ES2849724T3 - Generación de secuencia de conmutación para un convertidor multinivel en cascada - Google Patents

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Abstract

Un método de funcionamiento de un convertidor eléctrico multinivel en cascada que comprende una pluralidad de rectificadores (15), en el que cada rectificador (15) comprende un circuito de puente en H que tiene dos ramas, cada una de las cuales comprende dos interruptores (S) conectados en serie entre sí, en el que los rectificadores (15) están conectados en serie entre sí en un lado de corriente alterna del convertidor multinivel en cascada de modo que una tensión alterna total en el lado de corriente alterna del convertidor multinivel en cascada sea igual a la suma de las tensiones alternas en los lados de corriente alterna de los rectificadores (15) y de modo que el convertidor multinivel en cascada tenga un número entero de estados de conversión, definiendo cada estado de conversión una relación de la tensión alterna total en el lado de corriente alterna con una tensión continua en un lado de corriente continua del convertidor multinivel en cascada, donde al menos uno de los estados de conversión puede realizarse mediante diferentes estados de conmutación del convertidor multinivel en cascada y donde el método se caracteriza por: - producir repetidamente un número de nivel (Lk) de una señal de modulación de anchura del impulso multinivel en un proceso de modulación de anchura del impulso con desplazamiento de nivel que usa una serie de señales portadoras con desplazamiento de nivel (cr), en el que la señal de modulación de anchura del impulso multinivel comprende un número entero de posibles niveles de señal correspondientes al número entero número de estados de conversión y donde el número de nivel (Lk) corresponde a uno respectivo de los estados de conversión y de los posibles niveles de señal, - enviar el número de nivel (Lk) a un dispositivo de control (3) para controlar los interruptores (5) de los rectificadores (15) generando y emitiendo las señales de control correspondientes, - durante el funcionamiento del dispositivo de control (3), cada vez que el número de nivel (Lk) que se envía al dispositivo de control (3) cambia, seleccionar uno de los rectificadores (15) de acuerdo con una secuencia repetida predefinida de los rectificadores (15) en servicio y realizar el cambio requerido del estado de conmutación controlando el rectificador seleccionado (15).

Description

DESCRIPCIÓN
Generación de secuencia de conmutación para un convertidor multinivel en cascada
La invención se refiere a un método de funcionamiento de un convertidor multinivel eléctrico en cascada. Además, la invención se refiere a una estructura de control para controlar el funcionamiento de un convertidor multinivel eléctrico en cascada, a un convertidor multinivel en cascada que comprende la estructura de control y a un vehículo que comprende el convertidor multinivel en cascada.
Se conocen en la técnica convertidores multinivel en cascada que también se denominan inversores multinivel en cascada o en cascada. Un convertidor multinivel en cascada (abreviadamente: CMC) tiene un lado de corriente continua y un lado de corriente alterna. Si el CMC funciona como inversor, la corriente continua que se introduce en el lado de corriente continua se convierte en corriente alterna en el lado de corriente alterna. El término "en cascada" significa que una pluralidad de convertidores individuales, es decir, convertidores que comprenden un convertidor de puente en H, están conectados en serie entre sí en el lado de corriente alterna del CMC. Por lo tanto, la tensión alterna total en el lado de corriente alterna del CMC es igual a la suma de las tensiones alternas en los lados de corriente alterna de los convertidores individuales. En esta especificación, los convertidores individuales del CMC se denominan rectificadores, aunque los rectificadores pueden funcionar como inversores en el caso de un inversor multinivel en cascada. El término "rectificador" no limita el funcionamiento del CMC al funcionamiento como rectificador. Sin embargo, una aplicación preferida es el uso del CMC como rectificador con el fin de transferir energía eléctrica desde una red eléctrica ferroviaria a motores de tracción de vehículos ferroviarios. Especialmente en esta aplicación, los convertidores o rectificadores individuales del CMC se pueden conectar en paralelo entre sí en el lado de corriente continua del CMC de modo que las dos conexiones del lado de corriente continua de todos los rectificadores estén conectadas a los mismos dos potenciales eléctricos.
Como se mencionó, cada uno de los rectificadores comprende un circuito de puente en H, es decir, el circuito comprende dos ramas y hay una conexión en serie de dos interruptores controlables en cada rama. Una válvula supresora, como un diodo supresor, está conectada en sentido anti-paralelo a cada interruptor controlable. Las conexiones del lado de corriente alterna de los rectificadores se realizan entre las conexiones en serie de los interruptores de las dos ramas. Otros términos para "rama" son "puente" o "tramo de fase".
Dado que los rectificadores del CMC están conectados en serie entre sí en el lado de corriente alterna del CMC, cada rectificador comprende una conexión eléctrica a un rectificador vecino, consecutivo, de modo que los dos rectificadores están conectados en cada caso en una de sus conexiones en el lado de corriente alterna. Hay dos rectificadores que forman una de las dos conexiones en el lado de corriente alterna externa del CMC y - si el CMC comprende más de dos rectificadores - todos los rectificadores entre los dos rectificadores externos tienen dos rectificadores vecinos en el CMC. En otras palabras, los rectificadores en cascada forman una secuencia de acuerdo con sus conexiones eléctricas entre sí en sus lados de corriente alterna.
Como se mencionó anteriormente, el CMC puede usarse para proporcionar a los motores de tracción de vehículos ferroviarios o, alternativamente, a otros vehículos con energía eléctrica de una red de suministro de energía. Los transformadores normalizados de los vehículos ferroviarios son pesados ya que se operan a bajas frecuencias. Para reemplazar estos transformadores pesados, se puede combinar un CMC con convertidores CC/CC de frecuencia media (por ejemplo, que funcionan a una frecuencia en el rango de 1 a 100 kHz) de forma que cada uno de los lados de corriente continua de los rectificadores del CMC estén conectados al mismo circuito intermedio de corriente continua mediante en cada caso un convertidor CC/CC. Esto significa que los rectificadores del CMC no están conectados directamente en paralelo entre sí en sus lados de corriente continua, sino que están conectados indirectamente en paralelo entre sí a través de los convertidores CC/CC. A continuación se da un ejemplo.
Dado que los rectificadores están conectados en paralelo entre sí en su lado de corriente continua, la energía se transfiere durante el funcionamiento del CMC a través de diferentes rectificadores (o inversores si funcionan correspondientemente). Además, no todos los rectificadores funcionan de la misma manera en todo momento durante el funcionamiento del CMC, por lo que solo unos pocos rectificadores pueden transferir una cantidad sustancial de energía a la vez, mientras que los otros rectificadores pueden no transferir energía. El uso desigual de los rectificadores durante largos períodos de tiempo puede provocar un desgaste desigual y, por lo tanto, el fallo del CMC antes de tiempo. Además, el uso desigual de los rectificadores afecta a la tensión en el lado de corriente continua del convertidor, ya que la tensión CC de los rectificadores que no funcionan desciende a cero. En la práctica, puede haber, por ejemplo, de 8 a 20, en particular de 10 a 16 rectificadores en un CMC.
Es conocido el uso de la modulación de anchura del impulso por desplazamiento de fase (PS-PWM) para producir una señal de modulación de anchura del impulso y usar esta señal para producir señales de control para controlar el estado de conmutación del CMC. Un cambio escalonado de la señal PWM activa la conmutación de uno o más interruptores del CMC. En PS-PWM, la señal PWM se produce utilizando señales portadoras que están desplazadas en el dominio en el tiempo, es decir, las señales portadoras están desplazadas en fase. El uso de este tipo de control del estado de conmutación da como resultado automáticamente un uso uniforme de los diferentes rectificadores durante largos períodos de tiempo.
Otro tipo de técnicas PWM se conoce como PWM con desplazamiento de nivel (LS-PWM). Una ventaja del LS-PWM en comparación con el PS-PWM es la característica espectral de la técnica, es decir, los armónicos de conmutación del LS-PWM tienen poco o ningún efecto negativo en otros componentes del sistema, en particular en las redes ferroviarias. La forma del espectro de tensión obtenido con LS-PWM es, por lo tanto, de gran interés para las aplicaciones de tracción, ya que simplifica el procedimiento de diseño de los filtros integrados necesarios para la conformidad respecto de EMC.
