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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

PROYECTO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN

DEL TÍTULO DE INGENIERO ELECTROMECÁNICO

AUTORES: RICAURTE CORREA NÉSTOR ANDRÉS

SARZOSA ANTE DAVID DE JESÚS

TEMA: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO

DIDÁCTICO DE INVERSOR MULTINIVEL EN CASCADA,

MONOFÁSICO DE TRES ETAPAS PARA EL LABORATORIO

DE CONTROL ELÉCTRICO ESPE – LATACUNGA

DIRECTOR: ING. MARCELO SILVA

CODIRECTOR: ING. FRANKLIN SILVA

LATACUNGA, SEPTIEMBRE 2014

ii

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE


CERTIFICADO

ING. MARCELO SILVA (DIRECTOR)

ING. FRANKLIN SILVA (CODIRECTOR)

CERTIFICAN:

Que el trabajo titulado “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN

PROTOTIPO DIDÁCTICO DE INVERSOR MULTINIVEL EN

CASCADA, MONOFÁSICO DE TRES ETAPAS PARA EL

LABORATORIO DE CONTROL ELÉCTRICO ESPE –

LATACUNGA”, realizado por RICAURTE CORREA NÉSTOR ANDRÉS Y

SARZOSA ANTE DAVID DE JESÚS, ha sido guiado y revisado periódicamente y

cumple normas estatuarias establecidas de la Universidad de las Fuerzas Armadas-

ESPE.

Debido a que constituye un trabajo de excelente contenido científico que coadyuvará

a la aplicación de conocimientos y al desarrollo profesional, si recomiendan su

publicación.

Latacunga, Septiembre del 2014

Ing. Marcelo Silva

Ing. Franklin Silva

DIRECTOR CODIRECTOR

iii



DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD

Nosotros:

RICAURTE CORREA NÉSTOR ANDRÉS


DECLARAMOS QUE:

El proyecto de grado denominado “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN

PROTOTIPO DIDÁCTICO DE INVERSOR MULTINIVEL EN

CASCADA, MONOFÁSICO DE TRES ETAPAS PARA EL

LABORATORIO DE CONTROL ELÉCTRICO ESPE –

LATACUNGA”, ha sido desarrollado con base a una investigación exhaustiva,

respetando derechos intelectuales de terceros, conforme las citas que constan el pie de

las páginas correspondiente, cuyas fuentes se incorporan en la bibliografía.

Consecuentemente este trabajo es de nuestra autoría.

En virtud de esta declaración, nos responsabilizamos del contenido, veracidad y

alcance científico del proyecto de grado en mención.


_______________________ _______________________

David Sarzosa A. Andrés Ricaurte C.

C.C. 050259484-9 C.C. 180315327-7

iv



AUTORIZACIÓN

Nosotros:

RICAURTE CORREA NÉSTOR ANDRÉS


Autorizamos a la UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE, la

publicación, en la biblioteca virtual de la Institución del trabajo “DISEÑO Y

CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DIDÁCTICO DE INVERSOR

MULTINIVEL EN CASCADA, MONOFÁSICO DE TRES ETAPAS PARA EL

LABORATORIO DE CONTROL ELÉCTRICO ESPE – LATACUNGA”, cuyo

contenido, ideas y criterios son de nuestra exclusiva responsabilidad y autoría.


_______________________ _______________________

David Sarzosa A. Andrés Ricaurte C.

C.C. 050259484-9 C.C. 180315327-7

v

DEDICATORIA

A mis padres y hermanos que siempre están a mi

lado apoyándome en todo momento, que además

supieron brindarme comprensión y su amor durante el

transcurso de mis estudios.

Andrés Ricaurte

A Dios a quien amo y admiro, que con su bendición

estuvo en todo momento siempre conmigo, a mis padres

Manuel y Rosa por su dedicación y esfuerzo supieron

guiarme para lograr mi meta.

