Inversor Multinivel

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[ELO384] Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos, Tarea 31Tarea 2 Aplicaciones Industriales de Convertidores Estáticos. Inversor Multinivel.Nicolás Albornoz Vignola 2721028-7 Alex Medina Muñoz 2704218-KAbstract— 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

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[ELO384] Aplicaciones Industriales de Convertidores Estticos, Tarea 3

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Tarea 2 Aplicaciones Industriales de Convertidores Estticos. Inversor Multinivel.Nicols Albornoz Vignola 2721028-7 Alex Medina Muoz 2704218-K

Abstract El siguiente documento presenta diversos anlisis tericos de un inversor multinivel puente H de 7 niveles, el cual est 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 anlisis de los desfases entre las potadoras, de cmo afectan y cul debe ser el ngulo ptimo. . Index TermsInversor Multinivel Puente H, Desfase entre portadoras, Celdas Inversoras, Enlace DC-LINK.

TABLA I DATOS DEL CONVERTIDOR MULTINIVEL Symbol f C RC LC cr m fS Nombre Frecuencia Red DC-Link Carga Inductancia de Carga Fases ngulo de desfase entre portadoras ndice de modulacin Frecuencia de salida Valor 50 Hz 2200 [F] 70 [ ] 15[mH] 3 0-60 0.9 30 [Hz]

I. INTRODUCCIN Dentro de la electrnica 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 armnicos. El principal uso de este tipo de convertidores, es el de accionamiento de motores trifsicos altamente utilizados en la industria, para correas, ventiladores, trenes elctricos e incluso para accionamientos hbridos que ltimamente estn siendo usados en autos elctricos. A continuacin se utiliza un anlisis 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 trifsico (9 celdas en total). Asuma que tiene una fuente trifsica independiente para cada celda, utilice un puente de diodos trifsico como un rectificador en cada celda y dimensione su fuente de tal modo que el valor medio en el enlace DC sea de Vdc = 1500[V] . Los parmetros 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 ecuacin resultado de una integral para el rectificador de 6 pulsos puente trifsico utilizado en cada celda del inversor: = 33 1

Despejando el voltaje fase para 1500 [V] en el DC-LINK

[ELO384] Aplicaciones Industriales de Convertidores Estticos, Tarea 3 debe ser: = = 1500 = 906.9[ ] 2

2

33

33

Por lo tanto cada celda necesita de una red trifsica 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 armnicas de alta frecuencia de la tensin de salida se encuentren alrededor de los 4.2 [kHz]. Considere como ngulo de desfase entre las portadoras de las diferentes celdas 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 armnicas 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 clculo de la aparicin 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.

Figura 4 Espectro en frecuencia del voltaje VaN, de la salida de cada fase, la medicin muestra las componentes de alta frecuencia alrededor de los 4.2KHz.

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.

[ELO384] Aplicaciones Industriales de Convertidores Estticos, Tarea 3 a) Grafique la comparacin entre la o las referencias y la o las portadoras de una celda (Segn como implemente la modulacin unipolar de cada celda), las seales de control respectivas, la tensin de salida de cada celda y la tensin total de salida del inversor, la tensin entre lneas, y la tensin 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 configuracin de desfases (de contrafase y ngulo de desfase por cada celda, 0, 60 y 120). Como las portadoras son las mismas en cada fase, se analizar 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 modulacin de 0.9. Se asume tambin que para esta celda la segunda portadora es la contrafase de esta.

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Figura 5 Las tres referencias de fases junto con la portadora de la primera celda con una modulacin de 0.9.

Se analiza entonces en detalle el anlisis de una sola fase, como la figura 6 de a continuacin donde se muestra la referencia con la portadora y su contrafase que controla una sola celda, se realiza la comparacin para extraer las seales de disparo de cada IGBTS.

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 nmero a la celda de la fase y el segundo a la salida con la comparacin de la portadora en contrafase).

Figura 6 Voltaje de referencia de la fase A con la portadora de la primera celda y su contrafase.

Haciendo un zoom en los voltajes en la figura 7de comparacin 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), comparacin 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 seales 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 estn desfasados y es por eso que al sumarlos se forman los 7 niveles del diseo del convertidor.

[ELO384] Aplicaciones Industriales de Convertidores Estticos, Tarea 3 Al igual que en la fase A, ocurre lo mismo para las otras dos fases y las figuras 10 muestran una analoga de la figura 8, los voltajes de salida de cada celda y la suma.

4

Figura 8 Voltaje de referencia y los voltajes de las tres celdas de la fase A, por ltimo 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 trifsica mostrada al final de la figura, con 7 niveles en cada fase, siguen la referencia perfectamente y tienen una distorsin la cual ser analizada en el punto b. La figura 11 seala la comparacin entre los voltajes de salida del inversor, el voltaje en la carga, el voltaje entre lneas y las corrientes de carga. El voltaje en la carga se encuentra desfasado en 180 con respecto a las salidas del inversor y la razn es porque se hace el LVK en la maya y el voltaje se mide con respecto a la tierra de la medicin de la salida del inversor. Se puede observar tambin que la corriente tiene la misma fase que el voltaje de carga, lo que indica que el circuito est operando correctamente por que la carga est consumiendo potencia. El voltaje entre lneas est desfasado en 30 con respecto al voltaje fase neutro comn (salida del inversor), lo que tambin indica una correcta operacin.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 lneas (Vab, Vbc, Vca), y corrientes en la carga (Ia, Ib, Ic).

