BRPI0913187B1

BRPI0913187B1 - Método de reduzir perdas por comutação em uma fonte de energia e fonte de energia multicelular

Info

Publication number: BRPI0913187B1
Application number: BRPI0913187-6A
Authority: BR
Inventors: Peter Willard Hammond; Mukul Rastogi
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2020-01-07
Also published as: BRPI0913187A2; CN102047547B; US8169107B2; CA2726056C; WO2009148555A3; EP2289160A2; AU2009255650A1; US20090302682A1; WO2009148555A2; CA2726056A1; CN102047547A

Abstract

método de reduzir perdas por comutação em uma fonte de energia e fonte de energia multicelular a presente invenção refere-se a um método de reduzir as perdas por comutação em uma fonte de energia inclui as etapas de: avançar a tensão de saída (710) de um primeiro polo de uma célula de energia (cla1) por um primeiro ângulo; retardar a tensão de saída (710) de um segundo polo da célula de energia (cla1) por um segundo ângulo; e produzir uma tensão de saída (710) combinada da célula de energia (cla1, cla2, cla3) igual a um pulso positivo (715) de um ângulo de duração, igual à soma do primeiro ângulo e do segundo ângulo, para uma primeira metade da célula de energia (cla1), e igual a um pulso negativo (717) de um ângulo de duração, igual à soma do primeiro ângulo e do segundo ângulo para uma segunda metade do ciclo de comutação da célula de energia (cla1).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO DE REDUZIR PERDAS POR COMUTAÇÃO EM UMA FONTE DE ENERGIA E FONTE DE ENERGIA MULTICELULAR.

REMISSÃO RECÍPROCA A PEDIDOS DE PATENTES RELACIONADOS [001] Este pedido de patente reivindica a prioridade do pedido de patente U.S. provisório 61/057.341 e do pedido de patente U.S. provisório 61/057.397, ambos depositados em 30 de maio de 2008. ANTECEDENTES [002] A presente invenção refere-se, geralmente e em várias concretizações, a um sistema e a um método para reduzir as perdas por comutação em uma fonte de energia multicelular de alta frequência.

[003] Em certas aplicações, uma fonte multicelular supre células de energia modulares, para processar energia entre uma fonte uma carga. Por exemplo, a figura 1 ilustra várias concretizações de uma fonte de energia (por exemplo, um acionamento de motor CA - de corrente alternada), tendo nove dessas células de energia. As células de energia na figura 1 são representadas por um bloco tendo terminais de entrada A, B e C, e terminais de saída T1 e T2. Na figura 1, um transformador ou outro dispositivo multienrolamento 110 recebe energia de tensão média, trifásica no seu enrolamento primário 112, e transmite energia a uma carga 130, tal como um motor CA trifásico, por meio de um conjunto de inversores de fase única (também referidos domo células de energia). Cada fase da saída da fonte de energia é alimentada por um grupo de células de energia ligadas em série, chamadas, no presente relatório descritivo, um grupo de fase.

[004] O transformador 110 inclui enrolamentos primários 112, que excitam vários enrolamentos secundários 114 - 122. Embora os enrolamentos primários 112 sejam ilustrados como tendo uma configura

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2/34 ção em estrela, uma configuração em malha também é possível. Ainda mais, embora os enrolamentos secundários 114 - 122 são ilustrados como tendo uma configuração delta ou delta estendida, outras configurações de enrolamentos podendo ser usadas como descrito na patente U.S. 5.625.545 de Hammond, cuja descrição é incorporada no presente relatório descritivo por referência, na sua totalidade.

[005] Um número qualquer de linhas de células de energia é ligado entre o transformador 110 e a carga 130. Uma linha, no contexto da figura 1, é considerada como sendo um conjunto trifásico, ou um grupo de três células de energia estabelecido por cada uma das três fases do sistema de transmissão de energia. Com referência à figura 1, a linha 150 inclui as células de energia 151 - 153, a linha 160 inclui as células de energia 161 - 163, e a linha 170 inclui as células de energia 171 - 173. Um sistema de controle principal 195 envia os sinais de comando para os controles locais, em cada célula, por fibra óptica ou outro meio de comunicações com ou sem fio 190. Deve-se notar que o número de células por fase, ilustrado na figura 1, é exemplificativo, e mais ou menos três linhas podem ser possíveis em várias concretizações.

[006] No exemplo da figura 1, há um enrolamento secundário separada para cada célula de energia. No entanto, o número de células de energia e/ou enrolamentos secundários, ilustrados na figura 1, é meramente exemplificativo, e outros números são possíveis. Os enrolamentos secundários, em cada linha, podem ter o mesmo ângulo de fase, que pode diferir do ângulo de fase de todas as outras linhas. Para as aplicações nas quais todas as células conduzem uma parcela igual da energia de carga, a disposição faz com que muitos das harmônicas nas correntes de entrada das células sejam cancelados no transformador 110, de modo que não sejam passados pelas correntes primárias.

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3/34 [007] A figura 2 ilustra várias concretizações de uma célula de energia 210, que é representativa de várias concretizações das células de energia da figura 1. A célula de energia 210 inclui um retificador de ponte de diodo trifásico 212, uma ou mais capacitores de corrente contínua (CC) 214, e um inversor de ponte em H 216. O retificador 212 converte a tensão de corrente alternada (CA), na entrada da célula 218 (isto é, nos terminais de entrada A, B e C), a uma tensão CC substancialmente constante, que é suportada por cada capacitor 214, que é ligado pela saída do retificador 212. O estágio de saída da célula de energia 210 inclui um inversor de ponte em H 216, que inclui dois polos, um polo esquerdo e um polo direito, cada um deles com dois dispositivos de comutação 217, que são, nesse exemplo, transistores bipolares de porta isolada (IGBTs). O inversor 216 transforma a tensão CC pelos capacitores CC 214, a uma tensão AC, na saída de célula 220 (isto é, pelos terminais de saída T1 e T2), frequentemente, por uso de modulação de amplitude de pulso (PWM) dos dispositivos semicondutores no inversor de ponte em H 216.

[008] Como mostrado na figura 2, a célula de energia 210 pode também incluir fusíveis 230, ligados entre a entrada de célula 218 e o retificador 212. Os fusíveis 230 podem operar para ajudar a proteger a célula de energia 210, no caso de uma falha de curto-circuito. De acordo com outras concretizações, a célula de energia 210 pode ser idêntica ou similar àquelas descritas na patente U.S. 5.986.909 ou 6.222.284 de Hammond e Aiello, cujas descrições são incorporadas no presente relatório descritivo por referência, nas suas totalidades.

[009] A figura 3 ilustra formas de onda exemplificativas associadas com várias concretizações de uma fonte de energia, controlada por PWM. A fonte de energia inclui seis células de energia por fase, mas é, de outro modo, similar à célula de energia da figura 11. As formas de onda mostram um sinal de referência 302, um sinal da porta

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4/34 dora 304, uma tensão 306, que é a soma das voltagens de seis células de energia na fase A, e uma tensão de carga 308 da fase A para neutro.

[0010] Com referência às figuras 2 e 3, o sinal de referência 302 representa a tensão de saída desejada para um polo de um inversor de ponte em H 216, em uma célula de energia. O sinal da portadora 304 é uma forma de onda triangular assimétrica, na frequência de comutação desejada. O sinal de referência 302 pode ser comparado ao sinal da portadora 304, para controlar a comutação de um polo do inversor de ponte em H 216. Quando o sinal de referência 302 é maior do que o sinal da portadora 304, o polo é comutado para a tensão CC positiva dos capacitores 214, de outro modo, o polo é comutado para a tensão CC negativa dos capacitores 214. Para o outro polo do inversor de ponte em H 216, a tensão desejada é o inverso do mesmo sinal de referência. Portanto, o inverso do sinal de referência pode ser comparado com o mesmo sinal da portadora (ou vice-versa), para controlar o outro polo. As outras células no mesmo grupo de fase podem usar o mesmo sinal de referência, e as mesmas réplicas deslocadas no tempo do sinal da portadora. A soma 306 das voltagens de saída de todas as células no grupo de fase é mostrada na figura 3. Os outros dois grupos de fase usam o mesmo conjunto das portadoras, com réplicas da forma de onda de referência, que são deslocadas em fase por ± 120°. Portanto, os outros dois grupos de fase produzem voltagens de somas similares, que são também deslocadas em fase por ± 120°. Essas três voltagens de soma original três voltagens de linha para neutra na carga, uma das quais 308 é mostrada na figura 3. O método PWM resulta em todas as células conduzindo uma divisão igual da energia da carga, propiciando, desse modo, muitas harmônicas nas correntes de entrada das células, para cancelar no transformador. Detalhes adicionais desse método PWM podem ser encontrados, por exemplo, na

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5/34 patente U.S. 5.625.545.

