Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005

Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica Zacatecas, Zac, Marzo 17 —18, 2005

Funcionamiento de Convertidores Multinivel A. Limón Morín, I. Campos-Cantón, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Álvaro Obregón 64, 78000 San Luis Potosí, S.L.P., México Teléfono (444) 8 26 23 17 Fax (444) 8 26 23 18, Correo-e: [email protected] E. Bárcenas Bárcenas, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), Interior Internado Palmira S/N, 62420, Cuernavaca, Mor. México Teléfono (777) 3 18 77 41 y 3 12 23 14 Resumen — Los inversores multinivel han atraído recientemente el interés en el campo de la electrónica de potencia por su innovación ya que tienen propiedades que son adecuadas para uso en compensación de potencia reactiva. La estructura única de fuente de voltaje de los inversores multinivel les permite alcanzar altos voltajes con bajo nivel armónico, sin uso de transformadores o de dispositivos de conmutación sincronizada conectados en serie. A medida que aumenta la cantidad de niveles de voltaje, se reducen en forma importante el contenido de armónicas en la forma de onda de voltaje de salida. En este presente trabajo se dan a conocer las tres topologías multinivel: 1) diodo fijador, 2) condensadores flotantes y 3) inversor en cascada, y se presentará el principio de operación, características, ventajas y desventajas de cada convertidor. Abstract — The multilevel inverters have recently attracted the interest in the field of the power electronics by its innovation of propertys that are adapted for use in compensation of reactive power. The unique structure of voltage source of the multilevel inverters allows them to reach high voltages with low harmonic level; without use of transformer or switching synchronize devices conected in series. As the number of levels increases, the output waveform reduces to minimum harmonic distortion. This paper presents three multilevel topologies: 1) diode-clamp, 2) flying-capacitors and 3) cascaded-inverter. The operation principle, features, advantages and disadvantage of each converter are presented. Palabras Clave – Condensadores flotantes, diodo-fijador, inversor en cascada, inversores multinivel.

I. 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 [1]. Inversor multinivel con diodo fijador (DCMLI) [2]. Inversor multinivel con condensadores flotantes (FCMLI). Inversor multinivel en cascada. (CMLI) [3]. II. INVERSOR MULTINIVEL CON DIODO FIJADOR. El Inversor Diodo fijador consiste, en (m-1) condensadores en el canal de cd y produce m niveles en el voltaje de fase.

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Su función principal 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 [4]. Una rama de inversor en m niveles requiere. (m-1) condensadores 2(m-1) dispositivos de conmutación (m-1)(m-2) diodos fijadores En la Figura 1 muestra la topología de diodos fijadores, en forma trifásica para un inversor multinivel de diodos fijadores de 5 niveles. Los niveles se definen como el número de escalones de tensión que se obtiene entre una salida monofásica A, B o C y el nivel de tierra. A.

Principio de operación. Para analizar un voltaje de salida en escalera sólo se considerara la primera rama del inversor. Los pasos para sintetizar los voltajes de 5 niveles, son: 1. Para un nivel de voltaje de salida v a 0 = Vcd , activar todos los interruptores de la mitad superior, S a1 a S a 4 . 2. Para un nivel de voltaje de salida v a 0 = 3Vcd / 4 , activar los tres interruptores superiores S a 2 a S a 4 y un interruptor inferior, S´a1 . 3. Para un nivel de voltaje de salida v a 0 = Vcd / 2 , activar dos interruptores superiores S a 3 y S a 4 y dos interruptores inferiores, S´a1 y S´a 2 . 4. Para un nivel de voltaje de salida v a 0 = Vcd / 4 , activar un interruptor superior

S a 4 y 3 interruptores inferiores, S´a1 a S´a 3 . 5. Para un voltaje de salida v a 0 = 0 , activar todos los interruptores de la mitad inferior, S´a1 a S´a 4 . V5

S a1

Sb1

S a2

Sc1

Sb2

C

4

C

3

Sc2 V4

S a3

S a4

Sb3

Sc3

Sb4

Sc4 V3

A S´a1

B S´b1

C S´c1

C2 S´ a2

S´b2

S´c2

V2

S´a3

S´b3

S´c3

S´a4

S´b4

S´c4

C1

0

Figura 1. Inversor multinivel de 5 niveles trifásico.

