Modulation and control of three-phase PWM multilevel converters

La present tesi doctoral estudia els inversors trifàsics multinivell del tipus denominat de díodes de fixació (diode-clamped converters). Aquests convertidors poden generar tres o més nivells de tensió a cada fase de sortida, i normalment s'apliquen a sistemes de gran potència ja que poden treballar amb tensions majors que els inversors clàssics. L'anàlisi es centra fonamentalment en la topologia de tres nivells, tot i que també es realitzen contribucions per a convertidors de més nivells. Els principals objectius són la proposta de nous algorismes de modulació vectorial PWM de processat ràpid, l'estudi i la compensació dels efectes dels desequilibris de les tensions dels condensadors del bus de continua, i l'anàlisi de llaços de control avançat.S'han desenvolupat diversos models que han permès obtenir resultats de simulació de les tècniques de modulació i control proposades. A més, gràcies a l'estada d'un any de l'autor al Center for Power Electronics Systems (CPES) a Virginia Tech, USA, la tesi també inclou resultats experimentals que consoliden les conclusions i metodologies presentades. Les principals contribucions es resumeixen a continuació. Es presenta un nou algorisme de modulació vectorial PWM que aprofita simetries del diagrama vectorial per a reduir el temps de processat. S'analitzen i es quantifiquen les oscil·lacions de tensió de baixa freqüència que apareixen en el punt central dels condensadors del convertidor de tres nivells. Aquesta informació permet dimensionar els condensadors donades les especificacions d'una determinada aplicació.L'algorisme de modulació també s'aplica a convertidors de més nivells. Pel cas concret del convertidor de quatre nivells, es comprova l'existència de corrents continus en els punts mitjos dels condensadors que fan que els sistema sigui inestable. Es determinen gràficament les zones d'inestabilitat. Es presenta un nou i eficient algorisme de modulació vectorial feedforward en el convertidor de tres nivells que és capaç de generar tensions trifàsiques de sortida equilibrades, malgrat l'existència de desequilibris en les tensions dels condensadors.S'estudien els efectes negatius de càrregues lineals desequilibrades i càrregues no lineals en el control de les tensions dels condensadors. Es justifica que l'existència d'un quart harmònic en els corrents de càrrega pot inestabilitzar el sistema. És determina la màxima amplitud tolerable d'aquest harmònic.S'estudia la millora en l'equilibrat de les tensions d'una connexió de dos convertidors de tres nivells al mateix bus de continua (back-to-back connection). Un exemple d'aplicació pràctica és la conversió AC/DC/AC per a l'accionament de motors d'alterna treballant amb factor de potència unitari.Finalment s'aplica un controlador òptim al convertidor de tres nivells treballant com a rectificador elevador (boost). El llaç de control LQR (Linear Quadratic Regulator) es simplifica donat que la tasca d'equilibrat de les tensions dels condensadors es dur a terme en el mateix modulador

Hitzaurrea

Definizioz, potentzia-elektronika, energia elektrikoaren forma eta fluxua era kontrolatuan bihurtzea ahalbideratzen duen teknologia da. Horrela, korronte jarraitua alternora bihur daiteke eta alderantziz, baita korronte- eta tentsio-mailak aldatu ere. Gaur egun, potentzia-elektronika, berebiziko garrantzia duten hainbat sektoreen garapenerako berebiziko diziplina da, hala nola energia berriztagarrietarako, garraioaren elektrifikaziorako, energia elektrikoaren transmisio eta distribuziorako, potentziaren kalitaterako eta energiaren metaketarako, besteak beste. Gizarte modernoetan potentzia- elektronikak duen garrantzia hain da handia, herrialde bakoitzak erabiltzen duen potentzia-elektronika sistemen kopuruaren arabera defini daitekeela herrialde baten garapen-maila..

