Convertidores Control vectorial Modulación vectorial
Generador doblemente alimentado
Convertidores Electrónicos. Componentes Semiconductores de Potencia
VENTAJAS Transistores (BJT)
bipolares↑ Fácil de controlar
Transistores MOSFET
Transistores IGBT
↑ Bajas Per. conducción
INCONVENIENTES ↓ No soporta elevadas potencias
↑ Fácil de controlar
↓ Más caro que BJT
↑ Bajas Per. conmutación
↓ Altas Pér. conducción
↑ Fácil de controlar
↓ No soporta altas du/dt
↑ Bajas Per. conducción
↓ Max. 20 kHz
Generador doblemente alimentado
1
Convertidores Electrónicos. Componentes Semiconductores de Potencia
IGCT
Tiristores
Tiristor GTO
↑ Soporta altas u (6000V) , i (5000A)
↓ Precisa tensión inversa para apagarlo (c.p.r)
↑ Bajas Per. conducción
↓ Baja frec. operación
↑ Fácil de apagar
↓ Altas Pér. Conmutación
↑ Bajas Per. conducción: soporta altas u, i Tiristor IGCT
↑ Muy BAJAS Pérdidas por conmutación
↓ Más caro que IGBT
↑ Altas Pot. y frecuencias Generador doblemente alimentado
Convertidores Electrónicos.Topologías
Generador doblemente alimentado
2
Convertidores Electrónicos.Topologías Rectificador trifásico no controlado (Ls=0)
VENTAJAS
INCONVENIENTES ↓ Ningún grado de libertad
↑ Barato
factor de potencia fijo
↑ Sencillo
relación UAC/UDC fija ↓ Corriente distorsionada UDC=1,35.UL Generador doblemente alimentado
Convertidores Electrónicos .Topologías Rectificador trifásico controlado (Ls=0)
VENTAJAS
INCONVENIENTES
↑ Controlable
↓ Consume potencia reactiva
( relación UAC/UDC función del ángulo de conducción )
↓ Corriente distorsionada
↑ Trabaja en 2 cuadrantes UDC=1,35.UL cos α
( 6k ± 1 )
rectificador: α entre 0,90º, inversor: α entre 90º, 180º Generador doblemente alimentado
3
Convertidores Electrónicos .Topologías Rectificador trifásico totalmente controlado UL (V)
t(s)
VENTAJAS
INCONVENIENTES
↑ Control de f, amplitud y fase
↓ Más caro
↑ puede trabajar en los 4 cuadrantes ↑ Baja THD Generador doblemente alimentado
Convertidores Electrónicos. Topologías conexión a Red Inversor conmutado por línea
Inversor autoconmutado
Generador doblemente alimentado
4
Convertidores Electrónicos. Resumen
Convertidores Conmutados por línea
Convertidores Autoconmutados
• Basados en la tecnología de tiristores
• Basados en la tecnología de IGBT’s o IGCT’s
• Pobre factor de potencia
• Potencias de 100 MW y aumentando
• Elevada THD: grandes filtros
• 96-98 % de rendimiento
• Potencias de más de 10 MW
• Completamente controlados: pueden trabajar en los 4 cuadrantes
Generador doblemente alimentado
Convertidores Electrónicos .Topologías Convertidor trifásico totalmente controlado o Autoconmutado u, V i*10, A
i
↑ puede trabajar en los 4 cuadrantes t, ms
i
2 3 Inversor
1 Inversor u
fN
4 Cuadrante
1
2
3
4
Generador doblemente alimentado
5
Control de convertidores Electrónicos Inversor trifásico totalmente controlado