En LS-PWM, las diferentes señales portadoras se desplazan con respecto al nivel de la señal. El resultado del proceso LS-PWM es una señal PWM multinivel que define el nivel de tensión de salida del CMC. Sin embargo, en la mayoría de los niveles posibles de la señal PWM multinivel hay varios estados de conmutación correspondientes diferentes del CMC que darían como resultado el mismo efecto de conversión del CMC, aunque diferentes interruptores estarían activados y desactivados. En otras palabras, la señal PWM multinivel define las propiedades de conversión (es decir, la relación entre la tensión alterna en el lado de CA y la tensión continua en el lado de CC) de forma inequívoca, pero no define el estado de conmutación de forma inequívoca. Por lo tanto, puede ocurrir un uso desigual de los diferentes rectificadores como se mencionó anteriormente.
Angulo, M. et al. "Level-shifted PWM for cascaded multilevel inverters with even power distribution", POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE, 2007. PESC 2007. IEEE, IEEE, PISCATAWAY, NJ, EE. UU., 17 de junio de 2007, páginas 2373-2378, XP031218637, ISBN: 978-1-4244-0654-8 describe el control de un convertidor que usa Disposición de Fase PWM, en el que se utilizan señales portadoras a diferentes niveles para controlar la conmutación de los interruptores del convertidor. El convertidor comprende varias células y cada célula comprende un puente en H que tiene dos ramas de interruptores controlables conectados en serie entre sí. Para el control, se utiliza un número de señales portadoras que es igual al número total de ramas de las células. Las portadoras se alternan en cada ciclo de modulación de funcionamiento del convertidor.
Mouzhi Dong et al., "A novel digital modulation scheme for multilevel cascaded H-bridge inverters", Power Electronics Specialists Conference, 2008, IEEE, 15 de junio de 2008, páginas 1675 a 1680, ISBN 978-1-4244-1667­ 7, describe un esquema de modulación digital multinivel para operar un inversor de puente en H multinivel en cascada. Se describe un patrón de rotación para una distribución uniforme de la energía, mediante el cual se rotan diferentes modos de conmutación posibles que producirían la misma tensión de salida. Para evitar ciclos de trabajo de conmutación adicionales del inversor se redistribuyen sin afectar la tensión de fase del inversor.
El documento EP 0848486 A2 describe un método de modulación de anchura del impulso para inversores de dos puntos que están conectados en serie entre sí. El método utiliza PWM con Desplazamiento de Fase, en el que se introduce un desplazamiento de fase en todas las señales portadoras.
Es un objeto de la presente invención proporcionar un método para operar un convertidor multinivel eléctrico en cascada, una estructura de control correspondiente, un convertidor multinivel en cascada correspondiente que incluye la estructura de control y un vehículo (en particular un vehículo ferroviario) que comprende el convertidor multinivel en cascada que dispone el uso uniforme de los diferentes rectificadores del CMC. En el mismo, se lograrán las ventajas del impulso desplazado de nivel con la técnica de modulación para controlar el estado de conmutación del CMC. Preferiblemente, la solución también manejará situaciones en las que uno o más de uno de los rectificadores no puedan funcionar debido a un fallo. Además, se prefiere que el control se pueda realizar usando el procesamiento digital de los datos y/o proporcionará formas de onda de tensión alternas similares en los lados de corriente alterna de los rectificadores vecinos del CMC.
Las reivindicaciones adjuntas definen el alcance de la protección.
Se propone utilizar una técnica de modulación de anchura del impulso desplazado de nivel para producir una señal de modulación de anchura del impulso multinivel como se describió anteriormente. Con el fin de proporcionar un uso uniforme de los rectificadores del CMC a lo largo del tiempo, al menos se define una secuencia lógica de los rectificadores en funcionamiento y un cambio del estado de conmutación del CMC, que se requiere de acuerdo con la señal PWM multinivel, se realiza controlando el rectificador que es el siguiente rectificador en la secuencia lógica. En otras palabras, los rectificadores se seleccionan uno tras otro de acuerdo con la secuencia lógica cada vez que se requiere una acción de conmutación para producir un estado de conmutación que corresponde a la señal PWM multinivel actual. El término secuencia "lógica" se utiliza para distinguir la secuencia de la secuencia eléctrica de los rectificadores de acuerdo con sus conexiones eléctricas en el CMC. Se prefiere que estas secuencias difieran, como se describirá a continuación.
La secuencia lógica garantiza que los diferentes rectificadores del CMC se utilicen de manera uniforme, al menos durante períodos de tiempo más prolongados.
Por supuesto, puede suceder que la señal de modulación de anchura del impulso multinivel actualizada requiera una acción de conmutación que se puede realizar usando un interruptor específico o solamente un rectificador específico. Por ejemplo, el estado de conmutación del CMC en el que todos los rectificadores individuales tienen el mismo estado de conmutación individual solo se puede lograr de una manera.
De acuerdo con las reivindicaciones, se propone un método para operar un convertidor multinivel eléctrico en cascada que comprende una pluralidad de rectificadores, en el que cada rectificador comprende un circuito de puente en H que tiene dos ramas que comprenden cada una dos interruptores conectados en serie entre sí, en el que los rectificadores están conectados en serie entre sí en un lado de corriente alterna del convertidor multinivel en cascada de modo que la tensión alterna total en el lado de corriente alterna del convertidor multinivel en cascada es igual a la suma de las tensiones alternas en los lados de corriente alterna de los rectificadores, y donde el método comprende:
- producir repetidamente un número de niveles de acuerdo con una señal de modulación de anchura del impulso multinivel en un proceso de modulación de anchura del impulso con desplazamiento de nivel que usa una serie de señales portadoras con desplazamiento de nivel, en el que la señal de modulación de anchura del impulso multinivel comprende un número entero de posibles niveles de señal correspondientes al número entero de estados de conversión del convertidor y en el que el número de niveles corresponde a uno respectivo de los estados de conversión y de los posibles niveles de la señal,
- enviar el número de niveles a un dispositivo de control para controlar los interruptores de los rectificadores generando y enviando las señales de control correspondientes,
- durante el funcionamiento del dispositivo de control, cada vez que cambia el número de niveles que se envía al dispositivo de control, seleccionar uno de los rectificadores de acuerdo con una secuencia repetida predefinida de los rectificadores en servicio y realizar el cambio requerido del estado de conmutación controlando el rectificador seleccionado.
Además, se propone una estructura de control para controlar el funcionamiento de un convertidor eléctrico multinivel en cascada que comprende una pluralidad de rectificadores, en el que cada rectificador comprende un circuito de puente en H que tiene dos ramas, cada una de las cuales comprende dos interruptores conectados en serie entre sí, en el que los rectificadores están conectados en serie entre sí en un lado de corriente alterna del convertidor multinivel en cascada de modo que la tensión alterna total en el lado de corriente alterna del convertidor multinivel en cascada es igual a la suma de las tensiones alternas en los lados de corriente alterna de los rectificadores, y donde: - el montaje comprende un generador de señal adaptado para producir repetidamente un número de niveles de acuerdo con una señal de modulación de anchura del impulso multinivel en un proceso de modulación de anchura del impulso con desplazamiento de nivel que usa una serie de señales portadoras con desplazamiento de nivel, en el que la señal de modulación de anchura del impulso multinivel comprende una número entero de posibles niveles de señal correspondiente al número entero de estados de conversión y donde el número de niveles corresponde a uno respectivo de los estados de conversión y de los posibles niveles de señal,
- el montaje comprende un dispositivo de control adaptado para controlar los interruptores de los rectificadores generando y enviando las señales de control correspondientes,
- una salida del generador de señal está conectada a una entrada del dispositivo de control para transferir el número de niveles de la señal de modulación de anchura del impulso multinivel al dispositivo de control,
- el dispositivo de control está adaptado, cada vez que cambia el número de niveles que se transfiere al dispositivo de control, para seleccionar uno de los rectificadores de acuerdo con una secuencia repetida predefinida de los rectificadores en servicio y para realizar el cambio requerido del estado de conmutación controlando el rectificador seleccionado.
La invención también incluye un convertidor multinivel en cascada que comprende la estructura de control de acuerdo con una de las realizaciones descritas en esta especificación e incluye un vehículo ferroviario que comprende el convertidor multinivel en cascada.
El término "repitiendo" secuencia significa que la secuencia comienza de nuevo después del último elemento de la secuencia, es decir, después del último rectificador.
En particular, la señal de modulación de anchura del impulso multinivel se produce calculando la señal. De acuerdo con una realización específica, la señal se calcula mediante procesamiento digital de datos. Por ejemplo, se puede utilizar un procesador digital de señal (DSP) correspondiente.