Evaluation of DC-link decoupling using electrolytic or polypropylene film capacitors in three-phase grid-connected photovoltaic inverters

The life expectancy and long term reliability of grid-connected three-phase photovoltaic (PV) inverters can be increased by replacing the conventional electrolytic film capacitors by metallized polypropylene film capacitors. This paper presents a detailed evaluation of a three-phase grid-connected PV inverter performance when replacing the electrolytic capacitor with a minimum value of metallized polypropylene film capacitor-one. The minimum dc bus capacitance leads to larger voltage ripples. However, such ripples were found to be within acceptable limits to run the inverter satisfactorily. Simulation results are presented for a 15-kW grid-connected inverter at nominal voltage of 700V dc and experimental results are provided for a 3.0-kW system at a nominal voltage of 400V dc, built in the laboratory.Peer ReviewedPostprint (published version

Prototipus per al disseny ràpid de separadors continus per adsorció o partició

S'han creat les eines necessàries per a estudiar la viabilitat de dur a terme la separació de mescles de dos i tres components basats en un mètode de separació en continu tipus SMB. Amb aquesta finalitat, s'ha creat un sistema per al disseny ràpid i econòmic de separadors SMB que permet simular el comportament d'una columna qualsevol integrada en un sistema SMB. Aquest sistema, està constituït per una sola columna cromatogràfica que pot treballar en qualsevol de les quatre zones en què es pot dividir un SMB.El sistema de control de l'instrument permet simular cicles complets de separadors SMB. A més, el programa també permet treballar amb separacions formalment binàries o ternàries, en conformacions de SMB de 4, 6 i 8 columnes i combinació d'elles agrupades en 4 zones de treball. El sistema també integra un programa de simulació numèrica i optimització de separadors SMB. La combinació del programa i el sistema de disseny de SMB permet establir la variació de la concentració de cada substància amb el temps podent així determinar: el nombre de columnes per zona, el temps de canvi de cada columna, el cabal d'operació a cada zona i la concentració de cada substància per cada sortida de l'SMB.Per tal de verificar el correcte funcionament de l'equip complet s'ha dut a terme la separació de dos components, fenol i triclorofenol, determinant-ne les condicions òptimes de separació. Tot i que la retenció entre aquestes dues substàncies és molt similar, el prototipus ha permès estudiar el comportament de la unitat SMB complerta. També s'ha estudiat la separació del p-aminofenol i l'o-aminofenol com a part integrant del procés de fabricació del paracetamol i se n'han trobat les condicions òptimes d'operació. En treballar amb aquest procés s'ha buscat la màxima puresa del p-aminofenol en detriment de la puresa de l'o-aminofenol aconseguint una puresa de p-aminofenol a la sortida refinat del 97%. Finalment, i des del punt de vista del canvi d'escala, s'han determinat els valors de la longitud no utilitzada de rebliment i del coeficient global de transferència de matèria per tal de poder extrapolar els resultats del prototipus a escala industrial.Se han creado las herramientas necesarias para estudiar la viabilidad de desarrollar separaciones de mezclas de 2 y 3 componentes basados en un método de separación en continuo tipo SMB. Con esta finalidad se ha creado un sistema para el diseño rápido y económico de separadores SMB que permite simular el comportamiento de una columna cualquiera integrada en un sistema SMB. Este sistema está constituido por una única columna cromatográfica que puede trabajar en cualquiera de las cuatro zonas en que se puede dividir un SMB.El sistema de control del instrumento permite simular ciclos completos de separadores SMB. Además, el programa también permite trabajar con separaciones formalmente binarias o ternarias, en conformaciones de SMB de 4, 6 y 8 columnas y combinación de ellas agrupadas en 4 zonas de trabajo. El sistema también integra un programa de simulación numérica y optimización de separadores SMB. La combinación del programa y el sistema de diseño de SMB permite establecer la variación de la concentración de cada sustancia con el tiempo pudiendo así determinar: el número de columnas por zona, el tiempo de cambio de cada columna, el caudal de operación en cada zona y la concentración de cada sustancia por cada salida del SMB. Para verificar el correcto funcionamiento del equipo completo se ha separado una mezcla de dos compuestos, fenol y triclorofenol, determinando las condiciones óptimas de separación. Aunque la retención entre estas dos sustancias es muy similar, el prototipo ha permitido estudiar el comportamiento de la unidad SMB completa. También se ha estudiado la separación del p-aminofenol y el o-aminofenol como parte integrante del proceso de fabricación del paracetamol y se han determinado las condiciones óptimas de operación. Al trabajar con este proceso se ha buscado la máxima pureza del p-aminofenol con menoscabo de la pureza del o-aminofenol consiguiendo una pureza de p-aminofenol a la salida de refinado del 97%. Finalmente se han determinado los valores de la longitud de lecho no utilizada y del coeficiente global de transferencia de materia para extrapolar los resultados del prototipo a escala industrial.The necessary tools to study the viability of developing separations of mixtures of 2 and 3 components using a continuous method like the SMB have been developed. A fast and non-expensive system to design such separations has been developed. This system can simulate the behaviour of a single column integrated in the SMB. This system is composed by a single column capable to work in every one of the four zones into which an SMB can be divided. The control system gives the possibility of simulate complete cycles of an SMB separator. In addition the program also can work with binary or ternary separations, in SMB conformations of 4, 6 and 8 columns and its combinations grouped together in 4 working zones. The system also integrates a numerical simulation and optimization program of SMB separators. The combination of program and SMB design system establishes the concentration of each substance within the time. It gives the following parameters: the number of columns per zone, the column switch time, the flow in each zone and the concentration at the SMB outlet. In order to check the correct operation of the whole unit the separation of phenol and trichlorophenol have been done determining the best operation conditions. However the retention of this substances is very similar, the prototype has studied the complete separation. It also has been studied the separation of p-aminophenol and o-aminophenol as a part of the sysntesis process os paracetamole and the best separation condition have been stablished. While working with this process the maximum purity of p-aminophenol has been searched. The purity of p-aminophenol at the raffinate outlet is about 97%. Finally the values of unused bed lenght and overall mass transfer coefficient have been calculated to extrapolate the results to the industrial scale

