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ES2642149T3 - Conversor con una pluralidad de unidades de conversor de corriente alterna de enlace de tensión indirecta - Google Patents

Conversor con una pluralidad de unidades de conversor de corriente alterna de enlace de tensión indirecta Download PDF

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ES2642149T3
ES2642149T3 ES09155566.4T ES09155566T ES2642149T3 ES 2642149 T3 ES2642149 T3 ES 2642149T3 ES 09155566 T ES09155566 T ES 09155566T ES 2642149 T3 ES2642149 T3 ES 2642149T3
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Description

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DESCRIPCION
Conversor con una pluralidad de unidades de conversor de corriente alterna de enlace de tension indirecta Remision a la solicitud relacionada
La presente solicitud se basa en, y reivindica la prioridad de, la solicitud coreana numero 10-2008-0025967, presentada el 20 de marzo de 2008.
Antecedentes
La presente divulgacion se refiere a un inversor multinivel capaz de reemplazar un condensador qmmico por un condensador de pelfcula.
En general, un motor de induccion de alta tension grande se disena de manera variable con tensiones que van desde 2.400 v a 7.200 v, mientras que un inversor de alta tension, que es un dispositivo motor de velocidad variable, sufre inconvenientes tales como un aumento de coste, la necesidad de un area amplia para su instalacion y la disminucion de la eficiencia del sistema debido a la aplicacion de diversos motores que usan transformadores elevadores y reductores independientes, y tambien debido a la falta de tensiones variables. El inversor de alta tension tambien sufre inconvenientes tales como la influencia armonica en el bus, el calentamiento del motor y la vibracion provocada por la tension de modulacion por ancho de pulso.
Un ejemplo de otro tipo de inversor de potencia se desvela en el documento US 2004/0024937 A1, donde se muestra un circuito de conversion de potencia opticamente aislado.
En el documento “Multilevel converters for high power AC drives: a review” de Marchesoni M et al., se desvelan y se analizan estructuras de conversores de fuente de tension multinivel.
Ademas, en el documento US 5.638.263, se desvela un aparato de suministro de alimentacion y un metodo para suministrar alimentacion de CC que tiene un transformador multifase.
Se han desarrollado diversos tipos de inversores multinivel para superar los inconvenientes, y una de las topologfas de potencia que muestran las caractensticas mas relevantes en terminos de calidad de entrada/salida es un inversor multinivel de puente H. El inversor multinivel de puente H es, en general, un inversor multinivel que usa una configuracion en cascada que es una topologfa multinivel de un inversor de alta tension y gran capacidad, en el que varios inversores monofasicos (en lo sucesivo en el presente documento, denominados celdas de potencia o celdas) estan conectados en serie para cada fase de una corriente trifasica y, en consecuencia, puede obtenerse una alta tension usando conmutadores semiconductores de potencia de baja tension dentro de las celdas de potencia. Por lo tanto, el inversor multinivel de puente H se denomina inversor en cascada.
El inversor multinivel de puente H que usa una configuracion en cascada tiene una caractenstica de un desplazamiento de fase/modulacion por ancho de pulso en la que se genera secuencialmente una diferencia de fase entre celdas de potencia que estan conectadas en serie entre sf. En consecuencia, el inversor multinivel de puente H puede tener una baja tasa de cambio de tension de salida (dv/dt). Ademas, el inversor multinivel que usa la configuracion en cascada puede obtener una distorsion armonica total (THD) reducida debido a una tension de salida con multiples niveles, es decir, muchas etapas.
Ademas, el inversor multinivel de puente H que usa la configuracion en cascada raramente incurre en una reflexion de tension. En consecuencia, a pesar de que hay una gran distancia entre el inversor multinivel que usa la configuracion en cascada y un motor, no es necesario un dispositivo independiente para evitar el fenomeno de reflexion de tension.
A diferencia de otros inversores multinivel, el inversor multinivel de puente H tiene ventajas tales como la ausencia de problemas de desequilibrio de tension entre los condensadores de enlace de CC y la facil extension a una tension de salida deseada mediante modularizacion.
La figura 1 es un diagrama de circuito que ilustra una configuracion de un sistema de inversor multinivel de puente H convencional.
