diseño y construccion inv trifasico

8/4/2019 diseo y construccion inv trifasico

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILEESCUELA DE INGENIERIA

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNINVERSOR TRIFSICO MULTINIVEL

DE CUATRO ETAPAS PARACOMPENSACIN ARMNICA Y DE

REACTIVOS

ALBERTO ANDRES BRETN SCHUWIRTH

Memoria para optar al ttulo deIngeniero Civil Industrial, con Diploma en Ingeniera Elctrica

Profesor Supervisor:JUAN W. DIXON ROJAS

Santiago de Chile, 2003


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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILEESCUELA DE INGENIERIADepartamento de (departamento)

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNINVERSOR TRIFSICO MULTINIVEL

DE CUATRO ETAPAS PARACOMPENSACIN ARMNICA Y DE

REACTIVOS

ALBERTO ANDRS BRETN SCHUWIRTH

Memoria presentada a la Comisin integrada por los profesores:

JUAN DIXON R.

MAURICIO ROTELLA M.

LUIS MORAN T.

Para completar las exigencias del ttulo deIngeniero Civil Industrial, con Diploma en Ingeniera Elctrica

Santiago de Chile, 2003


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ii

A mi familia, especialmente a mis

Padres, Hermanos y Abuelos, quesiempre confiaron en mi.


4/168

iii

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer especialmente a mi Familia por todo el apoyo y cario

brindado durante estos aos de estudio. Gracias por su paciencia.

Una especial mencin merece el profesor Juan Dixon por su ayuda y

apoyo incondicional, permitiendo desarrollar y terminar con xito este proyecto.

Tambin agradezco la colaboracin a tantas otras personas que me

ayudaron e hicieron posible que esto se concretara. Entre ellos quiero mencionar a

Micah Ortzar y a los funcionarios del Departamento de Ingeniera Elctrica,

especialmente Eduardo Cea. Gracias por su apoyo incondicional.


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iv

INDICE GENERAL

Pg.

DEDICATORIA................................................................................................................ii

AGRADECIMIENTOS ................................................................................................... iii

INDICE GENERAL.........................................................................................................iv

INDICE DE TABLAS.....................................................................................................vii

INDICE DE FIGURAS....................................................................................................ix

RESUMEN.....................................................................................................................xiv

ABSTRACT....................................................................................................................xv

I. Introduccion............................................................................................................. 1

1.1. Objetivos de la Memoria ................................................................................. 1

1.1.1. Origen de la Memoria ........................................................................... 1

1.1.2. Cobertura de la Memoria ...................................................................... 1

1.1.3. Organizacin de la Memoria................................................................. 2

1.2. Inversores Multinivel ...................................................................................... 2

1.2.1. Inversor Acoplado por Diodo (Diode-Clamped Inverter)..................... 5

1.2.2. Inversor Acoplado por Condensador (Capacitor Clamped Inverter) .... 8

1.2.3. Inversor Multietapa con Puentes H e Inversores en Cascada .............10

1.2.4. Inversor Multietapa en Cascada con Fuente Comn ..........................16

II. Caractersticas del Inversor Multinivel de Cuatro Etapas en Cascada con

Fuente Comn........................................................................................................ 19

2.1. Inversor Multinivel de Cuatro Etapas en Cascada con Fuentes

Independientes............................................................................................... 19

2.1.1. Modulacin de Voltaje........................................................................ 21

2.1.2. Distribucin de Potencia..................................................................... 23

2.2. Inversor Multinivel de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Comn......... 25

2.2.1. Modulacin de Voltaje........................................................................ 26


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v

2.2.2. Distribucin de Potencia..................................................................... 30

2.2.3. Forma de la Corriente. ........................................................................ 31

2.3. Comparacin de Inversores ........................................................................... 32

III. Diseo y Construccin........................................................................................... 37

3.1. Circuito de Potencia ...................................................................................... 38

3.2. Descripcin de los IGBTs Utilizados............................................................ 39

3.3. Circuitos Impresos del Inversor .................................................................... 40

3.3.1. Tarjeta de Potencia.............................................................................. 40

3.3.2. Tarjeta de Disparo............................................................................... 44

3.3.3. Circuito Impreso de Interconexin ..................................................... 49

3.4. Fuente de Poder............................................................................................. 50

3.5. Transformadores............................................................................................ 51

3.6. Disipador de Calor ........................................................................................ 54

3.6.1. Diseo Trmico del Disipador............................................................ 55

3.6.2. Montaje del Disipador ........................................................................ 57

3.7. Armazn y Disposicin de los Componentes ............................................... 59

3.8. Conexiones Elctricas. .................................................................................. 63

3.8.1. Conexiones de Alimentacin.............................................................. 64

3.8.2. Conexiones de Potencia ...................................................................... 653.8.3. Conexiones de Disparo ....................................................................... 68

3.9. Montaje del Inversor. .................................................................................... 68

3.10. Inversor Construido....................................................................................... 70

IV. Resultados Experimentales.................................................................................... 73

4.1. Tensin de Salida del Inversor. ..................................................................... 74

4.2. Corriente de Salida del Inversor.................................................................... 76

4.3. Comparacin con Inversor PWM.................................................................. 77

V. Conclusiones y Trabajo Futuro.............................................................................. 79

BIBLIOGRAFIA............................................................................................................. 80

ANEXO A: Diagramas Esquemticos Utilizados con el Software Power

Electronics Simulator........................................................................................... 83


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vi

ANEXO B: Datos Tcnicos ............................................................................................ 87

ANEXO C: Detalles Circuito Impreso de Potencia. ..................................................... 119

ANEXO D: Detalles Circuito Impreso de Disparo. ...................................................... 125

ANEXO E: Detalles Circuito Impreso de Interconexion. ............................................. 127

ANEXO F: Detalles de la Fuente de Poder................................................................... 130

ANEXO G: Calculos Trmicos.................................................................................... 133

ANEXO H: Fotogracias de las Vistas Superior e Inferior del Inversor. ....................... 139

ANEXO I: Programa de Control del Inversor............................................................... 142


8/168

vii

INDICE DE TABLAS

Pg.

Tabla 1.1 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(a) ............................. 6

Tabla 1.2 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(b)............................. 7

Tabla 1.3 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (a) ............................ 9

Tabla 1.4 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (b)............................ 9

Tabla 1.5 Secuencia de encendido para puente H de la figura 1.6.................................. 12

Tabla 1.6 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.7 ............................... 13

Tabla 1.7 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(a) ........................... 15

Tabla 1.8 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(b)........................... 15

Tabla 1.9 Nmero de niveles de tensin para inversores Simtricos y Asimtricos

de diferente nmero de etapas. .............................................................................. 16

Tabla 2.1 Potencias suministradas por cada puente (Inversor con Fuentes

Independientes)...................................................................................................... 25

Tabla 2.2 Potencias suministradas por cada puente (Inversor de Fuente Comn).......... 31

Tabla 3.1 Voltajes en los secundarios de cada etapa....................................................... 52

Tabla 3.2 Relacin de voltaje entre primarios y secundarios por etapa .......................... 53

Tabla 3.3 Potencia para los transformadores de cada etapa............................................ 54

Tabla E.1 Descripcin terminales figura E.2 ................................................................ 129

Tabla F.1 Corrientes que debe suministrar la Fuente de Poder..................................... 130

Tabla F.2 Corrientes de diseo para la Fuente de Poder. .............................................. 131


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viii

Tabla G.1 Datos para clculos trmicos........................................................................ 135

Tabla G.2 Resistencias trmicas del disipador original y el utilizado........................... 138


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ix

INDICE DE FIGURAS

Pg.

Figura 1.1: Inversor de (a) 2 niveles, (b) 3 niveles, (c)m niveles.................................... 3

Figura 1.2 Esquema de Inversor Acoplado por Diodo. (a) Tres niveles. (b) Cinco

niveles. ..................................................................................................................... 6

Figura 1.3 Esquema Inversor con Condensador de Acople. (a) Tres niveles. (b)

Cinco niveles. .......................................................................................................... 8

Figura 1.5 Configuracin de un puente H de tres niveles. ............................................. 11

Figura 1.6 Inversor en Cascada Simtrico de dos Etapas................................................ 13

Figura 1.7 Inversor en Cascada Asimtrico de dos Etapas (a) operando con cinco

niveles (b) operando con siete niveles. .................................................................. 14

Figura 1.8 Inversor en Cascada Simtrico de dos Etapas con fuente comn. ................. 17

Figura 1.9 Inversor en Cascada Asimtrico de dos Etapas. ............................................ 18

Figura 2.1 Una fase de Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuentes

Independientes ....................................................................................................... 20

Figura 2.3 Voltaje Modulado en cada Etapa del Inversor. .............................................. 23

Figura 2.4 Distribucin de Potencia Activa. ................................................................... 24

Figura 2.5 Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Comn. .......................... 26

Figura 2.6 Voltaje Modulado en primarios y secundarios en cada etapa delinversor .................................................................................................................. 27

Figura 2.7 Tensin de salida del Inversor comparada con una sinusoide de

referencia. .............................................................................................................. 29

Figura 2.8 Distribucin de Potencia a) Carga R b) Carga RL......................................... 30


11/168

x

Figura 2.9 Corriente y Voltaje de salida para cargas R y RL. ......................................... 32

Figura 2.10 Corriente para carga RL en Inversor Multinivel y PWM ............................ 33

