PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO – CHILE ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE DOS O MÁS INVERSORES MULTINIVEL HÍBRIDOS ASIMÉTRICOS CONECTADOS EN CASCADA VÍCTOR ALFONSO GUTIÉRREZ GONZÁLEZ Mayo 2012 INFORME FINAL DEL PROYECTO PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO CIVIL ELÉCTRICO.
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO - USFX
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO – CHILEESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE DOS O MÁS INVERSORES MULTINIVEL
HÍBRIDOS ASIMÉTRICOS CONECTADOS EN CASCADA
VÍCTOR ALFONSO GUTIÉRREZ GONZÁLEZ
Mayo 2012
INFORME FINAL DEL PROYECTO
PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO DE
LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL
TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO
CIVIL ELÉCTRICO.
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE DOS O MÁS INVERSORES MULTINIVELHÍBRIDOS ASIMÉTRICOS CONECTADOS EN CASCADA
INFORME FINAL
Presentado en cumplimiento de los requisitos para optar al título profesional de
Ingeniero Civil Eléctrico
Otorgado por la
Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la
Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
Víctor Alfonso Gutiérrez González
Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz Caballero
Profesor correferente 1: Sr. René Sanhueza Robles
Profesor correferente 2: Sr. Miguel López González
Mayo 2012
ACTA DE APROBACIÓN
La comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingeniería Eléctrica ha
aprobado el texto del Informe del Proyecto de Titulación, desarrollado durante el
primer semestre de 2011 y denominado
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE DOS O MÁS INVERSORES MULTINIVELHÍBRIDOS ASIMÉTRICOS CONECTADOS EN CASCADA
Presentado por el Señor
VÍCTOR ALFONSO GUTIÉRREZ GONZÁLEZ
DOMINGO RUIZ CABALLERO
Profesor Guía
RENÉ SANHUEZA ROBLES
Segundo Revisor
HÉCTOR PEÑA MAC LEOD
Secretario Académico
Valparaíso, Mayo de 2012
A mis padres Jorge y Aldecira, por
su amor y apoyo incondicional.
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE DOS O MÁS INVERSORES MULTINIVELHÍBRIDOS ASIMÉTRICOS CONECTADOS EN CASCADA
Víctor Alfonso Gutiérrez González
Profesor guía Sr. Domingo Ruiz Caballero
RESUMEN
Se presenta el estudio de la conexión en cascada del Inversor Multinivel
Híbrido Asimétrico. Este tiene su origen en el Inversor Multinivel Híbrido
simétrico el cual fue desarrollado en el Laboratorio de Electrónica de Potencia de
la Escuela de Ingeniería Eléctrica perteneciente a la Pontificia Universidad
Católica de Valparaíso.
Se hace el estudio de las tensiones de salida de este inversor tanto
teórico, a través de la expresión matemática expresada en series de Fourier,
como mediante simulación digital través de los programas “PsimV9” y
“MatLab2010a”, para su configuración asimétrica con la conexión en cascada de
sus células CT.
Este estudio, se realiza a las señales de tensión de salida del inversor
para su configuración monofásica y trifásica.
La mayor parte de este análisis fue realizado en base a la estrategia de
modulación propuesta por Luis Martínez en su proyecto de título [5]. Sin
embargo, se propone una nueva estrategia de modulación que logra reducir
significativamente el contenido armónico del inversor cuando éste posee solo
una célula CT.
