departamento de elÉctrica y electrÓnica...
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
PROYECTO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN
DEL TÍTULO DE INGENIERO ELECTROMECÁNICO
AUTORES: RICAURTE CORREA NÉSTOR ANDRÉS
SARZOSA ANTE DAVID DE JESÚS
TEMA: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO
DIDÁCTICO DE INVERSOR MULTINIVEL EN CASCADA,
MONOFÁSICO DE TRES ETAPAS PARA EL LABORATORIO
DE CONTROL ELÉCTRICO ESPE – LATACUNGA
DIRECTOR: ING. MARCELO SILVA
CODIRECTOR: ING. FRANKLIN SILVA
LATACUNGA, SEPTIEMBRE 2014
ii
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
CERTIFICADO
ING. MARCELO SILVA (DIRECTOR)
ING. FRANKLIN SILVA (CODIRECTOR)
CERTIFICAN:
Que el trabajo titulado “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
PROTOTIPO DIDÁCTICO DE INVERSOR MULTINIVEL EN
CASCADA, MONOFÁSICO DE TRES ETAPAS PARA EL
LABORATORIO DE CONTROL ELÉCTRICO ESPE –
LATACUNGA”, realizado por RICAURTE CORREA NÉSTOR ANDRÉS Y
SARZOSA ANTE DAVID DE JESÚS, ha sido guiado y revisado periódicamente y
cumple normas estatuarias establecidas de la Universidad de las Fuerzas Armadas-
ESPE.
Debido a que constituye un trabajo de excelente contenido científico que coadyuvará
a la aplicación de conocimientos y al desarrollo profesional, si recomiendan su
publicación.
Latacunga, Septiembre del 2014
Ing. Marcelo Silva
Ing. Franklin Silva
DIRECTOR CODIRECTOR
iii
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD
Nosotros:
RICAURTE CORREA NÉSTOR ANDRÉS
SARZOSA ANTE DAVID DE JESÚS
DECLARAMOS QUE:
El proyecto de grado denominado “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
PROTOTIPO DIDÁCTICO DE INVERSOR MULTINIVEL EN
CASCADA, MONOFÁSICO DE TRES ETAPAS PARA EL
LABORATORIO DE CONTROL ELÉCTRICO ESPE –
LATACUNGA”, ha sido desarrollado con base a una investigación exhaustiva,
respetando derechos intelectuales de terceros, conforme las citas que constan el pie de
las páginas correspondiente, cuyas fuentes se incorporan en la bibliografía.
Consecuentemente este trabajo es de nuestra autoría.
En virtud de esta declaración, nos responsabilizamos del contenido, veracidad y
alcance científico del proyecto de grado en mención.
Latacunga, Septiembre del 2014
_______________________ _______________________
David Sarzosa A. Andrés Ricaurte C.
C.C. 050259484-9 C.C. 180315327-7
iv
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
AUTORIZACIÓN
Nosotros:
RICAURTE CORREA NÉSTOR ANDRÉS
SARZOSA ANTE DAVID DE JESÚS
Autorizamos a la UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE, la
publicación, en la biblioteca virtual de la Institución del trabajo “DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DIDÁCTICO DE INVERSOR
MULTINIVEL EN CASCADA, MONOFÁSICO DE TRES ETAPAS PARA EL
LABORATORIO DE CONTROL ELÉCTRICO ESPE – LATACUNGA”, cuyo
contenido, ideas y criterios son de nuestra exclusiva responsabilidad y autoría.
Latacunga, Septiembre del 2014
_______________________ _______________________
David Sarzosa A. Andrés Ricaurte C.
C.C. 050259484-9 C.C. 180315327-7
v
DEDICATORIA
A mis padres y hermanos que siempre están a mi
lado apoyándome en todo momento, que además
supieron brindarme comprensión y su amor durante el
transcurso de mis estudios.
Andrés Ricaurte
A Dios a quien amo y admiro, que con su bendición
estuvo en todo momento siempre conmigo, a mis padres
Manuel y Rosa por su dedicación y esfuerzo supieron
guiarme para lograr mi meta.
A mi hermano quien siempre, brindándome su cariño
y respaldo me acompaño en todo momento.
David Sarzosa
vi
AGRADECIMIENTO
El mayor de los agradecimientos a Dios ante todo y
a muchas personas especiales que me rodearon
durante mis años de estudio guiándome, apoyándome y
otorgándome gran amor en momentos difíciles.
Un profundo agradecimiento a los excelentes
profesores que tuve el privilegio de conocer en la
Politécnica, y entre ellos los ingenieros: quienes
colaboraron con la realización de este proyecto de tesis.
Andrés Ricaurte
A la UNIVERDIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-
ESPE, a sus profesores que supieron transmitir
sabiduría y conocimiento para formar nuestra mente y
nuestra vida y así lograr ser una persona de excelencia.
Mi gratitud también a los Ingenieros Coordinadores
del proyecto.
David Sarzosa
vii
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PORTADA………………………......…………………………….……. i
CERTIFICADO…………………………………………………………. ii
AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD…………………………………. iii
AUTORIZACIÓN……………………..………………………………… iv
DEDICATORIA….…………………..…………………………..……... v
AGRADECIMIENTO…………………………..………………………. vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS…………………………………………… vii
ÍNDICE DE FIGURAS……..…………………………………………… x
ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………………… xiii
RESUMEN…………………………..……………………..…………… xiv
ABSTRACT…………………………..…………………………………. xv
OBJETIVOS…………………………..………………………………… xvi
CAPÍTULO 1
1.1. CONCEPTOS GENERALES...……………………………. 1
1.1.1. Interruptores de estado sólido de potencia………………. 2
1.1.1.1. Diodo…………………………..……..……………………… 3
1.1.1.2. Tiristores………………………………..……………………. 4
1.1.1.3. Rectificador controlado de silicio (SCR)……………..…… 4
1.1.1.4. Transistores…………………………..……….…………….. 5
1.1.1.5. Transistor de unión bipolar (BJT)….………………………. 6
1.1.1.6. Transistor de efecto de campo metal óxido–
semiconductor (MOSFET)………………………………….
7
1.1.1.7. Transistor bipolar de puerta de salida(IGBT)……………. 8
1.1.1.8. Microcontrolador……………………………..……………... 10
1.2. INVERSORES MULTINIVEL………………………………. 12
1.2.1 Tipos de inversores multinivel……………………..………. 15
1.2.1.1. Inversor multinivel por fijación de diodos npc...…………. 15
1.2.1.2. Inversor multinivel con capacitores votantes..................... 17
1.2.1.3. Inversor multinivel en cascada…………………………….. 19
viii
CAPÍTULO 2
2. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN……. 25
2.1. CARACTERÍSTICA DE DISEÑO….………………………. 25
2.2. DISEÑO DE LA ETAPA DE POTENCIA………………….. 27
2.2.1. Parámetros de diseño para la etapa de potencia….……. 27
2.2.2. Selección de fuentes de alimentación………………….…. 28
2.2.3. Selección del dispositivo de potencia………………….…. 30
2.3. DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL………………….. 34
2.3.1 Selección del ángulo de disparo para minimizar la
distorsión armónica……………………………………….…
35
2.3.2. Selección del microcontrolador………………...………….. 59
2.4. IMPLEMENTACIÓN DE LA ETAPA DE POTENCIA……. 64
2.5. IMPLEMENTACIÓN DE LA ETAPA DE CONTROL……. 65
2.6. ENSAMBLADO DEL SISTEMA DE LA ETAPA DE
CONTROL CON LA ETAPA DE POTENCIA…………….
68
CAPÍTULO 3
3. ANÁLISIS Y PRUEBAS DE RESULTADOS……………… 69
3.1. INTRODUCCIÓN……….…………..………………….…… 69
3.2. PRUEBAS DEL INVERSOR….……………………………. 69
3.2.1. Forma de onda ideal y real del inversor………………..… 69
3.2.2. Forma de onda de salida de voltajes de fase del inversor. 71
3.2.3. Pulsos de los IGBT obtenidos por el módulo de
adquisición de datos (LV DAM EMS)…….……………….
73
3.2.4. Resultado del TDH adquirido por el módulo de
adquisición de datos (LV DAM EMS)……………………..
79
3.2.5. Resultado de los ángulos de disparo de cada nivel
adquirido por el módulo de adquisición de datos (LV
DAM EMS)……………………………………………………
80
3.2.6. Resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio con
carga resistiva en el generador…………………………....
84
3.3 ALCANCE Y LIMITACIONES……………………………… 86
3.3.1. Alcance…………………………..…………….…………….. 86
ix
3.3.2. Limitaciones……………………………………..…………... 86
3.4. Costo económico del inversor multinivel monofásico…… 87
CAPÍTULO 4
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……....……. 90
4.1. CONCLUSIONES…………………………………………... 90
4.2. RECOMENDACIONES…………………………………….. 91
Bibliografía …………………………………………………................. 92
Linkgrafía………………………………………………….................... 92
Anexos …………………………………....……………………………. 94
x
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Símbolo del Diodo y características v-i…………………. 3
Figura 2 Símbolo del Tiristor………………………………………. 4
Figura 3 Símbolo del SCR y características v-i .………………... 5
Figura 4 Símbolo del BJT y características v-i .………………… 7
Figura 5 Símbolo del Mosfet y características v-i.……………….. 8
Figura 6 Símbolo del IGBT y características…………………….. 9
Figura 7 Aplicación de la electrónica de potencia según el
dispositivo empleado…………………………….............
10
Figura 8 Esquema de un Microcontrolador………………………. 11
Figura 9 Esquema de un Inversor de m niveles…………………. 14
Figura 10 Voltaje típico en la salida de un inversor multinivel de
cinco niveles.………………………….. …………………
14
Figura 11 Esquema de inversor acoplado por diodo de cinco
niveles……………………………………………………...
16
Figura 12 Esquema de Inversor con Capacitores Flotantes de
cinco niveles…………………………..…………………..
18
Figura 13 Inversor Puente Completo……………………………..... 21
Figura 14 Inversor Multinivel simétrico, asimétrico de potencia 2.. 23
Figura 15 Onda y valores de voltaje de las fuentes de
alimentación…………………………..…………………...
29
Figura 16 Fuente ATX – 24V……………………………………....... 30
Figura 17 Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas
Conectado en Cascada………………………………......
31
Figura 18 IGBT FGA40N65SMD………………………………........ 34
Figura 19 Forma de onda e(wt) con los diferentes niveles de voltaje
a la salida del inversor multinivel en cascada…………..
36
Figura 20 Forma de onda ideal con los pulsos de cada IGBT….... 42
Figura 21 Onda generada por el principio básico de operación de
cada IGBT. …………………………..…………………....
58
Figura 22 Microcontrolador Atmel 164P………………………….... 61
Figura 23 Diagrama de Flujo Etapa de Control……………………. 62
xi
Figura 24 Inversor monofásico multinivel de tres etapas
conectado en cascada……………………………….......
64
Figura 25 Tarjeta de potencia…………......................................... 65
Figura 26 Diagrama eléctrico de la etapa de control ..………....... 66
Figura 27 Tarjeta de Control…………........................................... 67
Figura 28 Módulo final del inversor multinivel didáctico
monofásico en cascada…………………………………..
68
Figura 29 Forma de onda Ideal Generada………………………… 70
Figura 30 Forma de onda Real Generada………………………… 70
Figura 31 Inversor monofásico multinivel de tres etapas
conectado en cascada …………………………………...
71
Figura 32 Forma de Onda Ideal a la salida del inversor………….. 72
Figura 33a Pulso del IGBT 1………………………………………….. 73
Figura 33b Pulso del IGBT 2………………………………………….. 73
Figura 33c Pulso del IGBT 3………………………………………….. 74
Figura 33d Pulso del IGBT 4………………………………………….. 74
Figura 33e Pulso del IGBT 5………………………………………….. 75
Figura 33f Pulso del IGBT 6………………………………………….. 75
Figura 33g Pulso del IGBT 7………………………………………….. 76
Figura 33h Pulso del IGBT 8………………………………………….. 76
Figura 33i Pulso del IGBT 9..………………………………………… 77
Figura 33j Pulso del IGBT 10………………………………………… 77
Figura 33k Pulso del IGBT 11………………………………………… 78
Figura 33l Pulso del IGBT 12………………………………………… 78
Figura 34 Valor obtenido en la práctica del TDH.………………… 79
Figura 35a Ángulos de disparo 1 (α1) ….……………………………. 81
Figura 35b Ángulos de disparo 2 (α2) ….……………………………. 81
Figura 35c Ángulos de disparo 3 (α3) ….……………………………. 82
Figura 35d Ángulos de disparo 4 (α4) ….……………………………. 82
Figura 35e Ángulos de disparo 5 (α5) ….……………………………. 83
Figura 35f Ángulos de disparo 6 (α6) ….……………………………. 83
Figura 35g Ángulos de disparo 7 (α7) ….……………………………. 84
xii
Figura 36 Modelo de conexión para la prueba de laboratorio…… 84
Figura 37 Módulo real de cargas resistivas……………………….. 85
xiii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Características de Diseño Seleccionado………………. 26
Tabla 2 Parámetros de Diseño de la Etapa de Potencia………. 27
Tabla 3 Selección de Fuentes de Alimentación………………… 29
Tabla 4 Requerimientos para el dispositivo de potencia………. 32
Tabla 5 Selección de Dispositivos de Potencia………………… 33
Tabla 6 Ángulos de disparo de las fuentes de voltaje…………. 39
Tabla 7 Proceso para el cálculo de la Distorsión Armónica
(TDH)……………………………………………………….
40
Tabla 7.1 Señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres
etapas conectadas en cascada, nivel de operación 0V.
43
Tabla 7.2 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación 24V……………………….………………..
44
Tabla 7.3 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación 48V…………………………………………
45
Tabla 7.4 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación 72V…………………………………………
46
Tabla 7.5 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación 96V………………………………………….
47
Tabla 7.6 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación 120V.………………………………………
48
xiv
Tabla 7.7 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación 144V………………………………………..
49
Tabla 7.8 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico...
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación 168V……………………………………….
50
Tabla 7.9 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación -24V………………………………………..
51
Tabla 7.10 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación -48V……………………………………….
52
Tabla 7.11 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación -72V………………………………………
53
Tabla 7.12 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación -96V………………………………………..
54
Tabla 7.13 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación -120V……………………………………….
55
Tabla 7.14 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación -144V……………………………………….
56
xv
Tabla 7.15 Continuación de las señales de control para obtener
los voltajes de operación del inversor monofásico
multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de operación -168V.……………………………………..
57
Tabla 8 Requerimientos del microcontrolador........................… 59
Tabla 9 Características del microcontrolador…………………… 61
Tabla 10 Tiempos de activación de cada IGBT 63
Tabla 11 Valores ideales del inversor…………………………….. 69
Tabla 12 Valores calculados y obtenidos en la práctica…………. 80
Tabla 13 Tabla Comparativa de Resultados……………………... 85
Tabla 14 Rubros financiados………………………………………. 88
xiv
RESUMEN
Los inversores multinivel son inversores de última tecnología que pueden
generar corrientes o incluso voltajes sinusoidales con mucho menor contenido
armónico. Si el número de niveles es lo suficientemente alto, se puede obtener
un voltaje (o corriente) casi sinusoidal. Más aún, se puede modular en
amplitud en vez de ancho de pulso (PWM) al voltaje, por lo que las pérdidas
generadas por las armónicas de corriente pueden minimizar. Además, la
frecuencia de conmutación y el nivel de potencia de los semiconductores se
reducen considerablemente. Dentro del contexto de utilizar los inversores
multinivel para obtener un bajo contenido armónico, se diseñó y construyó un
prototipo de inversor monofásico de 8 niveles para operar un motor de
corriente alterna. Este inversor consta de tres puentes completos tipo H, con
sus voltajes escalados, lo que permite obtener el número de niveles ya
mencionado. El inversor diseñado es capaz de soportar corrientes de
aproximadamente 2 A, con un voltaje de salida de 110 Vac, dando una
potencia nominal de 220 W. Para llevar a cabo este proceso, se diseñó un
sistema de potencia modular con inversores individuales aislados
galvánicamente, con sus sistemas de control de encendido y fuentes de
alimentación independientes. En síntesis, en este proyecto desarrollado con
éxito, se describe el proceso de diseño y construcción de un prototipo
didáctico de inversor multinivel monofásico de tres etapas.