uA(t)
iA
A
uB(t)
B
N C
uC(t)
La onda adelantada impone el sentido de la transferencia de P El sentido de Q depende de la diferencia modular entre Ucon1 y U
Generador doblemente alimentado
Control de convertidores Electrónicos Inversor trifásico totalmente controlado (autoconmutado)
uA(t)
iA A
N
B C
ϕ I1A
En un sistema trifásico:
Ucon1AN
Fase A
j Xs IA
δ UA
3 ⋅ U Ucon1 ⋅ sen δ X 3 ⋅U = .( Ucon!⋅ cos δ − U ) X
P = Q
La onda adelantada impone el sentido de la transferencia de P El sentido de Q depende de la diferencia modular entre Ucon1 y U Generador doblemente alimentado
6
Justificación modelo dq del inversor ⎡u con a ⎤ ⎡ia ⎤ ⎢ ⎥ ⎢i ⎥ + L d u R = ⎢ con b ⎥ ⎢ b⎥ dt ⎢u con c ⎥ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎣ ⎦
⎡ia ⎤ ⎡u a ⎤ ⎢ i ⎥ + ⎢u ⎥ ⎢ b⎥ ⎢ b⎥ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢u c ⎥ ⎣ ⎦
jX
R
ia(t) ib(t)
UDC
ua(t)
~
ub(t)
~
uc(t)
~ ucon a(t)
n
Convertidor trifásico en fuente de tensión
dId + wIq L dt dIq Uq =Uconq − R Iq − L − wId L dt
P=
3⋅ (Ud ⋅ Id ) 2
Q=
3⋅ (Ud ⋅ Iq ) 2
Ud =Ucond − R Id − L
Los ejes dq giran en sincronismo con el fasor de tensión de la red ... existe una proporción directa de la Q y la componente Iq
Generador doblemente alimentado
VECTOR ESPACIAL Transformadas de Clarke y Park: Objetivo : transformar unas variables de entrada dadas en un sistema de referencia trifásico abc que gira a una velocidad w a un sistema de referencia bifásico ortogonal dq como el que se indica en la figura :
b
q
uan = 2.U.coswt d
posición (θ)
ubn = 2.U.cos(wt − 2π / 3)
a c
ucn = 2.U.cos(wt + 2π / 3)
Generador doblemente alimentado
7
Definición De VECTOR ESPACIAL Un vector espacial describe una magnitud que evoluciona sinusoidalmente en el espacio.
⎛ r u αβ = k ⋅ ⎜⎜ u an + u bn e ⎝
k=
j
2π 3
+ u cn e
− j
2π 3
r u = valor máximo r u = valor eficaz
2 3 2 3 2 3
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
invarianza en la potencia
Generador doblemente alimentado
VECTOR ESPACIAL b
⎛ j r u αβ = 2 / 3 ⋅ ⎜ u an + u bn e ⎜ ⎝
2π 3
+ u cn e
−j
2π 3
β
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
α
a
c
r 1 3 1 3 uαβ = 2/3. ( uan + ubn .(- + j. ) + ucn . (- - j. )) 2 2 2 2 ⎛ ⎜1 ⎡u α ⎤ 2 ⎜ = ⎢uβ ⎥ ⎣ ⎦ 3 ⎜⎜ 0 ⎝
-1 2 3 2
- 1 ⎞ ⎡ u an ⎤ ⎟ 2 ⎟ . ⎢ u bn ⎥ ⎥ 3 ⎟⎢ − ⎟ ⎢⎣ u cn ⎥⎦ 2 ⎠
Generador doblemente alimentado
8
VECTOR ESPACIAL b
β
q
d θ
α
⎡ud⎤ ⎛ cos(θ ) sen(θ )⎞ ⎡uα ⎤ ⎢uq⎥ = ⎜⎝ − sen(θ ) cos(θ )⎟⎠. ⎢uβ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎛ ⎜1 ⎡ud ⎤ 2 ⎛ cos(θ ) sen(θ ) ⎞ ⎜ ⎜ ⎟ = . . ⎢uq ⎥ ⎜ ⎟ ⎣ ⎦ 3 ⎝ − sen(θ ) cos(θ ) ⎠ ⎜ 0 ⎜ ⎝
a
c
- 1 ⎞ ⎡uan ⎤ ⎟ 2 ⎟.⎢ubn ⎥ 3⎟⎢ ⎥ − ⎟ ⎢ucn ⎥ 2 ⎠⎣ ⎦
-1 2 3 2
Generador doblemente alimentado
Definición De VECTOR ESPACIAL q d
y d
q Vector espacial Referencia estacionaria Referencia giratoria
18
x
vqd = vq - j vd
u = ud + j uq
