Aplicacions de l’Electrònica de Potència: convertidors CC ... Bordonau.pdfAplicacions de...

Aplicacions de l’Electrònica de Potència: convertidors CC/CA multinivell 1

JCCE’05

AplicacionsAplicacions de l’Electrònica de de l’Electrònica de Potència: convertidors CC/CA Potència: convertidors CC/CA

multinivellmultinivell

Josep BordonauUPC

Dept. d’Eng. Electrònica-ETSEIB


JCCE’05

ContentsContents

l Motivationl Introductionl Proposall DC/DC Converterl DC/AC Converterl Conclusions


JCCE’05

MotivationMotivation

l A number of systems require DC/AC regulation:o Systems with DC input (with ripple or not)o Systems with AC output

uVariable or constant RMS voltageuVariable or constant frequencyuVariable or constant phase shift


JCCE’05

ApplicationsApplications in in tractiontractionl TGV: DC supply and

AC motoro Voltage-frequency

regulationo Vector control


JCCE’05

l Electric vehicles andhybrid vehicleso DC supply (battery or

fuel cell)o AC motor


JCCE’05

Industrial Industrial applicationsapplications

l AC drives:o Paper industryo Steel industryo Fanso CNCo ...


JCCE’05

l AC drive block diagram (courtesy InfineonTechnologies)


JCCE’05

PowerPower SystemsSystems ApplicationsApplications

l Active filterl SMES systemsl Photovoltaic

systems

Courtesy: Mitsubishi Heavy Industries Ltd.


JCCE’05

OtherOther applicationsapplications

l Universal PowerSupply (UPS)

l Air conditioning:o AC motor regulationo Humidity regulation

Courtesy: Mitsubishi Electric Ltd.


JCCE’05

IntroductionIntroduction. Case . Case ofof studystudy: : SMESSMES

Motivation: electric energy flexible storagel Peak and valley hours in electric

distribution ⇒ energy storagel Traditional storage systems ⇒ bulky and

with slow response time


JCCE’05

IntroductionIntroduction

Option: superconducting coil as an energystorageAdvantages:

l Fast response timel High energy density

(energy/volume)


JCCE’05

Option: superconducting coilDrawbacks:

l Limit in storable energyl Cost



JCCE’05

Superconducting coil ⇒ very low resistance ⇒ very low DC losses

Energy storage:

E =12

L ⋅ I2



JCCE’05

l Canvi d’energia emmagatzemada ⇒ tensió bipolar a la bobina:

l V>0 ⇒ P>0 ⇒ l’energia augmental V<0 ⇒ P<0 ⇒ l’energia disminueixl V=0 ⇒ P=0 ⇒ l’energia no canvial Per tant, el corrent a la bobina és

unidireccional i la tensió bipolar

IntroduccióIntroducció

P = V ⋅ I


JCCE’05

l Diagrama de blocs del sistema:

IntroduccióIntroducció

I

CC

3~

FILTRE XARXA

bobi

na

+

-

V


JCCE’05

OpcióOpció proposadaproposada

l La bobina té corrent undireccional i tensióbipolar. Opcions:o Convertidors amb SCRs/GTOs ⇒ f baixa ⇒

cost i pes elevats dels components reactius ⇒IGBT (f elevada)

o Inversor en font de corrento Inversor en font de tensió


JCCE’05


l Inversor en font de corrent:

XARXA

bobi

na

filtre inversorfiltre


JCCE’05

Avantatges opció inversor font de corrent:l Un sol convertidor

Inconvenients:l Els interruptors han de commutar tota la

potència transferida



JCCE’05

l Inversor en font de tensió


filtre xarxa

bobi

na

+

-

V

CC

3~

I+

-

IcCC

CC

Vc


JCCE’05

l L’inversor en font de tensió requereix un condensador intermig (tensió continua Vc)

l P bipolar ⇒ Ic bidireccional ⇒connexió indirecta a la bobina

l Convertidor CC/CC de dos quadrants:bipolar en tensió al cantó bobina / bidireccional en corrent al cantó del’inversor



