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Implementación de un inversor trifásico multinivel con fijación por diodos*

Luz Adriana Trejos Grisales**, Alfonso Alzate Gómez***

* Artículoderivadodeltrabajodemaestría“Diseñoeimplementacióndeuninversortrifásicomultinivelconfijaciónpordiodos”,realizadaa partir del proyecto de investigación “Diseño e implementación de un prototipo de unD-Statcom” financiado porColciencias y laUniversidad Tecnológica de Pereira entre 2010 y 2011.

** MSc. Docente Investigadora, Grupo de Investigación enMaterialesAvanzados y Energía del Instituto TecnológicoMetropolitano -Medellín

*** MSc.DirectordelGrupodeInvestigaciónenElectrónicadePotencia.ProfesorTitularUniversidadTecnológicadePereira-Pereira

Correspondencia:LuzAdrianaTrejosGrisales,e-mail:[email protected]ículorecibido:02/02/2012;Artículoaprobado10/05/2013

Artículo original / Review article / Artigo de revisão

Resumen

Introducción. Desde sus inicios el inversor multinivel se caracterizó por ser una opción competitiva en elrango de media tensión para aplicaciones como accio-namientodemotores,calidaddelaenergíayconexiónde fuentes renovables. Objetivo. Presentar el desa-rrollo del diseño y la implementación de un inversor trifásico multinivel apoyándose en la simulación para comparar su desempeño frente al inversor convencio-naldedosniveles,entérminosdelcontenidoarmóni-codelasseñalesdetensiónycorriente,ydelestréseléctricosoportadopor los interruptoresdepotencia.Materiales y métodos. A partir de los resultados de la simulación,realizadaenSimulinkdeMatlab®,seesta-blecen algunos criterios de diseño para el montaje del inversorenelcualseutilizaninterruptoresdepotencia,diodosdepotencia,circuitosdedisparo(drivers),fuen-tes de alimentación y un procesador digital de señal. Laestrategiademodulaciónesunaextensiónde laestrategia utilizada en inversores convencionales dedos niveles la cual ha sido ampliamente estudiada y aplicada según la literatura consultada. Resultados. Elprototipopresentóenlaprácticauncomportamientoequivalente al obtenido mediante simulación en cuan-to a forma de onda y valores de las tensiones de fase y línea. Se obtuvieron valores del contenido armóni-codelatensiónylacorrienteenlacarga,mejoresencomparación con el inversor de dos niveles. De igual forma se obtuvo una reducción del nivel del estréseléctricosoportadopor los interruptores. Conclusio-nes.Elinversorimplementadopermitióconfirmarporqué la tecnologíamultinivelmejora la calidadde lascaracterísticaseléctricasenlacarga,demostrandoasísu competitividad y posibilidad de aplicación.

Palabras clave: inversor, multinivel, modulación,contenidoarmónico,PWM.

Implementation of a three-phase multilevel inverter with diode clamped

Abstract

Introduction. Since its origin multilevel inverter has been characterized as a competitive option in therange of medium voltage for applications such as motor drive, power quality and compensation andconnectionofrenewablesourcestothegrid.Objec-tive: To present the development of the design and implementation of a multilevel three-phase inverter relying on simulation to compare its performance with a conventional two-level inverter in terms ofharmonic content of voltage and current signals and theelectricstressofpowerswitches.Materials and Methods: Fromthesimulationresults,usingSimu-link ofMatlab®, some criteria design are establis-hed for the implementationof the inverter inwhichpower switches, powerdiodes, trigger circuits (dri-vers),powersuppliesandadigitalsignalprocessorareused.Themodulationstrategyisanextensionofthestrategyusedinconventionaltwo-levelinverterswhichhasbeenwidely studiedandappliedaccor-ding to the referenced literature. Results: The pro-totype presented in practice an equivalent behavior to theobtainedby simulation in termsofwaveformand values of phase and line voltages. The obtained harmonic content of load voltage and current wasbettercomparedtothetwo-levelinverter.Likewise,ithas been obtained a reduction in the level of electric stressenduredbythepowerswitches.Conclusions: Theimplementedinverterallowedconfirmingwhythemultilevel technology improves the systems perfor-mance proving its competitiveness and applicability.

