Convertidor de matriz dispersa

El convertidor de matriz dispersa es un convertidor de CA / CA que ofrece un número reducido de componentes, un esquema de modulación de baja complejidad y un bajo esfuerzo de realización. ^{[1] [2] [3] [4]} Inventado en 2001 por el profesor Johann W. Kolar ^[5] , los convertidores matriciales dispersos evitan el procedimiento de conmutación de varios pasos del convertidor matricial convencional, mejorando la fiabilidad del sistema en operaciones industriales. Su principal aplicación es en variadores de frecuencia integrados altamente compactos.

Características ^[6]

• Conversión cuasi-directa CA-CA sin elementos de almacenamiento de energía de enlace CC
• Corriente de entrada sinusoidal en fase con tensión de red
• Esquema de conmutación de corriente de enlace de CC cero que da como resultado una menor complejidad de modulación y una fiabilidad muy alta
• Baja complejidad de circuitos de potencia / módulos de potencia disponibles
• El convertidor de matriz ultra-disperso, muestra un esfuerzo de realización muy bajo, en caso de que se pueda aceptar un flujo de potencia unidireccional (desplazamiento admisible de 30 ° la fundamental de la corriente de entrada y la tensión de entrada, así como la fundamental de la tensión de salida y la corriente de salida), en consecuencia, una posible área de aplicación serían los accionamientos PSM de velocidad variable de baja dinámica.

Topologías

Convertidor de matrices

El convertidor de matriz es un dispositivo que convierte el suministro de entrada de CA en el suministro de CA variable requerido como salida sin ningún proceso de conversión intermedio, mientras que en el caso del inversor que convierte CA - CC - CA que toma más componentes adicionales como rectificadores de diodos, filtros, circuito de carga pero no son necesarios en el caso de convertidores matriciales.

Convertidor de matriz dispersa

Las características de la topología del convertidor de matriz dispersa son 15 transistores, 18 diodos y 7 potenciales de controlador aislados. En comparación con el convertidor de matriz directa, esta topología proporciona una funcionalidad idéntica, pero con un número reducido de interruptores de potencia y la opción de emplear un esquema mejorado de conmutación de corriente de enlace de CC cero, que proporciona una menor complejidad de control y una mayor seguridad y fiabilidad.

Convertidor de matrices muy disperso

Fig 2: Topología de la matriz muy escasa.

Las características de la topología del convertidor de matriz muy dispersa son 12 transistores, 30 diodos y 10 potenciales de controlador aislados. No hay limitaciones en la funcionalidad en comparación con Direct Matrix Converter y Sparse Matrix Converter. En comparación con el convertidor de matriz dispersa, hay menos transistores pero mayores pérdidas de conducción debido al mayor número de diodos en las rutas de conducción.

Convertidor de matriz ultra dispersa

Fig 3: Topología de la matriz ultraescapada.

Las características de la topología del convertidor de matriz ultra dispersa son 9 transistores, 18 diodos y 7 potenciales de controlador aislados. La limitación significativa de esta topología de convertidor en comparación con el convertidor de matriz dispersa es la restricción de su desplazamiento de fase máximo entre el voltaje de entrada y la corriente de entrada, que está restringido a ± 30 °.

Conmutación de varios pasos

Fig 4: Conmutación de varios pasos de la etapa de entrada del rectificador del convertidor de matriz dispersa.

Este es un esquema de conmutación, representado en la Fig. 4. Para un estado de conmutación dado de la etapa de entrada del rectificador, la conmutación de la etapa de salida del inversor debe realizarse de manera idéntica a la conmutación de un convertidor de enlace de CC de voltaje convencional. La estructura básica de las patas del puente de conmutación del convertidor de matriz dispersa se muestra en la figura 4 (a). La secuencia de conmutación para cambiar la conexión del bus de voltaje del enlace de CC positivo p de la entrada a a la entrada b se muestra en la Fig. 4 (b) y la Fig. 4 (c). En la Fig. 4 (b), el supuesto es una conmutación independiente de la corriente con uab> 0. En la Fig. 4 (c), el supuesto es una conmutación independiente del voltaje con i> 0.

Se debe implementar un tiempo muerto entre el apagado y el encendido de los transistores de potencia de una rama del puente para evitar un cortocircuito de la tensión del enlace de CC. Para cambiar el estado de conmutación de la etapa de entrada del rectificador del convertidor de matriz dispersa para un estado de conmutación determinado del inversor, es necesario asegurarse de que no haya una conexión bidireccional entre dos líneas de entrada. Esto garantiza que no pueda producirse ningún cortocircuito de una tensión de entrada entre líneas. Además, se debe proporcionar continuamente una ruta de corriente. Por lo tanto, se pueden emplear esquemas de conmutación de varios pasos, utilizando conmutación independiente de voltaje e independiente de corriente como se conoce para el Conversor de Matriz Directa Convencional ^[7] .

