se os comutadores eletrônicos de potência fossem comandados com um comando MLP clássico.

[00108] Para melhorar a forma de onda dos sinais na saída do dispositivo de conversão de potência com saída alternada objeto da invenção e reduzir os harmônicos, é possível ser levado, no lugar de escolher o controle de onda total durante todo o intervalo de tempo de funcionamento do dispositivo de conversão de potencia, a utilizar um comando misto de controle de onda total associado a um comando MLP.

[00109] Durante o intervalo de tempo de funcionamento do dispositivo de conversão de potência, o comando MLP vai ser utilizado quando a amplitude da corrente alternada na carga 70 for pequena, inferior a um limite. O controle de onda total será utilizado quando a amplitude da corrente alternada na carga 70 for grande, superior ou igual ao limite. Durante o comando MLP, os módulos de um meio braço são comandados sucessivamente e não simultaneamente. Essa corrente alternada que circula na carga é também chamada de corrente de saída do dispositivo de conversão de potência multiníveis modular objeto da invenção.

[00110] Esse comando MLP fornecido pelos meios de comando 29, volta a permitir a passagem de uma corrente no segundo diodo dos módulos de comutação de um primeiro meio braço e, portanto, no dispositivo de armazenar energia 4.3 dos módulos do primeiro meio braço quando a corrente na carga 70 é positiva e tem uma amplitude inferior ao limite. Esse comando MLP volta a permitir a passagem de uma corrente no segundo comutador eletrônico de potência dos módulos de comutação de um segundo meio braço e, portanto, no dispositivo de armazenar energia dos módulos do segundo meio braço quando a corrente da carga 70 é negativa e tem uma amplitude inferior ao limite.

[00111] Utilizando-se esse comando misto, o aumento da tensão nos terminais do dispositivo de armazenar energia 4.3 dos módulos é limitado e razoável. O valor a dar aos dispositivos de armazenar energia 4.3 é bem inferior àquele que ele teria se um comando MLP clássico fosse empregado em permanência.

[00112] De fato, o dimensionamento dos dispositivos de armazenar energia com um comando MLP clássico é baseado na frequência do sinal de saída para o parâmetro temporal (dt) e na corrente (I) que carrega o dispositivo de armazenar energia. A capacidade para dar aos dispositivos de armazenar energia corresponde ao caso em que a corrente é máxima e a frequência mínima. Na presente invenção, a corrente nos dispositivos de armazenar energia nunca é muito elevada visto que a corrente na carga 70 tem uma amplitude limitada inferior ao limite.

[00113] Esse comando misto de controle de onda total associado a um comando MLP pode ser realizado comparando para isso um sinal de referência sinusoidal ou sinusoidal truncado chamado de modulante com um sinal em dentes de serra chamado de portadora.

[00114] É possível se referir às figuras 5A1 e 5A2. Na figura 5A1, o sinal de referência é uma sinusoide completa e na figura 5A2 o sinal de referência é uma sinusoide truncada ao nível das cristas. O sinal de referência tem como frequência a frequência do sinal desejado na saída e um amplitude superior àquela do sinal em dentes de serra, se a sinusoide for completa, ou igual àquele do sinal em dentes de serra, se a sinusoide for truncada. O sinal em dentes de serra tem como frequência, a frequência de comutação dos comutadores eletrônicos de potência. Essa é uma frequência mais elevada do que aquela do sinal de referência, ela pode ser da ordem de 103 Hertz e mesmo mais.

[00115] Em um comando MLP clássico, a amplitude do sinal de referência é sempre inferior àquela da portadora.

[00116] Enquanto a amplitude do sinal de referência for inferior àquela da portadora, é utilizado o comando MLP, e a tensão Va, Vb, Vc presente ao nível dos terminais comuns 3.1, 3.2, 3.3 acompanha fielmente o aspecto do sinal de referência. No braço 1.1 por exemplo, a corrente interna aos módulos de comutação 4.11 a 4.16 passa pelos dispositivos de armazenar energia 4.3 e ou pelos segundos comutadores eletrônicos de potência T211, T212, T213, T214, T215, T216, ou pelos segundos diodos D211, D212, D213, D214, D215,D216, de acordo com que a corrente é positiva ou negativa, durante intervalos de tempos que correspondem ao bloqueio dos primeiros comutadores eletrônicos de potência T111, T112, T113, T114, T115, T116. Os comandos dos comutadores eletrônicos de potência dos diferentes módulos de um meio braço são sucessivos. Os comandos dos comutadores eletrônicos de potência de dois módulos homólogos que pertencem a dois meio braços de um mesmo braço são síncronos.