A mi hermano quien siempre, brindándome su cariño

y respaldo me acompaño en todo momento.

David Sarzosa

vi

AGRADECIMIENTO

El mayor de los agradecimientos a Dios ante todo y

a muchas personas especiales que me rodearon

durante mis años de estudio guiándome, apoyándome y

otorgándome gran amor en momentos difíciles.

Un profundo agradecimiento a los excelentes

profesores que tuve el privilegio de conocer en la

Politécnica, y entre ellos los ingenieros: quienes

colaboraron con la realización de este proyecto de tesis.

Andrés Ricaurte

A la UNIVERDIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-

ESPE, a sus profesores que supieron transmitir

sabiduría y conocimiento para formar nuestra mente y

nuestra vida y así lograr ser una persona de excelencia.

Mi gratitud también a los Ingenieros Coordinadores

del proyecto.

David Sarzosa

vii

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PORTADA………………………......…………………………….……. i

CERTIFICADO…………………………………………………………. ii

AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD…………………………………. iii

AUTORIZACIÓN……………………..………………………………… iv

DEDICATORIA….…………………..…………………………..……... v

AGRADECIMIENTO…………………………..………………………. vi

ÍNDICE DE CONTENIDOS…………………………………………… vii

ÍNDICE DE FIGURAS……..…………………………………………… x

ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………………… xiii

RESUMEN…………………………..……………………..…………… xiv

ABSTRACT…………………………..…………………………………. xv

OBJETIVOS…………………………..………………………………… xvi

CAPÍTULO 1

1.1. CONCEPTOS GENERALES...……………………………. 1

1.1.1. Interruptores de estado sólido de potencia………………. 2

1.1.1.1. Diodo…………………………..……..……………………… 3

1.1.1.2. Tiristores………………………………..……………………. 4

1.1.1.3. Rectificador controlado de silicio (SCR)……………..…… 4

1.1.1.4. Transistores…………………………..……….…………….. 5

1.1.1.5. Transistor de unión bipolar (BJT)….………………………. 6

1.1.1.6. Transistor de efecto de campo metal óxido–

semiconductor (MOSFET)………………………………….

7

1.1.1.7. Transistor bipolar de puerta de salida(IGBT)……………. 8

1.1.1.8. Microcontrolador……………………………..……………... 10

1.2. INVERSORES MULTINIVEL………………………………. 12

1.2.1 Tipos de inversores multinivel……………………..………. 15

1.2.1.1. Inversor multinivel por fijación de diodos npc...…………. 15

1.2.1.2. Inversor multinivel con capacitores votantes..................... 17

1.2.1.3. Inversor multinivel en cascada…………………………….. 19

viii

CAPÍTULO 2

2. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN……. 25

2.1. CARACTERÍSTICA DE DISEÑO….………………………. 25

2.2. DISEÑO DE LA ETAPA DE POTENCIA………………….. 27

2.2.1. Parámetros de diseño para la etapa de potencia….……. 27

2.2.2. Selección de fuentes de alimentación………………….…. 28

2.2.3. Selección del dispositivo de potencia………………….…. 30

2.3. DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL………………….. 34

2.3.1 Selección del ángulo de disparo para minimizar la

distorsión armónica……………………………………….…

35

2.3.2. Selección del microcontrolador………………...………….. 59

2.4. IMPLEMENTACIÓN DE LA ETAPA DE POTENCIA……. 64

2.5. IMPLEMENTACIÓN DE LA ETAPA DE CONTROL……. 65

2.6. ENSAMBLADO DEL SISTEMA DE LA ETAPA DE

CONTROL CON LA ETAPA DE POTENCIA…………….

68

CAPÍTULO 3

3. ANÁLISIS Y PRUEBAS DE RESULTADOS……………… 69

3.1. INTRODUCCIÓN……….…………..………………….…… 69

3.2. PRUEBAS DEL INVERSOR….……………………………. 69

3.2.1. Forma de onda ideal y real del inversor………………..… 69

3.2.2. Forma de onda de salida de voltajes de fase del inversor. 71

3.2.3. Pulsos de los IGBT obtenidos por el módulo de

adquisición de datos (LV DAM EMS)…….……………….

