S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO cenidet ANÁLISIS Y DESARROLLO DE UN INVERSOR MULTINIVEL T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA P R E S E N T A: ING. ERNESTO BÁRCENAS BÁRCENAS DIRECTORES DE TESIS DR. RODOLFO ECHAVARRÍA SOLÍS M.C. SINUHÉ RAMÍREZ GUERRERO CUERNAVACA, MORELOS DICIEMBRE 00
Agradecimientos A mis hermanos, mi mamá y mi papá, por darme la motivación que siempre necesité ya que son los mejores modelos de trabajo que puedo seguir. A mis asesores Dr. Rodolfo Echavarría Solís y M.C. Sinuhé Ramírez Guerrero por sus consejos y su apoyo. A los revisores de tesis por sus comentarios y acertadas sugerencias: Dr. Víctor Manuel Cárdenas Galindo, Dr. Abraham Claudio Sánchez y M.C. José Antonio Hoyo Montaño. A mis compañeros de generación: el chivo, la lacrota, el mosh, el tona, josuelazo, el panzón, la yocuela y su otra parte; por todos los buenos ratos que pasamos juntos. A Nancy y Sinuhé por tratar de hacerme más sociable (es inútil). A todo el personal de Cenidet que ha hecho amena mi estancia en el centro de investigación. A CONACyT y a la SEP, por proporcionar los medios económicos para realizar los estudios de Maestría.
ÍNDICE RESUMEN... XIII CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN I. Calidad de la energía... I. Convertidores de potencia... I.3 Inversores... I.3. Inversor medio puente... I.3. Inversor puente completo... 3 I.3.3 Aplicaciones... 4 I.3.4 Dispositivos semiconductores de potencia... 4 I.3.5 Técnicas de modulación... 4 I.3.6 Pérdidas por conmutación en inversores convencionales... 8 I.4 Planteamiento del problema... 9 I.5 Objetivo... 9 I.6 Aportaciones... 0 CAPÍTULO II INVERSORES MULTINIVEL II. Introducción... II. Estado del arte... II.. Aplicación en compensadores... II.. Aplicación en convertidores... 3 II.3 Inversor multinivel de diodos de enclavamiento (DCMLI)... 5 II.3. Estructura monofásica... 6 II.3. Estructura trifásica... 7 II.3.3 Características principales... 7 II.3.4 Análisis de la topología... 7 II.3.5 Recomendaciones de diseño... 3 II.3.6 Ventajas y desventajas de la topología... 5 II.4 Inversor multinivel de condensadores flotantes (FCMLI)... 5 IX
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel II.4. Estructura monofásica... 5 II.4. Estructura trifásica... 6 II.4.3 Características principales... 7 II.4.4 Análisis de la topología... 7 II.4.5 Recomendaciones de diseño... 3 II.4.6 Ventajas y desventajas de la topología... 3 II.5 Inversor multinivel de inversores en cascada(cmli)... 3 II.5. Estructura monofásica... 3 II.5. Estructura trifásica... 34 II.5.3 Características principales... 35 II.5.4 Análisis de la topología... 35 II.5.5 Recomendaciones de diseño... 39 II.5.6 Ventajas y desventajas de la topología... 40 II.6 Aplicaciones de los inversores multinivel... 40 II.7 Comparación... 4 II.8 Resultados de la comparación... 4 II.9 Conclusiones... 4 CAPÍTULO III TÉCNICAS DE MODULACIÓN III. Introducción... 45 III. Técnica de frecuencia fundamental... 46 III.. Optimización de los ángulos de disparo... 47 III.. Optimización de la altura de los escalones... 49 III.3 Técnica PWM vectorial... 50 III.4 Técnicas PWM multiportadoras... 54 III.4. Técnica PSPWM multiportadora... 56 III.4. Técnica CDPWM multiportadora... 58 III.5 Técnica PWM programado... 60 III.6 Conclusiones... 6 CAPÍTULO IV DISEÑO DEL INVERSOR IV. Síntesis de la etapa de potencia... 65 IV.. Requerimientos del CMLI... 66 IV.. Fuentes de alimentación... 66 IV..3 Módulos de inversores puente completo... 67 IV..4 Filtro de salida... 70 IV. Tarjetas de tiempo muerto... 7 IV.. Tiempo muerto... 7 IV.3 Diseño de la etapa de potencia... 73 IV.4 Etapa de control... 77 IV.4. Requerimientos... 77 IV.4. Generación de señales... 78 CAPÍTULO V RESULTADOS DE SIMULACIÓN Y EXPERIMENTALES V. Introducción... 8 X
Índice V. Resultados de simulación... 8 V.. Simulación con carga resistiva... 8 V.. Simulación con carga resistiva-inductiva... 84 V..3 Simulación a frecuencias superiores a 3 khz... 85 V..4 Reproducción de señales... 86 V.3 Resultados experimentales... 89 V.3. Pruebas con carga resistiva... 89 V.3. 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 Inyección de armónicos... 99 V.4 Conclusiones... 03 CAPÍTULO VI CONCLUSIONES VI. Conclusiones del trabajo desarrollado... 05 VI. Trabajos futuros... 06 VI.3 Publicaciones generadas... 07 APÉNDICE BIBLIOGRAFÍA... 09 APÉNDICE LISTA DE SÍMBOLOS... 3 APÉNDICE 3 DIAGRAMAS DE CIRCUITOS... 5 APÉNDICE 4 CIRCUITOS DE SIMULACIÓN... 7 APÉNDICE 5 PROGRAMAS... 9 XI
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel XII
RESUMEN El empleo de convertidores electrónicos de potencia CD/CA en el área de calidad de la energía es de gran importancia, ya que por medio de ellos se realiza la función de corregir los defectos existentes en la línea de distribución. Sin embargo, los convertidores convencionales presentan la limitante para este tipo de aplicaciones de un alto contenido armónico en la tensión de salida, siendo necesario estudiar alternativas de convertidores para la aplicación en el área de calidad de la energía. Una alternativa para los convertidores CD/CA convencionales se encuentra en las topologías multinivel. Su principal característica es la de sintetizar la tensión de salida en escalones de tensión de manera que los dispositivos semiconductores solo manejan el valor de tensión de un escalón. Asimismo, el bajo contenido armónico que presentan en la salida y las