JCCE’05

l Topologia de l’inversor en font de tensió:


xarxa

bobi

na

filtrefiltre

filtreCC/CC inversor


JCCE’05

Avantatges opció inversor font de tensió:l El convertidor CC/CC i l’inversor poden ser

multinivell ⇒ reducció de la potència commutada/interruptor, menys harmònics a la sortida

Inconvenients:l Major nombre de conversions



JCCE’05

Convertidor CC/CCConvertidor CC/CC

l Convertidor de dos quadrantsDescripció del funcionament ambcomprovació de: o Bipolaritat de tensió al cantó de la bobinao Bidireccionalitat del corrent al cantó de

l’inversor


JCCE’05

Convertidor CC/CCConvertidor CC/CCl Potència positiva a la bobina (V>0,Ic>0):

condueixen els interruptorsbo

bina

I+

-V

Ic


JCCE’05

l Potència negativa a la bobina (V<0,Ic<0):condueixen els díodes


bobi

na

I+

-V

Ic


JCCE’05

l Propostes de millora:o Convertidor multinivell:

uReducció a la meitat de la potència commutada per interruptor

uReducció d’harmònicsuDuplicació del nombre d’interruptors

o Commutació suau (soft switching)uCal afegir un circuit addicional a cada interruptoruReducció pèrdues de commutacióuReducció d’EMI



JCCE’05

l Convertidor CC/CC de tres nivellsConvertidor CC/CCConvertidor CC/CC

• Bipolar en tensió V(cantó bobina)

• Bidireccional en corrent(cantó inversor)

V ∈{0,±Vc/2,±Vc}

CC/CC filtre

filtre

bobi

na +

-V

IVc/2

Vc/2


JCCE’05

l Exemple: cas V=-Vc/2


CC/CC filtre

filtre

bobi

na +

-V

IVc/2

Vc/2


JCCE’05

Convertidor CC/CAConvertidor CC/CAl Convertidor CC/CA de 2 nivells

(convencional): Vo ∈ {-Vc,0,Vc}

xarxaVc +

-Vo


JCCE’05

Convertidor CC/CAConvertidor CC/CAl Topologia de 3 nivells:

Vo ∈ {-Vc,-Vc/2,0,Vc/2,Vc}

+

-Vo

Vc/2

Vc/2

+

+

xarxa


JCCE’05

l Model equivalent amb commutadors:

Convertidor CC/CAConvertidor CC/CA

xarxa

Vc/2

Vc/2

+

-Vo


JCCE’05

l Exemple: Vab=Vpn, Vbc=-Vpn/2,Vca=-Vpn/2

Convertidor CC/CAConvertidor CC/CA

+

-Vo

Vpn/2

Vpn/2

+

+

xarxaa b

c


JCCE’05

ConclusionsConclusionsl Avantatges del sistema SMES:o Emmagatzematge d’energia elèctricao Millora de la qualitat de subministrament

l Presentació d’un sistema de regulació basat en convertidors d’alta freqüència:o Elecció de l’inversor en font de tensióo Topologies de tres nivells pels convertidors

CC/CC i CC/CA


JCCE’05

ConclusionsConclusions

l El control del sistema inclou varis aspectes:o Modelat (article PESC’97)o Disseny de l’algorisme de control:

uControl del flux de potènciauRegulació del factor de potènciauRegulació de la tensió del bus de CCuRestricció del desequilibri de tensió al bus de CC

o Generació dels senyals de control delstransistors: mitjançant un PLD connectat a la sortida del DSP de control

Aplicacions de l’Electrònica de Potència: convertidors CC ... Bordonau.pdfAplicacions de...

Documents

Transcript of Aplicacions de l’Electrònica de Potència: convertidors CC ... Bordonau.pdfAplicacions de...