The Creation of an Experimental Camp of Protohistory at the Iberian Settlement of Estinclells (Verdú, Urgell, Catalonia)

The site of Estinclells is an Iberian Culture settlement in the Municipality of Verdú, Urgell (Catalonia) dating from thethird century BC (See Figures 1 and 2). Archaeological work was carried out between 2002 and 2014 under the auspices of the Regional Museum of Urgell (Museu Comarcal de l’Urgell) and the Archaeology Section of the Centre d’Estudis Lacetans in the framework of the research project entitled, "Economy and Evolution of the Iberian population in the Corb, Ondara and Sió River Valleys: Excavation of the Iberian Settlement of Estinclells, Verdú

Voltage balancing method for a seven-level stacked multicell converter using minimum-switching transitions

This paper presents a voltage balancing method for stacked multicell converters based on phase disposition pulse-width modulation. This method is based on minimizing a cost function to determine the optimum redundant state for capacitor voltage balance for each particular voltage level. The robustness of the proposed voltage balancing method is verified against static and dynamic unbalanced load conditions. Furthermore, a significant reduction in the switching frequencies of the power devices is achieved by using sawtooth carriers instead of standard triangular carriers without affecting the voltage balancing capability.Peer ReviewedPostprint (published version

Optimum state voltage balancing method for stacked multicell converters

This paper presents a voltage balancing method for stacked multicell converters based on phase disposition pulse-width modulation. This method is based on minimizing a cost function to determine the optimum redundant state for capacitor voltage balance for each particular voltage level. The robustness of the proposed voltage balancing method is verified against static and dynamic unbalanced load conditions. Furthermore, a significant reduction in the switching frequencies of the power devices is achieved by using sawtooth carriers instead of standard triangular carriers without affecting the voltage balancing capability.Peer ReviewedPostprint (published version

Single-carrier phase-disposition PWM techniques for multiple interleaved voltage-source converter legs

Interleaved converter legs are typically modulated with individual carriers per leg and phase-shifted PWM (PS-PWM) as it facilitates current balancing amongst the legs. Phase-disposition PWM (PD-PWM), despite the better harmonic performance, cannot be directly used due to the resulting current imbalance that may damage the converter. This paper addresses the current sharing issue and proposes a single-carrier PD-PWM technique for multiple leg two-level converters based on a hierarchy scheme derived from current sorting algorithms. An extension of the proposed algorithm through a switching state feedback loop, limiting the average switching frequency, is also developed. In both cases, the load current is shared amongst the legs and the high-quality of the output voltages and currents is maintained while the circulating currents amongst the converter legs are kept to a minimum. Simulation results demonstrate the method for multiple interleaved legs as well as its current sharing capabilities for high-power applications. Experimental results from a low-power laboratory prototype validate the operation of the proposed approach.Peer ReviewedPostprint (published version