mínimas perdidas por conmutación que se pueden conseguir hace de las topologías multinivel una excelente opción en la conversión CD/CA. En el capítulo I se presenta una revisión de las características de los inversores convencionales, una evaluación del estado del arte de los inversores multinivel y sus áreas de aplicación. En el capítulo II se analizan las tres topologías multinivel existentes, realizando una comparación entre ellas para determinar la que presenta mas ventajas para su aplicación en el área de calidad de la energía al utilizarse como filtro activo. En el capítulo III se realiza una evaluación de las técnicas de modulación aplicables a inversores multinivel, el objetivo es determinar la técnica de modulación que mas ventajas presenta en la implementación de un filtro activo con el inversor multinivel seleccionado. En el capítulo IV se presenta el diseño del inversor multinivel implementado. El capítulo V presenta los resultados obtenidos en las pruebas realizadas al prototipo construido. En el capítulo VI se muestran las conclusiones del tema de investigación y las sugerencias para trabajos futuros utilizando inversores multinivel. XIII
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel XIV
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN El presente capítulo muestra una breve introducción al tema de calidad de la energía; se realiza una revisión de los diferentes tipos de convertidores de potencia, enfocándose en los convertidores de corriente directa a corriente alterna (convertidor CD/CA), analizando sus principales características. I. Calidad de la energía La energía eléctrica es de vital importancia debido a que en el mundo existen cada vez más equipos y sistemas que dependen de la electricidad como fuente de energía []. Por otro lado, existen equipos que requieren de una buena calidad y seguridad en el suministro eléctrico. Actualmente, dentro de las necesidades de la industria se encuentra el contar con sistemas que alimenten cargas cada vez más complejas o críticas y que permitan un manejo adecuado de la energía eléctrica, así como un mejor aprovechamiento de la misma. Las cargas presentes en la industria son de naturaleza muy variada, desde motores eléctricos, hasta computadoras. Debido a lo anterior, y por lo importante que resulta para la industria actual el manejo adecuado de la energía eléctrica, es necesario estudiar o buscar la mejor manera de entregar de forma confiable y eficiente esta energía a las diferentes cargas, mejorar su distribución y su consumo. Debido a que un equipo conectado a la red eléctrica queda interconectado con otros sistemas, cualquier disturbio presente en la misma afecta de manera directa o indirecta a las demás cargas conectadas. Debido a esto, la eficiencia en el manejo y consumo de la energía eléctrica forma actualmente una gran área de estudio debido al peso económico que representa en varios campos y en los distintos tipos de consumidores, desde grandes industrias hasta pequeños usuarios. La conversión de energía es necesaria debido a la gran diversidad de cargas existentes. Esta conversión se realiza a través de convertidores de potencia, los cuales se encargan de entregar de manera apropiada la energía eléctrica a la carga, ya sea en CD o en CA. Los convertidores de potencia permiten regular la energía entregada a la carga haciendo más eficiente su consumo, lo anterior permite que sean ampliamente utilizados en la industria o en equipo crítico.
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel I. Convertidores de potencia Los principales tipos de convertidores de potencia son los siguientes[]: Convertidor Corriente Alterna / Corriente Directa (CA/CD) Este tipo de convertidor es comúnmente llamado rectificador. Su implementación más simple se efectúa con diodos y un filtro para obtener el nivel de CD. Versiones más elaboradas incluyen interruptores controlados. Convertidor Corriente Directa / Corriente Directa (CD/CD) Este tipo de convertidor es bastante utilizado para elevar o disminuir la tensión 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 tensión 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 tensión alterna controlada en su salida a partir de una tensión de CD. La importancia de los convertidores radica en que son ampliamente utilizados en gran variedad de equipos eléctricos proporcionando principalmente un control sobre las variables de salida, tales como la corriente, tensión, o frecuencia. I.3 Inversores Los inversores son utilizados en control de motores, sistemas de alimentación Ininterrumpibles (UPS, por sus siglas en inglés) y en general, en aquellas aplicaciones que necesiten de una tensión de salida en CA controlada. Los inversores también pueden ser utilizados para resolver problemas de distorsión en la red eléctrica como: contaminación armónica, mala regulación, 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 tensión deseada en la salida. En los inversores ideales la salida debería ser una señal sin contenido armónico, sin embargo, en la práctica el contenido armónico depende en gran medida del tipo de control empleado en la generación de las señales de conmutación. I.3. Inversor medio puente Este tipo de inversor, el cual se muestra en la figura I., está formado por dos interruptores S y S ; su salida se toma en el punto A y su referencia es el punto medio de las fuentes de alimentación. Cada condensador está cargado a una tensión V cd.
