ES2378865A1 - Convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles y método de control. - Google Patents
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Abstract
Convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles y método de control.Se presenta una topología de convertidor estático de energía eléctrica de cuatro o más niveles. La topología está formada por una estructura piramidal de celdas elementales. Cada celda elemental está formada por dos dispositivos elementales. Cada dispositivo elemental está formado por un interruptor electrónico controlado y un diodo en antiparalelo.Se definen los estados de conmutación del convertidor que permiten el control del mismo, así como una estrategia de transición entre estados de conmutación.El convertidor y control propuesto son aplicables en accionamientos de motores eléctricos de corriente alterna, sistemas de aprovechamiento de energías renovables, equipos de tracción eléctrica, sistemas de alimentación, etc.
Description
Convertidor de energía eléctrica de
enclavamiento activo de cuatro o más niveles y método de
control.
Hardware electrónico para sistemas eléctricos y
electrónicos de potencia.
\vskip1.000000\baselineskip
Las técnicas de conversión multinivel han
abierto una puerta a avances en la tecnología de conversión de
energía eléctrica. Para una tecnología concreta de semiconductores,
estas técnicas permiten una mayor capacidad de potencia por
convertidor, mayor eficiencia y menor distorsión armónica. Se han
propuesto diferentes topologías multinivel:
- -
- Convertidores multinivel puente completo en cascada ("cascaded H-bridge").
- -
- Convertidores multinivel de enclavamiento por diodos ("diode clamped").
- -
- Convertidores multinivel de enclavamiento por condensadores o de condensadores flotantes ("capacitor clamped" o "flying capacitors").
- -
- Combinaciones híbridas de los anteriores.
\vskip1.000000\baselineskip
En particular, se ha propuesto una topología
general en:
F. Z. Peng, "A generalized multilevel inverter
topology with self voltage balancing", IEEE Transactions on
Industry Applications, vol. 37, pp. 611-618,
2001.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta topología incluye condensadores flotantes,
interruptores electrónicos controlados y diodos en antiparalelo.
La topología contemplada en la presente
invención incorpora únicamente interruptores electrónicos
controlados y diodos en antiparalelo. No se incorporan condensadores
flotantes, hecho que modifica sustancialmente el control y las
características de funcionamiento del convertidor.
En la literatura aparece el caso particular de
tres niveles de la topología objeto de la presente invención, pero
no se ha presentado su extensión a más niveles, y el control del
convertidor propuesto en la literatura difiere del descrito
aquí.
\vskip1.000000\baselineskip
Se definen la topología de un convertidor de
energía eléctrica multinivel de enclavamiento activo, los estados de
conmutación necesarios para su control y una estrategia de
transición entre estos estados de conmutación.
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 1 presenta la topología de un
convertidor de m niveles. El circuito presenta m
terminales de entrada (i_{k}, k \in {1, 2, ...,
m}) y un terminal de salida (o). El número de niveles del
convertidor se corresponde con el número de terminales de entrada.
Entre dos terminales de entrada consecutivos (i_{k} e i_{k+1})
típicamente se conecta un elemento capacitivo (condensador) o una
fuente de tensión (fuente de alimentación, batería, etc.), de forma
que la tensión del terminal i_{k} es inferior o igual a la tensión
del terminal i_{k+1}.
El circuito está formado por una conexión
piramidal de m\cdot(m-1)/2 celdas elementales. Cada
celda elemental está formada por dos dispositivos elementales, tal
como se muestra en la Figura 1. Cada dispositivo elemental está
formado por un interruptor electrónico controlado (designados
S_{pxy} y S_{nxy}; x, y \in {1, 2, ...,
m-1}) y un interruptor electrónico no controlado (diodo),
conectados tal como se muestra en la Figura 1 (conexión
antiparalelo).
El interruptor electrónico controlado puede ser
unidireccional (i_{S} sólo puede ser mayor o igual que
cero) o bidireccional (i_{S} puede ser mayor, igual o menor
que cero) en corriente. El interruptor controlado puede ser
unidireccional (v_{S} sólo puede ser mayor o igual que
cero) o bidireccional (v_{S} puede ser mayor, igual o menor
que cero) en tensión. El caso típico es que el interruptor
controlado sea bidireccional en corriente y unidireccional en
tensión.
