Convertidores multinivel NPC 1 “ Convertidores multinivel NPC ” Emilio José Bueno Peña.
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Convertidores multinivel NPC 1
“Convertidores multinivel NPC”
Emilio José Bueno Peña
Convertidores multinivel NPC 2
ÍNDICEÍNDICE
1. Convertidores MPC de diodos clamping.
2. Generación de señales PWM para convertidores NPC.
3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores NPC.
4. Control del desequilibrio de tensión en los convertidores NPC.
Convertidores multinivel NPC 3
Convertidores MPC
NPC
MPC
1. Convertidores MPC de diodos clamping 1. Convertidores MPC de diodos clamping (1/3)(1/3)
CONVERTIDORESMULTINIVEL
DIODECLAMPED
CONVERTERSFLYING
CAPACITORCONVERTERS
CASCADEDFULL-BRIDGESCONVERTERS
Tipos de convertidores multinivel
VENTAJAS:1.La tensión que soportan los switches es la mitad del DC-bus. Esta característica dobla el rango de potencia de los VSI para unos switches con una determinada potencia (sin añadir componentes adicionales).2.El primer grupo de armónicos de tensión están centrados alrededor de 2fS. Se reduce el tamaño, peso y coste de componentes pasivos y además se mejora la calidad de las ondas de salida.
INCONVENIENTES:1.Los VSI’s de tres niveles necesitan un número elevado de semiconductores2.La complejidad de los controladores y los generadores de PWM aumenta.3.Hay que asegurar el equilibrio de tensión en el punto NP.
Convertidores multinivel NPC 5
1. Convertidores MPC de diodos clamping 1. Convertidores MPC de diodos clamping (3/3)(3/3)
Sistema sobre el que se realizan las simulaciones
INP
Simulaciones realizadas con Simulink y Power System Blockset de MATLAB.
• Tensión de línea 400V/50Hz
• C = 4700F
• IGBT’s simulados por switches ideales
• R = 0.01 y L = 0.01H
Convertidores multinivel NPC 6
2. Generación de señales PWM para convertidores 2. Generación de señales PWM para convertidores NPC (1/16)NPC (1/16)
Introducción
OBJETIVOS:
1.Optimizar la calidad de las señales de corriente en la carga
2.Reducir pérdidas de conmutación en los switches del invesor.
Actualmente las técnicas de modulación más empleadas son las basadas en el concepto de funciones de modulación pues resulta muy fácil implementarlas sobre procesadores digitales. Se dividen en dos tìpos:
• Funciones de modulación continuas
• Funciones de modulación discontinuas
Otra posibilidad es añadir una señal denominada componente de SECUENCIA CERO a una función de modulación. Esto da origen a funciones de modulación continuas y discontinuas.
1.Se presenta un estudio comparativo.
2.Uso de técnicas de dos niveles en convertidores NPC.
Convertidores multinivel NPC 7
Función de modulación cosenoidal (1/3)
cosOFPortadora de Sa1
Portadorade Sa2
Señal moduladora
El índice de modulación de amplitud ma y el índice de modulación de frecuencia se definen como:
siendo Am and fm la amplitud y la frecuencia, respectivamente, de la señal de referencia cosenoidal, y Ac and fc las amplitudes y frecuencias, respectivamente, de las señales portadoras.
m
cf
c
ma
f
fm
Am
Am
1
2. Generación de señales PWM para convertidores 2. Generación de señales PWM para convertidores NPC (2/16)NPC (2/16)
Convertidores multinivel NPC 8
Función de modulación cosenoidal (2/3)
Tensiones de línea Contenido armónico de la tensión de línea vab
2. Generación de señales PWM para convertidores 2. Generación de señales PWM para convertidores NPC (3/16)NPC (3/16)
Convertidores multinivel NPC 9
Función de modulación cosenoidal (3/3)
Tensión del carril y variación de tensión en NP Corriente por NP
NPNP VVV
2. Generación de señales PWM para convertidores 2. Generación de señales PWM para convertidores NPC (4/16)NPC (4/16)
Convertidores multinivel NPC 11
Función de modulación vectorial (2/5)
Vectores espaciales de un convertidor NPC
6 sectores de 60º
24 subsectores (cada triáng. equilátero)
201
220
210
200
202102002
012
022
021
020 120
211100
101212
112001
122011
121010
221110
VREF
21
1
2
Vectores cero:222111000
¿Cómo obtener las señales PWM?