V1

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En la Tabla I muestra los niveles de voltaje y sus estados de conmutación. Su condición es: Estado 1. El interruptor está activo o cerrado. Estado 0. El interruptor está desactivado o abierto. TABLA I. NIVELES DE VOLTAJE CON DIODO FIJADOR Y SUS ESTADOS DE CONMUTACIÓN

Salida

Estado de Conmutación

Va 0

S a1

Sa2

S a3

Sa4

S´a1

S´a 2

S´a 3

S´a 4

V5 = Vcd

1

1

1

1

0

0

0

0

V4 = 3Vcd / 4

0

1

1

1

1

0

0

0

V3 = Vcd / 2

0

0

1

1

1

1

0

0

V2 = Vcd / 4

0

0

0

1

1

1

1

0

V1 = 0

0

0

0

0

1

1

1

1

En la Figura 2 muestra la forma de onda de voltaje de fase del inversor en cinco niveles. El voltaje de línea que resulta es una onda escalonada con cinco niveles. Esto implica que es un voltaje positivo de fase de la rama de la terminal a y un voltaje negativo de fase de rama de la terminal b. Cada voltaje de fase de rama sigue una sinusoidal de media onda. Esto implica que un convertidor de nivel m tiene un voltaje de salida de fase de m niveles y un voltaje de salida de línea de (2m-1) niveles. vo

Va 0 Onda fundamental

V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 -V 2 -V 3 -V 4

de VC-ab

-V 5

V0b

Figura 2. Formas de onda de voltaje fundamental y de fase de un inversor en cinco niveles.

B. Características del Inversor con Diodo Fijador. A continuación se presentan las características de esta topología. 1.

Especificación de alto voltaje para diodos de bloqueo. Cada dispositivo de conmutación solo debe bloquear un nivel de Vcd /( m − 1) , los diodos fijadores deben tener distintas especificaciones de bloqueo de voltaje en sentido inverso. En una rampa de m niveles puede haber dos diodos, cada uno un voltaje de bloqueo.

Vo = Donde m es la cantidad de niveles K va de 1 a (m-2) Vcd voltaje total de enlace cd

m −1− k Vcd m −1

(1)

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El voltaje nominal de bloqueo de cada diodo es igual al del dispositivo conmutador. La cantidad de diodos necesarios para cada fase se calculan por medio de la siguiente formula: N D = (m − 1) * (m − 2) (2) Si m es suficientemente grande, la cantidad de diodos hace impráctica la implementación del sistema, el cual limita, la cantidad de niveles. 2.

Diferente especificación nominal de dispositivo conmutador. Al observar en la Tabla I el interruptor S a1 sólo conduce durante v a 0 = Vcd , y el

interruptor S a 4 conduce durante todo el ciclo, excepto en el intervalo en va 0 = 0 . Este trabajo de conducción desigual requiere distintas especificaciones nominales de corriente para los dispositivos de conmutación. Si en el diseño del inversor se usa el ciclo de trabajo promedio para determinar las especificaciones del dispositivo, los interruptores superiores pueden estar sobredimensionados, y los inferiores pueden estar subdimensionados. 3.

Desbalanceo del voltaje de condensadores. Los niveles de voltaje en las terminales de capacitor y las corrientes que suministran los capacitores son diferentes. Si se opera con factor de potencia unitario el tiempo de descarga para la operación del inversor (o tiempo de carga para la operación de rectificación) es distinto para cada capacitor. Esta carga se repite cada medio ciclo, el resultado son voltajes desbalanceados de capacitor, entre los distintos niveles. Este desbalanceo de voltaje en un convertidor multinivel se puede resolver: Reemplazando capacitores por una fuente controlada de voltaje cd constante. Reguladores de voltaje PWM. Baterías. III. INVERSOR MULTINIVEL CON CONDENSADORES FLOTANTES.