Normalmente, el número de señales portadoras de nivel desplazado es igual al número de ramas de los rectificadores en servicio. Dado que los rectificadores comprenden un puente en H que tiene dos ramas, el número de señales portadoras de nivel desplazado es igual al número de rectificadores multiplicado por dos. Una forma de calcular la señal de modulación de anchura del impulso multinivel es comparar el valor de una señal de referencia dependiente del tiempo repetidamente (en particular cíclicamente) con el valor actual de cada una de las señales portadoras de nivel desplazado y añadir 1 para cada comparación en la que el valor de la señal de referencia sea mayor que el valor de la señal portadora respectiva. El resultado de tal cálculo de la señal de modulación de anchura del impulso es un número entero que es positivo o cero y que corresponde al nivel respectivo de la señal PWM multinivel.
De manera correspondiente, la señal de modulación de anchura del impulso multinivel comprende dos veces el número de ramas más una.
En muchos casos, las señales portadoras son señales portadoras triangulares. Por ejemplo, las señales portadoras de nivel desplazado también pueden estar desplazadas en fase o pueden estar en fase. Por lo tanto, el montaje de la señal portadora de PWM con desplazamiento de nivel puede ser un montaje en fase, un montaje eh fase opuesta o un montaje opuesto en fase alternada. Son posibles otras disposiciones.
El número de nivel de acuerdo con la señal de modulación de anchura del impulso multinivel se envía al dispositivo de control para controlar los interruptores de los rectificadores generando y emitiendo señales de control correspondientes. La tarea de este dispositivo de control es, por lo tanto, producir las señales de control utilizando la información que es inherente a la señal de modulación de anchura del impulso multinivel. Preferiblemente, la señal PWM multinivel se produce repetidamente (en particular cíclicamente) y se envía al dispositivo de control cada vez inmediatamente después de la producción repetida o de forma continua o se envía al dispositivo de control si el nivel de la señal PWM multinivel ha cambiado. En el primer caso (salida repetida o continua de la señal PWM multinivel), el dispositivo de control comprueba preferiblemente si el nivel de la señal ha cambiado. En cualquier caso, se prefiere que el dispositivo de control provoque una acción de conmutación de cualquiera de los interruptores del CMC solo si el nivel de la señal ha cambiado. Una forma de comprobar si el nivel ha cambiado es comparar una medida del estado de conmutación actual, cuya medida corresponde a uno de los posibles niveles de la señal PWM multinivel, con la señal PWM multinivel actual. Además, se prefiere que la señal PWM multinivel se actualice con suficiente frecuencia y que la señal PWM multinivel se envíe al dispositivo de control con la suficiente frecuencia, de modo que el dispositivo de control pueda actuar sobre cualquier cambio de la señal mediante un solo nivel, hacia arriba o hacia abajo. En otras palabras, no puede ocurrir que el dispositivo de control lleve a controlar un cambio del estado de conmutación del CMC que corresponda a más de una diferencia de nivel.
Una forma preferida del dispositivo de control para definir el estado de conmutación del CMC es definir el estado de conmutación de cada rectificador en servicio. Para un puente en H, un número es suficiente para definir el estado de conmutación de un rectificador individual. Más adelante se da un ejemplo. Por lo tanto, la información que define el estado de conmutación del CMC puede considerarse como un vector matemático que tiene varios componentes, en el que cada componente corresponde al estado de conmutación individual de un rectificador correspondiente. Por ejemplo, el dispositivo de control puede desencadenar acciones de conmutación para cambiar el estado de conmutación del CMC en cualquier momento en que haya cambiado un componente del vector matemático.
Preferiblemente, el dispositivo de control usa solo una información de entrada de la producción de la señal de modulación de anchura del impulso multinivel, a saber, la propia señal. Toda otra información que necesita el dispositivo de control para producir las señales de control es información de conocimiento previo sobre el CMC y, opcionalmente, información sobre cualquier fallo de uno o más de uno de los rectificadores. Esto se describirá más adelante. En particular, la información del fallo puede indicar cuál de los rectificadores está en servicio y/o está fuera de servicio. En particular, un rectificador que esté fuera de servicio puede ser puenteado por una conexión eléctrica de puente.
En particular, el estado de conmutación de cada uno de los rectificadores puede definirse de la siguiente manera: El rectificador individual comprende tres estados de conmutación diferentes que tienen diferentes efectos sobre el comportamiento operativo del convertidor multinivel en cascada, en donde
- el primero de los tres estados de conmutación da como resultado una tensión positiva en el lado de la corriente alterna si se aplicara una tensión continua positiva en el lado de la corriente continua del rectificador,
- un segundo de los tres estados de conmutación da como resultado una tensión cero en el lado de la corriente alterna si se aplicara una tensión continua en el lado de la corriente continua del rectificador, el segundo estado de conmutación comprende sub-estados que tienen el mismo efecto externo, pero que consisten en diferentes conjuntos de estados de conmutación individuales de los interruptores,
- un tercero de los tres estados de conmutación da como resultado una tensión negativa en el lado de la corriente alterna si se aplicara una tensión continua positiva en el lado de la corriente continua del rectificador.
Por tanto, se puede definir un estado operativo del convertidor multinivel en cascada que tiene su nivel más alto si todos los rectificadores en servicio están en su primer estado de conmutación y que tiene su nivel más bajo si todos los rectificadores en servicio están en su tercer estado de conmutación.
De acuerdo con una realización preferida, durante el funcionamiento del dispositivo de control, cada vez que un cambio en la señal de modulación de anchura del impulso multinivel requiera un cambio del estado operativo del convertidor multinivel en cascada a un nivel superior, uno de los rectificadores se selecciona de acuerdo con una primera secuencia repetida (lógica) predefinida de los rectificadores en servicio y, cada vez que un cambio en la señal de modulación de anchura del impulso multinivel requiera un cambio del estado de funcionamiento del convertidor multinivel en cascada a un nivel inferior, se selecciona uno de los rectificadores de acuerdo con una segunda secuencia repetitiva predefinida (lógica) de los rectificadores en servicio. Una realización correspondiente de la estructura de control está adaptada para realizar esta selección en base a la primera y segunda secuencias.
El uso de secuencias lógicas separadas para aumentar y disminuir el nivel tiene la ventaja de que los rectificadores individuales se usan de manera aún más uniforme. De lo contrario, podría suceder que un rectificador en particular se use con más frecuencia en un estado de conmutación específico. Además, se prefiere que la primera secuencia y la segunda secuencia comprendan el mismo orden de rectificadores en servicio, pero que la primera secuencia y la segunda secuencia comiencen con un rectificador diferente al comienzo del funcionamiento del CMC. Esto reduce la probabilidad de que los rectificadores pasen a un nuevo estado de conmutación de acuerdo con una de las dos secuencias y vuelvan al estado de conmutación anterior en la siguiente acción de conmutación, de acuerdo con la otra secuencia.
Una forma de operar el dispositivo de control es determinar un cambio de la señal PWM multinivel, determinar el sentido del cambio (ya sea un aumento del nivel o una disminución del nivel) y decidir cuál de las dos secuencias se use para seleccionar el rectificador a conmutar en función del resultado de la decisión.
Para utilizar los interruptores del mismo rectificador individual de manera uniforme, se propone lo siguiente: la información sobre el último sub-estado del segundo estado de conmutación (véase arriba) de cada rectificador en servicio se guarda y el rectificador se lleva a un sub-estado del segundo estado de conmutación la próxima vez que se requiera que el rectificador sea conmutado al segundo estado de conmutación. Una realización correspondiente de la estructura de control comprende una unidad de alternador asignada a cada rectificador, en la que las unidades de alternador están adaptadas para recibir señales de control respectivas del dispositivo de control para controlar los interruptores del rectificador asignado, en el que cada unidad de alternador está adaptada para llevar el rectificador en un sub-estado diferente del segundo estado de conmutación que la última vez anterior cuando se requiera que el rectificador sea conmutado al segundo estado de conmutación.
