inversor multinivel con condensadores flotantes
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7/22/2019 Inversor Multinivel Con Condensadores Flotantes
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Instituto Tecnolgico de Morelia
Posgrado de Ingeniera Elctrica
2 Semestre
Inversor multinivel con
condensadores flotantes
Gibrn Jos Dvalos Villaln
No Control: M08120829
Electrnica de Potencia
Trabajo
Profesor: Dr. Edgar Lenymirko Moreno Goytia
Noviembre del 2013
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Inversor multinivel con condensadores
flotantes
Introduccin
El inversor en la electrnica de potencia tiene la funcin de convertir una tensin
de entrada de CD en una tensin de CA, con la magnitud y frecuencia deseadas.
Sin embargo, en aos recientes las aplicaciones de electrnica de potencia en
generacin, transmisin y distribucin de energa han comenzado a demandar
equipos que alcanzan niveles de potencia de megawatts. Esto lleva al desarrollo
de nuevas topologas que empleen dispositivos capaces de operar en rangos defrecuencias medias y soporten niveles de tensin y corriente elevados.
Como una respuesta a las necesidades arriba mencionadas, se desarroll la
topologa multinivel. Esta incluye arreglos de dispositivos de potencia (IGBT o
MOSFET) alimentados con fuentes de energa de CD. Estos arreglos se agrupan
en mdulos, que en conjunto y mediante un adecuado patrn de conmutacin
generan niveles de tensin que asemejan una seal de tensin de CA, tal como se
observa en la figura 1. Las ventajas que presenta el utilizar esta topologa son:
menores esfuerzos de tensin en los dispositivos, una estructura modular y la
disminucin en el contenido armnico de la forma de onda de tensin generada.
Figura 1.Forma de onda caracterstica de un inversor multinivel.
Hasta el momento, se han reportado en la literatura tcnica tres topologas bsicas
de inversores multinivel:
1) inversores multinivel de diodos de enclavamiento.
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2) inversores multinivel de condensadores flotantes.
3) inversores en cascada.
En general estas topologas se emplean en sistemas de bombeo, compresores,
traccin elctrica, compensacin de potencia reactiva y armnicos. Adems, de
fuentes de respaldo y de poder, accionadores de mquinas elctricas, entre otras.
Inversores multinivel con condensadores flotantes
El inversor Flying-Capacitor fue presentado en 1992 por Meynard y Foch, tambin
conocido con otros nombres como: Floating-Capacitor Conveter, Capacitor-
Clamped Converter o Imbricated-Cell Converter. Para este tipo de inversormultinivel, la salida puede expresarse como las posibles combinaciones de
conexin de los condensadores de los que se compone. Su funcionamiento es
parecido al Inversor de diodo fijador, pero utiliza condensadores en lugar de
diodos para establecer los niveles de tensin. La figura 2 muestra la estructura de
un inversor multinivel con condensadores flotantes de cinco niveles.
Figura 2. Inversor multinivel trifsico de cinco niveles
En esta topologa como ya se dijo, los diodos de enclavamiento se sustituyen por
condensadores, los cuales a travs de las posibles combinaciones de conexin
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generan la tensin de salida, lo que permite obtener un sistema redundante. Sin
embargo, los problemas para mantener equilibradas las tensiones asociadas a los
condensadores evitan que la topologa se desarrolle en aplicaciones de potencia
media.
El bus de CD consta de (m-1) condensadores y requiere de (m-1)(m-2)/2condensadores auxiliares por fase, donde cada condensador debe mantener una
tensin de VCD/(m-1), al igual que en la topologa de inversores multinivel de
diodos de enclavamiento.
Inversor con condensadores flotantes de tres niveles
Modo de operacin
Un inversor de esta topologa dispone de una serie de condensadores conectados
en modo flotante de manera que permiten proporcionar los distintos niveles a la
tensin de salida del convertidor. En general, cada fase de esta topologa se
puede analizar como un conjunto de clulas de conmutacin montadas donde la
tensin de salida se sintetiza conectando un nmero definido de condensadores
en serie. En la figura 3 se muestra una rama de un convertidor con condensadores
flotantes de tres niveles. El condensador C1 se carga a una tensin de VBUS/2.
