Mejora de las Prestaciones y Protecciones del Convertidor de Potencia AC/AC Directo con ...

309 Pages·2008·21.28 MB·Spanish

Euskal Herriko Unibertsitatea Elektronika eta Telekomunikazio Saila
Universidad del Pa´ıs Vasco Departamento de
Electr´onica y Telecomunicaciones
Tesis Doctoral
Mejora de las Prestaciones y Protecciones del
Convertidor de Potencia AC/AC Directo con
Topolog´ıa Matricial
Jon Andreu Larran˜aga
Ingeniero en Autom´atica y Electr´onica Industrial
Julio de 2008
Director: Dr. Jos´e Luis Mart´ın

Ama, eskerrik asko beti hor zaudelako eta zean bezelakue zealako.
Aitte, eskerrik asko guregatik hainbeste lan egin dezulako.
Celia, gracias por ser mi alegr´ıa e ilusi´on.

Agradecimientos
Hace unos an˜os que comenz´o mi labor profesional en la Universidad. Recuerdo que aquel
inicio estuvo lleno de dudas e ilusiones. Dudas, debido a que el tomar esta senda supon´ıa
dejar de un lado una carrera profesional ya iniciada y vinculada a la empresa privada.
Ilusiones,generadasporlaexpectativadeuntrabajoquemezclabalarelaci´onentrepersonas
e impulsaba el conocimiento t´ecnico.
Tuve la oportunidad de incorporarme al Departamento de Electr´onica y Telecomunicacio-
nes de la Escuela de Ingenier´ıa de Bilbao, aqu´ı, en la Universidad pu´blica del Pa´ıs Vasco.
Por ello, quiero dar gracias a todos aquellos que confiaron en m´ı y sobre todo a Celia, a mi
madre y a mi hermano Alberto, que fueron los que me apoyaron en la decisi´on tomada y de
la que nunca me he arrepentido. Bereziki zuei denoi, Ama, Celia, Aitte, Alberto eta Susa-
nari eskaintzen dizuet tesi hau. Eskerrik asko ere, Ama eta Aitte, euskera betittik erakutsi
didazuelako, honek bidie eitten lagundu dit Unibertsidadien, xaxako naiz gure hizkuntzie
eta herrixe aurrera bultzatzen!.
Al igual que casi toda persona ajena a esta instituci´on (incluidos aquellos que gobiernan
esta sociedad) desconoc´ıa la existencia de los Grupos de Investigaci´on de la Universidad.
Supon´ıa que mi labor iba a consistir en dar clases, estudiar un “mont´on” para poder im-
partirlas y desarrollar proyectos fin de carrera en los que saciar´ıa mis ansias de aprendizaje.
Nada m´as lejos de ello. Aqu´ı se investiga, se llevan a cabo proyectos innovadores, se da
apoyo a las empresas de nuestra sociedad y, por desgracia, existe un grand´ısimo potencial
todav´ıa desaprovechado por el desconocimiento de lo que hacemos. En este sentido me
gustar´ıadecirquenoestamosde“vacaciones”comoenlosCentrosdeEducaci´onSecundaria.
Respecto a esto u´ltimo, dicen los veteranos de la Universidad: ¡no insistas, es una batalla
perdida!. Da mucho para hablar del tema...
Volviendo a lo que me corresponde, tras el primer an˜o en la Escuela, me incorpor´e a
un Grupo joven y creo que bastante prometedor, el Grupo de Investigaci´on en Electr´onica
Aplicada,Apert.Susmiembrossonunosmagn´ıficosprofesionalesy,loqueesm´asimportante,
unas excelentes personas. Es a este Grupo al que quiero agradecer la ayuda y los apoyos
recibidos para poder afrontar esta tesis.
A mis dos “In˜igos”, enfrascados en esta “movida” de la electr´onica de potencia. In˜igo
Manci, es de admirar la val´ıa que tienes como persona y... ¡sigue sorprendi´endonos y apor-
tando esas ideas felices!. “In˜igo K”, ¡que nos vamos a decir a estas alturas, cuando va casi
media vida desde conocemos!. Eres un gran trabajador, capaz de diferenciar esas risas que
nos echamos con el rigor que te caracteriza en el trabajo.
A ti, Jos´e Luis, por ser un ejemplo de trabajo, optimismo y estar siempre dispuesto a
echar una mano. Dicen que la energ´ıa no se crea... si eso es verdad, ¿de d´onde la sacas?.