ÍNDICE
Pág.INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO 1INVERSORES MULTINIVELES EXISTENTES E INVERSOR MULTINIVELDESARROLLADO EN LEP.1.1 INTRODUCCIÓN 31.2 INVERSOR CON FIJACIÓN EN PUNTO NEUTRO NPC 41.3 INVERSOR PUENTE H 71.4 INVERSOR CON CONDENSADORES FLOTANTES 101.5 INVERSOR MULTINIVEL DESARROLLADO EN LEP Y ESTUDIO
DE DIFERENTES TOPOLOGÍAS11
1.5.1 Origen del IH-1F-FB-CT 111.5.2 Inversor multinivel híbrido simétrico 151.5.3 Inversor multinivel híbrido asimétrico 17
CAPÍTULO 2INVERSOR MULTINIVEL HIBRIDO ASIMÉTRICO CONECTADO ENCASCADA2.1 INTRODUCCIÓN 212.2 CONEXIÓN DE DOS CÉLULAS EN CASCADA 212.3 CONEXIÓN DE N CÉLULAS EN CASCADA 232.4 ESTRATEGIA DE MODULACIÓN 252.5 FORMAS DE ONDA, INVERSOR CONECTADO EN CASCADA 272.6 FORMAS DE ONDA, CON BAJOS ÍNDICES DE MODULACIÓN 33
CAPÍTULO 3APROXIMACIÓN MATEMÁTICA A FORMA DE ONDA DE LA TENSIÓNDE SALIDA DEL INVERSOR MULTINIVEL HÍBRIDO ASIMÉTRICO3.1 INTRODUCCIÓN 353.2 TENSIÓN DE SALIDA DEL INVERSOR; PARA UNA CÉLULA CT 353.3 FORMA DE ONDA DE TENSIÓN DE SALIDA INVERSOR; N
CÉLULAS CT´S EN CASCADA36
3.4 RELACIÓN ENTRE COMPONENTES EN FRECUENCIA E ÍNDICEDE MODULACIÓN
39
3.5 ÍNDICE DE DISTORSIÓN ARMÓNICA THDV PARA N CÉLULASCT´S EN CASCADA
4.2 TOPOLOGÍA TRIFÁSICA PARA EL IH-FB-CT 484.3 ESTRATEGIA DE MODULACIÓN PARA LA ESTRUCTURA
TRIFÁSICA CON N CÉLULAS EN CASCADA48
4.4 FORMAS DE ONDA EN ESTRUCTURA TRIFÁSICA 514.4.1 Definición de nodos 514.4.2 Formas de onda obtenidas mediante simulación 514.5 OBTENCIÓN TEÓRICA DE FORMA DE ONDA DE TENSIÓN DE
FASE EN LA CARGA52
4.6 OBTENCIÓN TEÓRICA DE FORMA DE ONDA DE TENSIÓN DELÍNEA
56
4.7 ESTUDIO ARMÓNICO A TENSIONES DE FASE EN LA CARGA 594.7.1 Componentes en frecuencia de tensiones de fase en la carga 594.7.2 Índice de distorsión armónica de tensiones de fase en la carga 644.8 ANÁLISIS ARMÓNICO A TENSIONES DE LÍNEA 674.8.1 Componentes en frecuencia de tensiones de línea 684.8.2 Índice de distorsión armónica en tensiones de línea 71
CAPÍTULO 5ANÁLISIS DE FORMAS ALTERNATIVAS DE MODULACIÓN5.1 INTRODUCCIÓN 755.2 MODULACIÓN MULTI-PORTADORA 765.2.1 Modulación I-PD (“In-phase disposition”) 785.2.2 Modulación POD (“phase opposite disposition”) 795.2.3 Modulación APOD (“Alternative phase opposite disposition”) 835.3 SOBRE-MODULACIÓN 865.4 INYECCIÓN DE TERCERA ARMÓNICA 915.5 ESTRATEGIA DE MODULACIÓN CSV-PWM (CENTERED SPACE
VECTOR)95
CONCLUSIONES 102
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 105
ÍNDICE DE FIGURAS
Nº Figura Pág.
1-1 Estructuras NPC: (a) Inversor NPC de tres niveles detensión; (b) Estructura trifásica de inversor NPC de 5 nivelesde tensión.
6
1-2 Inversores Puente-H: (a) Inversor Puente-H, topologíaMonofásica; (b) Estructura Trifásica con N InversoresPuente-H en Cascada.
9
1-3 Estructuras para Inversores con Condensadores Flotantes:(a) Estructura Monofásica de Tres Niveles de Tensión; (b)Estructura Trifásica del Inversor con 5 Niveles de Tensión.
12
1-4 Convertidor reductor continua-continua de tres niveles detensión.
13
1-5 Célula de tres niveles y sus correspondientes formas deonda.
14
1-6 Inversor Multinivel Híbrido. 151-7 Formas de onda de tensión en terminales de inversor
multinivel híbrido simétrico y accionamiento de interruptores.16
1-14 Forma de onda tensión de salida. Inversor multinivel híbridoasimétrico; mf=40.
20
2-1 Inversor Multinivel Híbrido Asimétrico; conexión en cascadade dos células CT.
22
2-2 Forma de onda de tensión salida Inversor Multinivel HíbridoAsimétrico; 2 Células CT conectadas en cascada. mf=40.
22
2-3 Inversor Multinivel Híbrido Asimétrico IH-1F-FB-CT con Ncélulas conectadas en cascada.
24
2-4 Estrategia de modulación Inversor Multinivel HíbridoAsimétrico; Dos células CT´s en cascada.
26
2-5 Tensión de salida en las terminales de 2 células CT encascada; mf=20.
26
2-6 Pulsos en los interruptores de inversor. 28
2-7 Forma de Tensión y Espectro Armónico respectivo parainversor con 2CT en cascada; mf= 20, 40, 60 y 100.
29
2-8 Forma de Tensión y Espectro Armónico respectivo, parainversor con 3CT en cascada; mf= 20, 40, 60 y 100.
30
2-9 Forma de Tensión y Espectro Armónico respectivo, parainversor con 4CT en cascada; mf= 20, 40, 60 y 100.
