ES2619657T3

ES2619657T3 - Convertidor de potencia multinivel

Info

Publication number: ES2619657T3
Application number: ES15157308.6T
Authority: ES
Inventors: Jean-Paul Lavieville
Original assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Current assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2017-06-26
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: EP2937985B1; RU2593393C1; US9553516B2; BR102015006743A2; EP2937985A2; AU2015201700B2; FR3019699A1; EP2937985A3; FR3019699B1; AU2015201700A1; CN104980054A; US20150288284A1; BR102015006743B1; CN104980054B

Abstract

Convertidor multinivel que consta de uno o varios brazos (B), configurados para estar cada uno conectado entre una fuente de tensión (VCC) y una fuente de corriente (I), en el cual el o cada brazo comprende dos etapas (Et1, Et2) conectadas en cascada con una primera etapa (Et1) destinada a ser conectada a la fuente de tensión (VCC), una segunda etapa (Et2) destinada a ser conectada a la fuente de corriente (I), en el cual la primera etapa (Et1) consta de n etapas (E11,..., E1n) elementales de rango de uno a n (n superior a uno) conectadas en cascada, estando la etapa (E11) elemental de rango uno conectada a la segunda etapa (Et2) y estando la etapa (E1n) elemental de rango n destinada a ser conectada a la fuente de tensión (VCC), caracterizado porque cada etapa (E11, E1n) elemental consta de un par de células de tipo NPC (neutral point clamped o clampeo por el neutro) (Ce11, Ce12; Cen1, Cen2) idénticas conectadas en serie, siendo la conexión en serie directa en la etapa (E1) elemental de rango 1, haciéndose la conexión en serie a través de n-1 células (Can(1), Can(n-1)) capacitivas para cada etapa elemental de rango n (n superior a uno), constando la segunda etapa (Et2) de una célula de tipo con condensador (Ce10) flotante.

Description

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DESCRIPCION

Convertidor de potencia multinivel Campo tecnico

La presente invencion se refiere a los convertidores de potencia multinivel, de manera mas particular destinados a funcionar en el campo de la media tension.

Estado de la tecnica

Los convertidores de potencia de media tension conocidos utilizan, por lo general, unos interruptores de semiconductores puestos en serie para permitir una subida de tension. La principal dificultad de la puesta en serie de estos interruptores de semiconductores es obtener tensiones identicas en los bornes de todos estos interruptores de semiconductores en cada instante. Si aparecen sobrecargas transitorias o permanentes, se puede producir la destruccion de los interruptores de semiconductores.

Se han desarrollado unas tecnicas basadas en el entrelazado de los controles de los interruptores asociados a la utilizacion de transformadores, estas permiten gestionar el reparto de las tensiones y reconstituir las formas de ondas. Pero los transformadores tienen un coste significativo e impiden la realizacion de convertidores compactos.

Ha aparecido otra solucion, se trata de la topologfa designada NPC (del ingles neutral point clamped o clampeo por el neutro). Una celula de tipo NPC consta de dos pares de interruptores de semiconductor en serie, de dos diodos en serie conectados, por un lado, en el punto comun entre los dos interruptores del primer par y, por otro lado, en el punto comun entre los dos interruptores del segundo par. Encontramos, ademas, una serie de dos condensadores conectada a los bornes del conjunto formado por los pares de interruptores de semiconductores. El punto comun entre los dos diodos en serie esta unido al punto comun entre los dos condensadores de la serie.

Esta topologfa conduce a una forma de onda satisfactoria y a una reduccion de las limitaciones de tension en los interruptores de semiconductores. Por el contrario, pueden producirse desequilibrios de la tension en los bornes de los condensadores.

Se han producido mejoras de la topologfa original NPC, sustituyendo los dos diodos por un par de interruptores de semiconductores. Esta topologfa se denomina ANPC con 3 niveles de tension.

Otra mejora ha aparecido para aumentar el nivel de tension aceptable poniendo los interruptores en serie y anadiendo un condensador. Esta topologfa se denomina ANPC con 5 niveles de tension. La ha desarrollado la empresa ABB. Sin embargo, esta limitada en la actualidad a unos niveles de tension del orden de 6,9 kV.

Otra tecnica se basa en la asociacion de celulas de condensador flotante conocidas tambien con la denominacion de celulas elementales anidadas. Se puede unir una fuente de tension a una fuente de corriente a traves de un numero cualquiera de dichas celulas elementales en serie. Cada celula elemental consta de dos interruptores de semiconductor en serie y de un dispositivo de almacenamiento de energfa como un condensador une entre sf dos celulas elementales contiguas a la manera de una escalera. Esta solucion presenta, sin embargo, algunos inconvenientes relacionados con la presencia del condensador flotante entre dos celulas elementales. Cuanto mas aumenta el numero de celulas elementales, mas aumenta el sobrecoste relacionado con los condensadores y mayor es la cantidad de energfa almacenada en estos condensadores.

Frente a las dificultades que resultan de la puesta en serie de numerosos interruptores de semiconductores para alcanzar unos niveles de tension elevados, se ha recomendado limitar el numero de interruptores en serie, y asociar unas etapas con celulas anidadas en cascada, constando cada etapa de varias celulas elementales anidadas.

De este modo, en la solicitud de patente US 2007/0025126, se describe un convertidor de potencia multinivel que consta al menos de dos brazos configurados con unas celulas elementales anidadas unidas entre sf por unos condensadores.

En una primera configuracion, cada brazo consta de una cascada de 3 etapas. Cada una de estas etapas tiene un rango diferente comprendido entre uno y tres. Cada etapa consta de tantos pares de celulas elementales anidadas como el rango de la etapa. Estos pares de celulas elementales anidadas pueden adoptar tres niveles de tension. El inconveniente de esta primera configuracion es que utiliza muchos interruptores y condensadores, lo que la hace cara y poco fiable.

En una segunda configuracion, cada brazo consta de una cascada de dos etapas, una de rango uno y la otra de rango dos. Cada etapa consta de tantos tripletes de celulas elementales de base anidadas. Estos tripletes de celulas elementales pueden adoptar cuatro niveles de tension. En esta segunda variante, los condensadores utilizados se encargaran de unos niveles de tension diferentes segun si pertenecen a la primera etapa o a la segunda etapa. Esto presenta una limitacion para la estandarizacion. Por otra parte, las inductancias parasitas de los condensadores son mas elevadas cuando aumenta la resistencia en tension. Las sobretensiones de conmutacion para las celulas de niveles de tension mas importantes van a limitar la atraccion del montaje.

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Los documentos ZHIGUO PAN y otros: “A diode-clamped multilevel converter with reduced number of clamping diodes”, DE 102012214666A1 y AlIAN CHEN y otros: “Research on Hybrid-Clamped Multilevel-Inverter Topologies” dan a conocer unos convertidores de potencia multinivel.

Descripcion de la invencion

La presente invencion tiene como objetivo proponer un convertidor multinivel que puede trabajar en unos niveles de tension superiores a los de la tecnica anterior, sin tener la necesidad de recurrir a los transformadores ni de multiplicar el numero de interruptores de semiconductores.

Otro objetivo de la invencion es proponer un convertidor multinivel que es menos caro y mas fiable que los convertidores multinivel de la tecnica anterior, para un nivel de tension dado.

Otro objetivo mas de la invencion es proponer un convertidor multinivel que utiliza unos lotes de condensadores estandar de resistencia en tension limitada.

Un objetivo adicional de la invencion es proponer un convertidor multinivel que limita la aparicion de inductancias parasitas.

Estos objetivos se consiguen mediante la asociacion de celulas de tipo NPC y de celulas capacitivas.

De manera mas particular, la presente invencion es un convertidor multinivel que consta de uno o varios brazos, configurados para conectarse cada uno entre una fuente de tension y una fuente de corriente. El o cada brazo comprende dos etapas conectadas en cascada con una primera etapa destinada a conectarse a la fuente de tension y una segunda etapa destinada a conectarse en la fuente de corriente. La primera etapa consta de n etapas elementales de rango de uno a n (n superior a uno) conectadas en cascada, estando la etapa elemental de rango uno conectada a la segunda etapa y estando la etapa elemental de rango n destinada a conectarse en la fuente de tension. Cada etapa elemental consta de un par de celulas de tipo NPC identicas conectadas en serie, siendo directa la conexion en la etapa elemental de rango uno, haciendose la conexion a traves de n-1 celulas capacitivas para cada etapa elemental de rango n (n superior a uno). La segunda etapa consta por su parte de una celula de tipo de condensador flotante.