Haciendo referencia a la figura 1, el sistema de inversor multinivel de puente H consiste en una pluralidad de celdas de potencia 2 conectadas en serie entre sf, donde la pluralidad de celdas de potencia monofasicas 2 se conectan en serie para cada fase de una corriente trifasica y cada celda de potencia 2 tiene una estructura de inversor monofasico independiente. Una unidad de entrada conectada a un sistema de potencia es un transformador 6 que tiene varias tomas de corriente del metodo de conexion delta extendida en un lado de cableado secundario.
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La figura 2 es un diagrama de circuito que ilustra la configuracion de celda de potencia del inversor de puente H convencional.
Haciendo referencia a la figura 2, el inversor de puente H comprende: una fuente de alimentacion de corriente alterna (CA) de entrada 10; una unidad de conversor 11 que convierte la fuente de alimentacion de CA introducida en una fuente de alimentacion de corriente continua (CC); un resistor de carga inicial 12 que evita una afluencia de una corriente de irrupcion durante la entrada de la fuente de alimentacion de CA introducida; un contactor electronico 13 que separa el resistor de carga inicial 12 del circuito despues de evitar la corriente de irrupcion; un condensador qmmico 14 que rectifica una tension de CC; una unidad de inversor 15 que convierte la fuente de alimentacion de Cc introducida en respuesta a una senal de control de modulacion por ancho de pulso (PWM); un detector de corriente 16 que detecta una corriente emitida desde la unidad de inversor 15; un controlador principal de celda de potencia 17 que recoge diversas informaciones que incluyen una corriente trifasica y la tension de Cc de la unidad de inversor 15 que intercambia diversas instrucciones e informacion con un controlador maestro 17 (no mostrado); y un controlador de PWM 18 que recibe instrucciones de tension e instrucciones de frecuencia del controlador principal de celda de potencia 17 para generar una senal de control de modulacion por ancho de pulso (PWM).
Cada celda de potencia del inversor de puente H convencional esta equipada con el condensador qmmico 14. El condensador qmmico 14 es un elemento constituyente esencial que tiene una influencia directa sobre la vida util del inversor, de tal manera que el condensador qmmico 14 debe elegirse cuidadosamente ya que afecta mucho a la tasa de ondulacion de corriente y a la temperatura ambiente.
En general, el condensador qmmico 14 funciona de la siguiente manera.
Es decir, el condensador qmmico 14 sirve para compensar una diferencia instantanea entre una potencia de entrada y una potencia de salida para cada unidad de celda de potencia, para compensar una salida usando una energfa del condensador qmmico 14 durante un periodo de tiempo predeterminado durante un apagon instantaneo, y funciona para almacenar una energfa regenerativa cuando se genera la energfa regenerativa.
Sin embargo, el sistema de inversor de alta tension, que es un sistema de inversor de salida monofasico, sufre el inconveniente de instalarse con un numero de condensadores mayor que el del inversor de salida trifasico, aumentando de este modo el tamano general de todo el sistema.
El condensador qmmico 14 tiene una capacitancia de alto volumen, donde una corriente introducida en un terminal de CC muestra, en general, una corriente discontinua en forma de oreja de conejo, que es una causa de generacion de armonicos.
Otro inconveniente mas del condensador qmmico 14 es que se requieren adicionalmente circuitos asociados con la carga inicial, por ejemplo, circuitos tales como el resistor de carga inicial 12 y el contactor electronico 13.
Sumario
Por lo tanto, un objeto de la presente invencion es proporcionar un inversor multinivel tal como se establece en la reivindicacion 1. El inversor multinivel puede comprender ademas un transformador de entrada, donde el transformador de entrada tiene varias tomas de corriente en un lado de cableado secundario a modo de una conexion en zigzag o una conexion delta extendida, y una fuente de alimentacion de salida del transformador de entrada se introduce en la fuente de alimentacion de CA de entrada.
La unidad de inversor puede incluir uno de los elementos de los transistores de efecto de campo de oxido metalico (MOSFET), los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y los tiristores de apagado por compuerta (GTO).