31
2-10 Forma de Tensión y Espectro Armónico respectivo, parainversor con 5CT en cascada; mf= 20, 40, 60 y 100.
32
2-11 Modulación y formas de onda de tensión a la salida delinversor: (a) 1CT (b) 2CT (c) 3CT.
34
3-1 Comparación de forma de onda de tensión a la salida delinversor, obtenida bajo simulación digital, contra obtenidamediante ecuación 3-1.
37
3-2 Formas de onda obtenidas para la ecuación 3-6 a través deMatCad contra formas de onda obtenidas a través desimulación digital (Psim).
40
3-3 Espectro armónico de formas de onda obtenidas para laecuación 3-6 a través de MatCad, contra formas de ondaobtenidas a través de simulación digital a través de Psim.
41
3-4 Gráficas componentes armónicas de tensión de salidainversor multinivel híbrido asimétrico.
44
3-5 Gráficas de la evolución del índice de distorsión THD detensión de salida de inversor en función del índice demodulación mi; para N=1, 2, 3, 4, 5 y 6.
45
3-6 Gráfica comparativa evolución de %THD resp. a fundamentalcon mi; para N=1, 2, 3, 4, 5 y 6.
47
4-1 Estructura trifásica para inversor multinivel híbrido asimétricocon N células CT´s en cascada.
49
4-2 Estrategia de modulación Inversor Híbrido AsimétricoTrifásico con N células CT´s en cascada.
50
4-3 Circuito esquemático de configuración trifásica para InversorMultinivel Híbrido Asimétrico.
51
4-4 Formas de onda en estructura trifásica para inversor híbridoasimétrico; con N=1, mi =1 y mf=40. a) Tensiones de fase enel inversor; (b) Tensiones de fase en la carga y (c)Tensiones de línea.
53
4-5 Forma de onda de la tensión de modo común para laestructura trifásica con inversor híbrido asimétrico.
54
4-6 Formas de onda; Tensiones de Fase en la Carga formadas através de ecuación 4-10, para N=1, 2, 3, 4 y 5 con mi=1 ymf=40.
57
4-7 Formas de onda; Tensiones de Línea formadas a través deecuación 4-20, para N=1, 2, 3, 4 y 5, con mi=1 y mf=40.
60
4-8 Componentes en frecuencia de tensión de fase en la cargaen función de mi; para N=1, 2, 3, 4, 5 y 6.
62
4-9 Espectro armónico; Tensión de fase de la carga; N= 2, 3, 4 y 5.
63
4-10 %THDv v/s mi, de tensiones de fase en la carga para distintonúmero de células conectadas en cascada.
65
4-11 Gráfica comparativa de evolución THD de tensión de fase enla carga con respecto a mi; para N=1, 2, 3, 4, 5 y 6.
66
4-12 Componentes en frecuencia para las tensiones de línea paraN=1, 2, 3, 4, 5 y 6.
69
4-13 Espectro armónico; tensión de fase de Línea; N= 2, 3, 4 y 5. 704-14 %THDv v/s mi, de Tensiones de Línea para distinto número
de células CT’s conectadas en cascada.72
4-15 Figura 4-15. Grafica comparativa de evolución THD detensión de línea con respecto a mi; para N=1, 2, 3, 4, 5 y 6.
73
5-1 Nuevo Circuito de Control Propuesto; estrategia demodulación para Inversor Multinivel Híbrido Asimétrico. (a)1CT; (b) N CT’s en cascada.
77
5-2 Disposición de portadas; modulación IPD, para N=1 ymf=33.
79
5-3 Disposición de portadas; modulación IPD, para N=2 ymf=33.
79
5-4 Formas de onda en la carga; inversor con 1 células CT encascada bajo modulación I-PD; mi=1 mf=33.
80
5-5 Formas de onda en la carga; inversor con 2 células CT encascada bajo modulación I-PD; mi=1 mf=33.
81
5-6 Disposición de portadas; modulación POD, para N=1 ymf=32.
82
5-7 Disposición de portadas; modulación POD, para N=2 ymf=32.
82
5-8 Figura 5-8. Formas de onda en la carga; inversor con 1células CT en cascada bajo modulación POD; mi=1 mf=32.
84
5-9 Figura 5-9. Formas de onda en la carga; inversor con 2células CT en cascada bajo modulación POD; mi=1 mf=32.
85
5-10 Disposición de portadas; modulación APOD, para N=1 y 2con mf=32 (a)1 CT (b) 2CT.
86
5-11 Formas de onda en la carga; inversor con 1 células CT encascada bajo modulación APOD; mi=1 mf=32.
87
5-12 Formas de onda en la carga; inversor con 2 células CT encascada bajo modulación APOD; mi=1 mf=32.
88
5-13 Disposición de señales portadoras y señal moduladora bajosobre-modulación.