En este convertidor multinivel, una celula capacitiva consta de dos dispositivos de almacenamiento de energfa dispuestos en serie, teniendo estos dispositivos de almacenamiento de energfa la misma capacidad de almacenamiento de energfa.

En una etapa elemental, las celulas de tipo NPC constan de un puente capacitivo con dos dispositivos de almacenamiento de energfa con la misma capacidad de almacenamiento de energfa. Cada dispositivo de almacenamiento de energfa de una celula capacitiva de esta etapa elemental tiene la misma capacidad de almacenamiento de energfa que uno de los dispositivos de almacenamiento de energfa de una celula de tipo NPC.

De este modo, todos los dispositivos de almacenamiento de energfa de la primera etapa tienen la misma capacidad de almacenamiento de energfa.

Para cumplir con las normas de conexion en fuente de tension y fuente de corriente, al menos una de las celulas de tipo NPC de una etapa elemental esta conectada a una celula de tipo NPC de una etapa elemental contigua a traves de una inductancia.

En el convertidor objeto de la invencion, una celula de tipo NPC consta de un cuadruplete de interruptores elementales dispuestos en serie de los cuales dos estan en la posicion extrema y dos estan en la posicion central. Un interruptor elemental en la posicion extrema y un interruptor elemental en la posicion central que no estan unidos directamente estan siempre en estados complementarios, siendo uno conductor y estando el otro bloqueado, estos dos interruptores elementales forman una celula de conmutacion elemental.

Una celula de tipo NPC tiene una funcion de conversion que une la tension aplicada en la entrada de dicha celula a la tension presente en la salida de dicha celula. Las dos celulas de conmutacion elementales de dicha celula tienen

cada una tambien una funcion de conversion. La funcion de conversion de la celula de tipo NPC depende de las

funciones de conversion de las dos celulas de conmutacion elementales.

Ademas, las celulas de tipo NPC de una misma etapa elemental tienen la misma funcion de conversion.

En las dos celulas de tipo NPC de una misma etapa elemental, los interruptores elementales homologos se controlan de manera identica.

En el convertidor objeto de la invencion, una celula del tipo de condensador flotante consta de un cuadruplete de interruptores elementales dispuestos en serie de los cuales dos estan en la posicion extrema y dos estan en la posicion central. Los dos interruptores elementales en la posicion extrema estan siempre en estados

complementarios, los dos interruptores elementales en la posicion central estan siempre en estados

complementarios, siendo uno conductor y estando el otro bloqueado. Los dos interruptores elementales en la

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posicion extrema forman una primera celula de conmutacion elemental. Los dos interruptores elementales en la posicion central forman una segunda celula de conmutacion elemental.

Los interruptores elementales constan cada uno de un conmutador electronico de potencia controlable asociado con un diodo conectado en antiparalelo.

Los dispositivos de almacenamiento de energfa se seleccionan entre un condensador, una batena o una pila de combustible.

La presente invencion se refiere tambien a un variador de velocidad que consta de una cascada con un convertidor asf caracterizado que funciona como rectificador CA/CC y un convertidor asf caracterizado que funciona como inversor CC/CA, unidos entre sf por sus lados en corriente continua por medio de una fuente de tension.

Breve descripcion de los dibujos

La presente invencion se entendera mejor con la lectura de la descripcion de unos ejemplos de realizacion, dados a tftuio meramente indicativo y en modo alguno limitativo, que hacen referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1A ilustra, de manera muy esquematica, un brazo de convertidor multinivel objeto de la invencion con una primera etapa y una segunda etapa montadas en cascada, siendo la primera etapa una cascada de n etapas elementales; la figura 1B es una convertidor multinivel monofasico que consta de dos brazos similares a los de la figura 1A;

la figura 2A muestra una celula de tipo NPC del convertidor multinivel objeto de la invencion y las figuras 2B, 2C, 2D ilustran la circulacion de la corriente en esta celula que conduce a los tres estados de la celula de tipo NPC; la figura 3A muestra una celula de tipo de condensador flotante con tres niveles de tension del convertidor multinivel objeto de la invencion y las figuras 3B, 3C, 3D, 3E ilustran la circulacion de la corriente en esta celula de condensador flotante que conduce a los cuatro estados de la celula de condensador flotante; las figuras 4A y 4B ilustran unos ejemplos de brazos de convertidor multinivel objeto de la invencion en el que la primera etapa es una cascada de dos primeras etapas elementales, la figura 4A es relativa a un inversor y la figura 4B es relativa a un rectificador;

las figuras 5A y 5B ilustran respectivamente unas senales triangulares para el control de los interruptores elementales de las dos celulas de conmutacion elementales de una celula de condensador flotante como la celula Ce10 de la figura 4A en el caso de un control de tipo modulacion de ancho de pulso MAP; las figuras 5C y 5D ilustran respectivamente unas senales triangulares para el control de los interruptores elementales de las dos celulas de conmutacion elementales de una celula de tipo NPC como la celula Cell de la figura 4A en el caso de un control de tipo modulacion de ancho de pulso MAP; la figura 5E ilustra una senal de consigna que hay que comparar con las senales triangulares para determinar unos instantes de conmutacion de los interruptores elementales de las celulas de conmutacion elementales;

las figuras 6 a 9 ilustran unas senales en el caso de un convertidor, como el de la figura 4A, con una carga 10 de tipo RL enchufada entre el nodo S y el nodo N3;

las figuras 6.00 a 6.04 ilustran respectivamente la senal de consigna Vref que hay que comparar con la portadora Car3 para el control de los interruptores elementales T4u y T3u, con la portadora Car4 para el control de los interruptores elementales T5u y T6u, con la portadora Carl para el control del interruptor elemental T1, con la portadora Car2 para el control del interruptor elemental T2;

las figuras 6.1 a 6.8 son unos cronogramas que corresponden a la primera etapa elemental E11: las figuras 6.1 y 6.2 ilustran respectivamente la senal de control de los interruptores elementales T3u, T4u; las figuras 6.3 a 6.7 ilustran respectivamente la corriente que circula desde el nodo N8 hacia el interruptor elemental T4u, la corriente que circula desde el nodo N9 hacia los diodos D7 y D8, la corriente que circula desde el nodo N10 hacia los interruptores elementales T3'u y T4I, la corriente que circula desde el nodo N11 hacia los diodos D9 y D10, la corriente que circula desde el nodo N12 hacia el interruptor elemental T3'I; la figura 6.8 ilustra la corriente la corriente de salida del brazo y que alimenta la carga 10;

las figuras 7.1 a 7.9 son unos cronogramas que corresponden a la segunda etapa elemental E12: las figuras 7.1 y 7.2 ilustran respectivamente la senal de control de los interruptores elementales T5u, T6u; las figuras 7.3 a 7.8 ilustran respectivamente la corriente que circula desde el borne E+ que debe estar conectado a la fuente de tension VCC hacia el interruptor elemental T6u, la corriente que circula desde el nodo N1 hacia los diodos D1 y D2, la corriente que circula desde el nodo N2 hacia el interruptor elemental T5'u, la corriente que circula desde el nodo N4 hacia el interruptor elemental T6I, la corriente que circula desde el nodo N5 hacia los diodos D5 y D6, la corriente que circula desde el borne E- que debe estar conectado a la fuente de tension VCC hacia el interruptor elemental T5'I; la figura 7.9 ilustra la corriente de salida del brazo y que alimenta la carga 10; las figuras 8.1 a 8.5 son unos cronogramas que corresponden a la segunda etapa E2, las figuras 8.1 y 8.2 ilustran respectivamente la senal de control de los interruptores elementales T1, T2 con una primera base de tiempo, la misma que la de las figuras 6.03 y 6.04; las figuras 8.3 y 8.4 ilustran respectivamente la corriente que circula desde el interruptor elemental T2 hacia el interruptor elemental T1 y la corriente que circula desde el interruptor elemental t2 hacia el condensador Cf; la figura 8.5 ilustra la corriente de salida del brazo y que alimenta la carga 10; las figuras 8.6 y 8.7 ilustran de nuevo la senal de control de los interruptores elementales T1, T2 con una segunda base de tiempo, la misma que la de las figuras 8.3 a 8.5;

las figuras 9.1 y 9.2 ilustran respectivamente un cronograma de la tension Vs en los bornes de la carga 10 y de la

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corriente Is de salida del brazo y que alimenta la carga 10;

la figura 10 muestra un ejemplo de variador de velocidad que asocia dos convertidores multinivel objeto de la invencion, funcionando uno como rectificador y el otro como inversor.