Ubicar VREF dentro de uno de los 6 sectores de 60º
Ubicar VREF en los triángulos 1, 2, 3, ó 4 de uno de los sectores de 60º
Cálculo de los tres ciclos de trabajo
Elección de los patrones de conmutación
VREF: m y
2. Generación de señales PWM para convertidores 2. Generación de señales PWM para convertidores NPC (6/16)NPC (6/16)
Convertidores multinivel NPC 12
200100
d11d03
d13
211
221
110
VREF
220
210
4
21
3
d01
d21
d04 d14
d24
d23
d02
d12
sin2
sincos3
sincos31
21
11
01
md
md
md
cos3sin1
cos3sin1
sin21
22
12
02
md
md
md
sin2
sincos31
sincos32
23
13
03
md
md
md
sin21
sincos32
sincos3
24
14
04
md
md
md
1.-
2.-
3.-
4.-
sincos3
1
m
sincos3
1
m
sincos3
1
m
sin2
1
m
¿En qué subsector está el vector de referencia?
1.Se ubica al vector de referencia dentro de una de las 6 regiones de 60º.
2.Considerando que m es igual a:
se obtiene el subsector en el que está. 3
35.13
LL
REF
DC
REF
VV
VV
m
Vectores espaciales para 0 60º (valores de tensión de fase)
200211100
221110
VREF
220
210
4
213
DCV31
DCV31
DCV32
Función de modulación vectorial (3/5): Síntesis de VREF
3. Cálculo de los ciclos de trabajo
2. Generación de señales PWM para convertidores 2. Generación de señales PWM para convertidores NPC (7/16)NPC (7/16)
Convertidores multinivel NPC 13
Función de modulación vectorial (4/5): Patrones de conmutación
0
1
2
0
1
2
0
1
2
c
b
a
100 200 210 211
d0 d1 d2 d0
20d
20d
1d 2d
0
1
2
0
1
2
0
1
2
c
b
a
100 100 200 210
d0 d0 d1 d2
2d0d 1d
ia
ib
ic
INP
VNP
P
N
Sa
Sb
Sc
O
C
C
a
b
c0
12
0
12
0
12
0
1
2
0
1
2
0
1
2
c
b
a
100 200 210 211
d0 d1 d2 d0
40d
20d
21d
22d
20d
22d
21d
211
d0
210
d2
200
d1
100
d0Ejemplo: VREF está en el subsector 3 del primer sector de 60º. Dentro de este subsector hay una única secuencia de conmutación [McGrath, 2001]:
100-200-210-211
Una vez que se obtiene la secuencia de conmutación, se obtienen las señales PWM.
Opción elegida: PWM simétrica.
Modulación asimétrica Modulación asimétrica sin 1 con.
Modulación
simétrica
2. Generación de señales PWM para convertidores 2. Generación de señales PWM para convertidores NPC (8/16)NPC (8/16)
Convertidores multinivel NPC 14
Función de modulación vectorial (5/5): Resultados
Contenido armónico de la tensión de línea vab
2. Generación de señales PWM para convertidores 2. Generación de señales PWM para convertidores NPC (9/16)NPC (9/16)
VREF (tensiónde fase)
Tensiones de línea a la salida
Convertidores multinivel NPC 15
Función de modulación cosenoidal continua con secuencia cero (1/2)
La técnica de modulación cosenoidal resulta muy sencilla pero tiene como inconvenientes que:1. la modulación lineal máxima es 0.79, y2. la distorsión de corriente no está minimizada. Ambos factores se pueden mejorar añadiendo una secuencia cero de las ondas de referencia, que únicamente contiene armónicos de tercer orden. En este caso trabajo se ha elegido una secuencia cero que da origen a una función continua y que responde a la expresión [McGrath, 2001]:
2
,,,,max cbacbaZ
VVVmínVVVV
Las secuencias ceros pueden dar origen a funciones de modulación:
1.continuas, y
2.discontinuas
2. Generación de señales PWM para convertidores 2. Generación de señales PWM para convertidores NPC (10/16)NPC (10/16)
Convertidores multinivel NPC 16
Contenido armónico de la tensión de línea vab Circuito generador de PWM
Función de modulación cosenoidal continua con secuencia cero (2/2): Resultados
2. Generación de señales PWM para convertidores 2. Generación de señales PWM para convertidores NPC (11/16)NPC (11/16)
Circuito generador de secuencia cero Offset
Convertidores multinivel NPC 22
¿Causas? (1/2)
Corriente por NP
3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores 3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores NPC (1/15)NPC (1/15)
• Componente armónica de tercer orden. • Variaciones de las tensiones continuas de los dos bancos de condensadores del DC-bus (rizado de baja frecuencia).