73

3.2.4. Resultado del TDH adquirido por el módulo de

adquisición de datos (LV DAM EMS)……………………..

79

3.2.5. Resultado de los ángulos de disparo de cada nivel

adquirido por el módulo de adquisición de datos (LV

DAM EMS)……………………………………………………

80

3.2.6. Resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio con

carga resistiva en el generador…………………………....

84

3.3 ALCANCE Y LIMITACIONES……………………………… 86

3.3.1. Alcance…………………………..…………….…………….. 86

ix

3.3.2. Limitaciones……………………………………..…………... 86

3.4. Costo económico del inversor multinivel monofásico…… 87

CAPÍTULO 4

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……....……. 90

4.1. CONCLUSIONES…………………………………………... 90

4.2. RECOMENDACIONES…………………………………….. 91

Bibliografía …………………………………………………................. 92

Linkgrafía………………………………………………….................... 92

Anexos …………………………………....……………………………. 94

x

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Símbolo del Diodo y características v-i…………………. 3

Figura 2 Símbolo del Tiristor………………………………………. 4

Figura 3 Símbolo del SCR y características v-i .………………... 5

Figura 4 Símbolo del BJT y características v-i .………………… 7

Figura 5 Símbolo del Mosfet y características v-i.……………….. 8

Figura 6 Símbolo del IGBT y características…………………….. 9

Figura 7 Aplicación de la electrónica de potencia según el

dispositivo empleado…………………………….............

10

Figura 8 Esquema de un Microcontrolador………………………. 11

Figura 9 Esquema de un Inversor de m niveles…………………. 14

Figura 10 Voltaje típico en la salida de un inversor multinivel de

cinco niveles.………………………….. …………………

14

Figura 11 Esquema de inversor acoplado por diodo de cinco

niveles……………………………………………………...

16

Figura 12 Esquema de Inversor con Capacitores Flotantes de

cinco niveles…………………………..…………………..

18

Figura 13 Inversor Puente Completo……………………………..... 21

Figura 14 Inversor Multinivel simétrico, asimétrico de potencia 2.. 23

Figura 15 Onda y valores de voltaje de las fuentes de

alimentación…………………………..…………………...

29

Figura 16 Fuente ATX – 24V……………………………………....... 30

Figura 17 Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas

Conectado en Cascada………………………………......

31

Figura 18 IGBT FGA40N65SMD………………………………........ 34

Figura 19 Forma de onda e(wt) con los diferentes niveles de voltaje

a la salida del inversor multinivel en cascada…………..

36

Figura 20 Forma de onda ideal con los pulsos de cada IGBT….... 42

Figura 21 Onda generada por el principio básico de operación de

cada IGBT. …………………………..…………………....

58

Figura 22 Microcontrolador Atmel 164P………………………….... 61

Figura 23 Diagrama de Flujo Etapa de Control……………………. 62

xi

Figura 24 Inversor monofásico multinivel de tres etapas

conectado en cascada……………………………….......

64

Figura 25 Tarjeta de potencia…………......................................... 65

Figura 26 Diagrama eléctrico de la etapa de control ..………....... 66

Figura 27 Tarjeta de Control…………........................................... 67

Figura 28 Módulo final del inversor multinivel didáctico

monofásico en cascada…………………………………..

68

Figura 29 Forma de onda Ideal Generada………………………… 70

Figura 30 Forma de onda Real Generada………………………… 70

Figura 31 Inversor monofásico multinivel de tres etapas

conectado en cascada …………………………………...