[0011] O exemplo da figura 3 mostra um sinal da portadora 304, que fica oscilando a uma frequência de comutação desejada, que é dez vezes a frequência do sinal de referência. Em muitas aplicações de acionamento por motor, a frequência de saída desejada máxima é de 60 hertz. Desse modo, com relação à figura 3, se a frequência de saída desejada máxima for de 60 hertz, a frequência de comutação, na figura 3, é de 600 hertz. Os modernos dispositivos de comutação, tais como os IGBTs, podem comutar facilmente a 600 hertz, sem perdas de comutação excessivas.

[0012] A figura 4 ilustra uma representação gráfica do espectro de frequência da tensão de carga na figura 3. O eixo vertical é escalonado, de modo que o componente fundamental (desejado) 402 registra zero dB. A figura 4 mostra que o componente harmônico mais baixo (indesejado) 404, que excede -40 dB (1% do fundamental) é a 89° harmônica. Se a frequência fundamental (desejada) estiver a 60 hertz, então a 89° harmônica vai estar a 5.340 hertz. Essa grande separação em frequência entre os componentes desejado e indesejado é característica do PWM, quando a frequência de comutação é significativamente maior do que a frequência desejada. Frequentemente, a carga 130 inclui uma indutância em série significativa (por exemplo, um motor CA), e as altas frequências dos componentes de tensão indesejados permitem que essa indutância elimine as correntes indesejadas resultantes.

[0013] No entanto, há muitas aplicações nas quais a frequência desejada é muito maior do que 60 hertz. Por exemplo, há uma tendência emergente para conectar um motor de alta velocidade diretamente a um compressor de alta velocidade, sem uma caixa de transmissão elevada. Para essas aplicações, o motor pode ser acionado por uma fonte de energia de alta frequência, para girar a 5.000 rpm ou mais.

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Para os motores com mais de dois polos, a frequência necessária é ainda mais alta.

[0014] Quando a frequência desejada é aumentada a várias centenas de hertz, fica mais difícil estender o método PWM, da figura 3, enquanto mantendo uma frequência de comutação muito mais alta do que a frequência desejada. A uma frequência de comutação de vários milhares de hertz, as perdas por comutação podem se transformar nas perdas dominantes na fonte de energia, os IGBTs podem ter que ser operados abaixo das suas capacidades de corrente nominais, e o custo por quilowatt vai aumentar proporcionalmente. A taxa na qual os dados são transmitidos, do controle principal 195 para as células, pode ter também que aumentar pelo mesmo fator que o da frequência de comutação.

[0015] A figura 5 ilustra formas de onda exemplificativas associadas com várias concretizações de uma fonte de energia, controlada por PWM. A figura 5 é similar à figura 3, mas é diferente pelo fato de que o sinal da portadora 504 fica oscilando a uma frequência de comutação, que é apenas quatro vezes a frequência desejada do sinal de referência 502. Em comparação com a figura 3, fica claro que há menos etapas por ciclo na figura 5. A figura 5 também mostra a soma 506 das voltagens de saída de todas as células no grupo de fase, juntamente uma tensão de linha a neutro 508.

[0016] A figura 6 ilustra uma representação gráfica do espectro de frequência da tensão de carga na figura 5. O eixo vertical é escalonado de modo que o componente fundamental (desejado) 602 registra zero dB. A figura 6 mostra que o componente harmônico mais baixo (indesejado) 604, que excede -40 dB (1% do fundamental) é a 17° harmônica. Por redução da razão da frequência de comutação para a de referência por um fator de 2,5 (de dez na figura 3 para quatro na figura 5), a razão das frequências indesejada para desejada foi reduzi

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7/34 da por um fator de 5,24 (de 89 na figura 4 a 17 na figura 6). As amplitudes das correntes indesejadas da figura 6 são aumentadas por um fator similar em relação às amplitudes das correntes indesejadas da figura 4.

[0017] Mesmo com uma frequência de comutação de apenas quatro vezes uma frequência desejada de várias centenas de hertz, alguma diminuição de capacidade dos IGBTs, e algum aumento na taxa de transmissão de dados podem ser ainda necessários na técnica anterior.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0018] Antes dos presentes métodos serem descritos, deve-se entender que essa invenção não é limitada aos sistemas, metodologias ou protocolos particulares descritos, pois esses podem variar. Deve-se também entender que a terminologia usada no presente relatório descritivo é com a finalidade de descrever apenas as concretizações particulares, e não se tem intenção de limitar o âmbito da presente invenção, que vai ser limitado apenas pelas concretizações em anexo.

[0019] Deve-se notar que, como usado no presente relatório descritivo e nas concretizações em anexo, as formas singulares um, uma, o e a incluem as referências no plural, a menos que o contexto dite claramente de outro modo. A menos que definido de outro modo, todos os termos técnicos e científicos usados no presente relatório descritivo, têm os mesmos significados, como entendido comumente por uma pessoa versada na técnica. Como usado no presente relatório descritivo, o termo compreendendo significa incluindo, mas não limitado a.

[0020] Em um aspecto geral, as concretizações descrevem um método de reduzir as perdas por comutação em uma fonte de energia. O método inclui as etapas de: avançar a tensão de saída de um primeiro polo de uma célula de energia por um primeiro ângulo; retardar

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8/34 a tensão de saída de um segundo polo da célula de energia por um segundo ângulo; e produzir uma tensão de saída combinada da célula de energia, igual a um pulso positivo de um ângulo de duração, igual à soma do primeiro ângulo e do segundo ângulo, para uma primeira metade de um ciclo de comutação da célula de energia, e igual a um pulso negativo de um ângulo de duração, igual à soma do primeiro ângulo e do segundo ângulo, para uma segunda metade do ciclo de comutação da célula de energia.

[0021] Em outro aspecto geral, as concretizações descrevem um método de redução de perdas por comutação em uma fonte de energia multicelular. O método inclui as etapas de: aplicar um primeiro comando de ângulo de um modelo de controle de eliminação de harmônicas seletiva a uma primeira célula de energia, de um primeiro grupo de fase de uma fonte de energia multicelular; aplicar um segundo comando de ângulo do modelo de controle de eliminação de harmônicas seletiva a uma segunda célula de energia, do primeiro grupo de fase da fonte de energia, em que pelo menos um do primeiro comando de ângulo e do segundo comando de ângulo é um comando de ângulo negativo; aplicar o segundo comando de ângulo a uma célula de energia, diferente da segunda célula de energia, após primeira parte de um ciclo de comutação da fonte de energia; e aplicar o primeiro comando de ângulo à segunda célula de energia.

[0022] Em outro aspecto geral, as concretizações descrevem uma fonte de energia multicelular. A fonte de energia inclui uma pluralidade de células de energia, dispostas em pelo menos um primeiro grupo de fase, e um sistema de controle, em comunicação com as células de energia. O sistema de controle é configurado para: aplicar um primeiro comando de ângulo de um modelo de controle de eliminação de harmônicas seletiva a um primeira célula de energia do primeiro grupo de fase; aplicar um segundo comando de ângulo do modelo de controle

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9/34 de eliminação de harmônicas seletiva a uma segunda célula de energia do primeiro grupo de fase, em que pelo menos um do primeiro comando de ângulo e do segundo comando de ângulo é um comando de ângulo negativo; aplicar o segundo comando de ângulo a uma célula de energia diferente da segunda célula de energia, após uma primeira parte de um ciclo de comutação da fonte de energia; e aplicar o primeiro comando de ângulo à segunda célula de energia.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0023] A figura 1 ilustra várias concretizações de uma fonte de energia da técnica anterior.

[0024] A figura 2 ilustra várias concretizações de uma célula de energia da fonte de energia da técnica anterior da figura 1.

[0025] A figura 3 ilustra formas de onda exemplificativas associadas com as várias concretizações de uma fonte de energia da técnica anterior, controlada por modulação de amplitude de pulso.

[0026] A figura 4 ilustra uma representação gráfica do espectro de frequência da tensão de carga na figura 3.

[0027] A figura 5 ilustra formas de onda exemplificativas associadas com as várias concretizações de uma fonte de energia da técnica anterior, controlada por modulação de amplitude de pulso.

[0028] A figura 6 ilustra uma representação gráfica do espectro de frequência da tensão de carga na figura 5.

[0029] A figura 7 ilustra um modelo de controle de eliminação de harmônicas seletiva (SHE), de acordo com várias concretizações.

[0030] A figura 8 ilustra as voltagens de saída de seis células em um grupo de fase de uma fonte de energia, de acordo com várias concretizações.

[0031] A figura 9 ilustra os resultados de duas buscas convergentes, configuradas para gerar uma fundamental desejada, enquanto eliminando certas harmônicas.

