Desenvolvimento de um inversor multinível monofásico para aplicações de qualidade de energia elétrica

Abstract

A exigência na qualidade da forma de onda sintetizada pelos inversores de eletrónica de potência é cada vez maior, estando esta qualidade associada a um melhor funcionamento e a um maior tempo de vida por parte das cargas e sistemas associados aos inversores. A melhoria na qualidade das formas de onda geradas pelos inversores tem sido conseguida maioritariamente através do aumento da frequência de comutação dos semicondutores. Esta estratégia provoca perdas de comutação mais elevadas, maior stress aplicado ao semicondutor e um aumento das interferências eletromagnéticas. Outro método que começa a ser utilizado para melhorar a qualidade das formas de onda dos inversores é o aumento do número de níveis na forma de onda gerada à saída. Este método utiliza inversores com topologias multinível, podendo aumentar a qualidade das formas de onda produzidas sem as desvantagens da utilização de uma frequência de comutação muito alta. Inicialmente o uso dos inversores multinível era limitado a aplicações de tensões muito elevadas, devido ao custo elevado dos semicondutores e ao baixo poder de processamento dos controladores digitais existentes. Com a evolução das tecnologias é cada vez mais viável a utilização deste tipo de topologias em aplicações de baixa tensão que necessitam de uma foram de onda com uma distorção mínima. Esta dissertação de mestrado visa o desenvolvimento de um inversor multinível monofásico para uma aplicação de baixa tensão, atribuindo maior foco à qualidade da forma de onda a sintetizar. Para tal, foi escolhida uma aplicação de Qualidade de Energia Elétrica (QEE) nomeadamente um Filtro Ativo de Potência Paralelo (FAPP). A efetividade da compensação por parte do FAPP depende muito da qualidade das correntes sintetizadas. Sendo assim, o principal objetivo é a sintetização de correntes de compensação com elevada qualidade e com baixo ripple. Para tal, foi utilizada uma topologia de cinco níveis, cuja diferença de tensão entre níveis é menor quando comparada com um inversor convencional de 2 níveis, reduzindo assim o ripple da corrente produzida sem necessidade de aumentar os filtros passivos de saída. No decorrer deste trabalho foi realizado um estudo bibliográfico sobre inversores multinível e filtros ativos de potência. Posteriormente, foram realizadas simulações computacionais para validar a topologia a implementar. Por último, foi desenvolvido um protótipo laboratorial e foram realizados testes práticos com diferentes cargas, para comprovar o funcionamento adequado do FAPP.

The quality requirements of the signals synthesized by power inverters are increasing, being this quality associated to a better performance and longer lifetime of the loads and systems related to the inverters. The improvement in the quality of the inverters signal has been achieved by increasing the switching frequency. This strategy leads to high losses, greater stress applied to semiconductor and an increase of electromagnetic interference. Another method that is beginning to be used to improve the quality of the signals produced by power inverters is the increase in the number of levels of the output signals. This method uses inverters with multilevel topologies, allowing increase the quality of the produced signals without the disadvantages of the very high switching frequency. Initially the use of multilevel inverters was limited to high power applications, due to the high cost of semiconductors and low processing power of digital controllers. With the evolution of technologies, the use of multilevel topologies turns out to be more reliable in low voltage applications requiring signals with very low distortion. This dissertation aims at the development of a single-phase multilevel inverter for low-voltage application, giving greater focus to the quality of the synthesized signals. So, a power quality application was chosen, more precisely a Shunt Active Power Filter (SAPF). The effectiveness of a SAPF depends on the quality of the synthesized high quality and low ripple. To accomplish with this requirements, a five-level topology was selected, whose voltage difference between levels is less when compared to a conventional two level inverter, thus reducing the ripple without increasing the output passive filters. Along the work, a bibliographical study on multilevel inverters and active power filters was done. Later, simulations were performed to validate the topology, in order to proceed to its implementation. Finally, a laboratorial prototype has been developed and practical tests were carried out with different loads, to demonstrate the SAPF proper operation.