Keywords: inverter,multilevel,modulation,harmo-niccontent,PWM.

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REVISTA LASALLISTA DE INVESTIGACIÓN - Vol. 10 No. 1 - 2013 -139•151

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Implementação de um Inversor Trifásico Multinível com diodo de montagem

Resumo

Introdução. Desde os inícios o inversor multinivel temsecaracterizadonorangodemeiatensãoparaaplicações como o arranque demotores, qualida-dedaenergiaeconexõesnarededefontesreno-váveis. Objetivo:Apresentarodesenvolvimentododesenhoeaimplementaçãodeuminversortrifási-co multinivel o qual foi desenvolvido com o apoio dasimulaçãoparacompararodesempenhocomoinversor convencional de dois níveis em termos do conteúdoharmônicosdosinaldetensãoecorrenteedoestresseelétricosuportadopelosinterruptoresde potencia. Materiais y métodos: Comos resul-tados da simulação feita noSimulink doMatlab®,estabelecessemalgunscritériosdedesenhoparaamontagemdoinversonoqualseutilizaminterrupto-resdepotencia,diodosdepotencia,circuitosdedis-

paro(drivers),fontesdealimentaçãoeumproces-sadordigitaldesinal.Aestratégiademodulaçãoéumaextensãodaestratégiautilizadaeminversoresconvencionais de dois níveis a qual tem sido ampla-mente estudada conforme a literatura consultada. Resultados: O protótipo apresentou na pratica um comportamento equivalente ao obtido mediante a si-mulaçãoconformeaformadaondaeosvaloresdastensões de fase e da línea. Obtiveram- se valores doconteúdoharmônicodatensãoedacorrentenacarga,melhoresemcomparaçãocomoinversordedoisníveis.Igualmenteobtive-seumareduçãodosníveisdeestresseelétricosuportadopelosinterrup-tores. conclusões:Oinversorimplementadopermi-tiuconfirmarporqueatecnologiamultinivelmelhoraaqualidadedascaracterísticaselétricasnacarga,demonstrando assim a sua competitividade e possi-bilidadedeaplicação.

Palavras importantes: inversor,multinivel,modu-lação,conteúdoharmônicos,PWM.

Introducción

Las tendencias recientes en aplicaciones in-dustrialesyredeseléctricasdemediatensiónapuntanalautilizacióndeequiposquedismi-nuyanlaspérdidasymejorenlacalidaddelaenergía;paraalcanzartalobjetivosehanplan-teado diversas alternativas entre las que han sido de gran aplicación aquellas basadas en dispositivos semiconductores y electrónica de potencia. Uno de los equipos que ha desper-tadointerésenlaúltimadécadaeselinversormultinivel. Presentado en 1980 por Nabae,TakahashiyAkagi,elinversormultinivelsehaconvertido con el tiempo en una opción compe-titiva para la conversión de energía en el rango de media y alta potencia1.Eldesarrollode latecnología multinivel se ha visto impulsada de-bidoadosfactoresprincipales:elprogresodela tecnología de materiales semiconductores y la evolución de sistemas de cómputo y de pro-cesadores digitales de señal como micropro-cesadores,procesadoresdeseñalesdigitales(Digital Signal Processors –DSP–) y arreglosdecompuertasprogramables (FieldProgram-mableGateArray–FPGA–)2. Un inversor es un dispositivo basado en semiconductores o interruptoresdepotencia(IGBT,MOSFET)quese alimenta con una tensión de característica continua,ysurespuestaesunatensiónde ca-racterística alterna.