[00117] Desde que a amplitude do sinal de referência se torna igual ou superior àquela da portadora, é utilizado o controle de onda total e a tensão Va, Vb, Vc presente ao nível dos terminais comuns 3.1, 3.2, 3.3 se desvia do aspecto do sinal de referência, e possui um aspecto comparável com os aspectos mostrados nas figuras 4E na proximidade das cristas. No braço 1.1 por exemplo, a corrente interna aos módulos de comutação 4.11 a 4.16 não passa pelos dispositivos de armazenar energia 4.3, na medida em que os primeiros comutadores eletrônicos de potência T111, T112, T113 ou T114, T115, T116 dos módulos de comutação 4.11, 4.12, 4.13 ou 4.14, 4.15, 4.16 de um mesmo braço permanecem passantes.

[00118] Na figura 5B, foi representada, em função do tempo, a evolução da tensão simples que é a tensão tomada entre cada terminal comum 3.1, 3.2, 3.3 e o terminal comum 70.1 da carga 70, essa tensão simples sendo chamada respectivamente de Va, Vb, Vc. As escalas são diferentes entre as figuras 5A e 5B.

[00119] Com um tal comando misto de controle de onda total associado a um comando MLP, ajustando-se as amplitudes do sinal de referência e da portadora, é possível encontrar um compromisso que permite limitar a tensão nos terminais dos dispositivos de armazenar energia ao mesmo tempo em que se obtém tensões ao nível dos terminais comuns 3.1, 3.2, 3.3 das quais a frequência é controlada e que se aproximam mais da sinusoide desejada.

[00120] No que diz respeito ao conversor CC/CC multiníveis modular 20, seu braço 20.1 pode ser formado por módulos de comutação 26 idênticos àqueles do conversor CC/CA multiníveis modular 21.

[00121] Seus módulos de comutação 26 são comandados também com um controle de onda total, como o conversor CC/CA multiníveis modular 21. Foram representados na figura 3, de maneira esquemática, com a referência 30 e para um só dos módulos de comutação 26, meios de comando de seus comutadores eletrônicos de potência.

[00122] Em contrapartida a frequência do controle de onda total será mais elevada do que aquela utilizado no conversor CC/CA multiníveis modular 21. Essa frequência pode ser da ordem da centena de Hertz com uma relação cíclica α compreendida entre 0,1 e 0,9. A relação cíclica α corresponde à relação entre o tempo de condução dos primeiros comutadores eletrônicos de potência e o período de divisão. Tem-se uma relação de tipo Vs = αVe entre a tensão de entrada Ve e a tensão de saída Vs do conversor CC/CC multiníveis modular 20. O controle do valor da relação cíclica α permite ajustar a amplitude da tensão contínua de saída Vs.

[00123] A figura 6A ilustra a evolução, no tempo, da tensão contínua fornecida pela alimentação elétrica contínua 24 e a figura 6B ilustra a evolução no tempo da tensão de saída contínua presente nos terminais 27 e 28 que correspondem aos terminais de saída do conversor CC/CC multiníveis modular 20 para um valor dado da relação cíclica α.

[00124] É evidentemente possível comandar os módulos 26 do conversor CC/CC multiníveis modular 20 com um comando MLP no qual o sinal de referência é uma constante e a portadora é um sinal em dentes de serra.

[00125] Agora haverá o interesse nas figuras 7A, 7B, 7C, 7D que mostram trajetos das correntes no conversor CC/CA multiníveis modular 21 e na carga trifásica 70 na variante do controle de onda total. Cada uma das fases da carga é ligada a um terminal comum 3.1, 3.2, 3.3.

[00126] Na figura 7A, a corrente de carga Idc que entra se distribui substancialmente de modo equitativo no primeiro meio braço 1.11 da fase 1 e no primeiro meio braço 1.31 da fase 3, ela percorre a carga 70 e volta para o conversor CC/CA multiníveis modular 21 pelo segundo meio braço 1.22 da fase 2. Na figura 7B, a corrente de carga Idc passa na totalidade no primeiro meio braço 1.11 da fase 1, ela percorre a carga 70 e volta para o conversor CC/CA multiníveis modular 21, pelo segundo meio braço 1.22 da fase 2., pelo segundo meio braço 1.32 da fase 3 se distribuindo para isso substancialmente de modo equitativo em cada um deles. Na figura 7C, a corrente de carga Idc se distribui substancialmente de modo equitativo no primeiro braço 1.11 da fase 1 e no primeiro meio braço 1.21 da fase 2, ela percorre a carga 70 e volta para o conversor CC/CA multiníveis modular 21 pelo segundo meio braço 1.32 da fase 3, Na figura 7D, a corrente de carga Idc passa na totalidade no primeiro braço 1.21 da fase 2, ela percorre a carga 70 e volta párea o conversor CC/CA multiníveis modular 21 pelo segundo meio braço 1.12 da fase 1 e pelo segundo meio braço 2.32 da fase 3 se distribuindo para isso substancialmente de modo equitativo em cada um deles. Esses esquemas correspondem a uma corrente de carga Idc positiva.