Introducción V cd S V 0 A V cd S por: donde: Figura I.. Inversor monofásico medio puente. La tensión de salida pico V o que el inversor puede proporcionar a la salida está dada V Vcd = (I.) o ± V cd = Tensión del bus de CD La corriente de colector pico que deben manejar los dispositivos semiconductores es igual a: donde: V cd I cp = (I.) Z carga Z carga = Impedancia equivalente de la carga La tensión colector emisor de los interruptores, V CE, se expresa como: I.3. Inversor puente completo V CE = V cd (I.3) Este inversor tiene un mejor desempeño que el anterior. Proporciona una tensión alterna a la carga y la alimentación del inversor se realiza a través de una sola fuente de CD. La figura I. muestra la configuración para este tipo de inversor en su versión monofásica y trifásica. S S 3 S S 3 S 5 V cd A B V cd A B C S S 4 S S 4 S 6 a) b) Figura I.. Inversores convencionales: a) Inversor monofásico, b) Inversor trifásico 3
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel por: La tensión de salida pico V o que el inversor puede proporcionar a la salida está dada V 0 = ± V cd (I.4) La corriente de colector pico que deben manejar los dispositivos semiconductores es igual a: cd I cp = (I.5) Z V carga La tensión colector emisor de los interruptores V CE, se expresa como: I.3.3 Aplicaciones V CE = V cd (I.6) Las aplicaciones de los inversores son muy variadas, pero se pueden agrupar en las siguientes áreas: Control de motores, donde la frecuencia y la tensión de salida deben ser variables. Sistemas de alimentación ininterrumpibles, donde la frecuencia y tensión de salida son fijas. Filtros activos, para reproducir distorsiones en la red eléctrica y mejorar la forma de onda de la tensión de línea. Su importancia deriva de la amplia utilización de este tipo de convertidores, sin embargo, presentan ciertas limitantes debido principalmente a los dispositivos semiconductores y a las técnicas de modulación 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 tensión diferentes y son mayores en el inversor de medio puente. En ambos casos, para aplicaciones de alta tensión los interruptores deben manejar altos dv/dt lo cual significa utilizar componentes robustos y por tanto costosos. Por otro parte, los picos de tensión que se provocan al conmutar los dispositivos semiconductores pueden llegar a un valor considerable siendo necesario sobredimensionar los componentes para evitar su destrucción. I.3.5 Técnicas de modulación La técnica más utilizada para generar ondas senoidales a la salida de un inversor medio puente o puente completo es la modulación por ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés). 4
Introducción La figura I.3 muestra la modulación de un solo ancho de pulso, esta técnica es la manera más simple de generar una tensión de CA a partir de una tensión en CD, y se utilizara como referencia para analizar el desempeño de las técnicas PWM basadas en portadoras en un sistema trifásico. La principal característica de la modulación PWM basada en portadoras [3] consiste en que el filtrado de la tensión de salida es más sencillo, ya que las frecuencias de portadora son generalmente elevadas, y por lo tanto el tamaño del filtro a la salida del inversor es reducido. Sin embargo, esta técnica presenta algunas desventajas, entre las cuales se pueden mencionar las siguientes: Atenuación de la componente fundamental de la onda PWM. Incremento de las frecuencias de conmutación, lo cual significa un esfuerzo mayor en los dispositivos de potencia asociados, y por lo tanto, una degradación de los mismos. Generación de componentes armónicos 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 técnicas PWM aplicadas a los inversores convencionales. Modulación de un solo ancho de pulso Esta técnica proporciona a la salida un solo pulso de tensión cada medio ciclo. Por esta razón, el contenido armónico es alto y se obtiene que su armónico dominante es el tercero. Como ventaja se tiene que es fácil de implementar y además que las pérdidas por conmutación en los dispositivos semiconductores son bajas. Su forma de onda para la tensión entre fases en un sistema trifásico se muestra en la figura I.3. 0.5 0-0.5 60 0 80 40 300 ωt -.5 a) 0.5 0 5 7 3 7 9 b) f Figura I.3. Modulación de un solo ancho de pulso: a) tensión de salida, b) contenido armónico. 5
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel 0 90 80 70 360 ωt - a) 0 9 3 4 43 b) Figura I.4. Modulación PWM senoidal: a) tensión de salida, b) contenido armónico. Técnica PWM senoidal Esta técnica se basa en la comparación de niveles de tensión entre una portadora (señal triangular o rampa) y una señal moduladora de referencia (señal senoidal); la tensión de salida y el contenido armónico se muestra en la figura I.4. Su principal ventaja consiste en que genera un espectro de CA sin armónicos de bajo orden. La principal desventaja de esta técnica en un sistema trifásico es que la máxima ganancia posible en CA (G CA ) es igual a 0.866 en la tensión 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 señal fundamental es más eficiente, debido a que la frecuencia de conmutación es alta, básicamente la de la portadora f c. Lo anterior reduce el tamaño del filtro en la salida, pero debido a la frecuencia a la que están conmutando los dispositivos semiconductores aumentan las pérdidas por conmutación. Técnica PWM senoidal modificada (MSPWM) Esta técnica proporciona un aumento en la ganancia de CA, comparada con la técnica PWM senoidal. Sin embargo, su implementación es más compleja. También, genera un aumento de alrededor del % en comparación con la técnica anterior en el tercer armónico de CA de línea a neutro en el caso de un inversor trifásico. La salida de tensión y de contenido armónico se observa en la figura I.5. f 0 90 80 70 360 ωt - a) 0 7 9 3 5 35 37 4 43 47 f b) Figura I.5. Modulación PWM senoidal modificada: a) tensión de salida, b) contenido armónico. 6
