ES2682693T3

ES2682693T3 - Convertidor multinivel

Info

Publication number: ES2682693T3
Application number: ES12888967.2T
Authority: ES
Inventors: Luis ARNEDO; Marinko KOVACIC; Yang Wang; Shashank Krishnamurthy
Original assignee: Otis Elevator Co
Current assignee: Otis Elevator Co
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2018-09-21
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: CN104798297B; US20150303826A1; US9998031B2; WO2014081423A1; EP2923438A4; US20170359000A1; CN104798297A; EP2923438B1; US9755546B2; EP2923438A1

Abstract

Un convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro (10), que comprende: un enlace de voltaje de DC (12); un primer condensador (18) que acopla un lado del enlace de DC (12) a un punto neutro (NP); un segundo condensador (20) que acopla otro lado del enlace de DC (12) al punto neutro (NP); una pluralidad de patas de fase (14), cada pata de fase (14) que incluye conmutadores, cada pata de fase (14) acoplada a un nodo de AC (A, B, C); caracterizado por un sensor de corriente (22) asociado con cada nodo de AC (A, B, C); y un controlador (16) adaptado para generar una señal de PWM para controlar los conmutadores, el controlador (16) adaptado para generar un componente de secuencia cero de corriente en respuesta a la corriente detectada en cada uno de los sensores de corriente (22), el controlador (16) adaptado para ajustar una señal de índice de modulación en respuesta al componente de secuencia cero de corriente para producir la señal de PWM; en donde el controlador (16) está adaptado para combinar el componente de secuencia cero de corriente con un componente de secuencia cero de voltaje para proporcionar un componente combinado de secuencia cero, el controlador (16) adaptado para ajustar la señal de índice de modulación en respuesta al componente combinado de secuencia cero para producir la señal de PWM; y en donde el controlador (16) está adaptado para cambiar un signo del componente combinado de secuencia cero en respuesta a un modo de operación del convertidor.

Description

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Convertidor multinivel

DESCRIPCION

Campo de la invencion

La materia descrita en la presente memoria se refiere de manera general al campo de los sistemas de conversion de potencia y, mas particularmente, a un convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro.

Descripcion de la tecnica relacionada

Los convertidores multinivel de enclavamiento al punto neutro (NPC) se usan para convertir una senal de DC en una senal de AC y para convertir una senal de AC en una senal de DC. Un problema con los convertidores multinivel de enclavamiento al punto neutro es el equilibrio de voltaje de punto neutro (NP). La operacion de correccion de un convertidor de NPC de tres niveles requiere que el voltaje a traves de ambos condensadores de enlace de DC sea el mismo. Esto asegura que el estres de voltaje a traves de cada uno de los dispositivos semiconductores sea el mismo, extendiendo uniformemente las perdidas de conmutacion y mejorando la fiabilidad. El problema de equilibrio de voltaje de NP surge a partir de la existencia de una corriente de NP distinta cero.

Las tecnicas existentes de equilibrio de voltaje de NP, sin aparato adicional, se basan en la inyeccion de voltaje de modo comun, que da como resultado un estres termico muy desigual entre diferentes dispositivos semiconductores de potencia dentro del convertidor de NPC. Esto da como resultado la sobrevaloracion de los dispositivos semiconductores y/o la limitacion del intervalo de operacion del convertidor con el fin de permanecer dentro de las restricciones termicas de todos los dispositivos. El estres termico de un dispositivo semiconductor de potencia se puede medir con su aumento de temperatura de la union al encapsulado (ATjc) bajo carga. El rendimiento maximo de potencia de un convertidor, asf como la vida util esperada de los dispositivos, esta limitado por el mayor ATjc que normalmente se ve en los diodos neutros en el caso de un convertidor de NPC de tres niveles.

