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�Propuesta de técnica de modulación para inversores multinivel híbridos de celdas en
cascada�
1. Resumen
Cuando se quiere manejar potencias elevadas reduciendo costos, los convertidores
multinivel son una muy buena opción; sin embargo, es necesario contar con una técnica de
conmutación adecuada para incrementar el rendimiento de dichos inversores. En este
proyecto se exploran las diversas técnicas de conmutación existentes con la finalidad de
hacer una propuesta específicamente para convertidores multinivel híbridos de celdas en
cascada. La propuesta incluye un análisis basado en el contenido armónico que presenta el
voltaje de salida del convertidor, y la técnica deberá ser general tanto para convertidores
asimétricos binarios como trinarios. La propuesta se validará tanto en simulación como en
un prototipo experimental escalado a baja potencia. Se tiene pensado en una siguiente fase
del proyecto aplicarlo a cargas domésticas, donde la energía provenga de paneles solares.
2. Definición y planteamiento del problema
Antecedentes
De forma muy general, la electrónica de potencia es una sub-rama de la electrónica que se encarga controlar el flujo de energía que va de una fuente de energía eléctrica a una carga. La carga puede ser un motor que mueve una banda en algún proceso industrial, una luminaria con balastro electrónico, un teléfono celular, etcétera. Muchas aplicaciones, incluyendo las mencionadas se basan en transformar la corriente alterna (CA) en corriente directa (CD) y viceversa. También a veces es necesario transformar un nivel de CD a otro nivel diferente de CD o también transformar una CA a otra CA pero con un valor diferente de frecuencia y de magnitud. Para ello se cuenta esencialmente con cuatro tipos de circuitos de electrónica de potencia que logran estas tareas: convertidor CD-CA, convertidor CA-CD, convertidor CD-CD y el convertidor CA-CA.En este caso el interés se centra en los convertidores CD-CA también conocidos como inversores. Estos han sido utilizados ampliamente en la industria en el control de velocidad de motores de CA [1] y también en paneles fotovoltaicos [2]-[4], donde el inversor transforma la potencia de CD, que entregan los paneles, a potencia de CA, la cual utilizan la mayoría de los aparatos eléctricos del hogar. Típicamente un inversor monofásico se conforma de un puente de cuatro transistores llamado puente H o celda. La secuencia de encendido y apagado de cada transistor se le conoce como técnica de conmutación o de modulación. Aun cuando el convertidor de una sola celda es ampliamente utilizado, tiene la desventaja de producir armónicos de voltaje que a su vez producen armónicos de corriente; esto se debe a que la forma de onda del voltaje de salida tiene una forma rectangular o de un tren de pulsos rectangulares. Esta desventaja se minimiza agregando un filtro del lado de CA, de tal forma que a la salida se tenga una forma de onda sinusoidal, lo cual es lo deseable en cualquier inversor. Por otro lado, cuando se requiere manejar potencias más elevadas se utilizan dispositivos de mayor capacidad; pero el costo de los transistores se eleva de forma exponencial respecto
de la cantidad de potencia que se desea manejar. Debido a esto, en la última década surgieron los convertidores multinivel, los cuales utilizan transistores de baja potencia conectados en serie, con lo cual se pude manejar potencias altas con dispositivos de bajo costo. Aunado a lo anterior, si se tiene una técnica adecuada de conmutación [5], [8], [9], [11], [14]-[16], estos convertidores pueden lograr una forma de onda voltaje cuasi sinusoidal; es decir, con bajo contenido armónico [8], lo que hace que también se reduzca el costo del filtro de salida o en determinado momento prescindir de dicho filtro.
Dentro de las topologías de convertidores multinivel, las más representativas son: 1) convertidor con diodos de enclavamiento; 2) convertidor con capacitores flotantes y 3) convertidor con celdas (puentes H) en cascada. La tercera topología tiene la ventaja sobre la primera de no requerir diodos de enclavamiento ni de requerir tantos capacitores como la segunda, y en términos generales utiliza menos componentes y su modularidad la hace de fácil construcción y de fácil expansión [6], [11], [18], [22]. Pero sobre todo, la ventaja principal radica en que no se presentan problemas de regulación por divisor capacitivo como en las dos primeras [18]. Sin embargo, su desventaja principal es que necesita fuentes separadas por cada puente H [6]. Es importante mencionar que en un futuro se piensa utilizar los resultados de este proyecto en la aplicación de paneles solares, donde de forma natural se tienen que cada panel es una fuente separada, por lo cual, para esta aplicación no se tiene la desventaja antes mencionada. En este trabajo de investigación el enfoque se centra en la topología de celdas en cascada debido a las ventajas ya señaladas.
