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S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIN Y DESARROLLO TECNOLGICO

cenidet

ANLISIS Y DESARROLLO DE UN INVERSOR MULTINIVEL

T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERA ELECTRNICA P R E S E N T A:

ING. ERNESTO BRCENAS BRCENAS

DIRECTORES DE TESIS

DR. RODOLFO ECHAVARRA SOLS M.C. SINUH RAMREZ GUERRERO

CUERNAVACA, MORELOS DICIEMBRE 2002

Agradecimientos

A mis hermanos, mi mam y mi pap, por darme la motivacin que siempre necesit ya que son los mejores modelos de trabajo que puedo seguir.

A mis asesores Dr. Rodolfo Echavarra Sols y M.C. Sinuh Ramrez Guerrero por sus consejos y su apoyo. A los revisores de tesis por sus comentarios y acertadas sugerencias: Dr. Vctor Manuel Crdenas Galindo, Dr. Abraham Claudio Snchez y M.C. Jos Antonio Hoyo Montao.

A mis compaeros de generacin: el chivo, la lacrota, el mosh, el tona, josuelazo, el panzn, la yocuela y su otra parte; por todos los buenos ratos que pasamos juntos.

A Nancy y Sinuh por tratar de hacerme ms sociable (es intil). A todo el personal de Cenidet que ha hecho amena mi estancia en el

centro de investigacin. A CONACyT y a la SEP, por proporcionar los medios econmicos para

realizar los estudios de Maestra.

NDICE

RESUMEN .................................................................................................. XIII

CAPTULO I INTRODUCCIN

I.1 Calidad de la energa ................................................................ 1 I.2 Convertidores de potencia ......................................................... 2 I.3 Inversores ............................................................................. 2 I.3.1 Inversor medio puente ....................................................... 2 I.3.2 Inversor puente completo ................................................... 3 I.3.3 Aplicaciones ................................................................... 4 I.3.4 Dispositivos semiconductores de potencia ................................ 4 I.3.5 Tcnicas de modulacin ..................................................... 4 I.3.6 Prdidas por conmutacin en inversores convencionales .............. 8 I.4 Planteamiento del problema ....................................................... 9 I.5 Objetivo ............................................................................... 9 I.6 Aportaciones .......................................................................... 10

CAPTULO II INVERSORES MULTINIVEL

II.1 Introduccin .......................................................................... 11 II.2 Estado del arte ....................................................................... 12 II.2.1 Aplicacin en compensadores .............................................. 12 II.2.2 Aplicacin en convertidores ................................................ 13 II.3 Inversor multinivel de diodos de enclavamiento (DCMLI) ..................... 15 II.3.1 Estructura monofsica ...................................................... 16 II.3.2 Estructura trifsica .......................................................... 17 II.3.3 Caractersticas principales ................................................. 17 II.3.4 Anlisis de la topologa ..................................................... 17 II.3.5 Recomendaciones de diseo ............................................... 23 II.3.6 Ventajas y desventajas de la topologa .................................. 25 II.4 Inversor multinivel de condensadores flotantes (FCMLI) ...................... 25

IX

Anlisis y desarrollo de un inversor multinivel

II.4.1 Estructura monofsica ...................................................... 25 II.4.2 Estructura trifsica .......................................................... 26 II.4.3 Caractersticas principales ................................................. 27 II.4.4 Anlisis de la topologa ..................................................... 27 II.4.5 Recomendaciones de diseo ............................................... 31 II.4.6 Ventajas y desventajas de la topologa .................................. 31 II.5 Inversor multinivel de inversores en cascada(CMLI) ............................ 31 II.5.1 Estructura monofsica ...................................................... 31 II.5.2 Estructura trifsica .......................................................... 34 II.5.3 Caractersticas principales ................................................. 35 II.5.4 Anlisis de la topologa ..................................................... 35 II.5.5 Recomendaciones de diseo ............................................... 39 II.5.6 Ventajas y desventajas de la topologa .................................. 40 II.6 Aplicaciones de los inversores multinivel ........................................ 40 II.7 Comparacin .......................................................................... 41 II.8 Resultados de la comparacin ..................................................... 41 II.9 Conclusiones .......................................................................... 42

CAPTULO III TCNICAS DE MODULACIN

III.1 Introduccin .......................................................................... 45 III.2 Tcnica de frecuencia fundamental .............................................. 46 III.2.1 Optimizacin de los ngulos de disparo .................................. 47 III.2.2 Optimizacin de la altura de los escalones .............................. 49 III.3 Tcnica PWM vectorial .............................................................. 50 III.4 Tcnicas PWM multiportadoras .................................................... 54 III.4.1 Tcnica PSPWM multiportadora ........................................... 56 III.4.2 Tcnica CDPWM multiportadora ........................................... 58 III.5 Tcnica PWM programado .......................................................... 60 III.6 Conclusiones .......................................................................... 62

CAPTULO IV DISEO DEL INVERSOR

IV.1 Sntesis de la etapa de potencia ................................................... 65 IV.1.1 Requerimientos del CMLI ................................................... 66 IV.1.2 Fuentes de alimentacin ................................................... 66 IV.1.3 Mdulos de inversores puente completo ................................. 67 IV.1.4 Filtro de salida ............................................................... 70 IV.2 Tarjetas de tiempo muerto ........................................................ 71 IV.2.1 Tiempo muerto ............................................................... 72 IV.3 Diseo de la etapa de potencia .................................................... 73 IV.4 Etapa de control ..................................................................... 77 IV.4.1 Requerimientos .............................................................. 77 IV.4.2 Generacin de seales ...................................................... 78

CAPTULO V RESULTADOS DE SIMULACIN Y EXPERIMENTALES

V.1 Introduccin .......................................................................... 81

X

ndice

V.2 Resultados de simulacin ........................................................... 82 V.2.1 Simulacin con carga resistiva .............................................. 82 V.2.2 Simulacin con carga resistiva-inductiva ................................. 84 V.2.3 Simulacin a frecuencias superiores a 3 kHz ............................. 85 V.2.4 Reproduccin de seales .................................................... 86 V.3 Resultados experimentales ......................................................... 89 V.3.1 Pruebas con carga resistiva ................................................. 89 V.3.2 Pruebas con carga resistiva-inductiva ..................................... 94 V.3.3 Pruebas con carga inductiva ................................................ 96 V.3.4 Pruebas a frecuencias superiores a 3 kHz ................................ 98 V.3.5 Inyeccin de armnicos ...................................................... 99 V.4 Conclusiones ........................................................................ 103

CAPTULO VI CONCLUSIONES

VI.1 Conclusiones del trabajo desarrollado ........................................... 105 VI.2 Trabajos futuros ................................................................... 106 VI.3 Publicaciones generadas ....................................................... 107

APNDICE 1 BIBLIOGRAFA ...................................................................................

109

APNDICE 2 LISTA DE SMBOLOS ............................................................................

113

APNDICE 3 DIAGRAMAS DE CIRCUITOS ....................................................................

115

APNDICE 4 CIRCUITOS DE SIMULACIN ...................................................................

117

APNDICE 5 PROGRAMAS .....................................................................................

119

XI


XII

RESUMEN

El empleo de convertidores electrnicos de potencia CD/CA en el rea de calidad de la energa es de gran importancia, ya que por medio de ellos se realiza la funcin de corregir los defectos existentes en la lnea de distribucin. Sin embargo, los convertidores convencionales presentan la limitante para este tipo de aplicaciones de un alto contenido armnico en la tensin de salida, siendo necesario estudiar alternativas de convertidores para la aplicacin en el rea de calidad de la energa.

Una alternativa para los convertidores CD/CA convencionales se encuentra en las topologas multinivel. Su principal caracterstica es la de sintetizar la tensin de salida en escalones de tensin de manera que los dispositivos semiconductores solo manejan el valor de tensin de un escaln. Asimismo, el bajo contenido armnico que presentan en la salida y las mnimas perdidas por conmutacin que se pueden conseguir hace de las topologas multinivel una excelente opcin en la conversin CD/CA.

En el captulo I se presenta una revisin de las caractersticas de los inversores

convencionales, una evaluacin del estado del arte de los inversores multinivel y sus reas de aplicacin.

En el captulo II se analizan las tres topologas multinivel existentes, realizando una

comparacin entre ellas para determinar la que presenta mas ventajas para su aplicacin en el rea de calidad de la energa al utilizarse como filtro activo.

En el captulo III se realiza una evaluacin de las tcnicas de modulacin aplicables a

inversores multinivel, el objetivo es determinar la tcnica de modulacin que mas ventajas presenta en la implementacin de un filtro activo con el inversor multinivel seleccionado.

En el captulo IV se presenta el diseo del inversor multinivel implementado. El

captulo V presenta los resultados obtenidos en las pruebas realizadas al prototipo construido. En el captulo VI se muestran las conclusiones del tema de investigacin y las

sugerencias para trabajos futuros utilizando inversores multinivel.

XIII


XIV

CAPTULO I

INTRODUCCIN

El presente captulo muestra una breve introduccin al tema de calidad de la energa; se realiza una revisin de los diferentes tipos de convertidores de potencia, enfocndose en los convertidores de corriente directa a corriente alterna (convertidor CD/CA), analizando sus principales caractersticas. I.1 Calidad de la energa

La energa elctrica es de vital importancia debido a que en el mundo existen cada vez ms equipos y sistemas que dependen de la electricidad como fuente de energa [1]. Por otro lado, existen equipos que requieren de una buena calidad y seguridad en el suministro elctrico.

Actualmente, dentro de las necesidades de la industria se encuentra el contar con sistemas que alimenten cargas cada vez ms complejas o crticas y que permitan un manejo adecuado de la energa elctrica, as como un mejor aprovechamiento de la misma.

Las cargas presentes en la industria son de naturaleza muy variada, desde motores elctricos, hasta computadoras. Debido a lo anterior, y por lo importante que resulta para la industria actual el manejo adecuado de la energa elctrica, es necesario estudiar o buscar la mejor manera de entregar de forma confiable y eficiente esta energa a las diferentes cargas, mejorar su distribucin y su consumo.

