Inversor Multinível com Diodos de Grampeamento

A célula de comutação utilizada pelos inversores tradicionais (meia ponte, ponte completa) baseia-se na operação complementar de interruptores conectados entre si [31], como pode ser visto na Fig. 1.7(a). A operação básica desta célula de comutação é baseada na comutação complementar dos dois interruptores, sendo que o caminho livre se dá entre

XZ ou YZ. Nunca há a condução dos dois interruptores ao mesmo tempo, pois isto causaria

um curto-circuito de braço. A representação simplificada, vista na Fig. 1.7(b), demonstra as características de comutação complementar. Estes dois interruptores podem ser formados por dispositivos com entrada em condução e bloqueio comandados (IGBTs, GTOs, IGCTs, etc.) ou espontâneos (diodos). Os terminais X e Y estão conectados a uma fonte de tensão e o terminal Z a uma fonte de corrente.

A associação de interruptores em série pode ampliar a capacidade de tensão de bloqueio da célula, como visto na Fig. 1.7(c). Entretanto, dispositivos semicondutores reais conectados em série não apresentam as mesmas características estáticas ou dinâmicas, causando um compartilhamento desigual da tensão do barramento em estado de bloqueio ou durante as comutações [32]. Este problema requer técnicas de equalização estática e dinâmica de tensão as quais aumentam o número de componentes ou requerem um algoritmo de controle mais apurado.

Fig. 1.7 – Célula de comutação tradicional. (a) célula genérica de comutação real, (b) simplificada e (c) com interruptores em série.

O inversor multinível com diodos de grampeamento (DCML ou NPC, quando apresentar três níveis), visto na Fig. 1.8(b), possui uma célula de comutação diferenciada que opera em três níveis. Esta célula é vista na Fig. 1.8(a).

Fig. 1.8 – Inversor NPC. (a) célula de comutação três níveis e (b) inversor de três níveis de tensão na fase.

A Tabela 1.4 indica os níveis de tensão por fase e os estados de condução dos interruptores que formam o inversor NPC.

Tabela 1.4 – Níveis de tensão e estados de condução dos interruptores do inversor NPC.

Estados dos interruptores

S1 S2 S3 S4 vAO

1 1 0 0 E 0 1 1 0 0 0 0 1 1 -E

Com a associação adequada das células NPC é possível a realização de conversores de n-níveis em tensão [2, 33]. A Fig. 1.9(a) mostra uma associação de células NPC que gera cinco níveis de tensão. O número de componentes necessários para se conceber uma estrutura de m níveis monofásica ou trifásica [34] pode ser visto na Tabela 1.5. Com o aumento no número de níveis, alguns diodos de grampeamento submetem-se a uma tensão de bloqueio superior à aplicada aos interruptores comandados, como pode ser visto na Fig. 1.9(a). Uma possível solução para este inconveniente seria a associação em série dos diodos. O número de componentes da estrutura, considerando-se o uso de diodos de grampeamento em série e submetidos a um mesmo nível de tensão de bloqueio pode ser visto na Tabela 1.5.

A Fig. 1.9(b) apresenta o esquema de modulação por deslocamento de nível e a forma de onda de tensão de fase. Não é possível realizar a modulação com deslocamento de fase no inversor NPC.

Capítulo 1

Considerações Gerais Sobre Conversores Estáticos Multiníveis

17

Tabela 1.5 – Número de componentes para uma estrutura de m do inversor com diodos de grampeamento.

Interruptores Ativos Diodos de Grampeamento Capacitores de Barramento

Níveis de

Tensão Monofásico Trifásico Monofásico Trifásico Monofásico Trifásico

3 4 12 2 6 2 4 6 18 6 18 3 5 8 24 12 36 4 6 10 30 20 60 5 m 2(m – 1) 6(m – 1) (m – 1)(m – 2) 3(m – 1)(m – 2) (m – 1) Vd (4E) Dg1 Dg2 E+_ E+_ O S3 S4 S1' S2' A S1 S2 S3' S4' E+_ E+_ Dg3 Dg1' Dg2' Dg3' (a) vmA vg1 vg2 vg3 0 E vg4 E E E 4E vcr2 vcr3 vcr4 -1 0 1 vAO vcr1 (b) (E) (3E) (2E) (E) (2E) (3E) Tensão de bloqueio

Fig. 1.9 – Inversor monofásico de cinco níveis com diodos de grampeamento (5L-DC). (a) estrutura de potência e (b) modulação com deslocamento de nível e tensão de saída.

O inversor DCML pode ser empregado basicamente nas mesmas aplicações que o CHB e o FC. No entanto, são relatadas poucas aplicações desta topologia com mais de três níveis. As características mais atrativas do inversor DCML são [30]:

− Possibilidade de operação sem snubbers;

− Não exige fontes isoladas para formar o barramento CC.

− Menor capacitância e número de capacitores que os inversores CHB e FC; − Circuito mais simples para pré-carga dos capacitores que nos inversores

CHB e FC;

− Frenagem regenerativa mais simples que nos inversores CHB e FC. As possíveis desvantagens são:

− Na estrutura tradicional, necessidade de circuitos de equalização de tensão nos diodos de grampeamento dispostos em série.

− Necessita de sistema de equalização de tensão para os capacitores do barramento CC, caso não sejam provenientes de fontes isoladas.

1.6 Conclusões

Neste capítulo foram apresentados os fatores atrativos do uso de inversores multiníveis no acionamento de máquinas elétricas em média tensão e alta potência. Os inversores multiníveis apresentam menores distorções harmônicas de tensão, menores níveis de dv/dt e menores níveis de tensão de modo comum quando comparados à inversores tradicionais. Além disso, podem operar com menor freqüência de comutação nos seus interruptores ativos. Foram apresentadas as topologias básicas, mais difundidas na literatura e utilizadas comercialmente, sendo estas: inversor multinível com módulos ponte-H em cascata (CHB), inversor multinível com capacitores flutuantes (FC) e inversor multinível com diodos de grampeamento (DCML) freqüentemente referido como inversor com ponto neutro grampeado (NPC). Comparando-se as vantagens e desvantagens das topologias CHB, FC e DCML, chega-se à Tabela 1.6, na condição de operação trifásica.

Tabela 1.6 – Comparação entre as topologias básicas aplicadas em acionamento de máquinas em média tensão e alta potência.

Característica CHB FC DCML e NPC

Interruptores principais 6(m-1) 6(m-1) 6(m-1)

Diodos de grampeamento 0 0 3(m-1)(m-2)

Capacitores do barramento 3/2(m-1) (m-1) (m-1)

Capacitores de grampeamento 0 3/2(m−1)(m−2) 0

Pré-carga dos capacitores Complexa Complexa Simples

Proteção Simples Complexa Simples

Equalização de tensão nos

capacitores Não necessária

Nos capacitores de grampeamento Nos capacitores do barramento CC

CAPÍTULO 2

INVERSOR CINCO NÍVEIS COM DIODOS DE

GRAMPEAMENTO

2.1 Introdução

Este capítulo traz uma análise mais ampla do inversor DCML, sendo discutidos aspectos como estrutura, possíveis problemas de sobretensões, desequilíbrios de tensão e modulação. São apresentadas as etapas de funcionamento e os dez estados topológicos que podem formar os cinco níveis de tensão. É abordado o problema referente à associação série dos diodos na estrutura tradicional, com solução dos problemas através da estrutura modificada. Sobre a modulação, são apresentadas as principais técnicas empregadas à estrutura.