Analysis of a cascaded multilevel inverter with fault-tolerant control

Análisis de un inversor multinivel en cascada con tolerancia a fallas

Los inversores multinivel en cascada son ampliamente utilizados en la industria para el control de la velocidad en motores y aun cuando los inversores son muy confiables en su operación, diversas fallas en ellos pueden ocurrir, llegando a degradar el comportamiento de los motores o incluso producirse el paro total del sistema. Cuando una falla se presenta es deseable mantener en operación el sistema aun en régimen degradado y la implementación de sistemas tolerantes a fallas en ese tipo de dispositivos son una buena opción. En este trabajo se ofrece una estrategia generalizada relativa a tolerar fallas en los dispositivos semiconductores de un inversor multinivel en cascada de siete niveles y se incluyen los resultados en simulación y experimentales para la validación del método.

Introducción

En aplicaciones de mediano voltaje (2,3 kV a 13,8 kV) y alta potencia (0,4 MW a 40 MW) los inversores multinivel ofrecen ventajas particulares de operación al incrementar el número de niveles de voltaje a la salida, por ejemplo: un menor contenido armónico, una disminución en los transitorios dv/dt de las conmutaciones y reducción de pérdidas eléctricas (Cortés et al., 2008). Los inversores multinivel más utilizados en la industria son: diodos de enclavamiento, cascada y condensadores flotantes (BinWu, 2006; Jae-Chu et al., 2006). Sin embargo, al incrementarse el número de niveles aumenta también el número de interruptores en la topología y se eleva la probabilidad de falla en el sistema (Mingyao et al., 2007; LeiHu et al., 2005). Cuando se presenta una falla se genera un voltaje desbalanceado que puede ocasionar daño permanente en la carga o un paro total  del sistema (Barriuso et al., 2009; Francois et al., 2002).

Los estudios relacionados con la tolerancia a fallas en los inversores multinivel contemplan diversas estrategias para obtener un voltaje línea-línea balanceado a la salida (Mingyao et al., 2007; LeiHu et al.; 2005; Shengming et al., 2006 y Sanmin et al., 2004). Xiaomin et al. (2004) estudiaron el inversor con condensadores flotantes de cuatro niveles empleando la estrategia de redundancia material (uso de componentes extras). Edison et al. (2006) y Gun-Tae et al. (2004) analizaron el inversor con diodos  de enclavamiento de tres niveles y también usaron componentes extras para tolerar fallas. Francois et al. (2002) presentaron el inversor multinivel en cascada con una rama adicional para intercambiar las señales de conmutación cuando ocurre una falla. Sanmin et al. (2006) y Surin et al. (2006) analizaron el inversor en cascada y la técnica de tolerancia a fallas empleada en la variación de las modulaciones de los dispositivos semiconductores. Barriuso et al. (2009), Mingyao et al. (2007) y LeiHu et al. (2005) presentaron sistemas tolerantes a fallas para un convertidor multinivel asimétrico empleando redundancia material. También existen trabajos como los de De Lillo et al. (2010), donde se despliega un sistema tolerante a fallas en máquinas eléctricas, con énfasis en aplicaciones aeroespaciales, y el de Xiong et al. (2008), en el cual la aplicación es un vehículo eléctrico.