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10/34 [0032] As figuras 10 - 14 ilustram as voltagens de saída de seis célula em um grupo de fase de uma fonte de energia, de acordo com várias concretizações.

[0033] A figura 15 ilustra um modelo de controle de eliminação de harmônicas seletiva (SHE), de acordo com várias concretizações.

[0034] A figura 16 ilustra as formas de onda exemplificativas de um grupo de células, usando controle SHE sem a rotação de atividade angular.

[0035] A figura 17 ilustra as formas de onda exemplificativas de um grupo de células, usando controle SHE com a rotação de atividade angular.

[0036] A figura 18 ilustra as formas de onda exemplificativas de um grupo de células, usando controle SHE com a rotação de atividade angular.

[0037] A figura 19 ilustra as formas de onda exemplificativas de um grupo de células, usando controle SHE com a rotação de atividade angular.

[0038] A figura 20 ilustra um modelo de controle de eliminação de harmônicas seletiva (SHE), de acordo com várias concretizações.

[0039] A figura 21 ilustra um modelo de controle de eliminação de harmônicas seletiva (SHE), de acordo com várias concretizações.

[0040] A figura 22 ilustra os resultados de duas buscas convergentes, configuradas para gerar uma fundamental desejada, enquanto eliminando certas harmônicas.

[0041] A figura 23 ilustra formas de onda exemplificativas usando controle de SHE, sem rotação de atividade angular.

[0042] A figura 24 ilustra formas de onda exemplificativas usando controle de SHE, com rotação de atividade angular.

[0043] A figura 25 ilustra formas de onda exemplificativas usando controle de SHE, com rotação de atividade angular.

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11/34 [0044] A figura 26 ilustra formas de onda exemplificativas usando controle de SHE, com rotação de atividade angular.

[0045] A figura 27 ilustra um modelo de controle de eliminação de harmônicas seletiva (SHE), de acordo com várias concretizações.

[0046] A figura 28 ilustra um modelo de controle de eliminação de harmônicas seletiva (SHE), de acordo com várias concretizações. [0047] A figura 29 ilustra um sistema de controle exemplificativo. DESCRIÇÃO DETALHADA [0048] Deve-se entender que pelo menos algumas das figuras e descrições da invenção foram simplificadas para focalizar os elementos que são relevantes para um entendimento claro da invenção, enquanto eliminando, para fins de clareza, outros elementos, que aqueles versados na técnica vão considerar, podem também compreender uma parte da invenção. No entanto, em virtude de que esses elementos serem bem conhecidos na técnica, e porque não facilitam necessariamente um melhor entendimento da invenção, uma descrição desses elementos não é proporcionada no presente relatório descritivo.

[0049] A figura 7 ilustra um modelo de controle de eliminação de harmônicas seletiva (SHE), de acordo com várias concretizações. Quando um método SHE é utilizado para controlar uma fonte de energia, que tem seis células por fase e, é, de outro modo, similar à fonte de energia da figura 1, tendo células, tais como aquelas na figura 2, o método SHE pode alcançar uma razão de frequências indesejadas para desejadas de 17, que é tão boa quanto da razão alcançada utilizando um método PWM, como descrito com relação às figuras 5 e 6. Deve-se também notar também que outras razões são possíveis. No entanto, enquanto que o método PWM descrito pode alcançar essa razão com uma frequência de comutação, que é quatro vezes a frequência desejada, o método SHE pode alcançar esse resultado com uma frequência de comuta, igual à frequência desejada. Em outras palavras,

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12/34 com essa concretização do método SHE, cada dispositivo de comutação fica LIGADO e DESLIGADO apenas uma vez por ciclo. Adicionalmente, a razão pode ser alcançada sem qualquer aumento na taxa na qual os dados são transmitidos do controle principal para as células. Várias concretizações dos métodos SHE são descritas na patente U.S. 6.075.350 (Peng), e no artigo IEEE Eliminating Harmonics in a Multilevel Converter using Resultant Theory, por Chiasson et al.

[0050] O método de controle SHE da figura 7 é mostrado para uma célula de energia, tal como aquela mostrada na figura 2, enquanto que T1 induz T2 em fase, e a frequência de comutação é igual à frequência desejada. Cada dispositivo de comutação no inversor de ponte em H (os elementos 217 dentro do elemento 216 na figura 2) da célula de energia está LIGADO para meio ciclo, e DESLIGADO para o outro meio ciclo. Portanto, cada polo do inversor de ponte em H produz uma onda quadrada simétrica de tensão 701, 702, na frequência desejada. A tensão de saída 710 da célula é a diferença entre as duas voltagens de polo. Se as duas voltagens de onda quadrada em T1 e T2 estiverem exatamente em fase, então a tensão de saída da célula vai ser sempre zero. No entanto, como indicado na figura 7, a saída do polo esquerdo (T1) 701 pode ser avançada por um ângulo arbitrário A, enquanto que a saída do polo direito (T2) 702 pode ser retardada pelo mesmo ângulo A. O resultado é que a tensão de saída da célula (a diferença entre T1 e T2) 710 aparece na forma de um pulso positivo 715 de ângulo de duração 2*A, no centro do meio ciclo positivo 720, quando a corrente 712 é positiva, e um pulso negativo 717 de ângulo de duração 2*A, no centro do meio ciclo negativo 722, quando a corrente 712 é negativa. Para o restante do ciclo, a tensão de saída da célula é zero. Uma vez que a célula produz tensão positiva, durante o meio ciclo positivo 720 (quando a corrente de carga é positiva), e a tensão negativa durante o meio ciclo negativo 722 (quando a corrente de car

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13/34 ga é negativa), a energia escoa da célula para a carga. Com esse modelo de controle, há apenas um grau de liberdade para o controle da célula, isto é, o valor do ângulo A.

[0051] Em geral, quando esse método SHE é utilizado com o número X de células de energia ligadas em série, o grupo de fase de X célula em série tem X graus de liberdade para controle. Por exemplo, quando esse método SHE é utilizado com seis células de energia ligadas em série, é possível que cada uma das seis células de energia tenha um valor diferente para o ângulo A. Portanto, um grupo de fase de seis células em série tem seis graus de liberdade para controle. Um grau de liberdade é utilizado para estabelecer a amplitude fundamental desejada. Os cinco graus de liberdade remanescentes podem ser utilizados para eliminar até cinco harmônicas indesejadas separadas.

[0052] A figura 8 ilustra as voltagens de saída 801 - 806 de seis células em um grupo de fase de uma fonte de energia, de acordo com várias concretizações. Para fins de simplicidade, apenas o meio ciclo positivo das voltagens de saída das células é mostrado na figura 8, uma vez que o meio ciclo negativo vai ser o mesmo, exceto com polaridade oposta. Para essas concretizações, cada célula utiliza o método de controle SHE descrito acima, com um ângulo diferente. Os seis diferentes ângulos (A, B, C, D, E e F) são mostrados a seguir para as voltagens de saída das células correspondentes na figura 8, e os valores em graus dos respectivos ângulos são listados na parte de topo da figura 8. Esses ângulos representam metade da amplitude de pulso de cada célula. O valor de M é proporcional à tensão de saída fundamental desejada do grupo de fase. Como mostrado na figura 8, cada pulso de tensão de saída de célula é centralizado no meio ciclo a 90°. A figura 8 também ilustra várias concretizações da forma de onda 810, que resultam da soma conjunta das seis células ligadas em série, con

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14/34 juntamente com as amplitudes da fundamental e das cinco primeiras harmônicas ímpares. Para os ângulos selecionados, a tensão fundamental (desejada) tem aproximadamente 75% do seu valor máximo, mas as 5^a, 7^a, 11^a e 13^a voltagens harmônicas (indesejadas) estão todas abaixo de 0,07%. A 3° harmônica é diferente de zero, mas uma vez que todas as harmônicas divisíveis por três são de sequência zero (se forem equilibradas em todas as três fases), não podem aparecer na carga, devido à conexão de três fios.

[0053] O conjunto de equações simultâneas, que se referem aos valores dos ângulos para a fundamental desejada e para as harmônicas indesejadas, é transcendental, o que significa que não há qualquer solução analítica. De acordo com várias concretizações, o método descrito no artigo de Chiasson, referido acima, pode ser utilizado para encontrar os conjuntos de ângulos que geram a fundamental desejada, enquanto elimina certas harmônicas. De acordo com outras concretizações, uma busca convergente pode ser conduzida com um dispositivo de comutação, para encontrar os conjuntos de ângulos que geram a fundamental desejada, enquanto eliminando certas harmônicas. Essas soluções fora de linha podem ser armazenadas em um dispositivo de memória, para uso em tempo real no controle principal.