71

Figura 32 Forma de Onda Ideal a la salida del inversor………….. 72

Figura 33a Pulso del IGBT 1………………………………………….. 73

Figura 33b Pulso del IGBT 2………………………………………….. 73

Figura 33c Pulso del IGBT 3………………………………………….. 74

Figura 33d Pulso del IGBT 4………………………………………….. 74

Figura 33e Pulso del IGBT 5………………………………………….. 75

Figura 33f Pulso del IGBT 6………………………………………….. 75

Figura 33g Pulso del IGBT 7………………………………………….. 76

Figura 33h Pulso del IGBT 8………………………………………….. 76

Figura 33i Pulso del IGBT 9..………………………………………… 77

Figura 33j Pulso del IGBT 10………………………………………… 77

Figura 33k Pulso del IGBT 11………………………………………… 78

Figura 33l Pulso del IGBT 12………………………………………… 78

Figura 34 Valor obtenido en la práctica del TDH.………………… 79

Figura 35a Ángulos de disparo 1 (α1) ….……………………………. 81

Figura 35b Ángulos de disparo 2 (α2) ….……………………………. 81

Figura 35c Ángulos de disparo 3 (α3) ….……………………………. 82

Figura 35d Ángulos de disparo 4 (α4) ….……………………………. 82

Figura 35e Ángulos de disparo 5 (α5) ….……………………………. 83

Figura 35f Ángulos de disparo 6 (α6) ….……………………………. 83

Figura 35g Ángulos de disparo 7 (α7) ….……………………………. 84

xii

Figura 36 Modelo de conexión para la prueba de laboratorio…… 84

Figura 37 Módulo real de cargas resistivas……………………….. 85

xiii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Características de Diseño Seleccionado………………. 26

Tabla 2 Parámetros de Diseño de la Etapa de Potencia………. 27

Tabla 3 Selección de Fuentes de Alimentación………………… 29

Tabla 4 Requerimientos para el dispositivo de potencia………. 32

Tabla 5 Selección de Dispositivos de Potencia………………… 33

Tabla 6 Ángulos de disparo de las fuentes de voltaje…………. 39

Tabla 7 Proceso para el cálculo de la Distorsión Armónica

(TDH)……………………………………………………….

40

Tabla 7.1 Señales de control para obtener los voltajes de

operación del inversor monofásico multinivel de tres

etapas conectadas en cascada, nivel de operación 0V.

43

Tabla 7.2 Continuación de las señales de control para obtener

los voltajes de operación del inversor monofásico

multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel

de operación 24V……………………….………………..

44




de operación 48V…………………………………………

45




de operación 72V…………………………………………

46




de operación 96V………………………………………….

47




de operación 120V.………………………………………

48

xiv




de operación 144V………………………………………..

49


los voltajes de operación del inversor monofásico...


de operación 168V……………………………………….

50




de operación -24V………………………………………..

51




de operación -48V……………………………………….

52




de operación -72V………………………………………

53




de operación -96V………………………………………..

54




de operación -120V……………………………………….

55




de operación -144V……………………………………….

56

xv




de operación -168V.……………………………………..