Palabras Clave: Ingeniería Electromecánica/Inversores Multinivel –
Diseño y Construcción/Prototipos Electrónicos Didácticos.
xv
ABSTRACT
Multilevel converters are the latest technology, which can generate almost
perfect currents, and sinusoidal voltages with better harmonics, if the number
of levels is high enough; a voltage almost sinusoidal can be got. Even more it
is possible to inflect in width instead of pulse width (PWM) to the voltage so
the generated losses by the harmonic current can be minimized. Moreover,
the switching frequency and the power level of the semiconductor are reduced
considerably. In the context of using multilevel converters to get a low
harmonic content, a monostatic converter prototype of eight levels was
designed and built to operate an AC motor. This converter consists of three full
bridges type H, with its scaled voltages; it allows getting the mentioned levels.
The designed converter is able to endure currents of approximately of 2A, with
an output voltage of 110 Vac, giving a nominal power of 220W. A modular
power system with individual converters galvanically isolated was designed to
achieve this process, with its control systems of ignition and independent
power supply. In summary, in this successful project, the process of designing
and construction of a didactic of monostatic multilevel prototype of three stages
is described.
Key words: Electromechanical engineering, multilevel converters,
designing and construction, didactic electronics prototypes.
xvi
OBJETIVO GENERAL
Diseño y construcción de un prototipo didáctico de inversor multinivel en
cascada, monofásico de tres etapas para el laboratorio de control eléctrico
ESPE-L.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Investigar científicamente sobre los inversores multinivel en cascada.
Plantear y analizar las posibles alternativas de diseño.
Diseñar el inversor multinivel monofásico mediante la aplicación de los
conceptos teóricos.
Construir e implementar el inversor multinivel monofásico.
Evaluar el inversor multinivel monofásico, a través de pruebas,
demostrando su funcionamiento.
1
CAPÍTULO 1
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO
DIDÁCTICO DE INVERSOR MULTINIVEL EN CASCADA,
MONOFÁSICO DE TRES ETAPAS PARA EL LABORATORIO
DE CONTROL ELÉCTRICO ESPE – LATACUNGA”.
La función principal de un Inversor es cambiar un voltaje de entrada de
corriente continua a un voltaje de salida de corriente alterna con la magnitud
y la frecuencia deseada por el usuario, por lo que este tipo de equipos tiene
amplia aplicación desde pequeñas fuentes de alimentación para
computadoras, pasando por aplicaciones automotrices hasta grandes
aplicaciones industriales de potencia.
Los inversores producen un voltaje o una corriente de salida cuyos niveles
son 0, + Vdc y - Vdc. Estos inversores con fuente de voltaje son conocidos
como inversores de tres niveles.
Para obtener la forma de onda de voltaje o corriente con un mínimo de
armónicos se requiere una conmutación en alta frecuencia, junto con diversas
modulaciones por ancho de pulso (PWM).
En el campo de la electrónica de potencia los inversores multinivel han
atraído mucho interés por que presentan un conjunto nuevo de propiedades
adecuadas que sirve para usarse en compensación de potencia reactiva.
Es por esto que al aumentar la cantidad de niveles de voltaje en el inversor
multinivel sin cambiar mayores especificaciones nominales de los dispositivos
individuales, se puede aumentar la potencia nominal. [1]
1.1. Conceptos generales
En este capítulo se presenta los interruptores de estado sólido de potencia
empleados en el diseño de los inversores, destacando aquellos interruptores
2
que ofrecen mayores ventajas, por lo que se hará un pequeño resumen de los
mismos.
1.1.1. Interruptores de Estado Sólido de Potencia
Los interruptores utilizados en electrónica de potencia se pueden clasificar
en tres grupos, de acuerdo con su grado de control:
1. Interruptores no controlados
El interruptor no controlado es el Diodo. Los estados de conducción o
cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por
tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo.
2. Interruptores semicontrolados
En este grupo se nombran a, los SCR (“Rectificador Controlado de
Silicio”), los TRIAC (“Triodo para Corriente Alterna”), GTO (”Tiristor de
abertura de compuerta), RCT (“Tiristor de conducción inversa”), LASCR
(“Rectificador fotoactivado controlado de silicio”), ETO (“Tiristor abierto por
emisor”), entre otros.
En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una
señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo,
comúnmente denominado puerta.
3. Interruptores totalmente controlados
En este grupo abarca varios tipos de transistores tales como: transistor de
unión bipolar BJT, los transistores de efecto de campo MOSFET, los
transistores bipolares de puerta aislada IGBT.
3
1.1.1.1. Diodo
El diodo (figura 1a), es un interruptor electrónico simple que no se puede
controlar, en el sentido de que son las tensiones y corrientes del circuito los que
determinan los estados de conducción (activado) y de no conducción
(desactivado) del diodo.
Un diodo se encuentra en conducción cuando el voltaje en el ánodo es
mayor al voltaje del cátodo. En el caso ideal, el diodo polarizado en directa se
comporta como un cortocircuito mientras que polarizado en inversa el diodo
se comporta como un circuito abierto.
En la Figura 1(b), se indica la curva característica tensión – corriente y un
equivalente ideal se puede observar en la Figura 1(c). [2]
Figura 1: a) Símbolo del Diodo b) Característica v-i c) Característica v-i ideal
[2]
4
1.1.1.2. Tiristores
El tiristor (Figura 2) tiene tres terminales: ánodo (A), cátodo (K) y
compuerta (G). Para el control se hace pasar una corriente pequeña por el
terminal de la compuerta, hacia el cátodo, para que el tiristor empiece a
conducir la tensión en el ánodo debe ser mayor que la tensión en el cátodo.
Cuando el tiristor empieza a conducir, se enclava (conduce) y la corriente
de puerta puede eliminarse.
En su estado inactivo, el tiristor puede bloquear una tensión de polaridad
directa y no conducir.
El tiristor no puede ser apagado por la puerta, y el tiristor conduce como
un diodo. Es por eso que un tiristor que conduce se puede apagar haciendo
que la tensión del ánodo sea igual o menor que la tensión del cátodo. [3]
Figura 2: Símbolo de un tiristor [3]
1.1.1.3. Rectificador Controlado de Silicio (SCR)
Como un tiristor es básicamente un dispositivo controlado hecho de silicio,
también se le llama rectificador controlado de silicio (SCR).
Para que un SCR (Figura 3a), empiece a conducir, se debe aplicar una
corriente a la puerta cuando la tensión de ánodo sea mayor a la tensión del
cátodo. Una vez que haya entrado en conducción, la señal en la puerta no es
5
necesaria para mantener la corriente en el terminal ánodo. El SCR seguirá
conduciendo mientras la corriente en el ánodo sea positiva como muestra la
Figura 3(b). En la Figura 3(c) se indica la curva característica v-i ideal del SCR.
Figura 3: a) Símbolo del SCR, b) Característica principal del SCR v-i,
c) Característica v-i ideal [4]
1.1.1.4. Transistores
Un transistor tienen tres terminales: colector, base, emisor. Los circuitos
de excitación de los transistores se diseñan para que estén completamente
saturados (activados) o en corte (desactivados).
Una ventaja de los transistores es que proporcionan un control de
activación y desactivación.
6
Los transistores son utilizados como interruptores en los circuitos
electrónicos de potencia. Los transistores de potencia son cuatro:
1. BJT
2. MOSFET
3. IGBT
4. SIT
1.1.1.5. Transistor de Unión Bipolar (BJT)
Los transistores de unión bipolar tienen tres terminales, como lo indica la
Figura 4(a), que se denominan colector, base y emisor, respectivamente. El
control de estos interruptores es por corriente, y es suministra a la base de
manera continua para mantenerlos en estado activo. Hay tres regiones de
operación de un transistor BJT: de corte, activa y de saturación.
El transistor se encuentra abierto o apagado, cuando está en la región de
corte, mientras que la corriente en la base no es suficiente para saturarlo.
En la región activa, el transistor actúa como un amplificador, en el que la
corriente de base se amplifica una ganancia determinada, y el voltaje colector-
emisor disminuye al aumentar la corriente de base. (Figura 4b).
En la región de saturación, la corriente en la base es suficientemente alta
como para que el voltaje colector-emisor sea bajo, y el transistor actúa como
un interruptor. Una corriente en la base nula hace que el transistor se polarice
en corte. [5]
La característica ideal del BJT se indica en la Figura 4(c).
7
Figura 4: a) Símbolo del BJT, b) Característica del BJT v-i y c) Característica ideal v-i [6]
1.1.1.6. Transistor de Efecto de Campo Metal Óxido - Semiconductor
(MOSFET)
Un MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje (Figura
5a), y sólo requiere una pequeña corriente de entrada. El MOSFET, es un
dispositivo de tres terminales donde la entrada, (compuerta en el caso del
MOSFET), controla el flujo de corriente entre las terminales de salida, la fuente
y el drenaje. La terminal de la fuente es común entre la entrada y la salida de
un MOSFET. La velocidad de conmutación es muy alta, y los tiempos son en
nanosegundos. Las aplicaciones de los MOSFET de potencia es cada vez
más numerosa en convertidores de baja potencia y alta frecuencia. Los
MOSFET tienen los problemas de descarga electrostática y el cuidado que
requieren son especiales en su manejo. Además, es relativamente difícil
protegerlos en condiciones de falla por cortocircuito.
A continuación en la Figura 5(b) y 5(c), se indica la curva característica v-
i, y la curva característica ideal del mosfet respectivamente. [3]
8
Figura 5: a) Símbolo del Mosfet, b) Característica i-v, c) Característica
idealizada. [3]
1.1.1.7. Transistor Bipolar de Puerta de Salida (IGBT)
Un IGBT está combinado por las ventajas de los BJT y de los MOSFET.
La impedancia a la entrada de un IGBT es alta, como los MOSFET, y tiene
pocas pérdidas por conducción en estado activo, como los BJT.
El símbolo de circuito para un IGBT se muestra en la Figura 6(a), y sus
características de v-i, en la figura 6b. Los IGBT tienen algunas de las ventajas
de los MOSFET, BJT y GTO combinados. Parecido al MOSFET, el IGBT tiene
una puerta de alta impedancia que sólo requiere una pequeña cantidad de
energía para conmutar el dispositivo.
Cuando se le es aplicado un voltaje VGE a la puerta, el IGBT enciende
inmediatamente, la corriente de colector Ic es conducida y el voltaje VCE se va
9
desde el valor de bloqueo hasta un valor cercano a cero. La corriente Ic
persiste para el tiempo de encendido en que la señal en la puerta es aplicada.
Para encender el IGBT, el terminal C debe ser polarizado positivamente con
respecto a la terminal E.
La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puerta
G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15
volts, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de
lo cual la corriente de colector ID es igual a la corriente de carga IL (asumida
como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una
señal de voltaje en el G.
El IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la
terminal G.
La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar
apenas 2 microsegundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede
estar en el rango de los 60 kHz. [1]
En la Figura 6(c) se indica la curva característica ideal del IGBT.
Figura 6: a) Simbología IGBT, b) Característica de i-v, c) Característica ideal
[1]
10
A continuación en la Figura 7 se indica las características de los distintos
dispositivos.
Figura 7: Aplicación de la electrónica de potencia según el dispositivo empleado.
[7]
1.1.1.8. Microcontrolador
Un Microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su
interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y
Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo
circuito integrado.
Características
Son diseñados para disminuir el costo económico y el consumo de energía
de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la CPU (Unidad Central de
Proceso), la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la
aplicación. El control de un sistema de frenos ABS (Antilock Brake System) se
11
basa normalmente en un Micro Controlador de 16 bit, al igual que el sistema
de control electrónico del motor en un automóvil. Un Microcontrolador como
se muestra en la Figura 8, difiere de una CPU normal, debido a que es más
fácil convertirla en una computadora en funcionamiento. La idea es que el chip
se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y la
información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no
le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas
por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada/salida (puertos) y
la memoria para almacenamiento de información. [8]
La representación del esquema del microcontrolador se indica a
continuación.
Figura 8: Esquema de un Micro Controlador. [8]
Aplicaciones
Si sólo se dispusiese de un modelo de microcontrolador, éste debería
tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las
exigencias de las diferentes aplicaciones. Es posible seleccionar la capacidad
de las memorias, el número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los
elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un
12
aspecto muy destacado del diseño es la selección del microcontrolador a
utilizar. Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador
con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y
coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo.
Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas
presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno
microondas, frigoríficos, televisores, ordenadores, impresoras, módems, el
sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que
seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación
electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Estos pequeños
controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central,
probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus
acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC.
El micro controlador se lo puede encontrar en:
- Sistemas de comunicación: Como automatismos centrales, teléfonos fijos,
móviles, fax.
- Electrodomésticos: Como las lavavajillas, batidoras, televisores, vídeos,
reproductores DVD, equipos de música, lavadoras, hornos, frigoríficos,
- Industria informática: Aquí se encuentran en casi todos los periféricos;
ratones, teclados, impresoras, escáner.
- Industria: Autómatas, control de procesos.
- Seguridad: Sistemas de supervisión, vigilancia y alarma: ascensores,
calefacción, aire acondicionado, alarmas de incendio, robo. [4]
1.2. INVERSORES MULTINIVEL.
Los inversores conocidos como de fuente de voltaje producen un voltaje o
corriente de salida cuyos niveles son 0 o ±Vdc. A estos inversores se los
conocen como inversores en dos niveles. La forma de onda de voltaje o
corriente con calidad alta o con un contenido mínimo de rizado, requieren
conmutación en alta frecuencia, junto con diversas estrategias de modulación
13
por ancho de pulso (PWM). En aplicaciones con alta potencia y alto voltaje,
esos inversores de dos niveles tienen algunas limitaciones para operar a alta
frecuencia, su causa principal son las pérdidas por conmutación y limitaciones
de las especificaciones nominales de los dispositivos.
Los dispositivos semiconductores de conmutación se deben evitar
problemas asociados con sus combinaciones en serie-paralelo, que son
necesarias para obtener la capacidad de manejo de altos voltajes y corrientes.
Es por eso que los inversores multinivel han atraído mucho interés en el
campo de la electrónica de potencia. Presentan un conjunto nuevo de
propiedades que son muy adecuadas para usarse en compensación de
potencia reactiva. Es más fácil producir un inversor de alta potencia y alto
voltaje con la estructura multinivel, por lo que se los controla en la estructura
los esfuerzos dieléctricos del dispositivo. Es por eso que al aumentar la
cantidad de niveles de voltaje en el inversor sin la necesidad de mayores
cambios o especificaciones nominales de los dispositivos individuales, se
puede aumentar la potencia nominal. La estructura única de fuente de voltaje
de los inversores multiniveles permite alcanzar altos voltajes con pocas
armónicas, sin el uso de transformadores o de dispositivos de conmutación
sincronizada conectados en serie. [1]
Concepto de nivel
“El termino nivel (m), es la cantidad de nodos al que el inversor puede
acceder”. [1]
A medida que aumenta la cantidad de niveles de voltaje, se reduce en
forma importante el contenido de armónicas en la forma de onda de voltaje de
salida. La Figura 9 muestra el esquema de un polo en un inversor multinivel,
donde Va indica el voltaje de salida de fase, que puede asumir cualquier nivel
de voltaje, dependiendo de la selección de voltaje (cd) de nodo, Vc1, Vc(m-1),
14
etc. Así, un polo en un inversor multinivel se puede considerar como un
interruptor de un polo y varios polos.
