Desenvolvimento de um Inversor ANPC de 5 Níveis de Tensão Utilizando Célula de Comutação Multiestado

Vinícius G. Hoffmann; Felipe J. Zimann; Cassiano Rech; Alessandro L. Batschauer

doi:10.18618/REP.e202540

Authors

Vinícius G. Hoffmann Universidade do Estado de Santa Catarina
Felipe J. Zimann Universidade do Estado de Santa Catarina https://orcid.org/0000-0001-9548-720X
Cassiano Rech Universidade Federal de Santa Maria https://orcid.org/0000-0001-8225-9240
Alessandro L. Batschauer Universidade do Estado de Santa Catarina https://orcid.org/0000-0002-3094-9589

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.e202540

Keywords:

Célula de comutação multiestado (MSSC), Cinco níveis de tensão (5L), Indutor intercalado, Indutor acoplado, Inversor de ponto neutro grampeado ativo (ANPC)

Abstract

Este artigo apresenta o projeto de um conversor ANPC (Active Neutral Point Clamped) de 5 níveis de tensão utilizando uma Célula de Comutação Multiestado (MSSC), operando como inversor. O inversor é associado a três opções de filtros indutivos na saída: um indutor convencional, um conjunto de indutores intercalados e um conjunto de indutores acoplados. Os parâmetros avaliados para estes filtros incluem massa, volume, perdas, elevação de temperatura e eficiência quando combinados com o inversor. As principais características do conversor ANPC-5L-MSSC incluem fluxo bidirecional de potência, baixa distorção harmônica de tensão, alto fator de potência, melhor distribuição de perdas em comparação com a topologia NPC convencional, além de massa e volume minimizados dos componentes passivos, possibilitados pela célula MSSC, que aumenta a frequência efetiva no filtro de saída e, consequentemente, reduz o tamanho dos componentes magnéticos. São demonstradas as etapas de funcionamento do inversor, bem como o dimensionamento dos semicondutores de potência, do autotransformador e dos indutores e capacitores utilizados no filtro. A validação dos cálculos é realizada por meio de comparação com resultados obtidos via simulação numérica. Também são apresentados resultados experimentais obtidos em laboratório, a partir de um protótipo de 1,5\,kW.

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Author Biographies

Vinícius G. Hoffmann, Universidade do Estado de Santa Catarina

recebeu o título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial em 2017, Licenciatura em Educação Profissional e Tecnológica em 2019, e Especialização em Docência para Educação Profissional também em 2019, todos pelo Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC). Obteve o título de Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC), em 2021. Lecionou no ensino profissionalizante de 2016 a 2019. Hoje, atua como Projetista de Testes na empresa SUPPLIER e é graduando no Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica pelo Instituto Federal de Santa Catarina. Seus interesses de pesquisa incluem Eletrônica de Potência, Conversores Estáticos, Conversores Multiníveis, Correção do Fator de Potência e Educação Profissionalizante.

Felipe J. Zimann, Universidade do Estado de Santa Catarina

possui graduação (2013), mestrado (2016) e doutorado (2020) em Engenharia Elétrica pela Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC), Joinville, Brasil. Em 2016, foi Pesquisador Visitante na Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil. Entre os anos de 2021 e 2022 trabalhou como professor colaborador na Universidade Federal de Santa Catarina. Atualmente é professor na Universidade do Estado de Santa Catarina e no Centro Universitário – Católica SC. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Eletrônica de Potência, com interesse de pesquisa em filtros ativos, controle digital e qualidade de energia. É membro efetivo e revisor de artigos da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência (Sobraep).

Cassiano Rech, Universidade Federal de Santa Maria

recebeu o grau de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, em 1999, 2001 e 2005, respectivamente. De 2005 a 2008, foi professor associado do Departamento de Tecnologia da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ). De fevereiro de 2008 a agosto de 2009 foi professor adjunto do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC). Desde setembro de 2009 é professor do Departamento de Processamento de Energia Elétrica (DPEE) da Universidade Federal de Santa Maria. Foi Vice-Presidente da Associação Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP) e Editor da Revista Eletrônica de Potência durante o biênio 2014-2015. Foi Presidente da SOBRAEP no biênio 2016-2017. Atuou como Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFSM (conceito 6 CAPES) de 2015 a 2017. De 2021 a 2024 foi membro Comitê de Assessoramento em Engenharias Elétrica e Engenharia Biomédica (CA-EE) do CNPq. Desde 2018, é Editor Associado da IEEE Transactions on Industrial Electronics (Qualis A1 CAPES). É Senior Member da IEEE e membro da SOBRAEP. Suas principais áreas de interesse são: mobilidade elétrica, recursos energéticos distribuídos e conversores multiníveis.

Alessandro L. Batschauer, Universidade do Estado de Santa Catarina

possui graduação (1999), mestrado (2002) e doutorado (2011) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina. Atualmente é pesquisador CNPq com bolsa de produtividade DT2. Desde 2003 é professor titular da Universidade do Estado de Santa Catarina e integrante do Núcleo de Processamento de Energia Elétrica – nPEE. Em 2004 foi um dos sócios fundadores da Empresa SUPPLIER onde atua como Diretor. Na UDESC, foi Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, participou do Conselho de Administração e do Conselho Universitário. Atua no Conselho Técnico e como Pesquisador Associado no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Geração Distribuída de Energia Elétrica (INCT-GD). Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Eletrônica de Potência e Controle de Conversores, atuando principalmente nos seguintes temas: CFP, comutação suave, filtros ativos e inversores multiníveis. Prof. Alessandro Batschauer atualmente é membro e revisor de artigos da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência (Sobraep), da IEEE-PELS e IEEE-IES.

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