\newpage
El interruptor electrónico controlado del
dispositivo elemental presenta dos estados, de acuerdo con los dos
posibles estados de su señal de control:
a) Encendido: La tensión v_{S} en
bornes del interruptor es aproximadamente cero.
b) Apagado: La corriente i_{S} que
circula por el interruptor es aproximadamente cero.
\vskip1.000000\baselineskip
El dispositivo elemental, definido por el
conjunto de interruptor controlado e interruptor no controlado, se
puede realizar con un único transistor o se puede realizar con
cualquier combinación de transistores y diodos (serie, paralelo,
etc.) que efectivamente tenga la misma funcionalidad.
\vskip1.000000\baselineskip
El terminal de salida (o) se puede conectar
galvánicamente con una baja impedancia a cada uno de los terminales
de entrada (i_{k}, k \in {1, 2, ..., m})
controlando adecuadamente el estado de todos los interruptores
electrónicos controlados. Se definen m-1 variables de control
(c_{j}, j \in {1, 2, ..., m-1}) para
representar el estado de las señales de control de los interruptores
electrónicos controlados. Cada interruptor controlado tiene asignada
una variable de control (c_{j}) o su valor complementario
(\overline{\mathit{c}}_{j}), tal como se indica en la Figura 2.
Estas variables de control tienen dos valores posibles:
a) c_{j} = 0, en cuyo caso todos los
interruptores controlados con esta variable de control asociada
están apagados y aquellos con el valor complementario asociado
\overline{\mathit{c}}_{j} = 1 están encendidos.
b) c_{j} = 1, en cuyo caso todos los
interruptores controlados con esta variable de control asociada
están encendidos y aquellos con el valor complementario asociado
\overline{\mathit{c}}_{j} = 0 están apagados.
\vskip1.000000\baselineskip
Para conectar el terminal de salida (o) al
terminal de entrada i_{k}, se asignan los siguientes valores a las
señales de control:
De esta forma quedan definidos los m
estados de conmutación que permiten conectar el terminal de salida a
los m terminales de entrada. La siguiente tabla presenta un
resumen de estos estados de conmutación:
En el estado de conmutación k, se
encienden todos aquellos interruptores controlados que permiten
conectar galvánicamente con una baja impedancia el terminal de
entrada i_{k} con el terminal de salida (o) a través de m-1
dispositivos elementales. Adicionalmente, se encienden otros
interruptores controlados que permiten garantizar una tensión
v_{s} de bloqueo en los interruptores controlados apagados
igual a la diferencia de tensión entre terminales de entrada
consecutivos.
\vskip1.000000\baselineskip
Para realizar una transición entre dos estados
de conmutación adyacentes (transición de un estado de conmutación
k al inmediatamente superior (k+1) o inferior (k-1)),
es necesario cambiar el estado de m interruptores
controlados. Se procede a apagar primero los interruptores a apagar
y posteriormente se encienden los interruptores a encender. Sea
k_{i} el estado de conmutación inicial y k_{f} el
estado de conmutación final de la transición entre estados
adyacentes. Si (k_{f} -
k_{i})\cdoti_{o}>0 (donde
i_{o} es la corriente del terminal de salida (Figura 1)),
las pérdidas de energía de la transición se concentran en el primer
dispositivo que se enciende. Si (k_{f} -
k_{i})\cdoti_{o}<0, las pérdidas de
energía de la transición se concentran en el último dispositivo que
se apaga. Por lo tanto, se define una estrategia de transición entre
estados de conmutación adyacentes, en la que en transiciones
sucesivas se alterna el primer interruptor que se enciende entre los
interruptores a encender y se alterna el último interruptor que se
apaga entre los interruptores a apagar. De esta forma, se
distribuyen entre todos los interruptores las pérdidas de energía de
las sucesivas transiciones.
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 1: Topología de un convertidor de
enclavamiento activo de m niveles.
Figura 2: Topología de un convertidor de
enclavamiento activo de m niveles, con indicación de la
variable de control asignada a cada interruptor controlado.
Figura 3: Topología de un convertidor de
enclavamiento activo de cinco niveles (una rama), en la que se
emplean transistores tipo Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor (MOSFET) de canal n y de enriquecimiento.