Como se mencionó anteriormente, el dispositivo de control puede tener en cuenta la información de qué rectificador está fuera de servicio debido a un fallo. Se propone que la información sobre un rectificador defectuoso se transfiera al dispositivo de control y que el rectificador defectuoso se excluya de la secuencia o secuencias repetidas de los rectificadores en servicio. En consecuencia, el dispositivo de control puede estar adaptado para excluir a cualquiera de los rectificadores de la secuencia o secuencias repetidas de los rectificadores en servicio si el dispositivo de control recibe información sobre el rectificador defectuoso. Por tanto, el rectificador defectuoso no produce resultados indeseables. Dado que el rectificador defectuoso ya no forma parte de la secuencia lógica, el dispositivo de control no producirá señales de control para conmutar ningún interruptor de este rectificador.
El manejo de fallos descrito anteriormente también se puede realizar con otras estrategias de control (en particular, estrategias que no usan una secuencia lógica repetida de los rectificadores y estrategias que usan PWM de fase desplazada). Lo mismo se aplica al manejo de diferentes sub-estados del segundo estado de conmutación, como se mencionó anteriormente.
Preferiblemente, la secuencia predefinida o las secuencias predefinidas se redefinen completamente, si al menos uno de los rectificadores está fuera de servicio.
La siguiente realización del método y una realización correspondiente de la estructura de control se proponen para optimizar las formas de onda de las tensiones alternas entre pares de rectificadores vecinos, que están directamente conectados entre sí en el CMC. Estas tensiones alternas no deben estar sujetas a diversos cambios escalonados en poco tiempo. Se propone que la secuencia o secuencias repetidas de los rectificadores en servicio estén predefinidas de tal manera que los rectificadores vecinos, que están conectados directamente entre sí en el convertidor multinivel en cascada, estén separados en la secuencia predefinida por al menos un otro rectificador. Como se mencionó anteriormente, la secuencia predefinida es una secuencia repetida. Por lo tanto, esto incluye preferiblemente el final de la secuencia que se considera seguido por el inicio de la secuencia.
Lo más preferido es que todos los pares de rectificadores vecinos, que están conectados directamente entre sí en el convertidor multinivel en cascada, estén separados en la secuencia predefinida por el número máximo posible de otros rectificadores, incluido el final de la secuencia que se considera que se sigue, al comienzo de la secuencia. Por ejemplo, en el caso de diez rectificadores, el número máximo posible de otros rectificadores que separan los rectificadores vecinos es tres. Sin embargo, en el caso de nueve rectificadores, el número máximo posible es dos y tres, ya que no todos los pares de rectificadores vecinos pueden estar separados por otros tres rectificadores en la secuencia. Más adelante se ofrece un ejemplo de diez rectificadores.
Se describirán ejemplos de la invención con referencia a las figuras adjuntas a continuación. Las figuras mostradas son:
Figura 1: Un diagrama de circuito simplificado que muestra un montaje para proporcionar un motor de tracción de un vehículo, en particular un vehículo ferroviario, con energía eléctrica de una red de suministro de energía. Figura 2: un diagrama de circuito equivalente que muestra una parte del montaje de la Figura 1, a saber, un convertidor multinivel en cascada y el lado de corriente alterna del convertidor,
Figura 3: una tabla para ilustrar los posibles estados de conmutación de un solo rectificador de puente en H, Figura 4: una tabla que ilustra los posibles estados de conmutación de un CMC que comprende cuatro rectificadores de puente en H individuales,
Figura 5: un diagrama de circuito de una estructura de control para controlar el funcionamiento de un CMC, Figura 6: diferentes secuencias lógicas de rectificadores de un CMC y su correspondiente vector de estado de célula,
Figura 7a-7f: Ilustración de un proceso de predefinición de una secuencia lógica de rectificadores de un CMC, Figura 8: una tabla del resultado del proceso ilustrado en las Figuras 7a - 7f,
Figura 9: una secuencia lógica que es el resultado del proceso ilustrado en la Figura 7 y en la Figura 8, Figura 10: un diagrama de flujo que ilustra las posibles transiciones entre diferentes estados de conmutación de un CMC.
El montaje que se muestra en la Figura 1 comprende una pluralidad de módulos M1... M4 cada uno de los cuales comprende un rectificador 151, 152, 153, 154, un lado de corriente continua del cual está conectado a un inversor 161, 162, 163, 164. Hay un condensador Cp conectado a las líneas de corriente continua entre el rectificador 151, 152, 153, 154 y el inversor 161, 162, 163, 164. El inversor está acoplado a un segundo rectificador 181, 182, 183, 184 a través de un transformador 171, 172, 173, 174. El inversor 161, 162, 163, 164, el transformador 171, 172, 173, 174 y el segundo rectificador 181, 182, 183, 184 pueden formar un convertidor de resonancia en serie que puede funcionar a una frecuencia de resonancia en el rango de frecuencia media de unos pocos kHz a 100 kHz. Los condensadores Crp y Crs se muestran en la Figura 1 en las conexiones hacia y desde el transformador del respectivo módulo M.
Los lados de corriente continua de los segundos rectificadores 181, 182, 183, 184 están conectados en paralelo entre sí a las líneas de corriente continua 117, 118 de un circuito intermedio de corriente continua. Hay condensadores Cs en las salidas de corriente continua de los segundos rectificadores y entre las líneas 117, 118 de corriente continua. La tensión entre las líneas 117, 118 se denomina Uzk.
Un filtro 115 que comprende un condensador y una inductancia se puede conectar entre las líneas 117, 118. Un inversor de tracción trifásico 131 está conectado a las líneas 117, 118 que proporciona al menos un motor de tracción 121 con energía eléctrica.
Los rectificadores 151, 152, 153, 154 están conectados en serie entre sí en el lado de corriente alterna de los módulos M1 a M4. La conexión 191 del rectificador 151 del módulo M1 se realiza a un colector de corriente 111 a través de un filtro 200. Durante el funcionamiento del vehículo (no mostrado), el colector de corriente 111 se usa para conectar el montaje a una línea 110 de una red de suministro de energía.
En el ejemplo mostrado en la Figura 1, el vehículo es un vehículo sobre raíles que comprende al menos una rueda 119 que rueda sobre raíles durante la propulsión. El número de cuatro módulos M es un ejemplo y el número puede variar en diferentes realizaciones. Una conexión alterna 204 de uno de los módulos M4 está conectada a la segunda línea 118 de corriente continua del circuito intermedio de corriente continua ZK y está conectado a la al menos una rueda 119 para contacto con los raíles. Los rectificadores 151, 152, 153, 154 están conectados a rectificadores vecinos a través de conexiones eléctricas, como desde la segunda conexión 201 del rectificador 151 a la primera conexión 192 del rectificador 152. Se muestran más detalles de estas conexiones y la construcción de los rectificadores, en la Figura 2.
La línea discontinua de la Figura 2 encierra, por ejemplo, el rectificador 151 de la Figura 1. El rectificador 151 comprende dos ramales que tienen una conexión en serie de dos interruptores controlables S, tales como IGBT (transistores bipolares de puerta aislada). La primera rama comprende los interruptores Sb1 y S b1. La segunda rama comprende los interruptores Sa1 y S a1. Hay un diodo supresor conectado en sentido anti-paralelo a cada uno de los interruptores S.
El lado de la corriente continua de cada uno de los rectificadores que se muestran en la Figura 2 (hay tres de los rectificadores que se muestran) está simbolizado por un símbolo de batería y la tensión continua vdc ilustra que dicha tensión continua puede producirse durante el funcionamiento como rectificador o puede estar presente durante el funcionamiento como inversor. Por ejemplo, de la misma manera que se muestra en la Figura 1, los rectificadores de la Figura 2 pueden conectarse en paralelo entre sí en su lado de corriente continua.
En la Figura 2 también se ilustra la situación de la tensión en el lado de la corriente alterna. El potencial eléctrico en la conexión a la rueda 119 (o hablando en general en la conexión a tierra) se indica con G en la parte inferior de la Figura 2. El potencial eléctrico en la conexión al colector de corriente 111 a través del filtro 200 se indica por a. Por lo tanto, la tensión alterna total a través de la conexión en serie de los rectificadores se indica por vaG. La tensión alterna entre un rectificador intermedio 152 que tiene dos rectificadores vecinos al potencial de tierra se indica por víg. Además, las tensiones en las conexiones de corriente alterna de los rectificadores individuales 151, 152, 15N se indican con V1, ví, vn.
Además, se ilustran las interconexiones de los rectificadores vecinos 151, 152, 15N. Por ejemplo, la segunda conexión de corriente alterna 201 del rectificador 151 está directamente conectada a la primera conexión de corriente alterna 192 del rectificador vecino 152. La segunda conexión de corriente alterna 202 del rectificador 152 está directamente conectada al siguiente rectificador vecino (no mostrado en la Figura 2). Las capacidades parásitas Cpar también se muestran en el lado de corriente continua de los rectificadores 151, 152, 15N.
