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CONVERTIDOR MATRICIAL
CONVERTIDORES MATRICIALES
a
POWER GRID b
c
A
B
C
Línea de investigación financiada por ROBOTIKER
dentro de un acuerdo de colaboración a largo plazo
con el Grupo de Investigación APERT
de la Escuela Superior de Ingenieros de Bilbao
Jon Andreu Larrañaga
Zamudio, Marzo 2005
1
ÍNDICE
CONVERTIDOR MATRICIAL
3. Conmutación y
Modulación
1. Características / Arquitectura
Convertidor
Matricial
2. Semiconductores
4. Aplicaciones
2
INTRODUCCIÓN
CONVERTIDOR MATRICIAL
TENDENCIA EN LOS SISTEMAS DE CONVERSIÓN
Mejora de la interacción con la red
Flujo de potencia bidireccional
Alta eficiencia y operación a alta frecuencia de conmutación
Reducido tamaño
Integración
CONVERTIDOR MATRICIAL
3
CARACTERÍSTICAS GENERALES CONVERTIDOR MATRICIAL
Convertidor AC/AC polifásico
MATRIX CONVERTER TOPOLOGY
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
n x m interruptores bidireccionales
a
SEMICONDUCTORES
Conversión directa
b
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
POWER GRID
Ventajas
c
Flujo de potencia bidireccional
APLICACIONES
Calidad: ondas senoidales entrada/salida
A
C
B
NGZa1
Control del FP de entrada
Da1
Za1
Va
NVa
Reducido tamaño, peso y coste. Modular
NAC
Za2
Da2
Robusto a altas temperaturas
NGZa2
NLOAD
NGZb1
Gran periodo de vida
Db1
Zb1
Vb
Desventajas
NVb
NBC
Carga
Zb2
Db2
Complejidad del control
NGZb2
Ratio de transferencia de tensión
Ride-Through Capability
0
4
CONVERTIDOR MATRICIAL
COMPOSICIÓN (1)
Basado “íntegramente” en el silicio
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
Posibilidad de trabajar a grandes temperaturas
Ausencia de elementos reactivos
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
APLICACIONES
Topology
Fully
controlled
devices
Fase diodes
Rectifier
diodes
Large
electrolytic
capacitors
Large
inductors
Matrix
Converter
18
18
0
0
0
Back to back
inverter
12
12
0
1
3
Invertir with
diode bridge
6
6
6
1
0 or 1
Back to back inverter
Inverter with diode brige
1
1
1
2
2
2
1
1
1
2
2
2
5
COMPOSICIÓN (y 2)
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
CONVERTIDOR MATRICIAL
MATRIX CONVERTER TOPOLOGY
INPUT FILTER
FILTRO de ENTRADA
SEMICONDUCTORES
a
Eliminar armónicos de altas frecuencias
b
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
Protección ante sobretensiones
APLICACIONES
Tamaño del filtro / Estrategia de modulación
c
LC pasa bajos serie
A
CLAMP CIRCUIT
CIRCUITO de FIJACIÓN
B
GENERATOR
Protección
Sensibilidad ante distorsiones de alimentación
POWER GRID
6
C
INTERRUPTORES BIDIRECCIONALES CONVERTIDOR MATRICIAL
Za1
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
FLUJO DE POTENCIA POSITIVO Y NEGATIVO
ALTAS CORRIENTES
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
APLICACIONES
Da1
Da2
Za2
CONTROL INDEPENDIENTE
BLOQUEO DE ALTAS TENSIONES
RBIGBT: Interruptor bidireccional
4 CUADRANTES
FUTUROS SEMICONDUCTORES
COMÚNMENTE: IGBTs y FRDs
OTRAS ALTERNATIVAS UTILIZADAS:
ARSENIURO de GALIO
CARBURO de SILICIO…
SCR
MOSFET
MCT
MTO
IGCT
7
INTERRUPTORES: ESTRUCTURAS
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
Puente de Diodos
CONVERTIDOR MATRICIAL
Da3
Da1
1.
Pérdidas conducción
2.
Sin control del sentido de la corriente
3.
Pérdidas conmutación
4.
Corriente circulante
Za1
Da2
Da4
Emisor Común
APLICACIONES
1.
Fuentes aisladas
2.
Potenciales y aislamientos
Emisor y Colector Común
Da1
Za1
Za2
Da2
1.
Pérdidas conducción menores
2.
Control independiente del sentido de la corriente
3.
Pérdidas conmutación menores
4.
No existe corriente circulante
Colector Común
1.
Control más complejo
2.
Detección sentido corriente
3.