[0054] Essas soluções, no entanto, não existem necessariamente para todos os possíveis valores de tensão fundamental (desejada). Os resultados de duas buscas convergentes são ilustrados na figura 9. Embora haja faixas de voltagens fundamentais, nas quais nenhuma solução pode ser encontrada, quando cada busca é configurada para eliminar cinco harmônicas, uma primeira solução contínua é encontrada entre 87% e 25% da fundamental, e uma segunda solução contínua é encontrada entre 28% e 0% da fundamental, quando a busca é configurada para eliminar apenas quatro harmônicas (os 5°, 7°, 11° e 13°). Os ângulos A - F encontrados por essas duas buscas são combinados

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15/34 acima e abaixo de 28% na figura 9.

[0055] As formas de onda correspondentes aos ângulos A - F na figura 9 são mostrados nas figuras 8, 10, 11, 12, 13 e 14, para seis valores específicos de tensão fundamental. Esses seis valores específicos são indicados por setas verticais pontilhadas na figura 9, e correspondem, respectivamente, às figuras 8, 10, 11, 12, 13 e 14.

[0056] As figuras 10 - 14 são similares à figura 8, pelo fato de que cada uma delas lista um valor para M, lista os valores em graus dos seus respectivos ângulos A - E, ilustram as voltagens de saída de seis células em um grupo de fase de uma fonte de energia, de acordo com várias concretizações, cada um dos ângulos representando metade da amplitude de pulso de cada célula, o valor de apenas uma metade das voltagens de saída das células é mostrado, cada pulso de tensão de saída das células é centralizado a 90°, e ilustram as várias concretizações da forma de onda, que resulta da soma conjunta das seis células ligadas em série, conjuntamente com as amplitudes da fundamental e das cinco primeiras harmônicas ímpares.

[0057] No entanto, cada uma das figuras 8 e 10 - 14 é associada com uma diferente tensão fundamental. Enquanto que a fundamental desejada associada com a figura 8 é aproximadamente 75% da máxima, as fundamentais desejadas associadas, respectivamente, com as figuras 10 - 14 são aproximadamente 85% da máxima, 63% da máxima, 56% da máxima, 48% da máxima e 36% da máxima.

[0058] A figura 10 mostra os ângulos, as formas de onda 1.001 1.006, e a soma resultante 1.010, verificada como produzindo uma tensão fundamental (desejada) a 85% do seu valor máximo, enquanto que as 5^a, 7^a, 11^a e 13^a voltagens harmônicas (desejadas) estão todas abaixo de 0,07%. A figura 11 mostra os ângulos, as formas de onda 1.101 - 1.106 e a soma 1.110 resultante, verificados como produzindo uma tensão fundamental (desejada) a 63% do seu valor máximo, en

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16/34 quanto que as 5^a, 7^a, 11^a e 13^a voltagens harmônicas (desejadas) estão todas abaixo de 0,11%. A figura 12 mostra os ângulos, as formas de onda 1.201 - 1.206 e a soma 1.210 resultante, verificados como produzindo uma tensão fundamental (desejada) a 56% do seu valor máximo, enquanto que as 5a, 7a, 11a e 13a voltagens harmônicas (desejadas) estão todas abaixo de 0,17%. %. A figura 13 mostra os ângulos, as formas de onda 1.301 - 1.306 e a soma 1.310 resultante, verificados como produzindo uma tensão fundamental (desejada) a 48% do seu valor máximo, enquanto que as 5a, 7a, 11a e 13a voltagens harmônicas (desejadas) estão todas abaixo de 0,25%. A figura 14 mostra os ângulos, as formas de onda 1.401 - 1.406 e a soma 1.410 resultante, verificados como produzindo uma tensão fundamental (desejada) a 36% do seu valor máximo, enquanto que as 5a, 7a, 11a e 13a voltagens harmônicas (desejadas) estão todas abaixo de 0,14%.

[0059] As formas de onda geradas, por utilização do método SHE descrito acima e mostradas nas figuras 8 e 10 - 14, podem produzir uma qualidade de energia na saída da fonte de energia como boa, como aquelas produzidas com o controle PWM tendo uma frequência de comutação quatro vezes a frequência fundamental (desejada), e com perdas por comutação mais baixas. No entanto, como descrito em mais detalhes abaixo, a qualidade da energia de entrada não vai ser geralmente tão boa quanto com o controle PWM, e alguns dos ângulos podem assumir valores negativos, abaixo de um certo valor da fundamental.

[0060] Com o método SHE, cada célula de energia fica produzindo uma quantidade diferente de tensão fundamental. Uma vez que todas as células de energia, em todos os grupos de fase ligados em série, estão conduzindo a mesma corrente, estão também produzindo uma diferente quantidade de energia. Como descrito acima, o cancelamento harmônico no enrolamento primário 112 do transformador 110 (con

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17/34 sultar a figura 1) depende de todas as células de energia conduzindo uma parcela igual da energia de carga. Como esse não é o caso com o método SHE, a qualidade da energia de entrada, com o método SHE, não vai ser geralmente tão boa quanto com o controle PWM.

[0061] Com o método SHE, como mostrado na figura 9, alguns dos ângulos podem assumir valores negativos. Na figura 13, fica claro que o ângulo A é negativo, porque o pulso 1.301 da célula correspondente é negativo, durante o meio ciclo positivo. Na figura 14, ambos os ângulos A e B são negativos, pois seus pulsos 1.401, 1.402 são negativos. Desse modo, diferentemente do método descrito no artigo de Chiasson, quando os ângulos negativos não foram permitidos e não havia vãos nas soluções obtidas, as buscas convergentes, associadas com a figura 9, propiciaram ângulos negativos. Uma implementação de ângulos negativos é mostrada, por exemplo, na figura 15.

[0062] Recordar que na figura 7, um ângulo de controle positivo implicou que o polo esquerdo (T1) 701 é avançado pelo ângulo de controle, enquanto que o polo direito (T2) 702 é retardado pelo mesmo ângulo de controle. O resultado foi que a tensão de saída da célula (T1 - T2) 710 consistiu em um pulso negativo 715 de duração duas vezes o ângulo de controle no centro do meio ciclo positivo 770, e um pulso negativo 717 de duração de duas vezes o ângulo de controle no centro do meio ciclo negativo 722. Para o restante do ciclo, a tensão de saída da célula foi zero. A figura 15 mostra que um ângulo de controle negativo implica que o polo esquerdo (T1) 1.501 tem um avanço negativo, ou é retardado pelo ângulo de controle, enquanto que o polo direito (T2) 1.502 tem um retardo negativo, ou é avançado pelo mesmo ângulo de controle. O resultado é que a tensão de saída da célula (T1 - T2) 1.510 é um pulso negativo 1.515 de duração de duas vezes o ângulo de controle no centro do meio ciclo positivo 1.520, quando a corrente 1.512 é positiva, e um pulso positivo 1.517 de duração de duas vezes

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18/34 o ângulo de controle no centro do meio ciclo negativo 1.522, quando a corrente 1.512 é negativa. Para o restante do ciclo, a tensão de saída da célula é zero.

[0063] No entanto, como mostrado na figura 15, com um ângulo de controle negativo, a célula produz uma tensão negativa 1.515, enquanto que a corrente de carga 1.512 é positiva, e produz tensão positiva 1.517, enquanto a corrente de carga 1.512 é negativa. Em ambos os casos, a energia escoa da carga para a célula. Quando uma célula de energia é configurada como mostrado na figura 2, quando a célula de energia 210 inclui um retificador de diodo 212, a célula de energia não é configurada para retornar energia para o enrolamento secundário dedicado.

[0064] Para cada célula de energia, que pode receber comandos de ângulo negativo, a configuração da célula de energia com um retificador regenerativo, em lugar de um retificador de diodo, vai permitir que a célula de energia retorne energia para o enrolamento secundário dedicado. No entanto, essa configuração incorpora custo e complexidade consideráveis à célula de energia.

[0065] As preocupações com cada célula de energia produzindo uma diferente quantidade de energia, e com alguns ângulos assumindo valores negativos podem ser vencidas por rodízio da atribuição dos comandos de ângulo entre as células de energia. Desse modo, um retificador regenerativo não é necessário.

[0066] Uma vez que a tensão de saída de cada grupo de fase é a soma das voltagens de todas as seis células, não importa que célula seja designada para implementar cada ângulo de comando individual. Portanto, os seis ângulos são inicialmente atribuídos aleatoriamente às seis células em cada grupo de fase. Depois, após um intervalo operacional, os ângulos são reatribuídos em um novo modelo, de modo que se atribua à célula um ângulo que já tenha sido dado durante os cinco

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19/34 modelos anteriores. Esse processo é repetido continuamente a intervalos iguais. Após seis intervalos, o modelo vai se repetir, e cada célula vai ter gerado a mesma parcela média da energia de carga. Portanto, o cancelamento harmônico no enrolamento primário do transformador vai ser restaurado. Com cada célula produzindo a mesma parcela fracionária da energia de carga (que é positiva), cada parcela fracionária vai ser também positiva, e nenhuma célula requer um retificador regenerativo.