[00127] Por causa da presença das indutâncias L11, L12, L21, L22, L31, L32, quando se para de comandar os módulos de um meio braço, por exemplo de cima, e que se passa ao comando dos módulos de um meio braço, por exemplo de baixo, a corrente leva um certo tempo para passar do meio braço de cima para o meio braço de baixo. Mas visto as escalas de tempo, é possível considerar que a corrente de saída é constante e que a transição que se produz é insignificante. Mas é durante essa transição que corrente vai passar nos dispositivos de armazenar energia.

[00128] Agora será feito referência à figura 8 que representa esquematicamente um variador de velocidade objeto da invenção. Esse variador inclui um dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com saída alternada e entrada contínua 82 objeto da invenção.

[00129] O variador de velocidade compreende a partir de uma alimentação elétrica alternada trifásica 80, em série, um conversor CA/CC 81, e depois o dispositivo de conversão de potência CC/CA multiníveis modular 82 objeto da invenção. A carga 70 é destinada a ser ligada na saída do conversor CC/CA multiníveis modular 21. Em função do desempenho harmônico do dispositivo de conversão CC/CA objeto da invenção, pode não ser mais necessário utilizar filtros de nivelamento que eram necessários com o emprego de um conversor CC/CA multiníveis da técnica anterior, como os conversores NPC ou ANPC, limitados a cinco níveis de tensão. O comando misto de controle de onda total associado a um comando MLP permite reduzir os harmônicos em relação ao controle de onda total. Dispõe-se na saída do dispositivo de conversão de potência CC/CA multiníveis modular 82 de mais níveis de tensão do que na variante que utiliza o controle de onda total. A alimentação elétrica alternada trifásica 80 é a rede alternada.

[00130] Nos variadores de velocidade da técnica anterior que utilizavam um conversor CC/CA multiníveis modular como aquele da figura 1, são encontrados também um conversor CA/CC entre a alimentação elétrica alternada trifásica e o conversor CC/CA multiníveis modular. Era necessário prever um filtro LC de filtragem da corrente e da tensão posicionado entre o conversor CC/CA multiníveis modular e o conversor CA/CC. Era possível também prever um filtro LC de nivelamento de corrente ligado entre a alimentação elétrica alternada trifásica e o conversor CA/CC, e um filtro LC de nivelamento de tensão entre o conversor CC/CA multiníveis modular e a carga.

[00131] No variador de velocidade que utiliza um dispositivo de conversão de potência CC/CA modular da invenção 82, um transformador não é obrigatório. Se ele fosse utilizado, ele seria ligado entre a alimentação elétrica alternada trifásica 80 e o conversor CA/CC 81. Ele é representado em pontilhados, pois é opcional com a referência 84. Ele serve para adaptar o nível de tensão da alimentação elétrica alternada 80 que é, mas aplicações de variadores de velocidade de média tensão, por exemplo, compreendida entre 2,3 kV e 15 kV.

[00132] O transformador é um componente com muita frequência volumoso e oneroso. É possível não usá-lo graças à cadeia de módulos em série, o que permite suportar diretamente o nível de tensão da alimentação elétrica alternada trifásica.

[00133] A figura 9A ilustra agora um outro exemplo, não limitativo, de dispositivo de conversão de potência CA/CA multiníveis modular objeto da invenção. Nesse exemplo o dispositivo de conversão de potência CA/CA multiníveis modular é trifásico. Ele poderia evidentemente ser monofásico. Esse dispositivo de conversão de potência CA/CA multiníveis modular pode servir tal qual como variador de velocidade. Ele compreende um conversor CC/CA multiníveis modular 21 tal como aquele descrito na figura 2, mas não compreende um conversor multiníveis modular CC/CC. No lugar do conversor multiníveis modular CC/CC, há um conversor CA/CC 90 ligado ao conversor CC/CA multiníveis modular 21. Esse conversor CA/CC 90 é destinado a ser ligado de um lado a uma alimentação elétrica alternada 80. Do outro, ele é ligado aos dois terminais 27, 28 contínuos definidos pelas extremidades dos braços do conversor CC/CA multiníveis modular 21.