Losinversoresconvencionalesdedosniveles(figura1)sonunaalternativavigente,sinem-bargo, presentan desventajas en cuanto a laeficiencia y a los niveles de contenido armó-nicoenlasseñalesdetensiónycorriente:elloimplicaelusodefiltrosactivosparalacorrec-cióndeesteúltimoefecto, loque incrementalos costos del montaje3.Laformamásgeneralde entender el funcionamiento de un inversor multinivelesconsiderarlocomounsintetizadordetensión;latensiónalternadesalidadeva-lor elevado se sintetiza a partir de diferentesniveles de tensión continua que se encuentran disponiblesenlaentradaysemodificanatra-vésdelasramasdeconmutacióndevalormáspequeño1.Básicamenteexistentrestipologíasde inversor multinivel que han sido ampliamen-teestudiados:inversorconfijaciónpordiodosofijacióndepuntoneutro, inversorconcapa-citores flotantes e inversor con conexión encascada de puentes monofásicos6. El objetode investigación de este artículo es el inversor confijaciónpordiodos;sinembargo,seresal-tan algunas características de las otras dos topologías mencionadas anteriormente, y enla tabla 1 se presenta una comparación entre dichastopologías.Encuantoalaconmutación,existeunamplio rangodeposibilidadesentrelas que se encuentran la modulación por an-chodepulso(PulseWideModulation–PWM–)

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141Implementacióndeuninversortrifásicomultinivelconfijaciónpordiodos

ylamodulaciónporvectordeespacio(SpaceVectorModulation–SVM–),lamodulaciónpor

histéresis,eliminaciónselectivadearmónicos,entre otras4.

De la mano de la estrategia de conmutación se encuentra la técnica de control que com-plementalaaccióndelinversorenunsistema,especialmente si este requiere de niveles de precisiónaltos; sinembargo,paraefectosdecomprobacióndediseño,pruebaspreliminarespara establecer niveles de funcionamiento y evaluacióndelaestrategiademodulación,esaceptablesu funcionamientoen lazoabierto5,comoserealizóenestetrabajo.

Inversor con capacitores flotantes (Flying Capacitor)

Enesteinversorsebloquealatensióndecadain-terruptoratravésdecapacidades(figura2).Unadelasventajasmássignificativadeesteinversoresquenoseutilizandiodosdepotencia locualreduce la problemática asociadas a estos disposi-tivos;sinembargo,elnúmerodecondensadoresutilizadosesalto,ysedebentomardelmismova-lor,debidoaqueporelloscirculalamismacorrien-tey,deestaforma,sepuedenobtenervaloressi-milaresenlatensiónderizado;además,existeelpeligro de obtener efectos de resonancia debido a la cantidad de condensadores1.

Convertidor con conexión en cascada de puentes monofásicos

Esta topologíasebasaen laconexiónde in-versores monofásicos con fuentes de continua independientes.Lafigura3muestraunconver-tidor en cascada de tres niveles.

Losinversoresmultinivelencascadasecarac-terizanporserprácticos,yaquesu formadeconstrucción modular reduce la complejidad del montajey,además, requierenmenornú-mero de componentes que otras topologías paraalcanzarelmismonúmerodeniveles;sinembargo, requieren fuentes independientespara cada puente para lo que se puede utili-zaruntrasformadorconmúltiplessecundarios(taps), o varios transformadores; esto puedeincrementar los costos del montaje1,3.

Inversor con fijación por diodos

También es conocido como Neutral Point Clamped Converter (NPC) (figura 4); este in-versor se puede considerar como el origen del inversormultinivelreciente,yaúnesobjetode

Figura 1. Inversor convencional de 2 niveles

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Figura 2. Inversor con capacidades flotantes de 3 niveles

Figura 3. Inversor en cascada de 3 niveles

Tabla 1. Comparación entre las diferentes topologías de inversor multinivel

ConceptoTopología

Fijación por diodos

Capacidades flotantes

Conexión en cascada

Interruptores con diodos en antiparalelo 6(n-1) 6(n-1) 6(n-1)Diodos independientes con posibles tensiones de bloque diferentes 6(n-2) 0 0

Númerorealdediodosindependientes 3(n-1)(n-2) 0 0

Capacitanciasconposiblesdiferentestensiones n-1 3n-5 (3n/2)-1.5(nimpar)

(3n/2)-2(npar)Númerorealdecapacitancias n-1 (n-1)+((n-1)*(n-2))/2 3n/2)-1.5(nimpar)

(3n/2)-2(npar)

Tensión de bloqueo en los interruptores Vpn/(n-1) Vpn/(n-1) Vcc(tensióndeentradaenunaetapa)