Figura 4: Topología de un convertidor de
enclavamiento activo de cinco niveles (una rama), en la que se
emplean transistores tipo MOSFET de canal n y de enriquecimiento,
con indicación de la variable de control asignada a cada
transistor.
Figura 5: Convertidor corriente
continua-corriente continua (cc-cc)
o corriente continua-corriente alterna
(cc-ca) monofásico de cinco niveles, con cuatro
fuentes de tensión y una rama.
Figura 6: Convertidor cc-cc de
cinco niveles, con bus intermedio de cc formado por cuatro
condensadores en serie y dos ramas.
Figura 7: Convertidor cc-cc o
cc-ca monofásico de cinco niveles, con fuente de
tensión conectada a cuatro condensadores en serie y dos ramas.
Figura 8: Convertidor cc-ca
trifásico de cinco niveles, con fuente de tensión conectada a cuatro
condensadores en serie y tres ramas.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se ilustra adicionalmente
mediante el siguiente ejemplo, el cual no pretende ser limitativo de
su alcance.
\vskip1.000000\baselineskip
En la Figura 3 se muestra una rama de un
convertidor de cinco niveles en la que se emplean transistores tipo
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) de canal
n y de enriquecimiento. Los diodos que se muestran en la Figura 3 se
pueden corresponder con el diodo parásito de este tipo de
transistores o con diodos externos conectados en antiparalelo con
los transistores MOSFET, tal como se indica en la Figura 3.
En la Figura 4 se indica la asignación de
variables de control a cada transistor. La rama presenta los
siguientes cinco estados de conmutación para permitir conectar el
terminal de salida con cada uno de los cinco terminales de
entrada:
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
La transición entre estados de conmutación
adyacentes se efectúa apagando primero los transistores a apagar y
encendiendo posteriormente los transistores a encender.
Adicionalmente, en transiciones sucesivas de un estado de
conmutación a otro, se alterna el transistor a apagar en último
lugar y el transistor a encender en primer lugar. Por ejemplo, en la
transición del estado de conmutación 2 al estado de conmutación 3,
los transistores S_{n21} y S_{n22} se tienen que apagar y los
transistores S_{p21}, S_{p22} y S_{p23} se tienen que
encender. Se procedería de la siguiente forma:
a) Secuencia de transistores a apagar en último
lugar en sucesivas transiciones del estado de conmutación 2 al
estado de conmutación 3:
- a.1)
- En la primera transición, el transistor que se apaga en último lugar es S_{n21}.
- a.2)
- En la segunda transición, el transistor que se apaga en último lugar es S_{n22}.
- a.3)
- En transiciones posteriores se repite el ciclo definido por a.1 y a.2.
b) Secuencia de transistores a encender en
primer lugar en sucesivas transiciones del estado de conmutación 2
al estado de conmutación 3:
- b.1)
- En la primera transición, el transistor que se enciende en primer lugar es S_{p21}.
- b.2)
- En la segunda transición, el transistor que se enciende en primer lugar es S_{p22}.
- b.3)
- En la tercera transición, el transistor que se enciende en primer lugar es S_{p23}.
- b.4)
- En transiciones posteriores se repite el ciclo definido por b.1, b.2, y b.3.
\vskip1.000000\baselineskip
En la Figura 5, Figura 6, Figura 7 y Figura 8 se
muestran ejemplos de convertidores que se pueden realizar mediante
el uso de la rama presentada en la Figura 3.
En la Figura 5 se presenta un convertidor
corriente continua-corriente continua
(cc-cc) o corriente
continua-corriente alterna (cc-ca)
monofásico, en el que se conectan fuentes de tensión entre cada
pareja de terminales de entrada adyacentes de la rama. Estas fuentes
de tensión representan sistemas que mantienen una tensión
aproximadamente constante entre sus terminales como por ejemplo
fuentes de alimentación, baterías o paneles fotovoltaicos con un
condensador conectado entre su terminal positivo y negativo. En el
terminal de salida se conecta un filtro y una carga representados
por un conjunto inductancia (L_{F}), capacidad
(C_{F}) y resistencia (R_{L}).