Descripcion detallada de unas formas particulares de realizacion

Se hace referencia a la figura 1A que muestra un esquema electrico de un brazo B de un convertidor multinivel objeto de la invencion, en una estructura general. Permite trabajar con unas tensiones del campo de la media tension hasta aproximadamente 13,8 kV.

Este se va a describir, en primer lugar, en un ejemplo de un brazo de convertidor CC/CA.

El convertidor multinivel objeto de la invencion, como el que se ilustra en la figura 1B, consta de uno o varios brazos B similares al representado en la figura 1A. Estan destinados a enchufarse cada uno entre dos mismas fuentes de alimentacion electrica, entre las cuales hay una fuente de tension VCC y aun fuente de corriente I. Se utilizan dos brazos en un convertidor monofasico. Se utilizanan tres brazos en un convertidor trifasico.

El brazo B de la figura 1A esta destinado a conectarse entre la fuente de tension VCC y la fuente de corriente I. El convertidor puede por tanto funcionar como convertidor CC/CA (inversor) o bien como convertidor CA/CC (rectificador). En el caso de un convertidor CC/CA, la fuente de corriente es alterna y puede ser, por ejemplo, un motor electrico, y la fuente de tension es continua y puede ser, por ejemplo, un bus de corriente continua enchufado en la salida de un rectificador.

En el caso de un convertidor CA/CC, la fuente de corriente es alterna y puede ser, por ejemplo, la red de alimentacion y la fuente de tension es continua y puede ser, por ejemplo, un condensador o una batena.

El brazo B de convertidor consta de dos etapas Et1, Et2 conectadas juntas en cascada. La primera etapa Et1 o etapa de entrada esta destinada a enchufarse en la fuente de tension vCc que es continua y la segunda etapa Et2 o etapa de salida esta destinada a enchufarse en la fuente de corriente I en la configuracion de convertidor CC/CA que se ilustra en la figuras 1.

En una configuracion de convertidor CA/CC, la primera etapa Et1 o etapa de salida estana enchufada en una fuente de tension continua y la segunda etapa Et2 o etapa de entrada estana enchufada en una fuente de corriente alterna. La entrada y la salida del convertidor se invierten cuando se pasa del funcionamiento como inversor al funcionamiento como rectificador y viceversa.

La primera etapa Et1 esta formada por n etapas elementales E11, E12,..., E1n con un rango comprendido entre 1 y n (n entero superior a uno) conectados en cascada. La etapa elemental E11 de rango 1 esta conectada a la segunda etapa Et2. La etapa elemental E1n de rango n esta destinada a enchufarse en la fuente de tension VCC.

La segunda etapa Et2 esta formada por una celula de tipo de condensador flotante Ce10 con tres niveles de tension.

Cada etapa elemental E11, E12,..., E1n de la primera etapa Et1 consta de un par de celulas de tipo NPC (Ce11, Ce12), (Ce21, Ce22),..., (Cen1, Cen2) unidas en serie. La union entre las dos celulas de tipo NPC (Ce11, Ce12), (Ce21, Ce22),..., (Cen1, Cen2) de una misma etapa elemental E11, E12,...E1n de rango 1 a n, se hace por n-1 celulas capacitivas. Para la etapa elemental E11 de rango 1, la union entre sus dos celulas de tipo NPC Ce11, Ce12 es por tanto directa. Cuando n-1 es superior a uno, hay n-1 celulas capacitivas que estan conectadas en serie. La celula capacitiva de la etapa elemental E12 de rango 2 lleva la referencia Ca2(1) y por analogfa las de la etapa elemental En de rango n Can(1) a Can((n-1). Cada celula capacitiva consta de un par de dispositivos de almacenamiento de energfa en serie. Los dos dispositivos de almacenamiento de energfa de una celula capacitiva tienen la misma capacidad de almacenamiento de energfa. Ademas, todos los dispositivos de almacenamiento de energfa de las celulas capacitivas de la primera etapa Et1 tienen el mismo valor de almacenamiento de energfa.

Los dispositivos de almacenamiento de energfa utilizados en el convertidor objeto de la invencion, ya sea en las celulas de tipo NPC o de condensador flotante o bien tambien en las celulas capacitivas se pueden realizar mediante cualquier dispositivo capaz de almacenar energfa electrica y restituirla en forma de tension. Los dispositivos de almacenamiento de energfa pueden adoptar la forma de un condensador, de una batena, de una pila de combustible.

A continuacion, en aras de la simplificacion, la referencia VCC representara a la vez la fuente de tension y la tension en los bornes de esta fuente de tension.

Se observa que la tension VCC se ha escindido en n+1 tensiones asociadas en serie, de las cuales dos mas extremas, denominadas E1n1 y E1n(n+1), son las tensiones de entrada de las celulas de tipo NPC Cen1 y Cen2.

En el funcionamiento como inversor, se ha representado una unica fuente de tension VCC. Se sobreentiende que esta fuente de tension VCC podna estar constituida por un conjunto de n+1 fuentes de tension elementales independientes.

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Cada celula de tipo NPC consta, como se vera mas adelante haciendo referencia a la descripcion de la figura 3A, de un puente divisor capacitivo de entrada que materializa una fuente de tension. Las tensiones E1n1, E1n(n+1) son las tensiones en los bornes de estos puentes capacitivos.

Las tensiones E1n2 a E1nn son unas tensiones flotantes que se aplican a las n-1 celulas capacitivas Can(1) a Can(n-1). Estas n-1 celulas capacitivas Can(1) a Can(n-1) forman unas fuentes de tension flotantes.

De la misma manera, las salidas de las celulas de tipo NPC Cen1 y Cen2 de la etapa elemental E1n se consideran como unas fuentes de tension flotantes.

La union entre dos etapas elementales contiguas, se hace entre dos celulas de tipo NPC respectivas, a traves de una inductancia Laux11, Laux21,...Laux1(n-1), Laux2(n-1). Cada una de estas inductancias es asimilable a una fuente de corriente para cumplir con las normas de conexion entre fuente de tension y fuente de corriente. Los valores de estas dos inductancias son los mismos. Por el contrario, dos inductancias que no unen dos mismas etapas no tienen necesariamente los mismos valores. En una variante, sena posible utilizar solo una inductancia para unir una primera etapa elemental y una segunda etapa elemental contigua. Esta se colocana entre una celula de tipo NPC de la primera etapa elemental y una celula de tipo NPC de la segunda etapa elemental contigua. La otra celula de tipo NPC de la primera etapa elemental se unina directamente a la otra celula de tipo NPC de la segunda etapa elemental contigua. Es para esquematizar esta variante por lo que se ha representado con lmea discontinua la inductancia Laux21 en la figura 1A. Esto significa que es opcional. En este caso, la unica inductancia utilizada tendna como valor la suma de las dos inductancias del montaje con dos inductancias.

A la altura de la etapa elemental E12 de rango 2, las salidas de las celulas de tipo NPC Ce21 y Ce22 estan conectadas a traves de las inductancias Laux11, Laux21 con dos fuentes de tension flotantes constituidas por los puentes capacitivos de las dos celulas de tipo NPC Cell, Ce12. Estas dos fuentes de tension tienen un punto comun. Las referencias E111, E112 corresponden a las tensiones en los bornes de estos puentes capacitivos.