[00134] O conversor CA/CC 90 pode ser um conversor CA/CC 90 de tipo ponte retificadora de comutação comandada. Ele compreende três braços 90.1, 90.2, 90.3 montados em paralelo, suas extremidades 91, 92 definindo dois terminais contínuos ligados aos terminais contínuos 27, 28 do conversor CC/CA multiníveis modular 21. Cada braço 90.1, 90.2, 90.3 compreende dois interruptores elementares 9.11, 9.12, 9.21, 9.22, 9.31, 9.32 de semicondutor em série que têm um nó comum A1, A2, A3, cada um desses nós comuns A1, A2, A3 definindo um terminal alternado de entrada (ou entrada alternada) destinado a ser ligado à alimentação elétrica alternada 80.

[00135] Na figura 9A, os interruptores elementares 9.11, 9.12, 9.21, 9.22, 9.31, 9.32 foram representados como tiristores, mas isso é só um exemplo não limitativo. É evidentemente possível substituir os mesmos por outros tipos de interruptores de semicondutores que podem ser comandados.

[00136] Em um outro modo de realização ilustrado na figura 9B, o conversor CA/CC foi substituído por um conversor CA/CC multiníveis modular que tem módulos 41 similares àqueles do conversor CC/CA multiníveis modular mostrado na figura 1, esse conversor CA/CC multiníveis modular possui nesse caso vários braços 95.1, 95.2, 95.3 montados em paralelo dos quais as extremidades definem terminais contínuos 97, 98. Esses terminais contínuos são ligados aos terminais contínuos 27, 28 do conversor CC/CA multiníveis modular 21 e, portanto, confundidos com eles. Cada braço 95.1, 95.2, 95.3 compreende duas cadeias 96.11, 96.12, 96.21, 96.22, 96.31, 96.32 de módulos de comutação 41 montadas em série que têm um terminal contínuo respectivamente 93.1, 93.2, 93.3 que definem terminais alternados destinados a ser ligados à alimentação elétrica alternada 80. Cada módulo de comutação 41 é idêntico àquele ilustrado nas figuras 2A-D. Na figura 9B, foi previsto um transformado 84 destinado a ser ligado de um lado à alimentação elétrica alternada 80 e ligado do outro lado à entrada alternada do conversor com entrada alternada e saída contínua 90 do dispositivo de conversão de potência multiníveis modular. O transformador 84 é opcional.

[00137] Nesses modos de realização o conversor CA/CC é utilizado para ajustar a amplitude do sinal realizado pelo conversor multiníveis modular CC/CA.

[00138] Ainda que vários exemplos de realização da presente invenção tenham sido representados e descritos de modo detalhado, é compreendido que diferentes mudanças e modificações podem ser trazidas sem sair do âmbito da invenção.

Claims (14)

1. Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular com saída alternada e entrada alternada ou contínua compreendendo: - um conversor CC/CA multiníveis modular (21) com vários braços (1.1, 1.2, 1.3) montados em paralelo dos quais as extremidades definem terminais contínuos de entrada (27, 28), cada braço compreendendo duas cadeias de módulos de comutação (4.11, 4.12, 4.13, 4.14, 4.15, 4.16) em série, ligadas a um terminal comum (3.1, 3.2, 3.3), esse terminal comum definindo um terminal alternado de saída do dispositivo de conversão de potência multiníveis modular, cada módulo de comutação (4.11, 4.12, 4.13, 4.14, 4.15, 4.16) compreendendo pelo menos um par de comutadores eletrônicos de potência (T111, T211) dispostos em série, montado nos terminais de um dispositivo de armazenar energia (4.3), os comutadores eletrônicos de potência (T111, T112, T113) de uma mesma cadeia, ligados a um terminal de mesma polaridade do dispositivo de armazenar energia (4.3) sendo qualificados de homólogos, o conversor CC/CA multiníveis modular (21) sendo destinado a ajustar a frequência na saída do dispositivo de conversão multiníveis modular; e - meios de comando (29) dos comutadores eletrônicos de potência para colocar os mesmos em um estado passante ou bloqueado, caracterizado pelo fato de que os meios de comando (29) são adaptados para aplicar aos comutadores eletrônicos de potência, durante pelo menos uma parte de um intervalo de tempo de funcionamento do dispositivo de conversão de potência, um controle de onda total, os módulos (4.11, 4.12, 4.13) de uma mesma cadeia tendo nesse caso seus comutadores eletrônicos de potência homólogos (T111, T112, T113) em um mesmo estado simultaneamente, os meios de comando (29) aplicam, durante pelo menos uma segunda parte restante do intervalo de tempo, aos comutadores eletrônicos de potência (T111, T211, T112, T212, T113, T213), um comando de Modulação por Largura de Pulso (MLP), o comando MLP sendo aplicado quando uma corrente de saída do dispositivo de conversão de potência multiníveis modular é inferior a um limite e o controle de onda total quando a corrente de saída é superior ou igual ao limite, os módulos comutadores (4.11, 4.12, 4.13) de uma mesma cadeia tendo nesse caso seus comutadores eletrônicos de potência homólogos (T111, T112, T113) em um mesmo estado simultaneamente; e compreendendo ainda um conversor com saída contínua e entrada contínua ou alternada (20) que compreende dois terminais de saída (A, 22) ligados aos terminais contínuos (27, 28) de entrada do conversor multiníveis modular (21), esse conversor com saída contínua sendo destinado a ajustar a amplitude na saída do dispositivo de conversão de potência.

2. Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada módulo (4.11, 4.12, 4.13) compreende um primeiro comutador de potência (T111, T112, T113) ligado a um terminal de polaridade positiva do dispositivo de armazenar energia (4.3) e um segundo comutador de potência (T211, T212, T213) ligado a um terminal de polaridade negativa do dispositivo de armazenar energia (4.3), e pelo fato de que, e durante o controle de onda total, uma corrente só circula nos módulos de comutação dos quais o primeiro comutador de potência está no estado passante.

3. Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada comutador eletrônico de potência (T111) é associado com um diodo (D111) em antiparalelo.

4. Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que cada comutador eletrônico de potência (T111, T211) é escolhido entre um transistor bipolar de porta isolada, um transistor de efeito de campo, um transistor MOSFET, um tiristor comutável pelo gatilho, um tiristor comutado pelo gatilho integrado.

5. Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de armazenar energia (4.3) é escolhido entre um condensador, uma bateria, uma pilha de combustível.

6. Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a conexão das cadeias de módulos de um mesmo braço ao terminal comum (3.1, 3.2, 3.3) é feita via indutâncias (L11, L12, L21, L22, L31, L32).

7. Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o conversor com saída contínua e entrada contínua (20) é um conversor CC/CA multiníveis modular que possui um único braço (20.1) do qual as extremidades definem dois terminais de entrada contínuos, que compreende dois meio braços (25) em série que têm um terminal comum (A), esse terminal comum (A) definindo um dos terminais contínuo de saída, uma das extremidades definindo o outro terminal de saída (22), cada meio braço compreendendo uma cadeia de módulos (26) de comutação com pelo menos um par de comutadores eletrônicos de potência montados em série, esse par sendo montado nos terminais de um dispositivo de armazenar energia, e meios de comando (30) dos comutadores eletrônicos de potência de cada módulo.

8. Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os meios de comando (30) dos comutadores eletrônicos de potência de cada módulo (26) do conversor CC/CC multiníveis modular (20) aplicam aos comutadores eletrônicos de potência um controle de onda total, o controle de onda total tendo uma frequência maior do que a frequência do controle de onda total dos meios de comando (29) dos comutadores eletrônicos de potência de cada módulo (4.11, 4.12, 4.13) do conversor CC/CA multiníveis modular (21).

9. Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o conversor com saída contínua e entrada alternada (90) é uma ponte retificadora de comutação comandada.

10. Dispositivo de conversão de potência multiníveis modular de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o conversor com saída contínua e entrada alternada (90) é um conversor CA/CC multiníveis modular.

11. Variador de velocidade caracterizado pelo fato de que ele compreende um dispositivo de conversão de potência multiníveis modular como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.

12. Variador de velocidade de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de conversão de potência multiníveis modular compreende um conversor com saída contínua e entrada alternada (90), a entrada alternada (A1, A2, A3) é destinada a ser ligada a uma alimentação elétrica alternada (80).

13. Variador de velocidade de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de conversão de potência multiníveis modular compreende um conversor com entrada contínua e saída contínua (20), o variador de velocidade compreende, por outro lado, um conversor com entrada alternada e saída contínua (81), destinado a ser ligado no lado da entrada alternada a uma alimentação elétrica alternada (80) e ligado no lado da saída contínua ao conversor com entrada contínua e saída contínua (20).

14. Variador de velocidade de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que ele compreende por outro lado um transformador (84) destinado a ser ligado de um lado à alimentação elétrica alternada (80) e ligado do outro lado à entrada alternada do conversor com entrada alternada e saída contínua (90) do dispositivo de conversão de potência multiníveis modular.

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