Figura 12 Espectros de las seales de salida del inversor VaN, Ia, Van y Vab respectivamente.

b) Qu puede comentar acerca de la frecuencia de conmutacin y la frecuencia de las armnicas en la carga, y sobre la calidad de la energa que produce este inversor. Emplee medidas objetivas como THD y los espectros para fundamentar sus respuestas. A continuacin se muestran los espectros para las seales de salida del inversor (figura 12), y sus respectivos THDs (figura 13) de una sola fase, se considera que las otras dos fases se comportan de la misma forma en trminos de espectros y THD.. En la figura 12 se logra observar que los armnicos de alta frecuencia se centran en los 4.2 KHz para todas las seales involucradas: Voltaje Fase Neutro VaN (Salida del inversor), corriente de salida Ia, voltaje en la carga Van y voltaje entre lneas Vab. Los armnicos se centran en los 4.2KHz por dos razones: la frecuencia de la seal portadora que corresponde a 700 KHz, y el nmero de portadoras que corresponde a 6, que son 3 desfasadas en 0, 60 y 120 respectivamente y sus contrafases.

Al crear las seales de control con las 6 portadoras a 700 Hz de frecuencia, la multiplicacin de estos dos factores da resultado los 4.2 KHz, es decir que en un periodo de la seal de 700 Hz existen 6 conmutaciones. Se realizan pruebas cambiando la frecuencia de conmutacin y se comprueba que la ubicacin de las armnicas cambia con respecto a un factor de 6, correspondiente a las 6 portadoras.

Figura 13 THD de las seales VaN, Ia, Van y Vab.

Analizando el THD de las seales la cual se muestra en la figura 13, se puede ver que la seal que contiene menor distorsin armnica 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 Estticos, Tarea 3 en torno al 21% lo cual es muy aceptable considerando que solo se ha reducido la distorsin con la configuracin del inversor en modo multinivel.6K 4K

6

VaNN

ii) Corrobore empricamente que el ngulo ptimo dedesfase entre portadoras es =180/3=60. Para ello se sugiere calcular el THD de la tensin de salida para distintos ngulos . Grafique la dependencia del THD para distintos ngulos de desfase para apoyar su corroboracin. Para obtener el THD de la tensin de salida, se tiene la siguiente frmula: =

2K 0K -2K -4K -6K 0 0.01 0.02 Time (s) 0.03 0.04 0.05

Figura 15 Tensin VaN con desfase 30.VaN 6K

Las tensiones necesarias para calcular el THD se obtienen desde SIMVIEW. Mediante un arreglo en Excel se obtienen los valores de THD: THD 2923,46 2933,5 2932,23 2931,02 2931,38 2929,8 2925,57 2929,8 2931,38 2931,02 2932,23 2933,5 2923,46 3488,38 3278,35 3123,16 3034,9 3005,5 3035,29 3135,59 3035,29 3005,5 3034,9 3123,16 3278,35 3488,38 0,65101 0,49892987 0,36669933 0,26858756 0,22629488 0,2707548 0,38565388 0,2707548 0,22629488 0,26858756 0,36669933 0,49892987 0,65101

4K 2K 0K -2K -4K -6K 0 0.01 0.02 Time (s) 0.03 0.04 0.05

Figura 16 Tensin VaN con desfase 45.

VaN 6K 4K 2K 0K -2K -4K -6K

A continuacin se entregan grficos de las tensiones de salida para 0, 30, 45 y 75.VaN 6K 4K 2K 0K -2K -4K -6K 0 0.01 0.02 Time (s) 0.03 0.04 0.05

0

0.01

0.02 Time (s)

0.03

0.04

0.05

Figura 17 Tensin VaN con desfase 75.

Desde SIMVIEW, se obtiene el THD en el voltaje de salida y se compara con los clculos tericos:

Figura 14 Tensin VaN con desfase 0.

[ELO384] Aplicaciones Industriales de Convertidores Estticos, Tarea 3 angulo () 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 THD (%) exp 65,09 49,7 36,8 26,8 22,6 27,05 38,61 26,9 22,62 26,91 36,7 49,98 65,08 THD (%) teo 65,101 49,892 36,66 26,85 22,629 27,075 38,565 27,075 22,629 27,075 36,66 49,892 65,101 III. CONCLUSIN

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El inversor multinivel es un convertidor el cual es capaz de convertir la energa almacenada en un DC-LINK, en una corriente alterna trifsica. Su configuracin es utilizada principalmente para reducir la distorsin armnica, 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 estn controladas por PWM con desfase de portadora, la cual ajustando el ngulo se puede mejorar aun ms el THD. Se puede observar que utilizando la configuracin en cascada se disminuyen las conmutaciones por lo tanto ello permite que la distorsin disminuya. Tambin si se incluyen mas celdas por fase se producirn mas niveles de voltaje y por lo tanto ello reducira aun ms la distorsin. El circuito de control genera las seales a partir de las A travs de la tabla, se presenta el siguiente grfico del referencias y las portadoras desfasadas las cuales THD en funcin del ngulo de desfase: corresponden a seis, 2 para cada celda en contrafase por 3 portadoras que se encuentran desfasadas en 60 y 120 con 70 respecto a la primera. 60 El anlisis muestra que este convertidor puede entregar 50 fcilmente unos 400 KW el cual no es menor hablando en 40 trminos de potencia, y la corriente de salida est filtrada por 30 la carga inductiva. La distorsin que aparece en alta frecuencia depende del 20 nmero de portadoras y la frecuencia de conmutacin de esta 10 donde en un ciclo de portadora se tienen 6 conmutaciones. 0 Por ltimo se puede observar que el THD depende del 0 50 100 150 200 ngulo entre las portadoras y se puede ver que existen ngulos ptimos donde la distorsin es mnima la cual corresponde a ngulo de Desfase (grados) 60. Con esto se corrobora que para un ngulo de desfase de 60 y 120, se obtiene el menor THD, siendo los ngulos ptimos para desfase de portadoras. THD (%) exp