Debido a que un equipo conectado a la red elctrica queda interconectado con otros sistemas, cualquier disturbio presente en la misma afecta de manera directa o indirecta a las dems cargas conectadas. Debido a esto, la eficiencia en el manejo y consumo de la energa elctrica forma actualmente una gran rea de estudio debido al peso econmico que representa en varios campos y en los distintos tipos de consumidores, desde grandes industrias hasta pequeos usuarios.

La conversin de energa es necesaria debido a la gran diversidad de cargas existentes. Esta conversin se realiza a travs de convertidores de potencia, los cuales se encargan de entregar de manera apropiada la energa elctrica a la carga, ya sea en CD o en CA. Los convertidores de potencia permiten regular la energa entregada a la carga haciendo ms eficiente su consumo, lo anterior permite que sean ampliamente utilizados en la industria o en equipo crtico.

1


I.2 Convertidores de potencia

Los principales tipos de convertidores de potencia son los siguientes[2]: Convertidor Corriente Alterna / Corriente Directa (CA/CD)

Este tipo de convertidor es comnmente llamado rectificador. Su implementacin ms simple se efecta con diodos y un filtro para obtener el nivel de CD. Versiones ms elaboradas incluyen interruptores controlados.

Convertidor Corriente Directa / Corriente Directa (CD/CD) Este tipo de convertidor es bastante utilizado para elevar o disminuir la tensin de CD de salida respecto a la de entrada y obtener un nivel de CD regulada.

Convertidor Corriente Alterna / Corriente Alterna (CA/CA)

Este tipo de convertidor se encarga de proporcionar una tensin de salida en CA controlada a partir de una entrada de CA sin regular.

Convertidor Corriente Directa / Corriente Alterna (CD/CA)

Son llamados inversores y se encargan de producir una tensin alterna controlada en su salida a partir de una tensin de CD. La importancia de los convertidores radica en que son ampliamente utilizados en gran

variedad de equipos elctricos proporcionando principalmente un control sobre las variables de salida, tales como la corriente, tensin, o frecuencia. I.3 Inversores

Los inversores son utilizados en control de motores, sistemas de alimentacin Ininterrumpibles (UPS, por sus siglas en ingls) y en general, en aquellas aplicaciones que necesiten de una tensin de salida en CA controlada. Los inversores tambin pueden ser utilizados para resolver problemas de distorsin en la red elctrica como: contaminacin armnica, mala regulacin, bajo factor de potencia etc.

Cada tipo de inversor, en sus variantes de medio puente y puente completo, utiliza

dispositivos semiconductores de potencia para proporcionar la tensin deseada en la salida. En los inversores ideales la salida debera ser una seal sin contenido armnico, sin embargo, en la prctica el contenido armnico depende en gran medida del tipo de control empleado en la generacin de las seales de conmutacin. I.3.1 Inversor medio puente Este tipo de inversor, el cual se muestra en la figura I.1, est formado por dos interruptores S1 y S2; su salida se toma en el punto A y su referencia es el punto medio de las

fuentes de alimentacin. Cada condensador est cargado a una tensin 2

Vcd .

2

Introduccin

S1

S2

A

Vcd2

Vcd2

V0

Figura I.1. Inversor monofsico medio puente.

La tensin de salida pico Vo que el inversor puede proporcionar a la salida est dada por:

2V

V cdo = (I.1) donde: Vcd= Tensin del bus de CD

La corriente de colector pico que deben manejar los dispositivos semiconductores es igual a:

carga

cdcp Z2

VI = (I.2)

donde: Zcarga= Impedancia equivalente de la carga

La tensin colector emisor de los interruptores, VCE, se expresa como:

cdCE VV = (I.3) I.3.2 Inversor puente completo

Este inversor tiene un mejor desempeo que el anterior. Proporciona una tensin

alterna a la carga y la alimentacin del inversor se realiza a travs de una sola fuente de CD. La figura I.2 muestra la configuracin para este tipo de inversor en su versin monofsica y trifsica.

S1 S3

S2 S4

A B

S1 S3

S2 S4

S5

S6

A B CVcd Vcd

a) b)

Figura I.2. Inversores convencionales: a) Inversor monofsico, b) Inversor trifsico

3


La tensin de salida pico Vo que el inversor puede proporcionar a la salida est dada por:

cd0 VV = (I.4)

La corriente de colector pico que deben manejar los dispositivos semiconductores es igual a:

carga

cdcp Z

VI = (I.5)

La tensin colector emisor de los interruptores VCE, se expresa como:

cdCE VV = (I.6) I.3.3 Aplicaciones Las aplicaciones de los inversores son muy variadas, pero se pueden agrupar en las siguientes reas: Control de motores, donde la frecuencia y la tensin de salida deben ser variables. Sistemas de alimentacin ininterrumpibles, donde la frecuencia y tensin de salida son

fijas. Filtros activos, para reproducir distorsiones en la red elctrica y mejorar la forma de

onda de la tensin de lnea.

Su importancia deriva de la amplia utilizacin de este tipo de convertidores, sin embargo, presentan ciertas limitantes debido principalmente a los dispositivos semiconductores y a las tcnicas de modulacin empleadas en ellos. I.3.4 Dispositivos semiconductores de potencia

Para los dos tipos de inversores revisados anteriormente, se observa que los esfuerzos en corriente son los mismos. Sin embargo, los dispositivos tienen esfuerzos en tensin diferentes y son mayores en el inversor de medio puente.

En ambos casos, para aplicaciones de alta tensin los interruptores deben manejar

altos dV/dt lo cual significa utilizar componentes robustos y por tanto costosos. Por otro parte, los picos de tensin que se provocan al conmutar los dispositivos semiconductores pueden llegar a un valor considerable siendo necesario sobredimensionar los componentes para evitar su destruccin. I.3.5 Tcnicas de modulacin

La tcnica ms utilizada para generar ondas senoidales a la salida de un inversor medio puente o puente completo es la modulacin por ancho de pulso (PWM, por sus siglas en ingls).

4

Introduccin

La figura I.3 muestra la modulacin de un solo ancho de pulso, esta tcnica es la manera ms simple de generar una tensin de CA a partir de una tensin en CD, y se utilizara como referencia para analizar el desempeo de las tcnicas PWM basadas en portadoras en un sistema trifsico.

La principal caracterstica de la modulacin PWM basada en portadoras [3] consiste en

que el filtrado de la tensin de salida es ms sencillo, ya que las frecuencias de portadora son generalmente elevadas, y por lo tanto el tamao del filtro a la salida del inversor es reducido. Sin embargo, esta tcnica presenta algunas desventajas, entre las cuales se pueden mencionar las siguientes: Atenuacin de la componente fundamental de la onda PWM. Incremento de las frecuencias de conmutacin, lo cual significa un esfuerzo mayor en

los dispositivos de potencia asociados, y por lo tanto, una degradacin de los mismos. Generacin de componentes armnicos de alta frecuencia previamente no presentes.

Por lo tanto, resulta recomendable el estudio de otras alternativas para obtener

mejores resultados que los que se obtienen con las tcnicas PWM aplicadas a los inversores convencionales. Modulacin de un solo ancho de pulso

Esta tcnica proporciona a la salida un solo pulso de tensin cada medio ciclo. Por esta

razn, el contenido armnico es alto y se obtiene que su armnico dominante es el tercero. Como ventaja se tiene que es fcil de implementar y adems que las prdidas por

conmutacin en los dispositivos semiconductores son bajas. Su forma de onda para la tensin entre fases en un sistema trifsico se muestra en la figura I.3.

0

1

0.5

1.5

1 5 7 11 13 17 19 f

60 120

180 240 300

1

0.5

-0.5

-1

0t

a)

b)

Figura I.3. Modulacin de un solo ancho de pulso: a) tensin de salida, b) contenido armnico.

5


1 19 23 41 43 f0

1

1

0

-1

90180 270 360

t

a)

b) Figura I.4. Modulacin PWM senoidal: a) tensin de salida, b) contenido armnico.

Tcnica PWM senoidal

Esta tcnica se basa en la comparacin de niveles de tensin entre una portadora (seal triangular o rampa) y una seal moduladora de referencia (seal senoidal); la tensin de salida y el contenido armnico se muestra en la figura I.4.

Su principal ventaja consiste en que genera un espectro de CA sin armnicos de bajo orden. La principal desventaja de esta tcnica en un sistema trifsico es que la mxima ganancia posible en CA (GCA) es igual a 0.866 en la tensin entre fases. En muchas aplicaciones la ganancia en CA se tiene que elevar mediante el uso de un transformador lo cual es un inconveniente.

Sin embargo, el filtrado a la salida del inversor para obtener la seal fundamental es

ms eficiente, debido a que la frecuencia de conmutacin es alta, bsicamente la de la portadora fc. Lo anterior reduce el tamao del filtro en la salida, pero debido a la frecuencia a la que estn conmutando los dispositivos semiconductores aumentan las prdidas por conmutacin. Tcnica PWM senoidal modificada (MSPWM)

Esta tcnica proporciona un aumento en la ganancia de CA, comparada con la tcnica PWM senoidal. Sin embargo, su implementacin es ms compleja. Tambin, genera un aumento de alrededor del 21% en comparacin con la tcnica anterior en el tercer armnico de CA de lnea a neutro en el caso de un inversor trifsico. La salida de tensin y de contenido armnico se observa en la figura I.5.

0

1

17 19 23 25 35 37 41 43 47 f

a)

b)

180270 360

900

1

-1

t

Figura I.5. Modulacin PWM senoidal modificada: a) tensin de salida, b) contenido armnico.