57

Tabla 8 Requerimientos del microcontrolador........................… 59

Tabla 9 Características del microcontrolador…………………… 61

Tabla 10 Tiempos de activación de cada IGBT 63

Tabla 11 Valores ideales del inversor…………………………….. 69

Tabla 12 Valores calculados y obtenidos en la práctica…………. 80

Tabla 13 Tabla Comparativa de Resultados……………………... 85

Tabla 14 Rubros financiados………………………………………. 88

xiv

RESUMEN

Los inversores multinivel son inversores de última tecnología que pueden

generar corrientes o incluso voltajes sinusoidales con mucho menor contenido

armónico. Si el número de niveles es lo suficientemente alto, se puede obtener

un voltaje (o corriente) casi sinusoidal. Más aún, se puede modular en

amplitud en vez de ancho de pulso (PWM) al voltaje, por lo que las pérdidas

generadas por las armónicas de corriente pueden minimizar. Además, la

frecuencia de conmutación y el nivel de potencia de los semiconductores se

reducen considerablemente. Dentro del contexto de utilizar los inversores

multinivel para obtener un bajo contenido armónico, se diseñó y construyó un

prototipo de inversor monofásico de 8 niveles para operar un motor de

corriente alterna. Este inversor consta de tres puentes completos tipo H, con

sus voltajes escalados, lo que permite obtener el número de niveles ya

mencionado. El inversor diseñado es capaz de soportar corrientes de

aproximadamente 2 A, con un voltaje de salida de 110 Vac, dando una

potencia nominal de 220 W. Para llevar a cabo este proceso, se diseñó un

sistema de potencia modular con inversores individuales aislados

galvánicamente, con sus sistemas de control de encendido y fuentes de

alimentación independientes. En síntesis, en este proyecto desarrollado con

éxito, se describe el proceso de diseño y construcción de un prototipo

didáctico de inversor multinivel monofásico de tres etapas.

Palabras Clave: Ingeniería Electromecánica/Inversores Multinivel –

Diseño y Construcción/Prototipos Electrónicos Didácticos.

xv

ABSTRACT

Multilevel converters are the latest technology, which can generate almost

perfect currents, and sinusoidal voltages with better harmonics, if the number

of levels is high enough; a voltage almost sinusoidal can be got. Even more it

is possible to inflect in width instead of pulse width (PWM) to the voltage so

the generated losses by the harmonic current can be minimized. Moreover,

the switching frequency and the power level of the semiconductor are reduced

considerably. In the context of using multilevel converters to get a low

harmonic content, a monostatic converter prototype of eight levels was

designed and built to operate an AC motor. This converter consists of three full

bridges type H, with its scaled voltages; it allows getting the mentioned levels.

The designed converter is able to endure currents of approximately of 2A, with

an output voltage of 110 Vac, giving a nominal power of 220W. A modular

power system with individual converters galvanically isolated was designed to

achieve this process, with its control systems of ignition and independent

power supply. In summary, in this successful project, the process of designing

and construction of a didactic of monostatic multilevel prototype of three stages

is described.

Key words: Electromechanical engineering, multilevel converters,

designing and construction, didactic electronics prototypes.

xvi

OBJETIVO GENERAL

Diseño y construcción de un prototipo didáctico de inversor multinivel en

cascada, monofásico de tres etapas para el laboratorio de control eléctrico

ESPE-L.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Investigar científicamente sobre los inversores multinivel en cascada.

Plantear y analizar las posibles alternativas de diseño.

Diseñar el inversor multinivel monofásico mediante la aplicación de los

conceptos teóricos.

Construir e implementar el inversor multinivel monofásico.

Evaluar el inversor multinivel monofásico, a través de pruebas,

demostrando su funcionamiento.

1

CAPÍTULO 1

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO

DIDÁCTICO DE INVERSOR MULTINIVEL EN CASCADA,

MONOFÁSICO DE TRES ETAPAS PARA EL LABORATORIO

DE CONTROL ELÉCTRICO ESPE – LATACUNGA”.

La función principal de un Inversor es cambiar un voltaje de entrada de

corriente continua a un voltaje de salida de corriente alterna con la magnitud

y la frecuencia deseada por el usuario, por lo que este tipo de equipos tiene

amplia aplicación desde pequeñas fuentes de alimentación para

computadoras, pasando por aplicaciones automotrices hasta grandes

aplicaciones industriales de potencia.

Los inversores producen un voltaje o una corriente de salida cuyos niveles

son 0, + Vdc y - Vdc. Estos inversores con fuente de voltaje son conocidos

como inversores de tres niveles.

Para obtener la forma de onda de voltaje o corriente con un mínimo de

armónicos se requiere una conmutación en alta frecuencia, junto con diversas

modulaciones por ancho de pulso (PWM).

