Estudio e implementación de nuevas técnicas de modulación para la reducción de perturbaciones EMI en convertidores matriciales

Abstract

El procesamiento de la energía mediante convertidores electrónicos conmutados ha tomado una relevancia notable durante la última década, y presumiblemente será uno de los campos de la ingeniería con mayor proyección industrial en el futuro. La evolución continua en el campo de la electrónica de potencia ha hecho posible la fabricación de convertidores conmutados cada vez más compactos, capaces de manejar valores de tensión y corriente mayores, conmutando a frecuencias más elevadas. Estas mejoras provocan, a su vez, la generación de perturbaciones electromagnéticas (EMI) fuera del rango permitido por la legislación vigente. Por otro lado, el diseño convertidores con nuevas topologías y una legislación cada vez más restrictiva en cuanto a emisiones EMI se refiere, hace imprescindible la elaboración de nuevas herramientas capaces de analizar los efectos que de las EMI generadas se puedan derivar. Uno de los convertidores de potencia emergentes y que actualmente está adquiriendo especial relevancia es el Convertidor Matricial (MC). El auge del interés por esta topología durante los últimos años ha sido motivado gracias a prestaciones como la conversión directa AC/AC, su gran densidad de potencia y la ausencia de grandes componentes reactivos para el almacenaje de energía. El trabajo que se presenta en este documento trata de dar cobertura al estudio y la reducción de las EMI generadas por los MC. Esta tesis doctoral se ha dividido en dos líneas de investigación: Estudio de las perturbaciones EMI producidas por los MC y prevención de efectos adversos producidos por dichas EMI. La primera línea de investigación ha tenido como objetivo principal el estudio de las EMIs generadas por los MC de topología directa. En dicho estudio se ha desarrollado un modelo EMI para poder predecir las perturbaciones conducidas generadas por dichos convertidores. Uno de los objetivos principales de dicho modelo es proporcionar aproximaciones suficientemente válidas en un tiempo reducido. La estrategia utilizada ha sido el cálculo de las perturbaciones conducidas clasificando estas en modo común (CM) y modo diferencial (DM). El método utilizado se basa en la extracción de circuitos de impedancias equivalentes que proporcionen una representación fidedigna de la generación y propagación de las perturbaciones sin necesidad de complejos sistemas de cálculo. La segunda línea de investigación ha tenido como objetivo reducir el número de descargas eléctricas que se producen en los cojinetes del motor, las cuales son una de las causas principales de la reducción de su vida útil. Estas descargas son debidas a los niveles de la tensión en modo común (CMV) y sus rápidas variaciones en el tiempo (dv/dt). Para reducir los niveles de la CMV se ha desarrollado una modulación basada en la tradicional Space Vector Modulation (SVM) donde se remplazan los vectores cero, utilizados convencionalmente, por vectores rotativos. Este intercambio de vectores ha demostrado que permite reducir de manera significativa la amplitud del CMV y con ello reducir la probabilidad en la aparición de descargas eléctricas en los cojinetes. Además, en el estudio se analiza la utilización de vectores activos de diferentes amplitudes con el objetivo de mejorar la modulación presentada cuando se utilizan índices de modulación pequeños.

The energy processing using power converters has taken a remarkable importance in the last decade, and in the future it might become one of the engineering fields with greater projection.

The continuous evolution in the field of power electronics has made possible to manufacture more compact switched converters, capable of managing higher voltage and currents levels switching at higher frequency. These improvements, however, lead to the generation of electromagnetic perturbations (EMI) which fail the electromagnetic regulations.

On the other hand, the converter design using new layout topologies and a regulation law that is becoming more restrictive about EMI emissions makes essential to develop new tools capable to analyze the effects of the EMI generated.

One of the emerging power converters which is currently acquiring special relevance is the matrix converter (MC). The rise of interest on this topology in recent years has been determined by different aspects, such as direct AC/AC conversion, its high power density and the absence of large reactive components for energy storage. The work presented in this document tries to cover the study and the reduction of EMI generated by the MC.

This Phd thesis has divided in two research lines: The study of the EMI produced by MC and the prevention of the adverse effects produced by EMI.

The first research line has mainly focused on the study of EMI generated by MC of direct topology. In this study, a model to predict the conducted EMI has been developed. One of the main objectives of this model is to deliver good approximation results in short time. The strategy used has been the conducted perturbation calculation using the classification of the EMI as common mode (CM) and differential mode (DM). The method used is based on extraction of the equivalent impedance circuit. This equivalent circuit provides a true representation of the generation and propagation of EMI without the need of complex mathematical methods.

The second research line has mainly focused on the reduction of electric discharges which is produced inside of the motor bearings, which are the main cause of motor life time reduction. These electrical discharges are produced by the common mode voltage (CMV) levels and its fast time transitions (dv/dt). In order to reduce those levels, a new modulation based on the traditional Space Vector modulation (SVM) has been developed replacing the zero vectors, normally used, for the rotating ones. This vector exchange has shown a significant reduction of the CMV amplitude, and therefore the probability of electrical discharge appearing inside the motor drops considerably. Furthermore, the study analyzes the use of the active vectors with smaller amplitude to improve the modulation when small modulation index is used.