6

Introduccin

0

1

17 19 23 25 37 41 43 47135 49 f

a)

b)

-1

180

270 360

900

1

t

Figura I.6. Modulacin PWM senoidal de inyeccin armnica: a) tensin de salida b) contenido

armnico. Presenta las ventajas de la tcnica PWM senoidal respecto al tamao del filtro de

salida, pero las prdidas por conmutacin siguen siendo elevadas. Aun as, presenta un mejor desempeo. Tcnica PWM de inyeccin armnica

Esta tcnica se obtiene de la inyeccin del 1, 3 y 9 armnico, el trmino CA es igual al obtenido de la tcnica anterior, mientras el espectro armnico es claramente mejor, de acuerdo a la figura I.6. Su implementacin es bsicamente igual a las anteriores, sigue conservando las ventajas de un filtro de salida pequeo y adems, se obtienen mejoras en el contenido armnico presente en la salida. Tcnica PWM programado

En esta tcnica de modulacin [4] se resuelve un sistema de ecuaciones no lineales para obtener los ngulos de conmutacin; esto se basa en igualar las ecuaciones correspondientes de los armnicos que se desean eliminar a cero, mientras que la ecuacin que rige la tensin de la fundamental se iguala a un valor deseado.

El sistema de ecuaciones no lineales es el siguiente:

=

+

++

0..0/4

N.......CosCosNCosNCosN..

......Cos2Cos2Cos2Cos2..Cos..........CosCosCos

N321

N321

N321

(I.7)

donde: N = Nmero del armnico ms alto a considerar en el sistema de ecuaciones.

Para esta tcnica se tiene que la frecuencia a la que se presenta el primer armnico ms significativo est dada por la ecuacin I.8. El sistema de ecuaciones (I.7) y la ecuacin (I.8) se aplican para la tensin de salida monofsica o trifsica

7


1)(2nf f pcoms += (I.8) donde npc es el nmero de pulsos por cuarto de ciclo y fo la frecuencia fundamental.

Los ngulos que se obtienen al solucionar el sistema de ecuaciones corresponden al

primer cuarto de ciclo, los restantes se obtienen por simetra de cuarto de onda. Esta tcnica presenta la posibilidad de realizar la eliminacin selectiva de armnicos, adems, las prdidas por conmutacin disminuyen en el inversor debido a que el nmero de conmutaciones que realizan los dispositivos semiconductores est claramente establecido y no depende de la comparacin de una seal portadora y una moduladora como en las tcnicas anteriores.

En la tabla I.1 se muestran las principales aplicaciones para cada tcnica presentada.

Tabla I.I Aplicaciones de las tcnicas PWM.

Aplicacin Tcnica Accionador de motor CA alimentado en tensin (VSI por sus siglas en ingls).

Baja velocidad: Tcnica de inyeccin armnica

Alta velocidad: Tcnica de eliminacin armnica programada (PHETs por sus siglas

en ingls) Accionador de motor CA alimentado en corriente (CSI por sus siglas en ingls).

Alto desempeo: Tcnica PWM senoidal modificada

Tpico: PHETs Rectificadores PWM para inversores CSI y accionadores de motores CD

Tcnica de inyeccin de armnicos

Sistemas de alimentacin ininterrumpibles con bus de CD sin regular

Tcnica de inyeccin de armnicos

UPS (con bus de CD regulado) PHETs I.3.6 Prdidas por conmutacin en inversores convencionales

Dentro de los inversores convencionales (medio puente y puente completo) un punto crtico de diseo corresponde a la seleccin apropiada de los dispositivos semiconductores, debido a que son la limitante principal de la potencia a manejar por el inversor.

Para un inversor puente completo utilizando transistores bipolares de compuerta aislada (IGBTs), se consideran las prdidas en los interruptores principales y en los diodos [5]. Las prdidas totales en los IGBTs son iguales a la suma de las prdidas por conduccin (Pss) ms las prdidas de conmutacin (Psw), y por lo tanto se tiene lo siguiente:

SWSST P P P += (I.9) donde:

) (DCosVI P CEsatCPSS = (I.10)

SWSW(off)SW(on)SW )fE (E P += (I.11)

Definiendo los siguientes valores:

8

Introduccin

ICP = valor pico de la corriente senoidal de salida VCEsat = tensin de saturacin del IGBT D = ciclo de trabajo = ngulo de desfasamiento entre la tensin y la corriente de salida ESW(on) = energa de conmutacin en el encendido del IGBT, en cada pulso a la corriente

pico ICP ESW(off) = energa de conmutacin al apagado en el IGBT, en cada pulso a la corriente pico

ICP FSW = frecuencia de conmutacin PWM para cada componente de potencia

Con las tcnicas de modulacin mencionadas se tienen prdidas por conmutacin diferentes dependiendo de la tcnica y a pesar de las diferencias entre las tcnicas PWM slo la tcnica PWM de un solo ancho de pulso es la que presenta las prdidas por conmutacin ms bajas pero el desempeo armnico ms pobre. Como caracterstica de las tcnicas PWM, se observa que la frecuencia de conmutacin de los dispositivos tiene una gran influencia en las prdidas por conmutacin, esto es, al aumentar la frecuencia de conmutacin, las prdidas tambin lo hacen. Otro punto es el factor Cos , ya que representa el factor de potencia, si la carga es puramente resistiva se tiene que Cos = 1 y los diodos no trabajan; pero si se tiene cargas puramente capacitivas o inductivas los IGBTs no trabajan pero los diodos s. De lo anterior se concluye que tanto la carga conectada al inversor como la frecuencia de conmutacin influyen en gran medida en las prdidas totales que se tienen. I.4 Planteamiento del problema

En los inversores convencionales se tiene que sus interruptores soportan toda la tensin del bus de cd, para aplicaciones de potencia esto puede ser un problema ya que se tienen que utilizar componentes ms robustos, asimismo, son considerables las prdidas por conmutacin al operar con tcnicas PWM convencionales.

Por otro parte, la implementacin de tcnicas PWM se realiza para utilizar un filtro

mas pequeo y principalmente para reducir el contenido armnico en la tensin de salida. Sin embargo, lo anterior provoca que aumenten las prdidas por conmutacin en los dispositivos.

As, los principales problemas que se identifican en inversores convencionales son los

siguientes:

Altas prdidas por conmutacin Altos dV/dt en dispositivos y cargas Dispositivos semiconductores robustos

Debido a que el presente trabajo est enfocado al rea de filtros activos en donde se

reproducen perturbaciones presentes en la red elctrica, se abordan los problemas anteriores y al mismo tiempo verifica la viabilidad en la aplicacin de un inversor multinivel en un filtro activo. I.5 Objetivo

El objetivo principal consiste en analizar e implementar un inversor multinivel, el cual tiene como caracterstica sintetizar su salida en escalones de tensin. Su estudio y su posible aplicacin estar enfocado principalmente al rea de filtros activos.

9


I.6 Aportaciones

Las principales aportaciones que se obtuvieron con este trabajo de tesis son: Abordar el tema de inversores multinivel para asimilacin de esta tecnologa, sobre

todo porque en el rea de calidad de la energa se tienen aplicaciones en las cuales se ve atractivo su uso.

Aprovechar las ventajas de estos inversores para su posible aplicacin en filtros activos

de potencia. Tener alternativas a mtodos de inversin convencionales. Lo anterior debido a que las

aplicaciones de los inversores multinivel son variadas. Como alcance se contempla la construccin de un inversor multinivel, implementacin de

una tcnica de modulacin PWM y su posible aplicacin en un filtro activo. Dentro de lo anterior se estudiar el funcionamiento de las tres topologas multinivel existentes, revisando los esfuerzos en tensin de los dispositivos, formas de onda que pueden presentar en su salida y aplicaciones que puedan tenerse utilizando determinada topologa, el objetivo es realizar una comparacin entre las topologas multinivel y encontrar la que sea ms conveniente para su aplicacin en filtros activos.

Las principales ventajas al utilizar un inversor multinivel como filtro activo sobre los inversores convencionales son: Los dV/dt presentes en los dispositivos de potencia y en la carga son menores.

La tensin de salida es ms aproximada a la referencia ya que se sintetiza en escalones

de tensin. El tamao del filtro de salida es menor.

10

CAPTULO II

INVERSORES MULTINIVEL

En este captulo se presentan las topologas de inversores multinivel. Se estudian las

diferentes topologas obtenindose sus principales caractersticas y aplicaciones. Lo anterior teniendo en cuenta su aplicacin en el rea de filtros activos. Asimismo, se analizan las caractersticas elctricas presentes en los dispositivos semiconductores, condensadores y dems elementos de los inversores multinivel con el fin de determinar los dispositivos a utilizar en la implementacin de un inversor. II.1 Introduccin

Los inversores multinivel alimentados en tensin han surgido como una nueva opcin de convertidor para aplicaciones de alta potencia. El inversor multinivel bsicamente sintetiza una onda de tensin en varias tensiones de cd escalonadas. Existen diferentes topologas de inversores multinivel, sin embargo, se pueden clasificar en tres estructuras bsicas [6] y [7]: inversor multinivel de diodos de enclavamiento (DCMLI, por sus siglas en ingls) inversor multinivel de condensadores flotantes (FCMLI, por sus siglas en ingls) inversor multinivel de inversores en cascada (CMLI, por sus siglas en ingls)

De igual manera, entre las tcnicas de modulacin que se aplican en los inversores

multinivel existen variantes, pero pueden ser clasificadas en las siguientes categoras, las cuales se analizan en el capitulo III: tcnica de escalera o frecuencia fundamental tcnica PWM vectorial tcnica PWM senoidal tcnica PWM programado

Cabe mencionar que todas las topologas de inversores multinivel producen una forma

de onda de salida similar, la cual est formada por escalones de tensin, proporcionando as una tensin de gran calidad y lo ms parecido posible a la forma de onda que se pretende reproducir. La figura II.1 presenta una forma de onda de salida tpica de un inversor multinivel, en donde se puede observar que est formada por escalones de tensin.

11


Niveles de CD Tensin de salida delinversor multinivel

Nivel 1Nivel 2Nivel 3Nivel 4Nivel 5Nivel 6Nivel 7

-V3

-V2

V1

V2

V3

V4

-V4

Figura II.1. Tensin de salida de un inversor multinivel.

Dependiendo del nmero de niveles que proporcione el inversor el contenido armnico

presente en la tensin de salida disminuye. II.2 Estado del arte

Los inversores multinivel son una alternativa para solucionar los problemas que presentan los inversores convencionales, sus caractersticas principales son el tener bajas prdidas por conmutacin al operar a bajas frecuencias de conmutacin, la distribucin de tensiones en los dispositivos y un filtrado ms sencillo ya que la salida est formada por niveles de tensin.