Los esquemas de modulacion de anchura de pulsos (PWM) existentes intentan abordar los inconvenientes de los convertidores multinivel de NPC. Los esquemas de PWM existentes intentan minimizar las perdidas de conmutacion en el convertidor de NPC. Estos esquemas dan como resultado una corriente de punto neutro indeseada y un ATjc que es desigual entre los dispositivos, con el mayor estres termico en los diodos neutros. Se pueden usar otras tecnicas de PWM para minimizar la corriente de NP. Aunque la corriente de NP se minimiza, los diodos neutros aun estan sometidos sustancialmente a mas estres termico que otros dispositivos. BURGOS R et al: “Space Vector Modulator for Vienna-Type Rectifiers Based on the Equivalence Between Two-and Three-Level Converters: Carrier- Based Implementation”, ACTAS DEL IEEE EN ELECTRONICA DE POTENCIA, INSTITUTO DE INGENIEROS ELECTRICOS Y ELECTRONICOS, EE.UU., vol. 23, n° 4, 1 de julio de 2008 (), paginas 1888-1898, XP011229656, ISSN: 0885-8993, DOI: 10.1109/TPEL2008. 925180 presenta la equivalencia entre convertidores de dos y tres niveles para rectificadores de tipo Viena, proponiendo un modulador de vector espacial simple y rapido construido bajo este principio. El uso de esta dualidad permite el cumplimiento simple de todas las restricciones topologicas de este tipo de rectificador no regenerativo de tres niveles, permitiendo tambien la extension de su intervalo de operacion mediante el uso de esquemas de sobremodulacion de dos niveles mas simples. El algoritmo propuesto se simplifica aun mas derivando su implementacion equivalente basada en portadora, explotando la correspondencia directa existente entre los vectores de secuencia cero de rectificadores de tipo Viena y los vectores de estado cero de convertidores de dos niveles. Como resultado, el algoritmo propuesto tambien es capaz de controlar el voltaje de punto neutro del rectificador. Una evaluacion experimental completa que usa un rectificador de

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tipo Viena controlado por disposicion de puertas programables en campo - procesador digital de senal de 2 kW se presenta con propositos de verificacion.

Breve compendio

Segun una realizacion ejemplar de la invencion, un convertidor de nivel multinivel de enclavamiento al punto neutro incluye las caractensticas de la reivindicacion 1. Las realizaciones preferidas se abordan en las reivindicaciones dependientes.

Breve descripcion de los dibujos

Con referencia ahora a los dibujos en donde elementos similares se numeran de manera similar en las FIGURAS: la FIG. 1 es un diagrama esquematico de un convertidor multinivel de NPC en una realizacion ejemplar; la FIG. 2 representa un proceso de control de PWM en una realizacion ejemplar; la FIG. 3 representa un proceso de control de PWM en otra realizacion ejemplar; y la FIG. 4 representa un regulador de equilibrio en una realizacion ejemplar.

Descripcion detallada

La FIG. 1 es un diagrama esquematico de un convertidor de tres niveles trifasico de NPC en una realizacion ejemplar. El convertidor puede operar en un modo generativo o en un modo regenerativo. En modo generativo, una senal de DC del enlace de DC 12 se convierte en una senal de AC. Dos condensadores 18 estan conectados en serie a traves del enlace de DC 12, con la union de condensadores que se conoce como el punto neutro (NP). El convertidor 10 genera una senal de AC monofasica en cada uno de los nodos de AC A, B y C. Cada pata 14 del convertidor 10 genera una de las fases de AC. Como es sabido en la tecnica, los conmutadores Q estan controlados por un controlador 16 para generar formas de onda de AC. Cada pata 14 incluye diodos de enclavamiento neutros, D, para enclavar la salida de la pata a un punto neutro NP. En modo regenerativo, una senal de AC en uno o mas de los nodos de AC A, B y C se convierte en una senal de DC y se suministra al enlace de DC 12. En modo regenerativo, los conmutadores Q se controlan por el controlador 16 para generar una senal de DC en el enlace de DC 12. Los conmutadores Q pueden ser transistores como es sabido en la tecnica.

Para reducir la corriente de NP, el controlador 16 genera al menos un componente de secuencia cero que se combina con una senal de mdice de modulacion usada para generar senales de PWM para los conmutadores Q. El controlador 16 monitoriza el voltaje sobre los condensadores 18 a traves de los sensores de voltaje 20. El controlador 16 monitoriza la corriente en cada nodo de AC a traves de los sensores de corriente 22. Las dos mediciones de voltaje y las tres mediciones de corriente se usan para ajustar la senal de mdice de modulacion para reducir la corriente de NP.

La FIG. 2 representa un proceso de control de PWM en una realizacion ejemplar. El proceso de control se puede ejecutar por el controlador 16. El controlador 16 se puede implementar usando un microprocesador de proposito general que ejecuta un programa de ordenador almacenado en un medio de almacenamiento para realizar las operaciones descritas en la presente memoria. Alternativamente, el controlador 16 se puede implementar en hardware (por ejemplo, ASIC, FPGA) o en una combinacion de hardware/software.

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Como se muestra en la FIG. 2, la corriente detectada en cada nodo de AC, la, Ib e Ic, se invierte en el inversor 30 respectivo. La corriente invertida mmima se resta de la corriente invertida maxima en el combinador de corriente 32. La corriente invertida combinada se escala mediante un factor de escala, Kescalado, en el escalador de corriente 34. La salida del escalador de corriente 34 es un componente de secuencia cero de corriente.

