Inversor híbrido de cinco níveis: estudo, operação e controle da tensão do capacitor flutuante
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal da Paraíba
Brasil Engenharia Elétrica Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica UFPB |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/32649 |
Resumo: | This work proposes the analysis and control of a five-level DC/AC inverter with a reduced number of power switches. The considered hybrid topology is the result of combining a threelevel Flying Capacitor (FC) inverter with a Neutral-Point Clamped (NPC) inverter. The number of levels in the FC converter is increased to four by changing the voltage ratio between the DC bus and the voltage at the floating capacitor terminals. The reduction in the number of components leads to a decrease not only in the number of auxiliary and control circuits but also in the converter's volume compared to conventional topologies. In this type of configuration, it is necessary to control the voltage at the floating capacitor terminals to one-fourth of the bus voltage to ensure proper operation. Thus, a voltage control technique is presented, aided by Pulse-Width Modulation (PWM), which allows for the regulation of this voltage and the generation of the necessary levels for the inverter's operation. To enable the inverter to be powered by a low voltage, a configuration is proposed where the inverter is integrated with a DC-DC voltage boost converter with a reduced number of capacitors in the bus compared to a conventional five-level FC circuit. An analysis of conduction and switching losses in semiconductors, as well as stress analysis of voltage, current, and temperature, along with total harmonic distortion in the generated currents and voltages, is presented to evaluate the topology's performance. Simulation results validate the operating principle of the converters, the PWM techniques applied to the converter, and the employed control strategies. |
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Inversor híbrido de cinco níveis: estudo, operação e controle da tensão do capacitor flutuanteConversor híbrido CC-CAIntegração de conversor CC-CCInversor com capacitor flutuanteHybrid DC-AC converterReduced number of componentsInverter with floating capacitorIntegration of dc-dc converter and inverter with floating capacitorCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAThis work proposes the analysis and control of a five-level DC/AC inverter with a reduced number of power switches. The considered hybrid topology is the result of combining a threelevel Flying Capacitor (FC) inverter with a Neutral-Point Clamped (NPC) inverter. The number of levels in the FC converter is increased to four by changing the voltage ratio between the DC bus and the voltage at the floating capacitor terminals. The reduction in the number of components leads to a decrease not only in the number of auxiliary and control circuits but also in the converter's volume compared to conventional topologies. In this type of configuration, it is necessary to control the voltage at the floating capacitor terminals to one-fourth of the bus voltage to ensure proper operation. Thus, a voltage control technique is presented, aided by Pulse-Width Modulation (PWM), which allows for the regulation of this voltage and the generation of the necessary levels for the inverter's operation. To enable the inverter to be powered by a low voltage, a configuration is proposed where the inverter is integrated with a DC-DC voltage boost converter with a reduced number of capacitors in the bus compared to a conventional five-level FC circuit. An analysis of conduction and switching losses in semiconductors, as well as stress analysis of voltage, current, and temperature, along with total harmonic distortion in the generated currents and voltages, is presented to evaluate the topology's performance. Simulation results validate the operating principle of the converters, the PWM techniques applied to the converter, and the employed control strategies.Este trabalho propõe a análise e controle de um inversor CC/CA de cinco níveis com um número reduzido de interruptores de potência. A topologia híbrida considerada é o resultado da combinação de um inversor com capacitor flutuante (Flying Capacitor - FC) de três níveis e um inversor com ponto neutro grampeado (Neutral-Point Clamped - NPC). O número de níveis do conversor FC é aumentado para quatro por meio da mudança da relação de tensão entre o barramento CC e a tensão nos terminais do capacitor flutuante. A redução no número de componentes resulta em uma diminuição não apenas no número de circuitos auxiliares e de comando, mas também no volume do conversor em relação às topologias convencionais. Nesse tipo de configuração, é necessário controlar a tensão nos terminais do capacitor flutuante em um quarto da tensão do barramento, a fim de garantir uma operação adequada. Dessa forma, é apresentada uma técnica de controle de tensão com o auxílio da modulação por largura de pulso (Pulse-Width Modulation - PWM), a qual permite regular essa tensão e gerar os níveis necessários para o funcionamento do inversor. Com o intuito de viabilizar a alimentação do inversor a partir de uma baixa tensão, é proposta uma configuração na qual o inversor é integrado a um conversor elevador de tensão CC-CC, com um número reduzido de capacitores no barramento em comparação com um circuito FC convencional de cinco níveis. Uma análise das perdas de condução e de comutação nos semicondutores, bem como dos estresses de tensão, corrente e temperatura, juntamente com a distorção harmônica total nas correntes e tensões geradas, é apresentada com o objetivo de avaliar o desempenho da topologia. Os resultados das simulações validam o princípio de operação dos conversores, as técnicas PWM aplicadas ao conversor, assim como as estratégias de controle empregadas.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia ElétricaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFPBSilva, Edison Roberto Cabral dahttp://lattes.cnpq.br/7577873305205472Santos, Thais Lima2024-12-02T20:41:00Z2024-04-212024-12-02T20:41:00Z2024-09-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/32649porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2024-12-03T06:04:56Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/32649Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| bdtd@biblioteca.ufpb.bropendoar:2024-12-03T06:04:56Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false |
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This work proposes the analysis and control of a five-level DC/AC inverter with a reduced number of power switches. The considered hybrid topology is the result of combining a threelevel Flying Capacitor (FC) inverter with a Neutral-Point Clamped (NPC) inverter. The number of levels in the FC converter is increased to four by changing the voltage ratio between the DC bus and the voltage at the floating capacitor terminals. The reduction in the number of components leads to a decrease not only in the number of auxiliary and control circuits but also in the converter's volume compared to conventional topologies. In this type of configuration, it is necessary to control the voltage at the floating capacitor terminals to one-fourth of the bus voltage to ensure proper operation. Thus, a voltage control technique is presented, aided by Pulse-Width Modulation (PWM), which allows for the regulation of this voltage and the generation of the necessary levels for the inverter's operation. To enable the inverter to be powered by a low voltage, a configuration is proposed where the inverter is integrated with a DC-DC voltage boost converter with a reduced number of capacitors in the bus compared to a conventional five-level FC circuit. An analysis of conduction and switching losses in semiconductors, as well as stress analysis of voltage, current, and temperature, along with total harmonic distortion in the generated currents and voltages, is presented to evaluate the topology's performance. Simulation results validate the operating principle of the converters, the PWM techniques applied to the converter, and the employed control strategies. |
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