Entre las ventajas de los inversores multinivel se incluye una cada de tensin de los

dispositivos menor que la presente en el bus de cd ya que se puede controlar segn el nmero de niveles del inversor multinivel, adems, se puede trabajar a frecuencias de conmutacin bajas. Con lo anterior se tienen menores prdidas por conmutacin en los dispositivos semiconductores, tambin, debido a que su salida est formada por niveles de tensin, el contenido armnico que resulta es bajo en comparacin con los inversores convencionales que utilizan tcnicas PWM.

Dentro del rea de investigacin de inversores multinivel existe una gran cantidad de artculos publicados por diferentes autores, y la aplicacin de los inversores multinivel est dirigida principalmente a la compensacin de energa reactiva en sistemas de distribucin de energa elctrica. Estn tambin las investigaciones que se hacen sobre balanceo de la tensin en los condensadores en las topologas de diodos de enclavamiento y en la de condensadores flotantes, ya que es uno de los principales problemas que presentan.

En [6] se presenta el anlisis de los tres inversores multinivel, incluyendo sus ventajas y

desventajas y se analizan su estructura y funcionamiento. Se presenta un panorama general de su aplicacin ptima y de las caractersticas ms relevantes en un inversor en particular. Dado que cada uno se desempea mejor en determinada aplicacin es interesante contar con una gua que permita su correcta seleccin para la aplicacin que se necesita. II.2.1 Aplicacin en compensadores

Se tienen investigaciones en el rea de calidad de la energa, [7],[8], usndose como compensadores, la figura I.2 muestra un filtro activo de tensin utilizando un inversor multinivel.

12

Inversores multinivel

Inversormultinivel

S1

S1'

S2

S2'

S3

S3'

S4

S4'

C2

C1

Zs VshIs+

+

Vs

IL

Cargano

lineal

Figura II.2. Filtro activo de tensin utilizando un inversor multinivel. Donde:

Vs es la tensin de lnea Zs es la impedancia que presenta la red Is, IL la corriente que demanda la carga no lineal Vsh es la tensin de salida del inversor multinivel

sta es una de las aplicaciones ms comunes de los inversores multinivel, pudindose

utilizar cualquiera de los tres tipos. El funcionamiento se basa en reproducir perturbaciones elctricas que contaminan la red, y por medio del filtro activo se inyectan en la red elctrica con signo opuesto, eliminando distorsiones de tensin y entregando a la carga una seal lo ms senoidal posible.

En [7] se presenta una evaluacin de los inversores multinivel, obtenindose las principales ventajas y desventajas de cada uno excepto para el inversor multinivel de inversores en cascada (CMLI, por sus siglas en ingls). Se estudian tambin los efectos de las estrategias de modulacin sobre la tensin y corriente de salida, por otra parte, se desarrollan las ecuaciones para calcular la capacidad y los volts-amperes (VA) necesarios para los condensadores.

Asimismo, en [9] se presentan aplicaciones sin utilizar transformadores de aislamiento en donde se examina la aplicacin de un inversor multinivel de alta tensin en un compensador esttico sncrono en un sistema de 13.8 kV, tambin se presenta un mtodo para mantener la tensin en el bus de CD balanceada y se realizan los clculos de potencia a manejar por los interruptores principales, diodos de enclavamiento y condensadores. II.2.2 Aplicacin en convertidores

Otra aplicacin de los inversores multinivel corresponde a troceadores de alta tensin y a inversores alimentados en tensin en [10], tal como se ve en la figura I.3, en donde se aplica la tcnica multinivel a un convertidor reductor.

13


RL

L

C0

C1 C2

S1 S2 S3

+

Vcd

Figura II.3. Troceadores multinivel de alta tensin.

S2

S3

AVCD

S4

S1

Figura II.4. Conexin en serie de dispositivos.

Asimismo se realiza una comparacin al utilizar la conexin en serie de semiconductores en inversores y se presentan como alternativas las topologas multinivel de diodos de enclavamiento y la de condensadores flotantes. La figura II.4 muestra una conexin en serie de semiconductores la cual trata de resolver el problema de tensin en los dispositivos.

Los resultados obtenidos de la comparacin son: Conexin en serie de semiconductores Tensin compartida.- Es difcil conseguir, se debe conmutar exactamente en

sincronismo. Control.- Se requiere usar circuitos para compensar retardos en dispositivos. dv/dt.- El dv/dt total es la suma de los dv/dt individuales, induce ruido que puede ser

peligroso para circuitos de bajo nivel de tensin. Niveles de tensin.- Los interruptores en serie deben comportarse como un interruptor

simple. Espectro armnico.- La amplitud del armnico a la frecuencia de conmutacin es alta.

14


Inversores convencionales de 3 niveles (Diodos de enclavamiento)

Circuito.- Usa fuentes intermedias de tensin y diodos extras. Divisin de tensin.- Utiliza semiconductores conectados en serie. dv/dt.- Es bajo, pero si las conmutaciones de los interruptores ocurren al mismo

tiempo, el dv/dt puede ser alto. Niveles de tensin.- La principal ventaja de este circuito es que los diodos de

enclavamiento permiten el uso de semiconductores de baja tensin. Topologa.- El ms bsico de los inversores tiene dos fuentes de tensin obtenidas

usando dos condensadores cargados a Vcd/2. Si la corriente es unidireccional no es posible la operacin troceadora, ya que se desbalancean los condensadores.

Espectro armnico.- Permite una reduccin en la amplitud del armnico a la frecuencia de conmutacin.

Extensin a N interruptores.- El circuito se puede generalizar a un gran nmero de interruptores.

Celda de conmutacin multinivel verstil (Condensadores flotantes) Divisin de tensin.- La tensin a travs de los interruptores es impuesta por fuentes de

tensin Vcd y Vcd/2. La tensin a travs de cualquier interruptor en bloqueo es Vcd/2. dv/dt.- Los interruptores pueden controlarse en tiempos diferentes, lo cual permite

limitar el dv/dt. Niveles de tensin.- Los niveles de tensin entregados para esta celda de conmutacin

pueden ser 0, Vcd o Vcd/2.

En general los inversores multinivel tienen aplicaciones en compensacin de potencia y sus caractersticas ms notables son el bajo contenido armnico que se puede obtener, la baja tensin que soportan los dispositivos de potencia y la posibilidad de operar a baja frecuencia de conmutacin.

Se tienen registradas patentes por diferentes autores referentes a inversores multinivel y se encuentran en las siguientes reas: control de motores, troceadores de CD y en el rea de calidad de la energa se utilizan en filtros activos, acondicionadores, sistemas de transmisin flexible de CA (FACTS, por sus siglas en ingls) tambin se incluyen variantes de las topologas multinivel y de sus tcnicas de modulacin. Toda la informacin sobre patentes se puede encontrar en [11]. II.3 Inversor multinivel de diodos de enclavamiento (DCMLI)

La funcin principal de un inversor multinivel de diodos de enclavamiento es sintetizar una onda sinusoidal a partir de varios niveles de tensin, normalmente obtenida de condensadores que funcionan como fuentes de cd. Los condensadores utilizados se conectan en serie para dividir la tensin y de esta manera, los dispositivos de potencia operan con una tensin menor entre terminales.

15


II.3.1 Estructura monofsica

La figura II.5 muestra la topologa de diodos de enclavamiento, es un inversor de 3 niveles monofsico y es la primera topologa multinivel prctica que se utiliz y que an es estudiada. Esta estructura fue presentada por Nabae en 1980 [12].

La salida de tensin se obtiene conectando la carga entre los puntos A y B formando un

puente completo. Esta estructura puede extenderse a cualquier nmero de niveles; sin embargo, presenta como desventaja desbalances de tensin en el bus de cd.

S1

S2

S1'

S2'

S4

S5

S4'

S5'

A

V1

V2

V3

C2

C1

Vcd

0

B

Figura II.5. Inversor multinivel de 3 niveles monofsico.

S1

S2

S3

S1'

S2'

S3'

S4

S5

S6

S4'

S5'

S6'

A

V1

V2

V3

V4

C3

C2

C1

Vcd

0

B C

S7

S9

S8

S7'

S8'

S9'

Figura II.6. Inversor multinivel de 4 niveles trifsico.

16


II.3.2 Estructura trifsica

La figura II.6 muestra la versin trifsica para un inversor multinivel de diodos de enclavamiento de 4 niveles. El nmero de niveles se define como el nmero de escalones de tensin que se obtiene entre una salida monofsica, A, B o C y el nivel de tierra.

Este inversor puede conectarse en delta o estrella segn lo requiera la aplicacin, para la conexin en estrella el punto neutro debe colocarse en el punto medio del bus de cd. De manera similar al inversor monofsico mostrado en la figura II.5, este inversor trifsico puede generalizarse a cualquier nmero de niveles.

II.3.3 Caractersticas principales

Las caractersticas ms significativas y que describen a la estructura son las siguientes: a) El esfuerzo en tensin de los dispositivos se balancea con el nmero de niveles, ya que

la tensin que debe manejar cada dispositivo es menor. b) Debido a su principio de operacin los diodos de enclavamiento de sta pueden llegar a

manejar la tensin de ms de un nivel, aunque los interruptores principales slo manejen la tensin de un solo nivel. Lo anterior provoca que se tenga que utilizar la conexin en serie de diodos para repartir las tensiones.

c) Esta topologa utiliza, en su versin trifsica, un mismo banco de condensadores para

alimentar a las tres fases, lo cual hace que los condensadores deban ser de gran capacidad.

d) Los diodos de enclavamiento permiten fijar los niveles de tensin en la salida.

II.3.4 Anlisis de la topologa

Dentro del anlisis de la topologa se debe incluir alguna secuencia de conmutacin tal

que permita obtener a la salida las tensiones que se necesiten o que se desee estudiar. Debido a lo anterior y de acuerdo a lo mostrado en la figura II.7 en la tabla II.1 se muestra los distintos estados de conmutacin que permiten obtener los valores de tensin que proporciona el inversor multinivel de diodos de enclavamiento en una rama de 4 niveles. Cabe aclarar que para la versin trifsica, los valores de la tabla son los mismos, pero desfasados 120 para cada fase. El punto de referencia en las tensiones se toma como la parte negativa de la tensin de alimentacin de la rama, en este caso cero o tierra.