En la topología de celdas en cascada, los voltajes en los buses de CD pueden ser iguales o pueden seguir una secuencia progresiva, en múltiplos de dos o de tres entre cada par de celdas consecutivas. En el caso de que los voltajes sean iguales se le conoce como convertidor simétrico. Cuando los voltajes de CD siguen una secuencia progresiva en múltiplos de dos, se le conoce como convertidor asimétrico binario. Para el caso en que los buses de CD siguen una secuencia progresiva de tres, al convertidor se le conoce como asimétrico trinario [14]. Los convertidores asimétricos pueden usar diferentes dispositivos de conmutación para cada celda; por ejemplo, unas celdas pueden estar constituidas por GTO, mientras que otras pueden estar conformadas por IGBT. Respecto de los convertidores simétricos, los asimétricos tienen las siguientes ventajas: reducir la cantidad de conmutaciones y utilizar de una forma más efectiva, tanto la velocidad natural de conmutación como las características de bloqueo de voltaje, de los diferentes dispositivos de electrónica de potencia que se estén usando. También, los convertidores asimétricos reducen la necesidad de un número elevado de celdas, ya que con menos celdas en cascada, y con una adecuada técnica de conmutación, se puede lograr el mismo número de niveles en el voltaje de salida que su correspondiente versión simétrica [9], [10], [12], [13]. Los convertidores asimétricos también son conocidos como convertidores híbridos. Por lo anterior este proyecto se centra en los convertidores híbridos de celdas en cascada.
Descripción del problema
El problema es encontrar una técnica de conmutación adecuada para convertidores híbridos
donde las celdas que manejan mayor potencia conmuten a menor frecuencia para que haya
reducción de pérdidas y que las celdas que manejan la mínima potencia puedan conmutar a
frecuencia elevadas, de tal manera que en conjunto se tenga un voltaje de salida cuasi-
sinusoidal con las menores pérdidas en el sistema.
Por un lado existen técnicas donde todas las celdas conmutan a baja frecuencia
(modulación en escalera), pero normalmente generan armónicos a baja frecuencia [16],[19],
los cuales no son deseables; por otro lado, existen técnicas para evitar los armónicos a baja
frecuencia, las cuales hace que todas las celdas conmuten a alta frecuencia (modulación por
ancho de pulso) [8], [21]; sin embargo, las perdidas en las celdas de mayor voltaje se
incrementan. En [16] ya se presenta una técnica hibrida donde una celda conmuta a baja
frecuencia y otra a alta frecuencia; sin embargo, sólo trabaja para un convertidor de dos
celdas en configuración binaria. La idea es encontrar una técnica hibrida que sea general,
donde el número de celdas no sea el problema y que sirva tanto para convertidores binarios
como trinarios.
En una siguiente fase de este proyecto se tiene pensado emplear los resultados de esta
técnica de conmutación en convertidores híbridos en paneles solares, para transformar la
energía de los paneles a un voltaje de corriente alterna que se pueda aplicar directamente a
las cargas.
3. Justificación
El desarrollo del proyecto impactará en los siguientes rubros:
Se contribuye al desarrollo de la investigación teórica y aplicada en las áreas de
electrónica potencia y calidad de la energía.
En la actualidad se está gestando un laboratorio de electrónica de potencia aplicada a la
calidad de la energía, el cual se encuentra en el edificio PROFAU (antiguo edificio de
registro escolar). Donde por el momento se cuenta con algunos materiales y
equipamiento. Con este proyecto se fortalecerá dicho laboratorio para dar cavidad a
más tesistas de licenciatura y de maestría de las carreras del departamento de ingeniería
eléctrica y electrónica.
Se fortalecerá el cuerpo académico de utilización de la energía, el cual por el momento
se encuentra en consolidación. Donde también se busca ganar más experiencia práctica
en el desarrollo de prototipos de laboratorio.