Figura 2.11 Voltajes de salida para Inversores Multinivel y PWM ................................ 34

Figura 2.12 Seal de disparo de uno los IGBT de la etapa del 3er Auxiliar....................35

Figura 3.1 Circuito esquemtico de una fase del inversor. ............................................. 38

Figura 3.2 Dibujo del encapsulado en puente H, modelo P503-F-PM ........................... 39

Figura 3.3 Esquemtico del encapsulado y asignacin de pines del P503-F-PM ........... 40

Figura 3.4 Diseo del Circuito Impreso de la Tarjeta de Potencia.................................. 42

Figura 3.5 Fotografa Tarjeta de Potencia ....................................................................... 43

Figura 3.6 Diagrama esquemtico del Circuito de Disparo. ........................................... 45

Figura 3.7 Diseo del Circuito Impreso de la Tarjeta de Disparo................................... 46

Figura 3.8 Fotografa Tarjeta de Disparo ........................................................................ 47

Figura 3.9 Interconexin de la Tarjeta de Potencia con las de Disparo. ......................... 48

Figura 3.10 a) Circuito Impreso b) Foto de la Tarjeta de Interconexin......................... 49

Figura 3.11 Diseo del Circuito Impreso de la Fuente de Poder .................................... 50

Figura 3.12 Fotografa Fuente de Poder .......................................................................... 51

Figura 3.13 Modelo trmico bsico................................................................................. 55

Figura 3.14 Modelo trmico utilizado para los clculos................................................. 56

Figura 3.15 Disipador de Calor. ...................................................................................... 57

Figura 3.16 Distribucin de los puentes en la base del Disipador .................................. 58


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xi

Figura 3.17 Corte transversal por el Disipador ............................................................... 58

Figura 3.18 (a) Planta del armazn estructural (b) Detalle esquinas.............................. 59

Figura 3.19 Esquema vista superior del Inversor. ........................................................... 60

Figura 3.20 Esquema vista inferior del inversor. ............................................................ 61

Figura 3.21 Esquema corte por la fase central del inversor. ........................................... 62

Figura 3.22 Grupo de transformadores. .......................................................................... 63

Figura 3.23 Diagrama elctrico conexiones de alimentacin de alta tensin. ................ 64

Figura 3.24 Cableado de baja tensin a) Saliendo desde la Fuente de Poder

b) Entrando a las Tarjetas de Potencia................................................................... 65

Figura 3.25 Diagrama elctrico Alimentacin DC de Potencia ...................................... 66

Figura 3.26 Conexin primarios Etapas 1er y 2do Auxiliar.............................................. 66

Figura 3.27 Diagrama elctrico de Interconexin de Transformadores .......................... 67

Figura 3.28 Inversor Trifsico Multinivel de cuatro Etapas ........................................... 70

Figura 3.29 Sistema Integrado AC-AC con dos Inversores Multinivel .......................... 71

Figura 4.1 Esquema conexiones de pruebas.................................................................... 73

Figura 4.2 Tensin trifsica a la salida del inversor........................................................ 74

Figura 4.3 Simulacin de seal de voltaje trifsico del inversor. ................................... 75

Figura 4.4 Onda de voltaje de un semiciclo.................................................................... 75

Figura 4.5 Simulacin de la onda de voltaje de un semiciclo ......................................... 76

Figura 4.6 Voltaje y corriente de salida del inversor....................................................... 77

Figura 4.7 Simulacin de voltaje y corriente de salida del inversor ............................... 77


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xii

Figura 4.8 a)Voltaje inversor multinivel. b) Voltaje inversor PWM. ............................. 78

Figura 4.9 a) Corriente inversor multinivel. b) Corriente inversor PWM....................... 78

Figura A.1 Diagrama simulacin Inversor con Fuentes Independientes......................... 84

Figura A.2 Diagrama simulacin Inversor con Fuente Comn....................................... 85

Figura A.3 Diagrama simulacin Inversor PWM. .......................................................... 86

Figura C.1 Capacidad de lneas..................................................................................... 119

Figura C.2 Identificacin de IGBTs dentro de cada puente H ...................................... 120

Figura C.3 Detalle Conectores de Potencia................................................................... 121

Figura C.4 Detalle conectores de control. ..................................................................... 122

Figura C.5 Detalle conectores de disparo...................................................................... 123

Figura D.1 Detalle Tarjeta de Disparo .......................................................................... 125

Figura D.2 Detalle ampliado terminales de disparo. ..................................................... 126

Figura D.3 Detalle conector de seales de disparo ....................................................... 126

Figura E.1 Detalle Tarjeta de Interconexin. ................................................................ 127

Figura E.2 Fotografa del conector para las seales de control..................................... 128

Figura F.1 Diagrama esquemtico Fuente de Poder...................................................... 131

Figura F.2 Detalles conectores Fuente de Poder ........................................................... 132

Figura G.1 Modelo trmico utilizado para los clculos ................................................ 134

Figura H.1 Fotografa vista superior del inversor ......................................................... 139

Figura H.2 Fotografa vista inferior del inversor .......................................................... 140


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xiii

Figura H.3 a) Conector de alimentacin. b) Interruptor general ................................... 140

Figura H.4 a) Bornes de entrada de tensin continua. (b) Bornes de salida detensin alterna...................................................................................................... 141

Figura H.5 Interconexin de transformadores............................................................... 141


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xiv

RESUMEN

Los inversores multinivel son inversores de ltima tecnologa que pueden

generar corrientes o incluso voltajes sinusoidales con mucho menor contenido

armnico que los inversores convencionales de dos niveles. Si el nmero de niveles

es lo suficientemente alto, se puede obtener un voltaje y corriente casi perfecto. La

tecnologa multinivel permite generar seales de corriente y voltaje de mejor calidad

que las obtenidas con tcnicas de modulacin por ancho de pulso. Esto ha motivado

el desarrollo y construccin de un inversor de 4 etapas y 81 niveles de voltaje con

esta tecnologa.

En este trabajo se detallan todos los procesos realizados durante el

perodo de diseo y construccin del inversor, comenzando con una presentacin de

algunos tipos de inversores multinivel, siguiendo con una profundizacin sobre el

que se utilizar en esta memoria, para finalmente hacer una descripcin completa del

proceso de construccin propiamente tal y de las caractersticas del inversor

construido.

Dada la topologa utilizada en la implementacin del inversor (fuente

comn y uso de transformadores), ste no est pensado para aplicaciones enfrecuencia variable. Por esta razn, est pensado para la implementacin de

rectificadores de corrientes sinusoidales, filtros activos de potencia, compensadores

estticos de reactivos o inversores conectados a la red trifsica.

El inversor construido es capaz se soportar un corriente de

aproximadamente 5A por fase con un voltaje de salida de 220Vac, con lo cual es

capaz de suministrar una potencia de 1.1kVA por fase.


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xv

ABSTRACT

Multilevel inverters are one of the latest technologies in inverters, which

can generate sinusoidal currents and voltages with much less harmonic content than

conventional two level inverters. If the number of levels is high enough, it is possible

to obtain almost perfect voltages and currents. Multilevel technology allows

generating current and voltage signals of much better quality that the ones obtained

with modulation by wide-of-pulse techniques. This motivated the development and

construction of a 4 stage inverter (81 voltage levels) with this technology.

Every step involved in the inverters design and construction processes

are detailed in this work, beginning with a presentation of some types of multilevel

inverters, following with a deepening on the one that will be used in this memory,

and finally a detailed description of the construction process and the inverters

characteristics.

Given the topology used in the implementation of the inverter (common

source and the use of transformers), this one is not designed for applications of

variable frequency. Therefore, it is designed for the implementation of sinusoidal

current rectifiers, active power filters, static VAR compensators or invertersconnected to the three-phase network.

The constructed inverter is capable of delivering currents up to 5A per

phase with a voltage output of 220Vac, by which its able to provide power up to

1.1kVA per phase.


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1

I. INTRODUCCION

1.1. Objetivos de la Memoria

En el presente trabajo se presenta el diseo y construccin de un Inversor

Trifsico Multinivel de Cuatro Etapas utilizando semiconductores de potencia del

tipo IGBT para la conmutacin.

1.1.1. Origen de la Memoria

Esta memoria nace como respuesta a la necesidad de realizar proyectos

de investigacin con aplicaciones prcticas, donde se puedan obtener resultados

reales del comportamiento de los Inversores Multinivel. Es parte de una serie de

proyectos, con los cuales en conjunto, se pretende construir un sistema rectificador-

inversor, que conectado a la red, pueda controlar un motor de induccin trifsico

regulando el voltaje y la frecuencia de alimentacin. Este trabajo ha desarrollado el

lado rectificador, el cual podr funcionar como compensador esttico de reactivos y

como filtro activo de potencia (rectificador activo).

1.1.2. Cobertura de la Memoria

El trabajo abarc todo lo que se refiere a la construccin del inversor

propiamente tal, incluyendo, a grandes rasgos, los transformadores de potencia de

salida, la electrnica de potencia (IGBT) y los circuitos de disparo necesarios para

integrar el control con los elementos de potencia.

Se dej para un trabajo futuro el diseo del control del inversor, el queser especfico para la aplicacin ya definida en 1.1.1.


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2

1.1.3. Organizacin de la Memoria

En el presente captulo se presenta una introduccin del trabajo realizado,adems se muestra una descripcin de los Inversores Multinivel, sus aplicaciones,

ventajas y desventajas y su comparacin con otros tipos de inversores que existen,

como aquellos de dos niveles modulados en ancho de pulso (PWM).