Inductancias parásitas
Da1
Za1
Da2
Za2
8
CONVERTIDOR MATRICIAL
CONMUTACIÓN
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
Cambio de
sentido de corriente
CONEXIÓN ENTRADA-SALIDA
CONSIGNA VOUT
a
CONSIGNA Iin
b
IN
c
APLICACIONES
SA
a
c
A
B
C
OUT
2 REGLAS BÁSICAS
L1
c
L1
SA
C1
C1
L2
L2
SB
CARGA
SB
CARGA
9
ESTRATEGIAS CONMUTACIÓN (1)
Switch SA1
CONVERTIDOR MATRICIAL
Da1
Za1
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
Za2
Da2
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
APLICACIONES
Solapada
Switch SA1 off
Tiempo muerto
on
Switch SA2 off
on
Switch SB1
on
off
Switch SB2
on
off
t
Switch SA1
on
off
Switch SA2
on
off
Switch SB1
off
on
Switch SB2
off
on
t
10
ESTRATEGIAS CONMUTACIÓN (2)
CONVERTIDOR MATRICIAL
CONMUTACIÓN SEMISUAVE
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
APLICACIONES
4 Pasos (Icarga positiva)
50% conmutaciones forzadas
50% conmutaciones naturales
Reducción de pérdidas
Sentido de la corriente de la carga
Switch SA1
1
1 1 0 0
Switch SA2
1
0 0 0 0
Switch SB1
0
0 1 1 1
Switch SB2
0
0 0 0 1
Fase A
1100
I load > 0
1 2 3 4
I load < 0
1000
0100
1010
0101
Va>Vb: Conm. Forzada
Va>Vb: Conm. Natural
Va<Vb: Conm. Forzada
Va>Vb: Conm. Forzada
0010
Va<Vb: Conm. Natural
Estados permitidos
Va>Vb: Conm. Natural
Estados pseudo-prohibidos
Va<Vb: Conm. Forzada
Estados prohibidos
0001
Va<Vb: Conm. Natural
0011
Fase B
11
ESTRATEGIAS CONMUTACIÓN (y 3) CONVERTIDOR MATRICIAL
DETECCIÓN del SENTIDO de la CORRIENTE
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
SENSADO RESISTIVO
SEMICONDUCTORES
APLICACIONES
CÉLULA DE EFECTO HALL
9SENSADO INDIRECTO
Za1-Da1
Za2-Da2
V1 (V)
V2 (V)
I load > 0
ON
OFF
2.5
-1.2
I load < 0
OFF
ON
-1.2
2.5
14
12V
E5
+
-
Da1
Za1
V1
Da2
NVa_aisl
+
-
E
GAIN = 1
V2
Sistema de medida
aislado: Zin infinita
Za2
E6
IN+ OUT+
IN- OUTEVALUE
0
U4A
Comp_Za1 1
3 I_Za1
NVa1
2
R_dig_Za1
7
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
BOBINA DE ROGOWSKI
EVITAR ESTADOS PROHIBIDOS
1k
12
CONVERTIDOR MATRICIAL
MODULACIÓN
VENTURINI: GRAN COMPLEJIDAD ALGORITMO + VOUT = 0.5x VIN
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
SVM: MENOR COMPLEJIDAD + VOUT = 0.86 x VIN
OTRAS TÉCNICAS: DTC
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
APLICACIONES
FLUJO DE POTENCIA BIDIRECCIONAL
FACTOR DE POTENCIA UNITARIO EN LA ENTRADA
ONDAS SENOIDALES EN LA ENTRADA Y SALIDA
SPACE
VECTOR
AMPLITUD Y FRECUENCIA VCARGA TOTALMENTE CONTROLABLE
MODULATION
REDUCCIÓN DE ARMÓNICOS EN LA ENTRADA
REDUCCIÓN DE NÚMERO DE CONMUTACIONES
CONVERSIÓN DIRECTA ENERGÍA
SENSIBILIDAD ANTE PERTURBACIONES
AUSENCIA ELEMENTOS REACTIVOS
MINIMIZADO
13
CONVERTIDOR MATRICIAL
SPACE VECTOR MODULATION (1)
CONVERTIDOR MATRICIAL TRIFÁSICO 3 x 3
29 = 512 COMBINACIONES 2 REGLAS BÁSICAS
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
Rotating vectors
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
abc
ABC
APLICACIONES
abb:+1
ABC
cab
a
b
c
ABC
ABC
ABC
bac
bca
a
b
c
a
b
c
ABC
Rotating
a
b
c
ABC
Stationary
w
aca:+6
a
b
c
ABC
ABC
ABC
acc:-3
caa:+3
a
b
c
ABC
ABC
ABC
ABC
cca:-9
a
b
c
ABC
bbb
a
b
c
ABC
aac:+9
a
b
c
ABC
bbc:-8
a
b
c
ABC
cac:-6
a
b
c
ABC
ABC
ccb:+8
