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obotiker-Tecnalia cuenta con unadilatada experiencia en el campo de la electrónica de potencia. En con- creto, en el área de los convertidores multinivel su actividad investigadora se prolonga ya durante más de dos años. Fruto del trabajo realizado se han ob- tenido, entre otros, los resultados que se presentan a continuación y que tie- nen como objetivo verificar las princi- pales ventajas introducidas por este tipo de sistemas.Para obtener estos resultados se dis- pone de una plataforma experimental formada por dos convertidores de tres niveles de fijación por diodos de 20kW de potencia nominal que comparten el bus de continua (conexión conocida como back- to-back). Uno de es- tos convertidores es comercial, sin embar- go, el otro ha sido construido en el pro- pio centro. Para el control de estos con- vertidores se utilizan dos tarjetas. Una de ellas se basa en el DSP TMS320F2812 y se encarga de ejecutar los algoritmos de control. En la segunda de las tarjetas se incluyen los
drivers necesarios para el control de los IGBT y cierta lógica programable responsable, por una parte, de gestio-
nar los posibles errores de los conmutadores (rotura de uno de ellos, cortocircuitos producidos por fallos de control, etc.) y, por otra, de la correcta generación de los tiempos muertos requeri- dos por los semiconductores. Am- bas tarjetas se conectan entre sí a través de un enlace de fibra óp- tica.
En la figura adjunta se muestran las for- mas de onda experimentales de ten- sión y corriente obtenidas cuando uno de los convertidores se conecta a una carga R-L trifásica en estrella. A la vis- ta de dichas formas de ondas, ya se pue- den deducir dos de las principales ven- tajas derivadas del uso de este tipo de convertidores. Por una parte, se puede observar cómo las variaciones transito- rias de tensión se reducen a la mitad comparadas con las obtenidas con un convertidor de dos niveles y, además, la forma de onda de la tensión tiene un ca- rácter más sinusoidal que la que se ob-
tendría con un convertidor de dos niveles equivalente. Lo anterior se traduce en una disminución en la distorsión ar- mónica total (THD) de las corrientes y tensiones generadas, o lo que es lo mismo, la posibilidad de disminuir la frecuencia de conmutación de los dispositivos semiconductores. Esta mejora de la distorsión armónica, en el caso de un sistema conectado a red, también se puede traducir en una reducción del tamaño del filtro de conexión a red, lo que implica una reducción en los costes de este elemento. Para cuantificar esta mejoría se han realizado medidas de calidad de las corrientes obtenidas con el convertidor de tres niveles y se han comparado con las obtenidas con un convertidor de dos niveles de características similares obteniendo los resultados que se muestran en la tabla de la página anterior [4]. Se puede observar cómo la distorsión armónica de la corriente inyectada a red por el convertidor de tres nive- les experimenta una mejora, que varía entre un 15% y un 25% respecto a la obtenida con un convertidor de dos niveles. También se han realizado medidas de la eficiencia del sistema y se han comparado con los resultados ob- tenidos con un convertidor de dos niveles. En la figura inferior se muestran los rendimientos obtenidos a partir de las simulaciones de un convertidor de 2MW. Puede observarse cómo el convertidor multinivel presenta siempre un mayor rendimiento, que se acentúa cuando se trabaja con potencias inferiores a la nominal. Esta característi- ca resulta muy interesante en aquellas aplicaciones, como por ejemplo las energías renovables, en las que el con- vertidor debe trabajar con potencias inferiores a la nominal durante largos periodos de tiempo, ya que el ahorro en la energía generada puede ser considerable.
Así pues, si a estos resultados, que ponen de manifiesto las ventajas introducidas por los convertidores multinivel, les unimos la ca- pacidad que tienen estos convertidores para manejar altos voltajes, o lo que es lo mismo, altas potencias de funcionamiento, por su propio diseño estructural podemos concluir que este tipo de sistemas representan una solución adecuada para aquellas aplicaciones en las que se necesite procesar grandes can- tidades de energía, y maximizar tanto la cali- dad de dicha energía como el rendimiento del sistema.
Porcentaje THD (%) THD (%) Diferencia potencia nominal 2 Niveles 3 Niveles relativa
100% (29.2 A) 0.81 0.7 15.57%
70% (20.15 A) 1 0.85 15%
50% (14.2 A) 1.6 1.35 15.6%
25% (7 A) 2.9 2.3 20%
15% (5.5 A) 5.5 4.1 25.4%
entre las cuales los convertidores multinivel ocupan un lugar destaca- do debido a las ventajas que intro- duce su utilización. En este artículo se describen las principales carac- terísticas de este tipo de converti- dores, así como su principio de fun- cionamiento, y se aportan resultados que verifiquen las ventajas deriva- das de su utilización.