Las salidas de las celulas de tipo NPC Cell y Ce12 realizan una fuente de tension flotante E2 que se aplica en la entrada de la celula de tipo condensador flotante Ce10 de la segunda etapa Et2. La estructura y el funcionamiento de una celula de tipo de condensador flotante con tres niveles de tension se describen haciendo referencia a las figuras 3A a 3E.

Se seleccionan las componentes de la enesima etapa elemental E1n de manera que la tension de entrada VCC se escinda en n+1 tensiones de entrada iguales aplicadas a cada una de las dos celulas de tipo NPC Cen1, Cen2 y de las n-1 celulas capacitivas Can(1),..., Can(n-1). De este modo, se aplica VCC/n+1 en cada una de las celulas de la enesima etapa elemental.

Se puede definir una funcion f de conversion asociada a cada celula de tipo NPC o de condensador flotante, esta une la tension de entrada Ve aplicada a dicha celula con la tension V presente en la salida de la misma celula.

V = f*Ve/2 siendo -1 < f < 1

En cada etapa elemental de la primera etapa, se configuran y se controlan las dos celulas de tipo NPC de manera que sus funciones de conversion asociadas sean iguales de dos en dos. De esta forma, las tensiones aplicadas en la entrada de cada una de las celulas de la primera etapa pero tambien de la segunda etapa son iguales a VCC/n+1. Todas las celulas de tipo NPC o de condensador flotante del convertidor deben soportar esta tension VCC/n+1. Esto cumple con el objetivo inicial de reduccion de las limitaciones de tension en los interruptores de semiconductores para una tension continua dada aplicada a la etapa elemental de rango n de la primera etapa.

Se va a describir rapidamente la estructura de una celula de tipo NPC con tres niveles de tension, haciendo referencia a las figuras 2A a 2D.

Esta celula de tipo NPC consta de un cuadruplete de interruptores elementales montados en serie denominados K11, K12, K21, K22. En este cuadruplete, un primer interruptor K11 elemental y un segundo interruptor K22 elemental estan en la posicion extrema y un primer interruptor K12 y un segundo interruptor K21 elemental estan en la posicion central, los dos interruptores elementales en la posicion central estan directamente unidos entre sf en el nodo M3. En el cuadruplete, un interruptor elemental en la posicion extrema esta directamente unido a un interruptor elemental en la posicion central. Esta union permite definir un primer punto M1 central entre el primer interruptor K11 elemental en la posicion extrema y el primer interruptor K12 elemental en la posicion central y un segundo punto M2 medio entre el segundo interruptor K22 elemental en la posicion extrema y el segundo interruptor K21 elemental en la posicion central.

Los interruptores K11, K12, K21, K22 elementales son unos interruptores de semiconductor y constan cada uno de un conmutador T11, T12, T21, T22 electronico de potencia controlable, como un transistor de potencia IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) asociado con un diodo D11, D12, D21, D22, conectada en antiparalelo. En lugar de los transistores IGBT, se pueden considerar otros conmutadores electronicos de potencia como unos transistores MOSFET u otros. Para no sobrecargar las figuras, se ha omitido representar los medios de control de los conmutadores electronicos de potencia.

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Un primer diodo D100 y un segundo diodo D200 en serie estan conectados entre el primer punto M1 medio y el segundo punto M2 medio. El diodo D100 tiene su catodo conectado al primer punto M1 medio, el diodo D200 tiene su anodo conectado al segundo punto M2 medio. Un puente divisor capacitivo, con un primer dispositivo C100 de almacenamiento de energfa y un segundo dispositivo C200 de almacenamiento de energfa esta conectado a los bornes extremos del cuadruplete de interruptores K11, K12, K21, K22 elementales. Los dos dispositivos C100 y C200 de almacenamiento de energfa tienen la misma capacidad de almacenamiento de la energfa electrica. El punto A medio entre los dos dispositivos C100, C200 de almacenamiento de energfa en serie esta unido al punto B medio entre los dos diodos D100, D200 en serie. El diodo D100 tiene su anodo conectado al punto B medio, el diodo D200 tiene su catodo conectado en el punto B medio.

Se definen dos funciones de conmutacion. La primera funcion F1 de conmutacion se utiliza para el control de una primera celula G1 de conmutacion elemental que comprende el primer interruptor K11 elemental en la posicion extrema y el segundo interruptor K21 elemental en la posicion central. La segunda funcion F2 de conmutacion se utiliza para el control de una segunda celula G2 de conmutacion elemental que comprende el primer interruptor K12 elemental en la posicion central y el segundo interruptor K22 elemental en la posicion extrema. Los interruptores elementales de una misma celula G1 o G2 de conmutacion elemental no se conectan directamente entre sf y siempre estan en estados complementarios, siendo uno conductor y estando el otro bloqueado.

La primera tension V1 de entrada se aplica a los bornes del primer dispositivo C100 de almacenamiento de energfa. La segunda tension V2 de entrada se aplica a los bornes del segundo dispositivo C200 de almacenamiento de energfa.

La tension V de salida se toma entre el punto A medio entre los dos dispositivos C100, C200 de almacenamiento de energfa y el nodo M3 comun a los dos interruptores K12, K21 elementales en la posicion central.

Estado: K11 K21 F1 G1 K12 K22 F2 G2 V

1: conductor bloqueado 1 conductor bloqueado 1 V1

2: bloqueado conductor 0 conductor bloqueado 1 0

3: bloqueado conductor 0 bloqueado conductor 0 -V2

La combinacion K12 bloqueado y K11 conductor no se permite en este montaje que emite tres niveles de tension. El estado 1 se ilustra en la figura 2B, el estado 2 se ilustra en la figura 2C, el estado 3 se ilustra en la figura 2D.

Se va a describir rapidamente la estructura de una celula de tipo de condensador flotante con tres niveles de tension, haciendo referencia a las figuras 3A a 3E.

Esta celula de tipo condensador flotante consta de un cuadruplete de interruptores elementales montados en serie denominados KllO, K120, K210, K220. En este cuadruplete, un primer interruptor K110 elemental y un segundo interruptor K220 elemental estan en la posicion extrema y un primer interruptor K120 elemental y un segundo interruptor K210 elemental estan en la posicion central, los dos interruptores K120, K210 elementales en la posicion central estan directamente unidos entre sf en el nodo M30. En el cuadruplete, un interruptor elemental en la posicion extrema esta directamente unido a un interruptor elemental en la posicion central. Esta union permite definir un primer punto M10 medio entre el primer interruptor K110 elemental en la posicion extrema y el primer interruptor K120 elemental en la posicion central y un segundo punto M20 medio entre el segundo interruptor K220 elemental en la posicion extrema y el segundo interruptor K210 elemental en la posicion central.

Estos interruptores K110, K120, K210, K220 elementales son unos interruptores de semiconductor y constan cada uno de un conmutador T110, T120, T210, T220 electronico de potencia controlable, como un transistor de potencia IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) por ejemplo asociado con un diodo D110, D120, D210, D220, conectado en antiparalelo. En lugar de los transistores IGBT, se pueden considerar otros conmutadores electronicos de potencia como unos transistores MOSFET u otros.

Un dispositivo C101 de almacenamiento de energfa esta conectado entre el primer punto M10 medio y el segundo punto M20 medio.

Se definen dos funciones de conmutacion. La primera funcion F10 de conmutacion se utiliza para el control de una primera celula J1 de conmutacion elemental que comprende el primer interruptor K110 elemental en la posicion extrema y el segundo interruptor K220 elemental en la posicion extrema. La segunda funcion F20 de conmutacion se utiliza para el control de una segunda celula J2 de conmutacion elemental que comprende el primer interruptor K120 elemental en la posicion central y el segundo interruptor K210 elemental en la posicion central. Los interruptores elementales de una misma celula de conmutacion elemental estan siempre en estados complementarios, conductor o bloqueado.

La tension Ve de entrada es la tension en los bornes del cuadruplete de interruptores K110, K120, K210, K220. La

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tension V de salida es la tension en los bornes del conjunto formado por el segundo interruptor K210 elemental en la posicion intermedia y el segundo interruptor K220 elemental en la posicion extrema.

