Desenvolvimento de conversores de cinco níveis com capacitor chaveado e grampeamento ativo do ponto neutro
| Ano de defesa: | 2022 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Santa Maria
Brasil Engenharia Elétrica UFSM Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Centro de Tecnologia |
| 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: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/27490 |
Resumo: | This work aims to propose a five-level converter topology. The proposed converter uses the switched capacitor concept with an active neutral point clamped structure, with one floating capacitor per phase and only one dc-link, even in three-phase systems. When operated as an inverter, the proposed converter synthesizes similar output voltages compared to traditional five-level inverters, but with a reduction of the input dc-link voltage at half. Some benefits can be highlighted, such as: reduction of voltage especification in the semiconductors and capacitors and, consequently, minimization of the total standing voltage of the circuit. In order to facilitate the floating capacitor voltage control, a modulation strategy based on the switched capacitor principle is also explored. Thus, voltage regulation occurs automatically without any control strategies and/or the use of additional circuits and sensors. However, although the complexity of the voltage balance is reduced, it increases the currents stress in the components, usual in switched capacitor based circuits, so a current analysis is introduced. Additionally, the proposed converter is operated as a unidirectional rectifier. In this case, the number of active semiconductors and associated drive circuits can be reduced by half. The modulation strategy also allows the automatic voltage balance in the floating capacitors, which simplifies the operation of the system connected to the three-phase grid. Simulation and experimental results are included to show the functionality of the proposed converter. |
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Desenvolvimento de conversores de cinco níveis com capacitor chaveado e grampeamento ativo do ponto neutroDesing a five-level switched capacitor active neutral point clamped converterConversores multiníveisConversores com grampeamento ativo do ponto neutroCapacitor chaveadoTopologias cinco níveisMultilevel convertersActive neutral point clamped convertersSwitched-capacitorFive-level topologiesCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAThis work aims to propose a five-level converter topology. The proposed converter uses the switched capacitor concept with an active neutral point clamped structure, with one floating capacitor per phase and only one dc-link, even in three-phase systems. When operated as an inverter, the proposed converter synthesizes similar output voltages compared to traditional five-level inverters, but with a reduction of the input dc-link voltage at half. Some benefits can be highlighted, such as: reduction of voltage especification in the semiconductors and capacitors and, consequently, minimization of the total standing voltage of the circuit. In order to facilitate the floating capacitor voltage control, a modulation strategy based on the switched capacitor principle is also explored. Thus, voltage regulation occurs automatically without any control strategies and/or the use of additional circuits and sensors. However, although the complexity of the voltage balance is reduced, it increases the currents stress in the components, usual in switched capacitor based circuits, so a current analysis is introduced. Additionally, the proposed converter is operated as a unidirectional rectifier. In this case, the number of active semiconductors and associated drive circuits can be reduced by half. The modulation strategy also allows the automatic voltage balance in the floating capacitors, which simplifies the operation of the system connected to the three-phase grid. Simulation and experimental results are included to show the functionality of the proposed converter.Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESFundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGSEste trabalho propõe uma topologia de conversor capaz de sintetizar cinco níveis de tensão. O conversor proposto incorpora o conceito de capacitor chaveado em uma estrutura com grampeamento ativo do ponto neutro, com um capacitor flutuante por fase e um único barramento CC, mesmo em sistemas trifásicos. Quando operado como inversor, o conversor proposto sintetiza tensões de saída com especificações similares se comparado com inversores cinco níveis tradicionais, porém com redução da tensão de entrada CC pela metade. Essa redução de tensão traz alguns benefícios, como por exemplo: redução dos esforços de tensão nos semicondutores e capacitores da estrutura e, consequentemente, minimização da tensão de bloqueio total do circuito. De modo a facilitar o controle de tensão nos capacitores flutuantes, uma estratégia de modulação baseada no princípio do capacitor chaveado é também explorada. Com isso, a regulação de tensão ocorre de modo automático sem estratégias de controle e/ou uso de circuitos e sensores adicionais. A regulação de tensão, embora mais simples, causa elevação das correntes nos componentes da estrutura, inerente de circuitos que empregam a técnica de capacitor chaveado, de modo que uma análise das correntes é introduzida. Adicionalmente, o conversor proposto também é analisado para operação como retificador unidirecional. Neste caso, o número de semicondutores ativos e circuitos de acionamento associados podem ser reduzidos pela metade. A estratégia de modulação também possibilita a regulação automática das tensões nos capacitores flutuantes, o que contribui a simplificar a operação do sistema conectado a rede trifásica. Resultados de simulação e experimentais são incluídos para mostrar a funcionalidade do conversor proposto.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaRech, Cassianohttp://lattes.cnpq.br/9375639768929991Carnielutti, Fernanda de MoraisHeldwein, Marcelo LoboDalla Costa, Marco AntônioLazzarin, Telles BrunelliCastiblanco, Wilmar Armando Pineda2023-01-04T15:20:50Z2023-01-04T15:20:50Z2022-06-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/27490ark:/26339/001300000vv8hporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2023-01-04T15:20:50Zoai:repositorio.ufsm.br:1/27490Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2023-01-04T15:20:50Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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This work aims to propose a five-level converter topology. The proposed converter uses the switched capacitor concept with an active neutral point clamped structure, with one floating capacitor per phase and only one dc-link, even in three-phase systems. When operated as an inverter, the proposed converter synthesizes similar output voltages compared to traditional five-level inverters, but with a reduction of the input dc-link voltage at half. Some benefits can be highlighted, such as: reduction of voltage especification in the semiconductors and capacitors and, consequently, minimization of the total standing voltage of the circuit. In order to facilitate the floating capacitor voltage control, a modulation strategy based on the switched capacitor principle is also explored. Thus, voltage regulation occurs automatically without any control strategies and/or the use of additional circuits and sensors. However, although the complexity of the voltage balance is reduced, it increases the currents stress in the components, usual in switched capacitor based circuits, so a current analysis is introduced. Additionally, the proposed converter is operated as a unidirectional rectifier. In this case, the number of active semiconductors and associated drive circuits can be reduced by half. The modulation strategy also allows the automatic voltage balance in the floating capacitors, which simplifies the operation of the system connected to the three-phase grid. Simulation and experimental results are included to show the functionality of the proposed converter. |
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