Para este tipo de inversor multinivel, la salida puede expresarse como las posibles combinaciones de conexión 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 tensión. A. Principio de operación. Como se observó en la topología anterior existen diversas combinaciones de interruptor para generar el voltaje de salida con cinco niveles. Sin embargo, en la Tabla II se presenta una lista de una combinación posible de los niveles de voltaje y sus estados correspondientes de interruptor. Para usar una combinación de interruptores se requiere que cada dispositivo sólo se active una vez por ciclo.

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TABLA II. COMBINACIÓN POSIBLE DE INTERRUPTORES EN EL INVERSOR CON CONDENSADORES FLOTANTES.

Salida

Estado de Conmutación

Va 0

S a1

Sa2

S a3

Sa4

S´a 4

S´a 3

S´a 2

S´a1

V5 = Vcd

1

1

1

1

0

0

0

0

V4 = 3Vcd / 4

1

1

1

0

1

0

0

0

V3 = Vcd / 2

1

1

0

0

1

1

0

0

V2 = Vcd / 4

1

0

0

0

1

1

1

0

V1 = 0

0

0

0

0

1

1

1

1

En la Figura 3 muestra un inversor de 5 niveles trifásico. Por medio de las conmutaciones adecuadas se proporciona a la salida la tensión presente en los condensadores, y la carga es conectada en delta o estrella entre los puntos A, B y C. V

5

Sa1

Sb1

Sc1

C4 Sa2

Sb2

Sa3

Sb3

Sc2

V

4 Sc3

C3

Sa4

Ca1

V3

Sc4

Sb4

B

A

S'a4

S´ b4

C S´ c4

C2 S´a3

S´ b3

S´ c3

V2 S´a2

S´ b2

S´ c2

S´ b1

S´c1

C1 S´a1 V1

0

Figura 3. Inversor Multinivel de 5 niveles trifásico.

La ventaja más importante de esta topología es que no necesita los diodos de enclavamiento presentes en la topología anterior. Esta topología introduce más estados de conmutación que pueden ser usados para mantener balanceada la carga de los condensadores [5]. A diferencia de la topología de diodos, tiene condensadores individuales por fase, lo cual permite controlar cada fase por separado. B. Características del Inversor con Condensadores Flotantes. Las características principales son las siguientes: 1. Los condensadores ven un rizo de corriente a la frecuencia fundamental, o a una mayor, dependiendo de la estrategia de modulación.

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2. El esfuerzo en tensión de los dispositivos se balancea con el número de niveles. Al aumentar el número de niveles la tensión que debe manejar cada dispositivo es menor. 3. Proporciona diferentes combinaciones de conmutación en los dispositivos para una tensión de salida, permitiendo tener flexibilidad para mantener la carga en los condensadores. 4. El arranque es más complejo que la topología DCMLI. Debido a su misma estructura, esta topología 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 algún sistema externo para monitorear la carga de los condensadores y mantenerlos a la tensión deseada. IV. INVERSOR MULTINIVEL EN CASCADA. Consiste en una serie de unidades inversoras de medio puente (monofásicas, puente completo). La función de este inversor multinivel es sintetizar un determinado voltaje a partir de varias fuentes separadas de cd (SDCS, Several Separate dc Sources) [6]. Este tipo de configuración es muy utilizada en aplicaciones en fuentes de ca y variadores de velocidad. El inversor en cascada no requiere de diodos de enclavamiento (fijadores) o condensadores de balanceo de tensión. También, se puede obtener una mínima distorsión armónica al controlar los ángulos de disparo de los diferentes niveles de tensión [7]. La conexión trifásica para un inversor en cascada puede ser conectado en delta (∆ ) o estrella (Y ) , el esquema muestra las conexiones para las fases A, B, C y la conexión a neutro. En la Figura 4 muestra el diagrama para la configuración de (Y ) de 5 niveles. A