En un segundo captulo se describe el Inversor Multinivel desarrollado,

basado en una configuracin de cuatro etapas. Se muestran sus caractersticas de

operacin y se simula su comportamiento. Todos las simulaciones se realizaron

utilizando el programa de simulacin computacional Power Electronics Simulator

(PSIM) [1].

En el tercer captulo se describen los procesos de diseo y construccin

del Inversor, detallndose cada una de las partes que lo componen y las funciones de

estas.

En el cuarto captulo se muestran los resultados experimentales

obtenidos con el inversor, los que son comparados con una simulacin bajo

caractersticas de operacin similares.

Finalmente, en el quinto captulo, se presentan las conclusiones del

presente trabajo y se hace una descripcin del trabajo futuro.

1.2. Inversores Multinivel

La funcin general de un Inversor Multinivel es generar un voltaje

alterno a partir de diferentes niveles de voltaje continuo [2]. Estos inversores

multinivel pueden ser conectados en serie (con fuentes DC flotantes galvnicamenteaisladas) o en paralelo (con fuente DC comn y galvnicamente aislados con

transformadores de potencia en la carga).

Un inversor multinivel individual se caracteriza por generar cierto

nmero de niveles de tensin en la salida. Un inversor de dos niveles genera dos


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3

niveles voltaje de salida, uno de tres niveles generar tres niveles de tensin y as

sucesivamente. En la figura 1.1 se muestra un esquema bsico de inversores con (a)

dos (b) tres y (c) m niveles, donde los semiconductores de potencia estn

representados por interruptores ideales de varias posiciones.

VC

(a)

+

Va

a

0(b)

+

Va

a

0

+

(c)

+ Va

a

0

+V

C(m-1)

+VC

(m-2)

VC

(1)VC

(1)

VC

(2)

Figura 1.1: Inversor de (a) 2 niveles, (b) 3 niveles, (c)m niveles.

Generalizando, para este tipo de configuracin, el nmero de niveles de

la onda de voltaje de salida m de un inversor con n fuentes de voltaje queda

determinado por la siguiente frmula:

1+= nm (1.1)

Mientras mayor es el nmero de niveles de un inversor, mayor ser el

nmero de componentes y ms complicado resulta el control para ste, pero por otrolado, el voltaje de salida tendr mayor cantidad de pasos, formando una sinusoide

escalonada con menor distorsin armnica. En la figura 1.2 se muestra la seal

obtenida con distintos nmeros de niveles de tensin de salida (3, 11, 31 y 81) y sus

respectivas distorsiones armnicas, las que claramente disminuyen con el aumento

del nmeros de niveles.


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4

Figura 1.2 Nmero de niveles y su distorsin armnica

Por otro lado, para aumentar el nmero de niveles es necesario incorporar

mayor nmero de componentes, tanto en la electrnica de potencia como en la de

control, lo que influye en la confiabilidad del equipo.

Entre las principales ventajas de los Inversores Multinivel se pueden

destacar [3]:

a) Pueden generar voltajes de salida con distorsin extremadamente pequea.

b) Las corrientes de salida son de muy baja distorsin.

c) Pueden operar con baja frecuencia de conmutacin.

Adems de lo anterior, los inversores multinivel son muy adecuados en

accionamientos, pues solucionan los problemas presentados por los variadores de

velocidad para motores con inversores de 2 niveles, controlados por modulacin por

ancho de pulso (PWM) [4]. Debido a la alta frecuencia de conmutacin y los grandes

dv/dt que genera la PWM, los motores sufren daos principalmente en los


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5

rodamientos y en la aislacin de los enrollados. Por esto es necesario utilizar motores

especialmente diseados, con aislaciones reforzadas y rodamientos aislados, para

evitar el envejecimiento prematuro de la aislacin y la corriente a travs de los

rodamientos. Adems, las altas frecuencias de conmutacin (10 kHz a 100 kHz)

producen interferencia en los sistemas de comunicaciones y equipos electrnicos.

Otro problema que presentan los variadores de velocidad convencionales

es la eficiencia. Debido a que el inversor debe conmutar a altas frecuencias

(supersnicas), las prdidas asociadas a la conmutacin son normalmente ms altas

que las prdidas por conduccin. Adems, un mayor contenido armnico de corriente

genera mayores prdidas en el motor, ya que aumenta su tempera de trabajo. Esto se

traduce en una prdida de eficiencia en la transformacin de continua en alterna.

A continuacin es describen algunas de las topologas ms comunes para

inversores multinivel.

1.2.1. Inversor Acoplado por Diodo (Diode-Clamped Inverter)

Este inversor se caracteriza por dividir el voltaje de la barra DC en unacierta cantidad de niveles por medio de condensadores conectados en serie. La

cantidad de diferentes niveles de voltaje caracteriza al inversor. En la figura 1.3(a) se

muestra un Inversor de tres niveles, obtenidos con los condensadores C1 y C2

conectados en serie y en la 1.2(b) uno de cinco niveles.


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6

(a)

2dcV

dcV

2dcV

1C

2C

n a

0

1D

'1D

'1S

'2S

1S

2S

(b)

4dcV

dcV

2dcV

3C

4C

n a

0

3D

'3D

'1S

'2S

3S

4S

2dcV

4dcV

1C

2C

1D

'1D

'3S

'4S

1S

2S

2D

'2D

van

Figura 1.3 Esquema de Inversor Acoplado por Diodo. (a) Tres niveles. (b)Cinco niveles.

El punto medio n entre los dos condensadores se puede definir como

punto neutro. El voltaje de salida van se caracteriza por tener tres estados o niveles:

Vdc /2, 0, y Vdc /2 con respecto al punto neutro. En la tabla 1.1 se muestra la

secuencia de encendido de los semiconductores que se debe utilizar para generar los

diferentes voltajes de salida para el inversor de la figura 1.3(a).

Tabla 1.1 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(a)

Van S1 S2 S1 S2

Vdc / 2 1 1

0 1 1

- Vdc / 2 1 1


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7

En este tipo de inversor, los diodos (D1 y D1) son componentes clave que

no se encuentran en los inversores de dos niveles comunes. Estos diodos acoplan el

voltaje de conmutacin para dividir el nivel de voltaje de la barra DC. Cuando S1 y

S2 estn simultneamente cerrados, el voltaje entre a y 0 es Vdc. En este caso, D1

balancea el voltaje entre S1 y S2

haciendo que S1 bloquee el voltaje en C1 y que S2

bloquee el voltaje en C2.

La figura 1.3(b) representa un Inversor de cinco niveles, generados por

los condensadores C1, C2, C3 y C4 conectados en serie. Para una barra DC de voltaje

Vdc, el voltaje de cada condensador ser Vdc/4.

Considerando el punto n como referencia del voltaje, se puede explicarmediante la tabla 1.2 como se forman los diferentes nivel de tensin para el Inversor

de la figura 1.3(b).

Tabla 1.2 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(b)

Van S1 S2 S3 S4 S1 S2

S3 S4

Vdc / 2 1 1 1 1

Vdc / 4 1 1 1 10 1 1 1 1

- Vdc / 4 1 1 1 1

- Vdc / 2 1 1 1 1

Asumiendo que el voltaje inverso de cada diodo es el mismo que el de

los semiconductores, el nmero de diodos que se requiere para una fase del inversor

ser: (m-1)*(m-2). Este nmero crece cuadrticamente a medida que aumenta m y

por lo tanto, cuando m se hace suficientemente grande, el nmero de diodos

necesarios para implementar el inversor lo hacen impracticable.


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8

1.2.2. Inversor Acoplado por Condensador (Capacitor Clamped

Inverter)

(a)

2dcV

dcV

2dcV

1C

2C

n a

0

1C

'1S

'2S

1S

2S

(b)

4dcV

dcV

2dcV

4C

4C

n a

0

3C

'1S

'2S

3S

4S

2dcV

4dcV

4C

4C

1C

'3S

'4S

1S

2S

2C

2C

3C

3C

van

Figura 1.4 Esquema Inversor Acoplado por Condensador. (a) Tres niveles. (b)

Cinco niveles.

En la figura 1.4 se muestra el diagrama esquemtico de un inversor

acoplado por Condensador. El inversor de la figura 1.4 (a) corresponde a uno de tresniveles, el cual genera entre los terminales a y n los siguientes voltajes: Vdc /2, 0,

Vdc/2. En la tabla 1.3 se pueden ver las combinaciones de los semiconductores que

deben estar conduciendo para generar los diferentes niveles de tensin.


25/168

9

Tabla 1.3 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (a)

Van S1 S2 S1 S2Vdc / 2 1 1

0 1 1

0 1 1

- Vdc / 2 1 1

La forma de conseguir los diferentes niveles de tensin en el inversor

acoplado por condensador es ms flexible comparado con el Inversor acoplado pordiodo. Esto se nota an ms en el caso del inversor de cinco niveles, en el cual

existen diferentes combinaciones de encendido para obtener un mismo nivel de

tensin. Utilizando como ejemplo la figura 1.4(b), el voltaje del inversor de cinco

niveles, van, puede ser obtenido con las combinaciones de la tabla 1.4.