La unidad de inversor puede incluir ademas un transformador de desplazamiento de fase, donde una fuente de alimentacion de salida del transformador de desplazamiento de fase se introduce en la fuente de alimentacion de CA de entrada. El transformador de desplazamiento de fase puede incluir un inductor que tiene un valor de inductancia predeterminado, donde la relacion entre el valor de inductancia predeterminado y el valor de capacitancia del condensador de pelfcula se establece en 1:3.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de circuito que ilustra una configuracion de un sistema de inversor multinivel de puente H convencional.
La figura 2 es un diagrama de circuito que ilustra la configuracion de una celda de potencia del inversor de puente H convencional.
La figura 3 es un diagrama de circuito que ilustra una configuracion de cada celda de potencia en un inversor multinivel de acuerdo con una realizacion a modo de ejemplo de la presente invencion.
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Descripcion detallada
El conversor multinivel de acuerdo con la presente invencion se describira en detalle con referencia a la figura 3.
En la descripcion de la presente divulgacion, pueden omitirse las descripciones detalladas de construcciones o procesos conocidos en la tecnica para evitar complicar la apreciacion de la invencion a los expertos en la materia con detalles innecesarios relativos a dichas construcciones y funciones conocidas. Pueden definirse terminos espedficos para describir la invencion en el mejor modo conocido por los inventores. En consecuencia, el significado de los terminos o palabras espedficos usados en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones no debe limitarse al sentido literal o habitualmente empleado, sino que debe interpretarse o puede ser diferente de acuerdo con la intencion de un usuario o un operario y sus usos habituales. Por lo tanto, la definicion de los terminos o palabras espedficos debe basarse en el contenido de la memoria descriptiva.
La figura 3 es un diagrama de circuito que ilustra una configuracion de cada celda de potencia en un inversor multinivel de acuerdo con una realizacion a modo de ejemplo de la presente invencion.
Haciendo referencia a la figura 3, el inversor multinivel puede incluir una fuente de alimentacion de CA de entrada 100, una unidad de conversor 110, un condensador de pelfcula 120, una unidad de inversor 130, un detector de corriente 140, un controlador principal de celda de potencia 150, y un controlador de PWM.
La fuente de alimentacion de CA de entrada 100 se introduce por una salida lateral secundaria de un transformador de entrada (no mostrado). El transformador de entrada puede emplearse para dos usos. En primer lugar, el transformador de entrada sirve para suministrar una fuente de alimentacion independiente a cada celda de potencia de un inversor multinivel de puente H. En segundo lugar, el transformador de entrada genera una diferencia de fase entre las tomas de corriente laterales secundarias para formar un conversor de tipo rectificador de un metodo de pulsos multiples, por lo que puede obtenerse una baja distorsion armonica total (THD) en un terminal de entrada. El transformador de entrada puede formarse en el lado de cableado secundario con varias tomas de corriente usando una conexion delta extendida o una conexion en zigzag.
Un transformador de entrada conectable a la fuente de alimentacion de CA de entrada 100 puede usar un transformador de desplazamiento de fase. El transformador de desplazamiento de fase puede incluir ademas un inductor que tiene un valor de inductancia predeterminado. El valor de inductancia de la inductancia y el valor de capacitancia del condensador de pelfcula pueden ajustarse para mejorar una distorsion armonica total (THD) de un terminal de entrada. Por ejemplo, la relacion entre el valor de inductancia y el valor de capacitancia del condensador de pelfcula puede establecerse en 1:3.
La unidad de conversor 110 sirve para convertir en una fuente de alimentacion de CC la fuente de alimentacion de CA introducida desde la fuente de alimentacion de CA de entrada 100. El condensador de pelfcula 120 funciona para suavizar la fuente de alimentacion de CC convertida por la unidad de conversor 110.