Estado: K110 K220 F10 J1 K120 K210 F20 J2 V

1: conductor bloqueado 1 conductor bloqueado 1 Ve

2: conductor bloqueado 1 bloqueado conductor 0 Ve/2

3: bloqueado conductor 0 conductor bloqueado 1 Ve/2

4: bloqueado conductor 0 bloqueado conductor 0 0

Segun el estado de los interruptores elementales, los tres niveles de tension de salida que se pueden obtener son: 0, Ve/2, Ve. El estado 1 se ilustra en la figura 3B, el estado 2 se ilustra en la figura 3C, el estado 3 se ilustra en la figura 3D y el estado 4 se ilustra en la figura 3E.

Los interruptores elementales de las celulas descritas mas arriba son bidireccionales en corriente, lo que vuelve al convertidor objeto de la invencion reversible.

A continuacion nos centramos en las figuras 4A, 4B que muestran de manera mas detallada el esquema electrico de un brazo de un convertidor multinivel objeto de la invencion. En la figura 4A el convertidor objeto de la invencion funciona como inversor CC/CA. Su salida en el lado de corriente alterna esta destinada a alimentar una carga 10 representada formada por una resistencia R y por una inductancia L en serie y equivalente a una fuente de corriente. En la figura 4B, el convertidor objeto de la invencion funciona como rectificador CA/CC. Los dispositivos de almacenamiento de energfa se han llamado condensadores. Esto no es limitativo.

En este ejemplo, la primera etapa Et1 del brazo solo consta de n = 2 etapas E11, E12 elementales de rangos 1 y 2. La primera etapa E11 elemental consta de dos celulas de tipo NPC Ce11 y Ce12. La celula de tipo NPC Ce11 consta de cuatro interruptores elementales de los cuales dos son extremos T4u, T3'u y dos centrales T3u, T4' asf como de dos condensadores C7, C9 y de dos diodos D7, D8. Estos componentes se disponen como en la figura 2A.

Los interruptores elementales de la celula de tipo NPC Ce11 se reparten en dos celulas Gr4 de conmutacion elementales con T4u y T4'u y Gr3 con T3u y T3'u. De este modo, la celula Gr4 de conmutacion elemental tiene un nivel 0 cuando T4u esta bloqueado y T4'u es conductor y un nivel 1 cuando T4u es conductor y T4'u esta bloqueado. Del mismo modo, la celula Gr3 de conmutacion elemental tiene un nivel 0 cuando T3u esta bloqueado y T3'u es conductor y un nivel 1 cuando T3u es conductor y T3'u esta bloqueado.

De manera similar, la celula de tipo NPC Ce12 consta de cuatro interruptores elementales de los cuales dos son extremos T4I, T3'I y dos centrales T3I, T4'I asf como de dos condensadores C9, C10 y de dos diodos D9, D10. Estos componentes se disponen como en la figura 2A.

La segunda etapa E12 elemental consta de dos celulas de tipo NPC Ce21 y Ce22 y de una celula Ca2(1) capacitiva formada por un par de condensadores C3 y C4 en serie. La celula de tipo NPC Ce21 consta de cuatro interruptores elementales de los cuales dos son extremos T6u, T5'u y dos centrales T5u, T6'u, de dos condensadores C1, C2 y de dos diodos D1, D2. Estos componentes se disponen como en la figura 2A.

Los interruptores elementales de la celula de tipo NPC Ce21 se reparten en dos celulas Gr5 de conmutacion elementales con T5u yT5'u y Gr6 con T6u y T6'u. De este modo, la celula Gr5 de conmutacion elemental tiene un nivel 0 cuando T5u esta bloqueado y T5'u es conductor y un nivel 1 cuando T5u es conductor y T5'u esta bloqueado. De este modo, la celula Gr6 de conmutacion elemental tiene un nivel 0 cuando T6u esta bloqueado y T6'u es conductor y un nivel 1 cuando T6u es conductor y T6'u esta bloqueado. Las celulas de conmutacion elementales que pertenecen a unas celulas NPC de una misma etapa elemental tienen la misma funcion de conversion.

De manera similar, la celula de tipo NPC Ce22 consta de cuatro interruptores elementales de los cuales dos son extremos T6I, T5'I y dos centrales T5I, T6'I, de dos condensadores C5 y C6 y de dos diodos D5, D6.

Con el fin de cumplir las limitaciones enunciadas con anterioridad, en una misma etapa elemental, los controles de los interruptores T3u y T3I; T4u y T4I; T5u y T5I; T6u y T6I elementales homologos son identicos. Por interruptores elementales homologos, se entienden dos interruptores elementales que pertenecen cada uno a una celula de tipo NPC diferente de la misma etapa elemental y que ocupan exactamente la misma posicion en dicha celula.

La primera etapa E11 elemental y la segunda etapa E12 elemental estan unidas entre sf por las dos inductancias Laux11, Laux21.

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La segunda etapa Et2 consta de una celula Ce10 de tipo de condensador flotante tal como se ilustra en la figura 2B. La celula Ce10 consta de cuatro interruptores elementales de los cuales dos son extremos T2, T2' y dos centrales T1, T1' asf como de un condensador Cf. Estos interruptores elementales se reparten en dos celulas de conmutacion elementales Gr1 con T1 y T1' y Gr2 con T2 y T2'. De este modo, la celula Gr1 de conmutacion elemental tiene un nivel 0 cuando T1 esta bloqueado y T1' es conductor y un nivel 1 cuando T1 es conductor y T1' esta bloqueado. De este modo, la celula Gr2 de conmutacion elemental tiene un nivel 0 cuando T2 esta bloqueado y T2' es conductor y un nivel 1 cuando T2 es conductor y T2' esta bloqueado.

El dimensionamiento del condensador Cf de la celula de tipo de condensador flotante no cumple con las mismas normas que las de los condensadores de las celulas de tipo NPC. Por el contrario, la resistencia en tension de todos estos condensadores del convertidor es la misma. Para simplificar, el valor del condensador Cf de la celula con condensador anidado deprende de la frecuencia de conmutacion de los interruptores elementales de dicha celula. El valor de los condensadores de una celula de tipo NPC es guiado por la frecuencia de la senal de salida de dicha celula.

Se ha representado una carga 10 de tipo R, L que hay que enchufar entre el nodo S y el nodo N3. El nodo S esta localizado en el punto comun entre los dos interruptores T1, T1' elementales centrales de la celula Ce10 de tipo de condensador flotante. En el ejemplo de la figura 4A, este nodo S corresponde a la salida del brazo B en un funcionamiento como convertidor CC/CA. El nodo N3 esta localizado en el punto comun entre los dos condensadores C3, C4 del par de condensadores de la celula capacitiva Ca2(1). Este nodo N3 corresponde al punto medio de la fuente de tension VCC de entrada.

Se va a describir con mas detalle el brazo de convertidor de la figura 4B. Tiene la misma estructura que el de la figura 4A con la excepcion del hecho de que el nodo S que correspondfa al salida de la figura 4A se llama ahora nodo E puesto que corresponde ahora a la entrada. Esta destinado a conectarse a una fuente de corriente alterna (no representada). Del mismo modo, los bornes de entrada E+, E- en la figura 4A en los bornes de los cuales la fuente VCC de tension hay que enchufarla se llaman ahora S+ y S- en la figura 4B, corresponden a la salida del convertidor y estan destinados a alimentar una fuente de tension continua (no representada). En funcionamiento como rectificador, una corriente IE circula desde el nodo E hacia los bornes de salida S+ y S- mientras que en funcionamiento como inversor de las corrientes IE+ e IE- circulaba desde los bornes E+, E- hacia el nodo S. En funcionamiento como rectificador unas corrientes IS+ e IS- que aparecen en los bornes S+ y S- son unas corrientes de salida, y en funcionamiento como inversor aparece la corriente de salida llamada Is en el nodo S.

El convertidor de la figura 4A permite obtener en la salida 7 niveles de tension diferentes 0, VCC/6, 2VCC/6, 3VCC/6, 4VCC/6, 5VCC/6, VcC y 36 estados en funcion del nivel de las celulas Gr1 a Gr6 de conmutacion elementales, es decir del estado conductor o bloqueado de sus interruptores elementales.

