[ELO384] Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos, Tarea 3
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Tarea 2 Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos. Inversor Multinivel. Nicolás Albornoz Vignola 2721028-7 Alex Medina Muñoz 2704218-K
Abstract—
El siguiente documento presenta diversos análisis teóricos de un inversor multinivel puente H de 7 niveles, el cual está configurado con 3 celdas inversoras por fase, con un total de 9 celdas. El control se realiza con portadoras desfasadas para lograr la cantidad de niveles deseada. En el documesornto se analizaran los voltajes y corrientes de salida, su calidad y se desarrollara un análisis de los desfases entre las potadoras, de cómo afectan y cuál debe ser el ángulo óptimo.
TABLA I DATOS DEL CONVERTIDOR MULTINIVEL Symbol
Nombre
Valor
f C
Frecuencia Red DC-Link Carga Inductancia de Carga Fases Ángulo de desfase entre portadoras Índice de modulación Frecuencia de salida
50 Hz 2200 [ µF] 70 [] 15[mH] 3 0°-60°
RC LC ϕ θ cr cr
. Index Terms—Inversor Multinivel Puente H, Desfase entre portadoras, Celdas Inversoras, Enlace DC-LINK.
m f S
0.9 30 [Hz]
I. INTRODUCCIÓN Dentro de la electrónica de potencia, los inversores son utilizados para crear corriente alterna a partir de un enlace DC. Los inversores multinivel utilizan varios enlaces DC en cascada de manera de aumentar la potencia que puede entregar un convertidor y mejorar el bajo contenido de armónicos. El principal uso de este tipo de convertidores, es el de accionamiento de motores trifásicos altamente utilizados en la industria, para correas, ventiladores, trenes eléctricos e incluso para accionamientos híbridos que últimamente están siendo usados en autos eléctricos. A continuación se utiliza un análisis con el simulador PSIM, de un convertidor multinivel, que entrega aproximadamente 400 KW.
II.
DESARROLLO
Simular usando PSIM un inversor multinivel puente H en cascada de 3 celdas por fase como el de la Figura 1 (con m = 3). Considere el convertidor trifásico (9 celdas en total). Asuma que tiene una fuente trifásica independiente para cada celda, utilice un puente de diodos trifásico como un rectificador en cada celda y dimensione su fuente de tal modo que el valor medio en el enlace DC sea de V dc = 1500[V] . Los parámetros para el resto del circuito son:
Figura 1 Inversor multinivel de tres celdas por fase, de 7 niveles de voltaje de salida.
Para calcular el voltaje promedio en el enlace DC, se remonta a la ecuación resultado de una integral para el rectificador de 6 pulsos puente p uente trifásico utilizado en cada celda del inversor:
= ∗
3√ 3 1
Despejando el voltaje fase para para 1500 [V] en el DC-LINK
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debe ser:
= ∗
= 1500 ∗ = 906.9[]2 3√ 3 3√ 3
Por lo tanto cada celda necesita de una red trifásica que sea alimentada por 907 [V] por fase, para el rectificador y tener 1500 [V] en el enlace DC-LINK.
i) Simule el inversor con PWM con desfase de portadora en el tiempo (Phase Shifted PWM). Para ello analice y encuentre la frecuencia de las portadoras, para que las armónicas de alta frecuencia de la tensión de salida se encuentren alrededor de los 4.2 [kHz]. Considere como ángulo de desfase entre las portadoras de las diferentes celdas θ cr = 180 / 3 = 60° .
El circuito que se muestra en la figura 2, detalla una fase con las tres celdas correspondientes. Este circuito es equivalente para las otras dos fases, haciendo un total de 9 celdas para controlar adecuadamente el inversor. Figura 3 Circuito de control de una fase para el inversor multinivel, se utilizan dos portadoras por celda en contrafase, y se utiliza un desfase entre portadoras/celda, de 60°, para lograr un nivel de 2m+1 donde m=3 celdas por fase.
