Jones Arraes de Almeida Junior

87 Figura 40 – Forma de onda de 7 níveis com 9 ângulos de comutação (3 para transições entre níveis e 6 para transições no mesmo nível, 2 para cada nível). 207 Tabela 47 – Determinação dos 5 ângulos de chaveamento com base na avaliação da função F5 pelo AG para cada índice de modulação de amplitude. 213 Tabela 49 – Determinação dos 7 ângulos de chaveamento com base na avaliação da função F5 pelo AG para cada índice de modulação de amplitude.

CONVERSORES MULTINÍVEIS

Conversor multinível ponte H em cascata (CHB)

O conversor ponte H em cascata pode operar como inversor ou retificador desde que as fontes de tensão da célula sejam bidirecionais [42]. O número de níveis de tensão no sinal de saída, m, em um inversor em cascata é definido por m = 2s + 1 (dois níveis por ponte H e o nível zero comum), onde s é o número de fontes CC independentes ou o número de Pontes H (Figura 2). As principais vantagens dos conversores multiníveis ponte H em cascata são mostradas abaixo: .. a) o número de níveis de tensão possíveis no sinal de saída é maior que o dobro do número de fontes CC (m = 2s + 1), portanto a forma de onda da tensão de saída apresenta menor distorção harmônica com passos de tensão reduzidos (dv/dt);

Conversor multinível com diodo grampeador (DCMC)

Conforme Figura 8, os níveis de tensão do NPC–3L são referenciados em relação ao ponto central do barramento CC, denotado por N. A Tabela 2 apresenta os níveis de tensão e suas respectivas condições de chaveamento para a fase a do NPC–3L. A Tabela 3 lista os possíveis níveis de tensão em relação à referência N com a respectiva lógica de chaveamento para a fase a do DCMC–5L.

Conversor multinível com grampeamento a capacitor (FCMC)

O incremento de tensão entre dois ramos adjacentes do capacitor fornece a amplitude das etapas de tensão na forma de onda de saída [9]. Os estados de chaveamento e seus respectivos circuitos de corrente com os correspondentes níveis de tensão de saída estão representados na Figura 12. 1.0), portanto o inversor multinível com fixação por capacitor apresenta redundâncias nos níveis de tensão intermediários, ou seja, duas ou mais combinações de chaves válidas sintetizam o mesmo nível de tensão.

Outras estruturas de conversores multiníveis

Dois conversores multinível podem ser conectados em uma estrutura back-to-back para conectar a um sistema elétrico em um arranjo série-paralelo, conforme mostrado na Figura 14. Ambos os conversores multinível de diodo de fixação e conversores multinível de capacitor flutuante podem ser definido na topologia multinível generalizada chamada topologia P2 [75], conforme mostrado na Figura 16. Conversores multiníveis com fixação de diodo ou capacitor podem ser usados para substituir as pontes H de um conversor em cascata para reduzir o número de fontes CC independentes, como mostrado na Figura 17.

Conversor com grampeamento multinível (MLC 2 )

A Figura 19 ilustra a topologia MLC2–5L de modo comum que consiste em uma unidade de fixação multinível e um NPC–3L trifásico. A Tabela 10 determina a tensão máxima de bloqueio reverso que deve ser suportada pelas chaves semicondutoras de potência e diodos de fixação do MLC2–7L modular. Observe que a topologia modular MLC2–7L usa menos componentes, mas requer um transformador trifásico (ou três transformadores monofásicos) para produzir tensões de 7 níveis (Figura 21).

PRINCIPAIS ESTRATÉGIAS DE MODULAÇÃO As metodologias de modulação

PWM multinível baseada em portadora A técnica PWM multinível
Modulação espaço vetorial – SVM
Eliminação seletiva de harmônicos PWM – SHE–PWM

SHE–PWM é baseado na decomposição em série de Fourier da forma de onda periódica gerada pelo conversor e no cálculo dos ângulos de comutação (θk) que eliminam harmônicos de ordem inferior selecionados e o componente fundamental do sinal sintetizado pelo conversor, controle. A Figura 40 mostra uma forma de onda com 7 níveis de tensão com ¼ de simetria de onda exigindo pelo menos 3 ângulos de comutação (modulação em escada). Em geral, para formas de onda com m níveis (ímpares), são necessários pelo menos (m–1)/2 ângulos de comutação.

