Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Master Thesis presents a study considering multilevel inverters formed from two and three level cascaded inverters. The literature presents several papers on asymmetric multilevel inverters and most studies are related to control and/or modulation techniques considering a binary or trinary topology. Also, there are studies that consider a small variation of the inverters input voltage and analyses the system behavior. However, any of these studies performs analysis to obtain the best relation between input voltage of the multilevel system, while this together with switching angles are capable of generating an output voltage with minimum THD. This Master Thesis was developed aiming to get this voltage relation for multilevel systems formed by two and three level inverters. Furthermore, it seeks to find a pattern for the voltage ratio for several cascaded inverters. To obtain the desired results, techniques of selective harmonic elimination was applied to reduce low order harmonics, reducing the need for output filter. To reduce the computational efforts for obtaining the switching angles, the author used considerations of genetic algorithms. This is necessary due to the significant increase of the variables to be determined as the number of cascaded inverters increase. / Esta dissertação de mestrado apresenta um estudo considerando inversores multiníveis formados a partir de inversores dois e três níveis conectados em cascata. Na literatura são apresentados vários trabalhos envolvendo inversores multiníveis assimétricos. As pesquisas, na sua maioria, tratam sobre técnicas de modulação considerando uma topologia binária ou trinaria. Ainda, são apresentadas pesquisas que consideram uma pequena variação nas tensões de entrada dos inversores e analisam o comportamento do sistema. Contudo, ainda não existe um estudo que realize uma análise para obtenção da melhor relação entre as tensões de entrada do sistema multinível. Sendo que estas relações de tensão, juntamente com os ângulos de comutação, são capazes de gerar uma tensão de saída com uma THD mínima. Esta dissertação foi realizada buscando obter esta relação de tensões para sistemas multiníveis formados a partir de inversores dois e três níveis. Além disso, é realizada a busca de um padrão para esta relação de tensão para n inversores conectados em cascata. Para a obtenção dos resultados desejados foram aplicadas técnicas de eliminação seletiva de harmônicos. Com esta técnica, as harmônicas de baixa ordem são eliminadas, reduzindo a necessidade do filtro de saída. Além disso, considerações sobre algoritmos genéticos são realizadas. Este algoritmo é utilizado para reduzir o esforço computacional para a obtenção dos ângulos de comutação. Isto é necessário devido ao aumento significativo das variáveis a serem determinadas à medida que se eleva o número de inversores conectados em cascata.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-09-21T17:18:48Z No. of bitstreams: 1 JOÃO HELDER GONZAGA MUNIZ DA SILVA - DISSERTAÇÃO (PPGEEI) 2016.pdf: 5964138 bytes, checksum: e0f1b793c6851d1c5ab1ec454862dfae (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-21T17:18:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOÃO HELDER GONZAGA MUNIZ DA SILVA - DISSERTAÇÃO (PPGEEI) 2016.pdf: 5964138 bytes, checksum: e0f1b793c6851d1c5ab1ec454862dfae (MD5) Previous issue date: 2016-11-14 / Os inversores multiníveis foram introduzidos como uma alternativa para o aumento da qualidade e da eficiência dos sistemas alimentados por inversores. Dependendo do nível de tensão c.c. do barramento aplicado ao inversor, pode ser inevitável a utilização de topologias multi-níveis. Estas topologias possibilitam a redução da tensão sobre cada um destes dispositivos. Contudo, uma quantidade maior de interruptores não só aumenta o custo final do inversor, como também requer o uso de estratégias mais complexas de modulação e controle. Ainda, alguns pontos inerentes aos inversores multiníveis como: redução da tensão de modo-comum, tolerância à faltas e desbalanceamento das tensões dos capacitores, entre outros, precisam ser investigados. Neste cenário, são de muito interesse os estudos de novas topologias multiníveis, além de novas técnicas de modulação simplificadas. Neste trabalho serão estudados inversores multiníveis com diferentes princípios de operação, abordando topologias híbridas formadas pelo empilhamento de células dois níveis. A primeira delas, consiste de um inversor monofásico de quatro níveis em ponte. Este inversor é composto de um braço de dois níveis e um braço de três níveis apresentando mesma tensão de bloqueio para todas as haves. Na segunda topologia, os pontos centrais de cada um dos braços são conectados ao mesmo ponto, com o braço externo envolvendo o interno, representando uma estrutura pouco investigada. Esta topologia necessita de chaves bidirecionais para tornar possível seu correto funcionamento. É feito ainda um estudo de um inversor de 2/3 níveis, onde é proposto um algoritmo de modulação simplificado, onde consegue-se uma significativa redução no número de operações realizados. Por fim, é estudado um inversor multinível simétrico híbrido baseado nas topologias meia-ponte e ANPC, onde são propostas duas alterações na topologia que juntamente com a modificação do padrão de chaveamento, fornece um melhor controle no balanceamento das tensões dos capacitores, além de reduzir a quantidade de fontes c.c. utilizadas pelo mesmo. / Multilevel inverters are an alternative for both quality and efficiency increase of inverter fed systems. Depending on the voltage level c.c. of the bus applied to the inverter, the usage of multilevel topologies is inevitable. Those topologies reduce the voltage over each of those devices. However, a higher quantity of switches increases the inverters final cost, and requires more complex approaches for control and modulation. Also, few inherent aspects of the multilevel inverters including: reduction of the common-mode voltage, fault tolerance and unbalance capacitors voltages, among other, need to be investigated. In this scenario, new multilevel topologies have great interest, also with new and simplified modulation techniques. In this work we study multilevel inverter with different operational principles, formed by formed by stacking two levels cells. The first one, consist of a single-phase inverter with a four level bridge. This inverter is composed of a two level leg and a three level leg, presenting the same blocking voltage for all the switches. In the second topology, every central point of each of the leg is connected into a common single point, with the extern leg over the intern one, a structure poorly studied. This topology needs bidirectional switches for a correct well function. A study of the 2/3 level inverter is done, in which a signicant redution of the operation numbers is a chieved. Finally, a hybrid symmetricmultilevel inverter is studied based on both half-bridge and ANPC topologies, in which two changes in the topology are proposed alongside with some changes in the switching standard. This provides a better control in the capacitors voltage balance, and reduces the amount of sources c.c. used by them.