Para lograr que las armónicas de alta frecuencia se centren en 4.2 KHz se mide el espectro del voltaje de salida del inversor, el espectro en frecuencia se muestra en la figura 4 y da un resultado de 700 Hz para cada portadora. El cálculo de la aparición de estas componentes no es relevante para el desarrollo de este informe.
Figura 2 Una fase del inversor multinivel muestra las tres celdas que son controladas por portadoras desfasadas.
Para el circuito de control de cada celda, se utiliza dos portadoras en contrafase para cada celda. Las portadoras son comparadas con el voltaje de referencia de la fase que se requiere. El circuito de control se muestra en la figura 3.
Figura 4 Espectro en frecuencia del voltaje VaN, de la salida de cada fase, la medición muestra las componentes de alta frecuencia alrededor de los 4.2KHz.
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a) Grafique la comparación entre la o las referencias y la o las portadoras de una celda (Según como implemente la modulación unipolar de cada celda), las señales de control respectivas, la tensión de salida de cada celda y la tensión total de salida del inversor, la tensión entre líneas, y la tensión en la carga, la corriente en la carga y sus respectivos espectros. Comente los resultados obtenidos.
Las portadoras utilizadas son las mismas para todas las fases, en el sentido de que es el mismo circuito de control como el mostrado en la figura 3, con la misma configuración de desfases (de contrafase y ángulo de desfase por cada celda, 0°, 60° y 120°). Como las portadoras son las mismas en cada fase, se analizará solo una, se asume que solo cambia la referencia y se mostraran los voltajes y corrientes de cada fase. La figura 5 muestra las tres referencias comparada con la primera portadora que se encuentra en 0° con respecto a la fase, se puede observar que se encuentran con una modulación de 0.9. Se asume también que para esta celda la segunda portadora es la contrafase de esta.
Figura 5 Las tres referencias de fases junto con la portadora de la primera celda con una modulación de 0.9.
Se analiza entonces en detalle el análisis de una sola fase, como la figura 6 de a continuación donde se muestra la referencia con la portadora y su contrafase que controla una sola celda, se realiza la comparación para extraer las señales de disparo de cada IGBTS.
Figura 6 Voltaje de referencia de la fase A con la portadora de la primera celda y su contrafase.
Figura 7 Zoom de los voltajes de referencia y portadoras (Varef, Vcr y Vcrneg) de las tres celdas de la fase A con sus respectivas salidas de control de disparo de los IGBTS (a1s1 y a1s2, donde a corresponde a la fase, el primer número a la celda de la fase y el segundo a la salida con la comparación de la portadora en contrafase).
Haciendo un zoom en los voltajes en la figura 7de comparación se puede observar en detalle el desfase de 60° entre portadoras a1s1, a2s1 y a3s1 por ejemplo. Las comparaciones se realizan entre el voltaje de referencia y una portadora (a1s1), comparación con la contrafase (a1s2), las cuales son diferentes y disparan el segundo IGBT de la celda. Ocurre lo mismo para las otras dos celdas y se crea una secuencia de disparo para crear un voltaje alterno a la salida. La figura 8 muestra los voltajes de las tres celdas de la fase A, que sumadas corresponde al voltaje de salida del inversor VaN, en el cual se puede observar los 7 niveles que se generan al combinar las salidas de las celdas. La figura 9 muestra un zoom de estas señales donde se pueden observar las tres salidas de cada celda y la suma de estas que corresponde al voltaje VaN de 7 niveles. Los voltajes de salida de cada celda están desfasados y es por eso que al sumarlos se forman los 7 niveles del diseño del convertidor.
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Al igual que en la fase A, ocurre lo mismo para las otras dos fases y las figuras 10 muestran una analogía de la figura 8, los voltajes de salida de cada celda y la suma.
Figura 8 Voltaje de referencia y los voltajes de las tres celdas de la fase A, por último la suma de los voltajes de las tres celdas que corresponde al voltaje de salida del rectificador, es decir el Voltaje VaN.