Figura 9: Esquema de un Inversor de m niveles. [1]
Al conectar el interruptor a un nodo a la vez, se puede obtener la salida
que se desee.
En la siguiente Figura 10, muestra el voltaje de salida típico de un inversor
de cinco niveles.
Figura 10: Voltaje típico en la salida de un inversor multinivel de cinco
niveles. [1]
15
La estructura topológica del inversor multinivel debe:
1. Tener el mínimo de dispositivos de conmutación que sea posible;
2. Ser capaz de resistir voltajes muy altos para aplicaciones de alta potencia,
y
3. Tener menor frecuencia de conmutación para cada dispositivo de
conmutación.
1.2.1. Tipos de Inversores Multinivel
Existen varias topologías para el desarrollo de Inversores Multinivel entre
las cuales destacan tres que son las más utilizadas en el campo industrial y
del control.
A continuación se muestran dichas topologías haciendo referencia a sus
principales características, ventajas y desventajas.
1.2.1.1. Inversor Multinivel por Fijación de Diodos
Un inversor multinivel con diodo fijador consiste, en forma típica, en (m -
1) capacitores en el canal de cd y produce m niveles en el voltaje de fase. La
Figura 11 muestra una rama. La numeración de los interruptores será en el
orden, S1, S2, S3, S4, S'1, S'2, S'3 y S'4.
El canal de cd consiste en cuatro capacitores en el orden, C1, C2, C3 y
C4 conectados en serie. Para un canal Vcd de voltaje cd, el voltaje a través
de cada capacitor es Vcd/4, y el esfuerzo dieléctrico de cada dispositivo se
limita, mediante diodos fijadores, a un nivel de voltaje de capacitor, Vcd/4. El
número de diodos que se requiere para una fase del inversor será (m – 1)*(m
- 2). [5]
16
Figura 11: Esquema de Inversor Acoplado por Diodo de Cinco Niveles. [5]
A continuación se citará las ventajas y desventajas del inversor acoplados
por diodo fijador.
Ventajas
- Si la cantidad de niveles es alta, los armónicos son bajos
- La eficiencia del inversor es alta, por la conmutación
- El control de este método es sencillo.
17
Desventajas
- Cuando la cantidad de diodos es demasiado, aumenta los niveles de
voltaje
- Se hace dificultoso controlar el flujo de potencia real del convertidor
individual.
1.2.1.2. Inversor multinivel con capacitores volantes
Cada rama de fase tiene una estructura idéntica. Suponiendo que cada
capacitor tenga el mismo voltaje nominal, la conexión de los capacitores en
serie indica el nivel de voltaje entre los puntos de fijación. Tres capacitores de
balanceo de lazo interno (Ca1, Ca2 y Ca3) para el ramal a de fase son
independientes de la rama a de fase. Todas las ramas de fase comparten los
mismos capacitores de enlace de cd, C1 a C4.
El nivel de voltaje en el convertidor con capacitores volantes es parecido
al del convertidor tipo con diodo fijador. Esto es, el voltaje de fase Va0 de un
convertidor en m niveles, tiene m niveles (incluyendo el nivel de referencia), y
el voltaje de línea Vab tiene (2m - 1) niveles.
Suponiendo que cada capacitor tiene la misma especificación de voltaje
que la del dispositivo de conmutación, el canal de cd necesita (m - 1)
capacitores si el convertidor es de m niveles.
Para producir un voltaje de salida en escalera se examinará, como
ejemplo, una rama del inversor en cinco niveles de la Figura 12.
El canal 0 de cd es el punto de referencia del voltaje de fase de salida. [6]
18
Figura 12: Esquema De Inversor con Capacitores Volantes de cinco niveles.
[6]
A continuación se citará las ventajas y desventajas del inversor con
capacitores volantes.
19
Ventajas
- La gran cantidad de capacitores de almacenamiento pueden
proporcionar que siga en funcionamiento durante cortes de energía.
- El contenido de armónicos es sumamente bajo.
- El flujo de potencia se puede controlar tanto real como reactiva.
Desventajas
- Se requiere muchos capacitores de almacenamiento cuando la
cantidad de niveles es grande.
- El control de este inversor es complicado.
- La frecuencia de conmutación y las perdidas por conmutación son
altas para la transmisión de potencia real.
1.2.1.3. Inversor Multinivel en Cascada.
En el inversor multinivel en cascada se puede casi duplicar el número de
niveles de las topologías anteriores sin hacer crecer el número de fuentes de
voltaje.
Este consiste en una serie de unidades inversoras de medio puente
(monofásicas, puente completo). La función general de este inversor multinivel
es sintetizar un determinado voltaje a partir de varias fuentes separadas de cd
(SDCS, de several separate dc sources), que pueden ser baterías, celdas de
combustible o celdas solares. La Figura 13(a) muestra la estructura básica de
un inversor monofásico en cascada con SDCS. Cada SDCS está conectado
a un inversor de medio puente. Los voltajes ca de terminal de los inversores
en distintos niveles se conectan en serie.
A diferencia del inversor con diodo fijador, o de capacitores volantes, el
inversor en cascada no requiere diodos fijadores de voltaje, ni capacitores de
balanceo de voltaje.
20
Principio de operación
La Figura 13(b) muestra la forma de onda de voltaje de fase de un inversor
en cascada de cinco niveles con cuatro SDCS. El voltaje de fase de salida se
sintetiza con la suma de cuatro salidas de inversor, Van = Va1 + Va2 + Va3 +
Va4. Cada nivel de inversor puede generar tres salidas distintas de voltaje,
+Vcd, 0 y - Vcd, conectando la fuente cd con el lado de salida ac mediante
combinaciones diferentes de los cuatro interruptores S1, S2, S3 y S4.
Tomando como ejemplo el nivel superior, al activar S1 y S4 se obtiene Va4
= +Vcd. Al activar S2 y S3 se obtiene Va4 = - Vcd, y al desactivar todos los
interruptores se obtiene Va4 = 0. De igual modo se puede obtener el voltaje
de salida de ca en cada nivel. [7]
Si (Ns) es la cantidad de fuentes de cd, (m) el nivel de voltaje de fase de
salida, tenemos la ecuación (1.1):
m=Ns+1 (1.1)
Así, un inversor en cascada en cinco niveles necesita cuatro SDCS y
cuatro puentes completos. Si se controlan los ángulos de conducción en
distintos niveles de inversor se puede minimizar la distorsión armónica del
voltaje de salida.
El voltaje de salida del inversor es casi senoidal, y tiene menos que 5% de
distorsión armónica total (THD), y cada uno de los medios puentes sólo
conmuta a la frecuencia fundamental.
21
(a) (b)
Figura 13: a) Inversor Puente Completo. b) Formas de onda a la salida.
[1]
Propiedades del inversor en cascada
Las propiedades principales del inversor en cascada son las siguientes:
Para conversiones de potencia real, de ca a cd y después de cd a ca, los
inversores en cascada, necesitan fuentes separadas de cd. La estructura
de las fuentes separadas de cd es adecuada para diversas fuentes de
22
energía renovable, como celdas de combustible, energías renovables y
biomasa.
Entre dos convertidores no es posible conectar las fuentes de cd una a
continuación de otra, porque puede introducirse un cortocircuito cuando
dos convertidores seguido no conmutan en forma sincrónica.
A continuación se citara las ventajas y desventajas del inversor multinivel en
cascada.
Ventajas
- Requiere mínima cantidad de componentes en comparación con los
anteriores inversores para obtener la misma cantidad de niveles.
- Se puede utilizar técnicas de conmutación suave para reducir las
pérdidas por conmutación.
Desventajas
- Se necesita fuentes cd separadas para conversiones de potencia real,
por ello se limita sus aplicaciones.
Una característica que vale la pena mencionar es que, debido a su
estructura, se puede aumentar fácilmente el número de niveles agregando
etapas en cascada, sin tener que rediseñar la etapa de potencia.
El CMLI (Cascade Multilevel Inverter) se clasifica en simétrico y asimétrico.
En la Figura 14(a), se muestra un inversor multinivel simétrico, mientras
que en la Figura 14(b) se muestra un inversor asimétrico de potencia 2.
23
(a) (b)
Figura 14: Inversor Multinivel a) simétrico b) asimétrico de potencia 2 [1]
Inversor multinivel en cascada simétrico
En esta configuración los niveles de alimentación de cada una de sus
etapas son de la misma magnitud, tal y como se muestra en la Figura 14(a);
Cada etapa proporciona tres niveles de tensión que son: +VCD, 0 y -VCD,
el número de niveles (n) generados en la tensión de salida depende del
número de fuentes (Ns) y está dado por la ecuación (1.2).
n = 2Ns + 1 (1.2)
24
Inversor multinivel en cascada asimétrico
Esta clasificación posee la misma configuración que el CMLIS (Cascade
Multilevel Inverter Symmetric), pero en este caso los niveles de tensión de CD
de cada fuente del inversor son de valores diferentes, como se observa en la
Figura 14(b). Con esta característica se pueden obtener más niveles en la
onda de salida con el mismo número de elementos utilizados en un CMLIS.
Inversor multinivel en cascada asimétrico de potencia 2
El CMLIA (Cascade Multilevel Inverter Asymmetric) de potencia 2 es
alimentado con fuentes de tensión diferentes, en cada fuente es VCD, 2VCD,
4VCD, y así sucesivamente hasta alimentar todas las fuentes que integran el
inversor; en la Figura 14(b), se muestra un ejemplo, donde el número máximo
de niveles se calcula mediante la ecuación (1.3).
n = 2Ns+1 – 1 (1.3)
Donde:
n = Cantidad de niveles que se obtienen en la onda de salida.
Ns = Cantidad de fuentes que integran el inversor.
25
CAPÍTULO 2
2. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN
Como se trató en el capítulo anterior, el inversor monofásico multinivel en
cascada nos permite evitar el uso de transformadores para elevar la tensión
por lo que se puede hacer uso de fuentes de corriente continua.
En este capítulo se presenta el diseño y construcción de un inversor
monofásico multinivel asimétrico de potencia 2 en cascada de tres etapas.
El trabajo de divide en 6 partes, los cuales se citarán a continuación:
- Característica de Diseño.
- Diseño de la Etapa de Potencia.
- Diseño de la Etapa de Control.
- Implementación de la Etapa de Potencia.
- Implementación de la Etapa de Control.
- Ensamble de la Etapa de Control con la Etapa de Potencia
2.1. Característica de diseño.
En la tabla 1 se indica las características de diseño que se tomó en cuenta
para la realización del diseño del inversor multinivel.
26
Tabla 1: Características de Diseño Seleccionado.
CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO DEL
INVERSOR SELECCIONADO
PARÁMETRO SELECCIÓN
Tipo Multinivel en cascada
Etapas 3
Fase Monofásico
Carga Inductiva
Tipo de alimentación Asimétrica
# Fuentes de entrada 3
Niveles de tensión 8
Modulación Pulso Único
Conmutadores IGBT
Salida Aprox. onda sinusoidal
[9]
Las características de diseño se seleccionaron basándose en que:
- Un inversor multinivel en cascada permite elevar niveles de voltaje sin el
uso de transformadores lo cual representa ahorro en tamaño y peso del
sistema.
- Se utilizó 3 etapas debido a que este valor nos permite generar 8 niveles
de voltaje diferentes lo cual es aceptable para la activación de una carga
inductiva y permite la generación de una onda sinusoidal de muy buena
calidad.
- El hecho de que se haya seleccionado un inversor monofásico
simplemente se reduce al tipo de carga usada, en este caso un motor
igualmente monofásico existente en los laboratorios del campus
universitario.
- El uso de fuentes de voltaje asimétricas para las entradas de nuestro
inversor permite generar hasta 8 niveles de voltaje distintos en el semiciclo
positivo, que como se mencionó es muy adecuado para el tipo de carga a
utilizar.
27
- La modulación por pulso único y la distribución por comparación con onda
sinusoidal, permiten que el desarrollo del inversor se pueda realizar
basándose en la frecuencia de operación de manera simple, es decir
dividiendo el periodo de la señal de salida requerida para el número de
IGBT’s presentes en el sistema, generando etapas o sub-periodos de
disparo para nuestros elementos de conmutación, los cuales permitirán la
generación de la onda sinusoidal de salida.
2.2. Diseño de la Etapa de Potencia
Para el diseño de la etapa de Potencia del Inversor Monofásico Multinivel
de Tres Etapas Conectadas en Cascada planteado en el desarrollo presente,
existen varios parámetros iniciales o de diseño a considerar.
- Parámetros de diseño para la etapa de potencia.
- Selección de las fuentes de alimentación.
- Selección del dispositivo de Potencia.
2.2.1. Parámetro de diseño para la etapa de potencia
Para el diseño de la etapa de Potencia del Inversor Monofásico Multinivel
de Tres Etapas Conectadas en Cascada los parámetros de diseño están
dados por los valores nominales de la carga.
En tabla 2 se detallan los parámetros de diseño.
Tabla 2: Parámetros de Diseño de la Etapa de Potencia.
[9]
PARÁMETROS DE DISEÑO
PARÁMETRO VALOR NOMINAL
Voltaje Carga 110 VRMS
Potencia 200 Watts
Frecuencia 60Hz
28
2.2.2. Selección de Fuente de Alimentación
Justificación:
El requerimiento de las fuentes se basa en el tipo de alimentación
asimétrica y en la corriente de salida que es de 2 A.
En base a la simulación que se desarrolló para el diseño de las fuentes de
alimentación se tomó en cuenta el valor del voltaje pico de 168V, este valor
pico será dividido para √2, entonces:
168V/√2 = 118.79 V
El valor de 118.79 V nos indica que es el voltaje RMS que se generó a
partir del voltaje pico, en el capítulo I se indicó los métodos para obtener las
fuentes de alimentación necesarias, en este caso se tomó en cuenta el método
de inversor multinivel en cascada asimétrico de potencia 2, entonces al sumar
las fuentes de alimentación en forma simétrica obtenemos el valor pico. Esto
se realiza por que la señal es casi sinusoidal.
Para la selección de las fuentes de alimentación se debe tomar en cuenta
los parámetros de diseño, por lo que el voltaje necesario es de 120Vrms, en
donde el voltaje de la onda generada no es sinusoidal, por lo que esta onda
se tomara en cuanta como una aproximación:
A continuación en la figura 15 se detalla la onda con los valores de voltajes
necesitados para el diseño de las fuentes de alimentación.
29
Figura 15: Onda y valores de voltaje de las fuentes de alimentación. [9]
En la tabla 3 se indica las fuentes de alimentación utilizadas, con una
corriente de 6A.
Como se observa en la figura 15, los valores necesarios para la selección
de las fuentes están descritos, es por eso que en la tabla 3 se detalla los
valores de las fuentes utilizadas.
Tabla 3: Selección de Fuentes de Alimentación.
ALIMENTACIÓN
ETAPA VALOR NOMINAL
DE SALIDA
VOLTAJE DE
ALIMENTACIÓN
I 24 VDC - 6 A 110V-220V
II 48 VDC - 6 A 110V-220V
III 96 VDC – 6A 110V-220V
[9]
30
De entre los distintos tipos de fuentes existentes en el mercado se
seleccionó la de fuente ATX (“tecnología avanzada extendida”), la selección de
este tipo de fuente es por la estabilidad, el bajo consumo eléctrico que
presentan por sus características de construcción de fábrica y una de sus
funciones es la de suministrar la cantidad de corriente y voltaje que los
dispositivos eléctricos y electrónicos requieren, así como protegerlos de
problemas en el suministro eléctrico como subidas de voltaje.
El diagrama de conexiones de las fuentes a cada puente H se indica en el
Anexo 4.
En la figura 16 se muestra la imagen física de la fuente de alimentación
utilizada.
Figura 16: Fuente ATX – 24V. [11]
2.2.3. Selección del dispositivo de potencia
En la figura 17, se indica el esquema de conexiones utilizado para el
desarrollo de la selección del dispositivo de potencia. A continuación se
detallará el principio de funcionamiento de cada IGBT a seleccionar.