Se mejorará la producción de artículos científicos en revistas indizadas en el JCR, lo
cual contribuirá en incrementar la producción de los participantes para que puedan
integrarse al SNI.
4. Objetivos generales y específicos
Objetivo general
Proponer una técnica de modulación híbrida que permita eliminar armónicos de baja
frecuencia en convertidores multinivel asimétricos (híbridos) en cascada, que sirva tanto
para convertidores binarios como trinarios, sin importar el número de celdas. Esto se hará a
partir de las técnicas ya existentes, además de que se utilizará la teoría de Fourier para el
análisis de dicha técnica.
Objetivos específicos
Hacer un análisis teórico sobre a técnica de modulación propuesta.
Corroborar la técnica en simulación, para ello se utilizará el simulador PSIM.
Construir un prototipo experimental de cuatro celdas escalado a baja potencia
para corroborar el análisis teórico. Se utilizará un FPGA (Field Program Gate
Array) para implementar la técnica de modulación.
El prototipo se probará utilizando fuentes de CD y del lado de CA se pondrán
como cargas aparatos electrodomésticos tales como: planchas, focos, etc.
5. Metas
Generar un artículo para someterlo a una revista que esté indizada en el JCR, esto será en
durante el segundo semestre del proyecto.
Contar con un prototipo experimental de un convertidor multinivel híbrido dentro de los
primeros 6 meses del proyecto.
�Tener desarrollados algoritmos de modulación para convertidores híbridos en un FPGA,
en el segundo semestre del proyecto.
�Titular a un estudiante de licenciatura en el primer semestre del proyecto, con el diseño de
un convertidor de un solo puente H con alguna aplicación particular donde se utilice la
modulación por ancho de pulso senoidal.
Titular un estudiante de maestría durante el segundo semestre, quien lleve a cabo la
implementación del convertidor multinivel hibrido utilizando la tecnica de modulación
híbrida.
�Contribuir en la formación del laboratorio de calidad de la energía electrica en la
construcción de prototipos y aplicaciones de electrónica de potencia en calidad de la
energia, esto se hará durante todo el tiempo que dure el proyecto.
�Estar actualizado en el estado del arte en lo que se refiere a electrónica de potencia y sus
aplicaciones al menos durante todo el año que dura el proyecto.
Metodología.
Hipótesis
Es posible realizar una técnica general de modulación a través de la combinación de la
técnica de modulación por anchura de pulso sinusoidal y de la técnica de modulación en
escalera para la topología de puentes H en cascada híbridos, la cual permita mejorar el
rendimiento en cuanto a eficiencia y distorsión de la señal de voltaje de salida respecto de
inversores de un solo puente H. Por técnica general se refiere a que funcione para cualquier
número de puentes H y que sea tanto para convertidores binarios como trinarios.
Materiales y métodos.
Materiales.
Bibliografía básica y especializada.
Base de datos del IEEE
Equipo de medición: Osciloscopio, medidor de potencia, multímetros, medidor de impedancias.
Fuentes de alimentación: de corriente directa y de corriente alterna.
Fuentes de señal.
Transistores de potencia: IGBT´s y MOSFET´s.
Plataformas digitales: DSP y FPGA.
Tarjetas electrónicas de acondicionamiento de señal.
Método:
La metodología propuesta consta de los siguientes pasos: Revisión del estado del arte en
técnicas de modulación en escalera y por anchura de pulso senoidal, análisis del contenido
armónico del voltaje de salida de las diferentes técnicas de modulación, extensión de la
técnica de modulación por anchura de pulso a N puentes H conectados en cascada,
simulación e implementación de la técnica de modulación, presentación de resultados y
conclusiones.
1.- Revisión del estado del arte en técnicas de modulación en escalera y por anchura de
pulso senoidal (4 semanas).
2.- Análisis del contenido armónico del voltaje de salida utilizando series de Fourier de las
diferentes técnicas de modulación. (4 semanas).
3.- Generalización para N celdas de la técnica de modulación conformada por la
combinación de la técnica por anchura de pulso senoidal y la de escalera para convertidores
híbridos(4 semanas).
4.- Simulación de las técnicas de modulación utilizando el paquete computacional PSIM. (4
semanas)
5.- Análisis de resultados teóricos. (1 semana).