Tabla II.1. Niveles de tensin en la salida para un inversor de 4 niveles y sus estados de conmutacin. Estado de conmutacin Tensin de

salida Vout S1+ S2+ S3+ S1- S2- S3-

cdV 1 1 1 0 0 0

cd32 V 0 1 1 1 0 0

cd31 V 0 0 1 1 1 0

0 0 0 0 1 1 1

17


C2

C1

C3

0+

0-

+

-

S1-

S2-

S3-

S3+

S1+

S2+

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D8

D9

D12

D7

D10

D11

Vcd13

13

Vcd13

Vcd

Vout

Figura II.7. Diagrama de una rama de DCMLI. Con el fin de analizar el funcionamiento de esta topologa [13], se utilizar slo una

rama de un inversor de 4 niveles.

De la figura II.7 se puede ver que los niveles de tensin se obtienen por medio de la conexin en serie de los condensadores, los diodos de enclavamiento y las conmutaciones apropiadas de los interruptores.

Flujo de corriente en interruptores principales y diodos en antiparalelo

La figura II.8 muestra el sentido de la corriente cuando se presenta en la salida la tensin de alimentacin Vcd y cuando existe el negativo de la alimentacin. Por lo tanto, los diodos en antiparalelo deben tener las mismas especificaciones de corriente y tensin que los interruptores principales.

S3-

S1-

S 2-

io

S 3+

S1 +

S2+

io

D1

D2

D3

D4

D5

D6

Vout(+)Vcd

Vout (-)Vcd

a) b)

Figura II.8. Conduccin de los diodos en antiparalelo: a) Vout = Vcd y corriente negativa, b) Vout = 0 y

corriente positiva.

18


Tensiones en diodos de enclavamiento La figura II.9 muestra las tensiones en los diodos de enclavamiento para el diagrama de la figura II.4, al proporcionar las tensiones de Vcd, 2/3 Vcd, 1/3 Vcd y 0.

La figura II.9-a muestra la conexin para los diodos de enclavamiento al proporcionar el

inversor una tensin de salida de Vcd. D9 y D8 estn bloqueando 2/3 de Vcd por eso es necesario colocarlos en serie para dividir la tensin y que slo soporte cada uno 1/3 de Vcd, D7 maneja 1/3 de Vcd as como los dems.

Para obtener 2/3 Vcd los diodos estn conectados como muestra la figura II.9-b, los diodos D7, D10 y D11 conducen y su tensin es cero. D8, D12 y D9 bloquean 1/3 de Vcd.

Para proporcionar 1/3 Vcd los diodos D9, D8 y D12 conducen y su tensin es cero, D1, D10, D11 y D7 bloquean 1/3 de Vcd, tal como se muestra en la figura II.9-c.

Cuando se requiere el nivel de 0, los diodos D1, D2 y D3 bloquean Vcd y cada uno soporta 1/3 Vcd, D7 no se utiliza, D10 y D11 bloquean 2/3 Vcd; D12 maneja 1/3 de Vcd, y los diodos D8 y D9 tienen una tensin igual a cero entre terminales.

Gnd

Vout

D10 D11

D9 D8

D7

D12

D6

D5

D4

O+

O-

Vcd

a)

D1

D5

D6

D12

D9

D8

D7

D10 D11

Gnd

O+

O-

Vcd

Vout

b)

D1

D2

D7

D10 D11

D9 D8

D12

D6Gnd

O+

O-

Vcd

Vout

c)

D10

D11

D9 D8

D7

D12 D3

D2

D1

Gnd

O+

O-

Vcd

Vout

d)

Figura II.9. Conexin de diodos de enclavamiento para: a) Vout = Vcd,

b) Vout = 2/3 Vcd, c) Vout = 1/3 Vcd, d) Vout = 0.

19


Desbalance de tensiones en el bus de cd

Una manera de obtener los niveles de tensin al utilizar el inversor multinivel de diodos de enclavamiento es utilizar fuentes de cd, sin embargo, es una desventaja ya que aumenta considerablemente el costo del inversor.

Una solucin consiste en emplear una sola fuente de cd y dividir la tensin por medio

de condensadores conectados en serie, pero entonces se tiene el problema de desbalance de tensin en los condensadores del bus de cd y dado que los dispositivos semiconductores slo manejan la tensin presente en un condensador del bus, un desbalance de tensin entre los condensadores se torna crtico.

El balance de tensin entre los condensadores es muy importante, ya que el sistema de control supone que las tensiones estn correctamente divididas en el bus, y aunque una posible variacin de tensin en el valor de Vcd pueda ser compensada por el sistema de control, una variacin de tensin en los puntos O- y O+, tal como se muestra en la figura II.7, no podr ser corregida y sus efectos se reflejarn en la salida. Como resultado del desbalance de tensin algunos dispositivos semiconductores estarn manejando ms tensin que otros.

El balance de tensin en el bus de cd es un rea de investigacin abierta para

inversores multinivel de diodos de enclavamiento de ms de 3 niveles, principalmente se investigan tcnicas de control dedicadas a resolver este problema.

A continuacin se analiza el comportamiento de las tensiones y corrientes presentes en los condensadores del bus de cd.

La tabla II.2 muestra las posibles conexiones de la salida con base en las conmutaciones apropiadas de los dispositivos semiconductores de la figura II.7. En donde se observa que cuando la tensin de salida son los puntos de Vcd (+), o Vcd (-) la corriente de salida ya sea que se entregue a la carga o se regenere hacia el inversor, no afecta la tensin presente en los condensadores del bus de cd.

Sin embargo, cuando la conexin de la tensin de salida se hace a los puntos O+ o O-, la

corriente presente en la carga es suministrada por los condensadores provocando que se descarguen. Por lo tanto, si el inversor maneja solo energa activa los condensadores tendern a descargarse provocando desbalances de tensin en el bus de cd.

Debido a este problema se recomienda utilizar al inversor de diodos de enclavamiento

cuando se maneja energa reactiva, ya que es posible cargar y descargar los condensadores para mantener constante la tensin en el bus.

Tabla II.2. Efecto de Iout en las tensiones O+ y O- Condiciones de conmutacin Tensin de

salida Vout S1+ S2+ S3+ S1- S2- S3- Iout Vcd ON ON ON OFF OFF OFF No afecta O+ OFF ON ON ON OFF OFF Afecta O- OFF OFF ON ON ON OFF Afecta 0 OFF OFF OFF ON ON ON No afecta

20


Dentro de la literatura especializada se han propuesto diferentes soluciones para este problema, tales como:

a) uso de convertidores CD/CD [14] b) tcnicas de modulacin vectorial [15] c) rectificadores multinivel controlados [16]

De las soluciones anteriores, la primera no es prctica debido a que utiliza convertidores reductor y elevador para mantener regulada la tensin en el punto neutro. La tcnica de modulacin vectorial permite, por una parte, proporcionar la tensin de salida requerida por la funcin propia del inversor y adems realizar el balanceo de la tensin de los condensadores permitiendo as el uso de energa activa y reactiva por parte del inversor. Sin embargo, para inversores de ms de 4 niveles, esto es, tres condensadores en serie en el bus de cd, el balanceo de las tensiones se vuelve complicado y para niveles mayores este inversor no resulta prctico debido a la gran labor de clculo que es necesario realizar.

La mejor alternativa para un inversor con un nmero de niveles mayor a 4, consiste en la conexin de un sistema rectificador controlado, tal como se muestra en la figura II.10.

El funcionamiento es el siguiente: Un rectificador multinivel se encarga de proporcionar los niveles de tensin en el bus

de cd permitiendo un balanceo natural de tensiones; cuando se utiliza modulacin PWM en los dos convertidores se tiene que utilizar el mismo ndice de modulacin para los dos convertidores, no es posible el balanceo de tensiones si se utilizan diferentes ndices de modulacin debido a que la corriente promedio en los condensadores es diferente de cero [16].

Es posible utilizar otras tcnicas de modulacin para disminuir las prdidas por

conmutacin en los dispositivos semiconductores ya que en aplicaciones de alta potencia estas prdidas pueden ser considerables.

S3-

S2-

S1-

S3+

S1+

S2+

A'

C'B'

A

CB

C3

C2

C1

O-

O+

-

+

Figura II.10. Topologa de diodos de enclavamiento con rectificador controlado conectado

directamente.

21


El uso del rectificador multinivel tiene las siguientes ventajas:

a) Se obtiene el balance de la tensin en los condensadores b) Proporciona capacidad de correccin del factor de potencia (PFC por sus siglas en

ingls). c) Minimiza las prdidas por conmutacin y de esta manera aumenta la eficiencia del

convertidor. d) Permite operar desde condiciones iniciales de cero tensin y cero corriente.

Una condicin para realizar el balance de tensin en los condensadores con cualquier

estrategia de modulacin se presenta en [17], esta condicin se obtiene analizando las corrientes de la figura II.11 para un nmero finito o infinito de condensadores conectados en serie, y es la siguiente:

Los valores promedio de Ij, con j = 0,1,......n deben asumir los siguientes valores:

Cero con referencia a cada Ik, K = 1,...n-1 La corriente promedio del bus de cd, Icd , debe ser igual a la corriente promedio en la

conexin superior del bus de cd, In El negativo de la corriente promedio del bus de cd, Icd , debe ser igual a la corriente

promedio en la conexin inferior del bus de cd, I0

El primer punto es justificable dado que con el fin de balancear las tensiones de los condensadores, debe garantizarse que estas tensiones permanecern dentro de ciertos limites, esto es, la corriente promedio en cada condensador debe ser cero.

Para los otros dos puntos las corrientes promedio son:

cdn II = (II.1) 0III ncd1 ==n (II.2)

0IIII 1-nncd2 ==n (II.3) . .