Tabla 1.4 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (b)


S3 S4

Vdc / 2 1 1 1 1

Vdc / 4 1 1 1 1

Vdc / 4 1 1 1 1

Vdc / 4 1 1 1 1

0 1 1 1 1

0 1 1 1 1

0 1 1 1 1

0 1 1 1 1

0 1 1 1 10 1 1 1 1

- Vdc / 4 1 1 1 1

- Vdc / 4 1 1 1 1

- Vdc / 4 1 1 1 1

- Vdc / 2 1 1 1 1


26/168

10

Similarmente a como ocurre con el inversor acoplado por diodo, el

inversor acoplado por condensador requiere un gran nmero de condensadores para

hacer flotar el voltaje. De esta forma, un Inversor de m-niveles requerir un total de

(m-1)x(m-2)/2 condensadores de flotacin, adems del condensador de alto voltaje

que seguramente se requerir como filtro de entrada. Este ltimo deber ser

implementado con una cadena de condensadores en serie si el voltaje continuo es

demasiado alto. En la figura 1.4(b) se observan cadenas de condensadores en serie,

esto se debe a que los tensin continua obligan hacer esto para aumentar la tensin

soportada por los condensadores.

1.2.3. Inversor Multietapa con Puentes H e Inversores en Cascada

Se puede casi duplicar el nmero de niveles de las topologas anteriores

sin hacer crecer el nmero de fuentes de voltaje, utilizando la estrategia de los

Puentes H. Estos puentes se construyen utilizando dos inversores multinivel

idnticos, de alguno de los tipos mostrados en la figura 1.1. Esto permite a la carga

evitar el retorno directo hacia las fuentes de tensin continua y elevar el nmero de

niveles de n+1 a 2n+1. Una configuracin generalizada de un puente H como el

mencionado se ilustra en la figura 1.5.


27/168

11

CARGA

Figura 1.5 Puente H Generalizado, con n fuentes y m=2n+1 niveles.

El puente H ms sencillo es aqul formado por ramas de dos niveles cada

una, como el mostrado en la figura 1.6. Puede observarse que este puente genera tres

niveles con slo una fuente de tensin continua. La configuracin de este puente H se

muestra en la figura 1.6.

n

dcVa

S1

S2

S3 S4

anV

+

-

Figura 1.6 Configuracin de un puente H de tres niveles.


28/168

12

El puente H de la Figura 1.6, genera tres voltajes de salida (Van)

diferentes, +Vdc, 0 y Vdc, conectando el voltaje de entrada al de salida con diferentes

combinaciones de los cuatro semiconductores S1, S2, S3 y S4. Para obtener +Vdc, los

semiconductores S1 y S4 se ponen en conduccin (1), mientras que S2 y S3 estn en

estado de no conduccin (0). Encendiendo los semiconductores S2 y S3 y apagando

S1 y S4, se obtiene Vdc. Con las combinaciones (S1 y S2) (S3 y S4) en estado

encendido se obtiene un voltaje de salida de amplitud Cero. Cualquier otra

combinacin no es permitida pues provocar un corto circuito en la fuente DC del

mdulo. El funcionamiento de este puente H se resume en la tabla 1.5:

Tabla 1.5 Secuencia de encendido para puente H de la figura 1.6

Van S1 S2 S3 S4

Vdc 1 1

0 1 1

0 1 1

- Vdc 1 1

Estos puentes H pueden conectarse en cascada (serie o paralelo), y

dependiendo del nmero de puentes (etapas) que se conecten, se podr obtener un

nmero diferente de niveles de tensin. La relacin que existe entre el nmero de

niveles de tensin y el de etapas se ver ms adelante.

Este tipo de inversores se puede separar en simtricos y asimtricos. Los

simtricos tienen todas las fuentes independientes con la misma tensin, en cambio

los asimtricos poseen fuentes de diferentes tensiones.

En la figura 1.7 se muestra el diagrama de conexin para un Inversor en

Cascada Simtrico de dos etapas. Este inversor puede generar voltajes de salida que

van desde 2Vdc a +2Vdc con cinco niveles diferentes (dos en el semiciclo positivo,

dos en el semiciclo negativo y el cero, con escalones iguales a Vdc). Para conseguir

los diferentes niveles de tensin se debe utilizar la secuencia de conmutacin que se

muestra en la tabla 1.6, la que se construy siguiendo la secuencia de la sinusoide de


29/168

13

la figura 1.7. Adems, se puede apreciar que para generar los diferentes niveles de

tensin hay ms de una combinacin posible.

n

dcV

a

dcV2

dcV2

dcV

dcV

dcV

dcV

dcV

BS1

'1BS

'2BS

BS2

AS1

'1AS

'2AS

AS2

Figura 1.7 Inversor en Cascada Simtrico de dos Etapas.

Tabla 1.6 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.7

Van S1A S2A S1A S2A

S1B S2B S1B S2B

0 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

2 Vdc 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

0 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

-2 Vdc 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1


30/168

14

En la figura 1.8 se muestra el diagrama de conexin para un Inversor en

Cascada Asimtrico de dos etapas. Este inversor puede generar voltajes de salida que

van desde 1.5Vdc a +1.5Vdc con cinco niveles diferentes (dos en el semiciclo

positivo, dos en el semiciclo negativo y el cero) de la misma forma que para el

Inversor Simtrico, segn se muestra en la figura 1.8(a).

n

dcV

a

dcV

dcV

2dcV

dcV

dcV

2dcV

2dcV

BS1

'1BS

'2BS

BS2

AS1

'1AS

'2AS

AS2

dcV

dcV

2dcV

dcV

dcV

2dcV

(a) (b)

Figura 1.8 Inversor en Cascada Asimtrico de dos Etapas (a) operando concinco niveles (b) operando con siete niveles.

Para conseguir los diferentes niveles de tensin se debe utilizar la misma

secuencia de conmutacin que la mostrada en la tabla 1.6, pero con una diferencia en

los niveles de tensin. En la tabla 1.7 se pueden apreciar los niveles de tensin

correspondientes al Inversor en Cascada Asimtrico.

Analizando el caso del Inversor Asimtrico, es posible generar mayornmero de niveles de tensin de salida con esta misma configuracin. Para ello es

necesario agregar ms combinaciones a las que se mostr anteriormente. Como se

muestra en la figura 1.8(b), con este inversor se pueden generar hasta siete niveles de

tensin diferentes, los que se mantienen dentro del mismo rango antes mencionado.

En la tabla 1.8 se agregan los niveles adicionales y sus respectivas combinaciones de

conmutacin.


31/168

15

Tabla 1.7 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(a)

Van S1A S2A S1A S2A S1B S2B S1B S2B0 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

1.5 Vdc 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

0 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

-1.5 Vdc 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

Tabla 1.8 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(b)


S3 S4

0 1 1 1 1

0.5 Vdc 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 11.5 Vdc 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

0.5 Vdc 1 1 1 1

0 1 1 1 1

- 0.5 Vdc 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

-1.5 Vdc 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

- 0.5 Vdc 1 1 1 1

Se puede apreciar que el Inversor Asimtrico permite generar una

sinusoide escalonada que se asemeja mejor a una sinusoide real que el Inversor

Simtrico. Esto porque un inversor Asimtrico, como el la figura 1.8 puede generar


32/168

16

un nmero mayor de niveles que uno Simtrico. En la tabla 1.9 se muestra una

comparacin entre utilizar el esquema simtrico frente al asimtrico, aqu se puede

observar que el aumento del nmero de niveles es considerablemente importante.

Tabla 1.9 Nmero de niveles de tensin para inversores Simtricos y

Asimtricos de diferente nmero de etapas.

N Etapas Simtrico Asimtrico

2 5 7

3 7 15

4 9 315 11 63

Es necesario mencionar que en el ejemplo de la tabla 1.9, las fuentes de

voltaje que se agregan en el caso del Inversor Asimtrico, son la mitad del valor de la

anterior. Es decir, la fuente adicional que se le agrega al Inversor Asimtrico de 3

etapas con respecto al de dos etapas es de 0.25Vdc, por lo tanto este inversor tendra

las siguientes fuentes independientes: Vdc

, 0.5Vdc

y 0.25Vdc

. De esta forma, los

niveles de tensin de salida para este inversor serian: 0, 0.25Vdc, 0.5Vdc, 0.75Vdc,

Vdc, 1.25Vdc, 1.5Vdc, 1.75Vdc y los respectivos valores negativos. Ms adelante se

ver que el nmero de niveles puede aumentarse an ms, escogiendo relaciones de

tensin entre las fuentes independientes diferentes de una reduccin a la mitad.

1.2.4. Inversor Multietapa en Cascada con Fuente Comn

Utilizando un esquema similar al del inversor con fuentesindependientes, pero poniendo transformadores en la salida, se puede construir un

Inversor Multietapa con Fuente Comn. En la figura 1.9 se puede observar el

diagrama de un inversor de este tipo de dos etapas. Como puede observarse, a

diferencia del inversor con fuentes independientes, ambos puentes estn alimentados

desde una misma fuente DC, y adems los transformadores utilizados poseen la


33/168

17

misma razn de transformacin. Este inversor sera equivalente al Inversor

Multietapa en Cascada con Fuentes Independientes y Simtrico y por lo tanto, es

capaz de generar cinco niveles de tensin (dos positivos, dos negativos y el cero).

Para generar estos niveles de tensin se debe utilizar la misma secuencia de

combinacin que la mostrada en la tabla 1.6.

n

a

dcV2

dcV2

dcV

dcV

dcV

dcV

BS1

'1BS

'2BS

BS2

AS1

'1AS

'2AS

AS2

1:1

1:1

dcV

Figura 1.9 Inversor en Cascada Simtrico de dos Etapas con fuente comn.