La unidad de inversor 130 funciona para convertir la fuente de alimentacion de CC introducida en una CA trifasica en respuesta a una senal de control de PWM y emitir la CA trifasica. La unidad de inversor 130 puede estar compuesta por los elementos de conmutacion mas habituales para el control de tension de salida, tales como los transistores de efecto de campo de oxido metalico (MOSFET), los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y los tiristores de apagado por compuerta (GTO). Puede determinarse una frecuencia de corte de armonicos por la conmutacion en el terminal de inversor dentro de un margen de 1/5 a 1/2 de la frecuencia de conmutacion empleada por el inversor. Es decir, la frecuencia de conmutacion puede disenarse basandose en 1 kHz y la frecuencia de corte de armonicos por la conmutacion en el terminal de inversor puede ser de 200 Hz a 500 Hz cuando se emplea la conmutacion mencionada anteriormente. La frecuencia de corte (wc) puede establecerse por la siguiente ecuacion, y el valor de capacitancia puede determinarse en funcion del valor de inductancia del transformador de entrada de acuerdo con el valor de frecuencia de corte.
_ 1
’~PL,c,
Rf=eocLf
El detector de corriente 140 sirve para detectar la corriente de cada fase emitida desde la unidad de inversor 130 y transmitir la corriente al controlador principal de celda de potencia 150. El controlador principal de celda de potencia 150 funciona para recibir diversa informacion, incluyendo la tension de CC introducida desde la unidad de inversor
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130 y la corriente de fase emitida desde la unidad de inversor 130 e intercambiar diversas instrucciones e informacion para diversos controles de funcionamiento con un controlador maestro (no mostrado). El controlador de PWM 160 sirve para recibir instrucciones de tension e instrucciones de frecuencia desde el controlador principal de celda de potencia 150 para generar una forma de onda de modulacion por ancho de pulso (PWM) correspondiente a la misma y emitir una senal de control de PWM a la unidad de inversor 130. El inversor multinivel de acuerdo con la presente invencion esta caracterizado por que puede usar un condensador de pelfcula en lugar del condensador qmmico como condensador de cada celda de potencia.
En caso de usar el condensador de pelfcula, una ecuacion caractenstica que puede usarse por el controlador principal de celda de potencia 150 y el controlador de PWM 160 para la estabilizacion de potencia en la fuente de alimentacion de CC puede presentarse de la siguiente manera:
imagen1
imagen2
imagen3
imagen4
ev.'
El uso del condensador de pelfcula puede disenarse asf con el fin de que permita que el metodo de deteccion de potencia y control de corriente sea robusto para la caractenstica dinamica, y que sea sensible a los cambios de potencia de entrada.
A continuacion, se describiran las ventajas de usar el condensador de pelfcula en lugar de un condensador qmmico como condensador de cada celda de potencia.
En primer lugar, puede reducirse el volumen del inversor multinivel. El condensador de pelfcula tiene un tamano aproximado de 1/3 del condensador qmmico para reducir de este modo el volumen ocupado por un condensador en el inversor multinivel. Como resultado, puede reducirse el volumen del inversor multinivel. Ademas, el condensador de pelfcula es menos costoso y tiene una vida util mas larga que la de los condensadores qmmicos.
En segundo lugar, puede omitirse un circuito de carga de un terminal de entrada. El condensador de pelfcula que tiene una capacidad pequena puede cargarse en un corto penodo de tiempo, por lo que no es necesario instalar un resistor de carga inicial o un contactor electronico en el terminal de entrada.
En tercer lugar, puede mejorarse la fiabilidad del sistema de inversor multinivel. El condensador de pelfcula hace posible prescindir de un circuito de carga de terminal de entrada, de tal manera que el inversor multinivel no se ve afectado por el circuito de carga de terminal de entrada para mejorar la fiabilidad del sistema de inversor multinivel.
En cuarto lugar, una corriente de irrupcion puede reducirse durante la carga. El condensador de pelfcula que tiene una capacidad pequena puede reducir en gran medida la corriente de irrupcion durante la carga en comparacion con un caso donde se utiliza el condensador qmmico. Por lo tanto, puede aumentarse la seguridad del sistema de inversor multinivel durante la entrada de una fuente de alimentacion inicial para obtener una excelente caractenstica armonica.
Si un sistema aplicado con un inversor de alta tension es un sistema de carga ligera que no tiene en cuenta la sobrecarga, se prefiere que el sistema use un condensador de pelfcula en lugar de un condensador qmmico. El sistema de carga ligera usa un metodo de control constante de tension y de frecuencia como metodo de control, y apenas se ve afectado por los cambios repentinos de carga. El sistema de carga ligera es capaz de implementar un reinicio automatico incluso si se produce un apagon instantaneo o no funciona el frenado regenerativo.