6.- Adquisición de materiales y herramientas para la implementación de los convertidores
de potencia (4 semanas).
7.-Diseño e implementación de tarjetas de electrónica de potencia y de sensado (4 semanas)
8.- Programación de las técnicas de modulación en la plataforma digital. (1 semana)
9.- Realización de pruebas de funcionamiento de las técnicas de modulación. (1 semana)
10.- Evaluación del desempeño del inversor monofásico con puentes H en cascada
utilizando la técnica de modulación por anchura de pulso senoidal. (2 semanas)
11.- Validación y publicación de resultados. (3 semanas)
Biblliografía
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Inverters�; IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 4, August 2002, pp.
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[13] Zhong Du, Burak Ozpineci; �Modulation Extension Control of Hybrid Cascade H-
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[18] Fang Zheng Peng, Jih-Sheng Lai; �A Multilevel Voltage-Source Inverter with Separate
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[19] Q.-g. Song, B.-l. Xiao, Z.-n. Zhu and H.-b. Xu, �A simple control arithmetic of step wave cascaded multilevel inverter with different voltage step� in Power Electronics and
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[20] K. S. X. L. L. H. S. I. Yiwei Ma, �A Grid-Connected Hybrid Cascaded H-Bridge
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[21] J. Y.-h. T. Z. T. W. CAO Yi long, �Research On Different Carrier Phase-shifted Angle
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International Power Electronics and Motion Control Conference, IPEMC '09, 2009.
[22] H. Akagi, �Classification, Terminology, and Application of the Modular Multilevel
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pp. 3119-3130, 2011.
[23] M. D. E. K. C. Ö. G. B. G. M. E. a. I. Ç. Tevhid Atalik, �Multi-DSP and -FPGA-
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Applications�, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS, vol. 8, nº 3, pp.
512-527, 2012.
[24] J. L. J. L. a. Y. H. Sixing Du, �A Novel DC Voltage Control Method for STATCOM
Based on Hybrid Multilevel H-Bridge Converter�, IEEE TRANSACTIONS ON POWER
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[25] a. A. Q. H. Wenchao Song, �Fault-Tolerant Design and Control Strategy for Cascaded
H-Bridge Multilevel Converter-Based STATCOM�, IEEE TRANSACTIONS ON
INDUSTRIAL ELECTRONICS, vol. 57, nº 8, pp. 2700-2708, 2010.
Calendarización de Actividades.
Actividad Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene Feb Mar
1.- Revisión del estado del arte en
técnicas de modulación en escalera y
por anchura de pulso senoidal
x
2.- Análisis del contenido armónico
del voltaje de salida utilizando series
de Fourier de las diferentes técnicas
de modulación.
x
3.- Generalización para N celdas de
la técnica de modulación
conformada por la combinación de
la técnica por anchura de pulso
senoidal y la de escalera para
convertidores híbridos
x
4.- Simulación de las técnicas de
modulación utilizando el paquete
computacional PSIM.
x
5.- Análisis de resultados teóricos. x
6.- Adquisición de materiales y
herramientas para la implementación
de los convertidores de potencia.
x x x x x x
7.-Diseño e implementación de
tarjetas de electrónica de potencia y
de sensado
x x x
8.- Programación de las técnicas de
modulación en la plataforma digital.
x x
9.- Realización de pruebas de
funcionamiento de las técnicas de
modulación.
x x
10.- Evaluación de desempeño del
inversor monofásico con puentes H
en cascada utilizando la técnica de
modulación por anchura de pulso
senoidal.
x x
11.- Validación y publicación de
resultados.
x x
ACTIVIDADES Y RESPONSABILIDADES DE LOS COLABORADORES
Colaborador Actividad Responsabilidad en el proyecto José Antonio Beristáin Jiménez
1, 2, 3, 4,5, 6, 7,8,9 10, 11 Desarrollo de equipo electrónico de potencia.
Jesús Héctor Hernandez López 1, 2, 3, 4,5,6,9,10,11 Análisis teórico del contenido armónico de la técnica propuesta.
Armando Ambrosio López 1, 2, 3, 4,5,6,9,10,11 Desarrollo de pruebas y validación de resultados.
Vinculación.
Usuarios de la investigación
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.
Dirección de Ingeniería y Tecnología.
Programas educativos de Electrónica, Mecatrónica y Electromecánica.