La ventaja de esta configuracin frente a la que no utiliza

transformadores es que con una sola fuente DC se pueden alimentar todos los

puentes del inversor. Esta ventaja es ms evidente al aumentar el nmero de etapas

del inversor. Por ejemplo, en un inversor trifsico de cuatro etapas con fuentes

independientes, se necesitan doce fuentes DC para construir un inversor de las

mismas caractersticas que uno de fuente comn, que slo utiliza una fuente DC. Noobstante hay que mencionar que la topologa de fuente comn no es muy prctica en

aplicaciones en frecuencia variable. Por esta razn ella est pensada para la

implementacin de rectificadores, filtros activos de potencia, compensadores

estticos de reactivos o inversores conectados a la red trifsica.


34/168

18

Utilizando transformadores de distinta razn de transformacin se puede

construir un inversor Asimtrico de Fuente comn, como el de dos etapas mostrado

en la figura 1.10. Para generar los diferentes niveles de tensin se deben utilizar las

mismas combinaciones que las mostradas anteriormente en las tablas 1.7 y 1.8.

Dependiendo del nmero de niveles de tensin de salida utilizados, se obtienen las

formas mostradas en las figuras 1.10(a) y 1.10(b), con 5 o 7 niveles respectivamente.

dcV

dcV

2dcV

dcV

dcV

2dcV

dcV

dcV

2dcV

dcV

dcV

2dcV

(a) (b)

n

dcV

aBS1

'1BS

'2BS

BS2

AS1

'1AS

'2AS

AS2

1:2

1:1

Figura 1.10 Inversor en Cascada Asimtrico de dos Etapas.

En el siguiente captulo de profundizar en este tipo de inversor, Cascada

Asimtrico de fuente comn y con transformadores de salida, que es el que se

desarroll y construy en este trabajo. Particularmente, se describir el multinivel de

cuatro etapas, capaz de generar con un nmero reducido de semiconductores, 81

niveles de voltaje.


35/168

19

II. CARACTERSTICAS DEL INVERSOR MULTINIVEL DE CUATRO

ETAPAS EN CASCADA CON FUENTE COMN

El inversor en Cascada con Fuente Comn corresponde a una

modificacin del Inversor en Cascada con Fuentes Independientes. Es por esto que se

comenzar describiendo al de Fuentes Independientes, para continuar con el de

Fuente Comn.

2.1. Inversor Multinivel de Cuatro etapas en Cascada con Fuentes

Independientes

En la figura 1.6 se mostr el mdulo bsico utilizado para la

implementacin del Inversor Multietapa, cada etapa del inversor est constituida por

uno de estos mdulos, los que tambin son conocidos como puentes H. Como se dijo

anteriormente, cada uno de estos mdulos es capaz de generar tres niveles distintos

de tensin (Vdc, 0, - Vdc), los que combinados con los de las dems etapas del

Inversor generan la tensin de salida del inversor.

El Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuentes Independientes secaracteriza por utilizar cuatro etapas conectadas en serie por cada fase, lo que

significa que para implementar un inversor trifsico de este tipo, se requieren doce

fuentes DC independientes para alimentar las secciones de potencia del inversor.

Utilizar diferentes niveles de tensin en cada una de las etapas del

inversor mejora la calidad de la forma de onda obtenida con este. Adems, si los

niveles de tensin de las diferentes etapas del inversor son obtenidos de acuerdo a la

ecuacin (2.1), se puede maximizar el nmero de niveles del inversor [5].

)1...(,2,1)1(

1)(

1)1( =

=

piv

nn

nv idc

ii

iidc (2.1)

donde vdc(i) es el voltaje de la etapa i, ni el nmero de niveles de voltaje

que la i-sima etapa del inversor es capaz de producir yp el nmero de etapas. Como


36/168

20

los puentes H utilizados en las diferentes etapas del inversor generan 3 niveles de

tensin, se obtiene que:

ini = 3 (2.2)

Reemplazando (2.2) en (2.1) se obtiene la relacin que se muestra a

continuacin:

)1()( 3 = ixdcixdc vv (2.3)

Con el resultado de (2.3) se deduce que para maximizar el nmero de

niveles de tensin del inversor se debe utilizar voltajes escalonados en potencia de 3para las diferentes etapas.

dcV3

dcV27

dcV9

dcV

3erAuxiliar

2erAuxiliar

1erAuxiliar

Principal

CARGA

Figura 2.1 Una fase de Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuentes

Independientes


37/168

21

En la figura 2.1 se muestra un diagrama esquemtico de una de las fases

de un inversor de estas caractersticas. Como se puede apreciar, las cuatro fuentes DC

de las diferentes etapas estn aisladas y los niveles de tensin estn escalados en

potencia de tres, dejando la fuente de mayor tensin (27Vdc) para alimentar la etapa

correspondiente al inversor denominado Principal (por poseer la ms alta tensin

de alimentacin) y las tres restantes para los denominados Auxiliares. Por lo tanto,

este inversor corresponde a uno del tipo asimtrico, ya que las fuentes que alimentan

cada una de las etapas poseen diferentes niveles de tensin.

2.1.1. Modulacin de Voltaje

Al escalar en potencia de 3 se obtienen 81 (34) (niveles por etapa elevado

al nmero de etapas) niveles de tensin con solo cuatro etapas, generando una forma

de onda sinusoidal de manera muy precisa, como se puede apreciar en la simulacin

de la figura 2.2, donde se muestra el semiciclo positivo. De estos 81 niveles, 40 son

para los valores positivos, 40 para los negativos y uno para el cero [6].

Figura 2.2 Voltaje modulado en amplitud


38/168

22

En la simulacin de la figura 2.2 se pueden observar diferentes niveles de

tensin, los cuales se obtienen controlado los disparos de los semiconductores de

potencia. De este modo, el inversor se comporta como un dispositivo de Modulacin

por Amplitud. Para el caso del 100% se utilizan todos los niveles que posee el

inversor, el resto de los voltajes posee menor nmero de niveles, manteniendo la

misma diferencia de tensin entre niveles.

Todas las simulaciones realizadas al Inversor con Fuentes Independientes

fueron ejecutadas con el programa de simulacin PSIM mencionado en el captulo

anterior. En el Anexo A se muestra el diagrama utilizado para este efecto.

Para obtener un voltaje de salida sinusoidal de 220Vac (RMS), se debenutilizar fuentes dc tales que:

8

222040

22202793

=

=+++

dc

dc

dcdcdcdc

V

V

VVVV

(2.4)

Con la relacin obtenida en (2.4) se pueden obtener los voltajes para las

diferentes etapas del inversor, siendo estos los siguientes: La Principal debe estar

alimentada con 216Vdc, el 1er Auxiliar con 72Vdc, el 2do Auxiliar con 24Vdc yfinalmente el 3er Auxiliar con 8Vdc.

En la figura 2.3 se muestra una simulacin de la modulacin de voltaje en

cada una de las etapas del Inversor, donde se pueden apreciar los diferentes voltajes

de cada etapa, obtenidos anteriormente con la relacin (2.4). En este caso, la figura

muestra la modulacin en los diferentes puentes para un voltaje de salida del 100%.

Se puede observar que la frecuencia de la etapa Principal es la ms baja, coincidiendo

con la frecuencia fundamental del voltaje de salida del inversor. En este caso, las

vlvulas se abren y cierran solo una vez por ciclo, por lo tanto, la frecuencia deconmutacin del Principal es de 50Hz. El Auxiliar ms rpido opera a 54 veces la

frecuencia fundamental, es decir, 2700 Hz.


39/168

23

Figura 2.3 Voltaje Modulado en cada Etapa del Inversor.

2.1.2. Distribucin de Potencia

En la figura 2.4 se muestra una simulacin de la distribucin de potencia,

para una fase, entre las diferentes etapas del inversor, alimentando una carga resistiva

pura de 3 con tensin sinusoidal de 220V. El 80% de la potencia activa la

suministra el Principal y solo el 20% restante lo aportan todos los Auxiliares en

conjunto.

Como se puede apreciar en la figura 2.4, la etapa correspondiente al

Principal es la que toma la mayor parte de la potencia, pero por otro lado es la que

opera a menor frecuencia. Esto es una ventaja, la que permite utilizar en aplicaciones

de elevada potencia, semiconductores lentos en esta etapa, los que pueden soportar


40/168

24

mayores potencias. Por ejemplo el Principal puede ser implementado con GTOs o

IGCTs y los Auxiliares con IGBTs.

Figura 2.4 Distribucin de Potencia Activa.

Para calcular la distribucin de potencia, en la figura 2.4 se grafic el

producto de la corriente que circula en cada puente por su voltaje de alimentacin

respectivo y luego se obtuvo el valor promedio en cada grfico. En la tabla 2.1 se

muestran los valores de las potencias suministradas por cada puente.


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25

Tabla 2.1 Potencias suministradas por cada puente (Inversor con Fuentes

Independientes).

Carga R

(P en kW)

Auxiliar 3 0,072

Auxiliar 2 0,487

Auxiliar 1 2,711

Principal 13,813

TOTAL 17,084

2.2. Inversor Multinivel de Cuatro etapas en Cascada con Fuente

Comn

Como se adelant en el Captulo I, este tipo de Inversores utiliza una sola

fuente DC de la cual se abastece toda la seccin de potencia del inversor. El inversor

en cascada con fuente comn se caracteriza por utilizar cierto nmero de etapas

conectadas en paralelo, las que determinan el nmero de niveles del inversor.

