NOVA FAMÍLIA DE INVERSORES MULTINÍVEIS ASSIMÉTRICOS COM ESTÁGIO CA-CA E COM REDUZIDO NÚMERO DE COMPONENTES EM CONDUÇÃO--SAMUEL JÓ DE MESQUITA-- Curso de Doutorado em Engenharia Elétrica -Universidade Federal do Ceará--BRASIL

 

RESUMO 

Esta tese propõe uma nova família de inversores multiníveis assimétricos baseados no uso de chaves bidirecionais. Generalizadas relações de tensão entre as fontes de entrada dos inversores cascateados são desenvolvidas e análises comparativas realizadas com as topologias convencionais demonstram uma solução atrativa com relação a redução do número de componentes em condução, além do reduzido emprego de fontes CC isoladas. Soluções topológicas empregando apenas uma fonte CC são apresentadas e a operação com estágio CA-CA desses conversores não necessita de pontes de diodos para confecção das fontes de alimentação dos inversores multiníveis assimétricos como comumente é usado pela comunidade científica. Estratégias de modulação PWM para algumas topologias são propostas e os resultados de simulações são apresentados para validar as análises teóricas. Entre as topologias propostas, foram escolhidas duas de maior complexidade para a validação experimental por meio de um protótipo de 49 níveis na tensão de saída, empregando um transformador toroidal de múltiplos secundários operando em 300 Hz, para a primeira topologia e em 60 Hz para a segunda topologia. Os resultados experimentais para as duas topologias processando 1 kW com tensão de entrada de 48 V e de saída 220 V validam os conversores aqui propostos. Também é validada a proposta dos estados otimizados de comutação dos interruptores bidirecionais. Dessa forma, este trabalho introduz novas topologias de inversores multiníveis assimétricos viáveis até mesmo para operações em baixas potências.

 Palavras-chave: Chaves bidirecionais. Estágio CA-CA. Inversores multiníveis assimétricos. Topologias isoladas. Transformador de múltiplos secundários. Modulação staircase. Modulação híbrida. Modulação PWM.

 ABSTRACT 

This thesis proposes a new family of asymmetric multilevel inverters based on the use of bi-directional switches. Generalized voltage relations among input sources of the cascaded inverters are developed and comparative analyzes with conventional topologies show an attractive solution in relation to the reduction of the number of components in conduction, as well as the reduced number of isolated DC sources. Topological solutions employing only one DC source are presented and the AC-AC operating stage of these converters does not require diode bridges to create the power supplies of asymmetric multilevel inverters as commonly proposed by the scientific community. PWM modulation strategies for some topologies are proposed and validated by simulation results. Among the proposed topologies, two topologies of higher complexity were chosen to validate the studies by means of a 49-level output voltage laboratory prototype, using a toroidal transformer with multiple secondary windings, being one topology operating at 300 Hz, and the second one at 60 Hz. Experimental results for the two topologies processing 1 kW with 48 V input voltage and 220 V output validate these converters as well as the optimized commutation states of the bi-directional switches. In this way, this work introduces new multilevel inverter topologies viable for low power and low voltage operation. 

Keywords: Asymmetrical multilevel inverters. AC-AC conversion. Bi-directional switches. Multi-winding transformers. Hybrid modulation. PWM modulation. Staircase modulation

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