0I...IIII 21-nncd1 == (II.4)

C1

Vcd

C2

Cn-3

Cn-2

Cn-1

Icd In

In-1

In-2

I1

I0

Figura II.11. Conexin en serie de un nmero finito o infinito de condensadores.

22


Finalmente aplicando LCK se tiene que:

0In

0kj =

= (II.5)

cdn0 III == (II.6) y aplicando (II.1) a (II.6) se llegan a las conclusiones para los dos ltimos puntos. II.3.5 Recomendaciones de diseo

En la implementacin de este tipo de inversor multinivel se puede seguir el siguiente proceso, ya que se necesita dimensionar los componentes segn la aplicacin y el nmero de niveles del inversor. Tensiones en diodos e IGBTs

Para las tensiones de los dispositivos semiconductores se debe tener un margen de seguridad para prevenir daos al equipo debido a transitorios de tensin que pudieran presentarse, en este caso se propone un valor de 80%.

Entonces, en los IGBTs la tensin colector emisor mxima estar dada por:

VCEMAX = 1.8 Vcd (II.7)

En donde Vcd es la tensin de un nivel de cd.

Para los diodos de enclavamiento se propone el mismo valor de tensin que para los IGBTs, sin embargo, como ya se revis anteriormente algunos diodos de enclavamiento soportan la tensin de ms de un nivel, por tanto, se hace necesario la conexin en serie para seguir manteniendo el margen de seguridad deseado. Clculo de los condensadores

Para calcular el tamao de los condensadores se debe considerar un rizo de tensin provocado por el desbalance de tensin en el bus de cd y tambin debe considerarse el factor de potencia a manejar por el inversor multinivel.

Los condensadores del bus de cd en un inversor tienen bsicamente dos funciones:

Limitar los picos de tensin en los dispositivos. Manejar los rizos de corriente fluyendo del lado de CD al de CA.

Debido al rizo de corriente de bajo orden (tercer armnico) en el punto neutro [18], se

puede variar el tamao de los condensadores. La figura II.12 muestra la regin sombreada en funcin del ngulo del factor de potencia y del ndice de modulacin, en esta regin es donde puede suprimirse el rizo de corriente y donde sigue funcionando el inversor adecuadamente.

23


Angulo del factor de potencia (deg)

Indi

ce d

e m

odul

aci

n m

100-100 0

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Figura II.12. Regin donde el rizo de baja frecuencia puede suprimirse.

Si se conoce el rizo de carga normalizada QNORM, la amplitud de la corriente de

fase Imax y el rizo de tensin en el punto neutro VCD_max, entonces la capacitancia para un rizo de tensin propuesto en el punto neutro y para cualquier ngulo de factor de potencia e ndice de modulacin m, puede calcularse de la siguiente manera:

CD_max

maxNORM

V2IQ

C = (II.8)

El rizo de carga normalizada depende del ndice de modulacin y del ngulo del factor

de potencia.

Otra aproximacin para obtener el tamao de los condensadores en la topologa de diodos de enclavamiento de tres niveles se tiene en la ecuacin (II.9). Se necesita conocer un rizo de carga, Qmax, y un rizo de tensin en el condensador para obtener el valor de capacitancia requerida como sigue:

nsinRizo_de_teQ

C max= (II.9)

Sin embargo, los requerimientos de capacitancia pueden variar dependiendo de la estrategia de modulacin empleada en la topologa multinivel.

24


II.3.6 Ventajas y desventajas de la topologa

Como una conclusin para esta topologa se presenta lo siguiente: Ventajas: 9 Cuando el nmero de niveles es suficientemente grande, el contenido armnico ser lo

suficientemente bajo como para evitar el uso de filtros en la salida del inversor. 9 Es posible conseguir una eficiencia alta ya que todos los dispositivos pueden ser

conmutados a la frecuencia de la fundamental. 9 El flujo de potencia reactiva puede ser controlado. Esto es, utilizar la energa reactiva

para cargar y descargar los condensadores del bus de cd permitiendo controlar su tensin.

9 El mtodo de control es simple para un sistema multinivel rectificador-inversor. El objetivo es utilizar un convertidor CA/CD multinivel para proporcionar las tensiones en los condensadores del bus de cd, sin embargo, el nmero de dispositivos semiconductores se incrementan.

Desventajas: Se requiere un nmero excesivo de diodos de enclavamiento cuando el nmero de

niveles es alto. Lo anterior se produce debido a que los diodos de enclavamiento manejan tensiones iguales o mayores a un nivel, y cuando son mayores a un nivel se tienen que conectar en serie para dividir la cada de tensin de manera equitativa. Cuando el nmero de niveles es suficientemente alto, el nmero de diodos requeridos har al sistema costoso, e imprctico para implementar.

Es difcil obtener el control del flujo de potencia real para inversores individuales. Debido a que al manejar energa activa slo se obtiene energa de los condensadores, estos tienden a descargarse, provocando un desbalance de tensin en el bus de cd.

II.4 Inversor multinivel de condensadores flotantes (FCMLI)

Este tipo de topologa se propuso en 1992 [10], y se considera la alternativa ms cercana de la topologa de diodos de enclavamiento. Para este tipo de inversor multinivel, la salida puede expresarse como las posibles combinaciones de conexin de los condensadores de los que se compone, su estructura es parecida al DCMLI pero utiliza condensadores en lugar de diodos para establecer los niveles de tensin. II.4.1 Estructura monofsica

La estructura para la versin monofsica es la que se muestra en la figura II.13, en donde se observa que no necesita de diodos extra para proporcionar los niveles de tensin.

25


Sa2-

Sa1-

Vcd

C2 C1

12 Vcd

Sa2+

Sa1+

A

Figura II.13. Inversor multinivel de condensadores flotantes de 3 niveles.

Sa3-

Sa2-

Sa1-

Vcd

C3

23 Vcd

C2 C1

13 Vcd

Sa3+

Sa1+

Sa2+

Sb3-

Sb2-

Sb1-

23 Vcd

C5 C4

13 Vcd

Sb3+

Sb1+

Sb2+

Sc3-

Sc2-

Sc1-

23 Vcd

C7 C6

13 Vcd

Sc3+

Sc1+

Sc2+

A B C

Figura II.14. Inversor multinivel de 4 niveles trifsico.

II.4.2 Estructura trifsica

La figura II.14 muestra un inversor de 4 niveles trifsico. Por medio de las conmutaciones adecuadas se proporciona a la salida la tensin presente en los condensadores, y la carga es conectada en delta o estrella entre los puntos A, B y C.

La ventaja ms importante de esta topologa es que no necesita los diodos de enclavamiento presentes en la anterior topologa. Esta topologa limita de manera natural los dV/dt de los dispositivos e introduce ms estados de conmutacin que pueden ser usados para mantener balanceada la carga de los condensadores. A diferencia de la topologa de diodos, tiene condensadores individuales por fase, lo cual permite controlar cada fase por separado.

26


II.4.3 Caractersticas principales Las caractersticas ms importantes para la topologa de condensadores flotantes son las siguientes: a) Los condensadores ven un rizo de corriente a la frecuencia fundamental, o a una

mayor, dependiendo de la estrategia de modulacin. b) El arranque es ms complejo que la topologa DCMLI. Debido a su misma estructura,

esta topologa presenta el inconveniente de necesitar cargar previamente los condensadores antes de empezar a operar como inversor, lo anterior implica una posible secuencia de arranque [8] o utilizar algn sistema externo para monitorear la carga de los condensadores y mantenerlos a la tensin deseada.

c) El esfuerzo en tensin de los dispositivos se balancea con el nmero de niveles. Al

aumentar el nmero de niveles la tensin que debe manejar cada dispositivo es menor. d) Proporciona diferentes combinaciones de conmutacin en los dispositivos para una

misma tensin de salida, permitiendo tener flexibilidad para mantener la carga en los condensadores.

II.4.4 Anlisis de la topologa

Para analizar el funcionamiento de esta topologa, slo se tomar una fase basndose en la figura II.15.

La tabla II.3 proporciona los estados de conmutacin para los diferentes niveles de

tensin que proporciona el inversor multinivel y se observa la flexibilidad caracterstica de este tipo de inversor multinivel en donde para una misma tensin en la salida, se obtienen diferentes estados de conmutacin. La cantidad de estados de conmutacin redundantes aumenta conforme aumenta el nmero de niveles del inversor multinivel.

Tabla II.3. Niveles de tensin de salida para FCMLI de 4 niveles y sus estados de conmutacin Estado de conmutacin Tensin de

salida Vout S1+ S2+ S3+ S1- S2- S3-

cdV 1 1 1 0 0 0

cdV32 1 1 0 0 0 1

cdV32 0 1 1 1 0 0

cdV31 0 0 1 1 1 0

cdV31 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1

27


Vout

S3-

S2-

S1-

Vcd

C3

23 Vcd

C2 C1

13 Vcd

S3+

S1+

S2+

D1

D2

D3

D4

D5

D6

Figura II.15. Diagrama de una rama de FCMLI.

S3-S1- S2-

Vout

S2+ S3+S1+

Vcd

C323 Vcd

C2 C113 Vcd

D1 D2 D3

D6 D5 D4+ + +

Figura II.16. Diagrama de una rama de FCMLI modificada.

La principal caracterstica de la topologa de condensadores es la variedad de estados de conmutacin para una tensin de salida en especial. Esta capacidad de estados redundantes, aumenta al incrementarse el nmero de niveles y permite una gran flexibilidad tanto para manejar la tensin de salida como para mantener la carga en los condensadores. Corriente en interruptores principales y condensadores flotantes

Reacomodando la figura II.15 se obtiene el esquema de la figura II.6, en donde se observa lo que ocurre cuando conmutan los interruptores principales, la conmutacin apropiada produce una conexin en serie de condensadores obtenindose la tensin requerida de salida Vout. La figura II.17 muestra el flujo de corriente en los semiconductores para diferentes tensiones de salida y se puede explicar de la siguiente manera:

28


Vout = Vcd, Io >0 La figura II.17-a muestra el circuito equivalente durante esta operacin. La corriente de salida io = i+o es positiva entregndose a la carga, conducen S1+, S2+ y S3+ entregando energa C3.

