CONVERTIDOR DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE ENCLAVAMIENTO ACTIVO DE CUATRO O MÁS NIVELES Y MÉTODO DE CONTROL.

Convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles y método de control.

Se presenta una topología de convertidor estático de energía eléctrica de cuatro o más niveles. La topología está formada por una estructura piramidal de celdas elementales. Cada celda elemental está formada por dos dispositivos elementales. Cada dispositivo elemental está formado por un interruptor electrónico controlado y un diodo en antiparalelo.

Se definen los estados de conmutación del convertidor que permiten el control del mismo, así como una estrategia de transición entre estados de conmutación.

El convertidor y control propuesto son aplicables en accionamientos de motores eléctricos de corriente alterna, sistemas de aprovechamiento de energías renovables, equipos de tracción eléctrica, sistemas de alimentación, etc.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200902246.

Solicitante: UNIVERSITAT POLITECNICA DE CATALUNYA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: BUSQUETS MONGE,SERGIO.

Fecha de Publicación: 18 de Abril de 2012.

Clasificación Internacional de Patentes:

H02M5/22 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02M APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE ALTERNA, DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA O DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE CONTINUA Y UTILIZADOS CON LAS REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA O SISTEMAS DE ALIMENTACION SIMILARES; TRANSFORMACION DE UNA POTENCIA DE ENTRADA EN CORRIENTE CONTINUA O ALTERNA EN UNA POTENCIA DE SALIDA DE CHOQUE; SU CONTROL O REGULACION (transformadores H01F; convertidores dinamoeléctricos H02K 47/00; control de los transformadores, reactancias o bobinas de choque, control o regulación de motores, generadores eléctricos o convertidores dinamoeléctricos H02P). › H02M 5/00 Transformación de una potencia de entrada en corriente alterna en una potencia de salida en corriente alterna, p. ej. para cambiar la tensión, para cambiar la frecuencia, para cambiar el número de fases. › utilizando tubos de descarga con electrodo de control o dispositivos semiconductores con electrodo de control.
H02M7/483 H02M […] › H02M 7/00 Transformación de una potencia de entrada en corriente alterna en una potencia de salida en corriente continua; Transformación de una potencia de entrada en corriente continua en una potencia de salida en corriente alterna. › Convertidores provistos de salidas pudiendo tener cada una más de dos niveles de tensión.

Fragmento de la descripción:

Convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles y método de control.

Sector de la técnica

Hardware electrónico para sistemas eléctricos y electrónicos de potencia.

Estado de la técnica

Las técnicas de conversión multinivel han abierto una puerta a avances en la tecnología de conversión de energía eléctrica. Para una tecnología concreta de semiconductores, estas técnicas permiten una mayor capacidad de potencia por convertidor, mayor eficiencia y menor distorsión armónica. Se han propuesto diferentes topologías multinivel:

- Convertidores multinivel puente completo en cascada ("cascaded H-bridge").

- Convertidores multinivel de enclavamiento por diodos ("diode clamped").

- Convertidores multinivel de enclavamiento por condensadores o de condensadores flotantes ("capacitor clamped" o "flying capacitors").

- Combinaciones híbridas de los anteriores.

En particular, se ha propuesto una topología general en:

F. Z. Peng, "A generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 37, pp. 611-618, 2001.

Esta topología incluye condensadores flotantes, interruptores electrónicos controlados y diodos en antiparalelo.

La topología contemplada en la presente invención incorpora únicamente interruptores electrónicos controlados y diodos en antiparalelo. No se incorporan condensadores flotantes, hecho que modifica sustancialmente el control y las características de funcionamiento del convertidor.

En la literatura aparece el caso particular de tres niveles de la topología objeto de la presente invención, pero no se ha presentado su extensión a más niveles, y el control del convertidor propuesto en la literatura difiere del descrito aquí.

Descripción de la invención

Se definen la topología de un convertidor de energía eléctrica multinivel de enclavamiento activo, los estados de conmutación necesarios para su control y una estrategia de transición entre estos estados de conmutación.

Topología

La Figura 1 presenta la topología de un convertidor de m niveles. El circuito presenta m terminales de entrada (i_k, k in {1, 2, ..., m}) y un terminal de salida (o). El número de niveles del convertidor se corresponde con el número de terminales de entrada. Entre dos terminales de entrada consecutivos (i_k e i_k+1) típicamente se conecta un elemento capacitivo (condensador) o una fuente de tensión (fuente de alimentación, batería, etc.), de forma que la tensión del terminal i_k es inferior o igual a la tensión del terminal i_k+1.

El circuito está formado por una conexión piramidal de m•(m-1)/2 celdas elementales. Cada celda elemental está formada por dos dispositivos elementales, tal como se muestra en la Figura 1. Cada dispositivo elemental está formado por un interruptor electrónico controlado (designados S_pxy y S_nxy; x, y in {1, 2, ..., m-1}) y un interruptor electrónico no controlado (diodo), conectados tal como se muestra en la Figura 1 (conexión antiparalelo).

El interruptor electrónico controlado puede ser unidireccional (i_S sólo puede ser mayor o igual que cero) o bidireccional (i_S puede ser mayor, igual o menor que cero) en corriente. El interruptor controlado puede ser unidireccional (v_S sólo puede ser mayor o igual que cero) o bidireccional (v_S puede ser mayor, igual o menor que cero) en tensión. El caso típico es que el interruptor controlado sea bidireccional en corriente y unidireccional en tensión.