El voltaje detectado a traves de cada condensador 18 se invierte en un inversor 30 respectivo. Los voltajes invertidos se restan en el combinador de voltaje 36. El voltaje invertido combinado se escala mediante un factor de equilibrio, Kequilibrio, en el escalador de voltaje 38. La salida del escalador de voltaje 38 es una componente de secuencia cero de voltaje.

El componente de secuencia cero de corriente y el componente de secuencia cero de voltaje se combinan en el combinador 40 para producir un componente combinado de secuencia cero. Un multiplicador 42 multiplica el componente combinado de secuencia cero por 1 o -1, dependiendo de la direccion de la corriente en cuadratura, lq. El selector 44 selecciona 1 si lq es menor que cero y selecciona -1 si lq es mayor que cero. En realizaciones ejemplares, lq sera positivo en modo generativo y negativo en modo regenerativo.

El componente combinado de secuencia cero se amplifica en el amplificador 46. La salida del amplificador 46 se proporciona a un combinador 48, donde el componente combinado de secuencia cero se suma a una senal de mdice de modulacion desde una unidad de modulacion de vector espacial (SVM) 50. La unidad de SVM 50 ejecuta un algoritmo para generar senales de mdice de modulacion que se usan por la unidad de PWM 52 para controlar el ciclo de trabajo de las senales de PWM aplicadas a los conmutadores Q. El componente combinado de secuencia cero se suma a la senal de mdice de modulacion antes de proporcionar las senales de mdice de modulacion a la unidad de PWM 52.

El proceso de la FIG. 2 reduce la corriente de NP creando dos componentes de secuencia cero separados (es decir, un componente de secuencia cero de corriente y un componente de secuencia cero de voltaje), que se suman o restan de la senal de mdice de modulacion dependiendo de si el convertidor 10 esta trabajando en el modo generativo o regenerativo.

La FIG. 3 representa un proceso de control en realizaciones ejemplares para proporcionar equilibrio termico a traves de conmutadores y equilibrar la corriente de NP. El proceso de la FIG. 3 se puede implementar por el controlador 16. Un regulador externo 70 recibe comandos de control y senales de realimentacion de estado para generar comandos de corriente continua (D) y en cuadratura (Q), i*d e i*q. Los comandos de control pueden ser potencia real y reactiva, voltaje de enlace de DC, etc., desde un sistema de control externo. Las senales de realimentacion de estado pueden ser potencia real y reactiva, voltaje de enlace de DC, etc.

Los comandos de corriente continua (D) y en cuadratura (Q), i*d e i*q, se proporcionan al regulador de corriente continua-en cuadratura 72 que genera comandos de ciclo de trabajo D-Q basados en la corriente continua ordenada, i*d, la corriente en cuadratura ordenada, i*q, la corriente continua medida, id y la corriente en cuadratura medida, iq. El regulador de corriente continua-en cuadratura 72 genera un ciclo de trabajo en cuadratura ordenado, D*q y un ciclo de trabajo en continua ordenado, D*d. Una transformada del ciclo de trabajo 74 convierte el ciclo de trabajo en cuadratura ordenado, D*q y el ciclo de trabajo en continua ordenado, D*d, en un ciclo de trabajo trifasico ordenado D*abc1. La transformada del ciclo de trabajo 74 aplica una transformacion DQ/ABC como es sabido en la tecnica. El angulo 0 es el angulo de transformacion rotacional DQ/ABC.

El ciclo de trabajo trifasico ordenado, D*abc1 se proporciona a un regulador de equilibrio 78. Un regulador de

equilibrio 78 ejemplar se representa en la FIG. 4. El regulador de equilibrio 78 proporciona o bien equilibrio termico o

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bien equilibrio de corriente de NP. Una senal de habilitacion de equilibrio termico, ENBLth, se proporciona al regulador de equilibrio 78. La senal de habilitacion de equilibrio termico, ENBLth, se usa para seleccionar uno de equilibrio termico o equilibrio de voltaje y corriente de NP. La realimentacion se proporciona al regulador de equilibrio 78 como se describe con mas detalle con referencia a la FIG. 4. La salida del regulador de equilibrio 78 es un ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio, D*abc proporcionado a un modulador de PWM 94.