89
5-14 Formas de onda y respectivo espectro armónico de tensionesa la salida de inversor; bajo sobre-modulación; mi= 1.2;mf=40.
90
5-15 Señal de referencia con inyección de tercer armónico. 91
5-16 Formas de onda de tensión en el inversor con la inyección detercer armónico a la señal de referencia, para una célula CT;Vm1=1.15 Vm3=0.19.
93
5-17 Espectro armónico de tensiones a la salida del inversor; coninyección de tercer armónico a la señal moduladora; parauna célula CT.
94
5-18 Implementación de estrategia de modulación CSV. 965-19 Modulación CSV; para 7 niveles de tensión; mf=33;
fp=1650Hz.97
5-20 Modulación CSV; para N=2 con Vm =1 y 1.15. 985-21 Inversor con 1CT por pierna inversora, bajo modulación CSV;
fp= 1650Hz.99
5-22 Modulación CSV; Inversor con 2CT en cascada; fp= 1650Hz;Vm=1.
100
5-23 Modulación CSV; Inversor con 2CT en cascada; fp= 1650Hz,Vm=1.15.
101
ÍNDICE DE TABLAS
Nº Tabla Pág.
1-1
1-2
1-3
3-1
3-2
3-3
4-1
4-2
4-34-4
Resumen de dispositivos necesarios para inversor NPC,en su configuración monofásica y trifásica.Resumen de dispositivos necesarios para topologíainversor puente H, en su configuración monofásica ytrifásica.Resumen de dispositivos necesarios para inversor concondensadores flotantes, en su configuración monofásicay trifásica.Comparación THDv; formas de ondas obtenidas en formadigital y gráficas de ecuación 3-5.Componentes en frecuencia; tensión de salida de inversormultinivel híbrido asimétrico.THDv en función de mi para distinto número de célulasCT´s en cascada N.Componentes en frecuencia de tensión de fase en lacarga Van.Evolución de THD de tensión de fase en carga paradistinto número N de células CT´s conectadas encascada.Componentes en frecuencia de tensión de línea Vab.Componentes en frecuencia de tensión de línea Vab.
5
8
11
39
39
46
61
67
6874
INTRODUCCIÓN
Actualmente los inversores son utilizados ampliamente en aplicaciones
industriales, principalmente variadores de frecuencia, calentadores por
inducción, sistemas de alimentación ininterrumpida, etc.
Para aplicaciones de baja potencia es posible utilizar inversores de dos o
tres niveles los cuales generan una forma de onda por tramos rectangulares o
escalonados, lo que es suficiente para tales aplicaciones. Sin embargo, para
potencias y tensiones mayores, es necesaria una forma de onda de tensión que
se aproxime en mayor medida a una señal senoidal.
En el último tiempo los inversores multiniveles han ganado importancia en
aplicaciones de alta tensión y potencia, debido a que estos pueden sintetizar
señales de tensión con bajo contenido armónico. El contenido armónico es un
aspecto importante dentro de los inversores para aplicaciones de alta tensión y
potencia, debido a que estos son los causantes de torques pulsantes (traducidos
en vibraciones), pérdidas por calentamiento e interferencias electromagnéticas
(“EMI”) en las máquinas de corriente alterna.
Dentro de los principales inversores multiniveles que se encuentran en la
industria, es posible nombrar tres topologías las cuales han sido desarrolladas e
integradas a diferentes tecnologías a través del tiempo. Dentro de los más
conocidos y estudiados se encuentran los inversores con punto neutro de
acoplamiento (“NPC – Neutral Point Clamping”), inversores puente completo o
puente H. (“HB – H-Bridge”) e inversores con condensadores flotantes (“Flying-
Capacitor”).
La necesidad de seguir avanzando hacia mejores topologías que se
traduzcan en tecnologías que permitan realizar accionamientos más
convenientes en términos económicos y energéticos (calidad de energía), es que
en el Laboratorio de Electrónica de Potencia (L.E.P) de la Escuela de Ingeniería
Eléctrica (E.I.E) perteneciente a la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso,
se ha desarrollado un nuevo inversor multinivel, el cual permite la obtención de
una señal de tensión CA con reducida distorsión armónica y reducida cantidad
de fuentes de tensión CC, el que fue publicado en “IEEE Transactions on
industrial Electronics” para su configuración simétrica [2].
Nuevos estudios han sido realizados para este inversor, de modo de
establecer las ventajas y desventajas de ésta nueva topología bajo diferentes
conexiones y formas de modulación ya probadas en topologías inversoras
mayormente estudiadas y probadas en la industria.