u = ud + j uq
qd s
αβ
DQ (dq)
qd e
dq
xy
Novotny/Lipo
HOLTZ
Vas
Como referencia estacionaria: eje magnético de la fase a Generador doblemente alimentado
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Modelo dq del inversor Si los ejes dq giran en sincronismo con el vector espacial de tensión de la red, entonces:
dI ⎡u ⎤ ⎡−ia ⎤ ⎡i ⎤ ⎡u ⎤ U ⎢ =conUa con R I d− ⎢La ⎥ d⎢ a+⎥ w I L ⎥ ⎢ ⎥ q + ⎢u b ⎥ ⎢du con b ⎥ = dR ⎢ib ⎥ + Ld dt ⎢ib ⎥ dt ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣u con c ⎦
⎣⎢ic ⎦⎥
⎣⎢ic ⎦⎥ ⎣u c ⎦
dI
= U contrifásico − RenIfuente − Lde tensión− w I L UConvertidor q q q d dt q
P=
3 ⋅ (Ud ⋅ Id ) 2
Q=
3 2
⋅ (Ud ⋅ Iq )
Existe una proporción directa de la Q y la componente Iq
Generador doblemente alimentado
Control Vectorial Del Inversor UDC
i*d
ud* t.c. id iq
Modulación
vectorial
* q
u
θ
ia ib i c
jθ Consignas 3/2
e
X
i*q
ubc
θ
R
PCC Ud =Ucond − R Id − L
dId dt
red
+ wI L q
dIq Uq =Uconq − R Iq − L − wId L dt
I qd (s ) U
d Término qd
(s )
=
1 L ⋅s + R
Generador doblemente alimentado
10
Control Vectorial Del Inversor Consigna de corriente iq para controlar el factor de potencia UDC
i* 2 Ud 3
Q*
d
ud*
i*q
* q
Modulación
vectorial
u
θ id
ia ib
jθ Consignas 3/2
e
iq
X
UDC*
ubc
P = 3 ⋅ (Ud ⋅ Id ) 2 Q=
R
PCC
red
3⋅ (Ud ⋅ Iq ) 2
Generador doblemente alimentado
Control vectorial del Inversor. Límites Id*, Iq* El diagrama es útil para establecer los límites de las consignas de corriente en el control vectorial
UDC
ii**dd
Q*
2 Ud 3
u*d
ejθ
i*q i*q
Modulación
u*q θ
id
vectorial
ia ib
Consignas
iq
⎞ ⎛ 2 ⎜ ⋅ ⋅ DC ⎟ ⋅ Ud ⎞ 2 ⎜ 3 Ma U ⎟ ⎛ 2 2 Id + ⎜ Iq + 2 ⋅ U⎟DC = ⎜ 2 ⋅ Ud ⎟ Iqlim⎝ = X ⎠ 2 ⎜− Id 2 X− ⎟ X⎠ 3⋅ X ⎝ 2 2 2 Id + Iq = (2 ⋅ Im ax )
X
UDC*
2
2
R
ubc
red
Circunferencias límite en función de Id,Iq
Generador doblemente alimentado
11
¿Cómo realizar un dimensionado óptimo del convertidor? Eligiendo de forma óptima los componentes del inversor
La región del plano P-Q en la que el inversor puede trabajar depende de :
• UDC
I
X
R
u (t ia(t) a
)
~
•U
ib(t)
UDC
ub(t) ~ uc(t) ~
• Imax
vcon a(t) n
¿cómo seleccionar estas variables? Realizar un análisis sistemático de la influencia de cada Método actual : aproximado : UDC= 2 UL variable sobre la potencia activa y reactiva máximas transferibles a la red
Generador doblemente alimentado
¿Cómo realizar un dimensionado óptimo del convertidor? Método sistemático de elección óptima los componentes del inversor Xred
I1 U1con (δ
Rs
∼
U (0
Circuito equivalente monofásico para el armónico fundamental de la tensión de Palterna
q 3⋅U
U1con 3⋅U
Xred.I1
δ
I1
X red
ϕU
d
⎛ 3⋅U 2 ⎞⎟ = ⎛⎜ 3⋅U ⋅U1con ⎞⎟ P2 + ⎜⎜ Q + Xred ⎟⎠ ⎜⎝ X red ⎟⎠ ⎝ 2
X red
U 1con
δ 2 ϕ 3⋅ U
I1
2
Xred
33U U.II11
Q
2 2 2 P + Q = (3⋅U ⋅ Imax)
Generador doblemente alimentado
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II.