Para la descripción de la operación de un Inversor monofásico multinivel
de tres etapas conectadas en cascada la nomenclatura para los interruptores
de potencia (IGBT) será: SW1, SW2, SW5, SW6, SW9, SW10 para los
conmutadores y SW3, SW4, SW7, SW8, SW11, SW12 para sus
complementarios; mientras que para los diodos de circulación serán D1, D2,
D5, D6, D9, D10 y D3, D4, D7, D8, D11, D12.
31
Fig
ura
17
: In
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res E
tapa
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one
cta
do e
n
Ca
scad
a. [9
]
+ -
+ -
+ -
32
Justificación:
La utilización del IGBT como dispositivo de potencia en el proyecto se
justifica en base a las características de robustez y velocidad de respuesta, la
corriente que se desea que circule por cada IGBT es de 2A, a continuación en
la tabla 4 detallaremos los requerimientos para la selección del dispositivo de
potencia.
Tabla 4: Requerimientos para el dispositivo de potencia.
REQUERIMIENTOS PARA EL DISPOSITIVO DE
POTENCIA
DISPOSITIVO REQUERIMIENTO
IGBT IGBT A UTILIZAR: 12
I máx.: 2 A
V: 168 Vmaxdc
FRECUENCIA DE
CONMUTACIÓN: 60 HZ
TIPO: DE POTENCIA
[9]
Los parámetros técnicos específicos del dispositivo se muestran a
continuación.
Imáx por IGBT = Imáx carga
Imáx carga = 2A
Vmáx por IGBT = ∑ 𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
∑ 𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 168 Vdc
33
Basado en los parámetros de corriente y voltaje de diseño máximos se
procedió a validar las capacidades del IGBT seleccionado FGA40N65SMD,
cumpliendo como se muestra las condiciones necesarias para el
funcionamiento del inversor.
Vce (Según hoja de datos) = 650 V
Imáx C (Según hoja de datos) = 40 A
El IGBT seleccionado cumple con los valores antes mencionados, y
además al no existir en el mercado valores justos al necesitado se
sobredimensionó, llegando al dispositivo de potencia antes mencionado.
Para el disparo de cada IGBT se utilizó fuentes dc con un voltaje de 20Vdc
y una corriente de 2A, debido a que estos dispositivos se activan al inyectar
voltaje controlado en su gate el cual puede mantener un nivel con un valor
nominal entre 0 y 20Vdc.
Vge (Según hoja de datos) = 20 V
Iges (Según hoja de datos) = 400 nA
Tomando en cuenta los parámetros de cada uno de los dispositivos de
potencia y llevándolo a la necesidad, se indica en tabla 5 el dispositivo de
potencia seleccionado.
Tabla 5: Selección del Dispositivo de Potencia.
DISPOSITIVOS DE POTENCIA
DISPOSITIVO TIPO SERIE FUNCIÓN
Conmutador IGBT FGA40N65SMD Switch
[9]
A continuación en la figura 18 se muestra el IGBT seleccionado de forma
real.
34
Figura 18: IGBT FGA40N65SMD. [12]
(Ver Anexo 2)
2.3. Diseño de la etapa de control
Siendo la figura 17 el esquema electrónico de conexión para los
conmutadores de potencia IGBT´s, se tomó en cuenta dicha figura para el
diseño de la etapa de control del inversor monofásico multinivel de tres etapas
conectadas en cascada que se plantea para el desarrollo del presente
proyecto.
Antes de la selección del dispositivo de control se indicará las señales que
este entregará para el funcionamiento del inversor multinivel, puesto que un
parámetro de diseño del inversor multinivel es minimizar la distorsión
armónica, para aquello se calculará los ángulos de disparo, otro parámetro de
diseño de esta etapa de control son los pulsos que el microcontrolador debe
entregar al inversor multinivel para su funcionamiento.
A continuación se desarrollará la selección del ángulo de disparo para
minimizar la distorsión armónica, este es uno de los parámetros antes
mencionados.
35
2.3.1. Selección del ángulo de disparo para minimizar la distorsión
armónica.
El cálculo de la distorsión armónica también conocida como TDH, es un
cálculo utilizado para comparar una forma de onda con su componente
fundamental compuesta por E1 que hace referencia al valor cuadrático (RMS)
de la componente fundamental y Et que es el valor RMS de la forma de onda
total.
El estudio de la distorsión armónica se realiza con el objetivo de reducir el
contenido armónico de la señal de salida del Inversor a diseñar, procurando
que la forma de onda a comparar sea lo más sinusoidal posible, es decir que
entre más pequeño sea el TDH calculado mejor será la calidad de señal que
tengamos a la salida del Inversor. El contenido armónico de un sistema que
posee inversores tipo puente completo en cascada se reduce de manera
considerable solo por el hecho de incrementar las etapas, proceso que incluso
permite obtener mayor voltaje de salida.
Según lo mencionado en el párrafo anterior para el caso de un inversor
monofásico multinivel de tres etapas conectadas en cascada, para nuestro
proyecto, existen siete ángulos, como se indica en la figura 19, lo que hace
mención al tiempo en que el Inversor pasa de un nivel de tensión a otro; cada
ángulo se puede escoger para el disparo de los elementos de potencia del
circuito de forma que al hacerlo se puede variar los niveles de amplitud y
contenido armónico de la señal de salida de dicho Inversor. La distorsión
armónica de una señal de salida de un inversor monofásico multinivel de tres
etapas conectadas en cascada se calcula utilizando la ecuación de distorsión
armónica TDH que se indica en la tabla 6, mientras que la amplitud de la
fundamental se obtiene aplicando una serie de Fourier para una onda
cuadrada.
Para la normalización sobre la distorsión armónica total el CONELEC se
basa en recomendaciones de la norma IEEE 519.
36
Según CONELEC el TDH permitido es hasta 8%, en la tabla 6 se detalla
el proceso de obtención de la distorsión armónica y de la amplitud de la
fundamental tomando como base un Inversor de 8 niveles de voltaje, de forma
ordenada y sistemática.
La Figura 19 nos indica los voltajes a la salida de nuestro inversor
multinivel en cascada, generado los 8 niveles de voltaje con sus respectivos
ángulos de disparo, de esta manera obtenemos nuestro voltaje e(wt) entre 0 y
2π.
Figura 19: Forma de onda e(wt) con los diferentes niveles de voltaje a la salida
del inversor multinivel en cascada. [9]
Analizamos el voltaje de salida del inversor multinivel en la figura 19
mediante las Series de Fourier que nos indica que toda función periódica se
puede representar mediante la sumatoria infinita de senos y cosenos, así
tenemos nuestro voltaje e(wt) expresado en la siguiente ecuación.
[V]
T[rad]
e(wt)
37
𝑒(𝑤𝑡) = 𝐴0 + ∑(𝐴𝑛 cos 𝑛𝑤𝑡 + 𝐵𝑛 sin 𝑛𝑤𝑡)
∞
𝑛=1
(𝟐. 𝟏 )
𝐴0 =1
𝑇∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡
𝑇
0
(𝟐. 𝟐 )
𝐴𝑛 =2
𝑇∫ 𝑒(𝑡) 𝑐𝑜𝑠 𝑛𝑤𝑡 𝑑𝑡
𝑇
0
(𝟐. 𝟑 )
𝐁𝐧 =𝟐
𝐓∫ 𝐞(𝐭) 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐭
𝐓
𝟎
(𝟐. 𝟒 )
Donde:
n = un número entero (1, 2, 3, …)
w = frecuencia angular
Resolviendo la Serie de Fourier de las ecuaciones 2.2, 2.3 y 2.4 tenemos:
𝐴0 = 0; Porque el valor medio es igual a 0 (𝟐. 𝟓 )
𝐴𝑛 = 0; 𝑃𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑒(𝑤𝑡) 𝑒𝑠 𝑢𝑛𝑎 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑚𝑝𝑎𝑟 (𝟐. 𝟔 )
𝐁𝐧
=𝟐
𝟐𝛑∫ 𝒆(𝐰𝐭) 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭
𝟐𝛑
𝟎
(𝟐. 𝟕 )
𝐁𝐧 =𝟏
𝛑∗ 𝟒 [∫ 𝟎 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭
𝛂𝟏
𝟎
+ ∫𝐄
𝟕 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭
𝛂𝟐
𝛂𝟏
+ ∫𝟐𝐄
𝟕 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭
𝛂𝟑
𝛂𝟐
+ ∫𝟑𝐄
𝟕 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭
𝛂𝟒
𝛂𝟑
+ ∫𝟒𝐄
𝟕 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭
𝛂𝟓
𝛂𝟒
+ ∫𝟓𝐄
𝟕 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭
𝛂𝟔
𝛂𝟓
+ ∫𝟔𝐄
𝟕 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭
𝛂𝟕
𝛂𝟔
+ ∫𝟕𝐄
𝟕 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭
𝛑 𝟐⁄
𝛂𝟕
]
𝐵𝑛 =4𝐸
7𝑛. 𝜋[cos(𝑛. 𝛼1) + cos(𝑛. 𝛼2) + cos(𝑛. 𝛼3) + cos(𝑛. 𝛼4)
+ cos(𝑛. 𝛼5) + cos (𝑛. 𝛼6) + cos (𝑛. 𝛼7)] (𝟐. 𝟖)
38
Siendo las ecuaciones mostradas a continuación las correspondientes a
cada una de las armónicas con componentes de mayor magnitud (3o, 5o, 7o,
9o, 11o, 13o, 15o), que son las que se minimizaran con el proceso.
𝐵3 =4𝐸
7 ∗ 3𝜋[cos(3. 𝛼1) + cos(3. 𝛼2) + cos (3. 𝛼3) + cos(3. 𝛼4) + cos(3. 𝛼5)
+ cos (3. 𝛼6) + cos (3. 𝛼7)] (𝟐. 𝟗)
𝐵5 =4𝐸
7 ∗ 5𝜋[cos(5. 𝛼1) + cos(5. 𝛼2) + cos (5. 𝛼3) + cos(5. 𝛼4) + cos(5. 𝛼5)
+ cos (5. 𝛼6) + cos (5. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟎)
𝐵7 =4𝐸
7 ∗ 7𝜋[cos(7. 𝛼1) + cos(7. 𝛼2) + cos (7. 𝛼3) + cos(7. 𝛼4) + cos(7. 𝛼5)
+ cos (7. 𝛼6) + cos (7. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟏)
𝐵9 =4𝐸
7 ∗ 9𝜋[cos(9. 𝛼1) + cos(9. 𝛼2) + cos (9. 𝛼3) + cos(9. 𝛼4) + cos(9. 𝛼5)
+ cos (9. 𝛼6) + cos (9. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟐)
𝐵11 =4𝐸
7 ∗ 11𝜋[cos(11. 𝛼1) + cos(11. 𝛼2) + cos(11. 𝛼3) + cos(11. 𝛼4)
+ cos(11. 𝛼5) + cos(11. 𝛼6) + cos (11. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟑)
𝐵13 =4𝐸
7 ∗ 13𝜋[cos(13. 𝛼1) + cos(13. 𝛼2) + cos (13. 𝛼3) + cos(13. 𝛼4)
+ cos(13. 𝛼5) + cos (13. 𝛼6) + cos (13. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟒)
𝐵15 =4𝐸
7 ∗ 15𝜋[cos(15. 𝛼1) + cos(15. 𝛼2) + cos (15. 𝛼3) + cos(15. 𝛼4)
+ cos(15. 𝛼5) + cos (15. 𝛼6) + cos (15. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟓)
Para eliminar las componentes que provocan distorsión, se iguala las
ecuaciones trascendentales no lineales anteriores a cero.
0 = [cos(3. 𝛼1) + cos(3. 𝛼2) + cos (3. 𝛼3) + cos(3. 𝛼4) + cos(3. 𝛼5) + cos (3. 𝛼6)
+ cos (3. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟔)
39
0 = [cos(5. 𝛼1) + cos(5. 𝛼2) + cos (5. 𝛼3) + cos(5. 𝛼4) + cos(5. 𝛼5) + cos (5. 𝛼6)
+ cos (5. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟕)
0 = [cos(7. 𝛼1) + cos(7. 𝛼2) + cos (7. 𝛼3) + cos(7. 𝛼4) + cos(7. 𝛼5) + cos (7. 𝛼6)
+ cos (7. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟖)
0 = [𝑐𝑜𝑠(9. 𝛼1) + 𝑐𝑜𝑠(9. 𝛼2) + 𝑐𝑜𝑠 (9. 𝛼3) + 𝑐𝑜𝑠(9. 𝛼4) + 𝑐𝑜𝑠(9. 𝛼5) + 𝑐𝑜𝑠 (9. 𝛼6)
+ 𝑐𝑜𝑠 (9. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟗)
0 = [cos(11. 𝛼1) + cos(11. 𝛼2) + cos(11. 𝛼3) + cos(11. 𝛼4) + cos(11. 𝛼5)
+ cos(11. 𝛼6) + cos (11. 𝛼7)] (𝟐. 𝟐𝟎)
0 = [cos(13. 𝛼1) + cos(13. 𝛼2) + cos (13. 𝛼3) + cos(13. 𝛼4) + cos(13. 𝛼5)
+ cos (13. 𝛼6) + cos (13. 𝛼7)] (𝟐. 𝟐𝟏)
0 = [cos(15. 𝛼1) + cos(15. 𝛼2) + cos (15. 𝛼3) + cos(15. 𝛼4) + cos(15. 𝛼5)
+ cos (15. 𝛼6) + cos (15. 𝛼7)] (𝟐. 𝟐𝟐)
Para la resolución de este sistema de ecuaciones trascendentales no
lineales de 7 incógnitas utilizamos el software “MATLAB & Simulink Release
2011” utilizando la función ‘fsolve’ nos permite resolver ecuaciones
trascendentales no lineales, obteniendo los ángulos de disparo, como se
muestra en la tabla 6.
Tabla 6: Ángulos de disparo de las fuentes de voltaje.
𝜶𝟏 𝜶𝟐 𝜶𝟑 𝜶𝟒 𝜶𝟓 𝜶𝟔 𝜶𝟕
8.57° 10.08° 25.72° 31.56° 42.85° 49.92° 66.01°
0.397(ms) 0.466(ms) 1.190(ms) 1.461(ms) 1.983(ms) 2.310(ms) 3.054(ms)
0.1496 rd 0.1759 rd 0.4489 rd 0.5508 rd 0.7479 rd 0.8713 rd 1.1521 rd
[9]
La ubicación de los ángulos se indica en la figura 20.
40
Una vez calculados los ángulos de disparo se procede con el cálculo del
TDH, como se indica en la tabla 7.
Tabla 7: Proceso para el cálculo de la Distorsión Armónica (THD).
DISTORSIÓN ARMÓNICA
I
Cálculo del TDH
𝑇𝐷𝐻 = √∑ 𝐸𝑛
2𝑛≠1
𝐸12 = √
𝐸𝑡2 − 𝐸1
2
𝐸12 ∗ 100% (𝟐. 𝟐𝟑)
II
Cálculo del valor RMS de la Fundamental (Figura 19)
Una vez calculado el termino Bn en la ecuación 2.7 remplazamos n=1;
obteniendo así la amplitud de la fundamental.
𝑒1 =4𝐸
7 ∗ 1. 𝜋[cos(1. 𝛼1) + cos(1. 𝛼2) + cos(1. 𝛼3) + cos(1. 𝛼4) + cos(1. 𝛼5)
+ cos (1. 𝛼6) + cos (1. 𝛼7)] (𝟐. 𝟐𝟒)
Y su valor RMS es:
𝐸1 =𝑒1
√2 (𝟐. 𝟐𝟓)
𝐸1 =2(√2)𝐸
7𝜋[cos(𝛼1) + cos(𝛼2) + cos(𝛼3) + cos(𝛼4) + cos(𝛼5) + cos(𝛼6)
+ cos(𝛼7)] (𝟐. 𝟐𝟔)
𝐸12 =
8𝐸2
49𝜋2 [cos(𝛼1) + cos(𝛼2) + cos(𝛼3) + cos(𝛼4) + cos(𝛼5) + cos(𝛼6)
+ cos(𝛼7)]2 (𝟐. 𝟐𝟕)
III
Obtención del valor efectivo (RMS) de la forma de onda de la tensión de salida
del Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas conectadas en cascada y
moduladas por Pulso Único mostrada a continuación
𝐸𝑡 = √1
𝑇∫ 𝑒(𝑤𝑡)
2 𝑑(𝑤𝑡)𝑇
0
2
(𝟐. 𝟐𝟖)
CONTINÚA
41
Obtención del valor efectivo (RMS) de la forma de onda de la tensión de salida
del Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas conectadas en cascada y
moduladas por Pulso Único.