Númerodenivelesdetensióncompuestaen la salida 2n-1 2n-1 2n-1

Númerodenivelesdetensiónsimpleenla salida 4n-3 4n-3 4n-3


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estudio,loqueconsolidaestatopologíacomounadelasmásaplicadasenlaactualidad,portal motivo se ha elegido para este trabajo en su versióndetresniveles.Enestaclasedeinver-sor,latensióndelbusdecontinuaestádivididopor dos condensadores donde el punto medio “O”sedefinecomoelpuntoneutro.Latensiónde salida en cada una de las fases puede to-mar tresniveles,Vpn/2,0y -Vpn/2.Losdiodosconectados al punto medio son los elemen-tosquefijan las tensionesdebloqueode losinterruptores a una fracción de la tensión del busdecontinua;porlotanto,sonelelementoclave de esta topología7. Esta topología pue-

deextenderseamásnivelesperoseaumentaconsiderablemente el número de dispositivos interruptoresutilizados.Lasprincipalesventa-jasdeestaclasedeinversorson:

a. Latensiónalaqueestásometidocadain-terruptor es igual a Vpn/(n-1),dondeneslacantidad de niveles del inversor, evitandoasí someter los interruptores a altas tensio-nes y deteriorando su funcionamiento.

b. Utiliza pocos condensadores en compara-ciónaotrastopologíasexistentes.

c. Cambio de estado accionando solo un in-terruptor.

Figura 4. Inversor multinivel con fijación por diodos de 3 niveles

Sin embargo, con esta topología se puedenpresentarlossiguientesinconvenientes:

a. Se requiere que los diodos sean de recu-peración rápida y que soporten la corriente nominal del inversor.

b. Es importante que las tensiones en loscondensadores se mantengan equilibra-das durante la operación del inversor; deotro modo se pueden obtener tensiones de salidas desequilibradas. A medida que se aumentan los niveles, aumenta en forma

considerable la cantidad de elementos ne-cesarios para el montaje del inversor.

Estrategias de conmutación para inverso-res multinivel

Laestrategia de conmutación es la encargada de generar los pulsos de disparo de los inte-rruptoresdepotencia;tambiénatravésdeellasepuedeminimizarelcontenidoarmónicodelas tensiones y corrientes de salida del inver-sor,ydependiendodelatopología,sedebeen-cargar de mantener el equilibrio de los conden-

Implementacióndeuninversortrifásicomultinivelconfijaciónpordiodos

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sadoresenelbusdecontinua.Lastécnicasdeconmutaciónmásutilizadasparainversoresmul-tinivelson:modulaciónporanchodepulso(Pul-se Width Modulation –PWM–) multiportadora,modulaciónporvectordeespacios,eliminaciónselectiva de armónicos y modulación híbrida6.

Modulación PWM

Las técnicasPWM tradicionaleshansidoex-tendidas a inversores multinivel, con resulta-dosexitosos.Estemétodocomparaunaseñalde referencia o moduladora con una señal de tipo triangular o diente de sierra llamada por-tadora,lacualdebeserdealtafrecuenciaconel findegenerar las señalesdeencendido yapagado para los interruptores del inversor8,9.Paraun inversordenniveles,sedebedis-poner de n-1 señales portadoras con la misma frecuenciay lamismaamplitud,paraque lasbandas que ocupen sean contiguas10. El nú-mero de conmutaciones por ciclo de modula-ción en cada nivel del inversor depende de la frecuencia de la señal portadora y del tiempo de duración de la señal de referencia en dicho nivel1.EngenerallaestrategiadeconmutaciónPWMsecaracterizapor:

a. Simplicidad.

b. Contenidoarmónicoreducido.

c. Algunos niveles del inversor no se emplean cuando el índice de modulación es bajo.

d. Ofrece buenos resultados en operación con sobre modulación.

Enestetrabajoseutilizóestatécnicaapoyán-dose en su amplio uso en diversos trabajos y buenos resultados.

Materiales y métodos

Serealizóunanálisispreliminarmediantelasi-mulacióndelcircuitoenSimulinkdeMatlab®.En lafigura5semuestraelesquemáticodelcircuito utilizado. Mediante los resultados desimulación se pudieron establecer parámetros comolosnivelesdecorrienteytensióneficazobtenida que se tuvieron en cuenta en la imple-mentación para la selección de los instrumen-tos demedición.Adicionalmente, los resulta-

dos obtenidos en las simulaciones representan un punto de comparación con los resultados de lavalidaciónexperimental.