El interruptor electrónico controlado del dispositivo elemental presenta dos estados, de acuerdo con los dos posibles estados de su señal de control:

a) Encendido: La tensión v_S en bornes del interruptor es aproximadamente cero.

b) Apagado: La corriente i_S que circula por el interruptor es aproximadamente cero.

El dispositivo elemental, definido por el conjunto de interruptor controlado e interruptor no controlado, se puede realizar con un único transistor o se puede realizar con cualquier combinación de transistores y diodos (serie, paralelo, etc.) que efectivamente tenga la misma funcionalidad.

Estados de conmutación

El terminal de salida (o) se puede conectar galvánicamente con una baja impedancia a cada uno de los terminales de entrada (i_k, k in {1, 2, ..., m}) controlando adecuadamente el estado de todos los interruptores electrónicos controlados. Se definen m-1 variables de control (c_j, j in {1, 2, ..., m-1}) para representar el estado de las señales de control de los interruptores electrónicos controlados. Cada interruptor controlado tiene asignada una variable de control (c_j) o su valor complementario (overline{mathit{c}}_j), tal como se indica en la Figura 2. Estas variables de control tienen dos valores posibles:

a) c_j = 0, en cuyo caso todos los interruptores controlados con esta variable de control asociada están apagados y aquellos con el valor complementario asociado overline{mathit{c}}_j = 1 están encendidos.

b) c_j = 1, en cuyo caso todos los interruptores controlados con esta variable de control asociada están encendidos y aquellos con el valor complementario asociado overline{mathit{c}}_j = 0 están apagados.

Para conectar el terminal de salida (o) al terminal de entrada i_k, se asignan los siguientes valores a las señales de control:

De esta forma quedan definidos los m estados de conmutación que permiten conectar el terminal de salida a los m terminales de entrada. La siguiente tabla presenta un resumen de estos estados de conmutación:

En el estado de conmutación k, se encienden todos aquellos interruptores controlados que permiten conectar galvánicamente con una baja impedancia el terminal de entrada i_k con el terminal de salida (o) a través de m-1 dispositivos elementales. Adicionalmente, se encienden otros interruptores controlados que permiten garantizar una tensión v_s de bloqueo en los interruptores controlados apagados igual a la diferencia de tensión entre terminales de entrada consecutivos.

Transición entre estados de conmutación

Para realizar una transición entre dos estados de conmutación adyacentes (transición de un estado de conmutación k al inmediatamente superior (k+1) o inferior (k-1)), es necesario cambiar el estado de m interruptores controlados. Se procede a apagar primero los interruptores a apagar y posteriormente se encienden los interruptores a encender. Sea k_i el estado de conmutación inicial y k_f el estado de conmutación final de la transición entre estados adyacentes. Si (k_f - k_i)•i_o>0 (donde i_o es la corriente del terminal de salida (Figura 1)), las pérdidas de energía de la transición se concentran en el primer dispositivo que se enciende. Si (k_f - k_i)•i_o<0, las pérdidas de energía de la transición se concentran en el último dispositivo que se apaga. Por lo tanto, se define una estrategia de transición entre estados de conmutación adyacentes, en la que en transiciones sucesivas se alterna el primer interruptor que se enciende entre los interruptores a encender y se alterna el último interruptor que se apaga entre los interruptores a apagar. De esta forma, se distribuyen entre todos los interruptores las pérdidas de energía de las sucesivas transiciones.

Breve explicación de los dibujos

Figura 1: Topología...

Reivindicaciones:

1. Un convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles, caracterizado por estar constituido por una estructura piramidal de m•(m-1)/2 celdas elementales, con un terminal de salida y m terminales de entrada, siendo m el número de niveles; cada celda elemental está constituida por dos dispositivos elementales; cada dispositivo elemental está constituido por medios para interrumpir la corriente de forma controlada y medios para interrumpir la corriente de forma no controlada.

2. Un método de control del convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles de la reivindicación 1, caracterizado por que se definen m-1 variables de control (c_j, j \in {1, 2, ..., m-1}) para representar el estado de las señales de control de los interruptores electrónicos controlados, con dos posibles valores, cero y uno, que indican que el interruptor correspondiente está apagado o encendido, respectivamente; la variable de control c_j se asigna a la diagonal de interruptores S_njy, y \in {1, 2, ..., j}, y su valor complementario (\overline{\mathit{c}}_j) a la diagonal de interruptores S_pjy, y \in {1, 2, ..., m-j}; para conectar eléctricamente el terminal de salida (o) al terminal de entrada i_k (k \in {1, 2, ..., m}) se establece c_j = 0 para todo j<k y se establece c_j = 1 para todo j≥qk.

3. Un método de control de un convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles según reivindicación 2, caracterizado por que las sucesivas transiciones entre dos estados de conmutación adyacentes se efectúan alternando el último interruptor a apagar entre los interruptores a apagar.

4. Un método de control de un convertidor de energía eléctrica de enclavamiento activo de cuatro o más niveles según reivindicación 2, caracterizado por que las sucesivas transiciones entre dos estados de conmutación adyacentes se efectúan alternando el primer interruptor a encender entre los interruptores a encender.

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