¡A´nimo que la c´atedra est´a al caer!.
Unai, zuri eskertu nahi nizuke FPGA´ri buruz erakutsi didazuna. Jarraitu zu definitzen
zaituen zuzentasunean eta ez aldatu zure izaera!.
Txusi eta Jagobari ere eskerrak eman nahi nizkioke hainbeste lagundu didatelako nire
i
ordenagailuaren eta LATEX´ak eragin dizkidan arazoak konpontzen. Mireztekoa da zuen
trebezia eta beti esaten dudan bezala: makina batzuk zarete!.
Jaime, gure taldeko filosofoa!, beti gauzak zuzen dauden begiratzen, eutsi goiari!.
Armando, eres un magn´ıfico ingeniero. ¡Sigue as´ı!.
Aitzol, pertsona jatorra, aurrera!, zuk ere lortuko duzu eta zorioneko habilitazio hori. Y
Carlos, ¡dale duro a la tesis que ya est´a!.
Quiero agradecer, adem´as, a Robotiker por ser impulsor de esta tesis y confiar en noso-
tros, a JoseMi por tus aportaciones t´ecnicas y a Jos´e Ignacio y a mis alumnos del Grupo:
Enekoitz, Edorta, Julen, Guillermo y Leire que han contribuido, tambi´en, en esta tesis.
Dedico este trabajo, tambi´en, a todas esas personas que han hecho que este camino sea
m´as ameno: nire kun˜atuei, Txema eta Ana; tambi´en a Cheli, Pedro, Marta y Josetxo, a
Manolo, a la Cuadrilla, a mis excompan˜eros de las Komunas del departamento (Iratxe,
Puri, Sof´ıa, Txotxe, Maider, Igor y Gotzon) y todas aquellas personas que merecen estar
presente en estas l´ıneas y que no he sido capaz de mencionarlas.
Azkenik, ez dut alferrik galdu nahi aukera hau zera esateko, Eduardo, kategorizko per-
tsona, tamalez azpaldi da hemendik joan zinela mendiak eramanda, karreran ari ginela zuk
ere laguntzen zenidan, zuri ere tesi hau doakizu!.
Eskerrik asko guztioi.
Gracias a todos.
ii
Abstract
Nowadays, power electronics is playing a very important role in many energy conversion
processes. Thanks to power electronics converters, the characteristics of the electric energy
can be modified. In this context, AC/AC conversion is specially relevant because it is
necessaryinmanytractionandgenerationapplications.Thereisawidevarietyofconverters
for AC/AC conversion (cycloconverter, back-to-back converter, multilevel converter, etc.)
among which the Matrix Converter (MC) presents very differentiated characteristics.
The MC achieves direct conversion of AC to AC without reactive elements and with a
very modular design and small size. Furthermore, the flux of power is bidirectional and the
powerdeliveredisofhighquality.Inspiteofallthis,theMC isnotyetamaturetechnology,
mainly because there is no natural bidirectional semiconductors and the converter lacks in
robustness. Complexity is an added drawback in this converter.
This thesis presents, firstly, an exhaustive study of the properties and the switching and
modulation techniques of the MC. In a second stage, a variation on the Space Vector Modu-
lation (SVM), the Double Sided Space Vector Modulation (DS SVM), is analyzed in detail.
This modulation technique improves the harmonic spectrum of the currents and voltages of
the MC, but, on the other side, it has extremely large computation requirements. On the
other hand, a method for a simplified synthesis of the modulation algorithm is presented.
Also,theinteractionbetweenDS SVM modulationandsemisoft commutationinthedrivers
and auxiliary supplies for the semiconductors of the MC has been determined.
With the aim of finding a solution for high speed requirements of the MC, and taking
into account that the MC behaves better with high switching frequencies, a new System
on Chip (SoC) for the control of the MC has been developed. The new SoC has many
embedded features such as control, modulation and some protection cores of the converter.
All these cores (altogether 30) have been implemented in hardware in a single FPGA. By
means of this architecture, the execution speed obtained is much faster than required by
the DS SVM. This performance proves that FPGAs are an alternative to traditional DSP
designs.