Se han reagrupado en la siguiente tabla los 36 estados diferentes y permitidos asf como los niveles de tension V correspondientes en la salida de la segunda etapa Et2. La tension V se toma entre el nodo S y el borne E-.

El contenido armonico de la tension de salida se ve notablemente reducido.

Estado: Gr6 Gr5 Gr4 Gr3 Gr2 Gr1 V

1: 0 0 0 0 0 0 0

2: 0 0 0 0 0 1 VCC/6

3: 0 0 0 0 1 0 VCC/6

4: 0 0 0 0 1 1 2VCC/6

5: 0 0 0 1 0 0 VCC/6

6: 0 0 0 1 0 1 2VCC/6

7: 0 0 0 1 1 0 2VCC/6

8: 0 0 0 1 1 1 3VCC/6

9: 0 0 1 1 0 0 2VCC/6

10: 0 0 1 1 0 1 3VCC/6

11: 0 0 1 1 1 0 3VCC/6

(continuacion)

Estado: Gr6 Gr5 Gr4 Gr3 Gr2 Gr1 V

12: 0 0 1 1 1 1 4VCC/6

13: 0 1 0 0 0 0 VCC/6

14: 0 1 0 0 0 1 2VCC/6

15: 0 1 0 0 1 0 2VCC/6

16: 0 1 0 0 1 1 3VCC/6

17: 0 1 0 1 0 0 2VCC/6

18: 0 1 0 1 0 1 3VCC/6

19: 0 1 0 1 1 0 3VCC/6

20: 0 1 0 1 1 1 4VCC/6

21: 0 1 1 1 0 0 3VCC/6

22: 0 1 1 1 0 1 4VCC/6

23: 0 1 1 1 1 0 4VCC/6

24: 0 1 1 1 1 1 5VCC/6

25: 1 1 0 0 0 0 2VCC/6

26: 1 1 0 0 0 1 3VCC/6

27: 1 1 0 0 1 0 3VCC/6

28: 1 1 0 0 1 1 4VCC/6

29: 1 1 0 1 0 0 3VCC/6

30: 1 1 0 1 0 1 4VCC/6

31: 1 1 0 1 1 0 4VCC/6

32: 1 1 0 1 1 1 5VCC/6

33: 1 1 1 1 0 0 4VCC/6

34: 1 1 1 1 0 1 5VCC/6

35: 1 1 1 1 1 0 5VCC/6

36: 1 1 1 1 1 1 VCC

Al analizar esta tabla, se puede ver que varios estados y, por lo tanto, varias configuraciones de los interruptores elementales conducen a la misma tension V. Sin embargo, estos estados redundantes pueden generar efectos 5 diferentes en los dispositivos de almacenamiento de energfa del convertidor. De este modo, en el estado 2, la corriente pretende descargar el condensador Cf de la celula de tipo de condensador flotante Ce10, mientras que en el estado 3, la corriente circula en el sentido opuesto, lo que conduce a la carga del condensador Cf.

Se pueden utilizar varios tipos de control para volver conductores o bloqueados a los interruptores elementales y, por lo tanto, garantizar la conversion. Se puede utilizar un control tradicional basado en la modulacion de ancho de 10 pulso MLI. Por supuesto, se controlan de la misma manera los interruptores elementales homologos de las dos celulas de tipo NPC de una misma etapa elemental de la primera etapa.

Se hace referencia a las figuras 5A a 5D que muestran unas portadoras triangulares utilizadas para definir los instantes de conmutacion de los interruptores elementales respectivamente de las dos celulas de tipo NPC y de tipo de condensador flotante del convertidor objeto de la invencion. De manera mas particular las figuras 5A y 5B se 15 refieren, respectivamente, al control de los interruptores elementales de las dos celulas de conmutacion elementales de una celula de tipo de condensador flotante como la celula Ce10. Las portadoras triangulares tienen una amplitud

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comprendida entre +1 y -1. Estas estan desplazadas en fase un medio periodo de corte. Por ejemplo, la portadora triangular de la figura 5A esta asociada a la primera celula Gr1 de conmutacion elemental y la portadora triangular de la figura 5B esta asociada a la segunda celula Gr2 de conmutacion elemental.

Las figuras 5C y 5D se refieren respectivamente al control de las dos celulas de conmutacion elementales de una celula de tipo NPC como las celulas de tipo NPC Cell, Ce12 por ejemplo. Las portadoras triangulares tienen una amplitud comprendida entre 0 y +1 (figura 5C) para la primera celula Gr3 de conmutacion elemental y entre -1 y 0 (figura 5D) para la segunda celula Gr4 de conmutacion elemental. Estas estan en fase. Los instantes de conmutacion de los interruptores elementales se obtienen mediante la comparacion entre las portadoras triangulares y una senal de consigna, que corresponde a la senal deseada en la salida del convertidor. Se puede definir como norma, por ejemplo, que se produce un instante de conmutacion de un interruptor elemental en cuanto la senal de consigna es estrictamente superior a la portadora triangular. Por supuesto, se habna podido fijar como norma que se produce un instante de conmutacion de un interruptor elemental en cuanto la senal de consigna es superior o igual a la portadora triangular.

La senal de consigna se ilustra en la figura 5E.

Por supuesto, se pueden considerar otros tipos de control como, por ejemplo, un control vectorial o un control directo del par cuando el convertidor alimenta a una maquina giratoria.

Se propone una forma de control original haciendo referencia a las figuras 6 a 9. Se limita a uno el numero de estados conductores de los interruptores elementales de las celulas de tipo NPC de las etapas elementales de la primera etapa durante un periodo de la senal de consigna Vref. Se obtiene un ajuste aproximado de la tension de salida de dicha etapa elemental.

Al utilizar para controlar los interruptores elementales de la segunda etapa del convertidor una frecuencia de conmutacion superior a la utilizada para controlar los interruptores de la primera etapa, se obtiene un ajuste mucho mas fino de la tension de salida del convertidor, cumpliendo al mismo tiempo las limitaciones de funcionamiento de cada uno de los interruptores elementales. Se recuerda que la frecuencia de conmutacion de los interruptores elementales esta unida a su tecnologfa y a su calibre. En esta aplicacion, esta puede estar, por ejemplo, comprendida entre 500 Hz y 10.000 Hz. La frecuencia de la senal en la salida del convertidor ilustrada en la figura 4A puede variar entre 0 y 150 Hz.

La figura 6.00 ilustra la forma de la senal de consigna tambien llamada tension Vref de consigna que va a servir en particular para determinar los instantes de conmutacion de todos los interruptores elementales de las celulas de tipo NPC y de condensador flotante. Esta se va a utilizar en varias comparaciones, como se vera con posterioridad. Esta en fase con la tension Vs en los bornes de la carga 10 enchufada en la salida del brazo B, ilustrada en la figura 9.1, por el contrario la corriente Is de salida de la figura 9.2 esta a su vez en retardo en la tension de consigna. Esta tiene una amplitud comprendida entre -0,8 y +0,8 en el ejemplo descrito. De manera mas general, la tension Vref de consigna puede variar entre -1 y +1. La amplitud de esta tension Vref de consigna se utiliza para ajustar la amplitud de la tension de salida Vs.

La figura 6.01 es un cronograma de la portadora Car3 utilizada con la tension Vref de consigna para determinar los instantes de conmutacion de los interruptores elementales T4u y T3u de la celula de tipo NPC Ce11 de la primera etapa elemental E11 del convertidor. Es una senal de onda cuadrada en fase con la tension Vref de consigna y cuya amplitud es Vref/3.

La figura 6.1 es un cronograma de la senal de control del interruptor elemental T3u de la celula de tipo NPC Ce11 de la primera etapa elemental E11 del convertidor. Es una senal de onda cuadrada cuyo periodo es igual al de la senal de consigna Vref. El interruptor elemental T3u solo se bloquea una vez durante este periodo, mientras que la amplitud de la tension de referencia Vref es inferior a la meseta negativa de la portadora Car3.