[0067] Com o rodízio da atribuição dos comandos de ângulos, a energia média de cada uma das células, durante um ciclo de rodízio completo, vai ser igual, mas a energia de cada célula vai flutuar dentro do ciclo de rodízio. Para essas configurações, o capacitor (214 na figura 2) pode ser dimensionado para proporcionar uma filtração suficiente, de modo que essas flutuações não afetem o fluxo de energia para a célula. Em particular, o capacitor 214 pode ser dimensionado para que seja capaz de armazenar a energia absorvida durante um intervalo com um comando de ângulo negativo, de modo que a energia armazenada possa ser posteriormente consumida, durante um intervalo com um comando de ângulo positivo. O capacitor 214 pode ser dimensionado para armazenar essa energia, sem uma carga a um nível de tensão excessivo. A carga pode ser limitada evitando-se os modelos com os comandos de ângulos negativos consecutivos, e fazendo-se o período de rodízio o mais curto possível. Como descrito a seguir, o intervalo de atribuição pode ser inferior ou igual a um ciclo da frequência de saída, de modo que o período de rotação não exceda um ciclo da frequência de saída multiplicada pelo número de células por grupo de fase. Em várias implementações, o intervalo de atribuição pode ser igual à metade de um ciclo da frequência de saída.

[0068] Em geral, as células de energia podem ser configuradas do mesmo modo que as células de energia usadas para aplicações PWM

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20/34 de 50 / 60 hertz normais, de modo que já tenham filtração suficiente para manusear a corrente residual normal nessas baixas frequências. Para aplicações de altas frequências, por uso do método SHE descrito acima, essa filtração normal vai ser geralmente suficiente.

[0069] A figura 16 ilustra formas de onda exemplificativas de um grupo de células (isto é, seis células de energia), usando o controle SHE sem rotação operacional do ângulo. Para a figura 16, um conjunto de ângulos A - F foi selecionado, que produz apenas 25% da tensão fundamental máxima, para a qual três dos comandos de ângulo (A, B e C) são negativos. Esse conjunto particular de ângulos é de uma solução diferente, não mostrada na figura 9.

[0070] A parte de topo da figura 16 mostra as formas de onda de ambos os polos de cada célula em um grupo de fase, em um intervalo de três ciclos. O polo esquerdo da primeira célula é marcado LP1, e o polo direito da primeira célula é marcado RP1. Os respectivos polos direito e esquerdo das células adicionais são marcados RP2 - RP6 e LP2 - LP6. Cada polo de cada célula gera uma forma quadrada simétrica de tensão.

[0071] A figura 16 também mostra a tensão de saída de cada célula no grupo de fase, no mesmo intervalo de três ciclos. As células são marcadas CL1 - CL6. Como mostrado na figura 16, as células de energia C1 - CL3 produzem pulsos negativos, durante os meios ciclos positivos, quando a corrente 1.612 é positiva, e os pulsos positivos, durante os meios ciclos negativos, quando a corrente 1.612 é negativa. As células de energia CL4 - CL6 produzem pulsos positivos durante os meios ciclos positivos, e pulsos negativos durante os meios ciclos negativos. A variável de controle Q controla a rotação dos comandos de ângulo, e é, portanto, inativa na figura 16.

[0072] A parte de fundo da figura 16 mostra as formas de onda da soma 1.610 da tensão de saída de todas as seis células, e a forma de

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21/34 onda considerada da corrente de saída (com fator de energia unitário e sem quaisquer harmônicas). A forma de onda 1.610 é ilustrada como considerado, pode a corrente de saída efetiva 1.612 pode ter diferentes fator de energia e harmônicas. Para o método SHE associado com a figura 16, a energia média produzida ou absorvida por cada válvula vai ser diferente, e vai ser negativa para as primeiras três células. Também, as correntes médias os IGBTs e nos diodos antiparalelos no polo esquerdo e no polo direito, de cada uma das seis células, vão ser diferentes para cada célula.

[0073] A figura 17 ilustra formas de onda exemplificativas de um grupo de células (isto é, seis células de energia), usando controle SHE com rotação operacional do ângulo. A figura 17 utiliza o mesmo conjunto de ângulos utilizados na figura 16. Com relação ao método SHE, associado com a figura 17, a atribuição de comando de ângulo é girada ao final de cada meio ciclo. Desse modo, uma rotação completa ocorre a cada seis meios ciclos (ou três ciclos integrais).

[0074] A parte de topo da figura 17 mostra as formas de onda de ambos os polos de cada célula em um grupo de fase, por um intervalo de três ciclos. A marcação é igual como na figura 16. Cada polo de cada célula comuta ainda entre positivo e negativo, uma vez por ciclo, como na figura 16, mas as ondas quadradas de tensão não são mais simétricas, como na figura 16.

[0075] A figura 17 também mostra a tensão de saída 1.710 de cada célula no grupo de fase, pelo mesmo intervalo de três ciclos. A marcação é igual àquela da figura 16. Cada célula produz pulsos de seis diferentes durações, durante o período de três ciclos, em vez de seis pulsos de mesma duração, como na figura 16. Cada célula produz três pulsos com ângulos negativos, e três pulsos com ângulos positivos durante o período de três ciclos. Os modelos produzidos pelas células de energia CL1, CL3 e CL5 são idênticos, exceto para um deslo

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22/34 camento de um ciclo. Os modelos produzidos pelas células de energia CL2, CL4 e CL6 são também idênticos, exceto para um deslocamento de um ciclo, e são comparáveis aos modelos produzidos pelas células de energia CL1, CL3 e CL5, exceto por terem uma polaridade oposta. [0076] A variável de controle Q controla a rotação das atribuições de ângulo, e, diferentemente da figura 16, Q, controla a rotação das atribuições angulares, e, diferentemente na figura 16, Q passa por seis valores diferentes, durante o período dos três ciclos. As etapas ocorrem ao final de cada meio ciclo, e, porque todos os polos têm os mesmos valores nesses pontos, a rotação não vai provocar eventos de comutação extras.

[0077] A parte do fundo da figura 17 mostra as formas de onda da soma da tensão de saída 1710 de todas as seis células, e a forma de onda considerada da corrente de saída 1712. A soma das voltagens de saída 1710 é idêntica àquela da figura 16, porque, como indicado acima, não importa que célula seja designada para implementar cada comando de ângulo individual.

[0078] Para o método SHE associado com a figura 17, a energia média produzida ou absorvida por cada uma das seis células vai ser igual, e vai ser positiva para todas as seis células. Também, as correntes médias nos IGBTs e nos diodos antiparalelos, no polo esquerdo e no polo direito de cada uma das seis células, não vão ser necessariamente iguais, mas vão ter muito menos variações do que sem rotação. Adicionalmente, as correntes médias nos polos esquerdos das células CL1, CL3 e CL5 vão ser iguais às correntes médias nos polos direitos das células CL2, CL4 e CL6, e vice-versa. Essa dicotomia ocorre porque os modelos de comutação, produzidos pelas células CL1, CL3 e CL5, têm polaridade oposta dos modelos de comutação produzidos pelas células CL2, CL3 e CL6.

[0079] A figura 18 ilustra formas de onda exemplificativas de um

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23/34 grupo de células (isto é, seis células de energia), usando o controle SHE com rotação operação do ângulo. A figura 18 utiliza o mesmo conjunto de ângulos da figura 17, e mostra as formas de onda por um intervalo de seis ciclos. Com relação ao método SHE associado com a figura 18, a atribuição angular é girada ao final de cada ciclo integral, em vez de cada meio ciclo, como na figura 17. Desse modo, uma rotação completa ocorre a cada seis ciclos integrais.

[0080] A parte de topo da figura 18 mostra as formas de onda de ambos os polos de cada célula em um grupo de fase, em um intervalo de seis ciclos. A marcação é igual àquela nas figuras 16 e 17. Cada polo de cada célula fica ainda comutando entre positivo e negativo, uma vez por ciclo como nas figuras 16 e 17, mas as ondas quadradas de tensão não ficam mais simétricas, como na figura 16. No entanto, após seis ciclos, cada polo de cada célula tem metade gasta do tempo total a um nível positivo, e metade a um nível negativo.

[0081] A figura 18 também mostra a tensão de saída de cada célula no grupo de fase, pelo mesmo intervalo de seis ciclos. A marcação é igual àquela nas figuras 16 e 17. Cada célula produz dois pulsos de todas as seis diferentes durações, durante o período de seis ciclos, um pulso positivo e um pulso negativo de cada duração. Cada célula produz seis pulsos com ângulos negativos, e seis pulsos com ângulos positivos, durante o período de seis ciclos. Os modelos produzidos por todas as células são idênticos, exceto para um deslocamento de um ciclo.