En este informe, se presenta el estudio de la configuración asimétrica de
este nuevo inversor, verificando por simulación, la operación y las señales de
tensión obtenidas a través de la conexión en cascada de éste. Además, se
realiza el estudio analítico del funcionamiento del inversor conectado en
cascada, a modo de obtener la función matemática que representa la forma de
onda de tensión a la salida del inversor, verificando ésta función a través de la
simulación eléctrica del circuito inversor con los softwares matemáticos
especializados en circuitos eléctricos Matlab, PSPICE y PSIM. Se analizan
además diferentes formas de modulación para encontrar el menor THD.
CAPÍTULO 1
INVERSORES MULTINIVELES EXISTENTES E INVERSOR MULTINIVELDESARROLLADO EN LEP.
1.1 INTRODUCCIÓN
La función principal de todo inversor es convertir la energía eléctrica
proveniente desde una fuente continua de tensión o corriente, a una tensión o
corriente alterna según sea el caso. Para lograr esto se hace uso de dispositivos
semiconductores que generan la conmutación a distintos niveles de tensión para
el caso de los VSI (“voltaje source inverter”), los que serán objeto de estudio en
este documento y que reflejan en la carga una forma de onda periódica del tipo
escalonada de manera de aproximarse a una señal de tensión senoidal. Bajo la
topología correcta de los dispositivos semiconductores, es posible lograr una
mejor síntesis de la señal de tensión de salida del sistema inversor llegando
teóricamente a una señal senoidal pura. Sin embargo, existen barreras tanto
técnicas como económicas, que limitan la cantidad de niveles de tensión a la
salida de estos dispositivos inversores, tal como los costos de control y
protección, la necesidad de estabilizar las tensiones de suministro en enlace CC,
el espacio requerido para alojar el sistema, etc.
Dentro de las aplicaciones de alta potencia y alta tensión, los inversores
multinivel son los preferidos con respecto a los inversores de dos niveles, debido
básicamente a que estos son capaces de sintetizar señales de tensión con un
menor contenido armónico y su topología permite repartir la tensión del enlace
continuo en los interruptores. La reducción del contenido armónico es un aspecto
muy importante en los inversores multinivel, la razón se encuentra en que las
corrientes armónicas son las causantes de pérdidas, interferencias
electromagnéticas (EMI) y torque pulsantes en motores de corriente alterna.
El contenido armónico en un inversor multinivel está estrictamente ligado
a la estrategia de control de éste.
Existen diferentes topologías que han sido desarrolladas e integradas a
diferentes tecnologías a través del tiempo. Dentro de las más conocidas y
estudiadas se encuentran:
a. Inversores con Fijación por Neutro (“NPC – Neutral Point
Clamping”).
b. Inversores puente completo o puente H. (“HB – H-Bridge”).
c. Inversores con condensadores flotantes.(“Flying-Capacitor”)
En las siguientes secciones serán descritas las principales características
de estas estructuras a modo de tener una visión del estado del arte de las
topologías multinivel existentes y más usadas en el mercado, que permitan tener
una base para la comparación con la estructura propuesta en este documento.
Además se presenta el inversor multinivel desarrollado en el Laboratorio de
Electrónica de Potencia de la Escuela de Ingeniería Eléctrica perteneciente a la
Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.
1.2 INVERSOR CON FIJACIÓN EN PUNTO NEUTRO NPC
La estructura del inversor NPC de tres niveles monofásico se muestra en
la figura 1-1a. Ésta cuenta de dos condensadores para generar la división del
enlace de continua, cuatro interruptores de potencia S1- S4 que controlan el flujo
de potencia y S2-S3 que generan la alternancia, cuatro diodos que permiten la
regeneración D1-D2-D3-D4 y 2 diodos que fijan la tensión Dg1-Dg2. En la
Fig. 1-1b, se muestra la estructura trifásica de 5 niveles del inversor NPC, junto a
una carga trifásica conectada en estrella. En ésta se observa que para obtener la
estructura trifásica es necesaria la adición de otras dos piernas inversoras. Sin
embargo no son necesarias otras fuentes cc y las tres piernas inversoras son
alimentadas desde la división generada por el conjunto de capacitores.
En la Tabla 1-1, se resume la cantidad de dispositivos necesarios para
una topología monofásica o trifásica del inversor NPC en función del número de
niveles de tensión M, a la salida del sistema inversor.
La tensión máxima impuesta sobre cada interruptor puede ser escrita como:
_m x 1s áEV
M(1-1)
Donde:
E: es la tensión del enlace continuo (“DC Link”).
M: número de niveles de tensión
Las principales ventajas de esta estructura son descritas en [1], y se
resumen como sigue:
a. Cuando la cantidad de niveles es suficientemente alta, el contenido de
armónicas es lo suficientemente bajo para evitar el uso de filtros.