Los rectificadores que se muestran en la Figura 2 forman un convertidor multinivel en cascada. Los símbolos usados en la Figura 2 para los interruptores se usarán nuevamente de la misma manera o similar en la siguiente descripción y en otras figuras.
Uno de los temas principales en el control de un montaje de convertidor de frecuencia media como se muestra, por ejemplo en la Figura 1, es la modulación de los rectificadores del CMC de una manera adecuada. Se describirá un ejemplo de una estructura de control correspondiente con referencia a la Figura 5. Sin embargo, algunos estados de conmutación de rectificadores individuales y de un ejemplo de un CMC se describirán primero con referencia a la Figura 3 y a la Figura 4. En la Figura 3 se muestran los cuatro posibles estados de conmutación de un solo rectificador, como uno de los rectificadores 151, 152, 15N de la Figura 2. El número del estado de conmutación que puede ser 0, 1, 2. "i" es el índice que representa el número del rectificador en el CMC. En la primera columna, segunda línea y cuarta línea, los símbolos Vdc y Vdc significan una tensión positiva en el lado de corriente continua del rectificador y el valor negativo de esta tensión. En la tercera línea, la primera columna "0" indica que la tensión también puede ser 0. En consecuencia, la Figura 3 ilustra que la tensión positiva del lado de la corriente continua Vdc está presente en el lado de la corriente alterna en el estado de conmutación "2" en el que el primer interruptor Sb1 está activado (ilustrado por "1") y en el que el segundo interruptor Sa1 está desactivado (ilustrado con "0"), Otros interruptores en la misma rama están en el estado de conmutación opuesto, es decir, interruptor Sb1 está desactivado y interruptor S a1 está activado. Se puede lograr una tensión cero (tercera línea de la tabla en la Figura 3) mediante dos sub-estados diferentes. O ambos interruptores Sb1 y Sa1 están desactivados o ambos interruptores están activados. El estado de conmutación está indicado con "1". La tensión del lado de corriente continua negativa -Vdc se puede lograr en el lado de la corriente alterna si el primer interruptor Sb1 está desactivado y el segundo interruptor Sa1 está activado.
En la Figura 4, se muestran los estados de conmutación de un CMC que tiene dos rectificadores. La primera columna contiene cinco valores diferentes de la tensión VaG en el lado de corriente alterna del CMC. La segunda columna contiene el número de nivel Lk del estado de conmutación que es igual al número de nivel de una señal PWM multinivel correspondiente que se introduce en el dispositivo de control para producir las señales de control que dan como resultado el estado de conmutación correspondiente. El nivel superior (Lk = 4) que produce el doble de tensión de corriente continua 2vdc, se logra si el primer interruptor de la primera rama Sb1 del primer rectificador está activado, si el primer interruptor de la segunda rama Sa1 del primer rectificador está desactivado, si el primer interruptor de la primera rama Sb2 del segundo rectificador está activado y si el primer interruptor de la segunda rama Sa2 del segundo rectificador está desactivado. Los posibles estados de conmutación de los otros niveles se derivan de la Figura 4. Hay cuatro sub-estados en los niveles 1 y 3 y hay seis sub-estados en el nivel 2.
La estructura de control 1 ilustrada en la Figura 5 comprende un generador de señal 2 para producir un impulso multinivel con señal de modulación, el número de nivel Lk de los mismos se ilustra en el interfaz (representado por una línea discontinua) en la Figura 5. En el lado derecho del interfaz, el dispositivo de control 3 del montaje 1 para producir y enviar señales de control con el fin de obtener estados de conmutación del CMC se muestra que corresponden al número de nivel Lk. En particular, el dispositivo de control 3 envía las llamadas señales de disparo para activar acciones de conmutación realizadas por unidades de control adicionales (por ejemplo, las llamadas unidades de gobierno de puertas de IGBT), por ejemplo, y esto se aplica a cualquier otro dispositivo de control posible de acuerdo con la presente invención. El dispositivo de control 3 puede realizarse mediante una FPGA (matriz de puertas programables en campo).
El generador de señal 2 comprende una entrada 12 para recibir una señal de referencia r* que se ilustra como una forma de onda sinusoidal. La señal de referencia puede depender de valores de medición, como tensiones y corrientes del montaje del convertidor, por ejemplo, el montaje del convertidor de la Figura 1. La generación de la señal de referencia es bien conocida en la técnica. La señal de referencia r* se introduce en una unidad limitadora 13 que limita los valores de la señal de referencia a límites que corresponden al número de rectificadores del CMC en servicio. Por ejemplo, si el CMC comprende diez rectificadores y solo nueve de los rectificadores están en servicio (por ejemplo, debido a un fallo del décimo rectificador). La señal de referencia r* está limitada a un rango más pequeño entre el límite superior y el límite inferior en comparación con el funcionamiento de diez rectificadores. El tamaño del rango entre el límite inferior y el límite superior corresponde a la suma de todas las amplitudes de las señales portadoras cr que se compararán con la señal de referencia. Por ejemplo, para un CMC que comprende un número de N rectificadores, se usa el doble del número (lo que significa 2N) de señales portadoras de nivel desplazado. Cada una de las señales portadoras cr varía dentro de un sub-rango del rango definido por el límite superior y el límite inferior de la señal de referencia r* después de ser limitado por la unidad limitadora 13, si es necesario. No habrá espacio entre los sub-rangos de las diferentes señales portadoras Cr de modo que cada valor de la señal de referencia limitada se encuentra dentro de uno de los sub-rangos de las señales portadoras cr.
Por lo tanto, en términos más generales, la unidad limitadora del generador de señal PWM limita la señal de referencia, si es necesario, a un rango de valores entre el límite superior y el límite inferior que es igual a la suma de los sub-rangos de las señales portadoras que son necesarios durante una fase particular de funcionamiento del CMC.
Como se ilustra en la parte superior de la Figura 5, la información relativa a la capacidad superior de los rectificadores del CMC puede introducirse en la estructura de control 1 utilizando un vector de estado, en el que el vector de estado tiene un componente para cada rectificador. Por ejemplo, cada uno de los componentes S1, S2, S3 , ... Sn (en el caso de N rectificadores) son componentes binarios, lo que significa que pueden tener el valor "0" o el valor "1". Si el valor es "0", esto puede indicar que el rectificador correspondiente está defectuoso o no funciona. En este caso, se puede cancelar un interruptor que conecta las dos conexiones de corriente alterna del rectificador, como las conexiones 191, 201 del rectificador 151 en la Figura 1 y Figura 2. Al menos la información sobre el número de rectificadores que no funcionaron se transfiere a la unidad limitadora 13. En general, si un CMC comprende un número de N rectificadores y si, por lo tanto, el rango máximo de la señal de referencia en caso de funcionar todos los N rectificadores varía entre -1 y 1 en unidades normalizadas, y si solo funcionan m <N rectificadores, la unidad limitadora limita el rango de la señal de referencia entre el límite superior y el límite inferior al tamaño de (-1 m/N ... 1 - m/N). En la Figura 5, las señales portadoras cr1 ... cr2N se generan o ingresan en una localización que está representada por un cuadro respectivo que contiene una señal de portadora triangular y se indica con 141, 142 ... 142N. Cada una de estas señales portadoras cr se compara con la señal de referencia limitada en una unidad comparadora que se indica con un círculo pequeño. Por ejemplo, la comparación significa que la señal portadora respectiva se resta de la señal de referencia. El resultado se introduce en un generador de números binarios 10 que emite una señal binaria correspondiente B1 ... B2N. El número binario correspondiente B es, por ejemplo, igual a 1 si la señal portadora es menor que la señal de referencia (es decir, el valor actual de la señal portadora es menor que el valor actual de la señal de referencia) y es igual a 0 si la señal portadora es mayor que la señal de referencia.
El funcionamiento del generador de señal 2 y, preferiblemente, del dispositivo de control 3, es cíclico, es decir, el funcionamiento se repite cíclicamente, por ejemplo, activado por un reloj a una frecuencia de reloj predefinida. Por lo tanto, los valores binarios B se producen a una frecuencia de muestreo que es igual a la frecuencia de reloj. Los valores binarios B se suman mediante una unidad sumadora 16 y la suma resultante es el número de nivel Lk previamente mencionado. Debido al funcionamiento cíclico del generador de señal PWM 2, la salida repetida de los valores de número de nivel actualizados del número de nivel Lk, es equivalente a la salida de una señal PWM multinivel. En otras palabras, el número de nivel actual Lk define el nivel actual de la señal multinivel.