Convertidores multinivel
Los convertidores multinivel se ba- san en el conexionado en serie de varios dispositivos semiconductores y la diferencia fundamental respec- to al convertidor de dos niveles ra- dica en que la tensión de alterna se genera a partir de más de dos nive- les de tensión continua. Su funcio- namiento básico se puede observar
en la figura de la página anterior. En el convertidor de dos niveles, la ten- sión generada solamente puede to- mar los valores 0 o Vdc, mientras que en el convertidor de tres niveles la forma de onda de la tensión de sali- da se puede generar a partir de tres valores diferentes de tensión (0, Vdc/2 y Vdc). Generalizando lo anterior, para un convertidor de n niveles la
Tarjeta de control basada en DSP. Convertidor de fijación por diodos de tres
niveles de 20kW de potencia nominal.
Distorsión armónica de las corrientes generadas con un convertidor de dos y tres niveles.
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ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Automática e Instrumentaciónfi
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En la figura adjunta se muestran las for- mas de onda experimentales de ten- sión y corriente obtenidas cuando uno de los convertidores se conecta a una carga R-L trifásica en estrella. A la vis- ta de dichas formas de ondas, ya se pue- den deducir dos de las principales ven- tajas derivadas del uso de este tipo de convertidores. Por una parte, se puede observar cómo las variaciones transito- rias de tensión se reducen a la mitad comparadas con las obtenidas con un convertidor de dos niveles y, además, la forma de onda de la tensión tiene un ca- rácter más sinusoidal que la que se ob-
tendría con un convertidor de dos niveles equivalente. Lo anterior se traduce en una disminución en la distorsión ar- mónica total (THD) de las corrientes y tensiones generadas, o lo que es lo mismo, la posibilidad de disminuir la frecuencia de conmutación de los dispositivos semiconductores. Esta mejora de la distorsión armónica, en el caso de un sistema conectado a red, también se puede traducir en una reducción del tamaño del filtro de conexión a red, lo que implica una reducción en los costes de este elemento. Para cuantificar esta mejoría se han realizado medidas de calidad de las corrientes obtenidas con el convertidor de tres niveles y se han comparado con las obtenidas con un convertidor de dos niveles de características similares obteniendo los resultados que se muestran en la tabla de la página anterior [4]. Se puede observar cómo la distorsión armónica de la corriente inyectada a red por el convertidor de tres nive- les experimenta una mejora, que varía entre un 15% y un 25% respecto a la obtenida con un convertidor de dos niveles. También se han realizado medidas de la eficiencia del sistema y se han comparado con los resultados ob- tenidos con un convertidor de dos niveles. En la figura inferior se muestran los rendimientos obtenidos a partir de las simulaciones de un convertidor de 2MW. Puede observarse cómo el convertidor multinivel presenta siempre un mayor rendimiento, que se acentúa cuando se trabaja con potencias inferiores a la nominal. Esta característi- ca resulta muy interesante en aquellas aplicaciones, como por ejemplo las energías renovables, en las que el con- vertidor debe trabajar con potencias inferiores a la nominal durante largos periodos de tiempo, ya que el ahorro en la energía generada puede ser considerable.
Así pues, si a estos resultados, que ponen de manifiesto las ventajas introducidas por los convertidores multinivel, les unimos la ca- pacidad que tienen estos convertidores para manejar altos voltajes, o lo que es lo mismo, altas potencias de funcionamiento, por su propio diseño estructural podemos concluir que este tipo de sistemas representan una solución adecuada para aquellas aplicaciones en las que se necesite procesar grandes can- tidades de energía, y maximizar tanto la cali- dad de dicha energía como el rendimiento del sistema.
tensión de salida podrá tomar n va- lores diferentes.
Las principales ventajas de este tipo de convertidores respecto a las topologías de 2 niveles son las si- guientes:
• Posibilidad de alcanzar altos vol- tajes de salida sin que los interrup- tores tengan que soportar tensiones de trabajo elevadas.
• Bajo contenido armónico en las tensiones y corrientes generadas. • Mejor eficiencia en todo el ran- go de potencias.
• Limitación de los transitorios de tensión.
Se han propuesto varios tipos de to- pologías para estos convertidores, siendo las tres más importantes la
Topología de fijación por diodos, la
Topología de condensadores flo- tantes y la Topología de puentes H en cascada [2]. De todas ellas, la más
utilizada es la de fijación por diodos de tres niveles y, debido a ello, es en la que se centra este artículo.