Figura 10 Voltajes de referencia de cada fase, de las celdas 1, 2 y 3 de cada fase (abc) y los voltajes de salida de cada fase VaN, VbN, VcN.
La figura 10 muestra el control realizado a las tres fases con sus respectivas tres celdas, donde se suman y forman una fuente trifásica mostrada al final de la figura, con 7 niveles en cada fase, siguen la referencia perfectamente y tienen una distorsión la cual será analizada en el punto b. La figura 11 señala la comparación entre los voltajes de salida del inversor, el voltaje en la carga, el voltaje entre líneas y las corrientes de carga. El voltaje en la carga se encuentra desfasado en 180° con respecto a las salidas del inversor y la razón es porque se hace el LVK en la maya y el voltaje se mide con respecto a la tierra de la medición de la salida del inversor. Se puede observar también que la corriente tiene la misma fase que el voltaje de carga, lo que indica que el circuito está operando correctamente por que la carga está consumiendo potencia. El voltaje entre líneas está desfasado en 30° con respecto al voltaje fase neutro común (salida del inversor), lo que también indica una correcta operación. Figura 9 Zoom de los voltajes de salida de las celdas de la fase A.
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Figura 11 Voltajes de referencias, Voltajes de salida del inversor (VaN, VbN, VcN), Voltaje en la carga (Van, Vbn, Vcn), Voltajes entre líneas (Vab, Vbc, Vca), y corrientes en la carga (Ia, Ib, Ic). b) Qué puede comentar acerca de la frecuencia de conmutación y la frecuencia de las armónicas en la carga, y sobre la calidad de la energía que produce este inversor. Emplee medidas objetivas como THD y los espectros para fundamentar sus respuestas.
A continuación se muestran los espectros para las señales de salida del inversor (figura 12), y sus respectivos THD’s (figura 13) de una sola fase, se considera que las otras dos fases se comportan de la misma forma en términos de espectros y THD.. En la figura 12 se logra observar que los armónicos de alta frecuencia se centran en los 4.2 KHz para todas las señales involucradas: Voltaje Fase Neutro VaN (Salida del inversor), corriente de salida Ia, voltaje en la carga Van y voltaje entre líneas Vab. Los armónicos se centran en los 4.2KHz por dos razones: la frecuencia de la señal portadora que corresponde a 700 KHz, y el número de portadoras que corresponde a 6, que son 3 desfasadas en 0°, 60° y 120° respectivamente y sus contrafases.
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Figura 12 Espectros de las señales de salida del inversor VaN, Ia, Van y Vab respectivamente.
Al crear las señales de control con las 6 portadoras a 700 Hz de frecuencia, la multiplicación de estos dos factores da resultado los 4.2 KHz, es decir que en un periodo de la señal de 700 Hz existen 6 conmutaciones. Se realizan pruebas cambiando la frecuencia de conmutación y se comprueba que la ubicación de las armónicas cambia con respecto a un factor de 6, correspondiente a las 6 portadoras.
Figura 13 THD de las señales VaN, Ia, Van y Vab.
Analizando el THD de las señales la cual se muestra en la figura 13, se puede ver que la señal que contiene menor distorsión armónica es la de la corriente de salida con un 6%, la cual se debe a que en la carga hay inductores que mejoran el THD. Los voltajes de salida contienen un THD muy parecido
[ELO384] Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos, Tarea 3 en torno al 21% lo cual es muy aceptable considerando que solo se ha reducido la distorsión con la configuración del inversor en modo multinivel.
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VaNN 6K 4K
ii) Corrobore empíricamente que el ángulo óptimo de desfase entre portadoras es =180/3=60. Para ello se
2K 0K
sugiere calcular el THD de la tensión de salida para distintos ángulos . Grafique la dependencia del THD para distintos ángulos de desfase para apoyar su corroboración.
