Os conversores multiníveis VSI, de um modo geral, são usados para sintetizar as tensões a partir de certo número de elementos armazenadores de energia (como capacitores ou baterias), aqui denominados fontes de tensão. Uma onda de tensão multiníveis apresenta por algum mecanismo, diretamente associados a essas fontes, l níveis de tensão, incluindo o nível de referência.
A. Conversor em NPC.
O princípio de operação e os aspectos construtivos da estrutura NPC de três níveis podem ser estendidos para um maior número de níveis [20] e [29]. De um modo geral um conversor NPC de l níveis é construído com l-1 fontes de tensão (que dividem igualmente o seu barramento c.c.), e 2(l-1) chaves principais em cada fase. O conversor emprega também 2(l-2) diodos no processo de grampeamento das tensões das chaves principais da fase. Admite-se aqui que as chaves de uma fase do conversor NPC de l níveis possam ser divididas em dois grupos iguais, um contendo as chaves da porção superior da fase e o outro as chaves da porção inferior. O processo de grampeamento é então feito ligando-se o catodo de um diodo de grampeamento a um ponto entre duas chaves do grupo superior, e seu anodo a um ponto entre duas fontes de tensão de seu barramento. Este último ponto é também ligado ao catodo de outro diodo de grampeamento cujo anodo esta ligado a um ponto entre duas chaves do grupo inferior. Na prática, embora o processo de grampeamento garanta que a tensão nominal de cada chave principal seja sempre igual à tensão total do barramento, Vd, dividido por (l-1), a
tensão nominal dos diodos de grampeamento, para l superior a 3, precisa ser diferente. Isto ocorre porque ao ligar as chaves do grupo inferior, o anodo dos diodos de grampeamento conectados a essas chaves é ligado ao potencial mais negativo do barramento c.c., enquanto seu catodo se encontra ligado a um ponto do barramento que o submete à soma das tensões do subconjunto de fontes em série até este ponto do barramento. Para empregar dispositivos de mesma tensão nominal, cada fase requer (l-1)(l-2) diodos de grampeamento. É importante se destacar que a estrutura NPC de três níveis não apresenta esse tipo de problema [16]. Isso reforça a preferência da indústria por essa configuração (conversor/número de níveis).
Para produzir a sucessão dos l níveis de tensão, (l-1) chaves adjacentes são ligadas simultaneamente, indo do grupo superior para o inferior e vice-versa. Como conseqüência o tempo de condução das chaves mais internas de uma fase é maior que o das mais externas. Outra vez, se dispositivos idênticos são empregados no conversor ocorrerá um superdimensionamento, da chave mais externa em relação à mais interna, de um fator 2(l-1) [25].
Desta forma, pode-se dizer que em um conversor NPC de l níveis, o número de níveis da tensão sintetizada obtida, por exemplo, entre a saída do conversor e o ponto
negativo do barramento c.c., está diretamente associado ao número de fontes de tensão
Nft em série, que compõem seu barramento. Então, para produzir uma onda de tensão
com l níveis, o conversor NPC emprega: 1 − = l
Nft (2.12)
fontes de tensão por fase, ou, os l níveis em função de Nft são dados por:
1 + =Nft
l . (2.13)
Neste caso, pode-se verificar que o número de chaves de cada grupo se iguala ao número de fontes de tensão, de modo que o número total de chaves de uma fase Nché:
) 1 ( 2 2 = − = N l Nch ft . (2.14)
De forma semelhante, a quantidade de diodos de grampeamento está relacionada ao número de fontes de tensão Nft havendo tantos pares de diodos de grampeamento
quanto o número de pontos de grampeamento que correspondem aos pontos de conexão de cada duas das Nft fontes de tensão. Assim, o número de diodos de grampeamento Ndg,
por fase, é dado por:
) 2 ( 2 ) 1 ( 2 − = − = N l Ndg ft . (2.15)
Supondo-se que todos os diodos devem ser iguais, um número maior destes deve ser usado, [25]. Com isso o número de diodos de grampeamento por fase passa a ser:
) 2 ( ) 1 ( − ⋅ − = l l Ndg . (2.16) B. Conversor em Cascata.
Geralmente um conversor em cascata comercial de l níveis é construído com (l-1)/2 módulos monofásicos de potência, (l-1)/2 fontes de tensão (com barramentos c.c. simétricos e independentes), e 2(l-1) chaves principais em cada fase. Para produzir l níveis de tensão, (l-1) chaves principais são ligadas simultaneamente.
Em resumo, pode-se dizer que os níveis da tensão sintetizada por um conversor em cascata de l níveis obtida, por exemplo, entre a saída do mesmo e o ponto de conexão de suas fases, está diretamente associada ao número de fontes de tensão Nft dos
módulos de potência. Com uma tensão média do barramento c.c. de Vd, cada um dos
módulos de potência é capaz de fornecer três níveis distintos de tensão (+Vd, 0 e –Vd).