𝐸𝑡2 =
1
2𝜋∫ 𝑒(𝑤𝑡)
2 𝑑(𝑤𝑡)2𝜋
0
(𝟐. 𝟐𝟗)
𝐸𝑡2 =
4
2𝜋∫ 𝑒(𝑤𝑡)
2 𝑑(𝑤𝑡)
𝜋2
0
(𝟐. 𝟑𝟎)
𝐸𝑡2 =
2
𝜋[∫ (0)2. 𝑑(𝑤𝑡)
𝛼1
0
+ ∫ (𝐸
7)
2
. 𝑑(𝑤𝑡)𝛼2
𝛼1
+ ∫ (2. 𝐸
7)
2
. 𝑑(𝑤𝑡)𝛼3
𝛼2
+ ∫ (3. 𝐸
7)
2
. 𝑑(𝑤𝑡) + ∫ (4. 𝐸
7)
2
. 𝑑(𝑤𝑡)𝛼5
𝛼4
𝛼4
𝛼3
+ ∫ (5. 𝐸
7)
2
. 𝑑(𝑤𝑡) + ∫ (6. 𝐸
7)
2
. 𝑑(𝑤𝑡)𝛼7
𝛼6
+ ∫ (7. 𝐸
7)
2
. 𝑑(𝑤𝑡)𝜋/2
𝛼7
𝛼6
𝛼5
]
𝐸𝑡2 =
2 𝐸2
49. 𝜋[49. 𝜋
2− 1𝛼1 − 3𝛼2 − 5𝛼3 − 7𝛼4 − 9𝛼5 − 11𝛼6 − 13𝛼7] (𝟐. 𝟑𝟏)
Donde:
TDH: Distorsión armónica total
e1: primer armónico fundamental
E1: Hace referencia al valor cuadrático (RMS) de la componente fundamental
Et: Es el valor RMS de la forma de onda total
T: Período de la onda sinusoidal
t: tiempo
n: enésimo término
E: 168V
w: Frecuencia angular
α: Ángulo de disparo para cada IGBT
[9]
Para la obtención del THD remplazamos las ecuaciones 2.27 y 2.31 en la
ecuación 2.23 con los respectivos ángulos de disparo obtenidos anteriormente
en la tabla 7, teniendo el siguiente resultado:
𝑇𝐷𝐻 = 7,94%
42
Basados en los datos anteriores para el diseño del inversor multinivel, se
requiere que el microcontrolador opere como se indica en las tablas de la 7.1
a la 7.15, es por esto que se indicarán los pulsos y su manera de activación.
En la figura 20 se indica los pulsos de cada uno de los IGBT´s con su forma
de onda ideal.
Figura 20: Forma de Onda Ideal e(wt) con los Pulsos de cada IGBT. [9]
e(wt)
t(s)
43
A continuación en las siguientes tablas de la 7.1 a la 7.15, se indica los pulsos
que el microcontrolador tendrá que entregar al inversor multinivel.
Tabla 7.1: Señales de control para obtener los voltajes de operación del
inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel
de Operación 0 V
[9]
INVERSOR MONOFÁSICO MULTINIVEL DE TRES ETAPAS EN CASCADA
NIVEL DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
0 V
SW1 B D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 ASC D3 C
SW4 AC D4 SC
SW5 B D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 ASC D7 C
SW8 AC D8 SC
SW9 B D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 ASC D11 C
SW12 AC D12 SC
Vab = 0 V
SW=IGBT, D=DIODO SC=SIN CONDUCCIÓN
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C= EN CONDUCCIÓN
44
Tabla 7.2: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación 24 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
24 V
SW1 AC D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 B D3 SC
SW4 AC D4 SC
SW5 B D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 ASC D7 C
SW8 AC D8 SC
SW9 B D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 ASC D11 C
SW12 AC D12 SC
Vab = + 24 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
45
Tabla 7.3: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación 48 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
48 V
SW1 B D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 ASC D3 C
SW4 AC D4 SC
SW5 AC D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 B D7 SC
SW8 AC D8 SC
SW9 B D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 ASC D11 C
SW12 AC D12 SC
Vab = + 48 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIONES
46
Tabla 7.4: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación 72 V
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
72 V
SW1 AC D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 B D3 SC
SW4 AC D4 SC
SW5 AC D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 B D7 SC
SW8 AC D8 SC
SW9 B D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 ASC D11 C
SW12 AC D12 SC
Vab = + 72 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
47
Tabla 7.5: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación 96 V
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
96 V
SW1 B D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 ASC D3 C
SW4 AC D4 SC
SW5 B D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 ASC D7 C
SW8 AC D8 SC
SW9 AC D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 B D11 SC
SW12 AC D12 SC
Vab = + 96 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
48
Tabla 7.6: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación 120 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
120 V.
SW1 AC D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 B D3 SC
SW4 AC D4 SC
SW5 B D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 ASC D7 C
SW8 AC D8 SC
SW9 AC D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 B D11 SC
SW12 AC D12 SC
Vab = + 120 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
49
Tabla 7.7: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación 144 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
144 V.
SW1 B D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 ASC D3 C
SW4 AC D4 SC
SW5 AC D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 B D7 SC
SW8 AC D8 SC
SW9 AC D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 B D11 SC
SW12 AC D12 SC
Vab = + 144 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
50
Tabla 7.8: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación 168 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
168 V.
SW1 AC D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 B D3 SC
SW4 AC D4 SC
SW5 AC D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 B D7 SC
SW8 AC D8 SC
SW9 AC D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 B D11 SC
SW12 AC D12 SC
Vab = + 168 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
51
A continuación, los tiempos del ciclo negativo serán los siguientes:
Tabla 7.9: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación -24 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
-24 V.
SW1 B D1 SC
SW2 AC D2 SC
SW3 AC D3 SC
SW4 B D4 SC
SW5 B D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 AC D7 SC
SW8 ASC D8 C
SW9 B D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 AC D11 SC
SW12 ASC D12 C
Vab = - 24 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
52
Tabla 7.10: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación - 48 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
- 48 V.
SW1 B D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 AC D3 SC
SW4 ASC D4 C
SW5 B D5 SC
SW6 AC D6 SC
SW7 AC D7 SC
SW8 B D8 SC
SW9 B D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 AC D11 SC
SW12 ASC D12 C
Vab = - 48 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
53
Tabla 7.11: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación -72V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
-72 V.
SW1 B D1 SC
SW2 AC D2 SC
SW3 AC D3 SC
SW4 B D4 SC
SW5 B D5 SC
SW6 AC D6 SC
SW7 AC D7 SC
SW8 B D8 SC
SW9 B D9 SC
SW10 B D10 SC
SW11 AC D11 SC
SW12 ASC D12 C
Vab = -72 V.
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCION
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
54
Tabla 7.12: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación -96 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
-96 V
SW1 B D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 AC D3 SC
SW4 ASC D4 C
SW5 B D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 AC D7 SC
SW8 ASC D8 C
SW9 B D9 SC
SW10 AC D10 SC
SW11 AC D11 SC
SW12 B D12 SC
Vab = -96 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
55
Tabla 7.13: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación -120 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
-120 V.
SW1 B D1 SC
SW2 AC D2 SC
SW3 AC D3 SC
SW4 B D4 SC
SW5 B D5 SC
SW6 B D6 SC
SW7 AC D7 SC
SW8 ASC D8 C
SW9 B D9 SC
SW10 AC D10 SC
SW11 AC D11 SC
SW12 B D12 SC
Vab = -120 V.
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
56
Tabla 7.14: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación -144 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
-144 V
SW1 B D1 SC
SW2 B D2 SC
SW3 AC D3 SC
SW4 ASC D4 C
SW5 B D5 SC
SW6 AC D6 SC
SW7 AC D7 SC
SW8 B D8 SC
SW9 B D9 SC
SW10 AC D10 SC
SW11 AC D11 SC
SW12 B D12 SC
Vab = -144 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
57
Tabla 7.15: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de
operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en
cascada, nivel de operación -168 V.
[9]
NIVEL
DESCRIPCIÓN
OPERACIÓN
-168 V
SW1 B D1 SC
SW2 AC D2 SC
SW3 AC D3 SC
SW4 B D4 SC
SW5 B D5 SC
SW6 AC D6 SC
SW7 AC D7 SC
SW8 B D8 SC
SW9 B D9 SC
SW10 AC D10 SC
SW11 AC D11 SC
SW12 B D12 SC
Vab = -168 V
SW=IGBT, D=DIODO
B= EN BLOQUEO
AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN
ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN
C=EN CONDUCCIÓN
SC=SIN CONDUCCIÓN
58
La forma de onda de voltaje de salida del inversor monofásico multinivel
de tres etapas conectadas en cascada mediante las señales de control se
muestra en la siguiente figura.
Figura 21: Onda generada por el principio básico de operación de cada
IGBT. [9]
Luego de realizar los parámetros de diseño para la selección del
dispositivo de control de esta etapa, se procede a la selección del
microcontrolador.
A continuación se detallará la selección, los requerimientos y justificación
del microcontrolador.
t(s)
e(wt)
s
)
59
2.3.2. Selección del Microcontrolador.
A continuación se citará los requerimientos y la justificación del
microcontrolador seleccionado.
En la tabla 8 se indica los requerimientos para el microcontrolador.
Tabla 8: Requerimientos para el microcontrolador.
REQUERIMIENTOS PARA EL MICROCONTROLADOR
DISPOSITIVO REQUERIMIENTO
CONTROLADOR PUERTOS DIGITALES DE SALIDA:
1 SALIDA POR CADA IGBT
1 SALIDA PARA UN LED
TEMPORIZADOR
FRECUENCIA
SEÑAL DE RELOJ
ESPACIO DE MEMORIA
Puertos digitales con interrupción:
1 Salida para switch on/off,
1 Salida para pulsador arranque
[9]
Se requiere 15 bits de salida, entonces para la selección del
microcontrolador se tomó en cuenta los requerimientos, es por esto que
podemos justificar el microcontrolador ATMEGA164P seleccionado, en lugar
de los micro controladores comparados en la teoría del capítulo uno y también
en comparación de otro tipo de dispositivos de control como FPGA’s (es un
dispositivo semiconductor que posee bloques lógicos interconectados para
que puedan ser programados), PLC’s, microprocesadores, debido a
parámetros estudiados previamente como costo, memoria, velocidad de
60
procesamiento, robustez, capacidad de cobertura de requerimientos entre
otros.
Este dispositivo con respecto a los demás es eficiente para los
requerimientos del proyecto debido a que su capacidad de almacenamiento y
velocidad de respuesta permiten realizar un control eficiente y eficaz sobre la
etapa de control del inversor y constituye un elemento de costo adecuado y
para nada sobredimensionado al proyecto con respecto por ejemplo a un PLC
que en costos supera al microcontrolador escogido en relación 100/1 y evita
el desperdicio de recursos internos.
Entre los principales beneficios del uso de un microcontrolador para el
control de un inversor tenemos los siguientes puntos:
- Velocidad adecuada de procesamiento.
- Robustez aceptable.
- Capacidades de almacenamiento perfectamente adecuadas para el
almacenamiento del programa necesario para los disparos de los IGBT’S.
- Simplicidad de uso.
- Adaptabilidad a periféricos externos sin la necesidad del uso de módulos
adicionales.
- Bajo costo.
- Durabilidad.
En el Anexo 3 se describe las características del microcontrolador
seleccionado
En la tabla 9 se señala las características de diseño del microcontrolador
seleccionado.
61
Tabla 9: Características del microcontrolador.
[9]
En la figura 22, se muestra el microcontrolador Atmel 164P utilizado en la
etapa de diseño.
Figura 22: Microcontrolador Atmel 164P. [13]
A continuación en la figura 23 y mediante un diagrama de flujo se indica
los pasos realizados para la lectura y asignación de disparos de cada uno de
los IGBT´s, programados en el microcontrolador para la etapa de control.
CARACTERÍSTICAS DEL MICROCONTROLADOR
PARÁMETRO VALOR NOMINAL
Voltaje 5 VDC
Número E/S 32
Puerto de E/S 4x8 bits
Memoria RAM 1024 bytes
Oscilador interno RC 8 MHz
Flash programable 16 bytes
62
La programación para la activación de los IGBT se realiza con el diagrama
de flujo de la figura 23 y con la tabla 10 los tiempos de activación para cada
IGBT, cuya programación está en el Anexo 1.
Figura 23: Diagrama de Flujo Etapa de Control.
63
Tabla 10: Tiempos de activación de cada IGBT. (Ver figura 21) TIEMPO
(us)
IGBT
1
IGBT
2
IGBT
3
IGBT
4
IGBT
5
IGBT
6
IGBT
7
IGBT
8
IGBT
9
IGBT
10
IGBT
11
IGBT
12
t1= 400 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
t2= 70 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1
t3= 720 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1
t4= 270 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1
t5= 520 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1
t6= 330 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1
t7= 740 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1
t8=2230 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
t9= 740 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1
t10= 330 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1
t11= 520 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1
t12= 270 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1
t13= 720 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1
t14= 70 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1
t15= 400 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
t16= 400 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
t17= 70 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1
t18= 720 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1
t19= 270 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
t20= 520 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0
t21= 330 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0
t22= 740 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0
t23=2240 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
t24= 740 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0
t25= 330 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0
t26= 520 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0
t27= 270 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
t28= 720 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1
t29= 70 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1
t30= 400 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
[9]
64
2.4. Implementación de la Etapa de Potencia
Siendo la figura 24 el esquema eléctrico de conexión para los
conmutadores de potencia, IGBT´s, para la construcción e implementación de
la etapa de potencia del inversor monofásico multinivel de tres etapas
conectadas en cascada que se plantea para el desarrollo del presente
proyecto, existen varios parámetros y características de los diferentes
elementos los cuales se tuvo que considerar.
Es por eso que para la elaboración de las placas donde se ubicaría cada
una de las etapas del inversor se realizará un solo modelo puesto que las
otras dos restantes placas tienen el mismo circuito y funcionalidad cambiando
nada más sus conexiones entre sí, por lo que utilizando las borneras de acople
tipo tornillo se unirán las fuentes de alimentación con las GATES de cada uno
los IGBT´s ayudando así a recibir mejor la señal del dispositivo de la placa de
control.
Figura 24: Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas Conectado en Cascada.
[9]
El opto acoplador es de gran importancia porque aísla eléctricamente la
etapa de control con la etapa de potencia, esto ayudará así, a evitar la
saturación de los IGBT´s y los cortocircuitos.
+
-
+
-
+
-
65
La placa de Cobre (Cu) ruteada será utilizada en cada una de las etapas
del inversor multinivel.
En la figura 25 está la fotografía final de la placa de la etapa de potencia
terminada.
Figura 25: Tarjeta de Potencia. [9]
2.5. Implementación de la Etapa de Control
Este capítulo describe la implementación del inversor multinivel en
cascada. Para ello se muestra el diagrama que permite describir su estructura
y funcionamiento.
Para construir el prototipo de inversor multinivel se debe tener en cuenta
tanto los aspectos teóricos como las características de los elementos
seleccionados.