a
b
c
aaa
a
b
c
a
b
c
ABC
bcb:-5
a
b
c
aab:-7
bba:+7
a
b
c
ABC
cbc:+5
a
b
c
a
b
c
a
b
c
ABC
cbb:-2
bcc:+2
acb
a
b
c
a
b
c
a
b
c
ABC
ABC
aba:-4
bab:+4
baa:-1
a
b
c
a
b
c
a
b
c
Zero vectors
Stationary vectors
cba
a
b
c
27 POSIBLES CONEXIONES
ccc
a
b
c
ABC
ABC
Zero
SPACE VECTOR MODULATION
Constante
30º, 90º, 150º, 210º, 270º, 330º
14
SPACE VECTOR MODULATION (2)
CONVERTIDOR MATRICIAL
VECTORES ESTACIONARIOS: FASE FIJA, AMPLITUD “PSEUDO-VARIABLE”
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
2π
4π
r
J
J
2 ⎛⎜
3
Vout = ⎜ v AB + v BC • e
+ v CA • e 3
3⎝
+1
J
2⎛
= ⎜⎜ v ab + 0 + (−v ab ) • e
3⎝
4π
3
⎞
⎟
⎟
⎠
Input Current
-7,-8,-9
+4,+5,+6
+2,+5,+8
+1,+2,+3
-1,-4,-7
-3,-6,-9
IR_IN
-4,-5,-6
+7,+8,+9
CONSIGNAS: VR_OUT, IR_IN
+3,+6,+9
abb:+1
a
b
c
VR_OUT
-1,-2,-3
⎞
⎟
⎟
⎠
⎞ 2
⎟=
• v ab ∠ + 30º
⎟
3
⎠
Output Voltage
APLICACIONES
2π
4π
r
J
J
2 ⎛⎜
I in = ⎜ i a + ib • e 3 + i c • e 3
3⎝
+1,+4,+7
ABC
a b b
-2,-5,-8
15
CONVERTIDOR MATRICIAL
SPACE VECTOR MODULATION (3)
⎡Va ⎤
⎡V A ⎤
⎢V ⎥ = (d [M ] + d [M ] + d [M ] + d [M ] ) • ⎢V ⎥
Ι
ΙΙ
ΙΙΙ
ΙV
Ι
ΙΙ
ΙΙΙ
ΙV
⎢ b⎥
⎢ B⎥
⎢⎣Vc ⎥⎦
⎢⎣VC ⎥⎦
SÍNTESIS DE LOS VECTORES DE REFERENCIA
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
Output Voltage
SEMICONDUCTORES
-7
VR_OUT
v ΙΙ
+1
Input Current
CONTROL DE LOS DUTY CYCLES:
-3
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
vΙ
iΙΙ
-7
+9
APLICACIONES
d+1, d-3, d+9, d-7
IR_IN
COMBINACIÓN PARA CADA SECTOR
iΙ
+1
-3
+9
v out cos(β i + 60) • cos(α o − 60)
dΙ =
•
•
v
cos ϕ i
3
in
2
d ΙΙΙ =
αo
βi
2
3
•
v out cos(β i + 60) • cos(α o + 60)
•
vin
cos ϕ i
Ángulo VR_OUT con la bisectriz de su sector
Ángulo IR_IN con la bisectriz de su sector
ϕi
d ΙΙ =
2
d ΙV =
2
3
3
•
v out cos(β i − 60) • cos(α o − 60)
•
vin
cos ϕ i
•
v out cos(β i − 60) • cos(α o + 60)
•
vin
cos ϕ i
Desfase entre IR_IN y tensión de fase de entrada
β i = ω i • t − ϕ i − 30º
16
SPACE VECTOR MODULATION (y 4) CONVERTIDOR MATRICIAL
SÍNTESIS: SECUENCIA DE LOS VECTORES A APLICAR
Sector 1
Sector 2
Sector 3
Sector 1
aba
aca
acc
abb
aca
bcb
bcc
acc
bcb
bab
baa
bcc
Sector 2
abb
acc
aac
aab
acc
bcc
bbc
aac
bcc
baa
bba
bbc
Sector 3
aab
aac
cac
bab
aac
bbc
cbc
cac
bbc
bba
aba
cbc
Sector 4
bab
cac
caa
baa
cac
cbc
cbb
caa
cbc
aba
abb
cbb
Sector 5
baa
caa
cca
bba
caa
cbb
ccb
cca
cbb
abb
aab
ccb
Sector 6
bba
cca
aca
aba
cca
ccb
bcb
aca
ccb
aab
bab
bcb
Sector 4
Sector 5
Sector 6
Sector 1
bab
cac
caa
baa
cac
cbc
cbb
caa
cbc
aba
abb
cbb
Sector 2
baa
caa
cca
bba
caa
cbb
ccb
cca
cbb
abb
aab
ccb
Sector 3
bba
cca
aca
aba
cca
ccb
bcb
aca
ccb
aab
bab
bcb
Sector 4
aba
aca
acc
abb
aca
bcb
bcc
acc
bcb
bab
baa
bcc
Sector 5
abb
acc
aac
aab
acc
bcc
bbc
aac
bcc
baa
baa
bbc
Sector 6
aab
aac
cac
bab
aac
bbc
cbc
caa
bbc
baa
aba
17cbc
APLICACIONES (1)
CONVERTIDOR MATRICIAL
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
APLICACIONES
EUPEC: 7.5 kW Matrix Module (EconoMac)
18
CONVERTIDOR MATRICIAL
APLICACIONES (y 2)
CARACTERÍSTICAS
ARQUITECTURA
SEMICONDUCTORES
CONMUTACIÓN y
MODULACIÓN
APLICACIONES
4 KW Matrix Converter / Induction motor
YASKAWA Matrix Converter
Año 2006
Matrix Converter / Wind Turbine
19
CONVERTIDOR MATRICIAL
FIN DE LA PRESENTACION
20