La FIG. 4 representa un regulador de equilibrio 78 en una realizacion ejemplar. La operacion del regulador de equilibrio 78 incluye determinar el estado de la senal de habilitacion de equilibrio termico, ENBLth, en el comparador 80. La senal de habilitacion de equilibrio termico, ENBLth, se puede establecer o reiniciar para cada ciclo de PWM en base al estres termico esperado de todos los dispositivos (es decir, diodos y conmutadores). Por ejemplo, la senal de habilitacion de equilibrio termico, ENBLth, se establece cuando la diferencia ATjc esperada entre los diodos neutros y otros dispositivos excede el umbral preestablecido. La senal de habilitacion de equilibrio termico, ENBLth, se reinicia cuando la diferencia ATjc es aceptable. La senal de habilitacion de equilibrio termico, ENBLth, se puede preprogramar y/o determinar dinamicamente en base al D*abci y a las senales de realimentacion. Por ejemplo, en aplicaciones de traccion tales como ascensores y escaleras mecanicas, donde los perfiles del ciclo de accionamiento estan predefinidos en el software del controlador, la senal de habilitacion de equilibrio termico, ENBLth, se puede preprogramar para mejorar los beneficios del algoritmo de equilibrio termico.

Si la senal de habilitacion de equilibrio termico, ENBLth, esta activa (es decir, establecida), entonces se usa un regulador de equilibrio termico 82 para generar un ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio termico D*abc. El regulador de equilibrio termico 82 usa un modulador bipolar 84 para aplicar una funcion de modulacion bipolar. En el modo de modulacion bipolar, el nivel de voltaje de salida de fase reside mayoritariamente en los carriles positivo y negativo del enlace de DC 12, excepto para un penodo muy pequeno en el NP durante un tiempo muerto. El tiempo muerto se adopta para evitar un cruce rapido a traves del enlace de DC 12 asf como para garantizar un estres dv/dt bajo en los nodos de AC, A, B, C. Las funciones de modulacion bipolar aplicadas por el modulador bipolar 84 para producir un ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio termico D*abc se muestran en la ecuacion (1). En la ecuacion (1), el brazo superior se refiere a un par de conmutadores, Q, acoplados entre un voltaje de DC positivo y un nodo de AC y un brazo inferior se refiere a un par de conmutadores, Q, acoplados entre un voltaje de DC negativo y el nodo de AC.

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Si la senal de habilitacion de equilibrio termico, ENBLth, esta inactiva (es decir, reiniciada) en el comparador 80, entonces el regulador de equilibrio de NP 86 se usa para generar un ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio de NP D*abc. El regulador de equilibrio de punto neutro 86 incluye un modulador bipolar de NP 88 que recibe el ciclo de trabajo trifasico ordenado, D*abc1, y la realimentacion del sistema. La realimentacion incluye diversa informacion de operacion del convertidor dependiendo del tipo de algoritmo de equilibrio de NP implementado. Un algoritmo de equilibrio de NP ejemplar es el que se muestra en la Fig. 2. En ese caso, la realimentacion incluye las corrientes trifasicas, el componente del eje Q de la corriente y los voltajes de bus de DC superior e inferior. Las realizaciones no estan limitadas a las operaciones de equilibrio de NP mostradas en la FIG. 2, y las otras operaciones de equilibrio

de NP se pueden implementar por el regulador de equilibrio de NP 86. La salida del regulador de equilibrio de punto neutro 86 es un ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio de punto neutro D*abc.

Con referencia de nuevo a la FIG. 3, o bien el ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio termico, D*abc o bien el ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio de NP, D*abc, se proporciona a un modulador de PWM 94 para 5 generar senales de PWM para accionar el convertidor 10.

El regulador de equilibrio 78 controla tanto la corriente de NP como el voltaje de NP permitiendo que los valores de capacitancia del enlace de DC sean reducidos. Ademas, el regulador de equilibrio 78 distribuye el estres termico mas uniformemente entre todos los dispositivos (es decir, diodos D y conmutadores Q), lo que se traduce en un aumento en el rendimiento de potencia del convertidor y/o un aumento en la vida util esperada del dispositivo. Estos 10 beneficios se logran sin usar dispositivos de calificacion mas alta o anadir componentes de circuitos adicionales, con una potencia de calculo adicional minima.