Introducción 0 90 80 70 360 ωt - a) 0 7 9 3 5 35 37 4 43 47 49 f b) Figura I.6. Modulación PWM senoidal de inyección armónica: a) tensión de salida b) contenido armónico. Presenta las ventajas de la técnica PWM senoidal respecto al tamaño del filtro de salida, pero las pérdidas por conmutación siguen siendo elevadas. Aun así, presenta un mejor desempeño. Técnica PWM de inyección armónica Esta técnica se obtiene de la inyección del, 3 y 9 armónico, el término CA es igual al obtenido de la técnica anterior, mientras el espectro armónico es claramente mejor, de acuerdo a la figura I.6. Su implementación es básicamente igual a las anteriores, sigue conservando las ventajas de un filtro de salida pequeño y además, se obtienen mejoras en el contenido armónico presente en la salida. Técnica PWM programado En esta técnica de modulación [4] se resuelve un sistema de ecuaciones no lineales para obtener los ángulos de conmutación; esto se basa en igualar las ecuaciones correspondientes de los armónicos que se desean eliminar a cero, mientras que la ecuación que rige la tensión de la fundamental se iguala a un valor deseado. El sistema de ecuaciones no lineales es el siguiente: donde: N = Cosα Cosα + Cosα 3...Cosα N Cosα Cosα + Cosα 3...Cosα.. CosNα CosNα + CosNα3...CosNα N N = π/4 0.. 0 Número del armónico más alto a considerar en el sistema de ecuaciones. (I.7) Para esta técnica se tiene que la frecuencia a la que se presenta el primer armónico más significativo está dada por la ecuación I.8. El sistema de ecuaciones (I.7) y la ecuación (I.8) se aplican para la tensión de salida monofásica o trifásica 7
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel f = f (n ) (I.8) ms o pc + donde n pc es el número de pulsos por cuarto de ciclo y f o la frecuencia fundamental. Los ángulos que se obtienen al solucionar el sistema de ecuaciones corresponden al primer cuarto de ciclo, los restantes se obtienen por simetría de cuarto de onda. Esta técnica presenta la posibilidad de realizar la eliminación selectiva de armónicos, además, las pérdidas por conmutación disminuyen en el inversor debido a que el número de conmutaciones que realizan los dispositivos semiconductores está claramente establecido y no depende de la comparación de una señal portadora y una moduladora como en las técnicas anteriores. En la tabla I. se muestran las principales aplicaciones para cada técnica presentada. Tabla I.I Aplicaciones de las técnicas PWM. Aplicación Accionador de motor CA alimentado en tensión (VSI por sus siglas en inglés). Accionador de motor CA alimentado en corriente (CSI por sus siglas en inglés). Rectificadores PWM para inversores CSI y accionadores de motores CD Sistemas de alimentación ininterrumpibles con bus de CD sin regular UPS (con bus de CD regulado) Técnica Baja velocidad: Técnica de inyección armónica Alta velocidad: Técnica de eliminación armónica programada (PHET s por sus siglas en inglés) Alto desempeño: Técnica PWM senoidal modificada Típico: PHET s Técnica de inyección de armónicos Técnica de inyección de armónicos PHET s I.3.6 Pérdidas por conmutación en inversores convencionales Dentro de los inversores convencionales (medio puente y puente completo) un punto crítico de diseño corresponde a la selección 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 (IGBT s), se consideran las pérdidas en los interruptores principales y en los diodos [5]. Las pérdidas totales en los IGBT s son iguales a la suma de las pérdidas por conducción (P ss ) más las pérdidas de conmutación (P sw ), y por lo tanto se tiene lo siguiente: donde: P P = P + P (I.9) SS T SS SW = I V (DCosθ ) (I.0) CP CEsat P = + (I.) SW (ESW(on) ESW(off) )fsw Definiendo los siguientes valores: 8
Introducción I CP = valor pico de la corriente senoidal de salida V CEsat = tensión de saturación del IGBT D = ciclo de trabajo θ = ángulo de desfasamiento entre la tensión y la corriente de salida E SW(on) = energía de conmutación en el encendido del IGBT, en cada pulso a la corriente pico I CP E SW(off) = energía de conmutación al apagado en el IGBT, en cada pulso a la corriente pico I CP F SW = frecuencia de conmutación PWM para cada componente de potencia Con las técnicas de modulación mencionadas se tienen pérdidas por conmutación diferentes dependiendo de la técnica y a pesar de las diferencias entre las técnicas PWM sólo la técnica PWM de un solo ancho de pulso es la que presenta las pérdidas por conmutación más bajas pero el desempeño armónico más pobre. Como característica de las técnicas PWM, se observa que la frecuencia de conmutación de los dispositivos tiene una gran influencia en las pérdidas por conmutación, esto es, al aumentar la frecuencia de conmutación, las pérdidas también lo hacen. Otro punto es el factor Cos θ, ya que representa el factor de potencia, si la carga es puramente resistiva se tiene que Cos θ = y los diodos no trabajan; pero si se tiene cargas puramente capacitivas o inductivas los IGBT s no trabajan pero los diodos sí. De lo anterior se concluye que tanto la carga conectada al inversor como la frecuencia de conmutación influyen en gran medida en las pérdidas totales que se tienen. I.4 Planteamiento del problema En los inversores convencionales se tiene que sus interruptores soportan toda la tensión del bus de cd, para aplicaciones de potencia esto puede ser un problema ya que se tienen que utilizar componentes más robustos, asimismo, son considerables las pérdidas por conmutación al operar con técnicas PWM convencionales. Por otro parte, la implementación de técnicas PWM se realiza para utilizar un filtro mas pequeño y principalmente para reducir el contenido armónico en la tensión de salida. Sin embargo, lo anterior provoca que aumenten las pérdidas por conmutación en los dispositivos. Así, los principales problemas que se identifican en inversores convencionales son los siguientes: Altas pérdidas por conmutación Altos dv/dt en dispositivos y cargas Dispositivos semiconductores robustos Debido a que el presente trabajo está enfocado al área de filtros activos en donde se reproducen perturbaciones presentes en la red eléctrica, se abordan los problemas anteriores y al mismo tiempo verifica la viabilidad en la aplicación 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 característica sintetizar su salida en escalones de tensión. Su estudio y su posible aplicación estará enfocado principalmente al área de filtros activos. 9