Tabla 1-1; Resumen de dispositivos necesarios para inversor NPC, en su configuraciónmonofásica y trifásica
Monofásico Trifásico
Nº de fuentes aisladas 1 1
Nº de condensadores (M-1) (M-1)
Nº de interruptores de
potencia2(M-1) 3 x 2(M-1)
Nº de diodos en anti-
paralelo2(M-1) 3 x 2(M-1)
Nº de diodos de
acoplamiento2(M-2) 3 x 2(M-2)
(b)
Figura 1-1 Estructuras NPC: (a) Inversor NPC de tres niveles de tensión;
(b) Estructura trifásica de inversor NPC de 5 niveles de tensión.
(a)
b. La eficiencia del inversor es alta, porque todos los dispositivos son
conmutados a frecuencia fundamental.
c. El método de control es sencillo.
Las desventajas principales descritas en [1] de este tipo de inversor son:
a. Requieren demasiados diodos fijadores cuando la cantidad de niveles
es alta.
b. Dificultad para controlar el flujo de potencia real del convertidor
individual, en sistemas con varios convertidores.
1.3 INVERSOR PUENTE-H.
Este inversor consiste en sólo cuatro interruptores de potencia
bidireccionales, los cuales están dispuestos en dos brazos donde se encuentran
alojados dos interruptores, los que deben operar en forma complementaria. Éste
no necesita dividir el enlace continuo mediante capacitores, es por ello, que los
interruptores deben soportar toda la tensión del enlace continuo.
En la Fig. 1-2a se muestra la topología básica del inversor puente H, la
cual tiene la capacidad de generar tres niveles de tensión en sus terminales de
salida a-b.
En la Fig. 1-2b se presenta la estructura trifásica de este inversor con N
puentes-H conectados en cascada, los cuales, como es posible advertir,
necesitan una fuente adicional por cada puente-H agregado, tanto en cascada
en una pierna inversora, como para cada una de las piernas necesarias para
generar la estructura trifásica.
En la Tabla 1-2, se realiza un balance de los dispositivos necesarios para
crear las topologías con puente-H, en su versión monofásica y trifásica. Donde M
es el número de niveles de tensión a la salida de cada pierna inversora y N el
número de inversores puentes-H conectados en cascada. En esta tabla es
posible dar cuenta de la necesidad de una fuente aislada de tensión continua por
cada puente H agregado en cascada en una pierna inversora. Evidentemente la
cantidad de fuentes CC se triplica para el caso trifásico.
Los niveles de tensión máximo que cada interruptor debe soportar es igual
a la tensión del enlace CC, o sea E.
Las principales ventajas descritas en [1], para este inversor son las
siguientes:
a. En comparación con los inversores con diodo fijador y con capacitores
flotantes, requiere la mínima cantidad de componentes para obtener la
misma cantidad de niveles de voltaje.
b. Son posibles la distribución y el encapsulado optimizados del circuito,
porque cada nivel tiene la misma estructura y no hay diodos fijadores
adicionales, capacitores de balanceo de voltaje.
La principal desventaja de esta estructura es:
a. Necesita fuentes cc separadas para conversiones de potencia real lo
que limita sus aplicaciones.
Tabla 1-2; Resumen de dispositivos necesarios para topología inversor puente H, en suconfiguración monofásica y trifásica.
Monofásico Trifásico
Nº de fuente aisladas (M-1)/2 ; N 3 x (M-1)/2 ; 3xN
Nº de condensadores 1 1
Nº de interruptores de
potencia.2(M-1) ; 4N 3 x 2(M-1) ; 3 x 4N
Nº de diodos en anti-
paralelo2(M-1) ; 4N 3 x 2(M-1) ; 3 x 4N
Nº de diodos de
acoplamiento0 0
Figura 1-2 Inversores Puente-H: (a) Inversor Puente-H, topología Monofásica; (b)
Estructura Trifásica con N Inversores Puente-H en Cascada.
(b)
(a)
1.4 INVERSOR CON CONDENSADORES FLOTANTES.
En la Fig. 1-3a, es presentado el inversor con condensadores flotantes de
tres niveles monofásico, esta estructura consiste en cuatro interruptores de
potencia, dos de los cuales son los encargados de controlar el flujo de potencia,
los otros dos generan la alternancia en la forma de onda de tensión en la carga,
dos condensadores de entrada que dividen la tensión en el enlace CC y un
condensador que debido a la posición que ocupa dentro esta estructura, es
denominado flotante. Este condensador es el encargado de generar el nivel cero
en la forma de onda de tensión a la salida del inversor.
En la Fig. 1-3b, se muestra además la estructura trifásica del inversor con
condensadores flotantes de 5 niveles. Esta estructura incorpora 3
condensadores flotantes y 8 interruptores de potencia bidireccionales en
corriente por cada pierna inversora además de un condensador en el enlace CC.
En la Tabla 1-3, se resume la cantidad dispositivos utilizados para las
topologías con condensadores flotantes.