Docencia.
Formación de estudiantes de licenciatura y posgrado orientadas a la investigación en el área
de eléctrica y electrónica.
Aportes de la investigación.
Trascendencia
El impacto del proyecto es principalmente en la generación de conocimiento en el área de
estudio de técnicas de modulación para puentes H en cascada híbridos con el fin de mejorar
la calidad de la señal de voltaje entregada a cargas de corriente alterna.
Así mismo, se generará conocimiento que se puede aplicar a sistemas de calidad de la
energía eléctrica y a interfaces de fuentes de energía renovables.
Productos entregables.
Publicación de un artículo en revista indexada.
Reporte técnico.
Formación de recursos humanos.
Titulación de un alumno de maestría.
Titulación de un alumno de licenciatura.
PRESUPUESTOMATERIAL DE LABORATORIO
Concepto Justificación Cantidad Importe Total
(pesos)cable para conexiones, placas de cobre, conectores y bornes, contactos multiples, brocas, tornillos, puntas de cautín, pinzas ponchadoras, pinzas de peladoras, desarmadores de precisión, transistores de potencia, diodos rápidos, diversos circuitos integrados para implementar los puentes H, drivers opto-acoplados, etc.
Material utilizado para construir los prototipos de los puentes H.
variable 33500.00 33500.00
EQUIPO MENOR DE LABORATORIO
Concepto Justificación Cantidad Importe Total
(pesos)Sondas de voltaje dieferenciales aisladas, fuentes de cd fijas, etc
Para tomar mediciones precisas y alimentar los diferentes circuitos de los prototipos.
variable 34000.00 34000.00
MATERIALES VIVOS, VEGETALES Y/O ANIMALES Concepto Justificación Cantidad Importe Total (pesos)
COMBUSTIBLES Concepto Justificación Cantidad Importe Total (pesos)
TRABAJOS DE IMPRENTA Concepto Justificación Cantidad Importe Total (pesos)
GASTOS DE TRABAJO DE CAMPO Concepto Justificación Cantidad Importe Total (pesos)
GASTOS DE VIAJE EN PRÁCTICAS ESCOLARES Concepto Justificación Cantidad Importe Total (pesos)
MATERIAL DE OFICINA
Concepto Justificación Cantidad Importe Total
(pesos)
hojas papel para impresión.
Impresión de reportes técnicos y de articulos del estudio del estado del arte y demás documentos necesarios para la investigación
1 1000.001000.00
MATERIAL AUDIOVISUAL Concepto Justificación Cantidad Importe Total (pesos)
MATERIAL DE COMPUTACIÓN
Concepto Justificación Cantidad Importe Total
(pesos)Toner de impresora, acetatos, papel albanene
Impresión de reportes técnicos y de artículos del estudio del estado del arte y demás documentos necesarios para la investigación
1 2000.002000.00
ATENCIÓN A VISITANTES (Asociados al proyecto) Concepto Justificación Cantidad Importe Total (pesos)
VIÁTICOS
Participante Lugar Motivo DíasViáticos
x día Total
(pesos)
PASAJES
Participante Lugar Motivo DíasViáticos
x día Total
(pesos)
APOYO A ESTUDIANTES (Ayudantes y/o tesistas del proyecto)
Participante Lugar Motivo DíasImporte
x día Total
(pesos)
Estudiante de servicio social
Laboratorio de calidad de la energía, edificio PROFAU
Apoyo en la implementación de los prototipos
125 36 4500.00
Infraestructura y Apoyo técnico.
Se cuenta con la siguiente infraestructura:
Laboratorio de circuitos impresos.
Laboratorio de Calidad de la Energía Eléctrica (Edificio de PROFAU).
Osciloscopio digital de cuatro canales y ancho de banda de 1 GHz.
Generador de funciones BKPrecision.
Multímetro digital fluke.
Medidor de potencia trifásico, fluke 434.
Plataforma digital con FPGA.
Fuente de alimentación BKPrecision.
Se cuenta con el apoyo técnico de cuatro alumnos de servicio social para la realización de
tarjetas de circuito impresos y realización de pruebas de funcionamiento. Así mismo, se
cuenta con la experiencia de los maestros-investigadores de los cuerpos académicos de
control y telecomunicaciones.