Tensión en NP: NPNP VVV
Convertidores multinivel NPC 23
Es necesario modelar y controlar el desequilibrio de tensión en NP porque afecta directamente a los siguientes elementos:
1.Dimensionamiento de los condensadores (rango de tensiones)
2.Dimensionamiento de los IGBT0s.
3.Calidad de la señal que se entrega a la carga.
ia
ib
ic
INPVNP
P
N
Sa
Sb
Sc
O
C
C
a
b
c0
12
0
12
0
12
¿Causas? (2/2) (función de modulación cosenoidal)
La corriente INP en función de la componente de tercer orden es:
donde I es el valor eficaz de la corriente por una de las fases, y es el desplazamiento de las corrientes respecto a las tensiones de referencia.
tII NP 3cos22
A partir de las modulaciones cosenoidales se obtiene el valor medio de INP en función del offset de las señales de referencia moduladoras:
siendo I el valor eficaz de la corriente por una de las fases, es el desplazamiento de las corrientes respecto a las tensiones de referencia, y el offset de la señal moduladora.
cos6II NP
NP
NP
VV
VV
0
0
3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores 3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores NPC (2/15)NPC (2/15)
Convertidores multinivel NPC 24
Algunas formas de onda (1/2)
Tensión NP para R=1 y L=10mH,ma=0.45 Tensión NP para R=1 y L=10mH,ma=0.9
3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores 3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores NPC (3/15)NPC (3/15)
Convertidores multinivel NPC 25
Algunas formas de onda (2/2)
Tensión NP para R=10m y L=10mH,ma=0.9
CONCLUSIONES:
• VNP es función del índice de modulación de amplitud.• VNP es función de la carga, es decir, del factor de potencia de la carga.
3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores 3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores NPC (4/15)NPC (4/15)
Convertidores multinivel NPC 26
ia
ib
ic
INP
VNP
P
N
Sa
Sb
Sc
O
C
C
a
b
c0
12
0
12
0
12
Vectores pequeños(estado de conmut.
positivo)
INP
Vectores pequeños(estado de conmut.
negativo)
INP
Vectores medios INP
100 ONN ia 211 POO -ia 210 PON ib
221 PPO ic 110 OON -ic 120 OPN ia
010 NON ib 121 OPO -ib 021 NPO ic
122 OPP ia 011 NOO -ia 012 NOP ib
001 NNO ic 112 OOP -ic 102 ONP ia
212 POP ib 101 ONO -ib 201 PNO ic
Efecto de los patrones de conmutación sobre iNP: función de modulación vectorial (1/9)
Hay cuatro tipos de vectores:1. Vectores grandes (vL) (200, 220, 020, 022, 002, 202).2. Vectores medianos (vM). Conectan una fase con NP.3. Vectores pequeños positivos (vS0).4. Vectores pequeños negativos (vS1).
• Los vectores grandes no afectan a iNP.• El efecto de los vectores medianos sobre iNP no se puede controlar.• La reducción de las variaciones de tensión en el punto NP se consigue controlando la duración relativa de los vectores pequeños redundantes (positivos y negativos) dentro de cada período de conmutación.