Vout = Vcd, Io 0 La figura II.17-g muestra el circuito equivalente durante esta operacin. La corriente de salida io = i+o es positiva entregndose a la carga, conducen D4, D5, D6.

Vout =0, Io


i-o

Vout

S2+S1+ Vcd

C323 Vcd

C213 Vcd

+++ S3+C1

D1 D2 D3

Vout

S2+S1+

Vcd

C323 Vcd

C2 C113 Vcd

D1 D2

+ + +S3+

D3

i+o

a) b)

c)

d)

Vout

C1 13 Vcd

+S1+

D1

S2+

D2

S3-

D4 Vcd

C3+23 Vcd

C2+ i+o

i-o

Vout

C113 Vcd

+S2+

D2

VcdC3+

23 Vcd

C2+ i-o

i+oS1-

D6

S3+

D3

Vout

C1 13 Vcd

+S1+

D1

S3-

D4 Vcd

C3+ 23 Vcd

C2+ i+o

i-oS2+

D5 VoutC11

3 Vcd+ Vcd

C3+ 23 Vcd

C2+ i-o

i+oS1-

D6

S3+

D3

S2-

D5

e) f)

g)

h)

Vout

C113Vcd

+ VcdC3+ 2

3 Vcd

C2+ i+o

i-oS1-

D6

S2-

D5

S3-

D4 Vout

C113Vcd

+ VcdC3+ 2

3 Vcd

C2+

i-oS1-

D6

S2-

D5

S3-

D4

Figura II.17. Tensiones de salida para el inversor FCMLI: a) Vout = Vcd, b) Vout = Vcd, c) Vout = 2/3Vcd, d) Vout = 2/3Vcd, e) Vout = 1/3Vcd, f) Vout = 1/3Vcd, g) Vout = 0 y h) Vout = 0.

30


II.4.5 Recomendaciones de diseo

La tensin a manejar por los IGBTs es igual al caso de la topologa de diodos de enclavamiento, por lo que se mantiene el mismo criterio. Para calcular el tamao de los condensadores se puede seguir el mtodo utilizado en la topologa de diodos de enclavamiento basndose en la carga y en un rizo de tensin deseado. II.4.6 ventajas y desventajas de la topologa

A continuacin se muestran las principales ventajas y desventajas que presenta la topologa de condensadores flotantes. Ventajas: 9 Una gran cantidad de condensadores de almacenamiento proporcionan capacidad extra

de energa. 9 Proporciona combinaciones extra de conmutacin para balancear los niveles de

tensin. Esto tambin es utilizado para balancear las prdidas por conmutacin o por conduccin de los dispositivos semiconductores.

9 Cuando el nmero de niveles es alto, el contenido armnico ser suficientemente bajo como para utilizar un filtro de salida.

9 La eficiencia es alta debido a que es posible conseguir conmutaciones en los dispositivos a la frecuencia fundamental.

9 Ambas potencias, real y reactiva, pueden ser controladas, haciendo al inversor un posible candidato para transmisin en HVDC.

Desventajas: Se necesita un nmero excesivo de condensadores cuando el nmero de niveles es alto,

son difciles de implementar y ms caros cuando requieren condensadores voluminosos. El control del inversor es complicado, ya que se necesita controlar la tensin de los

condensadores y adems realizar la funcin de inversor como tal. Debido a lo anterior la frecuencia de conmutacin y las prdidas por conmutacin sern altas.

II.5 Inversor multinivel de inversores en cascada (CMLI)

Esta topologa realiza la misma funcin que las anteriores, genera una tensin senoidal a partir de distintas fuentes de CD y su estructura se basa en la conexin en cascada de inversores puente completo [19]. Este tipo de configuracin es muy utilizada en aplicaciones en fuentes de CA y variadores de velocidad. II.5.1 Estructura monofsica

La figura II.18. muestra la configuracin para un sistema monofsico de m niveles.

31


S1

S1'

S2

S2'

S1

S1'

S2

S2'

V2

Vs-1 Vcds-1

Vcd2

A

N

S1

S1'

S2

S2'

Vs Vcds

A

S1

S1'

S2

S2'

V1 Vcd1

Figura II.18. Estructura monofsica para el inversor multinivel de inversores en cascada.

Este tipo de inversor puede evitar el uso de diodos de enclavamiento o condensadores

de balanceo de tensin. Tambin, se puede obtener una mnima distorsin armnica al controlar los ngulos de disparo de los diferentes niveles de tensin.

La figura II.19 muestra las posibles opciones de implementacin dependiendo de la

aplicacin del inversor multinivel.

La figura II.19-a, corresponde a la aplicacin en accionadores para motores, con la alimentacin de tensin suministrada por una fase y se tienen fuentes de cd implementadas con rectificadores.

La figura II.19-b corresponde a una aplicacin en compensadores de potencia y en donde slo son utilizados condensadores, los cuales se cargan y se descargan utilizando los mismos inversores puente completo [20].

32


S1

S1'

S2

S2'

S3

S3'

S4

S4'

S5

S5'

S6

S6'

C1

A

N

C2

C3

S1

S1'

S2

S2'

S3

S3'

S4

S4'

S5

S5'

S6

S6'

C1

A

N

C2

C3

Va

a) b)

Figura II.19. Estructura monofsica de inversores en cascada de 7 niveles: a) para accionadores elctricos, b) para compensadores.

Las configuraciones de la figura II.19, muestran una fuente de cd por cada inversor del

mismo valor de tensin, sin embargo, es posible emplear distintos valores de tensin de alimentacin en los inversores individuales. Configuracin hbrida

La configuracin hbrida de los inversores en cascada se presenta en [21] y se refiere a la utilizacin de tiristores en la construccin del inversor, figura II.20. Con el objetivo de manejar tcnicas de modulacin PWM y al mismo tiempo grandes tensiones, los tiristores conmutan a la frecuencia de la fundamental, esto es, una conmutacin por perodo.

Los IGBTs u otros dispositivos ms rpidos que los tiristores se encargan de conmutar a la frecuencia de la portadora en la tcnica PWM, consiguiendo un buen desempeo armnico y al mismo tiempo evitar grandes dV/dt en los dispositivos que conmutan a una frecuencia ms elevada.

La figura II.20 muestra que el inversor compuesto por tiristores maneja el doble de tensin o ms que el inversor inferior, el cual puede estar utilizando IGBTs, o transistores de potencia.

33


S1

S1'

S2

S2'

S3

S3'

S4

S4'

Va2

Va3 2Vcd

Vcd

A

N Figura II.20. Estructura monofsica hbrida de inversores en cascada

La razn de que se emplee esta estructura radica en utilizar en conjunto la gran

capacidad de bloqueo de los tiristores apagados por compuerta (GTOs, por sus siglas en ingls), junto con la velocidad de los IGBTs.

Con esta estrategia de modulacin, el espectro armnico en salida depende de las conmutaciones de los IGBTs, mientras que la capacidad de tensin est determinada por la capacidad de los GTOs. Independientemente del tipo de estructura multinivel de inversores en cascada utilizado, es posible su utilizacin en sistemas trifsicos.

Las tensiones de salida para el inversor de la figura II.20 se forman con la suma de las

tensiones que proporcionan los inversores de GTOs y de IGBTs. La tabla II.4 muestra los valores de tensin para los dos tipos de inversores y la tensin de salida.

Tabla II.4. Niveles de tensin en la salida para inversor hbrido de 5 niveles.

Salida de tensin Inversor de GTOs Inversor de IGBTs 3 Vcd y 2 Vcd 2 Vcd 0 Vcd 2 Vcd y Vcd 2 Vcd 0 -Vcd

Vcd y 0 0 0 Vcd -Vcd y 0 0 0 -Vcd

-2 Vcd y -Vcd -2 Vcd 0 Vcd -3 Vcd y -2Vcd -2 Vcd 0 -Vcd

II.5.2 Estructura trifsica La figura II.21 muestra la conexin trifsica para un inversor en cascada de 5 niveles, el esquema muestra las conexiones para las fases A, B y C, y la conexin del neutro.

34


S1

S1'

S2

S2'

S3

S3'

S4

S4'

Va1

Va2 Vcd

Vcd

A

S1

S1'

S2

S2'

S3

S3'

S4

S4'

Vc1

Vc2 Vcd

Vcd

C

S1

S1'

S2

S2'

S3

S3'

S4

S4'

Vb1

Vb2 Vcd

Vcd

B

N Figura II.21. Inversor multinivel de inversores en cascada trifsico de 5 niveles.

II.5.3. Caractersticas principales

A continuacin se listan las principales caractersticas de la topologa de inversor multinivel de inversores en cascada. a) La tensin de fase es la suma de las tensiones de salida de los inversores puente

completo individuales. b) Gran flexibilidad para poder incrementar el nmero de niveles, ya que slo se necesita

agregar inversores sin tener que redisear la etapa de potencia. c) Conforme aumenta el nmero de niveles, la tensin que soportan los dispositivos

semiconductores disminuye, debido a que cada inversor maneja solo la tensin presente en su fuente de alimentacin.

d) Es posible balancear las prdidas por conmutacin, ya que dependiendo del nmero de

niveles es posible que diferentes conexiones de inversores puente completo proporcionen la misma tensin en la salida del inversor multinivel.

Siendo uno de los objetivos de la presente tesis la asimilacin de la tecnologa

multinivel se revisar el funcionamiento, realizndose un anlisis de la topologa, para asimilar el funcionamiento y las caractersticas aprovechables de la misma y que sirvan para alcanzar los objetivos planteados en el captulo anterior. II.5.4. Anlisis de la topologa

En esta topologa el nmero de niveles, m, se define en funcin del nmero de fuentes de cd, s, de la siguiente manera:

m = 2s+1 (II.10)

La tensin en la salida se obtiene por medio de la suma de las tensiones que cada inversor individual proporciona, entonces la tensin de fase VAN se puede expresar como:

s1)(s21AN VV.......VVV ++++= (II.11) 35


Por otro lado, las tensiones de cada inversor individual no tienen por que ser del mismo valor, sin embargo en este trabajo s se consideran as. En el captulo III se analiza lo que sucede con la tensin de salida si se utilizan valores de cd diferentes en los niveles de tensin.