Conmutación de corriente de enlace de CC cero

Fig. 5: Conmutación de corriente de enlace de CC cero que se muestra para el convertidor de matriz dispersa.

El inconveniente de la conmutación de varios pasos descrita anteriormente es su complejidad. Los convertidores de matriz indirectos como el convertidor de matriz dispersa proporcionan un grado de libertad de control que no está disponible para el convertidor de matriz directo convencional. Esto se puede utilizar para simplificar el complejo problema de la conmutación. Se ha propuesto ^[8] cambiar la etapa del inversor a un estado de rueda libre y luego conmutar la etapa del rectificador con una corriente de enlace de CC cero. Esto se muestra en la Fig.5.

La figura 5 (a) muestra el control de los transistores de potencia en una rama del puente del convertidor de matriz dispersa. La figura 5 (b) muestra la secuencia de estados de conmutación donde s0; s7 = 1 indica el funcionamiento en rueda libre de la etapa del inversor. Además, se muestra la corriente i del enlace de CC.

El esquema de conmutación de corriente de enlace de CC cero ofrece el beneficio adicional de una reducción en las pérdidas de conmutación de la etapa de entrada. Uno solo tiene que asegurarse de que no se superpongan los intervalos de encendido de los transistores de potencia en una mitad del puente, ya que esto daría lugar a un cortocircuito de un voltaje de entrada de línea a línea.

Fig 6: Voltajes y corrientes característicos y estados de conmutación del convertidor de matriz dispersa durante el período de conmutación.

La figura 6 muestra la formación de la tensión del enlace de CC u y la corriente del enlace de CC i dentro de un período de conmutación. Además, muestra como ejemplo las funciones de conmutación del rectificador y la etapa del inversor en intervalo y en intervalo . La conmutación de la etapa de entrada se produce con una corriente de enlace de CC cero. La corriente del enlace de CC tiene un valor promedio constante dentro de y . Las funciones de estado de conmutación se dan como , y . Se ignora la ondulación de la frecuencia de conmutación de y .${\displaystyle \phi _{1}}$${\displaystyle (0...\pi /6)}$${\displaystyle \phi _{2}}$${\displaystyle (0...\pi /6)}$${\displaystyle {\bar {i}}}$${\displaystyle \tau _{ac}}$${\displaystyle \tau _{ab}}$${\displaystyle s_{A},s_{B}}$${\displaystyle s_{C}}$${\displaystyle u_{ac},u_{ab},i_{A}}$${\displaystyle i_{C}}$

Referencias

1. JW Kolar, M. Baumann, F. Stögerer, F. Schafmeister, H. Ertl, "Nuevo convertidor trifásico de matriz dispersa AC-DC-AC, Parte I - Derivación, Principio básico de funcionamiento, Modulación del vector espacial, Dimensionamiento, Parte II - Análisis experimental del conversor de matrices muy dispersas ”, en Actas del 17º IEEE APEC'02, Dallas, EE. UU., Vol. 2, págs. 777 - 791, 10 al 14 de marzo de 2002.
2. L. Wei, TA Lipo, H. Chan, "Topologías de convertidor de matriz con número reducido de conmutadores", en Actas de VPEC'02, Blacksburg, EE. UU., Págs. 125 - 130, 14 - 18 de abril de 2002.
3. F. Schafmeister, "Sparse und Indirekte Matrix Konverter", tesis doctoral No. 17428, ETH Zürich, Suiza, 2007.
4. JW Kolar, F. Schafmeister, SD Round y H. Ertl, "Nuevos convertidores de matriz dispersa AC-AC trifásicos", Transactions Power Electronics, vol. 22, núm. 5, págs. 1649-1661, 2007.
5. JW Kolar, „Vorrichtung Zur Quasi-Direkten Pulsbreitengesteuerten Energieumformung Zwischen Dreiphasennetzen“, 27 de julio de 2001, solicitud de patente austriaca (en alemán), presentada
6. Java-Animación de la funcionalidad del convertidor de matriz dispersa, iPES (Seminario interactivo de electrónica de potencia) en www.ipes.ethz.ch
7. P. Wheeler, J. Rodríguez, J. Clare, L. Empringham, A. Weinstein, "Convertidores de matriz: una revisión de tecnología", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, núm. 2, págs. 276–288, abril de 2002.
8. J. Holtz, U. Boelkens, "Convertidor de frecuencia directo con corrientes de línea sinusoidales para motores de CA de velocidad variable", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 36, núm. 4, págs. 475 - 478, noviembre de 1989.