É assim possível aumentar o número de ângulos de acoplamento nas formas de onda variáveis e, teoricamente, aumentar o número de harmônicos eliminados. A Figura 41 ilustra a forma de onda com N ângulos de comutação distribuídos entre constantes X e diferentes níveis de tensão. As diversas formas de onda SHE-PWM e o efeito dos ângulos de comutação e níveis de tensão no sinal sintetizado pelo conversor em função da alteração do índice de modulação (ma) são ilustrados na Figura 42.

Outra característica de todos os métodos anteriores é que a alteração da ordem dos níveis de tensão e da distribuição dos ângulos de comutação resulta em diferentes formas de onda de saída. A teoria resultante é então aplicada para calcular a solução do sistema de equações polinomiais e então para encontrar todos os conjuntos de soluções de ângulo de comutação para uma determinada forma de onda SHE-PWM. SHE – PWM é aplicado a um PMSM (Motor Síncrono de Imã Permanente) para eliminar harmônicos de ordem inferior, resultando na eliminação de correntes harmônicas [165].

O método de apresentação mais utilizado na literatura apresenta gráficos relacionando o índice de modulação de amplitude (ma) aos ângulos de chaveamento. ¼ de onda combinada com a técnica de otimização através da mitigação de harmônicos de baixa ordem, onde o número de ângulos de comutação varia de 3 a 9. A extensão da técnica SHE – PWM para incluir níveis de tensão diferentes e variáveis, os ângulos de comutação PWM padrão ( ângulos de comutação)) torna-se constante com a variação linear das tensões.

SHE–PWM COM AG APLICADA AO MLC 2 –7L MODULAR

Algoritmos Genéticos (AG)
Estratégia de modulação proposta

Os ângulos de deslocamento são carregados off-line por meio de uma tabela de pesquisa; .. 3.) Definição do tamanho da população e inicialização aleatória. A população deste trabalho é composta por 100 cromossomos, cada um contendo de 3 a 9 ângulos de alternância conforme o teste proposto. No Capítulo 4, o AG calcula os ângulos de chaveamento com base na análise das funções de avaliação F1 [26] e F2 [182], com o único propósito de reduzir e/ou minimizar os harmônicos selecionados sem controle de amplitude dos componentes. fundamental e, consequentemente, determina o índice de modulação de amplitude (ma) para o qual o conversor sintetiza uma forma de onda com a menor distorção harmônica total possível utilizando a técnica de modulação SHE – PWM com AG no modular MLC2–7L.

Esta ferramenta pode encontrar os ângulos de comutação para conversores multinível com qualquer número de estágios e eliminar todos os harmônicos listados simplesmente ajustando as variáveis, a função de avaliação de adequação e os parâmetros AG. Considerando o sinal de tensão de simetria de ¼ de onda mostrado na Figura 47 e a lógica de chaveamento do modular MLC2-7L apresentada na Tabela 17, foi desenvolvido um algoritmo para gerar pulsos de chaveamento retangulares para chaves nominais de conversores multiníveis. Para manter baixa a distorção harmônica total na forma de onda sintetizada pelo conversor, os níveis de tensão devem ser espaçados uniformemente e a lógica de chaveamento deve ser estruturada conforme mostrado na Figura 47 [2].

A forma de obtenção dos sete níveis de tensão e dos ângulos de chaveamento é dada pela estratégia de modulação SHE-PWM com AG proposta nesta tese. Os ângulos de comutação θ1, θ2, .., θk podem ser escolhidos de modo que a distorção harmônica total do sinal de tensão de saída seja mínima. A Figura 50, Figura 51 e Figura 52 apresentam um ciclo das formas de onda dos sinais Va3L, Va5L e Va7L da fase a, respectivamente, utilizando os ângulos de chaveamento da Tabela 22.

No Capítulo 5, o AG deve determinar os ângulos de acoplamento que satisfaçam todas as restrições do problema proposto.