En el campo de la electrónica de potencia los inversores multinivel han

atraído mucho interés por que presentan un conjunto nuevo de propiedades

adecuadas que sirve para usarse en compensación de potencia reactiva.

Es por esto que al aumentar la cantidad de niveles de voltaje en el inversor

multinivel sin cambiar mayores especificaciones nominales de los dispositivos

individuales, se puede aumentar la potencia nominal. [1]

1.1. Conceptos generales

En este capítulo se presenta los interruptores de estado sólido de potencia

empleados en el diseño de los inversores, destacando aquellos interruptores

2

que ofrecen mayores ventajas, por lo que se hará un pequeño resumen de los

mismos.

1.1.1. Interruptores de Estado Sólido de Potencia

Los interruptores utilizados en electrónica de potencia se pueden clasificar

en tres grupos, de acuerdo con su grado de control:

1. Interruptores no controlados

El interruptor no controlado es el Diodo. Los estados de conducción o

cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por

tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo.

2. Interruptores semicontrolados

En este grupo se nombran a, los SCR (“Rectificador Controlado de

Silicio”), los TRIAC (“Triodo para Corriente Alterna”), GTO (”Tiristor de

abertura de compuerta), RCT (“Tiristor de conducción inversa”), LASCR

(“Rectificador fotoactivado controlado de silicio”), ETO (“Tiristor abierto por

emisor”), entre otros.

En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una

señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo,

comúnmente denominado puerta.

3. Interruptores totalmente controlados

En este grupo abarca varios tipos de transistores tales como: transistor de

unión bipolar BJT, los transistores de efecto de campo MOSFET, los

transistores bipolares de puerta aislada IGBT.

3

1.1.1.1. Diodo

El diodo (figura 1a), es un interruptor electrónico simple que no se puede

controlar, en el sentido de que son las tensiones y corrientes del circuito los que

determinan los estados de conducción (activado) y de no conducción

(desactivado) del diodo.

Un diodo se encuentra en conducción cuando el voltaje en el ánodo es

mayor al voltaje del cátodo. En el caso ideal, el diodo polarizado en directa se

comporta como un cortocircuito mientras que polarizado en inversa el diodo

se comporta como un circuito abierto.

En la Figura 1(b), se indica la curva característica tensión – corriente y un

equivalente ideal se puede observar en la Figura 1(c). [2]

Figura 1: a) Símbolo del Diodo b) Característica v-i c) Característica v-i ideal

[2]

4

1.1.1.2. Tiristores

El tiristor (Figura 2) tiene tres terminales: ánodo (A), cátodo (K) y

compuerta (G). Para el control se hace pasar una corriente pequeña por el

terminal de la compuerta, hacia el cátodo, para que el tiristor empiece a

conducir la tensión en el ánodo debe ser mayor que la tensión en el cátodo.

Cuando el tiristor empieza a conducir, se enclava (conduce) y la corriente

de puerta puede eliminarse.

En su estado inactivo, el tiristor puede bloquear una tensión de polaridad

directa y no conducir.

El tiristor no puede ser apagado por la puerta, y el tiristor conduce como

un diodo. Es por eso que un tiristor que conduce se puede apagar haciendo

que la tensión del ánodo sea igual o menor que la tensión del cátodo. [3]

Figura 2: Símbolo de un tiristor [3]

1.1.1.3. Rectificador Controlado de Silicio (SCR)

Como un tiristor es básicamente un dispositivo controlado hecho de silicio,

también se le llama rectificador controlado de silicio (SCR).

Para que un SCR (Figura 3a), empiece a conducir, se debe aplicar una

corriente a la puerta cuando la tensión de ánodo sea mayor a la tensión del

cátodo. Una vez que haya entrado en conducción, la señal en la puerta no es

5

necesaria para mantener la corriente en el terminal ánodo. El SCR seguirá

conduciendo mientras la corriente en el ánodo sea positiva como muestra la

Figura 3(b). En la Figura 3(c) se indica la curva característica v-i ideal del SCR.

