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Type: Tese
Title: Novas topologias de inversores multiníveis baseadas na célula de comutação de três estados
Author: Maciel, Wesley Henrique
First Advisor: Braga, Henrique Antônio Carvalho
Co-Advisor: Tofoli, Fernando Lessa
Referee Member: Antunes, Fernando Luiz Marcelo
Referee Member: Silva, Edison Roberto Cabral da
Referee Member: Almeida, Pedro Machado de
Referee Member: Cupertino, Allan Fagner
Resumo: Inversores multiníveis têm sido amplamente investigados devido à redução da distorção harmônica, à diminuição dos esforços elétricos nos dispositivos semicondutores de potência e à melhoria da qualidade da energia fornecida à carga. Entretanto, muitas arquiteturas multiníveis apresentam elevada complexidade estrutural e grande número de componentes ativos. Nesse contexto, esta tese emprega o princípio da dualidade entre VSI e CSI aplicado à célula de comutação de três estados (three-state switching cell – 3SSC), na qual o autotransformador constitui parte intrínseca da célula e promove compartilhamento de corrente entre seus ramos. A partir dessa abordagem, são propostas duas topologias monofásicas multiníveis: o inversor CSI 5L-3SSC e o inversor VSI 5L-3SSC. Nas topologias propostas, a síntese multinível é realizada por uma única 3SSC operando em alta frequência, responsável pela geração dos níveis intermediários da tensão ou corrente de saída, associada a um braço complementar operando em baixa frequência para inversão de polaridade da grandeza de saída. Essa organização restringe a operação em alta frequência à 3SSC, mantendo o braço complementar em baixa frequência. O autotransformador integrado promove compartilhamento natural de corrente entre os ramos, reduzindo a corrente conduzida individualmente por cada dispositivo e ampliando a capacidade de processamento de corrente da topologia. A operação entrelaçada dos interruptores de alta frequência duplica a frequência efetiva das componentes espectrais na saída, reduzindo os requisitos de filtragem. Para o inversor CSI 5L-3SSC, a característica elevadora de tensão inerente aos conversores fonte de corrente permite a conexão de fontes de baixa tensão sem associação de múltiplos módulos em série ou de estágio CC-CC intermediário. Para o inversor VSI 5L-3SSC, são desenvolvidas análises qualitativas e quantitativas, incluindo análise dos estados de comutação, modulação por vetor espacial e expressões analíticas para tensões e correntes eficazes, esforços elétricos, perdas e rendimento. A modelagem fundamenta a implementação de um protótipo experimental operando com tensão de entrada de 240 V, frequência de comutação de 10 kHz e frequência fundamental de 60 Hz, cujos resultados confirmam a síntese de cinco níveis e rendimento máximo de aproximadamente 97 %. A generalização da arquitetura resulta em uma VSI de sete níveis validada por simulação, evidenciando a possibilidade de expansão sistemática por meio da célula de comutação de múltiplos estados (multistate switching cell – MSSC).
Abstract: Multilevel inverters have been widely investigated due to their ability to reduce harmonic distortion, decrease electrical stresses on power semiconductor devices, and improve the quality of the energy delivered to the load. However, many multilevel architectures exhibit high structural complexity and require a large number of active components. In this context, this thesis employs the duality principle between voltage-source and current-source converters in the development of topologies based on the three-state switching cell (3SSC), in which the integrated autotransformer constitutes an intrinsic part of the cell and promotes current sharing between its branches. Based on this approach, two single-phase multilevel topologies are proposed: the CSI 5L-3SSC and the VSI 5L-3SSC. In the proposed structures, multilevel synthesis is achieved using a single 3SSC operating at high frequency, responsible for generating the intermediate levels of the output voltage or current, combined with a complementary leg composed of two switches operating at low frequency to reverse the output polarity. This configuration concentrates high-frequency switching operation in the 3SSC. The integrated autotransformer promotes natural current sharing among the branches, reducing the current conducted by each device and increasing the current processing capability of the topology. In addition, the interleaved operation of the high-frequency switches doubles the effective frequency of the switching-frequency spectral components at the output, reducing filtering requirements. For the CSI 5L-3SSC, the inherent step-up characteristic of currentsource converters enables the connection of low-voltage sources without the need for multiple series-connected modules or an intermediate DC-DC conversion stage. For the VSI 5L-3SSC, qualitative and quantitative analyses are carried out, including switching-state analysis, space vector modulation, and analytical expressions for RMS voltages and currents, electrical stresses, losses, and efficiency. The analytical model supports the implementation of an experimental prototype operating with an input voltage of 240 V, switching frequency of 10 kHz, and fundamental frequency of 60 Hz, whose results confirm the synthesis of five output voltage levels and a maximum efficiency of approximately 97 %. The architecture is further generalized into a seven-level VSI configuration validated through simulation, demonstrating the possibility of systematic expansion through the multistate switching cell (MSSC).
Keywords: Célula de comutação de três estados
Conversores CC-CA
Inversores fonte de corrente
Inversores fonte de tensão
Inversores multiníveis
Modulação por vetor espacial
Three-state switching cell
DC-AC converters
Multilevel inverters
Current source inverters
Voltage source inverters
Space vector modulation
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20483
Issue Date: 23-Mar-2026
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Elétrica (Teses)



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