Modulation and control of three-phase PWM multilevel converters

La present tesi doctoral estudia els inversors trifasics multinivell del tipus denominat de diodes de fixacio (diode-clamped converters). Aquests convertidors poden generar tres o mes nivells de tensio a cada fase de sortida, i normalment s'apliquen a sistemes de gran potencia ja que poden treballar amb tensions majors que els inversors classics. L'analisi es centra fonamentalment en la topologia de tres nivells, tot i que tambe es realitzen contribucions per a convertidors de mes nivells. Els principals objectius son la proposta de nous algorismes de modulacio vectorial PWM de processat rapid, l'estudi i la compensacio dels efectes dels desequilibris de les tensions dels condensadors del bus de continua, i l'analisi de llacos de control avancat. S'han desenvolupat diversos models que han permes obtenir resultats de simulacio de les tecniques de modulacio i control proposades. A mes, gracies a l'estada d'un any de l'autor al Center for Power Electronics Systems (CPES) a Virginia Tech, USA, la tesi tambe inclou resultats experimentals que consoliden les conclusions i metodologies presentades. Les principals contribucions es resumeixen a continuacio. Es presenta un nou algorisme de modulacio vectorial PWM que aprofita simetries del diagrama vectorial per a reduir el temps de processat. S'analitzen i es quantifiquen les oscil·lacions de tensio de baixa frequencia que apareixen en el punt central dels condensadors del convertidor de tres nivells. Aquesta informacio permet dimensionar els condensadors donades les especificacions d'una determinada aplicacio. L'algorisme de modulacio tambe s'aplica a convertidors de mes nivells. Pel cas concret del convertidor de quatre nivells, es comprova l'existencia de corrents continus en els punts mitjos dels condensadors que fan que els sistema sigui inestable. Es determinen graficament les zones d'inestabilitat. Es presenta un nou i eficient algorisme de modulacio vectorial feedforward en el convertidor de tres nivells que es capac de generar tensions trifasiques de sortida equilibrades, malgrat l'existencia de desequilibris en les tensions dels condensadors. S'estudien els efectes negatius de carregues lineals desequilibrades i carregues no lineals en el control de les tensions dels condensadors. Es justifica que l'existencia d'un quart harmonic en els corrents de carrega pot inestabilitzar el sistema. Es determina la maxima amplitud tolerable d'aquest harmonic. S'estudia la millora en l'equilibrat de les tensions d'una connexio de dos convertidors de tres nivells al mateix bus de continua (back-to-back connection). Un exemple d'aplicacio practica es la conversio AC/DC/AC per a l'accionament de motors d'alterna treballant amb factor de potencia unitari. Finalment s'aplica un controlador optim al convertidor de tres nivells treballant com a rectificador elevador (boost). El llac 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.