Laimplementacióndelinversortrifásicodetresnivelesconfijaciónpordiodosenestetrabajoconstadelossiguienteselementos:

3tarjetasdepotencia(unaporrama).3tarjetasdedisparo(unaporrama).1 tarjeta con los condensadores del bus de continua.1 tarjeta fuente para las tarjetas de disparo.1 Procesador de Señal Digital DSP.Accesorios (Disipadores, películas de mica,conectores,cablestiporibbon,etc)

Tarjetas de potencia

La figura 6 muestra la apariencia física deunade las tarjetas.Losdispositivosdepoten-cia seleccionados sonMOSFETde referenciaIRFP450,fabricadosporFairchildSemiconduc-torCorporation,loscualescuentanconunaca-pacidadde tensión y corrientede500V y14A,respectivamente;suencapsuladoestipoTO-24711.Eldiodoseleccionadoparafijar las ten-sionesenlosMOSFETesderecuperaciónultrarápidadereferenciaFMLG22concapacidadde300Vy10A,encapsuladoTO-220yuntiem-poderecuperaciónde40ηs12.Laredsnubberpara la protección de losMOSFET se diseñóde acuerdo con los siguientes criterios de13;losvaloresdelcapacitory laresistenciautilizadosfueron0.1μFy68Ω,respectivamente.

Tarjetas de disparo

Lospulsospara laconmutaciónde losMOS-FET son generados a través de unProcesa-dordeSeñalDigital (DigitalSignalProcessor–DSP–)quealsalirdeestelleganalatarjetadedisparo, también conocida comodriver, lacual se encarga de separar la parte de control de la parte de potencia del inversor7.Latarjetadiseñada (figura 7) permite garantizar la ten-sión necesaria del pulso entre la compuerta y el drenador delMOSFET, para que este seadisparado correctamente sin afectar los ele-mentos que están conectadas en serie en la rama. Uno de los elementos importantes en la tarjeta es un transformador de impulsos que se utilizaconelfindeacoplarimpedancias.


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Figura 5. Inversor multinivel con fijación por diodos de 3 niveles

Figura 6. Tarjeta de potencia. 1: Mosfet IRFP450. 2: Entradas del bus de continua. 3: Red Snubber. 4: Diodo FMLG22. 5: Entrada de los pulsos desde el driver.

6: Salidas de alterna. 7: Fusible de protección de la salida.

Figura 7. Tarjeta de disparo. 1: Entrada del DSP. 2: Entrada alimentación. 3: Salida hacia la compuerta del mosfet.


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Normalmente,enestaclasedeaplicacionessesuelenutilizarcircuitos integrados tipodriverscomo el IR2110 que permiten obtener las seña-lespara,almenos,2interruptoresconectadosenlapartealtaybajadelbus;debidoaqueenestecasose tienen4 interruptorespor rama,se realizaron algunos ensayos preliminarescon 2 circuitos integrados IR2110 pero se en-contraron problemas con los puntos emisores ydrenadoresflotantes, y las señalesperdíansu forma.Enestaaplicaciónseoptóporunasolución que, aunque utilizamás componen-tes,escompetitivaconlassolucionesbasadasencircuitosintegradostipodrivers.Enlaetapainicial la tarjeta de disparo tiene un aislamiento delaseñalporoptacopladores;posteriormentehay una etapa de separación de señales para

obtenerfinalmentecadaseñalconcorrespon-dientetierra,conlocualseaseguraquenoha-brádificultadesconlospuntosflotantesdentrode la rama.

Tarjeta con los condensadores del bus de continua

Enesta tarjeta,mostradaen la figura8, seen-cuentran la entrada de tensión continua y los dos condensadores en serie que dividen dicho bus. Se conectaron en paralelo con cada condensador un pardevaristoresconcapacidadde250Vcadaunoconelfindeprotegerloscondensadores.Seutilizaronbornesdetornilloenlasalidaparafacili-tarlaconexióndelastresramasalaalimentacióndecontinuaalpuntopositivo,medioynegativo.