Simulação com 3 variáveis e m a fixo
Simulação com 4 variáveis, função de custo F 2 e m a fixo
Conclusões Parciais

A Figura 64 mostra 1 ciclo da forma de onda do sinal de tensão de linha produzido pelo conversor a partir dos dados apresentados na Tabela 25. A Figura 73 ilustra 1 ciclo da forma de onda do sinal de tensão de linha produzido pelo conversor a partir das informações apresentadas na Tabela 27. A Figura 80 e a Figura 81 ilustram 1 ciclo de sinal de 7 (tensão de fase) e 13 (tensão de linha) níveis sintetizados pelo modular MLC2–7L usando 6 ângulos de comutação.

A Figura 82 mostra 1 ciclo da forma de onda do sinal de tensão de linha produzido pelo conversor a partir dos dados mostrados na Figura 46 e na Tabela 29. Todos os valores referentes à qualidade do sinal de tensão de linha estão listados na Figura 168 e Figura 169 do O Apêndice A Figura 91 mostra 1 ciclo da forma de onda do sinal de tensão de linha produzido pelo conversor com base nos dados mostrados na Figura 46 e na Tabela 31.

A Figura 92 apresenta 2 ciclos do sinal trifásico de 7 níveis produzido pelo modular MLC2–7L e representa as tensões de fase do conversor moduladas pelos 7 ângulos de chaveamento mostrados na Tabela 30. A Figura 94 ilustra 2 ciclos dos níveis de sinal trifásicos de 13 níveis produzidos pelo modular MLC2–7L usando os 7 ângulos de comutação determinados pelo AG e mostrados na Tabela 30. A Figura 100 representa 1 ciclo da forma de onda do sinal de tensão de linha produzido pelo conversor, com base nas informações listadas na Tabela 33.

A Figura 103 ilustra 2 ciclos do sinal trifásico de 13 níveis produzido pelo modular MLC2–7L a partir dos 8 ângulos de comutação contidos na Tabela 32 e representa as tensões de linha do conversor conforme mostrado na Figura 99. A Figura 108 mostra a forma de onda do sinal de tensão de fase produzido pelo modular MLC2–7L a partir dos dados mostrados na Tabela 35. A Figura 110 representa graficamente a forma de onda do sinal de tensão de linha produzido pelo conversor a partir dos dados mostrados na Tabela 35.

Assim, as simulações realizadas no Capítulo 4 mostraram o índice de modulação ideal para operação do conversor. A Figura 117 mostra uma forma de onda de 7 níveis de ¼ de ciclo, usando 3 ângulos de comutação (θ1, θ2 e θ3), sintetizada pelo modular MLC2-7L usando a estratégia de modulação SHE-PWM com AG. Todas as 5 funções de avaliação deverão estar relacionadas às amplitudes dos harmônicos de 5ª, 7ª, 11ª e 13ª ordem; no índice de modulação calculado a partir de AG (maAG) e no índice de modulação de referência (maref), definidos em e (5.7), respectivamente.

O índice de modulação de referência determina a amplitude desejada da componente fundamental da tensão de fase (Vref). THD simulado com tensão de linha (DHT13L); o percentual dos harmônicos de 5ª, 7ª, 11ª e 13ª ordem, em relação à componente fundamental da tensão da linha (h5, h7, h11 e h13) e o harmônico máximo (hmax) para aumentar os valores estabelecidos na norma ANEEL ( Tabela 19). É importante ressaltar que as linhas destacadas da Tabela 38 à Tabela 42 referem-se aos melhores resultados entre as 5 funções avaliadas para cada índice de modulação.

Na Tabela 40 nota-se que a região do índice de modulação entre 0,5 e 0,95 atingiu os objetivos de mitigação de harmônicos de baixa ordem até os limites estabelecidos na norma ANEEL, porém não foi possível a conformação com relação ao DHT. As operações com filtros sintonizados harmonicamente mostrados na coluna hmax permitem que o conversor opere na faixa destacada na Tabela 40 em relação à região do índice de modulação entre 0,5 e 0,95. Porém, a Tabela 43 mostra maior supressão harmônica nos índices de modulação de 0,3 (h11) e 0,95 (h35); e, melhor convergência, possibilitando um controle fino da amplitude da componente fundamental.

A Figura 119 e a Figura 120 ilustram as formas de onda simuladas das tensões de linha trifásicas geradas pelo MLC2-7L modular proposto operando com um índice de modulação de 0,95 e 0,50, respectivamente.