Para convertidores CD-CA, el inversor en cascada necesita fuentes CD separadas. La

estructura de fuentes separadas es recomendable para varias fuentes de energa tales como:

generadores de energa fotovoltaica bateras biomasa

Sin embargo, tambin es utilizado en aplicaciones, en donde la fuente de energa se

obtiene a travs de la lnea de CA comercial. El inversor de la figura II.21 presenta 5 niveles de tensin en cada salida, A, B, o C.

Cada inversor puente completo proporciona +Vcd, 0, y Vcd, y debido a la topologa estas tensiones se suman proporcionando la tensin de salida sintetizada en escalones.

Para revisar lo que sucede con tensiones y corrientes, se revisar el funcionamiento de

un inversor de 7 niveles, esto es, tres inversores puente completo conectados en cascada. Debido a que este inversor se puede analizar como inversores individuales, slo se analizar el funcionamiento para una fase.

La secuencia de conmutacin necesaria para obtener los diferentes niveles de tensin de la figura II.22 se muestran en la tabla II.5. En esta estructura multinivel existen estados de conmutacin que proporcionan la misma tensin de salida, permitiendo equilibrar las prdidas por conmutacin en los dispositivos semiconductores.

Tabla II.5. Niveles de tensin en la salida para inversor de 7 niveles y sus estados de conmutacin

Estado de conmutacin Vout S1+ S2+ S3+ S4+ S5+ S6+ S1- S2- S3- S4- S5- S6-

+3Vcd 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1

+2Vcd 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1

+Vcd 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

-V cd 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0

-2Vcd 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0

-3Vcd 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0

Flujo de corriente en interruptores principales y diodos en antiparalelo

Las tensiones que manejan los interruptores es la de alimentacin de cada inversor individual, y la corriente es la que demanda la carga, por lo tanto los interruptores y diodos en antiparalelo se dimensionan para manejar la tensin de un solo inversor y la corriente de la carga.

36


Para analizar la estructura slo se presenta un estado de conmutacin para cada tensin posible en la salida, existen otras combinaciones de conmutaciones de los dispositivos semiconductores que proporcionan la misma tensin en la salida del inversor multinivel pero el comportamiento es el mismo.

La figura II.22 describe la operacin del inversor multinivel para obtener en la salida

una tensin de 3 Vcd.

Io >0

Cuando la corriente es positiva, circula por: S1, S2, S3, S4, S5, S6 y las fuentes de cd entregan potencia.

Io


a)

Figura II.23. Corrientes en inversor de 7 niveles: a) Vout =2 Vcd y b) Vout = Vcd. a figura II.23-a describe la operacin del inversor multinivel para obtener en la salida

una ten

Io >0

Cuando la corriente es positiva, circula por: diodo en antiparalelo de S1, los interru

Io


Io >0

Cuando la corriente es positiva, circula por: diodos en antiparalelo de S3, S5, los interru

Io


or mxima dada por:

Para los diodos de enclavamiento se propone el mismo valor de tensin que para los IGBTs. En capacidad de corriente, orriente de fase, por lo tanto se deben dimensionar tomando en cuenta la carga a manejar

por el

Para la mayora de las aplicaciones donde se requiere una buena respuesta dinmica, rferencia electromagntica esta topologa

s la ms apropiada.

9 Requiere la menor cantidad de componentes entre todos los inversores multinivel para ener el mismo nmero de niveles de tensin. Lo anterior implica que cuando se

necesita incrementar el nmero de niveles no se tiene que incluir ms diodos o

9

tura. No es necesario redisear la etapa de potencia y solo se tienen que realizar conexiones entre inversores puente completo individuales.

9

esventajas:

Necesita fuentes de cd separadas. Cada inversor en cada rama del inversor multinivel

alimentar con una fuente independiente de cd.

proporciona, y en [22] y [23] se muestran posibles soluciones para la desventaja que presenta.

II.6 Ap

Los inversores multinivel son utilizados principalmente en fuentes de CA, adores para motores elctricos, etc.

de 1000 V (variadores de velocidad, troceadores a

lta frecuencia).

Entonces, un inversor puente completo con una fuente de alimentacin de valor Vcd, utilizar IGBTs que manejan una tensin colector emis

VCEMAX = 1.8 Vcd (II.18)

los dispositivos semiconductores deben soportar la c

inversor multinivel. II.5.6 Ventajas y desventajas de la topologa

bajo contenido armnico, alta eficiencia y baja intee

Ventajas:

obt

condensadores extra.

Se puede lograr un circuito impreso y construccin modular debido a que cada nivel tiene la misma estruc

Los dispositivos semiconductores manejan solo la tensin presente en una fuente cd.

D

se debe

Como se puede observar, de las topologas multinivel es la que ms ventajas

licaciones de los inversores multinivel

compensadores de potencia activa y reactiva, accion En general, los campos de aplicacin estn definidos con respecto a la potencia y a la

tecnologa de semiconductores a utilizar: inversores con GTO arriba de 3kV (traccin, induccin, calentamiento)

inversores con IGBT y MOSFET desa

40


Por su estructura, los inversores multinivel son la mejor opcin para aplicaciones de y alta tensin, demedia bido a la manera en que se distribuye la tensin en los dispositivos

miconductores, las bajas prdidas por conmutacin y el mnimo de contenido armnico en la tensin

Enclavamiento Flotantes Cascada LI

se de salida. Las diferentes aplicaciones para los inversores multinivel se muestran en la

tabla II.6. Tabla II.6. Aplicaciones de los inversores multinivel.

Diodos de Condensadores Inversores en

DCMLI FCMLI CM

STATCOM (Series Static VAR Comp ASD (Adjustable Speed

tic Synchronous

VSI Troceadores de Alta Tensin

Power Line

STATCASD VSI

ensator)

Drive) FACTS (Flexible AC Transmision System) SSC (StaCompensator)

PLC (Conditioner)

OM

PLC

II.7 Comparacin

Existe inters en aplicar los inversores multinivel en el rea de calidad de la energa e filtro activo, esto es como fuente controlada de potencia activa o

activa con el objetivo de realizar compensacin de tensin.

miento de las tres topologas existentes es necesario hacer una comparacin y encontrar la ms adecuada para su utilizacin como f

anejar energa activa y reactiva. n la salida. Funcionamiento del control o tcnica de modulacin en particular.

ad de tcnicas de

modulacin que es posible utilizar en inversores multinivel. Dentro de los resultados se cluyen otros tpicos de inters que pueden ser de utilidad en el caso de tener que

selecci

La comparacin se basa en revisar los esfuerzos en corriente y tensin presentes en los ntes topologas multinivel, la cantidad de dispositivos

miconductores necesarios para obtener determinado nmero de niveles de tensin en la salida.

implementarlo comore

Las ventajas de los inversores multinivel sobre los inversores convencionales se deben a

su estructura, sin embargo debido al diferente funciona

iltro activo. Los principales puntos de inters en la comparacin son:

MFlexibilidad para proporcionar una determinada tensin e

El ltimo punto se analiza en el siguiente captulo, debido a la cantid

inonar una topologa para una aplicacin en particular.

II.8 Resultados de la comparacin

interruptores de potencia de las diferese

Los resultados para las topologas monofsicas se presentan en la tabla II.7, en donde n es nmero de niveles.

41


Tabla II.7. Resultados de la comparativa Parmetro Diodos de Condensadores Inversores en

Enclavamiento Flotantes Cascada CMLI DCMLI FCMLI

Interruptores (n-1)2 (n-1)2 (n-1)2 (n-1)2 (n-1)2 (n-1)2

enclavamiento0

Condensadores del bus de cd

(n-1) (n-1) (n-1)/2

Condensadores de 0 (n-1)(n-2)/2 balanceo

0

EMI Baja Baja Baja

dV/dt Baja Baja Baja

los diod

manejar Energa Reactiva

Apropiado para manejar Energa Activa

No Si Si

Flexibilidad para nivel

Baja Alta Media proporcionar un de tensin Modularizacin Complicada Complicada S encillaTransformador de salida

Si Si Se puede evitar

II.9 Co

Diodos Diodos de

(n-1)(n-2) 0

Tensin que bloquean os

1 Nivel 1 Nivel 1 Nivel Apropiado para Si Si Si

nclusiones

Se han analizado las topologas de inversores multinivel, considerndose principalmente aciones de filtros activos, y se tiene que:

9

9 Proporciona la mayor cantidad de niveles de tensin en relacin con los dispositivos

9 Tiene variedad de estados de conmutacin para una misma tensin en la salida.

9 Utiliza una tcnica de modulacin tal que permite elevar la frecuencia del rizo en la

sus ventajas en aplic

Se selecciona la topologa de inversores en cascada (CMLI) para la implementacin de un prototipo de inversor multinivel.

La topologa fue seleccionada debido a que presenta las siguientes ventajas:

semiconductores requeridos para su implementacin. 9 No presenta problemas de balanceo de tensin en los condensadores.

salida del inversor a una mayor que la frecuencia de conmutacin.

42


Para la evaluacin de la topologa seleccionada se construy un inversor multinivel de 7 nivprxim

se estudian nuevas tcnicas de modulacin o esquemas de control. La incipal rea de investigacin en las topologas de diodos de enclavamiento y de

conden

eles, el anlisis de las tcnicas de modulacin y el diseo del inversor se presentan en los os captulos.

Actualmente, las topologas multinivel an son estudiadas, se proponen variantes a las estructuras bsicas ypr

sadores flotantes es el balanceo de tensiones en el bus de cd, mientras que para la topologa de inversores en cascada el principal objetivo es reducir el nmero de fuentes de cd que necesita.

43


44

CAPTULO III

TCNICAS DE MODULACIN

En el presente captulo se muestra la revisin de las diferentes tcnicas de modulacin

aplicables a inversores multinivel. La importancia de este tema radica en que una gran parte del desempeo de un inversor se debe a la tcnica de modulacin utilizada y por eso es importante su estudio. Se presentan las ventajas y desventajas de cada tcnica de modulacin y se presenta la tcnica a imp

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