La figura 6.2 es un cronograma de la senal de control del interruptor elemental T4u de la celula de tipo NPC Ce11 de la primera etapa elemental E11 del convertidor. Es una senal de onda cuadrada cuyo periodo es igual al de la senal de consigna Vref. El interruptor elemental T4u solo es conductor una vez durante este periodo, mientras la tension Vref de consigna es superior a la meseta positiva de la portadora Car3.

Los interruptores elementales T3u y T4u son unos interruptores elementales en la posicion central y extrema directamente conectados, pueden tener el mismo estado como se muestra en la tabla anterior. Esto se verifica dos veces durante un periodo.

La figura 6.3 ilustra un cronograma de la corriente IN8 que circula del nodo N8 hacia el interruptor elemental T4u. El nodo N4 es comun a la inductancia Laux11 y al interruptor elemental T4u.

La figura 6.4 ilustra un cronograma de la corriente IN9 que circula desde el nodo N9 hacia los diodos D7 y D8. El nodo N9 es comun a los condensadores C7, C8 y a los diodos D7 y D8.

La figura 6.5 ilustra un cronograma de la corriente IN10 que circula desde el nodo N10 hacia los interruptores

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elementales T3'u y T4I. El nodo N10 es comun a los condensadores C8, C9 y a los interruptores elementales T3'u y T4I.

La figura 6.6 ilustra un cronograma de la corriente IN11 que circula desde el nodo N11 hacia los diodos D9 y D10. El nodo N11 es comun a los condensadores C9, C10 y a los diodos D9 y D10.

La figura 6.7 ilustra un cronograma de la corriente IN12 que circula desde el nodo N12 hacia el interruptor elemental T3'I. El nodo N12 es comun a la inductancia Laux21 y al interruptor elemental T3'I.

La figura 6.8 ilustra un cronograma de la corriente Is de salida del brazo de convertidor ilustrado en la figura 4A. Los cronogramas de las figuras 6.3 a 6.7 representan unas porciones de la corriente Is ilustrada en la figura 6.8.

La figura 6.02 es un cronograma de la portadora Car4 utilizada con la tension Vref de consigna de la figura 6.00 para determinar los instantes de conmutacion de los interruptores elementales T6u y T5u de la celula de tipo NPC Ce21 de la segunda etapa elemental E12 del convertidor. Es una senal de onda cuadrada en fase con la tension Vref de consigna y cuya amplitud es 2Vref/3. Se ha superpuesto en este cronograma, con lmea gruesa, la tension Vref de consigna.

La figura 7.1 es un cronograma de la senal de control del interruptor elemental T5u de la celula de tipo NPC Ce21 de la segunda etapa elemental E12 del convertidor. Es una senal de onda cuadrada cuyo periodo es igual al de la senal de consigna Vref. El interruptor elemental T5u solo se bloquea una vez durante este periodo, mientras la amplitud de la tension Vref de consigna es inferior a la meseta negativa de la portadora Car4.

La figura 7.2 es un cronograma de la senal de control del interruptor elemental T6u de la celula de tipo NPC Ce21 de la segunda etapa elemental E12 del convertidor. Es una senal de onda cuadrada cuyo periodo es igual al de la senal de consigna Vref. El interruptor elemental T6u solo es conductor una vez durante este periodo, mientras la amplitud de la tension Vref de consigna es superior a la meseta positiva de la portadora Car4.

Los interruptores elementales T6u y T5u son unos interruptores elementales en la posicion central y extrema directamente conectados, pueden tener el mismo estado como se muestra en la anterior tabla. Esto se verifica dos veces durante un periodo.

La figura 7.3 ilustra un cronograma de la corriente IE+ que circula desde el borne E+, que se debe conectar a la fuente de tension VCC, hacia el interruptor elemental T6u.

La figura 7.4 ilustra un cronograma de la corriente IN1 que circula desde el nodo N1 hacia los diodos D1 y D2. El nodo N1 es comun a los condensadores C1, C2 y a los diodos D1 y D2.

La figura 7.5 ilustra un cronograma de la corriente IN2 que circula desde el nodo N2 hacia el interruptor elemental T5'u. El nodo N2 es comun a los condensadores C2, C3 y al interruptor elemental T5'u.

La figura 7.6 ilustra un cronograma de la corriente IN4 que circula desde el nodo N4 hacia el interruptor elemental T6I. El nodo N4 es comun a los condensadores C4, C5 y al interruptor elemental T6I.

La figura 7.7 ilustra un cronograma de la corriente IN5 que circula desde el nodo N5 hacia los diodos D5 y D6. El nodo N5 es comun a los condensadores C5, C6 y a los diodos D5 y D6.

La figura 7.8 ilustra un cronograma de la corriente IE- que circula desde el borne E-, que debe conectarse a la fuente de tension VCC, hacia el interruptor elemental T5'I.

La figura 7.9 ilustra un cronograma de la corriente Is de salida del brazo de convertidor ilustrado en la figura 4A.

La figura 6.03 es un cronograma de la portadora Carl utilizada con la tension Vref de consigna para determinar los instantes de conmutacion del interruptor T1 elemental de la celula Ce10 de tipo de condensador flotante de la segunda etapa E2 del convertidor. Es una senal triangular con una amplitud comprendida entre +1 y -1. La tension Vref de consigna se superpone a la portadora Carl.

La figura 6.04 es un cronograma de la portadora Car2 utilizada con la tension Vref de consigna para determinar los instantes de conmutacion del interruptor T2 elemental de la celula Ce10 de tipo de condensador flotante de la segunda etapa E2 del convertidor. Es una senal triangular con una amplitud comprendida entre +1 y -1 de igual frecuencia pero en oposicion de fase con respecto a la portadora Car1 de la figura 6.03. La tension Vref de consigna se superpone a la portadora Car2.

La figura 8.1 ilustra un cronograma de la senal de control del interruptor T1 elemental de la celula Ce10 de tipo de condensador flotante de la segunda etapa Et2. Este interruptor T1 elemental es conductor mientras la tension Vref de consigna es superior a Car1.

La figura 8.2 ilustra un cronograma de la senal de control del interruptor T2 elemental de la celula Ce10 de tipo de condensador flotante de la segunda etapa Et2. Este interruptor T2 elemental es conductor mientras la tension Vref

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de consigna es superior a Car2.

Estas dos senales de control son unas senales de onda cuadrada en la frecuencia de las portadoras Carl y Car2. Esta frecuencia es mucho mas elevada que la de las senales de control de los interruptores T4u, T3u, T6u, T5u elementales de la primera etapa ilustrados en las figuras 6.1, 6.2, 7.1, 7.2 que estan en la frecuencia de la corriente Is de salida.

La figura 8.3 ilustra un cronograma de la corriente IT1 que circula desde el interruptor T2 elemental hacia el interruptor T1 elemental.

La figura 8.4 ilustra un cronograma de la corriente ICf que circula desde el interruptor T2 elemental hacia el condensador Cf.

La figura 8.5 ilustra un cronograma de la corriente Is de salida del brazo de convertidor ilustrado en la figura 4A. Estos tres ultimos cronogramas hay que compararlos con los cronogramas de las figuras 8.6 y 8.7 que son unos cronogramas de los controles del interruptor Tl elemental y del interruptor T2 elemental. Los cronogramas de las figuras 8.3 a 8.7 tienen la misma base de tiempo. Las bases de tiempo de los cronogramas de las figuras 6.03, 6.04, 8.1, 8.2 se han dilatado para que sean mas visibles los instantes de conmutacion de los interruptores elementales.

La figura 9.1 ilustra un cronograma de la tension en los bornes de la carga 10 enchufada en la salida del brazo de convertidor ilustrado en la figura 4A, haciendose la salida en el nodo S comun a los interruptores T1 y T1' elementales de la celula Ce10.

La figura 9.2 ilustra un cronograma de la corriente Is de salida que circula en la carga 10 enchufada en la salida del brazo de convertidor ilustrado en la figura 4A.