Figura 3: a) Símbolo del SCR, b) Característica principal del SCR v-i,

c) Característica v-i ideal [4]

1.1.1.4. Transistores

Un transistor tienen tres terminales: colector, base, emisor. Los circuitos

de excitación de los transistores se diseñan para que estén completamente

saturados (activados) o en corte (desactivados).

Una ventaja de los transistores es que proporcionan un control de

activación y desactivación.

6

Los transistores son utilizados como interruptores en los circuitos

electrónicos de potencia. Los transistores de potencia son cuatro:

1. BJT

2. MOSFET

3. IGBT

4. SIT

1.1.1.5. Transistor de Unión Bipolar (BJT)

Los transistores de unión bipolar tienen tres terminales, como lo indica la

Figura 4(a), que se denominan colector, base y emisor, respectivamente. El

control de estos interruptores es por corriente, y es suministra a la base de

manera continua para mantenerlos en estado activo. Hay tres regiones de

operación de un transistor BJT: de corte, activa y de saturación.

El transistor se encuentra abierto o apagado, cuando está en la región de

corte, mientras que la corriente en la base no es suficiente para saturarlo.

En la región activa, el transistor actúa como un amplificador, en el que la

corriente de base se amplifica una ganancia determinada, y el voltaje colector-

emisor disminuye al aumentar la corriente de base. (Figura 4b).

En la región de saturación, la corriente en la base es suficientemente alta

como para que el voltaje colector-emisor sea bajo, y el transistor actúa como

un interruptor. Una corriente en la base nula hace que el transistor se polarice

en corte. [5]

La característica ideal del BJT se indica en la Figura 4(c).

7

Figura 4: a) Símbolo del BJT, b) Característica del BJT v-i y c) Característica ideal v-i [6]

1.1.1.6. Transistor de Efecto de Campo Metal Óxido - Semiconductor

(MOSFET)

Un MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje (Figura

5a), y sólo requiere una pequeña corriente de entrada. El MOSFET, es un

dispositivo de tres terminales donde la entrada, (compuerta en el caso del

MOSFET), controla el flujo de corriente entre las terminales de salida, la fuente

y el drenaje. La terminal de la fuente es común entre la entrada y la salida de

un MOSFET. La velocidad de conmutación es muy alta, y los tiempos son en

nanosegundos. Las aplicaciones de los MOSFET de potencia es cada vez

más numerosa en convertidores de baja potencia y alta frecuencia. Los

MOSFET tienen los problemas de descarga electrostática y el cuidado que

requieren son especiales en su manejo. Además, es relativamente difícil

protegerlos en condiciones de falla por cortocircuito.

A continuación en la Figura 5(b) y 5(c), se indica la curva característica v-

i, y la curva característica ideal del mosfet respectivamente. [3]

8

Figura 5: a) Símbolo del Mosfet, b) Característica i-v, c) Característica

idealizada. [3]

1.1.1.7. Transistor Bipolar de Puerta de Salida (IGBT)

Un IGBT está combinado por las ventajas de los BJT y de los MOSFET.

La impedancia a la entrada de un IGBT es alta, como los MOSFET, y tiene

pocas pérdidas por conducción en estado activo, como los BJT.

El símbolo de circuito para un IGBT se muestra en la Figura 6(a), y sus

características de v-i, en la figura 6b. Los IGBT tienen algunas de las ventajas

de los MOSFET, BJT y GTO combinados. Parecido al MOSFET, el IGBT tiene

una puerta de alta impedancia que sólo requiere una pequeña cantidad de

energía para conmutar el dispositivo.

Cuando se le es aplicado un voltaje VGE a la puerta, el IGBT enciende

inmediatamente, la corriente de colector Ic es conducida y el voltaje VCE se va

9

desde el valor de bloqueo hasta un valor cercano a cero. La corriente Ic

persiste para el tiempo de encendido en que la señal en la puerta es aplicada.