66
En la figura 26 se muestra el diagrama eléctrico de conexiones de la etapa
de control del inversor multinivel monofásico, en donde: J1 representa al
interruptor de encendido o apagado del microcontrolador; J2 representa la
alimentación al microcontrolador
Figura 26: Diagrama Eléctrico de la Etapa de Control. [9]
67
Aquí se puede observar la utilización del microcontrolador seleccionado
ATMEL ATMEGA164P, el cual se programó para dar las señales de activación
de cada uno de los IGBT´s (La programación se muestra en el Anexo1),
ubicados en la etapa de potencia.
En la etapa de control se colocó un interruptor con el objetivo de encender
o apagar dicha etapa logrando también una protección cuanto se energice al
módulo.
Por su parte la figura 27 muestra la fotografía de la placa con los
elementos ya ubicados, obteniendo así la tarjeta de la etapa de control del
inversor multinivel monofásico.
Figura 27: Tarjeta de Control. [9]
68
La ubicación de los componentes en el circuito impreso de la etapa de
potencia como de la etapa de control se indica en el Anexo 5.
2.6. Ensamblado del sistema de la Etapa de Control con la Etapa de
Potencia.
Para la integración de la etapa de control con la etapa de potencia se
realizó con el conductor AWG número 20, esto permite estar comunicados
y así enviar los pulsos de la placa de control a cada uno de los IGBT´s
implementados en las placas de potencia.
En la figura 28 está como resultado el módulo final del prototipo
didáctico de inversor multinivel monofásico en cascada.
Figura 28: Módulo final del Inversor Multinivel Didáctico Monofásico en
Cascada. [9]
69
CAPÍTULO 3
3. ANÁLISIS Y PRUEBAS DE RESULTADOS
3.1. Introducción
El presente capítulo analiza los resultados obtenidos durante el proceso
de desarrollo del proyecto de titulación enfocando dicho análisis a pruebas
sobre los dispositivos implementados.
3.2. Pruebas del Inversor
Las pruebas fueron realizadas tomando en cuenta los valores ideales del
inversor multinivel. En la tabla 11 se muestra los valores ideales del inversor.
Tabla 11: Valores ideales del inversor.
VALORES IDEALES DEL INVERSOR
PARÁMETRO VALOR NOMINAL
Voltaje Carga 110 VRMS
Corriente Carga 2 A
Frecuencia 60Hz
Carga Monofásica
[9]
3.2.1. Forma de Onda Ideal y Real del Inversor
Tomando en cuenta el diseño ya realizado y llevándolo a simulación en la
figura 29, se generó el tipo de onda, esta onda es la ideal generada para
nuestro proyecto.
70
Figura 29: Forma de onda Ideal Generada. [9]
La forma de onda generada ya construido el prototipo se indica en la figura
30, cumpliendo así con los niveles, tiempos y corrientes antes mencionadas
para su diseño.
Figura 30: Forma de onda Real Generada. [10]
71
3.2.2. Forma de onda de salida de voltajes de fase del inversor
A continuación en la figura 31 se indica el esquema eléctrico de
conexiones de cada puente H, esto ayudará a la realización de los pulsos de
cada IGBT.
Figura 31: Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas Conectado en Cascada.
[9]
Las formas de onda de forma ideal se indican en la figura 32 siendo estas
correspondientes a cada IGBT con el voltaje de sus fuentes.
+ -
+ -
+ -
72
Figura 32: Forma de Onda Ideal a la salida del inversor. [9]
e(wt)
t(s)
73
3.2.3. Pulsos de los IGBT obtenidos por el módulo de adquisición de
datos (LV DAM EMS)
A continuación en las siguientes figuras de la 33a, a la 33l, se indica los
pulsos generados (color morado) en forma práctica por cada IGBT a través
del módulo de adquisición de datos (LV DAM EMS), en comparación con su
onda fundamental (color rojo).
Figura 33a: Pulso del IGBT 1. [10]
Figura 33b: Pulso del IGBT 2. [10]
74
Figura 33c: Pulso del IGBT 3. [10]
Figura 33d: Pulso del IGBT 4. [10]
75
Figura 33e: Pulso del IGBT 5. [10]
Figura 33f: Pulso del IGBT 6. [10]
76
Figura 33g: Pulso del IGBT 7. [10]
Figura 33h: Pulso del IGBT 8. [10]
77
Figura 33i: Pulso del IGBT 9. [10]
Figura 33j: Pulso del IGBT 10. [10]
78
Figura 33k: Pulso del IGBT 11. [10]
Figura 33l: Pulso del IGBT 12. [10]
79
Como se puede observar los pulsos generados en la práctica
corresponden a los pulsos generados en la simulación, con un margen de
error inferior a la unidad esto se debe a la captura de las imagines en tiempo
real.
3.2.4. Resultado del TDH Adquirido por el Módulo de Adquisición de
Datos (LV DAM EMS)
En la figura 34 se observa que el valor TDH obtenido en forma práctica del
módulo de adquisición de datos (LV DAM ES), es menor al calculado,
cumpliendo así de manera correcta el diseño para el TDH.
Figura 34: Valor obtenido en la práctica del TDH. [10]
80
El valor obtenido en esta práctica es de 7.8%, esto significa que el valor
corresponde al calculado en el capítulo anterior, cumpliendo así con uno de
los objetivos del proyecto.
3.2.5. Resultado de los ángulos de disparo de cada nivel adquirido por el
módulo de adquisición de datos (LV DAM EMS)
En la tabla 12 se indica los valores obtenidos en el diseño y en la práctica
en milisegundos (ms), para su respectiva comparación de resultados.
Tabla 12: Valores calculados y obtenidos en la práctica.
[9]
Los valores obtenidos en esta práctica están dentro del margen del error,
lo que quiere decir que lo diseñado a lo obtenido satisface a uno de los
objetivos del presente proyecto.
A continuación en las siguientes figuras visualizaremos los tiempos (ms)
de disparo de cada nivel comparando con la parte de diseño correspondiente
a los ángulos.
VALOR
CALCULADO
VALOR
OBTENIDO
ERROR (%)
0.397 0.40 0.75
0.466 0.47 0.85
1.190 1.20 0.83
1.461 1.47 0.61
1.983 2.00 0.85
2.310 2.33 0.85
3.054 3.07 0.50
81
ÁNGULOS DE DISPARO
Figura 35a. Ángulo de Disparo 1 (α1). [10]
Figura 35b. Ángulo de Disparo 2 (α2). [10]
Ángulo de disparo 1 (α1) [ms]
Ángulo de disparo 2 (α2) [ms]
82
Figura 35c. Ángulo de Disparo 3 (α3). [10]
Figura 35d. Ángulo de Disparo 4 (α4). [10]
Ángulo de disparo 3 (α3) [ms]
Ángulo de disparo 4 (α4) [ms]
83
Figura 35e. Ángulo de Disparo 5 (α5). [10]
Figura 35f. Ángulo de Disparo 6 (α6). [10]
Ángulo de disparo 5 (α5) [ms]
Ángulo de disparo 6 (α6) [ms]
84
Figura 35g. Ángulo de Disparo 7 (α7). [10]
3.2.6. Resultados Obtenidos en las Pruebas de Laboratorio con Carga
resistiva en el generador.
En la tabla 13 se muestran los valores obtenidos en las pruebas de
laboratorio, esto se realizó con la ayuda de un motor, los valores
representados son a la salida del generador conectado a este un módulo de
cargas resistivas (figura 36).
Figura 36: Modelo de conexión para la prueba de laboratorio. [9]
Ángulo de disparo 7 (α7) [ms]
85
En la figura 37 se indica el módulo carga resistiva de manera real.
Figura 37: Módulo real de cargas resistivas. [Módulo resistencias
laboratorio UFA-ESPE]
A continuación se presenta los valores obtenidos en las pruebas
de laboratorio.
Tabla 13: Tabla Comparativa de Resultados.
[9]
CARGA
RESISTIVA
EN EL
GENERADOR
(A)
SALIDA AL MOTOR
VOLTAJE
(V)
CORRIENTE
(A)
0 110 2
0,1 110 2
0,2 110 2
0,3 110 2
0,4 110 2
0,5 110 2
0,6 110 2,1
0,7 110 2,1
0,8 110 2,1
0,9 110 2,1
86
En esta práctica se obtuvo los valores esperados en la parte de diseño, con
un voltaje de 110V y una corriente menor a 2,1A.
Cabe recalcar que para la suma de la carga resistiva se debe subir cada
uno de los interruptores del módulo de carga resistiva según corresponda por
obtener los valores establecidos en dicha práctica.
3.3. Alcance y Limitaciones
3.3.1. Alcance
El Inversor obtenido durante el desarrollo del proyecto de tesis es del tipo
multinivel en cascada, haciendo uso de tecnología digital, analógica y de
herramientas de software y hardware, las cuales permitirán cumplir con las
tareas de inversión y visualización planteadas.
Cabe mencionar que por las características de diseño, el sistema queda
abierto a cambios o mejoras modificando el código de programación de los
controladores y el hardware de potencia del mismo y haciendo uso de los
puertos libres en el hardware correspondiente.
El sistema está diseñado para trabajar dentro del perímetro
correspondiente a un laboratorio de prácticas estudiantiles de la ESPE-L.
Para trabajar fuera del perímetro mencionado es necesario un estudio
previo y modificaciones estructurales del sistema.
3.3.2. Limitaciones
El presente proyecto presenta como limitaciones los siguientes
puntos:
- Capacidad de aplicación limitada a las características de diseño como es:
Voltaje de 110V, corriente de 2.1A.
87
- Maniobrabilidad en entornos fuera del laboratorio establecido para su uso
sin previo estudio y adaptación del mecanismo del sistema.
- Toma de muestras del entorno fuera del rango de operación de los
dispositivos encargados del proceso.
- Las modificaciones y adecuaciones de hardware y software se encuentran
limitadas para los usuarios convencionales y hábiles solo para las
personas consideradas como administradoras del sistema.
- El sistema no realizará análisis exhaustivos de las señales producidas, ya
está diseñado como prototipo didáctico para la demostración de un
inversor multinivel en cascada.
3.4. Costo Económico del Inversor Multinivel Monofásico
A continuación se detallan los costos, gastos e inversión, que se utilizaron
en la elaboración del proyecto. Durante la realización del proyecto se necesita
financiar el capital de trabajo para operar en el tiempo crítico.
Los puntos financiados son:
- Herramientas para montar un sistema
- Equipo de oficina para el levantamiento de información y desarrollo
- Servicios básicos
El proyecto se lo financió al 100% por las personas que desarrollaron el
proyecto.
En la tabla 14 se detalla los rubros financiados.
88
Tabla 14: Rubros financiados.
[9]
CANT. DESCRIPCIÓN VALOR UNIT. TOTAL
12 IGBT 20 240
1 Microcontrolador Atmel 164P 10 10
12 Opto acoplador 4N25 2 24
1 Caja Metálica 40 40
10m Cable conductor AWM número 18 4 40
12m Cable macho-hembra arduino 0.50 6
24 Resistencias 0.02 0,48
6 Fusibles de protección 2A 0.25 1,50
10m Estaño 4 4
12 Disipador 5 60
14 Fuente de alimentación lineal 5 70
7 Fuente de alimentación ATX – 6A 100 700
1 Interruptor On/Of 5 5
1 Pulsador 3 3
2 Tomacorrientes 4 8
6 Conector de 2 pines para 0.25 1,50
1 Conector de 12 pines para los IGBT´s 0.50 0,50
12 Borneras 0.40 4,80
6 Porta fusibles 1 6
12 Terminales tipo ojo 0.20 2,40
4 Condensador 0.10 0.40
3 Cortapicos 110V - 30A 6 18
4 Baquelita A4 8 32
1 Osciloscopio portátil 5M 200 200
1 Punta de prueba para osciloscopio1/10 20 20
12 Plug hembra 0.50 6
1 Mica de plástico 6mm 40 40
TOTAL 1519.18
89
Sumando los rubros a financiar y los gastos varios se obtiene:
Inversión total: G. Rubros a financiar + G. varios.
Inversión total = 1543,58 + 400
Inversión total = $ 1943,58
90
CAPÍTULO 4
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. Conclusiones
- Se diseñó y construyó un inversor multinivel monofásico de tres etapas,
obteniendo un equipo de potencia de estructura compacta y robusta.
- Una vez construido el equipo, éste fue sometido a pruebas prácticas con
resultados exitosos los mismos que corresponde al voltaje de salida de
110V con una corriente de 2,1 A y una frecuencia de 60Hz.
- La utilización de los opto acopladores, es importante porque nos permite
separar y aislar las tierras entre el circuito de control y el circuito de
potencia con el objetivo de proteger la parte de control en caso de
presentarse problemas con la respuesta del sistema en la parte de
potencia del Inversor.
- El inversor multinivel construido a partir de puentes “H” los cuales deben
conectarse en cascada para obtener la máxima cantidad de niveles
posibles. De esta forma con muy pocas etapas se pueden tener un gran
número de niveles; en este caso con 3 etapas se obtuvieron 8 niveles.
- Se lograron todos los objetivos planteados para el desarrollo de este
equipo, en cuanto a tamaño, potencia y operación. Por otro lado, los
resultados experimentales obtenidos muestran un excelente
comportamiento.
- Los Igbts de la misma rama no pueden trabajar al mismo tiempo porque
se puede generar un corto circuito.
- En el sistema cascada debe existir circulación de corriente en los IGBT´s
en todo momento, para así generar el voltaje deseado a la salida del
inversor.
- Con el diseño y construcción del inversor multinivel se logró reducir el
contenido armónico, porque es importante que mientras menor sea el
91
contenido armónico mejor será la calidad de la señal a la salida del
inversor.
4.2. Recomendaciones
- El estudio sobre este tipo de inversores debe seguir realizándose debido
a que la utilización en el control de motores de inducción es útil ya que
provoca una disminución del impacto (armónicos) que otros tipos de
control.
- Antes de la utilización del inversor multinivel, se debe revisar las
conexiones respectivas para evitar cortocircuitos o sobrecargas.
- En caso de suscitarse la destrucción de algún fusible, revisar de forma
inmediata cada uno de los IGBT´s, para así poder corregirlo o en caso
contrario sustituirlo.
- Tener precaución al momento de trasladar el módulo para evitar
desconexiones internas o daños en los dispositivos electrónicos.
92
BIBLIOGRAFÍA
[1] Rashid, M. H. Electrónica de potencia, Tercera ed., Pearson Educacion,
S.A. 2004.
[2] Hart, D. W. Introducción a la Electrónica de Potencia, Primera ed.,
Madrid, Pearson Educacion, S.A., 2001.
[3] Mohan. N. Electrónica de potencia, Tercera ed., Monterrey, Mc Graw Hill.
2009.
[4] Angulo Usategu J. M. i, Microcontroladores PIC. Diseño práctico de
aplicaciones, 3ra ed., Madrid: McGraw-Hill, 2003.
[5] A. Bretón, Diseño y Construcción de un Inersor Trifasico Multinivel, Chile,
2003.
[6] M. O. Gonzáles, Estudio de un inversor monofásico basado en
inversores puente completo conectados en cascada para la realización
de un compensador sincrónico estático (Statcom). Valparaíso 2006.
[7] Ross J. N., The Power of Electronics, 1997.
Benavent, Electrónica de Potencia, Teoría y Aplicaciones, México:
Alfaomega, 2001.
[8] L. A. T. Grisales, Diseño e implementación de un inversor trifasico
multinivel con fijacion de diodos, Pereira, 2010.
[9] A. Ricaurte & D. Sarzosa. “Diseño y Construcción de un Prototipo Didáctico de Inversor Multinivel en Cascada, Monofásico de tres etapas para el laboratorio de control eléctrico Espe – Latacunga”, 2014
[10] Módulo y gestión de adquisición de datos para los sistemas
electromecánicos (LV DAM EMS) modelo 9062 de Lab-Volt.
LINKGRAFÍA
[11] Electronic components datasheet search. FGA40N65SMD Datasheets.
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Fga40n65smd.