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel I.6 Aportaciones Las principales aportaciones que se obtuvieron con este trabajo de tesis son: Abordar el tema de inversores multinivel para asimilación de esta tecnología, sobre todo porque en el área de calidad de la energía se tienen aplicaciones en las cuales se ve atractivo su uso. Aprovechar las ventajas de estos inversores para su posible aplicación en filtros activos de potencia. Tener alternativas a métodos de inversión convencionales. Lo anterior debido a que las aplicaciones de los inversores multinivel son variadas. Como alcance se contempla la construcción de un inversor multinivel, implementación de una técnica de modulación PWM y su posible aplicación en un filtro activo. Dentro de lo anterior se estudiará el funcionamiento de las tres topologías multinivel existentes, revisando los esfuerzos en tensión de los dispositivos, formas de onda que pueden presentar en su salida y aplicaciones que puedan tenerse utilizando determinada topología, el objetivo es realizar una comparación entre las topologías multinivel y encontrar la que sea más conveniente para su aplicación 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 tensión de salida es más aproximada a la referencia ya que se sintetiza en escalones de tensión. El tamaño del filtro de salida es menor. 0
CAPÍTULO II INVERSORES MULTINIVEL En este capítulo se presentan las topologías de inversores multinivel. Se estudian las diferentes topologías obteniéndose sus principales características y aplicaciones. Lo anterior teniendo en cuenta su aplicación en el área de filtros activos. Asimismo, se analizan las características eléctricas presentes en los dispositivos semiconductores, condensadores y demás elementos de los inversores multinivel con el fin de determinar los dispositivos a utilizar en la implementación de un inversor. II. Introducción Los inversores multinivel alimentados en tensión han surgido como una nueva opción de convertidor para aplicaciones de alta potencia. El inversor multinivel básicamente sintetiza una onda de tensión en varias tensiones de cd escalonadas. Existen diferentes topologías de inversores multinivel, sin embargo, se pueden clasificar en tres estructuras básicas [6] y [7]: inversor multinivel de diodos de enclavamiento (DCMLI, por sus siglas en inglés) inversor multinivel de condensadores flotantes (FCMLI, por sus siglas en inglés) inversor multinivel de inversores en cascada (CMLI, por sus siglas en inglés) De igual manera, entre las técnicas de modulación que se aplican en los inversores multinivel existen variantes, pero pueden ser clasificadas en las siguientes categorías, las cuales se analizan en el capitulo III: técnica de escalera o frecuencia fundamental técnica PWM vectorial técnica PWM senoidal técnica PWM programado Cabe mencionar que todas las topologías de inversores multinivel producen una forma de onda de salida similar, la cual está formada por escalones de tensión, proporcionando así una tensión de gran calidad y lo más parecido posible a la forma de onda que se pretende reproducir. La figura II. presenta una forma de onda de salida típica de un inversor multinivel, en donde se puede observar que está formada por escalones de tensión.
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel V 4 V 3 V V -V -V 3 -V 4 Niveles de CD Nivel 7 Nivel 6 Nivel 5 Nivel 4 Nivel 3 Nivel Nivel Tensión de salida del inversor multinivel Figura II.. Tensión de salida de un inversor multinivel. Dependiendo del número de niveles que proporcione el inversor el contenido armónico presente en la tensión de salida disminuye. II. Estado del arte Los inversores multinivel son una alternativa para solucionar los problemas que presentan los inversores convencionales, sus características principales son el tener bajas pérdidas por conmutación al operar a bajas frecuencias de conmutación, la distribución de tensiones en los dispositivos y un filtrado más sencillo ya que la salida está formada por niveles de tensión. Entre las ventajas de los inversores multinivel se incluye una caída de tensión de los dispositivos menor que la presente en el bus de cd ya que se puede controlar según el número de niveles del inversor multinivel, además, se puede trabajar a frecuencias de conmutación bajas. Con lo anterior se tienen menores pérdidas por conmutación en los dispositivos semiconductores, también, debido a que su salida está formada por niveles de tensión, el contenido armónico que resulta es bajo en comparación con los inversores convencionales que utilizan técnicas PWM. Dentro del área de investigación de inversores multinivel existe una gran cantidad de artículos publicados por diferentes autores, y la aplicación de los inversores multinivel está dirigida principalmente a la compensación de energía reactiva en sistemas de distribución de energía eléctrica. Están también las investigaciones que se hacen sobre balanceo de la tensión en los condensadores en las topologías 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 análisis de los tres inversores multinivel, incluyendo sus ventajas y desventajas y se analizan su estructura y funcionamiento. Se presenta un panorama general de su aplicación óptima y de las características más relevantes en un inversor en particular. Dado que cada uno se desempeña mejor en determinada aplicación es interesante contar con una guía que permita su correcta selección para la aplicación que se necesita. II.. Aplicación en compensadores Se tienen investigaciones en el área de calidad de la energía, [7],[8], usándose como compensadores, la figura I. muestra un filtro activo de tensión utilizando un inversor multinivel.