[0082] A variável de controle, Q, controla a rotação das indicações angulares, e passa por seis diferentes valores, durante o período de seis ciclos. As etapas ocorrem ao final de cada ciclo integral, e, porque todos os polos têm os mesmos valores nesses pontos, a rotação não vai provocar eventos de comutação extras.

[0083] A parte de fundo da figura 18 mostra as formas de onda da

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24/34 soma da tensão de saída 1810 de todas as seis células, e a forma de onda considerada da corrente de saída 1812. A soma das voltagens de saída 1810 é idêntica àquela das figuras 16 e 17, porque, como indicado acima, não importa que célula seja designada para implementar cada comando de ângulo individual.

[0084] Para o método SHE associado com a figura 18, a energia média produzida ou absorvida por cada uma das seis células vai ser igual, e vai ser positiva para todas as seis células. Também, as correntes médias nos IGBTs e nos diodos antiparalelos, no polo esquerdo e no polo direito de cada uma das seis células, vão ser iguais para todas as células, e as correntes médias nos diodos antiparalelos vão ser iguais para todas as células.

[0085] A figura 19 ilustra formas de onda exemplificativas de um grupo de células (isto é, seis células de energia), usando controle SHE com rotação angular operacional. A figura 19 é idêntica à figura 18, exceto que a figura 19 usa um conjunto de ângulos que produz 74% da tensão fundamental, e não tem quaisquer ângulos negativos. Para o método SHE associado com a figura 19, a energia média de cada célula foi igual, e foi positiva para todas as seis células. Também, as correntes médias nos IGBTs foram iguais para todas as células, e as correntes médias nos diodos antiparalelos foram iguais para todas as células.

[0086] A parte fundo da figura 19 mostra as formas de onda da soma da tensão de saída 1910 de todas as seis células, e a forma de onda considerada da corrente de saída 1912. A figura 19 demonstra que a rotação do comando angular, a cada ciclo integral, mantém energias médias iguais entre as células, e também correntes iguais entre todos os IGBTs das células, e também correntes iguais entre todos os diodos antiparalelos das células, se ângulos negativos estiverem ou não presentes.

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25/34 [0087] A rotação do comando angular, a cada meio ciclo ou a cada ciclo integral, vai alcançar uma energia média igual para todas as células, e, em qualquer dos casos, vai-se, portanto, atingir um bom cancelamento harmônico de corrente no primário do transformador. Para aplicações nas quais a fonte de energia pode tolerar algumas variações nas correntes médias dos IGBTs e nos diodos antiparalelos, o método SHE pode utilizar cada meio ciclo, para promover o período de rotação mais curto possível, e o menor armazenamento de energia necessário para o capacitor (214 na figura 2). No entanto, se for necessário garantir correntes médias iguais para os IGBTs e nos diodos antiparalelos, o método SHE pode utilizar uma rotação a cada ciclo integral.

[0088] O que foi apresentado acima descreveu o uso de formas de onda SHE, que propicia uma frequência de comutação igual à frequência desejada, de modo que cada dispositivo de comutação fica LIGADO e DESLIGADO apenas uma vez por ciclo. Essas formas de onda SHE proporcionam apenas um grau de liberdade por célula. Com apenas um grau de liberdade por célula, um mínimo de cinco células pode ser necessário para controlar a amplitude fundamental da tensão de saída da fonte de energia, e também eliminar os quatro harmônicos com essas formas de onda. Em algumas aplicações, seis células por fase podem precisar ser empregadas para encontrar uma solução contínua para os ângulos de comutação. No entanto, em muitas aplicações, a tensão de saída máxima necessária pode permitir um número menor de células por fase, o que pode resultar em um menor custo. Para essas aplicações, as formas de onda SHE, que proporcionam mais de um grau de liberdade por célula, podem ser utilizadas para controlar a amplitude fundamental da tensão de saída da fonte de energia, e também eliminar os harmônicos. O número de harmônicos eliminados pode variar.

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26/34 [0089] A figura 20 ilustra um modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva (SHE), de acordo com várias concretizações. Na figura 20, a frequência de comutação é igual a duas vezes a frequência desejada. O modelo de controle SHE da figura 20 é praticamente idêntico àquele da figura 7, exceto que um entalhe de ângulo de duração B 2030 é inserido na parte intermediária do meio ciclo positivo 2020 da saída do polo esquerdo T1 2001, e um entalhe idêntico 2032 é também inserido na parte intermediária do meio ciclo negativo 2022 da saída do polo direito T2 2002. Com esses entalhes inseridos, ambos o polo esquerdo e o polo direito comutam duas vezes por ciclo, em vez de uma vez por ciclo. Os entalhes fazem com que a saída da célula (T1 - T2) 2010 contenha dois pulsos em cada meio ciclo, em vez de apenas um pulso. A duração e a localização desses dois pulsos são determinadas tanto pelo ângulo A 2035, como pelo ângulo B 2030 / 2032, de modo que haja dois graus de liberdade.

[0090] Se as formas de onda SHE da figura 20 forem usadas nas células da figura 1, fazendo com que elas comutem duas vezes por ciclo, vai ser possível obter seis graus de liberdade, com apenas três células por fase. Isso vai permitir que o mesmo número de harmônicos seja eliminado, como foi descrito acima para as seis células por fase, cada comutação uma vez por ciclo. Essa abordagem pode ser uma alternativa favorável para muitas das aplicações, que poderiam tolerar a maior frequência de comutação, e vai ainda propiciar menos perdas por comutação do que com o controle PWM.

[0091] A figura 21 ilustra um modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva (SHE), de acordo com várias concretizações. O modelo de controle SHE da figura 21 é quase idêntico àquele da figura 20, exceto que as formas de onda do polo esquerdo T1 2101 e do polo direito T2 2012 foram trocadas. A saída da célula (T1 - T2) 2110 ainda contém dois pulsos em cada meio ciclo, em vez de apenas um pulso,

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27/34 mas esses pulsos têm a polaridade oposta, em comparação com a figura 20. Desse modo, o método SHE, associado com a figura 21, por produzir um fluxo de energia negativo.

[0092] As soluções para os ângulos SHE podem não necessariamente existir para todos os possíveis valores de tensão fundamental (desejada). A figura 22 mostra os resultados de duas buscas, quando o programa de computador foi configurado para eliminar os quatro harmônicos (os 5°, 7°, 11° e 13°), utilizando três células de energia por grupo de fase. Uma solução contínua foi encontrada entre 62% e 0% da tensão fundamental, e uma segunda foi encontrada entre 69% e 62% da tensão. Essas foram combinadas para criar a figura 22.

[0093] Os ângulos A - F na figura 22 são interpretados como se segue. Cada célula produz dois pulsos localizados simetricamente em cada meio ciclo. Esses dois pulsos podem ser visualizados como um pulso principal com um entalhe mais estreito na parte intermediária. Um entalhe pode ser visualizado como um pulso de amplitude negativa. A primeira das três células de energia produz um pulso principal de amplitude 2*D, com um entalhe tendo uma amplitude -2*A. A segunda das três células de energia produz um pulso principal de amplitude 2*E, com um entalhe tendo uma amplitude -2*B. A terceira das três células de energia produz um pulso principal de amplitude 2*F, com um entalhe tendo uma amplitude -2*C. Em virtude dos ângulos de amplitude de entalhe serem negativos, há mais restrições do que nas buscas associadas com a figura 9. Devido às restrições adicionais, enquanto que as soluções da figura 9 atingiram uma tensão máxima de 87%, as soluções da figura 22 apenas alcançam uma tensão máxima de 69%. Se a amplitude do entalhe exceder a amplitude do pulso principal, a célula vai produzir pulsos negativos durante o meio ciclo positivo, e vai ter um fluxo de energia negativo.

[0094] Para melhor clareza, as formas de onda são exibidas para

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28/34 os ângulos A-F, representados graficamente na figura 22, para dois valores específicos de tensão fundamental. Esses dois valores específicos são indicados por setas verticais pontilhadas na figura 22, e correspondem, respectivamente, às figuras 23 - 26. Todas as figuras 23 26 listram um valor para M (que é proporcional à amplitude fundamental desejada), lista o valor (em graus) dos seis respectivos ângulos A - F, ilustram as voltagens de saída das três células (CLa1, CLa2, CLa3) no grupo de fase A de uma fonte de energia, de acordo com as várias concretizações, ilustram a soma das voltagens das células nos grupos de fase A, B e C, e ilustra a variável de controle, Q, que controla a rotação dos comandos angulares. Cada uma das figuras 23 - 26 também mostra a tensão de carga da fase A para o neutro, e a corrente de carga considerada para a fase A.