Utilizando el mismo mdulo bsico que el inversor de fuentes

independientes (figura 1.6), y una conexin similar a la de ste, pero agregando

transformadores en la salida, se obtiene un Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con

Fuente Comn. En la figura 2.5 se puede observar el esquema de conexin de este

Inversor.


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26

dcV

3erAuxiliar

2erAuxiliar

1erAuxiliar

Principal

CARGA

1 : 1

3 : 1

9 : 1

27 : 1

Figura 2.5 Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Comn.

2.2.1. Modulacin de Voltaje

Como se puede observar, los primarios de los transformadores estn

todos alimentados con la misma tensin, debido a que todas la etapas se alimentan

desde la misma fuente. Esto hace necesario que la relacin de transformacin de los

transformadores de cada etapa sea tal que los secundarios mantengan la misma

relacin de la ecuacin (2.3), para maximizar el nmero de niveles del inversor. Por

esto es que las razones de transformacin estn escalonadas en potencia de tres. As,

conectando los secundarios en serie, se suman sus tensiones de modo similar a como

se suman en los puentes del inversor de fuentes independientes.

Adems de la ventaja que representa el utilizar solo una fuente de tensin

continua para el inversor (para las tres fases), se elimina el problema de requerir

bidireccionalidad individual para esas fuentes.


43/168

27

En la figura 2.6 se muestra una simulacin de la modulacin de voltaje en

las diferentes etapas del inversor, para un voltaje de salida del 100%. En este caso se

muestran los voltajes antes y despus de los transformadores de salida. Como se

puede apreciar en la figura, las respectivas formas de onda del Principal y los

Auxiliares son las mismas que para el Inversor de fuentes independientes, pero el

voltaje de los puentes (en los primarios de los transformadores) es de la misma

magnitud para todas las etapas. Una vez que se transforman (voltaje en los

secundarios) estos quedan escalados en potencias de tres, y como estn conectados en

serie se suman obteniendo el voltaje de salida del inversor.

Igualmente como se hizo con el inversor de fuentes independientes, las

simulaciones realizadas al inversor con fuente comn fueron ejecutadas con el

programa de simulacin PSIM. En el Anexo B se muestra el diagrama utilizado

para este efecto.

Figura 2.6 Voltaje Modulado en primarios y secundarios en cada etapa del inversor


44/168

28

Para determinar el voltaje de la fuente DC necesaria para obtener un

voltaje de salida de 220 Vac (RMS) se procedi de la siguiente forma. Se utiliz una

razn de transformacin 1:1 en el transformador correspondiente a la etapa Principal,

con lo que las razones de los transformadores de las etapas Auxiliares fueron: 3:1,

9:1 y 27:1. En otras palabras, se utiliz a=27 en la figura 2.5. Dado que el

transformador Principal tiene razn 1:1 y que las razones de transformacin estn

escalonadas en potencias de tres, se puede hacer el siguiente clculo:

210

22202740

22202793

=

=+++

dc

dc

dcdcdcdc

V

V

VVVV

(2.4)

Por lo tanto, para obtener los grficos de la figura 2.6 se simul

utilizando una fuente de 210Vdc y generando un voltaje de salida del 100%, vale

decir 220Vac (RMS). En la figura 2.7 se muestra el voltaje de salida en las

condiciones antes descritas. En la figura superior se muestra el voltaje escalonado

generado por el inversor y una sinusoide de referencia, los que se confunden en la

misma curva. Para poder comparar mejor, en la figura inferior se han separado las

dos seales sumndole una componente continua de 20Vdc a la sinusoide de

referencia (curva azul), con lo que se consigue desplazar hacia arriba la seal. Aqu

se puede observar que con los 81 niveles del inversor se puede generar que la seal

escalonada con forma sinusoidal muy precisa, con bajo contenido armnico. En la

figura 2.8 se muestra el contenido armnico del voltaje generado por el inversor,

donde se puede apreciar que es muy bajo.


45/168

29

Figura 2.7 Tensin de salida del Inversor comparada con una sinusoide de

referencia.

Figura 2.8 Contenido armnico de la seal de voltaje


46/168

30

2.2.2. Distribucin de Potencia.

La distribucin de potencia en este Inversor es la misma que en el deFuentes Independientes, es decir, el 80% de la potencia la suministra la etapa

Principal y solo el 20% restante lo aportan las etapas de los Auxiliares en conjunto.

La simulacin de la figura 2.9 muestra la distribucin para una carga

resistiva pura y una carga resistiva inductiva. Las mediciones se realizaron con la

corriente instantnea consumida por cada puente, la que se multiplic por los

210Vdc de los que estn alimentados y a esta curva se le tom el valor medio. En la

figura 2.9(a) se muestra la simulacin utilizando la misma carga que la de la figura

2.4 (carga resistiva de 3), en la figura 2.9(b) se muestra la distribucin de potenciapara una carga inductiva (3 y 6mH).

Figura 2.9 Distribucin de Potencia a) Carga R b) Carga RL.


47/168

31

Al alimentar una carga resistiva pura o una resistiva inductiva, la

distribucin de potencia se mantiene. En la tabla 2.2 se muestran las potencias

suministradas por los puentes en cada caso.

Tabla 2.2 Potencias suministradas por cada puente (Inversor de Fuente

Comn).

Carga R

(P en kW)

Carga RL

(P en kW)

% de

Carga

Auxiliar 3 0,069 0,049 0,4

Auxiliar 2 0,461 0,331 2,9Auxiliar 1 2,563 1,839 15,9

Master 13,056 9,375 80,9

TOTAL 16,148 11,594 100%

2.2.3. Forma de la corriente.

Este tipo de inversor, por generar el voltaje de salida por modulacin de

amplitud, genera corrientes muy limpias en la carga. En la figura 2.10 se muestran las

corrientes y el voltaje para dos tipos de carga diferente (las mismas utilizadas en la

figura 2.9), donde se puede observar que estas son prcticamente puras.


48/168

32

Figura 2.10 Corriente y Voltaje de salida para cargas R y RL.

2.3. Comparacin de Inversores

A continuacin se hace una comparacin entre los inversores multinivel

con los de dos niveles (PWM) y se compara el inversor multinivel de fuente comn

con el de fuentes independientes.

El inversor multinivel, sea de fuentes independientes o de fuente comn,

posee ciertas ventajas frente al inversor PWM. Las corrientes generadas por losinversores multinivel son bastante ms puras que las de los inversores PWM y estn

libres de armnicas. En la figura 2.11 se muestra una simulacin con las corrientes en

una carga RL para los dos tipos de inversor, donde se puede apreciar que la corriente

del inversor PWM posee rizado, y la del inversor multinivel es prcticamente

sinusoidal.


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Figura 2.11 Corriente para carga RL en Inversor Multinivel y PWM

Los inversores PWM modulan el voltaje por ancho de pulso, lo que hace

que el voltaje de salida no sea perfectamente sinusoidal y se mueva bruscamente,

generando grandes dV/dt. Esto puede causar problemas en las aislaciones, y en el

caso de los motores, producir daos a los rodamientos. Por el contrario, como los

inversores multinivel generan la tensin modulando la amplitud del voltaje de salida,

ste vara desde cero al valor mximo de la sinusoide de forma suave y escalonada.

En la figura 2.12 se muestra los voltajes de salida para estos inversores, para el caso

del inversor PWM se ha utilizado uno de dos niveles operando a 10kHz, con el

esquema que se muestra en el Anexo C.


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Figura 2.12 Voltajes de salida para Inversores Multinivel y PWM

Por otro lado, la frecuencia de conmutacin de los inversores multinivel

es bastante ms baja que la frecuencia de conmutacin de los inversores PWM. Estos

ltimos utilizan frecuencias de conmutacin desde 10kHz a 100kHz, en cambio el

inversor multinivel desarrollado en este trabajo en la etapa ms lenta (Principal)

conmuta a la frecuencia fundamental (50 Hz) y el ms rpido (3er Auxiliar) lo hace a

un promedio 54 veces ms rpido que la frecuencia fundamental (2,7 kHz), con la

ventaja adicional de que esta etapa es la que aporta la menor potencia del inversor

(alrededor del 1%).

La etapa del 3er Auxiliar opera a una frecuencia promedio de 2,7 kHz,

pero alcanza una frecuencia mxima de 4,3 kHz. La obtencin de este valor se

realiz midiendo la seal de disparo, en un perodo fundamental del Inversor, de uno

de los IGBT de la etapa del 3er Auxiliar. En la figura 2.13 se muestra esta seal

(figura superior), junto con una ampliacin (figura inferior), donde se realiz la

medicin del periodo ms corto de esta seal. En la figura superior se puede apreciar


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que la frecuencia de los disparos vara, alcanzado el mximo en su centro, el que se

encuentra ampliado en la parte inferior de la figura 2.13.

Figura 2.13 Seal de disparo de uno los IGBT de la etapa del 3er Auxiliar

Comparando entre los inversores multinivel, los de fuentes

independientes con los de fuente comn, el de fuentes independientes tiene la ventaja

de poder generar tensiones sinusoidales de salida desde cero Hz en adelante. En

cambio, como el Inversor de Fuente Comn utiliza transformadores para escalar la

tensin, al operar a bajas frecuencias se comienzan a saturar sus ncleos, impidiendo

llegar a cero Hz. Por lo tanto, este inversor esta diseado para operar a una frecuencia

fija. Adems, los transformadores son componentes pesados y voluminosos, sobre

todo si se trata de altas potencias.