Hay que senalar que la tension ilustrada en la figura 9.1 esta centrada en 0 V, y su amplitud va de -3.000 V a + 3.000 V. Los siete niveles de tension se ven bien. La tension vana por mesetas de 1.000 V. Los valores mencionados en la anterior tabla son todos positivos, hay un desplazamiento de VCC/2 entre estas magnitudes. Para la simulacion a partir de la cual se obtienen los cronogramas, la resistencia de la carga 10 vale 10 ohmios, la inductancia vale 300 mH, lo que conduce a una corriente maxima de 30 A para un valor eficaz de 20 A.

Haciendo referencia a la figura 10, se ha representado un variador de velocidad del que consta en cascada un convertidor 1 objeto de la invencion que funciona como rectificador CA/CC y un convertidor 2 objeto de la invencion que funciona como inversor CC/CA colocando entre ambos, en el lado de corriente continua, una fuente 3 de tension como un dispositivo de almacenamiento de energfa. El rectificador 1 esta destinado a conectarse en la entrada con una red Re de alimentacion electrica alterna asimilable a una fuente de corriente. El inversor 2 esta destinado a conectarse en la salida a un dispositivo de usuario asimilable a una fuente de corriente como un motor M de corriente alterna. La figura 10, ilustra un ejemplo en el que los dos convertidores 1 y 2 son trifasicos. Estos constanan cada uno de tres brazos como los representados en las figuras 4A, 4B.

El convertidor multinivel objeto de la invencion es mucho mas compacto y ligero que los convertidores de la tecnica anterior con transformador. Es mucho mas facil de instalar y de transportar. Se puede utilizar con o sin transformador de aislamiento. Su conexion directa a la red alterna es posible en funcionamiento como rectificador CA/CC. Permite minimizar la contaminacion armonica de la red electrica y la correccion del factor de potencia asociandolo a un rectificador activo regenerativo. El convertidor objeto de la invencion es compatible con la red alterna hasta 13,8 kV, ya funcione como inversor o como rectificador. Por ello, no es obligatorio utilizar un transformador de adaptacion de nivel de tension, solucion clasicamente utilizada.

El convertidor CC/CA objeto de la invencion se puede utilizar para alimentar unos parques de motores asmcronos o smcronos ya sean nuevos o existentes.

El convertidor objeto de la invencion tiene una estructura modular gracias al empleo de unas celulas de tipo NPC y de condensador flotante y unas celulas capacitivas. De esto se deriva que los gastos de mantenimiento se reducen y que la fiabilidad es buena.

La forma de onda de alimentacion de la carga es de buena calidad y las sobretensiones en el lado de la fuente de corriente son limitadas y solo estan unidas a los cables de conexiones.

El bus continuo comun puede servir para alimentar varios convertidores objeto de la invencion.

Otra ventaja del convertidor objeto de la invencion es que no hay un lfmite de funcionamiento en baja frecuencia como es el caso para los convertidores de topologfa MMC (Modular Multi-level Converter o convertidor multinivel modular) utilizados en las transmisiones en las redes de energfa de alta tension.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Convertidor multinivel que consta de uno o varios brazos (B), configurados para estar cada uno conectado entre una fuente de tension (VCC) y una fuente de corriente (I), en el cual el o cada brazo comprende dos etapas (Et1, Et2) conectadas en cascada con una primera etapa (Et1) destinada a ser conectada a la fuente de tension (VCC), una segunda etapa (Et2) destinada a ser conectada a la fuente de corriente (I),

en el cual la primera etapa (Et1) consta de n etapas (E11,..., E1n) elementales de rango de uno a n (n superior a uno) conectadas en cascada, estando la etapa (E11) elemental de rango uno conectada a la segunda etapa (Et2) y estando la etapa (E1n) elemental de rango n destinada a ser conectada a la fuente de tension (VCC), caracterizado porque cada etapa (E11, E1n) elemental consta de un par de celulas de tipo NPC (neutral point clamped o clampeo por el neutro) (Ce11, Ce12; Cen1, Cen2) identicas conectadas en serie, siendo la conexion en serie directa en la etapa (E1) elemental de rango 1, haciendose la conexion en serie a traves de n-1 celulas (Can(1), Can(n-1)) capacitivas para cada etapa elemental de rango n (n superior a uno), constando la segunda etapa (Et2) de una celula de tipo con condensador (Ce10) flotante.
2. Convertidor multinivel segun la reivindicacion 1, en el que una celula (Ca2(1)) capacitiva consta de dos dispositivos (C3, C4) de almacenamiento de energfa dispuestos en serie, teniendo estos dispositivos de almacenamiento de energfa una misma capacidad de almacenamiento de energfa.
3. Convertidor multinivel segun la reivindicacion 2, en el que en una etapa elemental, las celulas (Ce21, Ce22) de tipo NPC constan de un puente capacitivo con dos dispositivos (C1, C2: C5, C6) de almacenamiento de energfa con la misma capacidad de almacenamiento de energfa, y en el que cada dispositivo de almacenamiento de energfa de una celula capacitiva de esta etapa elemental tiene la misma capacidad de almacenamiento de energfa que uno de los dispositivos de almacenamiento de energfa de una celula de tipo NPC.
4. Convertidor multinivel segun la reivindicacion 3, en el que todos los dispositivos (C1-C10) de almacenamiento de energfa de la primera etapa (Et1) tienen la misma capacidad de almacenamiento de energfa.
5. Convertidor multinivel segun una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que al menos una de las celulas (Ce21) de tipo NPC de una etapa (E12) elemental esta conectada a una celula (Ce11) de tipo NPC de una etapa (E11) elemental contigua a traves de una inductancia (Laux11).
6. Convertidor multinivel segun una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que una celula de tipo NPC consta de un cuadruplete de interruptores (K11, K12, K21, K22) elementales dispuestos en serie entre los cuales dos estan en la posicion extrema y dos estan en la posicion central, en el que un interruptor (K11, K22) elemental en la posicion extrema y un interruptor (K21, K12) elemental en la posicion central que no estan unidos directamente estan siempre en estados complementarios, estando uno habilitado y estando el otro bloqueado, formando estos dos interruptores (K11, K21; K12, K2) elementales una celula de conmutacion elemental.
7. Convertidor multinivel segun la reivindicacion 6, en el que cada celula (Ce21, Ce22) de tipo NPC tiene una funcion de conversion que une la tension aplicada en la entrada de dicha celula con la tension presente en la salida de dicha celula y las dos celulas de conmutacion elementales de dicha celula tienen tambien una funcion de conversion.
8. Convertidor multinivel segun la reivindicacion 7, en el que las celulas (Ce21, Ce22) de tipo NPC de una misma etapa (E11) elemental tienen la misma funcion de conversion.
9. Convertidor multinivel segun una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que una celula de conmutacion de tipo de condensador flotante consta de un cuadruplete de interruptores (K110, K120, K210, K220) elementales dispuestos en serie entre los cuales dos estan en la posicion extrema y dos estan en la posicion central, y en el que los dos interruptores (K110, K220) elementales en la posicion extrema estan siempre en estados complementarios y los dos interruptores (K120, K210) elementales en la posicion central estan siempre en estados complementarios, estando uno habilitado y estando el otro bloqueado.
10. Convertidor multinivel segun una de las reivindicaciones 6 a 9, en el que en las dos celulas (Ce21, Ce22) de tipo NPC de una misma etapa elemental, los interruptores (T6u, T6I) elementales homologos son controlados de manera identica.
11. Convertidor multinivel segun una de las reivindicaciones 6 a 10, en el que los interruptores (K11, K12) elementales constan cada uno de un conmutador (T11, T12) electronico de potencia controlable asociado con un diodo (D11, D12) conectado en antiparalelo.
12. Convertidor multinivel segun una de las reivindicaciones 2 a 11, en el que los dispositivos (C1-C10, Cf) de almacenamiento de energfa se seleccionan entre un condensador, una batena y una pila de combustible.
13. Variador de velocidad que consta de una cascada con un convertidor (1) segun una de las reivindicaciones anteriores que funciona como rectificador CA/CC y un convertidor (2) segun una de las reivindicaciones anteriores que funciona como inversor CC/CA, unidos entre sf por sus lados de corriente continua por medio de una fuente (3) de tension.