El inversor multinivel de acuerdo con la presente divulgacion tiene la ventaja de que todo el volumen del inversor multinivel puede reducirse usando un condensador de pelfcula que tiene un tamano mas pequeno que el de un condensador qmmico. Otras ventajas son que el uso de un condensador de pelfcula que tiene una capacidad pequena puede eliminar un circuito de carga de terminal de entrada y reducir en gran medida la corriente de irrupcion durante la carga para mejorar la fiabilidad y la seguridad del inversor multinivel.
Ademas, el sistema de inversor multinivel puede dispensarse con un circuito de carga inicial y un inductor de circuito de rectificacion independiente usando el transformador de desplazamiento de fase. Al mismo tiempo, puede mejorarse la distorsion armonica total (THD) de la corriente de entrada en el terminal de rectificador.
Como la presente invencion puede realizarse de varias formas sin alejarse de las caractensticas de la misma, debe entenderse que las realizaciones descritas anteriormente no estan limitadas por ninguno de los detalles de la descripcion anterior, a menos que se especifique lo contrario, sino mas bien debe entenderse en sentido amplio dentro del alcance que se define en las reivindicaciones adjuntas y, por lo tanto, todos los cambios y modificaciones 5 que caen dentro de los lfmites y restricciones de las reivindicaciones, o equivalentes de tales lfmites y restricciones, se pretende por lo tanto que sean abarcados por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (6)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un inversor multinivel, que comprende:
    un transformador de desplazamiento de fase, donde una potencia de salida del transformador de desplazamiento de fase se introduce como una fuente de alimentacion de CA de entrada (100), en el que el transformador de desplazamiento de fase esta configurado para realizar una funcion de un circuito de carga inicial y un circuito de rectificacion independiente;
    una unidad de conversor (110) que convierte la fuente de alimentacion de CA introducida en una fuente de alimentacion de corriente continua (CC);
    un condensador de pelfcula (120) que suaviza la fuente de alimentacion de CC convertida por la unidad de conversor, en el que el condensador de pelfcula esta configurado para realizar una funcion de un resistor de carga inicial o un contactor electronico;
    una unidad de inversor (130) que convierte la fuente de alimentacion de CC suavizada en una corriente trifasica en respuesta a una senal de control de modulacion por ancho de pulso (PWM) y que emite una corriente; un detector de corriente (140) que detecta la corriente emitida desde la unidad de inversor; un controlador principal de celda de potencia (150) que genera una instruccion de tension y una instruccion de frecuencia usando la corriente detectada; y
    un controlador de PWM (160) que genera la senal de control de modulacion por ancho de pulso (PWM) usando la instruccion de tension y la instruccion de frecuencia.
  2. 2. El inversor multinivel de la reivindicacion 1, que comprende ademas un transformador de entrada, en el que el transformador de entrada tiene varias tomas de corriente en un lado de cableado secundario a modo de una conexion en zigzag o una conexion delta extendida, y una fuente de alimentacion de salida del transformador de entrada se introduce en la fuente de alimentacion de CA de entrada (100).
  3. 3. El inversor multinivel de la reivindicacion 1, en el que la unidad de inversor (130) incluye uno de los elementos de los transistores de efecto de campo de oxido metalico (MOSFET), los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y los tiristores de apagado por compuerta (GTO).
  4. 4. El inversor multinivel de la reivindicacion 2, en el que la unidad de inversor (130) incluye uno de los elementos de los transistores de efecto de campo de oxido metalico (MOSFET), los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y los tiristores de apagado por compuerta (GTO).
  5. 5. El inversor multinivel de la reivindicacion 1, en el que una frecuencia de corte de armonicos por conmutacion en la unidad de inversor esta dentro de un margen de 1/5 a 1/2 de la frecuencia de conmutacion empleada por la unidad de inversor (130).
  6. 6. El inversor multinivel de la reivindicacion 5, en el que la frecuencia de corte de armonicos por la conmutacion en la unidad de inversor es de 200 Hz a 500 Hz cuando la frecuencia de conmutacion es 1 kHz.
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