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Por otro lado, la construccin e implementacin del inversor de fuentes

independientes es bastante ms compleja, debido a que este requiere un gran nmero

de fuentes independientes (12 para un inversor trifsico de 81 niveles), las que

adems pueden, como se mencion, pueden requerir caractersticas de operacin

bidireccionales.


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III. DISEO Y CONSTRUCCIN

Una vez hecho el estudio previo y las simulaciones, se comenz el diseo

y construccin del inversor, para lo cual se hizo una divisin de las etapas de

construccin. En una primera instancia se realiz el diseo de los circuitos impresos

que se requeriran y se especificaron los transformadores. La construccin definitiva

del inversor se bas en la utilizacin de un disipador especial de muy baja resistencia

trmica, el cual fue definiendo la forma y tamao del sistema completo.

Una vez montados estos elementos se procedi a realizar las conexiones

elctricas entre los diferentes componentes y a emplazar los terminales de entrada y

salida del inversor. En el diagrama secuencial de la figura 3.1 se muestra la forma de

proceder para la construccin del inversor.

Diseo Circuitos Impresos

Estudio Previo y Simulaciones

Ensamble del Disipador

Calculo de Transformadores

Conexiones y Terminales Elctricos

Diseo del Armazn

Figura 3.1 Diagrama secuencial de las etapas de construccin

En los siguientes puntos de este captulo se detallan la etapas recin

mencionadas.


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3.1. Circuito de potencia

El circuito de potencia de este inversor se construy en base al diagramapara una fase mostrado en la figura 2.5, el cual es nuevamente mostrado en la figura

3.2. Cada fase del Inversor est montada sobre un disipador, el cual es comn a las

tres fases. Los cuatro mdulos IGBT en puente H de cada fase, van conectados a una

tarjeta comn, en la que se disponen todos los elementos de potencia, y que adems

posee los terminales necesarios para el control de los IGBTs.

dcV

3erAuxiliar

2erAuxiliar

1erAuxiliar

Principal

CARGA

1 : 1

3 : 1

9 : 1

27 : 1

Figura 3.2 Circuito esquemtico de una fase del inversor.


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3.2. Descripcin de los IGBTs utilizados

Como se dijo anteriormente, para construir el inversor se utilizaronsemiconductores de potencia del tipo IGBT. Especficamente se utiliz un mdulo

integrado fabricado por Tyco Electronics (modelo P503-F-PM), que corresponde a

un arreglo de cuatro IGBTs en configuracin puente H, con los que se construy cada

etapa del inversor. Estos IGBTs soportan 30A y un voltaje de 600V, otras

caractersticas se pueden encontrar en las hojas datos tcnicos de este componente,

incluida en el Anexo B de esta memoria.

En la figura 3.3 se muestran dos fotos del mdulo IGBT utilizado, con

los que se formar cada una de las tapas del inversor. Como el inversor es de tresfases y de cuatro etapas, se requieren 12 de estos mdulos para su construccin. Para

simplicidad del diseo y para unificar el material utilizado, se utilizaron puentes de la

misma potencia en todas las etapas del inversor.

Figura 3.3 Dibujo del encapsulado en puente H, modelo P503-F-PM

En la figura 3.4 se muestra una vista de los pines de conexin,

codificados por nmeros, y un diagrama esquemtico de las conexiones internas de

este encapsulado.


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Figura 3.4 Esquemtico del encapsulado y asignacin de pines del P503-F-PM

3.3. Circuitos Impresos del Inversor

El inversor consta de dos circuitos impresos bsicos: la Tarjeta de

Potencia y la Tarjeta de Disparo. En la primera se disponen los IGBT con sus

conexiones de control y potencia de acuerdo a los pines del mdulo, mientras que en

la segunda se localizan todos los componentes para activar y desactivar los IGBT.

3.3.1. Tarjeta de Potencia

En la figura 3.5 se muestra el diseo realizado para la Tarjeta de

Potencia, vindola desde su parte superior, es decir, por el lado donde se montan los

componentes. Lo que se ve en color rojo corresponde a la capa superior de la tarjeta y

lo que est en color azul es la capa inferior. Los dibujos que figuran en color negrorepresentan los componentes que se soldarn a la tarjeta. Esta misma simbologa se

utilizar en el resto de los circuitos impresos que se muestren en la presente

memoria. El diseo fue realizado con el software Traxmaker, y la tarjetas se

mandaron a hacer con el archivo generado por este software.


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En la parte superior de la figura 3.5 se puede observar que hay siete

terminales, los que cumplen las funciones que se describen a continuacin

(ordenados de izquierda a derecha):

MASTER: Terminal para el transformador de la etapa Principal.

SLAVE 3: Terminal para el transformador de la etapa del 3er Auxiliar.

POWER A, POWER B, POWER C: Terminales para alimentar la parte

de potencia en tensin continua del Inversor (corresponde a Vdc de la

figura 2.5)



En la parte central de la figura 3.5 estn representados los cuatro

encapsulados de los puentes H, con los que se forman las cuatro etapas de una fase

del inversor. El que est en la parte superior en disposicin horizontal corresponde a

la etapa del 1er Auxiliar, luego de izquierda a derecha se encuentran los que

corresponden a las etapas Principal, 3er Auxiliar y 2do Auxiliar. Finalmente, en la

parte inferior de esta figura hay cuatro conectores: dos grandes dispuestos en forma

horizontal y dos pequeos en forma vertical. Los grandes son para interconectar la

Tarjeta de Potencia a la Tarjeta de Disparo y los pequeos son para conectar la

alimentacin de esta ltima tarjeta, la que se transmite a travs del conector grande.

Cabe mencionar que por cada Tarjeta de Potencia se utilizan dos Tarjetas de Disparo,

lo que se explicar ms adelante. En el Anexo C se muestran con mayor detalle las

caractersticas del Circuito Impreso de Potencia.


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Figura 3.5 Diseo del Circuito Impreso de la Tarjeta de Potencia


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En la figura 3.6 se muestra una fotografa de la Tarjeta de Potencia con

sus componentes definitivos instalados.

Figura 3.6 Fotografa Tarjeta de Potencia


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La disposicin fsica de los puentes H en esta tarjeta obedece a la

necesidad de aprovechar el disipador de calor comn que ya se ha mencionado. Con

esta distribucin se consigui que todos los puentes H cupieran dentro del rea del

disipador. Lo detalles del disipador se muestran ms adelante en este captulo.

3.3.2. Tarjeta de Disparo

Para que los IGBTs conduzcan es necesario generar una seal de voltaje

de alrededor de 15V entre la puerta y el emisor. Como se puede observar en la figura

3.2, en cada puente hay tres referencias de disparo diferentes (los dos IGBTsinferiores del puente H tienen la misma referencia). Por lo tanto, al cambiar de estado

los IGBTs generan tierras flotantes en las fuentes de disparo, lo que hace necesaria la

implementacin de un circuito de disparo que sea capaz de generar los 15V

independientemente para cada uno [7].

Para solucionar esto se utiliz el circuito integrado IR2113 de

International Rectifier. Este circuito es capaz de manejar dos vlvulas utilizando una

sola fuente de voltaje, sin tener la preocupacin de aislacin de tierras flotantes. Por

lo tanto, por cada etapa se utilizaron dos de estos circuitos, sumando un total de ochoen cada fase del inversor. En el Anexo B se encuentran las hojas de datos tcnicos de

este circuito integrado.

En la figura 3.7 se muestra un diagrama esquemtico del circuito de

disparo. Como puede verse, el circuito posee una aislacin de tierras entre el lado de

control y el de disparo, lo que se nota por el cambio de simbologa entre las dos

tierras. Esta aislacin tiene por objeto mantener el lado de potencia en corriente

continua del inversor aislado de los circuitos de control. El elemento que genera la

aislacin galvnica es la optocupla digital modelo 6N137, de las cuales se haocupado una por cada IGBT del inversor. Para mayor informacin, en el Anexo B se

agregan las hojas de datos tcnicos de este circuito integrado. En este circuito se han

destacado las fuentes de voltaje que se utilizan, a las que se har mencin ms

adelante.


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Adems de los componentes mencionados anteriormente, el circuito

utiliza dos negadores, para lo cual se utiliz el circuito integrado 74LS04, que consta

de seis negadores independientes (ver Anexo B).

Optocupla

6N137

Optocupla

6N137

680

680

10k

10k

5V

DriverIR-2113

10k

15V10u

10u

0.1u

0.1u

47u

150p

150p

Vcc

IGBT

HID

IGBT

LOD

CONTROL DISPARO POTENCIA

HIC

LOC

Figura 3.7 Diagrama esquemtico del Circuito de Disparo.

Como se puede observar, con el circuito de disparo de la figura 3.7 se

pueden controlar solo dos IGBTs, por lo que se requieren dos de estos circuitos por

cada etapa, sumando un total de ocho por cada fase del inversor.

Utilizando el diagrama esquemtico de la figura 3.7 se dise la Tarjeta

de Disparo para disponer los componentes necesarios para implementar el Circuito

de Disparo. Como se dijo anteriormente, por cada fase del inversor se requieren ocho

circuitos como los mostrados en la figura 3.7. Para reducir el tamao de la tarjeta, se

diseo un circuito impreso que contiene solo cuatro de estos circuitos. Por lo tanto,cada fase del inversor utiliza dos Tarjetas de Disparo para controlar todos los IGBTs.