-2K -4K -6K
Para obtener el THD de la tensión de salida, se tiene la siguiente fórmula:
=
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.04
0.05
Time (s)
Figura 15 Tensión VaN con desfase 30°.
−
VaN
Las tensiones necesarias para calcular el THD se obtienen desde SIMVIEW. Mediante un arreglo en Excel se obtienen los valores de THD:
6K 4K 2K 0K
THD
2923,46
3488,38
0,65101
2933,5
3278,35
0,49892987
2932,23
3123,16
0,36669933
2931,02
3034,9
0,26858756
2931,38
3005,5
0,22629488
2929,8
3035,29
0,2707548
2925,57
3135,59
0,38565388
2929,8
3035,29
0,2707548
2931,38
3005,5
0,22629488
2931,02
3034,9
0,26858756
2932,23
3123,16
0,36669933
0K
2933,5
3278,35
0,49892987
-2K
2923,46
3488,38
0,65101
-4K
-2K -4K -6K 0
0.01
0.02
0.03 Time (s)
Figura 16 Tensión VaN con desfase 45°.
VaN 6K 4K 2K
-6K 0
A continuación se entregan gráficos de las tensiones de salida para 0°, 30°, 45° y 75°.
0.01
0.02
0.03
0.04
Time (s)
Figura 17 Tensión VaN con desfase 75°.
VaN
Desde SIMVIEW, se obtiene el THD en el voltaje de salida y se compara con los cálculos teóricos:
6K 4K 2K 0K -2K -4K -6K 0
0.01
0.02
0.03 Time (s)
Figura 14 Tensión VaN con desfase 0°.
0.04
0.0
0.05
[ELO384] Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos, Tarea 3 angulo (°)
THD (%) exp
0
65,09
THD (%) teo 65,101
15
49,7
49,892
30
36,8
36,66
45
26,8
26,85
60
22,6
22,629
75
27,05
27,075
90
38,61
38,565
105
26,9
27,075
120
22,62
22,629
135
26,91
27,075
150
36,7
36,66
165
49,98
49,892
180
65,08
65,101
III.
A través de la tabla, se presenta el siguiente gráfico del THD en función del ángulo de desfase: 70 60
p x e ) % ( D H T
50 40 30 20 10 0 0
50
100
150
7
20
Ángulo de Desfase (grados)
Con esto se corrobora que para un ángulo de desfase de 60° y 120°, se obtiene el menor THD, siendo los ángulos óptimos para desfase de portadoras.
CONCLUSIÓN
El inversor multinivel es un convertidor el cual es capaz de convertir la energía almacenada en un DC-LINK, en una corriente alterna trifásica. Su configuración es utilizada principalmente para reducir la distorsión armónica, antes de implementar filtros pasivos y para aportar una mayor potencia gracias a que se pueden conectar varios enlaces DC, en una fase los cuales son llamados celdas. Estas celdas están controladas por PWM con desfase de portadora, la cual ajustando el ángulo se puede mejorar aun más el THD. Se puede observar que utilizando la configuración en cascada se disminuyen las conmutaciones por lo tanto ello permite que la distorsión disminuya. También si se incluyen mas celdas por fase se producirán mas niveles de voltaje y por lo tanto ello reduciría aun más la distorsión. El circuito de control genera las señales a partir de las referencias y las portadoras desfasadas las cuales corresponden a seis, 2 para cada celda en contrafase por 3 portadoras que se encuentran desfasadas en 60° y 120° con respecto a la primera. El análisis muestra que este convertidor puede entregar fácilmente unos 400 KW el cual no es menor hablando en términos de potencia, y la corriente de salida está filtrada por la carga inductiva. La distorsión que aparece en alta frecuencia depende del número de portadoras y la frecuencia de conmutación de esta donde en un ciclo de portadora se tienen 6 conmutaciones. Por último se puede observar que el THD depende del ángulo entre las portadoras y se puede ver que existen ángulos óptimos donde la distorsión es mínima la cual corresponde a 60°.