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Ph.D. Thesis proposes a comparison of modulation techniques, semiconductors devices technologies and topologies for multilevel inverters, in order to point out the multilevel drive system that presents the best performance for a given application. Initially, a comparison methodology is proposed which is based on selecting the switching frequency where all systems present 99% efficiency. The performance indeces included in this analysis are: semiconductor devices power losses, heat-sink volume, THD, DF1, DF2, common mode voltage and harmonic spectrum. For each topology of multilevel inverter it is made a comparison among the modulation techniques and semiconductor devices to obtain the set (modulation + semiconductor) that presents better overall performance. After, the comparisons for each topology, a comparison among the sets that present better results is made, leading to the choice of the best system for a given specific application. The modulation techniques that present the best performance for each multilevel inverter are implemented on an FPGA. Experimental results, such as inverters efficiency and output voltage waveform, are presented for a reduced scale prototype, with the intention of validating the models employed in this Phd Thesis. / Esta Tese de Doutorado propõe a comparação de técnicas de modulação, tecnologias de dispositivos semicondutores e topologias de inversores multiníveis, para realizar o apontamento do sistema de acionamento de média tensão que apresenta melhor desempenho para uma dada aplicação. Inicialmente é proposta uma metodologia de comparação, que tem como objetivo encontrar a frequência de comutação na qual cada sistema apresenta 99% de rendimento. Os índices de desempenho propostos para análise são: perdas nos dispositivos semicondutores, volume do dissipador, THD, DF1, DF2, tensão de modo comum e espectro harmônico. Para cada topologia de inversor multinível é efetuada uma comparação entre as técnicas de modulação e os dispositivos semicondutores selecionados, para determinar o conjunto (modulação + semicondutor) que apresentam os melhores resultados nos índices de desemplenho supracitados. Após as comparações para cada topologia, é realizada uma comparação entre os conjuntos que apresentaram melhor resultado, levando ao apontamento do sistema mais adequado para uma dada aplicação. As técnicas de modulação que apresentaram melhor desempenho para cada inversor multinível são implementadas em FPGA. Os resultados experimentais como rendimento dos inversores e formas de onda das tensões de saída são apresentados para protótipos de escala reduzida, objetivando validar alguns dos modelos empregados na Tese.

Submitted by Gilvanedja Silva (gilvanedja@biblioteca.ufpb.br) on 2018-03-22T20:42:08Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 11929036 bytes, checksum: e796f3e04cbf0cf6da3fa9648d4f9270 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-22T20:42:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 11929036 bytes, checksum: e796f3e04cbf0cf6da3fa9648d4f9270 (MD5) Previous issue date: 2017-05-25 / This work presents a technique using carrier-based pulse width modulation (PWM) applied to single-phase asymmetrical multilevel inverters with diodes clamped, aiming to increase the amount of output voltage levels to improve signal quality, reducing the total harmonic distortion rate (THD). The technique was used in inverters of three, four and five levels per arm, providing an output signal with seven, thirteen and nineteen levels respectively, presenting two, six and ten levels higher than the equivalent symmetrical multilevel inverters. The technique was described with a set of equations and procedures that can be generalized for inverters of any number of levels. To verify the operation, simulations were performed using the PSIM program and an experimental assembly of an asymmetrical multilevel inverter of three levels was performed, using a field programmable gate array device (FPGA) in the implementation of the PWM modulator. Finally, the simulation and experimental results that prove the effectiveness of the modulation strategy employed in this work are presented and compared / Este trabalho apresenta uma técnica utilizando a modulação por largura de pulso (PWM) baseada em portadora, aplicada aos inversores multiníveis monofásicos assimétricos com diodos de grampeamento, com o objetivo de elevar a quantidade de níveis na tensão de saída, para melhorar a qualidade do sinal, reduzindo a taxa de distorção harmônica total (THD). A técnica foi empregada em inversores de três, quatro e cinco níveis por braço, fornecendo um sinal de saída com sete, treze e dezenove níveis respectivamente, apresentando dois, seis e dez níveis a mais que os inversores multiníveis simétricos equivalentes. A técnica foi descrita com um conjunto de equações e procedimentos que pode ser generalizada para inversores de qualquer número de níveis. Para comprovar o funcionamento, foram realizadas simulações utilizando o programa PSIM e efetuada montagem experimental de uma inversor multinível assimétrico de três níveis, utilizando na implementação do modulador PWM um dispositivo em matriz de porta programável em campo (FPGA). Por fim, são apresentados e comparados os resultados de simulações e experimentais que comprovam a eficácia da estratégia de modulação empregada neste trabalho