Las principales ventajas como se describen en [1] para este inversor son
las siguientes:
a. Grandes cantidades de capacitores de almacenamiento pueden
proporcionar energía durante cortes de suministro.
b. Estos inversores proporcionan redundancia de combinaciones de
interruptor para balancear distintos niveles de voltaje.
c. Cuando la cantidad de niveles es suficientemente alto, el contenido
armónico es suficientemente bajo como para no necesitar filtros.
d. Se puede controlar el flujo de potencia tanto real como reactiva.
Las desventajas principales descritas en [1] para este tipo de inversor son:
a. Se requieren una cantidad excesiva de capacitores de
almacenamiento cuando la cantidad de niveles es grande. Los
inversores con altos niveles son difíciles de encapsular por los
voluminosos capacitores de potencia, que también son más costosos.
b. El control del inversor puede ser muy complicado, la frecuencia de
conmutación y las pérdidas por conmutación son altas para la
transmisión de potencia real.
1.5 INVERSOR MULTINIVEL DESARROLLADO EN LEP Y ESTUDIO DEDIFERENTES TOPOLOGÍAS.
En esta sección se presenta la derivación de la célula de tres niveles
propuesta en [2], y su configuración IH-1F-FB-CT como se ha bautizado por su
autor en [3], además se presentan también diferentes topologías estudiadas en
el laboratorio de electrónica de potencia (LEP) de la Escuela de Ingeniería
Eléctrica perteneciente a la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.
1.5.1 Origen del Inversor Multinivel Híbrido IH-1F-FB-CT.
La célula CT nace a partir del convertidor de tres niveles CT (Three Level
Cell) que se muestra en la Fig. 1-4, que fue desarrollada en el marco de la tesis
de magister [3], por Reynaldo Ramos en conjunto con el profesor Domingo Ruiz
Caballero.
Tabla 1-3; Resumen de dispositivos necesarios para inversor con condensadores
flotantes, en su configuración monofásica y trifásica
Monofásico Trifásico
Nº de fuentes aisladas 1 1
Nº de interruptores de
potencia2(M-1) 3 x 2(M-1)
Nº de diodos en anti-
paralelo2(M-1) 3 x 2(M-1)
Nº de condensadores
flotantes(M-2) 3 x (M-2)
Este convertidor produce tres niveles de tensión a la salida y puede ser
operado a altas frecuencias lo que permite la utilización de estrategias de
modulación SPWM.
(b)
Figura 1-3 Estructuras para Inversores con Condensadores Flotantes: (a) Estructura
Monofásica de Tres Niveles de Tensión; (b) Estructura Trifásica del Inversor con
5 Niveles de Tensión.
(a)
Haciendo que estos cuatro interruptores sean bidireccionales y quitando el
filtro a la salida se obtiene la célula de tres niveles mostrada en la Fig. 1-5.
En la misma Fig. 1-5, se muestra la forma de onda de salida de esta
célula, al ser modulada mediante pulso único, y como se observa, la señal
generada posee valor medio distinto de cero. Para lograr una señal alterna con
valor medio igual a cero, a esta célula se le conecta un inversor del tipo puente-
H, el que es encargado de generar la alternancia, para así obtener una forma de
onda con valor medio cero.
En la Fig. 1-6 se muestra el IH-1F-BF-CT, que es obtenido a partir de una
célula CT y un inversor puente completo. Estas dos etapas son operadas a
distintas frecuencias.
Como la función de los interruptores del puente H, es generar la
alternancia, estos son conmutados a baja frecuencia 50Hz o 60 Hz según sea el
caso y deben soportar una tensión máxima igual a la suma de todas las fuentes
de tensión del enlace continuo. Es por esto que los dispositivos semiconductores
que se pueden utilizar en esta etapa son los GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”) o
IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor), etc.
Figura 1-4 Convertidor reductor continua-continua de tres niveles de tensión.
En la célula CT en cambio es necesario utilizar semiconductores más
rápidos como los IGBT (“insulated-gate bipolar transistor”), debido al aumento en
su frecuencia de operación.
Esta etapa es la encargada de sintetizar los distintos niveles de tensión y
en general se prefiere la modulación por ancho de pulso sinusoidal SPWM
(sinusoidal pulse width modulation), lo que genera notables beneficios desde el
punto de vista del espectro armónico, por ende se incrementa la frecuencia de
operación. Además en esta etapa se presentan menores niveles de tensión
sobre cada uno de los interruptores, lo que serán A o B para S1 y S2 o S3 y S4
respectivamente.
Esta topología inversora es llamada híbrida por el hecho de operar sus
dos etapas a distintas frecuencias y permitir el uso de distintas tecnologías en su
estructura como se describió anteriormente. Además es calificada como
simétrica o asimétrica dependiendo de si sus fuentes CC aisladas tienen igual o
distinta magnitud de tensión.