Inversores multinivel Z s Is + V sh I L Inversor multinivel S S C S ' S ' + V s S 3 S 4 Carga no lineal C S 3' S 4' Donde: Figura II.. Filtro activo de tensión utilizando un inversor multinivel. V s Z s I s, I L V sh es la tensión de línea es la impedancia que presenta la red la corriente que demanda la carga no lineal es la tensión de salida del inversor multinivel Ésta es una de las aplicaciones más comunes de los inversores multinivel, pudiéndose utilizar cualquiera de los tres tipos. El funcionamiento se basa en reproducir perturbaciones eléctricas que contaminan la red, y por medio del filtro activo se inyectan en la red eléctrica con signo opuesto, eliminando distorsiones de tensión y entregando a la carga una señal lo más senoidal posible. En [7] se presenta una evaluación de los inversores multinivel, obteniéndose las principales ventajas y desventajas de cada uno excepto para el inversor multinivel de inversores en cascada (CMLI, por sus siglas en inglés). Se estudian también los efectos de las estrategias de modulación sobre la tensión 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 aplicación de un inversor multinivel de alta tensión en un compensador estático síncrono en un sistema de 3.8 kv, también se presenta un método para mantener la tensión en el bus de CD balanceada y se realizan los cálculos de potencia a manejar por los interruptores principales, diodos de enclavamiento y condensadores. II.. Aplicación en convertidores Otra aplicación de los inversores multinivel corresponde a troceadores de alta tensión y a inversores alimentados en tensión en [0], tal como se ve en la figura I.3, en donde se aplica la técnica multinivel a un convertidor reductor. 3
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel S S S 3 + L V cd C C C 0 R L Figura II.3. Troceadores multinivel de alta tensión. S S V CD A S 3 S 4 Figura II.4. Conexión en serie de dispositivos. Asimismo se realiza una comparación al utilizar la conexión en serie de semiconductores en inversores y se presentan como alternativas las topologías multinivel de diodos de enclavamiento y la de condensadores flotantes. La figura II.4 muestra una conexión en serie de semiconductores la cual trata de resolver el problema de tensión en los dispositivos. Los resultados obtenidos de la comparación son: Conexión en serie de semiconductores Tensión compartida.- Es difícil 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 tensión. Niveles de tensión.- Los interruptores en serie deben comportarse como un interruptor simple. Espectro armónico.- La amplitud del armónico a la frecuencia de conmutación es alta. 4
Inversores multinivel Inversores convencionales de 3 niveles (Diodos de enclavamiento) Circuito.- Usa fuentes intermedias de tensión y diodos extras. División de tensión.- 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 tensión.- La principal ventaja de este circuito es que los diodos de enclavamiento permiten el uso de semiconductores de baja tensión. Topología.- El más básico de los inversores tiene dos fuentes de tensión obtenidas usando dos condensadores cargados a V cd /. Si la corriente es unidireccional no es posible la operación troceadora, ya que se desbalancean los condensadores. Espectro armónico.- Permite una reducción en la amplitud del armónico a la frecuencia de conmutación. Extensión a N interruptores.- El circuito se puede generalizar a un gran número de interruptores. Celda de conmutación multinivel versátil (Condensadores flotantes) División de tensión.- La tensión a través de los interruptores es impuesta por fuentes de tensión V cd y V cd /. La tensión a través de cualquier interruptor en bloqueo es V cd /. dv/dt.- Los interruptores pueden controlarse en tiempos diferentes, lo cual permite limitar el dv/dt. Niveles de tensión.- Los niveles de tensión entregados para esta celda de conmutación pueden ser 0, V cd o V cd /. En general los inversores multinivel tienen aplicaciones en compensación de potencia y sus características más notables son el bajo contenido armónico que se puede obtener, la baja tensión que soportan los dispositivos de potencia y la posibilidad de operar a baja frecuencia de conmutación. Se tienen registradas patentes por diferentes autores referentes a inversores multinivel y se encuentran en las siguientes áreas: control de motores, troceadores de CD y en el área de calidad de la energía se utilizan en filtros activos, acondicionadores, sistemas de transmisión flexible de CA (FACTS, por sus siglas en inglés) también se incluyen variantes de las topologías multinivel y de sus técnicas de modulación. Toda la información sobre patentes se puede encontrar en []. II.3 Inversor multinivel de diodos de enclavamiento (DCMLI) La función principal de un inversor multinivel de diodos de enclavamiento es sintetizar una onda sinusoidal a partir de varios niveles de tensión, normalmente obtenida de condensadores que funcionan como fuentes de cd. Los condensadores utilizados se conectan en serie para dividir la tensión y de esta manera, los dispositivos de potencia operan con una tensión menor entre terminales. 5
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel II.3. Estructura monofásica La figura II.5 muestra la topología de diodos de enclavamiento, es un inversor de 3 niveles monofásico y es la primera topología multinivel práctica que se utilizó y que aún es estudiada. Esta estructura fue presentada por Nabae en 980 []. La salida de tensión se obtiene conectando la carga entre los puntos A y B formando un puente completo. Esta estructura puede extenderse a cualquier número de niveles; sin embargo, presenta como desventaja desbalances de tensión en el bus de cd. S S 4 V 3 S S 5 C A B V V cd S ' S 4' C S ' S 5' V 0 Figura II.5. Inversor multinivel de 3 niveles monofásico. V 4 S S 4 S 7 C 3 S S 5 S 8 V 3 S 3 S 6 S 9 A B C C V cd S ' S 4' S 7' V S ' S 5' S 8' C S 3' S 6' S 9' 0 V Figura II.6. Inversor multinivel de 4 niveles trifásico. 6