Figura 3. Una rama del inversor con condensadores flotantes de tres niveles.
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Estados posibles del inversor
En la Figura 4 se aprecia que si los semiconductores S1 y S1 estn en estado de
conduccin simultneamente se cortocircuitan los condensadores C1 y C2,
mientras que si S2 y S2 estn en estado de conduccin simultneamente se
cortocircuita el condensador C1.
Adems, si S1 y S1 o S2 y S2 estn simultneamente en estado de bloqueo se
deja en circuito abierto la inductancia de la carga, por lo que estos transistores
deben ser complementarios.
La funcin de los capacitores flotantes consiste en fijar la tensin de bloqueo de
los interruptores a una determinada tensin.
SalidaEstado de losinterruptores Figura
Vaz S1 S2 S1 S2
VBus/2 1 1 0 0Figura 4
(a)
0 VBus/2 de C2y -VBus/2 de C1 1 0 0 1Figura 4
(b)
0 -VBus/2 de C2y VBus/2 de C1 0 1 1 0Figura 4
(c)
- VBus/2 0 0 1 1Figura 4
(d)
Tabla 1. Estado de los interruptores para las distintas tensiones de salida
En la Tabla 1 se pueden observar las tensiones de salida para los estados
posibles del convertidor, reflejados en la figura 4.
Figura 4.Circulacin de corriente para los estados posibles del inversor con
condensadores flotantes de tres niveles
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A partir de la Tabla 1 y de la Figura 4 se pueden deducir los estados de carga y
descarga del condensador flotante de una rama del convertidor, dependiendo del
sentido de la corriente, mostrados en la Tabla 2.
SalidaEstado de losinterruptores Estado de carga del
condensador flotanteFigura
Vaz S1 S2 S1 S2
VBus/2 1 1 0 0 No vara su cargaFigura 4
(a)
0 1 0 0 1Se carga o descarga,
dependiendo del sentidode la corriente.
Figura 4(b)
0 0 1 1 0
Se carga o descarga,
dependiendo del sentidode la corriente.
Figura 4
(c)
- VBus/2 0 0 1 1 No vara su cargaFigura 4
(d)
Tabla 2. Estado carga de los condensadores flotantes de una rama para los estados
posibles del inversor.
La tensin de salida (vao, vbo, vc0) presenta tres niveles de tensin VBus/2, 0 y
- VBus/2. Analizando la fase a. Como se aprecia en la tabla 1 se tienen doscombinaciones posibles para obtener el nivel de salida de 0 V (S1 - S2 y S2S1).
Considerando que la fase entrega corriente a la carga, es fcil observar que el
capacitor o condensador flotante C1 se caga cuando se activan S1 - S2 y se
descarga cuando se activan S2S1 y viceversa si la carga retorna corriente. Por
otro lado, considerando que la tensin de los condensadores flotantes es VBus/2,
la tensin de bloque de los interruptores queda fijada a V Bus/2. La tensin de los
condensadores flotantes se mantiene constante escogiendo apropiadamente la
combinacin de interruptores correspondiente al nivel 0 d tensin de salida.
Inversor con condensadores flotantes de cinco niveles
La figura 5 presenta una rama de un inversor con condensadores flotantes de
cinco niveles. Para sintetizar la tensin de salida, el inversor tiene un mayor
nmero de combinaciones, tal como se muestra en la tabla 3.
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En el funcionamiento normal del inversor, los condensadores C1, C2, C3, C4 y C5
estn cargadas a una tensin Vpn/4, mientras que C6 est cargada a Vpn/2 y la
tensin de C7 es 3 Vpn/4. Suponiendo que se dospone de condensadores de
tensin nominal Vpn/4, en las posiciones C6 y C7 deberan emplearse dos y tres
condesnadores en serie respectivamente. Ello supone un incremento en el nmero
total de condensadores a emplear. Por otro lado, el equilibrio de los
condensadores C5, C6 y C7 se consigue esocogiendo la combinacin de
interruptores apropiada entre las posibilidades de la tabla 3.