[Citado el 05/02/2013]
93
[12] Electronic components datasheet search. ATMEGA164P Datasheets,
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=ATMEGA164P.
[Citado el 15/05/2013]
[13] Lopez C. Electricidad. http://lopez-211.blogspot.com. [Citado el
15/05/2013]
[14] Clasificación de los transistores.
http://perseverantesutpl.wordpress.com/2013/01/24/clasificacion-de-los-
transistores/. [Citado el 24/ 01/2013]
[15] Gaitan D. Electrónica de potencia. http://elecdepotencia-
dispositivos.blogspot.com/2011_12_01_archive.html. [Citado el
18/09/2013]
[16] H.S. Electrónica de potencia.
http://temporizadoressebastian.blogspot.com/. [Citado el 20/10/2013]
[17] Calderon. Introducción a los microcontroladores.
http://es.scribd.com/doc/208564217/Aa-Intropic. [Citado el 20/10/2013]
94
Anexos
Anexo 1
CÓDIGO DEL MICROCONTROLADOR
CÓDIGO DEL MICROCONTROLADOR ‘ATMEGA164P ‘microcontrolador a utilizar’
$regfile = "m164pdef.dat"
$crystal = 8000000 ‘velocidad del oscilador interno (MHz)’
Dim Onoff As Byte ‘variable para encendido apagado’
Config Int0 = Falling ‘configuración de la interrupción
externa pulsador on/off’
On Int0 Encender ‘rutina donde se ejecuta la interrupción’
Enable Int0 habilito interrupción’
‘declaración de pines de salida y entrada’
‘DDR registro de entrada salida; 0 entrada y 1 salida’
‘PORT registro de salda’
‘PIN registro de entrada’
Ddrd.2 = 0
Portd.2 =1
Ddrb.0 = 1
Portb.0 =0
Ddrc.0 = 1
Ddrc.1 = 1
Ddrc.2 = 1
Ddrc.3 = 1
Ddrc.4 = 1
Ddrc.5 = 1
Ddra.0 = 1
Ddra.1 = 1
Ddra.2 = 1
Ddra.3 = 1
Ddra.4 = 1
Ddra.5 = 1
Wait 1 ‘tiempo de espera de 1 segundo’
Enable Interrupts ‘Habilito todas las interrupciones’
Do ‘inicio de lazo infinito’
Onoff = 0 “empiezo apagado el equipo’
Do
Reset Portb.0 ‘Si no he presionado apago el led indicador’
1/5 A1
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS
ARMADAS-ESPE
‘si presiono el pulsador enciendo el equipo y se prende led indicador’
Loop Until Onoff = 1
Set Portb.0 ‘Prendo el led indicador’
Espero 500 milisegundos para eliminar rebotes de pulsador mecánico
Waitms 500
Habilito la interrupción externa
Enable Int0
Onoff = 0
Do
‘envío los datos de ángulos a los pórticos de salida de los IGBT´s’
Portc = &B00110011 : Porta = &B00001100
“Valor de t1”
Waitus 400
Portc = &B00110011 : Porta = &B00001001
“Valor de t2”
Waitus 70
Portc = &B00110010 : Porta = &B00011100
“Valor de t3”
Waitus 720
Portc = &B00110010 : Porta = &B00011001
“Valor de t4”
Waitus 270
Portc = &B00100111 : Porta = &B00001100
“Valor de t5”
Waitus 520
Portc = &B00100111 : Porta = &B00001001
“Valor de t6” Waitus 330
Portc = &B00100110 : Porta = &B00011100 “Valor de t7” Waitus 740
1/5 A1
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS
ARMADAS-ESPE
Portc = &B00100110 : Porta = &B00011001 “Valor de t8” Waitus 2540 Portc = &B00100110 : Porta = &B00011100 “Valor de t9” Waitus 740 Portc = &B00100111 : Porta = &B00001001 “Valor de t10” Waitus 330 Portc = &B00111001 : Porta = &B00001100 “Valor de t11” Waitus 520 Portc = &B00110010 : Porta = &B00011001 “Valor de t12” Waitus 270 Portc = &B00110010 : Porta = &B00011100 “Valor de t13” Waitus 720 Portc = &B00110011 : Porta = &B00001001 “Valor de t14”
Waitus 70
Portc = &B00110011 : Porta = &B00001100
“Valor de t15”
Waitus 400
Portc = &B00110011 : Porta = &B00001100
“Valor de t16”
Waitus 400
1/5 A1
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS
ARMADAS-ESPE
Portc = &B00110011 : Porta = &B00000110
“Valor de t17”
Waitus 70
Portc = &B00110001 : Porta = &B00101100
“Valor de t18”
Waitus 720
Portc = &B00110001 : Porta = &B00100110
“Valor de t19”
Waitus 270
Portc = &B00011011 : Porta = &B00001100
“Valor de t20”
Waitus 520
Portc = &B00110011 : Porta = &B00000110
“Valor de t21”
Waitus 330
Portc = &B00011001 : Porta = &B00101100 “Valor de t22” Waitus 740 Portc = &B00011001 : Porta = &B00100110 “Valor de t23” Waitus 2240 Portc = &B00011001 : Porta = &B00101100
“Valor de t24” Waitus 740 Portc = &B00110011 : Porta = &B00000110 “Valor de t25” Waitus 330
1/5 A1
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS
ARMADAS-ESPE
Portc = &B00011011 : Porta = &B00001100 “Valor de t26” Waitus 520 Portc = &B00110001 : Porta = &B00100110 “Valor de t27” Waitus 270 Portc = &B00110001 : Porta = &B00101100 “Valor de t28” Waitus 720 Portc = &B00110011 : Porta = &B00000110 “Valor de t29” Waitus 70 Portc = &B00110011 : Porta = &B00001100 “Valor de t30” Waitus 400
Loop Until Onoff = 1 ‘si presiono el pulsador apago el motor’
Waitms 500 ‘eliminador de rebotes’
Enable Int0
Loop
End 'fin del programa’
‘rutina de interrupción’
Encender:
‘deshabilito la interrupción onoff = 1 para apagar motor’
Disable Int0
Onoff = 1
Return
1/5 A1
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS
ARMADAS-ESPE
Anexo 2
HOJA DE DATOS DEL IGBT FGA 40N65SMD
2/5 A2
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS
ARMADAS-ESPE
Anexo 3
MICROCONTROLADOR ATMEL 164P
MICROCONTROLADOR ATMEL 164P
3/5 A3
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS
ARMADAS-ESPE
Anexo 4
DIAGRAMA DE CONEXIONES DE LAS FUENTES A CADA PUENTE H
DIAGRAMA DE CONEXIONES DE LAS FUENTES A CADA PUENTE H
4/5 A4
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS
ARMADAS-ESPE
Anexo 5
UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES EN EL CIRCUITO IMPRESO DE
LA ETAPA DE CONTROL Y POTENCIA
UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES EN EL CIRCUITO IMPRESO
ETAPA DE POTENCIA.
UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES EN EL CIRCUITO IMPRESO
ETAPA DE CONTROL
5/5 A5
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS
ARMADAS-ESPE
ANEXO 6
PRÁCTICA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
INVERSOR MONOFÁSICO MULTINIVEL DE
TRES ETAPAS CONECTADAS EN CASCADA
PRÁCTICA
CIRCUITO DE CONTROL DEL INVERSOR
MULTINIVEL.
ÍNDICE
Contenido
1. Tema
2. Objetivos
2.1 Objetivo general
2.2 Objetivo específico
3. Marco teórico
3.1 Introducción
3.2 Inversores multinivel
4. Procedimiento
5. Análisis de resultado
6. Cuestionario
7. Conclusiones
8. Recomendaciones
1. Tema: Circuito de control del inversor multinivel
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo General
- Analizar el principio de funcionamiento del circuito de control del
inversor multinivel
2.2. Objetivos específicos
- Observar la señal de control en la gate de cada uno de los IGBT's del
circuito del módulo inversor monofásico.
- Comprobar que las formas de onda de disparo de la gate de cada IGBT
permita formar la onda total a la salida del inversor.
- Observar el valor de TDH del módulo del inversor
- Analizar las formas de onda real de los disparos en la gate de cada
IGBT y comparar con la forma de onda ideal del inversor.
3. MARCO TEÓRICO
3.1. Introducción
La función principal de un Inversor es cambiar un voltaje de entrada de
corriente continua a un voltaje de salida de corriente alterna con la magnitud
y la frecuencia deseada por el usuario, por lo que este tipo de equipos tiene
aplicación desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras,
pasando por aplicaciones automotrices hasta grandes aplicaciones
industriales de potencia. Para obtener la forma de onda de voltaje o corriente
con un mínimo de armónicos se requiere una conmutación en alta frecuencia,
junto con diversas modulaciones por ancho de pulso (PWM). En el campo de
la electrónica de potencia los inversores multinivel han atraído mucho interés
por que presentan un conjunto nuevo de propiedades adecuadas que sirve
para usarse en compensación de potencia reactiva.
Los inversores multinivel utilizan técnicas muy variadas para la conversión
de energía, desde topologías básicas como el inversor de medio puente y
puente completo, hasta convertidores con conexión en cascada de puentes
“H”. El uso de estos convertidores aplicado a diferentes áreas en la
industria ha sido de vital importancia, tal es el caso de fuentes de potencia
(UPS'S, calentadores por inducción, soldadores-cortadoras, fuentes de
voltaje conmutadas, etc.), y drivers para motores (activación de robots,
aire acondicionado, elevadores, servos de AC, etc.).
3.2. Inversores Multinivel
Los inversores multinivel, incluyen un arreglo de semiconductores y
fuentes de voltaje, para formar un voltaje de salida escalonado. Las
conmutaciones de los semiconductores permiten la suma o resta de las
distintas fuentes de voltaje de salida continua, generando una onda de voltaje
de amplitud variable. Así también, los semiconductores trabajan con voltajes
más reducidos. La Figura H1, muestra el esquema de un polo en un inversor
multinivel, donde Va indica el voltaje de salida de fase, que puede asumir
valores de voltaje como 0, ±Vcc, dependiendo de la selección de voltaje (cd)
de nodo, Vc..
Figura H.1. Inversor de 3 niveles. [9]
Algunas características de los Inversores Multinivel son:
a) Pueden generar voltajes de salida con muy poca
distorsión armónica.
b) Requieren mínima cantidad de componentes para la
generación de los niveles.
c) Pueden operar con baja frecuencia de conmutación.
Inversor Multinivel en Cascada
En el inversor multinivel en cascada se puede casi duplicar el número de
niveles sin hacer crecer el número de fuentes de voltaje.
Este consiste en una serie de unidades inversoras de medio puente
(monofásicas, puente completo). La función general de este inversor multinivel
es sintetizar un determinado voltaje a partir de varias fuentes separadas de cd
(SDCS, de several separate dc sources), que pueden ser baterías, celdas de
combustible o celdas solares. La Figura H.2(a) muestra la estructura básica
de un inversor monofásico en cascada con SDCS. Cada SDCS está
conectado a un inversor de medio puente. Los voltajes ca de terminal de los
inversores en distintos niveles se conectan en serie.
Principio de operación
La Figura H. 2(b) muestra la forma de onda de voltaje de fase de un
inversor en cascada de cinco niveles con cuatro SDCS. El voltaje de fase de
salida se sintetiza con la suma de cuatro salidas de inversor, Van = Va1 + Va2
+ Va3 + Va4. Cada nivel de inversor puede generar tres salidas distintas de
voltaje, +Vcd, 0 y - Vcd, conectando la fuente cd con el lado de salida ac
mediante combinaciones diferentes de los cuatro interruptores S1, S2, S3 y
S4. Tomando como ejemplo el nivel superior, al activar S1 y S4 se obtiene
Va4 = +Vcd. Al activar S2 y S3 se obtiene Va4 = - Vcd, y al desactivar todos
los interruptores se obtiene Va4 = 0. De igual modo se puede obtener el voltaje
de salida de ca en cada nivel. [3]
Si (Ns) es la cantidad de fuentes de cd, (m) el nivel de voltaje de fase de
salida, tenemos la ecuación (1.1):
m=Ns+1 (1.1)
Así, un inversor en cascada en cinco niveles necesita cuatro SDCS y
cuatro puentes completos. Si se controlan los ángulos de conducción en
distintos niveles de inversor se puede minimizar la distorsión armónica del
voltaje de salida.
(a) (b)
Figura H.2.: a) Inversor Puente Completo. b) Formas de onda a la
salida. [1]
Inversor multinivel en cascada asimétrico de potencia 2
El CMLIA (Cascade Multilevel Inverter Asymmetric) de potencia 2 es
alimentado con fuentes de tensión diferentes, en cada fuente es VCD, 2VCD,
4VCD, y así sucesivamente hasta alimentar todas las fuentes que integran el
inversor; en la Figura H. 3, se muestra un ejemplo, donde el número máximo
de niveles se calcula mediante la ecuación (1.2).
n = 2Ns+1 – 1 (1.2)
Figura H. 3.: Inversor Multinivel asimétrico de potencia 2 [1]
En la figura H.4., se indica el esquema de conexiones utilizado para el
desarrollo de la siguiente práctica. Para la descripción de la operación de un
Inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en cascada la
nomenclatura para los interruptores de potencia (IGBT) será: SW1, SW2,
SW5, SW6, SW9, SW10 para los conmutadores y SW3, SW4, SW7, SW8,
SW11, SW12 para sus complementarios; mientras que para los diodos de
circulación serán D1, D2, D5, D6, D9, D10 y D3, D4, D7, D8, D11, D12
Figura H.4.: Configuración de un puente H de tres niveles. [9]
+
-
+
-
+
-
Para el desarrollo de la presente práctica se ha tomado la topología de un
inversor tipo puente completo con conexión en cascada asimétrico de
potencia 2, debido a sus ventajas y a las características que presenta. Un
Inversor tipo puente completo con conexión en cascada es la conexión de
inversores monofásicos con tensión de entrada continua independientes.
La tensión alterna resultante del inversor es la suma de las tensiones
generadas por cada puente independiente. La tensión de salida alterna toma
ocho valores distintos, incluido el cero, cada etapa es de 24V, 48V y 96V
respectivamente, es decir, Vcc = 24V.
SALIDA DE TENSIÓN DEL INVERSOR
MULTINIVEL EN CASCADA
0, Vcc, +2Vcc,
+3Vcc, +4Vcc, +5Vcc,
+6Vcc, +7Vcc
En la figura H.5 se indica la forma de onda de un inversor multinivel de
ocho niveles.
Figura H.5.: Voltaje típico en la salida de un inversor multinivel de ocho
niveles. [9]
4. Procedimiento
4.1. Identificar las cuatro partes que conforman el módulo didáctico del
inversor monofásico (se indica al final de esta práctica): a) Módulo principal;
b) Fuente de alimentación ATX – Etapa de Potencia; c) Fuente de
alimentación de 12V – Etapa de Control y d) Carga Inductiva (motor/generador
cc).
4.2. Conectar los terminales de alimentación de 110Vac de la fuente fija (no
variable), del Módulo – Fuente (módulo existente en el laboratorio de control
eléctrico ESPE.L), a los terminales ACL Y ACN del módulo principal del
inversor multinivel monofásico en cascada (ver figura H.6), siendo 1 (terminal
color rojo) del módulo-fuente conectado a ACL del módulo del inversor
multinivel y del terminal N (terminal color negro) del módulo-fuente conectado
a ACN del módulo del inversor multinivel, sabiendo que, ACL es la fase del
módulo y ACN es el neutro del módulo.
Las conexiones se las realizará por medio de los cables de conexión o
espigas existentes en el laboratorio.