Convertidor de fijación por diodos
En la figura superior se muestra un convertidor de tres niveles de fijación
Curvas de eficien- cia para converti- dores de dos y tres niveles.
Formas de onda generadas por el convertidor cuando se conecta a una carga R-L en estrella. (a) Tensión línea-línea. (b) Corrientes.
Rendimient
o (%)
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Julio 2006 / n.º 376por diodos. Este tipo de convertidor fue introducido por primera vez por A. Nabae et al. en 1981 [3]. Puede ob- servarse cómo el bus de continua se encuentra dividido mediante dos con- densadores conectados en serie. El punto neutro 1 se encuentra conec- tado a las ramas principales del con- vertidor a través de los diodos de fi- jación, que son los responsables de generar un nivel de tensión igual a Vdc/2 en la forma de onda de la ten- sión de salida. Estos diodos, además, son los encargados de bloquear la tensión máxima que deben soportar el resto de conmutadores, limitán- dola a un valor igual a la mitad de la tensión del bus.
Para describir los posibles estados de conmutación de los interrupto- res capaces de producir una forma de onda escalonada como la mostrada en la primera figura nos centraremos en el estudio de una única rama del con- vertidor trifásico de la figura superior. Los posibles estados de conmuta- ción, así como las tensiones que se obtienen a la salida se indican en la tabla adjunta.
Las principales características de esta topología, si se compara con el resto de topologías de convertido- res multinivel existentes, son el bajo número de elementos capacitivos de que precisa y la posibilidad de cone-
xión a una única fuente de tensión. Esto, en definitiva, hace que el con- vertidor sea más económico y, por lo tanto, se comprende fácilmente que esta topología sea la más utilizada en aplicaciones industriales en la ac- tualidad.
Sin embargo, la principal dificultad en su utilización radica en el equili- brado de la tensión del punto neutro. Este problema se deriva del hecho de que el convertidor solamente se co- necta a una única fuente de tensión y, por lo tanto, bajo determinadas con- diciones de funcionamiento, pueden aparecer oscilaciones o incluso ines- tabilidad en la tensión de dicho pun- to. Esto se traduce en un empeora- miento en la calidad de la energía procesada e implica, además, un so- bredimensionado del sistema, ya que los dispositivos semiconductores es- tarán sometidos a un mayor voltaje. Con el objetivo de minimizar en la medida de lo posible esta desviación de la tensión del punto neutro, o in- cluso eliminarla, se ha venido reali- zando en los últimos años una im- portante labor investigadora que ha dado como resultado el desarrollo de diversos algoritmos de modula- ción capaces de solventar dicho pro- blema. Todos estos algoritmos están basados en la adición de una com- ponente homopolar a los voltajes de referencia que se desean generar y
■ Esquema de un convertidor de tres niveles de fijación por diodos.
■ Diagrama vectorial para un convertidor de tres niveles.
Posibles estados de conmutación para un convertidor de fijación por diodos de tres niveles
S1 S2 S3 S4 Tensión de salida respecto al punto 0
ON ON OFF OFF Va0= Vdc
OFF ON ON OFF Va0= Vdc/2
OFF OFF ON ON Va0= 0
de esta manera controlar, en función de las corrientes circulantes por las ramas del convertidor, el tiempo que las distintas fases están conectadas al punto neutro.
De entre todas estas técnicas de modulación, quizás la más utilizada sea la modulación vectorial, porque permite maximizar la amplitud en las tensiones generadas, así como
minimizar la frecuencia de conmu- tación de los dispositivos semicon- ductores; además, el tiempo nece- sario para su procesado es reducido. Esta técnica se basa en el diagrama vectorial que se muestra en la figu- ra de la página anterior y que está formado por los 27 posibles vectores que pueden ser generados con el convertidor. Su principio de funcio-
namiento se basa en aplicar los tres vectores más cercanos al de refe- rencia en cada periodo de modula- ción, de manera que el promedio de la tensión de salida sea igual al de re- ferencia y su contenido armónico sea mínimo.
Además, el equilibrado de la ten- sión del punto neutro se consigue mediante la correcta elección de los vectores redundantes. Estos vecto- res, agrupados por parejas, tienen la propiedad de generar la misma ten- sión de salida, pero hacen circular por el punto neutro corrientes de senti- do contrario, de tal forma que me- diante su correcta elección se pue- de controlar la carga de los condensadores o, lo que es lo mismo, la tensión del punto neutro.
Salvador Ceballos, Javier García-Tejedor, Pedro Ibáñez Unidad de Energía de Robotiker-Tecnalia 61
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