Figura 5. Rama de un convertidor con condensadores flotantes de cinco niveles
Interruptore conectados Tensin Vao
{S1-S2-S3-S4} Vpn/2
{S1-S2-S3-S1} {S2-S3-S4-S4} {S1-S3-S4-S3} Vpn/4
{S1-S2-S1-S2} {S3-S4-S3-S4} {S1-S3-S1-S3} {S1-S4-S2-S3} {S2-S4-S2-S4} {S2-S3-S1S4}
0
{S1-S1-S2-S3} {S4-S2-S3-S4} {S3-S1-S3-S4} -Vpn/4{S1-S2-S3-S4} -Vpn/2
Tabla 3.Interruptores a conmutar para obtener los cinco niveles de tensin de salida en el
inversor con condensadores flotantes.
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Caractersticas del Inversor con Condensadores
Flotantes.
Las caractersticas principales de este dispositivo son las siguientes:
Los condensadores ven un rizo de corriente a la frecuencia fundamental, o
a una mayor, dependiendo de la estrategia de modulacin.
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.
Proporciona diferentes combinaciones de conmutacin en los dispositivos
para una tensin de salida, permitiendo tener flexibilidad para mantener la
carga en los condensadores.
El arranque es ms complejo que la topologa del inversor multinivel condiodo fijo. 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 o utilizar algn sistema externo para monitorear la carga de los
condensadores y mantenerlos a la tensin deseada.
Ventajas del inversor con condensadores flotantes.
Debido a la presencia de los capacitores flotantes, la tensin de bloqueo de
los interruptores es Vpn/(n-1), igual que en el inversor con diodo fijo.
No hay diodos de fijacin en este inversor, eliminando el problema asociado
a estos diodos.
El control en la tensin de los condensadores flotantes se realiza mediante
el uso apropiado de los estados redundantes del inversor. Algunas
transiciones entre estados obligan a conmutar ms de un interruptor a la
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vez (incluso hasta cuatro conmutaciones), y es preferible evitarlas siempre
y cuando el equilibrio de las tensiones de los condensadores lo permita.
Puede emplearse un convertidor CC/CC, sin que el equilibrio de las
tensiones de los condensadores sea un problema gracias a los estados
redundantes, aun con corriente unidireccional.
El equilibrio de los condensadores flotantes puede ser abordado de forma
independiente para cada rama del inversor, mientras que en el inversor con
diodos fijos debe considerarse para el sistema trifsico completo.
Inconvenientes del convertidor con condensadoresflotantes.
Este inversor emplea un nmero elevado de capacitores. La corriente que
circula a travs de todos los condensadores flotantes es la misma, por lo
tanto, los capacitores debern tener el mismo valor capacitivo para
mantener valores similares de tensin de rizado. Si se emplean en el
inversor capacitancias de la misma tensin nominal V/(n-1), el nmero de
condensadores flotantes por fase es (n-1)(n-2)/2, a las que hay que sumar(n-1) condensadores del bus de continua, lo que se supone un mayor
volumen y costo del inversor.
Los condensadores flotantes deben soportar la corriente de carga, por
tanto, deben seleccionarse adecuadamente, con objeto de no generar
excesivas prdidas y para no condicionar la corriente mxima del
dispositivo.
Debe definirse un procedimiento inicial de carga de los condensadoresflotantes.
Existe un peligro de resonancia a causa de los condensadores en el
sistema.
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Si la tensin del bus de continua aumenta rpidamente, los condensadores
flotantes tardan un tiempo en alcanzar las tensiones normales de
funcionamiento y los interruptores superior e inferior de cada rama
bloquean a una tensin mayor que la prevista durante este tiempo, unido a
una distorsin significativa de la tensin de salida. Ello supone un
importante obstculo para la aplicacin comercial de este inversor,
especialemente en sistemas de generacin distribuida (sistemas elicos o
fotovolticos) donde se producen variaciones rpidas de la potencia
transmitida).
Bibliografa
Para la realizacin de este trabajo se consultaron las siguientes fuentes de
informacin.
http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/1942/tesisUPV2697.pdf
http://www.uaz.edu.mx/cippublicaciones/eninvie2K5/P_1%5CP_5Limon.pdf
http://www.cenidet.edu.mx/subaca/web-elec/tesis_mc/147MC_cass.pdf
http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6330/03Sam03de15.pdf;jsessioni
d=6A5F6D199F8D9D944D230367D92AC1D3.tdx2?sequence=3
Notas de clase.