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Introducción

Conversores multinivel

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Aplicaciones

Conversores multinivel Electrónica de Potencia Presentación Final

Jacobi Diego Matías [email protected] Estudiante de Ingeniería Electrónica Paraná, Entre Ríos, Argentina Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Paraná

19 de septiembre de 2011 Jacobi Diego Matías

Conversores multinivel

Bibliografía

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Tres básicas topologias A partir de estas tres básicas topologias: Cascaded-bridges Clamped-diodes Flying-capacitors se construyen híbridos y derivados: Generalized Multilevel Topology Mixed-level Hybrid Multilevel Converter Zero-voltage-switching circuit Back-to-back Diode-clamped Converter

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Puente H en cascada Una fuente de tension por cada puente H. Cada puente puede generar {Vdc , 0, −Vdc } que se suma en serie para generar Vo Cada fase debe repetir el mismo circuito. (V) Salidas: m = 2s + 1 (V) Posibilidad de encapsulado y fabricación mas barata. (D) Fuentes completamente separadas y aisladas. Jacobi Diego Matías

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Puente H en cascada Los ángulos de conducción θi pueden ser elegidos tal que la distorsión armónica total (THD) sea mínima. Usualmente se eligen para eliminar hasta la 13a armónica. Para n = {1, 3, 5, 7} la transformada de la salida es:

V (wt) =

4Vdc X sin(nwt) [cos(nθ1 ) + cos(nθ2 ) + · · · + cos(nθs )] π n n Jacobi Diego Matías

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Inversor multinivel clamped diodes

Cada fase comparte un bus de niveles de tension continua. La tension de cada capacitor es Vdc y pueden ser cargados todos a la vez. Cada fase tiene 5 pares de transistores complementarios.

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Inversor multinivel clamped diodes Cuando un switch es apagado, el complementario es encendido, de forma que la salida queda en serie con un antiparalelo de diodos y el nivel de tension seleccionado. La salida se toma entre dos de las fases de salida. Vab , Vbc , Vca Jacobi Diego Matías

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Inversor multinivel clamped diodes

Otros diseños colocan múltiples diodos en serie de manera que cada diodo tenga la misma tension de bloqueo que cada transistor. El numero de diodos crece exponencialmente con la cantidad de niveles.

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Inversor multinivel clamped diodes

Modulación PWM Se generan las señales de conmutación al comparar una referencia senoidal con varias (5) señales portadoras. Esto se realiza por cada fase. La señal de referencia senoidal determina el ciclo de trabajo de cada nivel de tension y el factor de modulación.

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Inversor multinivel clamped diodes Modulación PWM Simulaciones pueden realizarse utilizando PSIM, Matlab/Simulink y SimCoupler. Los datos que se muestran se obtienen del paper publico: Simulation of six-level diode-clamped multilevel inverter using PWM modulation in Matlab and PSIM Los resultados muestran que con el esquema mas simple, la primer armónica es la 15a

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Inversor multinivel clamped diodes Ventajas Las fases comparten el mismo bus de continua. Requiere menos cantidad de capacitores, siendo ideal para el uso con supercapacitores. Es posible una topologia espalda con espalda. Capacitores pueden ser precargados en grupo. Alta eficiencia para la frecuencia fundamental. Simples y eficientes técnicas de control PWM. DESventajas Los diodos requieren de diferentes características de bloqueo inverso. Problema de desbalanceo de cargas de capacitores. El numero de diodos crece exponencialmente con la cantidad de niveles. Jacobi Diego Matías

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Inversor multinivel Flying-capacitors

En lugar de usar diodos, se utilizan capacitores en estructura de escalera. La tension de cada capacitor difiere de la del siguiente capacitor.

