Space vector pulse-width modulation for multilevel multiphase voltage-source converters

Resumo

En esta tesis se estudia la modulación vectorial por ancho de pulso (SVPWM) aplicada a convertidores polifásicos multinivel. Los convertidores multinivel pueden trabajar con altas tensiones empleando dispositivos con una capacidad limitada de bloqueo de tensión. Además, tienen alta eficiencia, baja distorsión y buena compatibilidad electromagnética. Las máquinas polifásicas se caracterizan por su alta fiabilidad, alta eficiencia, bajo rizado de par y poca intensidad por fase. La tecnología multifase multinivel combina los beneficios de ambas tecnologías, pero su aprovechamiento requiere el desarrollo de nuevas técnicas de modulación específicamente desarrolladas. Las técnicas SVPWM para convertidores multinivel trifásicos ya han sido estudiadas en detalle, debido a sus ventajas sobre las técnicas PWM clásicas. Sin embargo, a pesar de su amplia aceptación en los sistemas de trifásicos, estas técnicas no han sido muy estudiadas en sistemas polifásicos. La mayoría de los escasos algoritmos SVPWM polifásicos presentados en la literatura están destinados a convertidores de dos niveles, y la mayor parte de ellos fueron desarrollados para un número concreto de fases. Actualmente, el único algoritmo polifásico multinivel general existente es complejo y no es adecuado para su aplicación en tiempo real. El objetivo principal de esta Tesis es desarrollar un algoritmo genérico para convertidores polifásicos SVPWM que sea válido para cualquier número de niveles y fases, y que pueda ser implementado en tiempo real. La Tesis comienza con el estudio de las relaciones existentes entre los estados de conmutación de los transistores y la tensión de salida en los convertidores multinivel clásicos: convertidor enclavamiento por diodos, el convertidor de condensadores flotantes, y el convertidor de puentes H en cascada. Estas relaciones muestran una serie de características comunes que permiten formular el problema de la SVPWM de una forma genérica para todos ellos. A continuación se estudian dos técnicas existentes de SVPWM para convertidores multinivel trifásicos, uno con redundancia y otro sin redundancia, con el fin de identificar aquellos puntos críticos en la aplicación práctica de los algoritmos SVPWM. Los dos puntos más importantes son: el alto número de interruptores que deben ser controlados simultánemente, y la dificultad añadida en convertidores con el neutro flotante debido a la presencia de estados redundantes. Esta redundancia se puede utilizar para obtener diferentes objetivos: el aumento del índice de modulación, tolerancia a fallos, eliminación tensión de modo común, etc. Por último, en la Tesis se desarrollan dos nuevos algoritmos SVPWM para convertidores multinivel polifásicos en fuente de tensión con y sin redundancia. Ambos algoritmos están formulados en un espacio multidimensional y se puede aplicar a convertidores con cualquier número de niveles y fases. En ambos casos, se demuestra que un SVPWM multinivel se puede realizar a partir de otro SVPWM de dos niveles sin redundancia. En el caso de un convertidor de P fases sin redundancia, el algoritmo SVPWM se basa en una combinación de un algoritmo SVPWM de P fases y dos nivels con un desplazamiento de los vectores. La realización de la SVPWM en el caso de un convertidor de P fases con redundancia exige una transformación más compleja junto con un modulador SVPWM (P-1) fases y dos niveles. Estos dos algoritmos de modulación son aplicables a las topologías multinivel clásicas, tienen un bajo coste computacional y son adecuados para su implementación hardware. Los dos nuevos algoritmos SVPWM se han implementado en una FPGA de bajo coste y se han verificado experimentalmente con un convertidor de cinco niveles y cinco fases. Las nuevas técnicas de modulación también se han aplicado a convertidores multinivel trifásicos tres y cuatro ramas, y se han comparado con algoritmos de SVPWM ya existentes.