Figura 8. Tarjeta del bus de continua. 1: Salidas polaridad positiva. 2: Punto medio del bus de continua. 3: Salidas polaridad negativa.

4: Entrada bus de continua. 5: Fusible de protección. 6: Condensadores. 7: Varistores.

Generación de pulsos de disparo

Lageneracióndelospulsossehizoatravésdeun procesador de señal digital (Digital SignalProcessor –DSP–)modeloTMS320F2812 deTexasInstruments.EsteDSPtienecomoplata-formadeprogramaciónelsoftwareCodeCom-poserStudio, en el cual se utilizaC++ comolenguaje de programación. La estrategia deconmutación empleada para generar los pul-sosdel inversores lamodulaciónPWMmultiportadora.Comosemencionóanteriormente,

este método utiliza n-1 señales portadoras,dondeneselnúmerodenivelesdelinversor;porlotanto,enestecasoseutilizaron2seña-les moduladoras de forma triangular con una frecuenciade180kHz,esdecir,3000veceslafrecuencia fundamental14,15;laseñalportadorafuelaseñalfundamentalde60Hz.Laestrate-gia en sí consiste en la comparación de las am-plitudes de la señal portadora en su semiciclo positivo con una señal moduladora superior y la comparación de la señal portadora en su se-miciclo negativo con una señal moduladora in-


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ferior;luego,lospulsosobtenidossecodificanparaobtenerlospulsoscomplementariosy,deestaforma,seutilizandosseñalesigualesparados de los interruptores de la rama. Para obte-nerlasseñalesdelasdemásramas,seutilizanlasmismasseñalesmoduladoras,perosedes-fasan las portadoras 120° y 240° para la fase ByC,respectivamente.ElDSPesconectado

a los drivers a través de un bloque conectorconformado por un cable tipo ribbon que se co-necta a una bornera de la cual se desprenden cinco puertos que van conectados a la entrada deldriver.Enlasfiguras9(a)y8(b)semues-tran las formas de onda de la estrategia de mo-dulaciónutilizadaylospulsosgeneradosparaunade las fases.En la figura10semuestraunaimagendelmontajerealizado.

Figura 9. (a) Señales moduladoras y portadoras utilizadas en la modulación. (b). Imagen en osciloscopio de los pulsos generados para los dispositivos S1 y S22 de la primera rama

Figura 10. Montaje Inversor Trifásico Multinivel. 1: DSP y bloque conector. 2: Drivers. 3: Bus de continua. 4: Ramas del inversor

(a) (b)

Resultados

Para la realizacióndeestapruebaseconec-tó una carga en Y compuesta por una carga resistivaenserieconuna inductiva.Lacargaresistivautilizada fuede400Wpor fasey lainductivaporfasefue:faseA=27.87mH,faseB=27.36mHyfaseC=29.04mH.Latensión

dealimentaciónfue200V,aproximadamente,obtenidosmediante la rectificación de la ten-sióndesalidadeunvariac.Enlafigura11semuestra la forma de onda de la tensión de fase obtenidaa travésdel osciloscopio yobtenidaenlasimulación;sepuedeobservarlasimilitudde las ondas lo que comprueba que el inversor construido cumple en primera instancia con el comportamiento de voltaje esperado.


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Enlasfiguras11y12semuestralacompara-ción de la forma de onda de tensión de línea obtenidaa travésdel osciloscopio yobtenidaen la simulacióndonde, al igual queen la fi-guraanterior,senotalasimilituddelasondaslo que implica el buen comportamiento de la tensión del inversor construido; esto tambiénindica un buen funcionamiento de la estrategia deconmutaciónprogramadaenelDSP.Lasfi-guras13y14muestranlosnivelesdetensióny corriente obtenidos, con su respectivo por-centajedecontenidoarmónico(%THD–Total

Harmonic Distortion) y su comparación coneldel inversordedosniveles.Losvaloresdecontenido armónico del inversor de dos niveles fueronobtenidosatravésdesimulaciónmien-tras que los valores de contenido armónico del inversor de tres niveles fueron obtenidos con alanalizadorFluke®41B.Enlastablas2y3se hace un consolidado de los resultados del THDobtenido.EsevidentecómosereduceelcontenidoarmónicoalutilizarelinversorNPCpropuestoyverificarunadelasventajasmen-cionadas anteriormente.