Inversores multinivel II.3. Estructura trifásica La figura II.6 muestra la versión trifásica para un inversor multinivel de diodos de enclavamiento de 4 niveles. El número de niveles se define como el número de escalones de tensión que se obtiene entre una salida monofásica, A, B o C y el nivel de tierra. Este inversor puede conectarse en delta o estrella según lo requiera la aplicación, para la conexión en estrella el punto neutro debe colocarse en el punto medio del bus de cd. De manera similar al inversor monofásico mostrado en la figura II.5, este inversor trifásico puede generalizarse a cualquier número de niveles. II.3.3 Características principales Las características más significativas y que describen a la estructura son las siguientes: a) El esfuerzo en tensión de los dispositivos se balancea con el número de niveles, ya que la tensión que debe manejar cada dispositivo es menor. b) Debido a su principio de operación los diodos de enclavamiento de ésta pueden llegar a manejar la tensión de más de un nivel, aunque los interruptores principales sólo manejen la tensión de un solo nivel. Lo anterior provoca que se tenga que utilizar la conexión en serie de diodos para repartir las tensiones. c) Esta topología utiliza, en su versión trifásica, 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 tensión en la salida. II.3.4 Análisis de la topología Dentro del análisis de la topología se debe incluir alguna secuencia de conmutación 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. se muestra los distintos estados de conmutación que permiten obtener los valores de tensión que proporciona el inversor multinivel de diodos de enclavamiento en una rama de 4 niveles. Cabe aclarar que para la versión trifásica, los valores de la tabla son los mismos, pero desfasados 0 para cada fase. El punto de referencia en las tensiones se toma como la parte negativa de la tensión de alimentación de la rama, en este caso cero o tierra. Tabla II.. Niveles de tensión en la salida para un inversor de 4 niveles y sus estados de conmutación. Tensión de Estado de conmutación salida V out S + S + S 3+ S - S - S 3- V 0 0 0 cd V 0 0 0 3 cd V 0 0 0 3 cd 0 0 0 0 7
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel + S+ D 3 V cd C 3 D 7 S+ D 0+ D 0 D 8 D 9 S3+ D 3 V out C 3 V cd D S- D 4 0- D S- D 5 C 3 V cd S3- D 6 - Figura II.7. Diagrama de una rama de DCMLI. Con el fin de analizar el funcionamiento de esta topología [3], se utilizará sólo una rama de un inversor de 4 niveles. De la figura II.7 se puede ver que los niveles de tensión se obtienen por medio de la conexión 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 tensión de alimentación V cd y cuando existe el negativo de la alimentación. Por lo tanto, los diodos en antiparalelo deben tener las mismas especificaciones de corriente y tensión que los interruptores principales. (+)V cd V out S - D 4 S + D i o i o S - D 5 S + D S 3- D 6 S 3+ D 3 V out (-)V cd a) b) Figura II.8. Conducción de los diodos en antiparalelo: a) V out = V cd y corriente negativa, b) V out = 0 y corriente positiva. 8
Inversores multinivel 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 V cd, /3 V cd, /3 V cd y 0. La figura II.9-a muestra la conexión para los diodos de enclavamiento al proporcionar el inversor una tensión de salida de V cd. D 9 y D 8 están bloqueando /3 de V cd por eso es necesario colocarlos en serie para dividir la tensión y que sólo soporte cada uno /3 de V cd, D 7 maneja /3 de V cd así como los demás. Para obtener /3 V cd los diodos están conectados como muestra la figura II.9-b, los diodos D 7, D 0 y D conducen y su tensión es cero. D 8, D y D 9 bloquean /3 de V cd. Para proporcionar /3 V cd los diodos D 9, D 8 y D conducen y su tensión es cero, D, D 0, D y D 7 bloquean /3 de V cd, tal como se muestra en la figura II.9-c. Cuando se requiere el nivel de 0, los diodos D, D y D 3 bloquean V cd y cada uno soporta /3 V cd, D 7 no se utiliza, D 0 y D bloquean /3 V cd ; D maneja /3 de V cd, y los diodos D 8 y D 9 tienen una tensión igual a cero entre terminales. V cd V cd O+ D 7 D 4 V out O+ D 7 D V out O- D D 0 D D 9 D 8 D 5 O- D 0 D D 8 D 9 D D 5 D 6 Gnd Gnd D 6 a) b) V cd V cd O+ D 7 D 0 D D D O+ D 7 D O- D 9 D 8 D V out O- D 0 D 9 D 8 D Gnd D 6 Gnd D D D 3 V out c) d) Figura II.9. Conexión de diodos de enclavamiento para: a) V out = V cd, b) V out = /3 V cd, c) V out = /3 V cd, d) V out = 0. 9
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel Desbalance de tensiones en el bus de cd Una manera de obtener los niveles de tensión 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 solución consiste en emplear una sola fuente de cd y dividir la tensión por medio de condensadores conectados en serie, pero entonces se tiene el problema de desbalance de tensión en los condensadores del bus de cd y dado que los dispositivos semiconductores sólo manejan la tensión presente en un condensador del bus, un desbalance de tensión entre los condensadores se torna crítico. El balance de tensión entre los condensadores es muy importante, ya que el sistema de control supone que las tensiones están correctamente divididas en el bus, y aunque una posible variación de tensión en el valor de V cd pueda ser compensada por el sistema de control, una variación de tensión en los puntos O- y O+, tal como se muestra en la figura II.7, no podrá ser corregida y sus efectos se reflejarán en la salida. Como resultado del desbalance de tensión algunos dispositivos semiconductores estarán manejando más tensión que otros. El balance de tensión en el bus de cd es un área de investigación abierta para inversores multinivel de diodos de enclavamiento de más de 3 niveles, principalmente se investigan técnicas de control dedicadas a resolver este problema. A continuación se analiza el comportamiento de las tensiones y corrientes presentes en los condensadores del bus de cd. La tabla II. 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 tensión de salida son los puntos de V cd (+), o V cd (-) la corriente de salida ya sea que se entregue a la carga o se regenere hacia el inversor, no afecta la tensión presente en los condensadores del bus de cd. Sin embargo, cuando la conexión de la tensión 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 energía activa los condensadores tenderán a descargarse provocando desbalances de tensión en el bus de cd. Debido a este problema se recomienda utilizar al inversor de diodos de enclavamiento cuando se maneja energía reactiva, ya que es posible cargar y descargar los condensadores para mantener constante la tensión en el bus. Tensión de Tabla II.. Efecto de I out en las tensiones O+ y O- Condiciones de conmutación salida V out S + S + S 3+ S - S - S 3- I out V cd 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 0