En la Fig. 1-7, se muestra la forma de onda en la tensión de salida
generada en los terminales ab del inversor híbrido multinivel, en su topología
simétrica, al modular este mediante pulso único. También se muestra los
interruptores accionados en cada intervalo de operación.
Figura 1-5 Célula de tres niveles y sus correspondientes formas de onda.
1.5.2 Inversor multinivel híbrido simétrico
Como se dijo en la sección anterior, un inversor simétrico es aquel, que
en su enlace continuo es alimentado por fuentes de igual tensión es decir A=B.
En la Fig. 1-8, se muestra el inversor multinivel híbrido simétrico donde
ambas fuentes poseen un valor de tensión igual a E. Esta topología tiene la
capacidad de generar una forma de onda de tensión en 5 niveles con solo una
fuente cc aislada y con su enlace dividido mediante dos capacitores.
Para la modulación de la célula CT con esta configuración son necesarias
2 portadoras las cuales están desfasadas 180º entre ellas y son comparadas con
una sinusoide rectificada de frecuencia igual a la que posee el sistema CA que
se encuentra alimentando el inversor, normalmente 50 Hz o 60 Hz.
Los interruptores del puente completo son accionados por la comparación
de la misma sinusoide, pero no rectificada, con una referencia igual a cero. En la
Fig. 1-9, se muestra la estrategia de modulación SPWM para el IH-1F-FB-CT
Figura 1-6 Inversor Multinivel Híbrido.
simétrico, donde su índice de frecuencia es igual a 38 y su índice de modulación
es igual a 1.
La tensión de salida generada mediante la modulación anteriormente
expuesta es la mostrada en la Fig. 1-10, la cual presenta 5 niveles de tensión 2E,
E, 0, –E y –2E.
Figura 1-8 Inversor Multinivel Híbrido Simétrico.
Figura 1-7 Formas de onda de tensión en terminales de Inversor multinivel Híbrido
Simétrico y accionamiento de interruptores.
Vab
Vp1 Vp2Vm
1.5.3 Inversor multinivel híbrido asimétrico
La estructura IH-1F-FB-CT en su configuración asimétrica se presenta en
la Fig. 1-11, y como ya se indicó en secciones pasadas, posee dos fuentes de
tensión CC de distinta magnitud. Se prefiere que la magnitud de estas fuentes
sea de 1: 2 como se sugiere en [4], de forma de obtener menor THD. Cabe decir
también, que esta configuración obliga a que el enlace de corriente continua sea
de fuentes aisladas como se muestra en la Fig. 1-12. La estructura mostrada en
esta figura fue propuesta en [2].
0
E
2E
E
-2E
Figura 1-10 Forma de onda de tensión de salida; Inversor Multinivel Híbrido Simétrico
para una célula CT. Mf = 8
Figura 1-9 Estrategia de modulación; Inversor Multinivel Híbrido Simétrico para una
célula CT. Mf=8
El hecho de tener fuentes CC de diferentes magnitudes lleva a generar
una estrategia de modulación completamente diferente a la implementada para
el caso del IH-1F-FB-CT simétrico. Esta estrategia de modulación fue
implementada por Luis Martínez en [5].
La Fig. 1-13 muestra la estrategia de modulación SPWM por
desplazamiento de nivel en disposición de fase PD para el Inversor Multinivel
Híbrido Asimétrico, en la cual se utilizan tres portadoras desplazadas en nivel,
todas en fase, donde luego de la comparación de la portadora Vp2 con la
moduladora se obtienen los pulsos de mando para los interruptores S1 y S2, los
que deben cumplir la ley de brazo, es por ello que son complementarios entre sí.
Los pulsos para los interruptores S3 y S4 son generados a partir de dos
compuertas lógicas de suma exclusiva XOR, que reciben las señales de
comparación de las portadoras Vp1, Vp2 y Vp3 con la señal moduladora y
generan una salida lógica según la estructura mostrada.
Para esta estrategia, el índice de modulación mi se define como:
3m
ip
VmV
(1-2)
Donde:
Vm: magnitud de señal moduladora
Vp: magnitud de señal portadora
La Fig. 1-14, muestra la forma de onda de tensión a la salida del inversor
multinivel híbrido asimétrico con una célula CT, que genera 7 niveles de tensión
a la salida, lo que significa dos niveles más de tensión respecto al inversor
simétrico.
Figura 1-12 Rectificador de 36 pulsos propuesto para estructura trifásica de Inversor
Multinivel Híbrido Asimétrico.
Figura 1-11 Inversor Multinivel Híbrido Asimétrico.
0
Vp1
Vp2
Vp3
Figura 1-14 Forma de onda tensión de salida. Inversor multinivel híbrido asimétrico;
mf=40
2E
3E
E
0
-E
-2E
-3E
Figura 1-13 Estrategia de modulación Inversor Híbrido Asimétrico para una célula