Nuevas topologías de conversores multinivel en cascada
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2013
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Abstract
Los conversores estáticos de potencia juegan un rol fundamental en la actualidad, ya que son utilizados en la generación, distribución y aplicación de la energía eléctrica. Sin embargo, estos conversores introducen contaminación en los sistemas eléctricos donde intervienen. Este problema va en aumento debido a su masificación, ya que son utilizados en el control de motores (responsables de gran parte del consumo mundial) y en la generación de energías renovables no convencionales, las que están incrementando su participación día a día. Por lo tanto, se ha vuelto primordial el desarrollo de tecnologías que aumenten la calidad de energía entregada por estos sistemas. Una solución a estos problemas son los conversores multinivel, los que han aparecido en las últimas décadas. Esta tesis presenta un trabajo de investigación en conversores de potencia multinivel, especialmente los conversores multinivel en cascada, donde primero se presenta una revisión y análisis profundo de sus aplicaciones, topologías, formas de conexión, asimetrías de voltaje, distribución de potencia, ventajas y desventajas. De este análisis se concluye que las principales desventajas de estos conversores son el uso de una gran cantidad de semiconductores y fuentes de voltaje aisladas, las cuales utilizan complejos, costosos, pesados y voluminosos transformadores, además de rectificadores trifásicos bidireccionales que requieren de un control adecuado.
Otra barrera de entrada de esta tecnología es la falta de madurez, ya que aún cuando su implementación en la industria lleva más de dos décadas, todavía no se han solucionado los problemas inherentes de estos conversores ni se han desarrollado sistemas de modulación y control generales. Sin embargo, su participación en el mercado va en aumento debido a que son ideales para cubrir la necesidad mundial de incrementar la producción a escalas gigantescas de forma eficiente, lo que requiere una conversión de grandes cantidades de energía. Basado en la revisión y análisis realizada, esta tesis propone nuevas soluciones para potenciar las ventajas y eliminar las desventajas de estos conversores en tres direcciones: la eliminación o implementación de nuevas fuentes de voltaje para alimentar los inversores del conversor sin el uso de grandes y complejos transformadores; el uso de dos nuevos métodos de optimización para obtener asimetrías que incrementen el número de niveles de voltaje generados en el motor (aumento en la calidad de energía entregada); y la adaptación o rediseño de los dos controles de frecuencia variable más utilizados y de mayor rendimiento (Control Directo de Torque DTC y Control de Campo Orientado FOC) para ser utilizados en conjunto con los conversores multinivel propuestos.
Finalmente se implementan todas las propuestas de la tesis en un motor de inducción mediante un banco de pruebas, y en un motor síncrono de imanes permanentes instalado en un vehículo eléctrico de última tecnología, el cual fue especialmente transformado para probar las tecnologías propuestas en esta tesis.
Otra barrera de entrada de esta tecnología es la falta de madurez, ya que aún cuando su implementación en la industria lleva más de dos décadas, todavía no se han solucionado los problemas inherentes de estos conversores ni se han desarrollado sistemas de modulación y control generales. Sin embargo, su participación en el mercado va en aumento debido a que son ideales para cubrir la necesidad mundial de incrementar la producción a escalas gigantescas de forma eficiente, lo que requiere una conversión de grandes cantidades de energía. Basado en la revisión y análisis realizada, esta tesis propone nuevas soluciones para potenciar las ventajas y eliminar las desventajas de estos conversores en tres direcciones: la eliminación o implementación de nuevas fuentes de voltaje para alimentar los inversores del conversor sin el uso de grandes y complejos transformadores; el uso de dos nuevos métodos de optimización para obtener asimetrías que incrementen el número de niveles de voltaje generados en el motor (aumento en la calidad de energía entregada); y la adaptación o rediseño de los dos controles de frecuencia variable más utilizados y de mayor rendimiento (Control Directo de Torque DTC y Control de Campo Orientado FOC) para ser utilizados en conjunto con los conversores multinivel propuestos.
Finalmente se implementan todas las propuestas de la tesis en un motor de inducción mediante un banco de pruebas, y en un motor síncrono de imanes permanentes instalado en un vehículo eléctrico de última tecnología, el cual fue especialmente transformado para probar las tecnologías propuestas en esta tesis.
Description
Tesis (Doctor en Ciencias de la Ingeniería)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2013