La terminologfa usada en la presente memoria es con el proposito de describir realizaciones particulares solamente y no se pretende que sea limitante de la invencion. Por consiguiente, la invencion no ha de ser vista como que esta limitada por la descripcion anterior, sino que esta limitada solamente por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

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Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro (10), que comprende:

un enlace de voltaje de DC (12);

un primer condensador (18) que acopla un lado del enlace de DC (12) a un punto neutro (NP);

un segundo condensador (20) que acopla otro lado del enlace de DC (12) al punto neutro (NP);

una pluralidad de patas de fase (14), cada pata de fase (14) que incluye conmutadores, cada pata de fase (14) acoplada a un nodo de AC (A, B, C);

caracterizado por un sensor de corriente (22) asociado con cada nodo de AC (A, B, C); y

un controlador (16) adaptado para generar una senal de PWM para controlar los conmutadores, el controlador (16) adaptado para generar un componente de secuencia cero de corriente en respuesta a la corriente detectada en cada uno de los sensores de corriente (22), el controlador (16) adaptado para ajustar una senal de mdice de modulacion en respuesta al componente de secuencia cero de corriente para producir la senal de PWM;

en donde el controlador (16) esta adaptado para combinar el componente de secuencia cero de corriente con un componente de secuencia cero de voltaje para proporcionar un componente combinado de secuencia cero, el controlador (16) adaptado para ajustar la senal de mdice de modulacion en respuesta al componente combinado de secuencia cero para producir la senal de PWM; y

en donde el controlador (16) esta adaptado para cambiar un signo del componente combinado de secuencia cero en respuesta a un modo de operacion del convertidor.
2. El convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de la reivindicacion 1, en donde: para generar el componente de secuencia cero de corriente, el controlador esta adaptado para invertir una corriente detectada en cada uno de los sensores de corriente (22) para producir corriente invertida para cada nodo de AC (A, B, C).
3. El convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de la reivindicacion 2, en donde: para generar el componente de secuencia cero de corriente, el controlador esta adaptado para seleccionar un maximo y un mmimo de la corriente invertida para cada nodo de AC (A, B, C).
4. El convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de la reivindicacion 3, en donde: para generar el componente de secuencia cero de corriente, el controlador esta adaptado para obtener una diferencia entre el maximo y el mmimo de la corriente invertida para cada nodo de AC (A, B, C).
5. El convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de la reivindicacion 4, en donde: para generar el componente de secuencia cero de corriente, el controlador esta adaptado para escalar la diferencia entre el maximo y el mmimo de la corriente invertida para cada nodo de AC (A, B, C).
6. El convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de cualquiera de las reivindicaciones 1a 5, en donde:

el controlador (16) esta adaptado para cambiar un signo del componente de secuencia cero de corriente en respuesta a un modo de operacion del convertidor.

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7. Un convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) segun cualquiera de las reivindicaciones 1a 6, en donde

cada pata de fase que incluye dispositivos, los dispositivos que incluyen diodos y conmutadores de enclavamiento, cada pata de fase (14) acoplada a un nodo de AC (A, B, C); y

el controlador (16) esta adaptado para generar una senal de PWM para controlar los conmutadores, el controlador esta adaptado para proporcionar uno de equilibrio termico a traves de los dispositivos y equilibrio de corriente de punto neutro en respuesta a una senal de habilitacion de equilibrio termico.
8. El convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de la reivindicacion 7, en donde:

el controlador (16) incluye un regulador de equilibrio termico (78), el regulador de equilibrio termico (78) adaptado para generar un ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio termico en respuesta a la senal de equilibrio termico que esta activa.
9. El convertidor multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de la reivindicacion 8, en donde:

el regulador de equilibrio termico (78) incluye un modulador bipolar (84) para producir el ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio termico.
10. El convertidor de nivel multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de la reivindicacion 9, en donde: el modulador bipolar (84) aplica una funcion de modulacion bipolar de

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donde D*abc1 es un ciclo de trabajo trifasico ordenado y D*abc es el ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio termico.
11. El convertidor de nivel multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en donde:

el controlador (16) incluye un regulador de equilibrio de punto neutro (78), el regulador de equilibrio de punto neutro (78) que genera un ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio de punto neutro, en respuesta a la senal de equilibrio termico que esta inactiva.
12. El convertidor de nivel multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de la reivindicacion 11, en donde:

el regulador de equilibrio de punto neutro (78) incluye un modulador de equilibrio de punto neutro (88) para producir el ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio de punto neutro.
13. El convertidor de nivel multinivel de enclavamiento al punto neutro (10) de la reivindicacion 12, en donde:

el modulador de equilibrio de punto neutro (88) genera el ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio de punto neutro en respuesta a un ciclo de trabajo trifasico ordenado, y/o el modulador de equilibrio de punto neutro (22) genera el ciclo de trabajo trifasico ordenado de equilibrio de punto neutro, en respuesta a la realimentacion de un

convertidor; la realimentadon del convertidor que incluye particularmente voltajes de DC sobre el enlace de DC (12).