3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores 3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores NPC (5/15)NPC (5/15)
Convertidores multinivel NPC 31
Cálculo de iNP durante un ciclo completo 0º 360º (6/9)
c
b
a
cba
cba
S
SSS
c
b
a
cbaMNP
i
i
i
SSS
SSS
d
dmm
i
i
i
MMMdi111
000
0
0
1
010
q
d
c
b
a
i
i
i
i
i
32sin32cos
32sin32cos
sincos
q
d
qSSdSS
qSSdSS
q
dqMdMNP i
i
SdmSdm
SdmSdm
i
iMdMdi
11
00
1111
0000
201
220
210
200
202102002
012
022
021
020 120
211100
101212
112001
122011
121010
221110
VREF
21
1
2
(0)
id
iq
00
dt
Para simplificar el análisis de la corriente NP bajo diferentes condiciones de carga, se transforma en un eje de referencia síncrono rotatorio d-q. El eje d es alineado con el vector de referencia. En régimen permanente id e iq será constantes y representan las componentes activas y reactiva de la corriente por la carga, respectivamente.
PARTECONTROLABLE
PARTENO CONTROLABLE
3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores 3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores NPC (10/15)NPC (10/15)
Convertidores multinivel NPC 34
3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores 3. Desequilibrio de tensión en NP en los convertidores NPC (13/15)NPC (13/15)
Cálculo de iNP durante un ciclo completo 0º 360º (9/9)
CONCLUSIONES:
• Los factores de peso de los vectores medios son funciones periódicas con valor medio cero sobre un ciclo completo de 360º. Esto significa que en el caso de régimen permanente ideal, id e iq son constantes y el valor medio de la corriente NP debida a los vectores medios es nula en un ciclo completo. Determinar el tamaño del rizado bajo estas condiciones ayuda a determinar el tamaño de los condensadores del DC-bus.
• La relación de los factores de peso de las componentes activa y reactiva es opuesto para los vectores medios y pequeños. Grandes id significan gran capacidad de control sobre la corriente NP manipulando los índices de modulación de corriente de los vectores pequeños, y pequeñas iq implican pequeños rizados debidos a los vectores medios. Dicho de otra manera, grandes iq implican grandes rizados en la corriente NP debida a los vectores medios, y pequeñas id implican pequeña capacidad de control sobre la corriente NP producida por los vectores pequeños.
• Esto confirma el hecho de que es mucho más fácil suprimir el rizado de baja frecuencia con cargas que tienen alto factor de potencia.
Convertidores multinivel NPC 37
Introducción
• Para las funciones de modulación PWM basadas en portadora, todos los esquemas de control se basan en manipular las componentes continuas de las señales moduladoras () (tr.26).
• Para las funciones de modulación vectoriales, los lazos de control están basados en la manipulación de la duración de los vectores pequeños redundantes (la diferencia entre dos tensiones las tensiones de fase de dos vectores pequeños redundantes es la componente continua de offset).
Algunos de los esquemas de control más utilizados son:
1. Control pasivo, donde los vectores pequeños positivos y negativos son seleccionados alternativamente en cada ciclo de conmutación. Este método es aplicable únicamente en el caso de cargas perfectamente balanceadas, lo cual nunca ocurre en la práctica [Steinke, 1992].2. Control del corriente con histéresis. Este método está basado en conocer la dirección de la corriente en cada fase, seleccionando el tipo de vector pequeños que corresponda. El inconveniente es que la corriente por las fases tiene un rizado de la mitad de la frecuencia de conmutación [Marchesoni, 1992].3. Control activo de mS0 y mS1. Requieren la medida del desequilibrio de la tensión en NP, y de las amplitudes de las corrientes por las fases. El inconveniente de estos sistemas es que aumentan las pérdidas en los dispositivos de potencia porque introducen estados adicionales de conmutación, y además son menos robustos que los controles basados en histéresis.
4. Control del desequilibrio de tensión en NP en los 4. Control del desequilibrio de tensión en NP en los convertidores NPC (1/3)convertidores NPC (1/3)