En la Figura 6 se presenta un convertidor
cc-cc con dos ramas, en el que se conectan elementos
capacitivos entre cada pareja de terminales de entrada adyacentes de
cada rama. La fuente de tensión de valor V_{cc} se conecta
a través de una inductancia (L_{Fa}) al terminal de salida
de la primera rama. El terminal de salida de la segunda rama se
conecta a un filtro y una carga representados por un conjunto
inductancia (L_{Fb}), capacidad (C_{F}) y
resistencia (R_{L}).
En la Figura 7 se presenta un convertidor
cc-cc o cc-ca monofásico con dos
ramas, en el que se conectan elementos capacitivos entre cada pareja
de terminales de entrada adyacentes de cada rama. Una fuente de
tensión de valor V_{cc} se conecta entre los terminales de
entrada i_{1} e i_{5}. Los terminales de salida de las ramas se
conectan a un filtro y una carga representados por un conjunto
inductancia (L_{F}), capacidad (C_{F}) y
resistencia (R_{L}).
En la Figura 8 se presenta un convertidor
cc-ca trifásico con tres ramas, en el que se
conectan elementos capacitivos entre cada pareja de terminales de
entrada adyacentes de cada rama. Una fuente de tensión de valor
V_{cc} se conecta entre los terminales de entrada i_{1} e
i_{5}. Los terminales de salida de las ramas se conectan a un
filtro y una carga trifásicas representados por un conjunto
inductancia (L_{F}) y resistencia (R_{L}) en serie
por fase.
Claims (4)
1. Un convertidor de energía eléctrica de
enclavamiento activo de cuatro o más niveles, caracterizado
por estar constituido por una estructura piramidal de
m\cdot(m-1)/2 celdas elementales, con un terminal de
salida y m terminales de entrada, siendo m el número de
niveles; cada celda elemental está constituida por dos dispositivos
elementales; cada dispositivo elemental está constituido por medios
para interrumpir la corriente de forma controlada y medios para
interrumpir la corriente de forma no controlada.
2. Un método de control del convertidor de
energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles de
la reivindicación 1, caracterizado por que se definen
m-1 variables de control (c_{j}, j \in {1,
2, ..., m-1}) para representar el estado de las señales de
control de los interruptores electrónicos controlados, con dos
posibles valores, cero y uno, que indican que el interruptor
correspondiente está apagado o encendido, respectivamente; la
variable de control c_{j} se asigna a la diagonal de
interruptores S_{njy}, y \in {1, 2, ..., j}, y su
valor complementario (\overline{\mathit{c}}_{j}) a la diagonal de
interruptores S_{pjy}, y \in {1, 2, ..., m-j};
para conectar eléctricamente el terminal de salida (o) al terminal
de entrada
i_{k} (k \in {1, 2, ..., m}) se establece c_{j} = 0 para todo j<k y se establece c_{j} = 1 para todo j\geqk.
i_{k} (k \in {1, 2, ..., m}) se establece c_{j} = 0 para todo j<k y se establece c_{j} = 1 para todo j\geqk.
3. Un método de control de un convertidor de
energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles
según reivindicación 2, caracterizado por que las sucesivas
transiciones entre dos estados de conmutación adyacentes se efectúan
alternando el último interruptor a apagar entre los interruptores a
apagar.
4. Un método de control de un convertidor de
energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles
según reivindicación 2, caracterizado por que las sucesivas
transiciones entre dos estados de conmutación adyacentes se efectúan
alternando el primer interruptor a encender entre los interruptores
a encender.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200902246A ES2378865B1 (es) | 2009-11-23 | 2009-11-23 | Convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles y método de control. |
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|---|---|---|---|
| ES200902246A ES2378865B1 (es) | 2009-11-23 | 2009-11-23 | Convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles y método de control. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2378865A1 true ES2378865A1 (es) | 2012-04-18 |
| ES2378865B1 ES2378865B1 (es) | 2013-03-01 |
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ID=45891605
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|---|---|---|---|
| ES200902246A Active ES2378865B1 (es) | 2009-11-23 | 2009-11-23 | Convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles y método de control. |
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|---|---|
| ES (1) | ES2378865B1 (es) |
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2009
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|---|---|
| ES2378865B1 (es) | 2013-03-01 |
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| FG2A | Definitive protection |
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