B S1

C S1

S2

S2

S1

S2

2V cd S´1

S´2

S3

S4

S´3

S´ 4

S´1

S3

V

cd

S´

3

S´2

S

4

S´

4

S´1

S´2

S

3

S´ 3

S

4

S´

4

N

Figura 4. Inversor multinivel de inversores en cascada trifásico de 5 niveles

A. Principio de Operación. Cada nivel de inversor genera tres salidas distintas de voltaje, + Vcd , 0, − Vcd , conectando la fuente cd se conecta con el lado de salida ca mediante diversas combinaciones de los cuatro interruptores S1 , S 2 , S 3, S 4 . Considerando el nivel superior de la Figura 5, al activar S1 , S´2 se obtiene v a 2 = +Vcd . Al activar S´1 , S 2 se obtiene v a 2 = −Vcd . Al desactivar todos los interruptores se obtiene v a 2 = 0 .

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v an fundamental

2V cd

van

ia

-2V

cd

v a1

v a2

Figura 5. Forma de onda de salida de voltaje de fase de 5 niveles.

La secuencia de conmutación necesaria para obtener los cinco niveles de la Figura 5, en el cual sólo se considera la primera rama del inversor, se muestra en la Tabla III se presenta una lista de una combinación posible de los niveles de voltaje y sus estados correspondientes de interruptor. TABLA III. NIVELES DE VOLTAJE Y SUS ESTADOS DE CONMUTACIÓN.

Salida

Estado de Conmutación

Va 2

S1

S2

S3

S4

S´1

S´ 2

S ´3

S´ 4

2Vcd

1

0

1

0

0

1

0

1

Vcd 0 − Vcd

1

0

1

1

0

1

0

0

1 0

1 1

1 0

1 0

0 1

0 0

0 1

0 1

− 2Vcd

0

1

0

1

1

0

1

0

En esta topología el número de niveles, m, se define en función del número de fuentes de cd, S, entonces: m = 2S + 1 (3) La tensión en la salida se obtiene por medio de la suma de las tensiones que cada inversor individual proporciona, entonces la tensión de fase Van se puede expresar como:

Van = V1 + V2 + V3 + V4 + V( s −1) + Vs

(4)

La corriente de fase i a , es sinusoidal y se adelanta o atrasa 90° al voltaje de fase v an . La carga promedio a cada capacitor de cd es igual a cero durante un ciclo. Por lo tanto se pueden balancear los voltajes de capacitor de todas las SDC. B. Características del Inversor en Cascada.

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A continuación se listan las principales características de la topología del Inversor Multinivel de Inversores en Cascada. a) La tensión de fase es la suma de las tensiones de salida de los inversores puente completo individuales. b) Gran flexibilidad para poder incrementar el número de niveles, ya que sólo se necesita agregar inversores sin tener que rediseñar la etapa de potencia. c) Conforme aumenta el número de niveles, la tensión que soportan los dispositivos semiconductores disminuye, debido a que cada inversor maneja solo la tensión presente en su fuente de alimentación. d) Es posible balancear las pérdidas por conmutación, ya que dependiendo del número de niveles es posible que diferentes conexiones de inversores puente completo proporcionen la misma tensión en la salida del inversor multinivel [8]. Propiedades del Inversor en Cascada. Las propiedades principales del inversor en cascada son los siguientes: •

Para conversiones de potencia real, de ca a cd y de cd a ca, los inversores en cascada necesitan fuentes separadas de cd. La estructura de las fuentes separadas de cd es adecuada para diversas fuentes de energía renovable, como celdas de combustible [9], energías renovables [10], biomasa [11].

V. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS INVERSORES MULTINIVEL Después de analizar las tres topologías, a continuación se muestra la Tabla IV las ventajas y desventajas de cada inversor. TABLA IV. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE INVERSORES MULTINIVEL

Inversor Diodo Fijador

Ventajas Contenido armónico bajo Eficiencia del inversor es alta Método de control sencillo Gran cantidad de condensadores

Condensadores flotantes

En cascada

Combinaciones extra de conmutación para balancear los niveles de tensión Control de potencia real y activa Menor cantidad de componentes No es necesario rediseñar la etapa de potencia Los dispositivos semiconductores manejan solo la tensión presente en una fuente cd.

Desventajas Demasiados diodos fijadores Difícil controlar el flujo de potencia real Número excesivo de condensadores El control del inversor es complicado

Necesita fuentes independientes de cd separadas

VI. RESULTADOS DE SIMULACIÓN.

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Las simulaciones se realizaron para el inversor multinivel en cascada; en el paquete de MATLAB 6.5, en cual se dan a conocer a continuación. En la Figura 6 se muestran los resultados de simulación obtenidos para un inversor en cascada para la tensión de salida con una carga resistiva.

Figura 6. Simulación con carga

RL

sin filtro de salida.

En la Figura 7 muestra el resultado de simulación para la tensión de salida del inversor utilizando el filtro de salida.

Figura 7. Simulación con carga

RL

con filtro de salida.

I. CONCLUSIONES Al analizar las topologias de inversores multinivel se observó que son apropiados para aplicaciones de sistemas de potencia. La aplicación sobre la cual los convertidores multinivel de fuente de voltaje pueden tener más impacto es por su principal ventaja, la división en escalones de tensión. Por su estructura, los inversores multinivel son la mejor opción para aplicaciones de media y alta tensión, debido a la manera en que distribuye la tensión en los dispositivos semiconductores, las bajas pérdidas por conmutación y el mínimo de contenido armónico en la tensión de salida. Las topologías multinivel aun son estudiadas, se proponen variantes a las estructuras básicas y se estudian nuevas técnicas de modulación. La principal área de investigación en las topologías de diodos de enclavamiento y de condensadores flotantes es el balanceo de tensiones en el bus de cd, mientras que para la topología de inversores en cascada el principal objetivo es reducir el número de fuentes de cd que necesita.

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REFERENCIAS [1]

Jih-Sheng Lai, Fang Zheng Peng, “Multilevel Converters – A New Breed of Power Converters”. IEEE, Trans. On Ind. Appl., Vol. 32, No. 3, May/June, 1996, pp. 509-517. [2] Alepuz M. S. “Aportación al control del Convertidor CC/CA de Tres Niveles”, Tesis de doctorado, UPDC, España, Noviembre 2004, pp. 7-49. [3] Barcenas, B. E., “Análisis y Desarrollo de un Inversor Multinivel”, Tesis de maestría, Cenidet, México, Julio 2000, pp. 31-39. [4] Muhammad H. Rashid, “Electrónica de Potencia” ”, 3er Ed. McGraw-Hill, 2004, pp. 406-419. [5] Leon M. Tolbert, Fang Z. Peng, “Multilevel Converters as a Utility Interface for Renewable Energy Systems”. IEEE, 2000 [6] Leon M. Tolbert, Fang Zheng Peng. “Multilevel Converters for Large Electric Drives”, IEEE, Trans. On Ind. Appl, Vol. 35, No. 1, January/February 1999, pp.36-46 [7] A. Nabae, I. Takahashi, and H. Akagi, “A new neutral-point-clamped PWM inverter”, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-17, no. 5 pp. 518 -523, Sep./Oct. 1981. [8] Qin Jiang, Thomas A. Lipo, “ Switching Angles and DC Link Voltages Optimization for Multilevel Cascade Inverters”, pp. 1 – 12 [9] James Larmine, Andrew Dicks, “ Fuel Cell Systems explained” , John Wiley&Sons,LTD, pp 259-269 [10] www.solener.com [11] www.tdx.cesca.es