Inversores multinivel Dentro de la literatura especializada se han propuesto diferentes soluciones para este problema, tales como: a) uso de convertidores CD/CD [4] b) técnicas de modulación vectorial [5] c) rectificadores multinivel controlados [6] De las soluciones anteriores, la primera no es práctica debido a que utiliza convertidores reductor y elevador para mantener regulada la tensión en el punto neutro. La técnica de modulación vectorial permite, por una parte, proporcionar la tensión de salida requerida por la función propia del inversor y además realizar el balanceo de la tensión de los condensadores permitiendo así el uso de energía activa y reactiva por parte del inversor. Sin embargo, para inversores de más 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 práctico debido a la gran labor de cálculo que es necesario realizar. La mejor alternativa para un inversor con un número de niveles mayor a 4, consiste en la conexión de un sistema rectificador controlado, tal como se muestra en la figura II.0. El funcionamiento es el siguiente: Un rectificador multinivel se encarga de proporcionar los niveles de tensión en el bus de cd permitiendo un balanceo natural de tensiones; cuando se utiliza modulación PWM en los dos convertidores se tiene que utilizar el mismo índice de modulación para los dos convertidores, no es posible el balanceo de tensiones si se utilizan diferentes índices de modulación debido a que la corriente promedio en los condensadores es diferente de cero [6]. Es posible utilizar otras técnicas de modulación para disminuir las pérdidas por conmutación en los dispositivos semiconductores ya que en aplicaciones de alta potencia estas pérdidas pueden ser considerables. + S+ C 3 O+ S+ S3+ A B C C A' B' C' O- C S3- S- S- Figura II.0. Topología de diodos de enclavamiento con rectificador controlado conectado directamente. -
Análisis y desarrollo de un inversor multinivel El uso del rectificador multinivel tiene las siguientes ventajas: a) Se obtiene el balance de la tensión en los condensadores b) Proporciona capacidad de corrección del factor de potencia (PFC por sus siglas en inglés). c) Minimiza las pérdidas por conmutación y de esta manera aumenta la eficiencia del convertidor. d) Permite operar desde condiciones iniciales de cero tensión y cero corriente. Una condición para realizar el balance de tensión en los condensadores con cualquier estrategia de modulación se presenta en [7], esta condición se obtiene analizando las corrientes de la figura II. para un número finito o infinito de condensadores conectados en serie, y es la siguiente: Los valores promedio de I j, con j = 0,,...n deben asumir los siguientes valores: Cero con referencia a cada I k, K =,...n- La corriente promedio del bus de cd, I cd, debe ser igual a la corriente promedio en la conexión superior del bus de cd, I n El negativo de la corriente promedio del bus de cd, I cd, debe ser igual a la corriente promedio en la conexión inferior del bus de cd, I 0 El primer punto es justificable dado que con el fin de balancear las tensiones de los condensadores, debe garantizarse que estas tensiones permanecerán dentro de ciertos limites, esto es, la corriente promedio en cada condensador debe ser cero. Para los otros dos puntos las corrientes promedio son: I n = I cd (II.) I n = I I 0 (II.) cd n = I n = Icd I n I n- = 0 (II.3).. = I I I... I 0 (II.4) I cd n n- = I cd I n C n- I n- C n- I n- C n-3 V cd C I C I 0 Figura II.. Conexión en serie de un número finito o infinito de condensadores.
Inversores multinivel Finalmente aplicando LCK se tiene que: n k= 0 I j = 0 (II.5) I 0 I n = Icd = (II.6) y aplicando (II.) a (II.6) se llegan a las conclusiones para los dos últimos puntos. II.3.5 Recomendaciones de diseño En la implementación de este tipo de inversor multinivel se puede seguir el siguiente proceso, ya que se necesita dimensionar los componentes según la aplicación y el número de niveles del inversor. Tensiones en diodos e IGBT s Para las tensiones de los dispositivos semiconductores se debe tener un margen de seguridad para prevenir daños al equipo debido a transitorios de tensión que pudieran presentarse, en este caso se propone un valor de 80%. Entonces, en los IGBT s la tensión colector emisor máxima estará dada por: V CEMAX =.8 V cd (II.7) En donde V cd es la tensión de un nivel de cd. Para los diodos de enclavamiento se propone el mismo valor de tensión que para los IGBTs, sin embargo, como ya se revisó anteriormente algunos diodos de enclavamiento soportan la tensión de más de un nivel, por tanto, se hace necesario la conexión en serie para seguir manteniendo el margen de seguridad deseado. Cálculo de los condensadores Para calcular el tamaño de los condensadores se debe considerar un rizo de tensión provocado por el desbalance de tensión en el bus de cd y también debe considerarse el factor de potencia a manejar por el inversor multinivel. Los condensadores del bus de cd en un inversor tienen básicamente dos funciones: Limitar los picos de tensión 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 armónico) en el punto neutro [8], se puede variar el tamaño de los condensadores. La figura II. muestra la región sombreada en función del ángulo del factor de potencia y del índice de modulación, en esta región es donde puede suprimirse el rizo de corriente y donde sigue funcionando el inversor adecuadamente. 3