En la figura 3.8 se muestra el diseo realizado en Traxmaker de la Tarjeta

de Disparo, la simbologa utilizada es la misma que la explicada anteriormente.


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Figura 3.8 Diseo del Circuito Impreso de la Tarjeta de Disparo

En la parte superior de la figura 3.8 se puede observar que hay un

conector de 16 pines, en el cual se agrupan los terminales del lado de control de esta

tarjeta en donde deben conectarse las seales de control del inversor. En la parte

inferior se observa una serie de lneas gruesas, las que se utilizan para interconectar

esta tarjeta directamente a la Tarjeta de Potencia. Por estas lneas se transmiten las

seales de disparo hacia la Tarjeta de Potencia, y desde esta se alimenta la Tarjeta de

Disparo. En el Anexo D se pueden encontrar mayores detalles del Circuito Impreso

de Disparo.

A continuacin, en la figura 3.9, se muestra una fotografa de esta tarjeta

con todos sus elementos.


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Figura 3.9 Fotografa Tarjeta de Disparo

Ambos circuitos impresos (Tarjeta de Potencia y Tarjeta de Disparo) se

conectan directamente en forma perpendicular gracias a un conector para este

propsito, el cual puede observarse en la figura 3.10. Con este sistema se eliminan

cables y conectores minimizando las probabilidades de falla por malas conexiones.

Adems, de esta forma se aprovecha el espacio fsico, ya que las Tarjetas de disparo,

ubicadas en forma vertical en la figura 3.10, quedan a un costado del Disipador que

se ubicar sobre los puentes H (que no aparece en la figura).


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Figura 3.10 Interconexin de la Tarjeta de Potencia con las de Disparo.


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3.3.3. Circuito Impreso de Interconexin

Como se dijo anteriormente, el inversor utiliza dos Tarjetas de Disparopor fase, lo que implica que en cada fase quedan dos conectores por los que deberan

llegar las seales de control. Para hacer ms fcil la interconexin entre el control y

el inversor se dise la Tarjeta de Interconexin, la que tiene por finalidad agrupar

los conectores de las dos Tarjetas de Disparo de cada fase en uno solo. En la figura

3.11(a) se muestra el diseo realizado de la Tarjeta de Interconexin y en la figura

3.11(b) se muestra una fotografa de esta misma, una vez soldados sus componentes

y con los cables con los que se conectar a cada una de las Tarjetas de Disparo. El

conector que se ve a la derecha de esta figura (sin cables conectados) es el que

finalmente tiene agrupadas todas las seales de control de cada fase.

Figura 3.11 a) Circuito Impreso b) Foto de la Tarjeta de Interconexin.

Para mayores detalles del Circuito Impreso de Interconexin, referirse al

Anexo E de esta memoria.


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3.4. Fuente de Poder

Como se pudo observar en la figura 3.7, el circuito de disparo requiereuna alimentacin de 5 y 15 Vdc, para lo cual fue necesario disear una fuente que

suministrara estas tensiones. Esta fuente alimenta los consumos de las tarjetas de

disparo de las tres fases del inversor. En la figura 3.12 se muestra el diseo realizado

en Traxmaker de la Fuente de Poder.

Figura 3.12 Diseo del Circuito Impreso de la Fuente de Poder

El diseo de esta fuente se hizo en base a rectificadores puente de diodos,

filtrados con condensador y regulados con los siguientes circuitos integrados:

LM7805, LM7812 y LM7815. Las hojas de datos tcnicos de estos circuitos

integrados se pueden ver en el Anexo B. En la figura 3.13 se muestra una fotografa

de la Fuente de Poder lista para ser instalada en el inversor.


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Figura 3.13 Fotografa Fuente de Poder

En el Anexo F de esta memoria se encuentra informacin adicional de la

Fuente de Poder.

3.5. Transformadores

Como se dijo anteriormente, los IGBTs utilizados para la construccin

del inversor son de 30A y por lo tanto, para sacarles el mximo provecho, los

primarios de los transformadores (lado conectado a los puentes H) de la etapaPrincipal deberan ser diseados para esta misma corriente. Sin embargo, para

disminuir los costos del inversor, se utilizaron transformadores de menor corriente,

que por un lado son de menor tamao y ms bajo costo, pero por otro impiden

aprovechar al mximo la capacidad de los IGBTs.


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Los transformadores requeridos deben tener una razn de transformacin

y potencia especfica para cada etapa del inversor. Para dimensionar las tensiones se

determinaron las relaciones de voltaje en cada etapa del inversor, utilizando un

raciocinio similar al de la ecuacin 2.4. En la ecuacin 3.1 se muestra el clculo

utilizado para obtener el voltaje que debe aportar el transformador de la etapa de

tensin mas pequea, es decir, del 3er Auxiliar. Como el inversor de cuatro etapas

diseado es de 81 niveles (cuarenta positivos, cuarenta negativos y el cero), para

generar una tensin de salida de 220Vac, se tiene que

5,5

22040

3

3

=

=

Auxiliarer

Auxiliarer

V

V(3.1)

Cifra que se ha redondeado a un valor de 6 V en el 3er Auxiliar. Por lo

tanto, como los voltajes deben estar escalados en potencia de 3, los voltajes de los

secundarios de los transformadores (lado de salida del inversor) deben ser los que se

muestran en la tabla 3.1

Tabla 3.1 Voltajes en los secundarios de cada etapa

Voltaje Secundario (Vac)3er Auxiliar 6

2er Auxiliar 18

1er Auxiliar 54

Principal 162

Ahora, la relacin de voltaje entre primarios y secundarios depender del

valor de tensin asignado a la barra continua de alimentacin de los inversores, la

cual es comn a todos ellos. Como se muestra en la ecuacin 3.2, basta que los

primarios de los transformadores soporten 220Vac. Por lo tanto, las relaciones de

voltaje de los transformadores deben ser las que se muestran en la tabla 3.2.


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Tabla 3.2 Relacin de voltaje entre primarios y secundarios por etapa

Transformador Relacin de Voltajes3er Auxiliar 220:6

2er Auxiliar 220:18

1er Auxiliar 220:54

Principal 220:162

El voltaje de alimentacin continua que es necesario utilizar para que el

inversor genere una tensin de salida de 220 Vac se obtiene con la ecuacin 3.2

28561854162

2220220

2220220

6

220

18

220

54

220

162

+++

=

=

+++

dc

dc

dc

V

V

V

(3.2)

Como los secundarios de los transformadores estn conectados en serie,

la corriente que pasa por esos enrollados es la misma para los cuatro. As, definiendo

la potencia de uno de los transformadores se puede determinar la de los otros tres. Loque se hizo fue, considerando esencialmente los costos, definir arbitrariamente la

potencia para el transformador ms grande (el de la etapa Principal) y luego calcular

la potencia de los otros tres en base a la corriente y voltaje del secundario.

As, se fij la potencia aparente del transformador de la etapa Principal

en 800VA, y utilizando el voltaje de su secundario (162Vac) se calcul la corriente

de diseo para este enrollado, la cual es la misma para todos los secundarios de los

transformadores, pues ellos estn conectados en serie. De esta forma se obtuvo la

potencia aparente requerida para cada transformador, las que se muestran en la tabla

3.3.


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Tabla 3.3 Potencia para los transformadores de cada etapa

Transformador Potencia (VA)3er Auxiliar 30

2er Auxiliar 90

1er Auxiliar 265

Principal 800

La potencia de los transformadores en definitiva es la que define la

potencia del inversor. Como los clculos se hicieron en base a la corriente de losenrollados secundarios (aproximadamente 5A) y un voltaje de salida de 220 Vac, el

inversor puede suministrar 1.1kVA por cada fase.

Por cada fase se requiere de un paquete de transformadores compuesto

por uno de cada uno de los de la tabla 3.3. Por lo tanto, para la construccin del

inversor fue necesario mandar a hacer tres transformadores de cada tipo (uno para

cada fase del inversor).

As, cada paquete de transformadores est compuesto por un grupo decuatro transformadores, todos distintos, los que poseen sus secundarios

interconectados en serie.

3.6. Disipador de Calor

El disipador de calor en los circuitos de electrnicos es una pieza clave,

sobre todo si se trata de electrnica de potencia, donde las elevadas corrientes por los

semiconductores, IGBTs en este caso, pueden causar su destruccin. Tanto as, queen muchas aplicaciones, la potencia mxima de un circuito de potencia est limitada

por el diseo trmico del sistema.


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3.6.1. Diseo Trmico del Disipador

Durante la operacin de los IGBTs se generan prdidas por conduccin ypor conmutacin, las que se transforman en calor, el que debe ser evacuado para no

daarlos. Este calor generado debe ser conducido desde la juntura del semiconductor

hacia el ambiente en forma adecuada, para no sobrepasar el lmite mximo de

temperatura de los IGBTs.

La temperatura mxima de juntura especificada por el fabricante para los

IGBTs utilizado es de 150C. Para asegurar un funcionamiento correcto y sin

interrupciones, se ha considerado que bajo condiciones normales de operacin, la

temperatura de juntura no deber sobrepasar los 125C.

En la figura 3.14 se muestra un modelo trmico bsico,

diseño y construccion inv trifasico

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