Límites de funcionamiento
p (pu) Referencia
Útil para obtener:
P = 1 pu
UDC
Ô UDC
u = 1 pu xred = 0,02 pu
1,3
0,9
(Ma=0,9)
VALORES BASE PB= Pmax
1
UB= U red
q (pu)
UDCB= c6 UB
Habría que aumentar UDC Generador doblemente alimentado
II.2
Control del inversor. Límites de funcionamiento MÉTODO SISTEMÁTICO DE ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DE UN VSI DIAGRAMA DE LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO
p (pu) rt=1,3
p (pu) rt=0,7 Referencia:
1 q (pu)
q (pu)
P = 1 pu uDC=1 pu xred = 0,02 pu Ma=0,9
Variación de los límites con rt Generador doblemente alimentado
13
II.2
Control del inversor. Límites de funcionamiento Influencia de la reactancia de conexión a red
a) Al disminuir la reactancia de conexión se incrementa notablemente la potencia que es posible ceder con factor de potencia unidad. Existe un valor de xred por encima del cual el inversor no es capaz de ceder la potencia activa 1 p.u. sin absorber potencia reactiva de la red.
P
Es posible hacer funcionar a un inversor (W) como compensador de reactiva. La expresión de la máxima potencia reactiva Qmax que es posible entregar a la red sin ceder potencia activa es:
q max ( P
= 0)
=
xred u ⎛ UDCB ⎞ 0,015 ⋅ u DC − u ⎟ ⋅ Ma ⋅ ⎜ 0.408xred 0,025 UB xred ⎝ ⎠ =
=
Referencia:
Q (var) Variación del diagrama P/Q de límites de funcionamiento al incrementar la reactancia de conexión xred (de 0,015 a
P = 1 pu uDC=1.11 pu u=1 pu Ma=0,9
0,025 pu) Generador doblemente alimentado
Límites de potencia máximos del inversor Ejemplo P(W)
masat ma=1
2
A B C D
U DC
ma = 1 sat ⋅U 3
= 1,15
ϕ
DC
3
Referencias de potencia
Q(VAr)
Q*= Q*= 2800VAr VAr Q*= 8502200 VAr ma>masat ma< 1
Dos circunferencias límite según el índice ma máximo admitido Generador doblemente alimentado
14
Límites de potencia máximos del inversor Ejemplo A
P(W)
B A B CD
Q(VAr)
Progreso de las referencias de potencia
C D
Generador doblemente alimentado
Límites de potencia máximos del inversor Ejemplo
A
P(W)
t(s) u,i (pu)
A
CD
C
Q(VAr)
u,i (pu)
t(s)
Progreso de las referencias de potencia
D u,i (pu)
t(s)
Generador doblemente alimentado
15
Convertidores Electrónicos UDC
1. Componentes y topologías 2. Control vectorial
Modulación
* q
u
Modulación
vectorial
X
3.
ud*
R
Generador doblemente alimentado
Modulación. Generación de los pulsos (PWM) Topología básica del convertidor en fuente de tensión
El primer armónico de Vao es la réplica de Vcontrol
Generador doblemente alimentado
16
Modulaci贸n. Generaci贸n de los pulsos (PWM)
Generador doblemente alimentado
Modulaci贸n Vectorial. Seguimiento del fasor de referencia (ud*, uq*)
El puente puede tener 8 estados de conducci贸n distintos: 6 estados activos y 2 nulos + UDC
v3(0,1,0) S1
S3
v2(1,1,0)
S5 Sector 2 Sector 3
S4
S6
S2
Sector 1
v4(0,1,1)
v1(1,0,0) Sector 4
0
ejemplo: (0,1,1)
Sector 6
v0(0,0,0)
Sector 5
v5(0,0,1)
v6(1,0,1)
v7(1,1,1)
Los 6 estados activos delimitan la zona de funcionamiento hexagonal Generador doblemente alimentado
17
Modulación Vectorial. Seguimiento del fasor de referencia (ud*, uq*) v3(0,1,0)
v2(1,1,0)
+ UDC Sector 2 S1
S3
S5 Sector 3
S4
a
b
S6
S2
Sector 1
v4(0,1,1)
c
v1(1,0,0) Sector 4
Sector 6
v0(0,0,0)
Sector 5 0
v5(0,0,1)
Sector
1
2
3
4
v6(1,0,1)
5
v7(1,1,1)
6
Estado (S1,S3,S5)
(1,0,0)
(1,1,0)
(0,1,0)
(0,1,1)
(0,0,1)
(1,0,1)
(uab,ubc,uca) (UDC,0,-UDC) (0,UDC,-UDC) (-UDC, UDC,0) (-UDC,0,UDC) (0,-UDC,UDC) (UDC,-UDC,0)
Tensiones de línea (uab,ubc,uca) correspondientes a cada uno de los estados activos Generador doblemente alimentado
Modulación Vectorial. Seguimiento del fasor de referencia (ud*, uq*)
Ua 1 (U DC ,2U DC ,-U DC ) 3
2UDC 3 UDC 3 0 - UDC 3 - 2UDC 3
u* 1 (- 2U DC , U DC , U DC ) 3
1 (- U DC ,-U DC ,2U DC ) 3
pp.Ω
V an = V bn =
1 (U DC , U DC ,-2U DC ) 3
V
1 (U DC ,-2U DC , U DC ) 3
t
1 ( V ab - V ca ) 3
1 ( V bc - V ab ) 3
1 (2U DC ,-U DC ,-U DC ) 3
cn
=
1 (V 3
La tensión de fase está delimitada por los 6 estados activos del puente. Ej: fase a ca
- V
bc
)
Generador doblemente alimentado
18
Modulación Vectorial Cada sector está delimitado genéricamente por va y vb.