Figura H.6.: Conexión del módulo-fuente al módulo del inversor
multinivel. [9]
4.3. Conectar el terminal M+ (cable color rojo), del módulo del inversor
multinivel al terminal 3 del primer motor/generador de corriente continua y el
terminal M- (cable color negro), del módulo del inversor multinivel al terminal
2 del primer motor/generador de corriente continua (sabiendo que a la salida
de estos terminales M+ y M- se genera 110V), luego en el motor realizar una
conexión del terminal 1 (cable color negro) al terminal 4 del mismo módulo
del motor (ver figura H.7.),el motor que se utilizará en esta práctica es el motor
universal (motor/generador cc) este tipo de motor puede ser alimentado con
corriente alterna o con corriente continua, es indistinto.
Sus características principales no varían significativamente, sean
alimentados de una forma u otra. Son conocidos también con el sobrenombre
de motor monofásico en serie.
Figura H.7.: Conexión del módulo inversor multinivel al
motor/generador cc número 1. [9]
4.4. Para generar carga al primer motor/generador de corriente continua se
debe conectar un segundo motor de las mismas características por medio de
una banda (esta conexión se lo realiza destapando el acrílico frontal del
módulo motor/generador de cc de los dos motores, de esta manera se
colocará la banda existente en el laboratorio, entre los ejes de los dos motores
quedando así unidos mecánicamente), luego en el segundo motor se debe
realizar la conexión Shunt, es decir, conectar el terminal 1 con el terminal 5,
1
luego el terminal 6 con el terminal 7 y por último el terminal 8 con el terminal
2 (ver figura H.8., cables color azul), sin desconectar los cables enunciados
en los puntos anteriores.
Figura H.8.: Conexión del motor/generador cc número 1 al
motor/generador cc número 2. [9]
4.5. Conectar la carga resistiva en los terminales 1 y 2 respectivamente del
segundo motor/generador de corriente continua como se indica en la figura
H.9.
Figura H.9.: Conexión del motor/generador cc número 2 al módulo de
resistencias. [9]
4.6. En la figura H.10, se indica cómo deben ir conectados de forma física
los cables a los diferentes equipos.
1 2
1 2
Figura H.10.: Diagrama de Conexión de los equipos. [9]
CONTROL
ON
OFF
AC L AC N 1 2 3 4
PM + PM - 5 6 7 8
M + M - 9 10 11 12
1-2 3-4
5-6 7-8
9-10 11-12
GND
IGBT´S FUSIBLES
ESPEDEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRONICA
CARRERA DE INGENIERIA ELECTROMECANICA
"DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
PROTOTIPO DIDÁCTICO DE INVERSOR
MULTINIVEL EN CASCADA, MONOFÁSICO
DE TRES ETAPAS PARA EL LABORATORIO
DE CONTROL ELÉCTRICO
ESPE - LATACUNGA"
Andrés Ricaurte
David Sarzosa
2013
MÓDULO - FUENTE
1
2
3
N
N N
ON
OFF
120 V - AC 0 - 120 V - AC
1
2
3
N
1 2
0 - 120 V - DC
LAB - VOLT
E1
E2
E3
I2
I3
I1
1 2 3 4
5 6 7 8
VOLTAGE CURRENT ANALOG
INPUTS
ANALOG
OUTPUTS
DATA ACQUISITION INTERFACE
T N 1 2
SYNC INPUT
AUXILIARY ANALOG INPUTS
POWER LED
LOW POWER INPUT
24V - AC
COMPUTER I/O
MOTOR/GENERADOR CC
1
3
5
120 V - 3A
2
4
6
REOSTATO DE CAMPO
LAB - VOLT
7 8
SERIE
SHUNT
3A
120V- 0.4A
MOTOR/GENERADOR CC
1
3
5
120 V - 3A
2
4
6
REOSTATO DE CAMPO
LAB - VOLT
7 8
SERIE
SHUNT
3A
120V- 0.4A
BANDA
BANDA
CARGA RESISTIVA
1200O
0.1A
600O
0.2A
300O
0.4A
I
0
I
0
1200O
0.1A
600O
0.2A
300O
0.4A
I
0
I
0
1200O
0.1A
600O
0.2A
300O
0.4A
I
0
I
0
MAD (Módulo de adquisición
de datos LV DAM EMS)
1 2
1
4.7. A continuación antes de realizar la toma de datos, se indica en la figura
H.11 los pulsos de cada uno de los IGBT´s con su forma de onda total, de
manera ideal.
Figura H.11.: Forma de Onda Ideal a la salida del inversor. [9]
t(s)
e(wt)
En la tabla 1., se indica el valor de los ángulos que forma la onda total.
Tabla 1. Ángulos de disparo
𝜶𝟏 𝜶𝟐 𝜶𝟑 𝜶𝟒 𝜶𝟓 𝜶𝟔 𝜶𝟕
8.57° 10.08° 25.72° 31.56° 42.85° 49.92° 66.01°
0.397(ms) 0.466(ms) 1.190(ms) 1.461(ms) 1.983(ms) 2.310(ms) 3.054(ms)
0.1496 rd 0.1759 rd 0.4489 rd 0.5508 rd 0.7479 rd 0.8713 rd 1.1521 rd
4.8. Para la medición de los pulsos en la gate de cada IGBT se realizara las
siguientes conexiones: Con la ayuda del módulo y gestión de adquisición de
datos para los sistemas electromecánicos (LV DAM EMS) modelo 9062 de
Lab-Volt (que en adelante lo llamaremos MAD) existente en el laboratorio,
conectar los terminales E1, de tal forma que el terminal E (terminal de color
negro del MAD-E1), se conecta al terminal GND del módulo principal del
inversor multinivel, mientras que el otro terminal E (terminal color rojo del
MAD-E1), se conecta uno por uno en los terminales numerados
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 respectivamente por cada IGBT del módulo
principal del inversor multinivel como se indica en la figura H.12.
Figura H.12.: Conexión del módulo del inversor multinivel al módulo y
gestión de adquisición de datos para los sistemas electromecánicos (LV
DAM EMS). [9]
CONTROL
ON
OFF
AC L AC N 1 2 3 4
PM + PM - 5 6 7 8
M + M - 9 10 11 12
1-2 3-4
5-6 7-8
9-10 11-12
GND
IGBT´S FUSIBLES
ESPEDEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRONICA
CARRERA DE INGENIERIA ELECTROMECANICA
"DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
PROTOTIPO DIDÁCTICO DE INVERSOR
MULTINIVEL EN CASCADA, MONOFÁSICO
DE TRES ETAPAS PARA EL LABORATORIO
DE CONTROL ELÉCTRICO
ESPE - LATACUNGA"
Andrés Ricaurte
David Sarzosa
2013
MÓDULO - FUENTE
1
2
3
N
N N
ON
OFF
120 V - AC 0 - 120 V - AC
1
2
3
N
1 2
0 - 120 V - DC
LAB - VOLT
E1
E2
E3
I2
I3
I1
1 2 3 4
5 6 7 8
VOLTAGE CURRENT ANALOG
INPUTS
ANALOG
OUTPUTS
DATA ACQUISITION INTERFACE
T N 1 2
SYNC INPUT
AUXILIARY ANALOG INPUTS
POWER LED
LOW POWER INPUT
24V - AC
COMPUTER I/O
TE
RM
INA
LE
S C
ON
EC
TA
DO
S A
3 Y
2
RE
SP
EC
TIV
AM
EN
TE
DE
L
MO
TO
R/G
EN
ER
AD
OR
DE
CO
RR
IEN
TE
CO
NT
INU
A
3
2
MAD (Módulo de adquisición de
datos LV DAM EMS)
4.9. De este modo obtenemos la señal de la gate por cada uno de los
IGBT´s. Las señales de los IGBT´s (señal de color morado ubicado sobre la
onda sinusoidal señal de color rojo), se visualizan en las siguientes figuras
H13a, H13b, H13c, H13d, H13e, H13f, H13g, H13h, H13i, H13j, H13k, H13l,
respectivamente.
Señales de los pulsos en la gate de cada IGBT obtenidas por el
MAD
Figura H 13a: Pulso del IGBT 1. [10]
Figura H 13b: Pulso del IGBT 2. [10]
Figura H 13c: Pulso del IGBT 3. [10]
Figura H 13d: Pulso del IGBT 4. [10]
Figura H 13e: Pulso del IGBT 5. [10]
Figura H 13f: Pulso del IGBT 6. [10]
Figura H 13g: Pulso del IGBT 7. [10]
Figura H 13h: Pulso del IGBT 8. [10]
Figura H 13i: Pulso del IGBT 9. [10]
Figura H 13j: Pulso del IGBT 10. [10]
Figura H 13k: Pulso del IGBT 11. [10]
Figura H 13l: Pulso del IGBT 12. [10]
4.10. Para la medición de la forma de onda total a la salida del inversor se
realizara las siguientes conexiones: Con la ayuda del módulo y gestión de
adquisición de datos modelo 9062 de Lab-Volt (MAD) existente en el
laboratorio, conectar los terminales E2, de tal forma que el terminal E (terminal
de color negro del MAD-E2), se conecta al terminal PM- del módulo principal
del inversor multinivel, mientras que el otro terminal E (terminal color rojo del
MAD-E2), se conecta al terminal PM+ del módulo principal del inversor
multinivel como se indica en la figura H.14.
Figura H.14.: Conexión del módulo del inversor multinivel al módulo y
gestión de adquisición de datos (LV DAM EMS) – E2.
CONTROL
ON
OFF
AC L AC N 1 2 3 4
PM + PM - 5 6 7 8
M + M - 9 10 11 12
1-2 3-4
5-6 7-8
9-10 11-12
GND
IGBT´S FUSIBLES
ESPEDEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRONICA
CARRERA DE INGENIERIA ELECTROMECANICA
"DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
PROTOTIPO DIDÁCTICO DE INVERSOR
MULTINIVEL EN CASCADA, MONOFÁSICO
DE TRES ETAPAS PARA EL LABORATORIO
DE CONTROL ELÉCTRICO
ESPE - LATACUNGA"
Andrés Ricaurte
David Sarzosa
2013
MÓDULO - FUENTE
1
2
3
N
N N
ON
OFF
120 V - AC 0 - 120 V - AC
1
2
3
N
1 2
0 - 120 V - DC
LAB - VOLT
E1
E2
E3
I2
I3
I1
1 2 3 4
5 6 7 8
VOLTAGE CURRENT ANALOG
INPUTS
ANALOG
OUTPUTS
DATA ACQUISITION INTERFACE
T N 1 2
SYNC INPUT
AUXILIARY ANALOG INPUTS
POWER LED
LOW POWER INPUT
24V - AC
COMPUTER I/O
TE
RM
IN
AL
ES
CO
NE
CT
AD
OS
A 3
Y 2
RE
SP
EC
TIV
AM
EN
TE
DE
L
MO
TO
R/G
EN
ER
AD
OR
DE
CO
RR
IE
NT
E
CO
NT
IN
UA
3
2
MAD (Módulo de adquisición de
datos LV DAM EMS)
4.11. De esta forma en la figura H.15, se observa de manera práctica la onda
resultante a la salida del inversor multinivel.
Figura H.15.: Onda generada por el inversor multinivel monofásico. [10]
A continuación en la figura de la H. 16a, a la H. 16g, se observa de manera
práctica los ángulos obtenidos en la tabla 1.
ÁNGULOS DE DISPARO
Figura H 16a. Ángulo de Disparo 1 (α1). [10]
Ángulo de disparo 1 (α1) [ms]
Figura H 16b. Ángulo de Disparo 2 (α2). [10]
Figura H 16c. Ángulo de Disparo 3 (α3). [10]
Ángulo de disparo 2 (α2) [ms]
Ángulo de disparo 3 (α3) [ms]
Figura H 16d. Ángulo de Disparo 4 (α4). [10]
Figura H 16e. Ángulo de Disparo 5 (α5). [10]
Ángulo de disparo 4 (α4) [ms]
Ángulo de disparo 5 (α5) [ms]
Figura H 16f. Ángulo de Disparo 6 (α6). [10]
Figura H 16g. Ángulo de Disparo 7 (α7). [10]
Ángulo de disparo 6 (α6) [ms]
Ángulo de disparo 7 (α7) [ms]
4.12. Para visualizar la distorsión armónica total (TDH) del inversor multinivel,
se aprovecha la conexión antes realizada puesto que, la única variación se lo
hace seleccionando la opción en el programa del MAD y no en las conexiones
físicas de los módulos. A continuación nos dirigimos a la ventana principal del
MAD, nos ubicamos en la barra de herramientas y seleccionamos la opción
de Analizador de Armónicos (Ver figura H.17), de esta manera se visualizara
el resultado el cual es 7,8%, este valor se encuentra dentro del rango,
recomendado por CONELEC que es del 8% de TDH.
Figura H.17: Onda generada por el inversor multinivel monofásico.
4.13. A continuación en la figura H.18, se muestra el valor (TDH), obtenido
por el MAD.
Figura H.18: Onda generada por el inversor multinivel monofásico. [10]
Analizador de armónicos
5. Análisis de resultados
- Los pulsos obtenidos por la gate de cada IGBT, al igual que su onda total
son muy idénticas a las ideales, sin embargo tienen su distorsión debido a
la velocidad de frecuencia de conmutación, y a que los elementos no son
ideales.
- La distorsión armónica total (TDH) obtenido, está dentro del límite permitido,
que es del 8%.
6. Cuestionario
6.1. Cuál es la función principal del inversor multinivel?
La función principal de un inversor es minimizar las pérdidas y armónicos
en grandes potencias.
6.2. Que característica posee el inversor multinivel en cascada?
a) Pueden generar voltajes de salida con muy poca distorsión
armónica.
b) Requieren mínima cantidad de componentes para la generación de
los niveles.
7. Conclusión
- Se analizó el principio de funcionamiento del circuito de control del
inversor multinivel
- Se observo la señal de control en la gate de cada uno de los IGBT's del
circuito del módulo inversor monofásico
- Se comprobó que las formas de onda de disparo de la gate de cada
IGBT permita formar la onda total a la salida del inversor.
- Se observó el valor de TDH del módulo del inversor
- Se analizó las formas de onda real de los disparos en la gate de cada
IGBT y comparar con la forma de onda ideal del inversor.
8. Recomendación
- Antes de la utilización del inversor multinivel, se debe revisar las conexiones
respectivas para evitar cortocircuitos.
- Tener precaución al momento de trasladar el módulo para evitar
desconexiones internas o daños en los dispositivos electrónicos.
PARTES QUE COMPONEN EL MÓDULO DIDÁCTICO DEL INVERSOR
MULTINIVEL.
PARTES QUE COMPONEN EL MÓDULO DIDÁCTICO DEL INVERSOR
MULTINIVEL.
Fuente de alimentación ATX – Etapa de Potencia: Utilizadas para
alimentar el circuito de potencia. Figura H.19.
Figura H.19.: Fuente ATX
Fuente de alimentación de 12V – Etapa de Control: Utilizadas para
alimentar el circuito de control. Figura H.20.
Figura H.21.: Fuente de alimentación
Módulo principal: El módulo principal es propiamente el Inversor
Multinivel Monofásico, contiene los circuitos de control y de potencia los cuales
se encargan de generar la señal alterna. Por ello la caja es bastante pesada
por lo que se debe tener el debido cuidado respectivo cuando se transporte
de un lugar a otro. El módulo principal está construido con una base de metal
y a su alrededor con acrílico transparente que permite ver los diferentes
elementos y partes principales del Inversor por lo cual se recomienda que
durante su utilización; tener la precaución de no golpear el acrílico por que se
podría quebrar. También el inversor contiene bornes de salida en las cuales
se pueden medir diferentes señales que son importantes para el análisis y
comprensión del funcionamiento del mismo. Figura H.22.
Figura H.22.: Módulo Principal
Carga Inductiva: Motor de CC para la realización de las pruebas. Figura
H.23.
Figura H.23: Carga Inductiva.
Módulo de adquisición de datos LV DAM EMS (MAD): Es un sistema
basado en la computadora que permite la medición, observación y análisis de
los parámetros eléctricos y mecánicos en los sistemas de potencia eléctrica y
en los circuitos de electrónica de potencia. Figura 24.
Figura H.24.: Módulo de adquisición de datos LV DAM EMS (MAD).