(a)

(a)

(b)

(b)

Figura 11. (a) Tensión de la fase A, 5 V por cada división y sonda atenuada por 10. (b) Tensión de fase en la simulación

Figura 12. (a) Tensión de línea Vab, 5 V por cada división y sonda atenuada por 10. (b) Tensión de línea en la simulación


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Figura 13. Resultado arrojado por el Fluke® 41B de las componentes armónicas de la tensión de la fase A inversor NPC

Figura 14. Resultado de la herramienta FFT de Matlab de las componentes armónicas de la tensión de la fase A inversor de 2 niveles

Tabla 3. Resultados de las corrientes de carga y comparación del %THD, carga RL

Corrientes de Carga Irms [A] % THD Inversor

Implementado% THD Inversor

2 nivelesIa 7.8 30.9 43.6

Ib 8 31 42.8

Ic 7.1 33 45.4

Tabla 2. Resultados de las tensiones de fase y comparación del %THD, carga R-L

Tensión de Fase Vrms [V] % THD Inversor

Implementado% THD Inversor

2 nivelesVao 106.3 44.1 84.75

Vbo 99 43.6 84.6

Vco 92.1 41.7 84.5


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Tensión de cada interruptor

Conelfindevalidarunadelasventajasdeestaclasede inversor,mencionadaanteriormente,se hicieron mediciones de la tensión que so-porta cada interruptor entre drenador y fuente. Lapruebasehizoconcargaresistivaycargaresistiva-inductiva, y se llegó a la conclusiónde que la tensión obtenida en cada interrup-toresindependientedelacargaconectada,yaqueseobtuvieronvaloressimilares.Latensión

delbusdecontinua,utilizadaenlaprueba,fuede120V.Enlatabla4semuestraelresultadodelastensiones soportadas por los interruptores de po-tencia en el inversor implementado y en uno con-vencional. Los resultadosmuestranque losdis-positivos semiconductores en un inversor de tres niveles son sometidos a menor tensión que en un inversorconvencional,avalandolaventajaseña-lada anteriormente en este documento donde se señala que por este hecho en un inversor de tres niveles se puede trabajar a mayores potencias.

Tabla 4. Tensiones en los interruptores

Interruptor Vrms [V] 3 niveles Vrms [V] 2 niveles

S1 50.2 84.7

S22 30.4 -

S11 30 84.7

S2 50.3 -

Discusión

Losresultadosobtenidosdelaspruebasreali-zadasconelprototipoimplementadopermitenresaltardosaspectosprincipales:

• Analizandolosdatosdelastablas1y2,sepueden obtener los promedios de la reduc-ciónenel%THDdecadamedición.Elpro-medio de reducción%THD de la tensiónde fase fuede41.46%,yelpromediodereducción%THDdelacorrientedecargafuede12.35%.

• Delatabla3sepuedeevidenciarquehayuna notable reducción del nivel de tensión soportadoporlosdispositivos,alencontrarunareducciónde40.7%y64.6%,respecti-vamente,enlosdispositivosS1yS11.

• Este último hecho implica una duraciónmás prolongada del dispositivo semicon-ductor y, por consiguiente, una vida útilmayor del inversor.

• Laestrategiademodulaciónaplicadaenelinversormostróunbuencomportamiento,dados los resultados de contenido armóni-co y de formas de onda.

Conclusiones

Elprototipo presentó en la práctica un compor-tamiento equivalente al obtenido mediante si-mulación en cuanto a forma de onda y valores de las tensiones de fase y línea. Se evidenció de los resultados de las pruebas la disminución del contenido armónico y del estrés eléctricodelosinterruptores,loqueconsolidaestatéc-nica de conversión DC/AC como una opcióncompetitivadegranaplicación.Elbuenfuncio-namiento de la estrategia de conmutación uti-lizadaenesteproyecto(PWMMultiportadora)permite afirmar la efectividadde la extensiónde las técnicasdeconmutaciónconvenciona-les a inversores de más de dos niveles. Encuanto a la tarjeta de disparo, los resultadosexperimentalesvalidaneldiseñodeesta,enlacualseutilizarontransformadoresdeimpul-so,quesondebajocostoyqueocupanmenorespacio,comparadosconlosconvencionales,cualidades que lo hacen funcional para este tipo de aplicaciones. Como trabajo futuro seplantealarealizacióndellazodecontrolylain-tegración con la estrategia de modulación que permitanmejoraraúnmáslaeficienciaytenerla posibilidad de aumentar el número de nive-les. Sería interesante tambiéntenerencuentaeste tipo de inversor para la implementación de