[0095] A figura 23 mostra as formas de onda correspondentes a 13% da tensão fundamental possível máxima, sem qualquer rotação de comando angular. A saída de cada célula do grupo A se repete para cada ciclo sem variação, e é diferente da das outras células do grupo A. Como mostrado na figura 23, a célula de energia CLa1 fica produzindo pulsos positivos, durante o meio ciclo positivo. A célula de energia CLa2 fica também produzindo pulsos negativos durante o meio ciclo positivo, mas de uma duração diferente daqueles da célula de energia CLa1. A célula de energia CLa3 fica produzindo pulsos negativos, durante o meio ciclo positivo, e vai ter um fluxo de energia positivo. Desse modo, cada uma das células de energia fica produzindo uma quantidade diferente de energia. A parte de fundo da figura 23 mostra as formas de onda da soma da tensão de saída 2310 de todas as células, e a forma de onda assumida da corrente de saída 2312.

[0096] A figura 24 também mostra as formas de onda correspondentes a 13% da tensão fundamental possível máxima, mas com uma rotação de comando angular. A variável Q passa por três valores su

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29/34 cessivos, durante o intervalo de rotação de três ciclos, e depois o modelo se repete. As etapas ocorrem ao final de cada ciclo integral, e em virtude de todos os polos terem os mesmos valores nesses pontos, a rotação não vai provocar efeitos de comutação extras. O valor de Q é usado para determinar que forma de onda SHE é atribuída a cada célula. A tensão de carga 2410 da fase A para o neutro (Van), na figura 24, é igual àquela na figura 23, porque, como indicado previamente, não importa que célula seja indicada para implementar cada comando de ângulo individual.

[0097] A figura 24 mostra que com a rotação do comando angular a cada ciclo integral, cada célula produz a mesma forma de onda, durante o período de rotação de três ciclos (com um deslocamento de fase de um ciclo entre as células). Cada célula experimenta um ciclo de fluxo de energia negativa, mas a energia média para cada célula é positiva, e é igual para todas as células.

[0098] A figura 25 mostra as formas de onda correspondentes a 69% da tensão fundamental máxima possível, sem qualquer rotação do comando angular. A saída de cada célula do grupo A repete para cada ciclo, sem variação, e é diferente daquela das outras células do grupo A. Como mostrado na figura 25, a célula de energia CLa1 fica produzindo pulsos positivos durante o meio ciclo positivo. A célula de energia CLa2 fica também produzindo pulsos positivos, durante o meio ciclo positivo, mas de uma diferente duração daqueles da célula de energia CLa1. A célula de energia CLa3 fica também produzindo pulsos positivos, durante o meio ciclo positivo, mas de uma diferente duração daqueles das células de energia CLa1 e CLa2. Desse modo, todas as células de energia ficam produzindo uma diferente quantidade de energia.

[0099] A figura 26 também mostra as formas de onda correspondentes a 69% da tensão fundamental máxima possível, mas com rota

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30/34 ção do comando angular. A variável Q passa por três valores sucessivos, durante o intervalo de rotação de três ciclos, e depois o modelo se repete. As etapas ocorrem ao final de cada ciclo integral, e em virtude de que todos os polos têm os mesmos valores nesses pontos, a rotação não vai provocar eventos de comutação extras. O valor de Q é usado para determinar que forma de onda SHE seja atribuída a cada célula. A tensão de carga 2610 da fase A para o neutro na figura 26 é igual àquela na figura 25, porque, como indicado anteriormente, não importa que célula seja indicada, para implementar cada comando angular individual.

[00100] A figura 26 mostra que com a rotação do comando angular a cada ciclo integral, cada célula produz a mesma forma de onda durante o período de rotação de três ciclos (com um deslocamento de fase de um ciclo entre as células). A energia média para cada célula é positiva, e é igual para todas as células.

[00101] Como descrito acima, as formas de onda SHE, que proporcionam mais de um grau de liberdade por célula, podem ser utilizadas para controlar a amplitude funcional da tensão de saída e eliminar os harmônicos. A figura 27 ilustra um modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva (SHE), que tem três graus de liberdade, e também uma frequência de comutação igual a três vezes a frequência desejada. Esse modelo é similar ao modelo da figura 7, no qual a saída do polo esquerdo T1 2701 é avançada por um ângulo A, enquanto que a saída do polo direito T2 2702 é retardada pelo mesmo ângulo A. No entanto, na figura 27, um entalhe de ângulo de duração C e um pulso de ângulo de duração B são inseridos no meio ciclo positivo 2720 da saída do polo esquerdo T1 2701. O meio ciclo negativo 2722 da saída do polo esquerdo T1 2701 é igual com polaridade oposta, de modo que contenha um entalhe de ângulo de duração B e um pulso de ângulo de duração C. A saída do polo direito T2 2702 é também similar

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31/34 àquela mostrada na figura 7, exceto que um entalhe de ângulo de duração C e um pulso de ângulo de duração B são inseridos no meio ciclo negativo 2722 da saída do polo direito T1 2702. O meio ciclo positivo 2720 da saída do polo direito T2 2702 é igual com polaridade oposta, de modo que contém um entalhe de ângulo de duração B e um pulso de ângulo de duração C.

[00102] Com esses entalhes e pulsos inseridos, ambos o polo esquerdo e o polo direito comutam três vezes por ciclo, em vez de uma vez por ciclo. Os entalhes e os pulsos fazem com que a saída da célula (T1 - T2) contenha três pulsos em cada meio ciclo, em vez de apenas um pulso. A duração e a localização desses três pulsos são determinadas pelo ângulo A, ângulo B e ângulo C, de modo que haja quatro graus de liberdade.

[00103] Se as formas de onda SHE da figura 27 forem usadas nas células de uma fonte de energia, similar àquela da figura 1, fazendo com que elas comutem três vezes por ciclo, seria possível obter seis graus de liberdade com apenas duas células por fase. Isso pode permitir que o mesmo número de harmônicos seja eliminado, como foi descrito acima para seis células por fase, cada uma delas comutando uma vez por ciclo. Essa abordagem pode ser um aspecto favorável para a maior parte das aplicações, que podem tolerar a frequência de comutação mais alta, e ainda ter menos perdas por comutação do que o controle PWM.

[00104] A figura 28 ilustra um modelo de controle SHE, que tem uma frequência de comutação igual a três vezes a frequência desejada. Esse modelo é praticamente idêntico ao modelo de controle da figura 27, exceto que as formas de onda do polo esquerdo T1 2701 e do polo direito T2 2702 foram trocadas. A saída de célula 2710 é também praticamente idêntica àquela da figura 27, exceto que a polaridade é revertida, de modo que a célula produz então tensão negativa, durante

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32/34 o meio ciclo positivo 2720, e tensão positiva, durante o meio ciclo negativo 2722. Desse modo, o modelo de controle SHE da figura 28 pode ser utilizado para produzir fluxo de energia negativo.

[00105] Para as formas de onda das figuras 27 e 28, o processo de achar ângulos SHE, que propiciem uma tensão fundamental desejada, enquanto eliminando certas voltagens harmônicas, seria similar aos casos já descritos acima, para os modelos que comutam uma vez por ciclo e duas vezes por ciclo.

[00106] De acordo com as várias concretizações, as formas de onda SHE podem ser utilizadas para comutar os dispositivos em um acionamento por motor de alta rotação, uma vez por ciclo. Então, na medida em que a rotação (e, por conseguinte, a frequência) é reduzida, a cerca de metade da rotação de topo, outras formas de onda SHE podem ser utilizadas para comutar os dispositivos duas vezes por ciclo. As perdas por comutação não vão ser ainda piores do que na rotação de topo, mas duas vezes mais harmônicos podem ser eliminados. Na medida em que a rotação é reduzida ainda mais, a cerca de um terço da rotação de topo, ainda outras formas de onda SHE podem ser utilizadas para comutar os dispositivos três vezes por ciclo. As perdas por comutação não vão ser ainda piores do que na rotação de topo, mas três vezes mais harmônicos podem ser eliminados. Esse processo pode ser continuado ainda mais, na medida em que a rotação é reduzida. Eventualmente, a rotação pode atingir um ponto no qual fica inaceitável para utilizar controle PWM, para comutar os dispositivos.