r u * = 2 f s ( t a va + t b v b )
vb ma sen(60 ° - α ) 2fs ma sen( α ) tb = 2fs ta =
u* α
va
t 0 + t7 =
1 - ta - tb 2fs
fs=1/T =1/(2.Ts)
uˆ f* ma = 1 .U DC 3
…que da lugar a una moduladora como…
Generador doblemente alimentado
Modulación Vectorial Empleando la zona de sobremodulación se amplia el margen de funcionamiento dinámico
ma=1,13
PWM
ma=1,07 ma=1
t(s) Generador doblemente alimentado
19
Saturación de la onda moduladora. Armónicos (ma) 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
ma=1 ma=1,04 ma=1,09 ma=1,16 2
60
120
180
h
Espectro armónico de la tensión para varios valores de Ma.
Generador doblemente alimentado
Modulación Vectorial El mínimo número de conmutaciones del inversor se obtiene aplicando…
2 . Ts
Sector 1
S1 S3
Sector 2
S1
S5 S3 S5
r r r r r r v sa vsb v NULO vsb v sa v NULO NOTA PRÁCTICA
Sector 3
S1 S3 S5
Sector 4
S1 S3
Sector 5
S1
S5
PWM0 XOR
PWM1
S3 S5
PWM S1
Ti
Sector 6
Ti+1
S1 S3 S5
PWM 0 y PWM 1 generadoras de los pulsos de disparo de S1 en un período de muestreo
t0
ta
tb
t7 t7
tb
ta
t0
Impulsos de encendido de los semiconductores S1, S3 y S5
Generador doblemente alimentado
20
va(t) ~ vb(t)
Modulación Vectorial
Rs
ia(t)
~
Xs
ib(t)
UDC
vc(t)
~
vcon a(t) n
fs: compromiso entre precisión y pérdidas
* mf es el cociente entre la frecuencia de conmutación fs y la UL UL frecuencia de componente fundamental de la onda de salida, f1. (V)
(V)
Para evitar la aparición de componentes subarmónicas en la tensión
de salida : mf es entero (mod. Síncrona; los armónicos de las ondas de salida se concentran en bandas centradas en torno a mf y sus múltiplos ) * se elige mf múltiplo de tres e impar, ya que en un sistema equilibrado los armónicos múltiplos de tres son homopolares. t(s) t(s)
Generador doblemente alimentado
Convergencia Convergencia de UL a Onda Cuadrada Ampliación de ma
UL (V)
t(s)
Generador doblemente alimentado
21
¿Cómo reducir la distorsión de las corrientes?
Modulación vectorial
con fs > 2 kHz
UL
UDC
(V)
t(s)
fs múltiplo de 3 e impar (3kHz)
* q
u
0,10000 0,08000 0,06000 0,04000 0,02000 0,00000
Modulación
vectorial
R
PCC
1 23 45 67 89 111 133 155 177
Inductancias de filtrado ia
X
ud*
60
orden 40 Norma CEI 61000-3-2 IEEE-519
[CEI 61000-3-2] [IEEE-519] Normativas reguladoras de los niveles de emisión de armónicos de corriente
Generador doblemente alimentado
Obtención de las referencias giratorias Control del inversor: medida de la posición de la red mediante un comparador Máximo de ua Paso por cero de ubc
+5 V V Entrada
100 k
+ _
V Salida
Generador doblemente alimentado
22