Como se mencionó anteriormente y como se ilustra en conexión con el ejemplo mostrado en la Figura 4, hay dos veces N más uno (2N 1) niveles diferentes de la señal PWM multinivel si funciona un número de N rectificadores del CMC. Como se ilustró y mencionó con más detalle anteriormente con referencia a la Figura 4, la mayoría de los niveles (todos los niveles con la excepción del nivel más alto y el más bajo) corresponden a diferentes sub-estados que pueden lograrse mediante diferentes estados de conmutación del CMC. Por lo tanto, el dispositivo de control 3 (o cualquier otro dispositivo de control de acuerdo con la presente invención) tiene la libertad de seleccionar uno de los estados de conmutación que corresponda al valor actual del número de nivel Lk. En el ejemplo que se muestra en la Figura 5, el número de nivel actual Lk que se introduce en el dispositivo de control 3 se compara con el número de nivel anterior Lk-1 mediante substracción. El resultado de la substracción se transfiere a una unidad de clasificación que también puede denominarse unidad de determinación de signo que decide si la diferencia de Lk y Lk-1 es mayor que 0 o menor que 0 (o posiblemente igual a 0). En el caso de 0, no se requiere ninguna acción, ya que el número de nivel no ha cambiado. En caso de que la diferencia sea mayor que 0, se envía una señal a un primer generador de señal 23 que funciona dependiendo de un primer secuenciador 25. Si la diferencia es menor que 0, se emite una señal desde la unidad de determinación de signos 22 a una segunda unidad generadora de señal 24 que funciona dependiendo de un segundo secuenciador 26. Los secuenciadores 25, 26 determinan qué rectificador debe funcionar a continuación de acuerdo con su secuencia de repetición predeterminada y controlan o influyen en la respectiva unidad generadora de señal 23 o 24 para activar la conmutación del rectificador correspondiente que se ha determinado. Por ejemplo, la primera unidad generadora de señal 23 modifica el número de estado de conmutación C (véase Figura 3) del rectificador determinado en un almacenamiento 27 que almacena los números de estado de conmutación actuales C1 .. Cn del número de N rectificadores. Mientras que la primera unidad generadora de señal 23 siempre aumenta el número de estado de conmutación (de 0 a 1 o de 1 a 2), la segunda unidad generadora de señal 24 reduce el número de estado de conmutación C (de 2 a 1 o de 1 a 0).
Existe un dispositivo de adición 29, que está conectado al almacenamiento 27 y que está adaptado para sumar los números de estado de conmutación de todos los rectificadores con el fin de producir el valor del estado de conmutación anterior del CMC que está designado por Lk-1 y que se resta del número de nivel actual Lk por la unidad 21.
En caso de que al menos uno de los rectificadores esté fuera de servicio, la información que está contenida en el vector de estado (mencionado anteriormente) se transfiere al almacenamiento 27 y el número de estado de conmutación del rectificador correspondiente se fija a 0. Además, la información también se transfiere a la primera y segunda secuencias 25, 26 que excluyen el rectificador correspondiente de la secuencia de rectificadores. La consecuencia es que los rectificadores excluidos ya no pueden ser utilizados por las unidades generadoras de señal 23 y 24. Preferiblemente, las secuencias 25 y 26 determinan nuevas secuencias de rectificadores cada vez que se excluye uno de los rectificadores.
Antes de que se describa un ejemplo de las secuencias de determinación de los rectificadores, se describen las unidades de alternador 301 ... 30n en el lado de salida del dispositivo de control 3. Cada una del número de N unidades de alternador 30 recibe una señal de activación si el rectificador correspondiente (es decir, el asignado) debe cambiar a un nuevo estado de conmutación. Si el estado de conmutación del rectificador debe cambiarse al llamado segundo estado de conmutación (que tiene el estado número 1 en la Figura 3) que corresponde a tensión cero en el lado de la corriente alterna, la unidad del alternador determina cuál de los dos sub-estados de conmutación se tienen que conseguir. La unidad del alternador alterna los dos estados de conmutación de tensión cero, es decir, si se establece uno de los dos sub-estados. La próxima vez, cuando se establezca un sub-estado de tensión cero, se establece el otro sub-estado de tensión cero. La unidad del alternador produce o dispara las respectivas señales de disparo para el rectificador.
Se mencionó anteriormente que la unidad sumadora 29 suma los números de estado almacenados en el almacenamiento 27 y que se puede almacenar un valor de 0 en el lugar de almacenamiento respectivo si el rectificador correspondiente se retira del servicio. Sin embargo, en este caso, no se requiere ninguna acción por parte de la correspondiente unidad del alternador 30 del rectificador retirado. Alternativamente, el valor "1" puede escribirse en el lugar de almacenamiento respectivo del rectificador retirado, pero en este caso, la unidad sumadora 29 debe ser informada sobre el rectificador retirado para descartar el valor "1" en el lugar de almacenamiento del rectificador retirado. Alternativamente, el resultado de la suma de la unidad sumadora 29 puede corregirse mediante una unidad separada (no mostrada en la Figura 5).
La motivación detrás del uso uniforme de los rectificadores es el desgaste uniforme de los mismos y otros componentes del rectificador como se mencionó anteriormente. Sin embargo, una ventaja adicional del uso uniforme de los rectificadores es incluso la demanda de enfriamiento de los diferentes rectificadores. Por lo tanto, incluso el uso significa que todos los rectificadores pueden construirse y fabricarse de la misma manera y enfriarse de la misma manera. Este concepto modular permite facilitar la fabricación de los rectificadores y el montaje del CMC. La presente invención no depende del tipo de PWM con desplazamiento de nivel, en particular no depende del montaje de la señal portadora (por ejemplo, disposición en fase). Todos los montajes dan como resultado una señal PWM multinivel que puede ser utilizada por el dispositivo de control.
La Figura 6 muestra cinco secuencias lógicas diferentes de rectificadores en el caso de un CMC que comprende cuatro rectificadores. Cada rectificador está representado por su variable de número de estado C seguida del número de índice del rectificador. Si funcionan todos los rectificadores, la secuencia puede ser C1, C2 , C3 , C4, como se ilustra en la parte superior de la Figura 6. El vector de estado correspondiente puede comprender los componentes 0, 0, 0, 0, ya que ninguno de los rectificadores está marcado como defectuoso. Sin embargo, si uno de los rectificadores se marca como defectuoso de modo que el componente correspondiente en el vector de estado se fija a "1", el rectificador respectivo se elimina de la secuencia. Si, por ejemplo, el rectificador que tiene el índice número 3 está defectuoso o se retira del servicio, el vector de estado lee 0, 0, 1, 0 y la secuencia resultante de los rectificadores es C1, C2 , C4 , como se ilustra en la cuarta versión de la secuencia de arriba a abajo en la Figura 6. La Figura 6 solo ilustra el concepto de quitar un rectificador de la secuencia. No ilustra la versión más preferida de definir las secuencias de rectificadores.
Las Figuras 7 a 9 ilustran un ejemplo de la versión más preferida de definir la secuencia de rectificadores. En el ejemplo, se manejan diez rectificadores, pero las secuencias para cualquier otro número de rectificadores, mayor que dos se pueden determinar de la misma manera. Primero, como se ilustra en la Figura 7a, se determinan las diferencias angulares de los rectificadores. Se asignará un vector de fase desde el origen de un sistema de coordenadas bidimensional de longitud unitaria a cada rectificador en servicio. Por lo tanto, están presentes N vectores de fase, si varios N rectificadores están en servicio. Las Figuras 7a a 7f y la Figura 8, y la Figura 9 se refieren al ejemplo de diez rectificadores. Los vectores de fase se colocan en posiciones de rotación alrededor del origen (que se puede considerar como el centro del círculo que tiene una longitud de radio de una unidad) de modo que las diferencias angulares entre los vectores de fase de cada par de vectores vecinos sean iguales.
Ahora los vectores de fase se asignarán a los rectificadores.