Cada um dos N módulos monofásicos em série por fase possui uma única fonte de tensão, de modo que, Nft = N, onde N é o número de módulos em série por fase. Desta
forma, pode-se obter l níveis distintos de tensão de fase l = (2N+1), ou seja, (0V, ±Vd,
±2Vd, ±3Vd,... ±NVd). O que exige um número de fontes de tensão igual a:
2 ) 1 ( − = l Nft . (2.17)
Então o conversor em cascata apresenta os seus l níveis de tensão, por fase, sintetizados a partir de seus N módulos monofásicos, sendo dados em função de Nft por:
1
2 +
= Nft
l . (2.18)
Deve-se lembrar aqui que cada módulo de potência é construído com quatro chaves principais. Assim o número total de chaves por fase é dado por:
) 1 ( 2 2 / ) 1 ( 4 4 4 = = − = − = N N l l Nch ft . (2.19)
Além disso, haverá sempre duas chaves, ou diodos de roda livre, em condução por módulo de potência. Com isso, o número de chaves principais ligadas simultaneamente:
) 1 ( 2 / ) 1 ( 2 2 2 = = − = − = N N l l Nch ft . (2.20)
C. Conversor com grampeamento capacitivo.
Um conversor FCMC de l níveis é comumente construído com 2(l-1) chaves principais em cada fase e uma única fonte de tensão, embora se admitindo que todos os elementos capacitivos são de mesmos valores nominais, l-1 fontes de tensão dividem igualmente o seu barramento c.c., como se pode verificar na Figura 2.4. O conversor emprega também (l-2) capacitores no processo de grampeamento das tensões das chaves principais da fase que é feito ligando um lado de cada capacitor de grampeamento a um ponto entre duas chaves do grupo superior e o outro lado a um ponto entre duas chaves do grupo inferior. Na prática embora pelo processo de grampeamento também aqui a tensão nominal de cada chave principal seja igual à Vd (l−1), a tensão nominal dos capacitores de grampeamento para l superior a 3 precisa ser diferente. Para empregar elementos de mesmas tensões nominais cada fase requer (l-1)(l-2) capacitores de grampeamento. Para o conversor FCMC produzir l níveis de tensão são ligadas, simultaneamente, (l-1) chaves, adjacentes ou não.
Pelo exposto acima, pode-se dizer que um conversor FCMC de l níveis emprega um número total de chaves por fase Nch dado por:
) 1 ( 2 − = l Nch (2.21)
podendo também expressar número de níveis de tensão em função do número de chaves:
2 1 Nch
l= + . (2.22)
Nessa linha a quantidade de capacitores de grampeamento está ligada ao número de chaves principais Nch, havendo tantos capacitores quanto o número de pontos de
grampeamento correspondentes aos pontos de conexão de cada duas chaves principais de um grupo. Dessa forma, o número de capacitores de grampeamento Ncg por fase é
igual a: ) 2 ( − = l Ncg . (2.23)
Supondo que todos os capacitores são idênticos, o número de capacitores de grampeamento por fase é:
2 ) 2 ( ) 1 ( − ⋅ − = l l Ncg . (2.24)
Novamente, a análise topológica aqui apresentada é válida para l > 2, e com isso, excetuando-se a contagem dos elementos de grampeamento pertinentes, apenas às topologias NPC e FCMC, esta se estende aos conversores convencionais de dois níveis.
A Tabela 2.1 apresenta um resumo comparativo das três topologias de conversores multiníveis, [25] como descrito nas subseções anteriores. Nessa tabela verifica-se que o número de chaves principais e de diodos de roda livre cresce de forma praticamente linear com o número de níveis. O mesmo pode ser dito para o número de elementos armazenadores de energia (fontes de tensão) idênticos que constituem o barramento c.c.. Por outro lado o número de elementos de grampeamento cresce de forma aproximadamente quadrática com o número de níveis, o que resulta em custos mais elevados para as topologias que possuem barramento c.c., com fontes de tensão comuns, NPC e FCMC, quando o número de níveis l cresce. A topologia em cascata não necessita de nenhum tipo de esquema de grampeamento, por isso pode ser projetada para trabalhar com um número de níveis elevado. Isso é vantajoso do ponto de vista da qualidade das formas de onda de tensão e correntes sintetizadas pelos conversores. Nesse caso, consegue-se com os conversores em cascata uma boa aproximação com ondas senoidais, com reduzido conteúdo harmônico, mesmo com baixíssimo número de comutações por período fundamental da onda de referência. Isto possibilita alimentar diretamente as cargas, sem a necessidade do uso de filtros de saída, nas versões comerciais da estrutura em cascata e com elevada eficiência.
Tabela 2.1 Comparação do número de componentes por fase entre conversores multiníveis
Tipo de Conversor NPC FCMC Cascata
Número de chaves principais 2(l-1) 2(l-1) 2(l-1)
Número de diodos de roda livres das chaves principais 2(l-1) 2(l-1) 2(l-1) Número de chaves principais em condução simultânea (l-1) (l-1) (l-1) Número de capacitores do barramento c.c. (l-1) (l-1) (l-1)/2
Número de diodos de grampeamento (l-1)(l-2) 0 0
Número de capacitores de grampeamento 0 (l-1)(l-2)/2 0