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lainterfazdepotenciaparalaconexiónalareddeunafuentedeenergíarenovabley,deestaforma,aumentarlasopcionesdeimplementarsistemasdegeneracióndistribuida, vehículoseléctricosydemásdesarrollosorientadosalasnuevastendenciasenredesenergéticascomolo son las smart grids.

Referencias bibliográficas

1. ALEPUZ,Salvador.ControldelconvertidorCC/CAde tresniveles.TesisDoctoral.Barcelona:UniversidadPolitécnicadeCatalunya,Departa-mentodeIngenieríaElectrónica,2004.360p.

2. ALZATE,AlfonsoyTREJOS,Adriana.Simula-cióndeuninversortrifásicomultinivelconfija-ción por diodos usando Simulink de Matlab®En:ScientiaetTechnica.Agosto2010.Vol.16,No.45,p.227-232.

3. PIETZSCH,Mónica.ConvertidoresCC/CAparala conexión directa a la red de sistemas foto-voltaícos:comparaciónentretopologíasdedosy tres niveles. Tesis de Maestría. Barcelona:UniversidadPolitécnicadeCatalunya,Departa-mentodeIngenieríaElectrónica,2004.101p.

4. BUM-SEOK,Suh;et al.MultilevelPowerCon-version–AnOverviewOfTopologiesandMo-dulations Strategies En: Optimization of Elec-tricalandElectronicEquipments.1998.Vol.6,No.2,p.1-14.

5. BERISTÁIN, José. Inversores bidirecionalescon aislamiento en alta frecuencia para aplica-ciones de energías renovables. Tesis Doctoral. Barcelona:UniversidadPolitécnicadeCatalun-ya, Departamento de Ingeniería Electrónica,2005.328p.

6. OSTOJIC,Darko.AMultilevelConverterstruc-ture for grid-connected pv plants. Tesis Docto-ral.Bologna:UniversitáDiBologna,FacoltáDiIngegneria, Dipartimento Ingegneria Elettrica,2010.153p.

7. RASHID,MuhammadPower ElectronicsHan-dbook.Florida:AcademicPress,2001.895p.

8. SOURKOUNIS, Constantinos. yAL-DIAB,Ah-mad. A comprehensive analysis and compari-son betweenmultilevel space – vectormodu-lationandmultilevelcarrier–basedPWMEn: 13thInternationalPowerElectronicsandMotionControl Conference (13:1-3, septiembre). Me-morias.Polonia:IEEE,2008.p.1710-1715.

9. MOHAN,Ned;UNDELAND,ToreyROBBINS,William.Powerelectronicsconverters,applica-tionsanddesign.NewYork:JohnWiley&SonsInc,1995.824p.

10. LAI,Jih-ShengyPENG,FangZheng.Multilevelconverters–anewbreedofpowerconverters.En:IEEETransactionsonIndustryApplications.1996.Vol.32,No.3,p.509-517.

11. FAIRCHILD SEMICONDUCTOR CORPORA-TIONIRFP460DataSheet.2002.

12. SANKEN ELECTRIC FMLG22 Data Sheet.2009.

13. TORRES,CarlosAndres;MURILLO,DuberneyyRESTREPO,CarlosAlberto. diseño y cons-trucción de un inversor trifásico. En: Scientia et Technica.2008.Vol.14,No.40,p.37-42.

14. ERICKSON,Robert yMAKSIMOVIC, Dragan.FundamentalsofPowerElectronics.NewYork:KluwerAcademicPublishers,2001.871p.

15. DU,Zhong;et al.Reducedswitching-frequencyactive harmonic elimination for multilevel con-verters. En: IEEE Transactions on IndustrialElectronics.2008.Vol.55,No.4,p.1761-1770.


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