Atenuação de Interferência Eletromagnética de Modo Comum para Transformadores de Estado Sólido
Este artigo aborda essa lacuna apresentando uma revisão abrangente de conversores MLCs de ligação DC comuns, cobrindo sua evolução topológica, características, comparação de topologias, técnicas de modulação, estratégias de controle e áreas de aplicação industrial. Além disso, perspectivas futuras e recomendações são discutidas para fornecer aos pesquisadores e engenheiros uma melhor compreensão das aplicações potenciais e vantagens desses conversores.
1.Introdução.
Considerando as principais etapas evolutivas dos MLCs, as topologias existentes podem ser categorizadas em algumas famílias, conforme mostrado na figura a seguir. A primeira família inclui topologias baseadas em CHB e tem sido caracterizada por alta modularidade e número ótimo de chaves de potência para níveis de saída [31]. No entanto, múltiplas fontes DC isoladas são necessárias, exigindo o uso de transformadores de isolamento volumosos ou limitando sua empregabilidade a aplicações que possuam várias fontes DC isoladas. Além disso, a distribuição desigual de potência entre as células de potência em cascata é um dos desafios comuns nesta família. A segunda família inclui topologias baseadas em NPC, como os conversores 3L-NPC e 3L-T2C. Esses conversores são caracterizados por circuitos de potência robustos e proteção direta. No entanto, o equilíbrio da ligação DC é um requisito essencial no design de controle dessas topologias. As topologias baseadas em FC utilizam capacitores como componentes de clamping para aumentar o número de níveis, formando uma família de MLCs caracterizada por alta flexibilidade, alta redundância e operação tolerante a falhas. Os MLCs híbridos são formados por células básicas das topologias convencionais e, portanto, combinam várias vantagens dos MLCs clássicos com a capacidade de produzir um alto número de níveis. As topologias MMC constituem uma família de MLCs que representam um avanço para aplicações de alta tensão devido à sua alta eficiência e alta modularidade.
2. Topologias Comuns de Ligação DC.
A estrutura ativa de três níveis NPC (ANPC) conseguiu resolver o problema de compartilhamento de perdas de potência através do uso de duas técnicas de modulação diferentes, chamadas padrões de modulação I e II. Nesses padrões, os dois diodos de clamping são substituídos por duas chaves ativas para controlar a direção do fluxo de corrente nos estados zero. O padrão de modulação I faz com que a maior parte das perdas de chaveamento ocorra nas chaves externas de cada perna, enquanto o padrão II move as perdas de chaveamento para as chaves internas. A categoria FC inclui as topologias que empregam FCs sem um ponto neutro clamped e, portanto, não traz o problema de equilíbrio da ligação DC. Nessas topologias, os FCs são usados para substituir as fontes DC, gerando níveis de tensão. Em geral, graças à modularidade, esta família tem a capacidade de gerar níveis relativamente mais altos em comparação com a família NPC. Além disso, flexibilidade, operação tolerante a falhas e melhoria na distribuição de perdas entre as chaves são características proeminentes dessas topologias. Os conversores multíniveis híbridos (HMLCs) combinam múltiplas topologias fundamentais para aproveitar suas respectivas vantagens, superando algumas de suas limitações. Predominantemente, as topologias híbridas podem melhorar as capacidades de equilíbrio de tensão tanto para a ligação DC quanto para os FCs e a distribuição de perdas de potência entre as chaves, reduzindo o número de componentes ativos e passivos necessários em comparação com as topologias NPC e FC.
3. Modulação e Controle.
Uma classificação das principais técnicas de controle para conversores multíniveis é mostrada na imagem abaixo. Assim como no conversor de dois níveis, a estrutura de controle em cascata geralmente consiste em estágios de controle externo e interno, além do bloco de modulador. Embora os loops interno e externo sejam semelhantes nos conversores de dois níveis e multíniveis, o estágio de modulador, que é principalmente necessário para as técnicas de controle escalar e orientado ao campo (FOC), precisa ser adaptado conforme o número de níveis aumenta. Nesta seção, primeiro, é apresentada uma revisão dos moduladores mais populares e avançados. Também serão investigadas com mais detalhes as técnicas de controle que não requerem um modulador separado.
4. Aplicações Industriais.
Historicamente, os inversores CHB são caracterizados por sua modularidade, tolerância a falhas e capacidade de gerar um alto número de níveis de tensão por meio de células em cascata. No entanto, a necessidade de múltiplas fontes DC isoladas (retificador + transformador do ponto de vista industrial) limita sua aplicabilidade para uma ampla gama de potências. De fato, os inversores CHB são principalmente empregados em aplicações de alta potência (que variam de centenas de quilowatts a megawatts) onde não há componentes disponíveis para tais potências. Por outro lado, as topologias comuns de ligação DC são caracterizadas pelo uso de uma única fonte DC, tornando-as uma boa alternativa em várias aplicações, como sistemas industriais trifásicos. De fato, eles podem ser empregados em muitas configurações, como 3-Leg 3-Wire, 3-Leg 4-Wire e 4-Leg 4-Wire em drives de motores, inversores fotovoltaicos, carregadores DC rápidos, etc.
Fonte: IEEE Xplore
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