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Inversor multinivel Flying-capacitors Ventajas Niveles de tension redundantes. Dos o mas posibles combinaciones para sintetizar una salida. No requiere que todos los transistores conduzcan simultáneamente. Las redundancias permiten cargar y descargar capacitores específicos. El flujo de potencia real e imaginaria puede ser controlado. DESventajas Control complicado. Necesita monitorear todos los niveles de los capacitores. Precargado de los capacitores también es complejo. La eficiencia es pobre para transmisión de potencia real. Demasiados capacitores son costosos y voluminosos. Empaquetado es mas complicado para un alto numero de niveles. Jacobi Diego Matías

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Tres básicas topologias A partir de estas tres básicas topologias: Cascaded-bridges Clamped-diodes Flying-capacitors se construyen híbridos y derivados: Generalized Multilevel Topology Mixed-level Hybrid Multilevel Converter Zero-voltage-switching circuit Back-to-back Diode-clamped Converter

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Topologia multinivel generalizada

Tanto Flying-capacitors como Clamped-diodes pueden ser derivados de esta estructura. Cada dispositivo de conmutación, diodo o capacitor esta sometido a 1 Vdc Puede balancear cada nivel de voltaje por si mismo, independientemente de la carga, entrega de potencia activa o reactiva y sin asistencia de ningún otro mecanismo.

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Topologia multinivel generalizada

Deduced Diode- and capacitor-clamped multilevel inverter without clamping switches. Deduced Diode-clamped multilevel inverter I without clamping switches and capacitors. Deduced Diode-clamped multilevel inverter II without clamping switches and capacitors and with swapped diode clamping paths. Jacobi Diego Matías

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Conversor multinivel híbrido de nivel mixto

Incluye celdas multinivel como bloques en cascada. Puede usar conversores diode-clamped o capacitor-clamped como bloques. Reduce el numero de fuentes separadas de continua. El conversor híbrido de 9 niveles incluye 2 conversores diode-clamped de 3 niveles. Solo necesita de 2 fuentes de tension. El sistema de control es complicado debido a la naturaleza híbrida.

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Conversor Diode-clamped espalda con espalda

Las 6 fases (3+3) comparten un enlace de continua.

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Circuitos de disparo

”Power is nothing without control” (Pirelli Tyres)

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Fuentes flotantes

Un error común es pensar que el potencial del Gate esta referido a GND. La tension de Gate debe flotar al mismo nivel que la tension de Emisor o Source. VG1 debe estar referido al potencial flotante VOU T para poder disparar IGBT1. VOU T esta flotante en cualquier punto entre Vcc y GND.

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Fuentes flotantes

La solución obvia Barato y Voluminoso

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Circuitos de disparo Usando PWM reducimos el tamaño del transformador + driver CMOS (pMOS+nMOS). Un Operacional flotante con fuente de tension. La señal del driver causa la conducción de una corriente que es luego amplificada.

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Técnicas de Control

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Generación estática de potencia reactiva. Interfaces para fuentes de energía renovables. Aplicaciones basadas en baterías. Regulación del factor de potencia. Etapa de potencia de vehículos a tracción eléctrica. Control de velocidad de motores de alta potencia. etc.

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Bibliografía

Muhammad H. Rashid ”Power Electronics Handbook: Devices, Circuits and Applications” Academic Press. Second Edition Muhammad H. Rashid ”Electrónica de Potencia: Circuitos Dispositivos y Aplicaciones” Prentice Hall. Segunda Edición Issa Batarseh, Ph.D. and Huai Wei, Ph.D. ”Power Factor Correction Circuits” School of Electrical Engineering and Computer Science, Orlando, Florida, USA Andres Barrado Bautista, Antonio Lazaro Blanco ”Problemas de Electrónica de Potencia” Pearson, Prentice Hall Sule Ozdemir1, Engin Ozdemir1, Leon Tolbert2 ”Simulation of six-level diode-clamped multilevel inverter using PWM modulation in Matlab&PSIM” Fang Zheng Peng, Senior Member, IEEE ”A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing” Jacobi Diego Matías

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Muchas Gracias

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