Atenuación de interferencia electromagnética de modo común para transformadores de estado sólido
Este artículo aborda esta brecha presentando una revisión exhaustiva de los MLCs (Multilevel Converters) de enlace DC comunes, cubriendo su evolución topológica, características, comparación de topologías, técnicas de modulación, estrategias de control y áreas de aplicación industrial. Además, se discuten perspectivas futuras y recomendaciones para proporcionar a investigadores e ingenieros una mejor comprensión de las aplicaciones potenciales y ventajas de estos convertidores.
1.Introducción.
Considerando las principales etapas evolutivas de los MLCs, las topologías existentes de MLCs pueden categorizarse en algunas familias, como se muestra en la siguiente figura. La primera familia incluye topologías basadas en CHB (Cascaded H-Bridge) y ha sido. Estos convertidores presentan alta modularidad y un número óptimo de interruptores de potencia para niveles de salida [31]. Sin embargo, se requieren múltiples fuentes DC aisladas, lo que implica el uso de transformadores de aislamiento voluminosos o limita su empleabilidad a aplicaciones que tienen varias fuentes DC aisladas. Además, la distribución desigual de potencia entre las celdas de potencia en cascada es uno de los desafíos comunes en esta familia. La segunda familia incluye topologías basadas en NPC (Neutral Point Clamped) como los convertidores 3L-NPC y 3L-T2C. Estos convertidores se caracterizan por circuitos de potencia robustos y protección sencilla. Sin embargo, el equilibrio del enlace DC es un requisito esencial en el diseño de control de estas topologías. Las topologías basadas en FC (Flying Capacitor) utilizan capacitores como componentes de clavija para aumentar el número de niveles, formando una familia de MLCs caracterizada por alta flexibilidad, altas redundancias y operación tolerante a fallos. Los MLCs híbridos se forman por células básicas de las topologías convencionales y, por lo tanto, combinan varias ventajas de los MLCs clásicos con la capacidad de producir un alto número de niveles. Las topologías MMC (Modular Multilevel Converters) constituyen una familia de MLCs que representa un avance para aplicaciones de alta tensión debido a su alta eficiencia y alta modularidad.
2. Topologías Comunes de Enlace DC.
La estructura de tres niveles ANPC (Active Neutral Point Clamped) ha podido abordar el problema de la distribución de pérdidas de potencia mediante el uso de dos técnicas de modulación diferentes llamadas patrones de modulación I y II. En las cuales, los dos diodos de clavija se reemplazan con dos interruptores activos para controlar la dirección del flujo de corriente en los estados cero. El patrón de modulación I hace que la mayoría de las pérdidas de conmutación ocurran en los interruptores externos de cada pierna, mientras que el patrón II traslada las pérdidas de conmutación a los interruptores internos. La categoría FC incluye las topologías que emplean FC sin un punto neutro clavijado y, en consecuencia, no traen el problema de equilibrar el enlace DC. En estas topologías, los FC se utilizan para reemplazar las fuentes DC mientras generan niveles de voltaje. En general, gracias a la modularidad, esta familia tiene la capacidad de generar niveles relativamente más altos en comparación con la familia NPC. Además, la flexibilidad, la operación tolerante a fallos y la distribución mejorada de pérdidas entre interruptores son características prominentes de estas topologías. Los convertidores multíniveles híbridos (HMLCs) combinan múltiples topologías fundamentales para aprovechar sus respectivas ventajas, superando algunas de sus limitaciones. Predominantemente, las topologías híbridas pueden mejorar las capacidades de equilibrio de voltaje tanto para el enlace DC como para los FC y la distribución de pérdidas de potencia entre interruptores, mientras reducen el número de componentes activos y pasivos requeridos en comparación con las topologías NPC y FC.
3. Modulación y Control.
Una clasificación de las principales técnicas de control para convertidores multíniveles se muestra en la imagen a continuación. Al igual que con el convertidor de dos niveles, la estructura de control en cascada generalmente consta de etapas de control externas e internas, además del bloque de modulador. Aunque los bucles interno y externo son similares en los convertidores de dos niveles y multíniveles, la etapa de modulador, que es principalmente necesaria para las técnicas de control escalar y orientado al campo (FOC), necesita adaptarse a medida que aumenta el número de niveles. En esta sección, primero se presenta una revisión de los moduladores más populares, así como avanzados. También se investigarán en mayor detalle las técnicas de control que no requieren un modulador separado.
4. Aplicaciones Industriales.
Históricamente, los inversores CHB se caracterizan por su modularidad, tolerancia a fallos y capacidad para generar un alto número de niveles de voltaje mediante la cascada de celdas. Sin embargo, el requisito de múltiples fuentes DC aisladas (rectificador + transformador desde el punto de vista de la industria) limita su aplicabilidad para una amplia gama de potencias. De hecho, los inversores CHB se utilizan principalmente en aplicaciones de alta potencia (que van desde cientos de kilovatios hasta megavatios) donde no hay componentes disponibles para dichas potencias. Por otro lado, las topologías comunes de enlace DC se caracterizan por el uso de una única fuente DC, lo que las hace una buena alternativa en diversas aplicaciones, como sistemas industriales trifásicos. De hecho, pueden emplearse en muchas configuraciones, como 3-Leg 3-Wire, 3-Leg 4-Wire y 4-Leg 4-Wire en accionamientos de motores, inversores fotovoltaicos, cargadores DC rápidos, etc.
Fuente: IEEE Xplore
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