On the other hand, all necessary design criteria for a MC have been determined in an
exhaustive way. These criterions have been used to build a 7.5 kW MC prototype. Moreo-
ver, the MC architecture has been improved by means of some hardware changes, which
includes, mainly, a variation of the MC clamp circuit and a new start-up circuit. Taking
these contributions into consideration, the critical start-up of the MC has been improved.
Besides of this, a driver configuration has been presented which optimizes the switching
times of the IGBTs in the MC. Lastly, a novel fault tolerant MC configuration is proposed.
Thanks to this configuration, the MC can operate at full rating when there is a failure in
any of its IGBTs.
iii
Abstract
iv
Laburpena
Gaur egun, potentzia elektronikak funtsezko betebeharra jokatzen du energia bihurketa
beharrezkoa den aplikazioetan. Potentzia bihurgailuei esker, energia elektrikoak aurkezten
duen forma kontrolatu egin daiteke. Ingurune honetan, AC/AC bihurketak garrantzi be-
rezia du, ohikoa baita bihurketa mota hau trakzio eta generazio aplikazioetan erabiltzea.
Hainbat bihurgailuk burutu dezakete aipatutako konbertsioa (ziklo-bihurgailuek, back-to-
back bihurgailuek, maila anitzeko bihurgailuek, etab.), beraien artean Bihurgailu Matriziala
(BM) nabarmentzen delarik.
BMak AC/AC bihurketaerazuzeneanburutzendu,ezdaukaosagarrierreaktibohandien
beharriketamodularraetatamainatxikikoaizateagaitikbereiztenda.Honetazgain,noran-
tza biko potentzia fluxua egin dezake, bihurgailuak sintetizatutako seinaleen kalitatea ona
delarik. Ala eta guztiz ere, BMa ez da, gaur egun, aukera oso heldua, batez ere ez direlako
osatu oraindik norantza biko erdieroale naturalik eta ez delako beste bihurgailuen bezain
mardula. Aurreko arrazoiei BMaren kontrolaren konplexutasuna gehitu behar zaie.
Tesihonetan,hasierabatetan,BMaren oinarriaketakonmutazioaetamodulazioadefinit-
zen dituzten teknikak aztertu dira. Bigarren pausu bezala, SVM modulazio bektorialaren
aldaera bat aztertu da, hau da, aurpegi biko DS SVM modulazioa. Azken honek BMak sin-
tetizatutako seinaleen THDa hobetzen du, baina aldi berean, zama konputazional handia
dauka. Bestalde, DS SVM algoritmoaren sintesi prozedura sinplifikatzen duen metodo bat
aurkeztu da. Era berean, DS SVMak eta konmutazio erdi-biguinak duen eragina potentzia
erdieroaleen kitzikapenean parte hartzen duten elementuetan zehaztu da.
BMak frekuentzia altuetan lan egiten duenean prestazio hobeak eskaintzen dituela kon-
tuan izanik, System on Chip (SoC) berritzaile bat garatu da bihurgailuaren eskakizunei
erantzuna emateko. Sistema honek zirkuitu integratu batetan modulazio eta kontrol fun-
tzio guztiak eta protekzio bloke batzuk biltzen ditu. Egindako core horiek (30 guztira)
hardwarean inplementatuak eta FPGA bakar batetan kapsulatuak izan dira. Garatutako
inplementazioak lortzen dituen exekuzio abiadurei esker, DS SVMaren eskakizunak nabar-
menkigainditudira.Guztihonek,FPGAk ohizkoDSPekiko alternatibabatizandaitezkeela
frogatzen du.
Bestalde, 7.5 kW-tako BM bat eraikitzeko beharrezkoak diren diseinu kriterio ezberdi-
nak zehaztu dira. Horretaz gain, pizketa zirkuito baten bitartez eta finkapen zirkuitoan
burututako aldakuntza baten bitartez BMaren arkitektura hobetu da. Guzti honi esker,
BMak duen arazorik handienetako bat sahiezten da, pizketa zikloa. Halaber, BMaren IGB-
Ten konmutazio abiadura hobetzen duen kitzikapen zirkuitoaren konfigurazio bat aurkeztu
da. Azkenik, BMaren sistema hutsegite-toleratzaile konfigurazio berri bat proposatu da.
Konfigurazio honek bihurgailuaren erabateko funtzionamendua bermatzen du, bihurgailua
partzialki hondatuta gelditzen bada ere.
v
Laburpena
vi