Entre los principales problemas con el uso de conversores multinivel es la presencia de m´ultiples fuentes flotantes, lo que aumenta el costo y disminuye la confiabilidad del conversor. Otro problema es la disminuci´on de niveles (y por consiguiente de calidad de voltaje) al disminuir el ´ındice de modulaci´on, lo cual implica que a bajos voltajes el voltaje tiene una alta distorsi´on.
Esta tesis propone una formulaci´on, implementaci´on y an´alisis en conjunto de dos m´etodos de control para el reemplazo de fuentes flotantes por capacitores en un conversor multinivel, lo cual tiene como objetivo disminuir el costo, p´erdidas y complejidad de ´este. Adem´as, se propone un control de voltaje variable para las fuentes de poder del puente principal que, en conjunto con el control de los capacitores, asegura la m´axima calidad de voltaje (menor distorsi´on arm´onica) posible en cualquier nivel de voltaje y frecuencia.
El control puede generalizarse a conversores de cualquier n´umero de niveles y cualquier tipo de asimetr´ıa, puesto que los principios te´oricos del control del conversor no son ´unicos a ninguna topolog´ıa espec´ıfica.
1.3.1. Objetivos
- Objetivo General
El objetivo general de esta tesis es la obtenci´on de un conversor multinivel operativo que reemplace fuentes independientes por capacitores flotantes en mas de una celda por fase. La herramienta para lograr este objetivo es la implementaci´on de dos controles inde- pendientes que modulen el flujo de potencia de los capacitores ya mencionados. M´ultiples controles ya han sido propuestos para cumplir este objetivo (Pereda & Dixon, 2013; Pereda et Al, 2010; Dixon & Pereda, 2011; Rotella et al, 2009; Yuanhua, 2004), con distintos enfoques y resultados.
Estos dos controles se combinan con una estrategia de control de voltaje para las celdas del puente principal que asegura una onda de alta calidad en todo el espectro de potencia. Para ello, se mantiene el ´ındice de modulaci´on constante, variando el voltaje de las fuentes flotantes de manera de variar el voltaje a niveles constantes. El mantener el ´ındice de modulaci´on acotado es una condici´on necesaria para la factibilidad del control de ambos auxiliares, evitando adem´as regeneraci´on indeseada en ellos.
Las mejoras propuestas son: Menor complejidad del conversor, menores p´erdidas por conmutaci´on en los semiconductores y conducci´on a trav´es de las fuentes flotantes, mayor confiabilidad, y una gran calidad de potencia a trav´es de todo el espectro de voltaje y frecuencia. Para aplicaciones en voltaje variable, como la propuesta, el utilizar un ´ındice de modulaci´on requiere conversores DC-DC en los puentes principales, lo que aumenta el costo y reduce la eficiencia.
- Objetivos Espec´ıficos
• Analizar el efecto de las asimetr´ıas en la potencia y niveles de un convertidor.
• Proponer el m´etodo de control FCm, a trav´es de an´alisis de potencia monof´asico y trif´asico de un convertidor.
• Proponer el control MPC-DSVM, a trav´es de la formulaci´on de un problema de control ´optimo.
• Realizar simulaciones de una estrategia de control conjunta para los cuatro nive- les (DC/DC, Principal, Aux-1, Aux-2) que compatibilice los controles presenta- dos anteriormente y cumpla los objetivos generales del convertidor
• Implementar experimentalmente, para una carga real (motor de inducci´on) el convertidor y el control propuesto en las simulaciones.
• Probar la respuesta din´amica del conversor ante distintas trayectorias de voltaje en referencia y la robustez de los m´etodos de control ante cambios en la carga y condiciones de control.
1.3.2. Hip´otesis
Las hip´otesis presentadas en esta tesis son:
• H1: La utilizaci´on de los esquemas de control para las cuatro etapas permite
un balance correcto de todas las fuentes aisladas asociadas al conversor, con una salida con niveles de voltaje y de frecuencia acordes con las referencias del usuario.
• H2: La THD del voltaje es relativamente independiente de la magnitud del
voltaje y frecuencia, con una alta calidad de potencia.
• H3: La din´amica del control del conversor es suficientemente r´apida para garan-
tizar su utilizaci´on en aplicaciones de voltaje y frecuencia variable. El control es estable ante cambios en las referencias.
1.3.3. Metodolog´ıas
Para comprobar o refutar las hip´otesis se propone el siguiente esquema a seguir:
• Desarrollo de un an´alisis matem´atico que justifique o refute la factibilidad del cumplimiento de los objetivos propuestos por el conversor.
– Explicaci´on del tipo de control de voltaje de los convertidores DC/DC y del principal
– Desarrollo de la teor´ıa bajo el control del primer auxiliar
– Desarrollo de modelo de optimizaci´on bajo el control del segundo auxiliar
• Simulaciones con par´ametros reales que permitan comprobar el comportamiento del modelo matem´atico del conversor.
– Simulaci´on de la respuesta est´atica del conversor en distintos niveles de frecuencia y voltaje
– Simulaci´on de la respuesta din´amica del conversor para un escal´on (condi- ciones l´ımites) y una rampa
– Prueba experimental de la respuesta est´atica del conversor en distintos nive- les de frecuencia y voltaje
– Prueba experimental de la respuesta din´amica del conversor para un escal´on y una rampa.
1.3.4. Organizaci´on de la Tesis
El cuerpo de la tesis se divide en cuatro cap´ıtulos que se organizan de la siguiente manera:
• El cap´ıtulo 2incluye informaci´on b´asica de los conversores multinivel en cas- cada (CM), del cual el conversor propuesto forma parte
• Elcap´ıtulo 3hace un an´alisis de los par´ametros relevantes para el control de los conversores CM, con ´enfasis a las variables que tienen peso en el cumplimiento de los objetivos de la tesis
• El cap´ıtulo 4propone y explica la topolog´ıa y el control del conversor para su implementaci´on
• Elcap´ıtulo 5contiene la metodolog´ıa y resultados de las simulaciones e imple- mentaci´on en laboratorio del conversor
El cap´ıtulo 6 contiene las conclusiones de la tesis y los Anexos contienen nomen- clatura y agregados relevantes, como programaci´on, figuras, datos de placa, etc.