Como se ilustra en la Figura 7b, el vector de fase del primer rectificador en la secuencia eléctrica, es decir, el vector de fase de C1 se elige primero y, por lo tanto, se asigna el ángulo 0° al rectificador. Sin embargo, la secuencia puede comenzar con cualquier otro rectificador, ya que la secuencia es una secuencia repetitiva, lo que significa que el primer rectificador de la secuencia sigue al último rectificador de la secuencia.
Luego, el siguiente rectificador siguiente en la secuencia eléctrica se asigna al vector de fase que tiene la mayor distancia angular al vector de fase del rectificador anterior en la secuencia eléctrica.
Como se ilustra en la Figura 7c, entonces se asigna un vector de fase al siguiente rectificador en la secuencia eléctrica que tiene la mayor distancia angular posible a los dos rectificadores anteriores en la secuencia eléctrica. Luego, el vector de fase se asigna al siguiente rectificador en la secuencia eléctrica que tiene la mayor distancia angular al vector de fase anterior. Este procedimiento se repite como se ilustra en la Figura 7d y la Figura 7e y la Figura 7f hasta que todos los vectores de fase se asignen a uno de los rectificadores.
Hablando de manera más general, los vectores de fase se asignan de manera que alternativamente dos o tres rectificadores consecutivos en la secuencia eléctrica correspondan a vectores de fase que sean lo más simétricos posible con respecto al origen (el centro del círculo).
La asignación de rectificadores en la secuencia eléctrica representada por C1 ... Cn a los vectores de fase, como se muestra en el lado derecho de la Figura 7f también se muestra en la Figura 8., donde la columna del lado derecho contiene los números de índice consecutivos de los ángulos de los vectores de fase. En otras palabras, los números de índice en la tercera columna representan el orden de los valores angulares que aumentan continuamente.
Luego, usando este orden consecutivo, la secuencia de rectificadores se puede determinar como se muestra en la Figura 9. De izquierda a derecha, los rectificadores se enumeran en el orden correspondiente a la columna en el lado derecho de la Figura 8. Este método da lugar a las mayores distancias posibles en la secuencia lógica entre cada par de rectificadores consecutivos en la secuencia eléctrica. La ventaja es que la forma de onda de la tensión alterna entre las conexiones de corriente alterna de los respectivos rectificadores individuales está optimizada, es decir, optimizada comprende distorsiones mínimas. Por lo tanto, aumenta la estabilidad a largo plazo del aislamiento del CMC. Además, se minimizan las corrientes eléctricas causadas por capacidades parásitas entre el rectificador respectivo y el potencial de tierra.
Otra característica de la invención, como se describió anteriormente, es la capacidad de retirar un rectificador defectuoso de servicio y realizar el control del estado de conmutación con un número reducido de rectificadores. Como se mencionó anteriormente, el rectificador defectuoso puede puentearse mediante una conexión eléctrica entre las dos conexiones de corriente alterna del rectificador. Se puede utilizar un interruptor o disposición de interruptores correspondiente para establecer esta conexión de puenteo. Preferiblemente, el interruptor o el montaje de conmutación se pueden controlar automáticamente mediante el control del convertidor de modo que no se requiera operación manual del interruptor o disposición de conmutación. Idealmente, el funcionamiento del CMC continúa mientras el rectificador esté fuera de servicio. Sin embargo, en la práctica, pueden producirse breves períodos de interrupciones.
En un convertidor de puente en H, la estructura de control debe producir dos señales de disparo. Como se mencionó anteriormente, estas señales de disparo controlan el estado de conmutación de un interruptor controlable en cada puente, es decir, en cada conexión en serie de dos interruptores. El estado de conmutación del otro interruptor en el puente respectivo puede derivarse del estado de conmutación del primer interruptor. En particular, el segundo interruptor no debe activarse mientras el primer interruptor esté activado. Las señales de disparo pueden ser de cualquier tipo conocido en la técnica. En particular, la señal de disparo puede ser una señal de disparo que tenga un cambio escalonado del nivel de la señal en el momento en que se dispara el proceso de conmutación. Por supuesto, la señal de control que controla el estado de conmutación del interruptor respectivo es una señal dependiente del tiempo o se repite para activar y desactivar el interruptor de acuerdo con lo requiera la señal de modulación de anchura del impulso multinivel.
Se mencionó anteriormente que incluso el uso de los diferentes rectificadores es un objetivo principal. En particular, el uso uniforme significa que los diferentes rectificadores transfieren la misma cantidad de energía durante el funcionamiento en régimen permanente.
El método de la presente invención de acuerdo con el cual los rectificadores se conmutan correspondientemente a al menos una secuencia predeterminada de rectificadores, también tiene la ventaja de que la derivada en el tiempo de la tensión en el lado de la corriente alterna del CMC es limitada, ya que el número de rectificadores que pueden conmutar a la vez es limitado.
Como se describió anteriormente, la señal de modulación de anchura del impulso multinivel es generada por un PWM con cambio de nivel. En principio, la señal PWM multinivel se puede generar en un proceso diferente.
La Figura 10 describe un diagrama de flujo de posibles procesos de conmutación consecutivos para un solo rectificador. En el lado derecho de la Figura 10, los tres estados de conmutación diferentes del rectificador se indican con "+V", con "0" y con "-V". Estos estados de conmutación corresponden a los estados enumerados en la Figura 3. Dado que el estado de conmutación "0" que produce una tensión cero en el lado de la corriente alterna tiene dos sub-estados, estos sub-estados se distinguen entre sí por un signo "+" o un signo "-".
En el diagrama de flujo, las flechas conectan los diferentes estados de conmutación e indican las transiciones del estado de conmutación respectivo a otros posibles estados de conmutación. Cada estado de conmutación se produce dos veces en el diagrama de flujo para tener en cuenta el historial del estado de conmutación anterior. De esta manera, se ejecuta el funcionamiento de la unidad de alternador descrito anteriormente. Por ejemplo, si el rectificador se encuentra en el estado de conmutación "0-" en la esquina superior derecha del diagrama de flujo, existe una posible transición al estado "-V" de acuerdo con la flecha que apunta hacia la parte inferior izquierda de la conmutación actual, estado "0-". Si a continuación se va a cambiar a una tensión cero, la transición al estado de conmutación "0+" en la esquina inferior derecha del diagrama de flujo es la única posibilidad. En la figura, "Ci" indica el estado de conmutación, en el que "i" es el índice del estado de conmutación que puede ser igual a 0, 1 o 2, de acuerdo con la Figura 3. Cada vez que cambia el estado de conmutación, hay una transición correspondiente en el diagrama de flujo. Preferiblemente, las transiciones directas de C0 a C2 (transiciones de "-V" a "+V") y viceversa no están permitidas, aunque se muestra en la Figura 10 para completar.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un método de funcionamiento de un convertidor eléctrico multinivel en cascada que comprende una pluralidad de rectificadores (15), en el que cada rectificador (15) comprende un circuito de puente en H que tiene dos ramas, cada una de las cuales comprende dos interruptores (S) conectados en serie entre sí, en el que los rectificadores (15) están conectados en serie entre sí en un lado de corriente alterna del convertidor multinivel en cascada de modo que una tensión alterna total en el lado de corriente alterna del convertidor multinivel en cascada sea igual a la suma de las tensiones alternas en los lados de corriente alterna de los rectificadores (15) y de modo que el convertidor multinivel en cascada tenga un número entero de estados de conversión, definiendo cada estado de conversión una relación de la tensión alterna total en el lado de corriente alterna con una tensión continua en un lado de corriente continua del convertidor multinivel en cascada, donde al menos uno de los estados de conversión puede realizarse mediante diferentes estados de conmutación del convertidor multinivel en cascada y donde el método se caracteriza por:
- producir repetidamente un número de nivel (Lk) de una señal de modulación de anchura del impulso multinivel en un proceso de modulación de anchura del impulso con desplazamiento de nivel que usa una serie de señales portadoras con desplazamiento de nivel (cr), en el que la señal de modulación de anchura del impulso multinivel comprende un número entero de posibles niveles de señal correspondientes al número entero número de estados de conversión y donde el número de nivel (Lk) corresponde a uno respectivo de los estados de conversión y de los posibles niveles de señal,
- enviar el número de nivel (Lk) a un dispositivo de control (3) para controlar los interruptores (5) de los rectificadores (15) generando y emitiendo las señales de control correspondientes,
- durante el funcionamiento del dispositivo de control (3), cada vez que el número de nivel (Lk) que se envía al dispositivo de control (3) cambia, seleccionar uno de los rectificadores (15) de acuerdo con una secuencia repetida predefinida de los rectificadores (15) en servicio y realizar el cambio requerido del estado de conmutación controlando el rectificador seleccionado (15).