[00107] A figura 29 ilustra um sistema de controle exemplificativo 2900, para controlar um motor de corrente alternada (CA) de alta rotação 2905, usando os métodos descritos no presente relatório descritivo. Com referência à figura 29, um circuito de energia 2910 é controlado por um sistema que mede os sinais de corrente 2921 e tensão 2923, entre o circuito de energia 2910 e o quadro do motor rotativo

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2905. Os sinais de corrente e tensão trifásicos medidos podem ser todos transformados em uma representação bifásica (2922, 2924), e a uma representação que estima a tensão e a corrente no eixo d-q rotativo (2926, 2928). Um estimador de fluxo 2930 pode usar a tensão corrente d-q, para determinar a amplitude, a frequência e a fase do fluxo do estator.

[00108] Os reguladores de rotação do fluxo 2932, 2934 são usados para gerar os comandos de corrente para os componentes produtores de fluxo e torque 2936, 2938, respectivamente. Os reguladores de corrente 2940 regulam as correntes d-q medidas para os valores comandados. Os sinais de controle antecipado 2942, 2944 são adicionados, para desacoplar os fluxo e torque, e aperfeiçoar a resposta transiente.

[00109] Com esse método de controle, a compensação de desvio 2950 pode ser usada, mas, tipicamente, apenas para os motores de indução. Para os motores de imãs permanentes e síncronos, nos quais o rotor gira na mesma frequência que aquela do estator, o bloco de compensação de desvio 2950 pode não proporcionar qualquer saída. Todas as outras funções são iguais. A resistência do estator é o parâmetro que afeta, basicamente, a estabilidade do controle baseado em fluxo do estator. Um valor incorreto de resistência do rotor pode provocar um erro de rotação apenas, e pode não afetar o torque. O problema de estabilidade, a baixas rotações, pode ser abordado por uso de um integrador de tensão de motor robusto (não mostrado), para estimar o fluxo do estator.

[00110] As concretizações descritas no presente relatório descritivo podem ser usadas em várias aplicações, incluindo as aplicações de alta rotação (por exemplo, frequências de 250 hertz e superiores), a uma tensão média (2.300 volts e superiores) e alta potência (por exemplo, 1.000 quilowatts ou superiores).

[00111] Ainda que várias concretizações da invenção tenham sido

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34/34 descritas no presente relatório descritivo por meio de exemplo, aqueles versados na técnica vão considerar que várias modificações, alterações e adaptações nas concretizações descritas podem ser feitas sem afastamento dos espírito e âmbito da invenção, definidos pelas concretizações em anexo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de reduzir perdas por comutação em uma fonte de energia, caracterizado pelo fato de que compreende:

avançar a tensão de saída (710) de um primeiro polo de uma célula de energia (CLa1) por um primeiro ângulo;

retardar a tensão de saída (710) de um segundo polo da célula de energia (CLa1) por um segundo ângulo; e produzir uma tensão de saída (710) combinada da célula de energia (CLa1) igual a um pulso positivo (715) de um ângulo de duração, igual à soma do primeiro ângulo e do segundo ângulo, para uma primeira metade do ciclo de comutação da célula de energia (CLa1), e igual a um pulso negativo (717) de um ângulo de duração, igual à soma do primeiro ângulo e do segundo ângulo para uma segunda metade do ciclo de comutação da célula de energia (CLa1).
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda executar o avanço, retardo e produção para uma pluralidade de células de energia, de modo que o primeiro ângulo, usado para cada célula de energia (CLa1, CLa2, CLa3), tenha um diferente valor.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um do primeiro ângulo e do segundo ângulo é um ângulo negativo.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o avanço e o retardo são conduzidos de modo que o primeiro ângulo e o segundo ângulo são iguais em grandeza.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a produção compreende:

produzir, por um primeiro polo da célula de energia (CLa1), uma primeira tensão de onda quadrada simétrica (701); e produzir, por um segundo polo da célula da fonte de enerPetição 870190031730, de 02/04/2019, pág. 41/50

2/5 gia, uma segunda tensão de onda quadrada simétrica (702), em que a primeira tensão de onda quadrada simétrica (701) e a segunda tensão de onda quadrada simétrica (702) diferem em pelo menos uma de polaridade e fase.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a primeira tensão de onda quadrada simétrica (701) e a segunda tensão de onda quadrada simétrica (702) são deslocadas em fase.
7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda aplicar um entalhe, de duração de um terceiro ângulo, e um pulso, de duração de um quarto ângulo, a um primeiro polo, durante uma primeira metade do ciclo de comutação, de modo que a célula de energia (CLa1) tenha três graus de liberdade, durante a primeira metade do ciclo de comutação.
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda aplicar o entalhe, de duração do terceiro ângulo, e o pulso, de duração do quarto ângulo, a um segundo polo, durante uma segunda metade do ciclo de comutação, de modo que a célula de energia (CLa1) tenha três graus de liberdade, durante a segunda metade do ciclo de comutação.
9. Método de reduzir as perdas por comutação em uma fonte de energia multicelular, caracterizado pelo fato de que compreende:

aplicar um primeiro comando de ângulo, de um modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva, a uma primeira célula de energia (CLa1) de um primeiro grupo de fase de uma fonte de energia multicelular;

aplicar um segundo comando de ângulo, do modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva, a uma segunda célula de energia (CLa2) do primeiro grupo de fase da fonte de energia multicelular, em que pelo menos um do primeiro comando de ângulo e do sePetição 870190031730, de 02/04/2019, pág. 42/50

3/5 gundo comando de ângulo é um comando de ângulo negativo;

aplicar o segundo comando de ângulo a uma célula de energia, diferente da segunda célula de energia (CLa2), após uma primeira parte de um ciclo de comutação da fonte de energia; e aplicar o primeiro comando de ângulo à segunda célula de energia (CLa2).
10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a aplicação do primeiro comando de ângulo, do modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva, à primeira célula de energia (CLa1) de um primeiro grupo de fase da fonte de energia, e a aplicação do segundo comando de ângulo, do modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva, à segunda célula de energia (CLa2) do primeiro grupo de fase da fonte de energia são conduzidas concorrentemente.
11. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a aplicação do segundo comando de ângulo à primeira célula de energia (CLa1), após uma primeira parte de um ciclo de comutação da fonte de energia, e a aplicação do primeiro comando de ângulo à segunda célula de energia (CLa2) são conduzidas concorrentemente.
12. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que as primeira e segunda células de energia geram uma parte igual de energia de carga total, durante um intervalo operacional.
13. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o primeiro comando de ângulo, o segundo comando de ângulo e quaisquer outros comandos de ângulo são selecionados de modo que um primeiro harmônico, gerado pela fonte de energia, seja igual a uma tensão de saída (710) desejada.
14. Fonte de energia multicelular, caracterizado pelo fato de que compreende:

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4/5 uma pluralidade de células de energia disposta em pelo menos um grupo de fase; e um sistema de controle (2900) em comunicação com as células de energia, em que o sistema de controle (2900) é configurado para:

aplicar um primeiro comando de ângulo, de um modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva, a uma primeira célula de energia (CLa1) do primeiro grupo de fase;

aplicar um segundo comando de ângulo, do modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva, a uma segunda célula de energia (CLa2) do primeiro grupo de fase, em que pelo menos um do primeiro comando de ângulo e do segundo comando de ângulo é um comando de ângulo negativo;

aplicar o segundo comando de ângulo a uma célula de energia, diferente da segunda célula de energia (CLa2), após uma primeira parte de um ciclo de comutação da fonte de energia; e aplicar o primeiro comando de ângulo à segunda célula de energia (CLa2).
15. Fonte de energia de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle (2900) é configurado ainda para aplicar o primeiro comando de ângulo, do modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva, à primeira célula de energia (CLa1) do primeiro grupo de fase, e aplicar o segundo comando de ângulo, do modelo de controle de eliminação de harmônicos seletiva, à segunda célula de energia (CLa2) do primeiro grupo de fase concorrentemente.
16. Fonte de energia de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle (2900) é configurado ainda para aplicar o segundo comando de ângulo à primeira célula de energia (CLa1), e aplicar o primeiro comando de ângulo à segunda

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5/5 célula de energia (CLa2) concorrentemente.
17. Fonte de energia de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que as primeira e segunda células de energia são configuradas para gerar uma parte igual de energia de carga total, durante um intervalo operacional.
18. Fonte de energia de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o primeiro comando de ângulo, o segundo comando de ângulo, e qualquer outro comando de ângulo são selecionados de modo que um primeiro harmônico, gerado pela fonte de energia, é igual a uma tensão de saída (710) desejada.
19. Fonte de energia de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle (2900) compreende:

um componente que produz um sinal de torque, que recebe uma saída de um regulador de rotação e uma estimativa de corrente do eixo q, para gerar um sinal de torque;

um componente que produz um sinal de fluxo, que recebe uma saída de um regulador de fluxo e uma estimativa de corrente do eixo d, para gerar um sinal de fluxo; e reguladores de corrente que ajustam o sinal de torque e os sinais de fluxo a valores a serem usados para comandar a pluralidade de células de energia.