2. El método de la reivindicación anterior, en el que cada uno de los rectificadores (15) comprende tres estados de conmutación diferentes que tienen efectos diferentes sobre el comportamiento operativo del convertidor multinivel en cascada, en el que
- un primero de los tres estados de conmutación da como resultado una tensión positiva en el lado de la corriente alterna si se aplicara una tensión continua positiva en el lado de la corriente continua del rectificador (15),
- un segundo de los tres estados de conmutación da como resultado una tensión cero en el lado de la corriente alterna si se aplicara una tensión continua en el lado de la corriente continua del rectificador (15), comprendiendo el segundo estado de conmutación sub-estados que tienen el mismo efecto externo, pero que consiste en diferentes conjuntos de estados de conmutación individuales de los interruptores (S),
- un tercero de los tres estados de conmutación da como resultado una tensión negativa en el lado de la corriente alterna si se aplicara una tensión continua positiva en el lado de la corriente continua del rectificador (15), donde se puede definir un estado operativo del convertidor multinivel en cascada que tiene su nivel más alto si todos los rectificadores (15) en servicio están en su primer estado de conmutación y que tiene su nivel más bajo si todos los rectificadores (15) en servicio están en su tercer estado de conmutación.
3. El método de la reivindicación anterior, en el que durante el funcionamiento del dispositivo de control (3), cada vez que el número de nivel (Lk) que se envía al dispositivo de control (3) cambia a un nivel superior, seleccionar uno de los rectificadores (15) de acuerdo con una primera secuencia repetitiva predefinida de los rectificadores (15) en servicio y, cada vez que el número de nivel (Lk) que se emite al dispositivo de control (3) cambia a un nivel inferior, seleccionar uno de los rectificadores (15) de acuerdo con una segunda secuencia repetitiva predefinida de los rectificadores (15) en servicio.
4. El método de la reivindicación 2 o 3, en el que la información sobre el último sub-estado del segundo estado de conmutación de cada rectificador (15) en servicio se guarda y el rectificador se lleva a un sub-estado diferente del segundo estado de conmutación la próxima vez, cuando se requiera que el rectificador (15) sea conmutado al segundo estado de conmutación.
5. El método de una de las reivindicaciones anteriores, en el que la información sobre un rectificador defectuoso (15) se transfiere al dispositivo de control (3) y en el que el rectificador defectuoso (15) se excluye de la secuencia o secuencias repetidas de los rectificadores (15) en servicio.
6. El método de una de las reivindicaciones precedentes, en el que la secuencia o secuencias repetidas de los rectificadores (15) en servicio está predefinida de tal manera que los rectificadores vecinos (15), que están conectados directamente entre sí en el convertidor multinivel en cascada, están separados en la secuencia predefinida por al menos otro rectificador (15).
7. El método de la reivindicación anterior, en el que todos los pares de rectificadores vecinos (15), que están conectados directamente entre sí en el convertidor multinivel en cascada, están separados en la secuencia predefinida por el número máximo posible de otros rectificadores (15), incluyendo el final de la secuencia que se considera seguida por el inicio de la secuencia.
8. Un dispositivo de control para controlar el funcionamiento de un convertidor eléctrico multinivel en cascada que comprende una pluralidad de rectificadores (15), en el que cada rectificador (15) comprende un circuito de puente en H que tiene dos ramas, cada una de las cuales comprende dos interruptores conectados en serie entre sí, en el que los rectificadores (15) están conectados en serie entre sí en un lado de corriente alterna del convertidor multinivel en cascada de modo que una tensión alterna total en un lado de corriente alterna del convertidor multinivel en cascada sea igual a la suma de las tensiones alternas en los lados de corriente alterna de los rectificadores (15), y de modo que el convertidor multinivel en cascada tenga un número entero de estados de conversión, definiendo cada estado de conversión una relación de la tensión alterna total en el lado de la corriente alterna con una tensión continua en un lado de la corriente continua del convertidor multinivel en cascada, en el que al menos uno de los estados de conversión puede realizarse mediante diferentes estados de conmutación del convertidor multinivel en cascada, en el que el montaje comprende un dispositivo de control (3) adaptado para controlar los interruptores (S) de los rectificadores (15) generando y emitiendo señales de control correspondientes, y caracterizado por que:
- el montaje comprende un generador de señal (2) adaptado para producir repetidamente un número de nivel (Lk) de una señal de modulación de anchura del impulso multinivel (Lk) en un proceso de modulación de anchura del impulso con desplazamiento de nivel que utiliza varias señales portadoras con desplazamiento de nivel (cr), en el que la señal de modulación de anchura del impulso multinivel comprende un número entero de posibles niveles de señal correspondientes al número entero de estados de conversión y donde el número (Lk) corresponde a uno respectivo de los estados de conversión y de los posibles niveles de señal,
- una salida del generador de señal (2) está conectada a una entrada del dispositivo de control (3) para transferir el número de nivel (Lk) de la señal de modulación de anchura del impulso multinivel al dispositivo de control (3), - el dispositivo de control (3) está adaptado, cada vez que el número de nivel (Lk) se transfiere a los cambios del dispositivo de control (3), para seleccionar uno de los rectificadores (15) de acuerdo con una secuencia repetida predefinida de los rectificadores (15) en servicio y para realizar el cambio requerido del estado de conmutación controlando el rectificador seleccionado (15).
9. La estructura de control de la reivindicación anterior, en el que cada uno de los rectificadores (15) comprende tres estados de conmutación diferentes que tienen efectos diferentes sobre el comportamiento operativo del convertidor multinivel en cascada, en el que
- un primero de los tres estados de conmutación da como resultado una tensión positiva en el lado de la corriente alterna si se aplicara una tensión continua positiva en el lado de la corriente continua del rectificador (15),
- un segundo de los tres estados de conmutación da como resultado una tensión cero en el lado de la corriente alterna si se aplicara una tensión continua en el lado de la corriente continua del rectificador (15), comprendiendo el segundo estado de conmutación sub-estados que tienen el mismo efecto externo, pero que consiste en diferentes conjuntos de estados de conmutación individuales de los interruptores (S),
- un tercero de los tres estados de conmutación da como resultado una tensión negativa en el lado de la corriente alterna si se aplicara una tensión continua positiva en el lado de la corriente continua del rectificador (15), donde se puede definir un estado operativo del convertidor multinivel en cascada que tiene su nivel más alto si todos los rectificadores (15) en servicio están en su primer estado de conmutación y que tiene su nivel más bajo si todos los rectificadores (15) en servicio están en su tercera conmutación estado.
10. La estructura de control de la reivindicación anterior, en el que el dispositivo de control (3) está adaptado, cada vez que el número de nivel (Lk) que se transfiere al dispositivo de control (3) pasa a un nivel superior, para seleccionar uno de los rectificadores (15) de acuerdo con una primera secuencia repetitiva predefinida de los rectificadores (15) en servicio y, cada vez que el número de nivel ( Lk) que se transfiere al dispositivo de control (3) cambia a un nivel inferior, para seleccionar uno de los rectificadores (15) de acuerdo con una segunda secuencia repetitiva predefinida de los rectificadores (15) en servicio.
11. La estructura de control de la reivindicación 9 o 10, en el que una unidad de alternador (30) está asignada a cada rectificador (15), en la que las unidades de alternador (30) están adaptadas para recibir señales de control respectivas del dispositivo de control para controlar los interruptores del rectificador asignado (15), en el que cada unidad de alternador (30) está adaptada para llevar el rectificador asignado (15) a un sub-estado diferente del segundo estado de conmutación que la última vez anterior, cuando se requiere que el rectificador (15) cambie al segundo estado de conmutación.
12. La estructura de control de una de las reivindicaciones 8 a 11, en la que el dispositivo de control (3) está adaptado para excluir a cualquiera de los rectificadores (15) de la secuencia o secuencias repetidas de los rectificadores (15) en servicio si se recibe información sobre el rectificador (15) defectuoso por el dispositivo de control (3).
13. Un convertidor multinivel en cascada que comprende la estructura de control de una de las reivindicaciones 8 a 12.
14. Un vehículo ferroviario que comprende el convertidor multinivel en cascada de la reivindicación anterior.
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