Para encender el IGBT, el terminal C debe ser polarizado positivamente con

respecto a la terminal E.

La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puerta

G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15

volts, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de

lo cual la corriente de colector ID es igual a la corriente de carga IL (asumida

como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una

señal de voltaje en el G.

El IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la

terminal G.

La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar

apenas 2 microsegundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede

estar en el rango de los 60 kHz. [1]

En la Figura 6(c) se indica la curva característica ideal del IGBT.

Figura 6: a) Simbología IGBT, b) Característica de i-v, c) Característica ideal

[1]

10

A continuación en la Figura 7 se indica las características de los distintos

dispositivos.

Figura 7: Aplicación de la electrónica de potencia según el dispositivo empleado.

[7]

1.1.1.8. Microcontrolador

Un Microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su

interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y

Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo

circuito integrado.

Características

Son diseñados para disminuir el costo económico y el consumo de energía

de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la CPU (Unidad Central de

Proceso), la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la

aplicación. El control de un sistema de frenos ABS (Antilock Brake System) se

http://es.wikipedia.org/wiki/Antilock_Brake_System

11

basa normalmente en un Micro Controlador de 16 bit, al igual que el sistema

de control electrónico del motor en un automóvil. Un Microcontrolador como

se muestra en la Figura 8, difiere de una CPU normal, debido a que es más

fácil convertirla en una computadora en funcionamiento. La idea es que el chip

se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y la

información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no

le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas

por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada/salida (puertos) y

la memoria para almacenamiento de información. [8]

La representación del esquema del microcontrolador se indica a

continuación.

Figura 8: Esquema de un Micro Controlador. [8]

Aplicaciones

Si sólo se dispusiese de un modelo de microcontrolador, éste debería

tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las

exigencias de las diferentes aplicaciones. Es posible seleccionar la capacidad

de las memorias, el número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los

elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un

http://es.wikipedia.org/wiki/Autom%C3%B3vil

http://es.wikipedia.org/wiki/CPU

12

aspecto muy destacado del diseño es la selección del microcontrolador a

utilizar. Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador

con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y

coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo.

Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas

presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno

microondas, frigoríficos, televisores, ordenadores, impresoras, módems, el

sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que

seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación

electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Estos pequeños

controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central,

probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus

acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC.

El micro controlador se lo puede encontrar en:

- Sistemas de comunicación: Como automatismos centrales, teléfonos fijos,

móviles, fax.

- Electrodomésticos: Como las lavavajillas, batidoras, televisores, vídeos,

reproductores DVD, equipos de música, lavadoras, hornos, frigoríficos,

- Industria informática: Aquí se encuentran en casi todos los periféricos;

ratones, teclados, impresoras, escáner.

- Industria: Autómatas, control de procesos.

- Seguridad: Sistemas de supervisión, vigilancia y alarma: ascensores,

calefacción, aire acondicionado, alarmas de incendio, robo. [4]

1.2. INVERSORES MULTINIVEL.

Los inversores conocidos como de fuente de voltaje producen un voltaje o

corriente de salida cuyos niveles son 0 o ±Vdc. A estos inversores se los

conocen como inversores en dos niveles. La forma de onda de voltaje o

corriente con calidad alta o con un contenido mínimo de rizado, requieren

conmutación en alta frecuencia, junto con diversas estrategias de modulación

13

por ancho de pulso (PWM). En aplicaciones con alta potencia y alto voltaje,

esos inversores de dos niveles tienen algunas limitaciones para operar a alta

frecuencia, su causa principal son las pérdidas por conmutación y limitaciones

de las especificaciones nominales de los dispositivos.

Los dispositivos semiconductores de conmutación se deben evitar

problemas asociados con sus combinaciones en serie-paralelo, que son

necesarias para obtener la capacidad de manejo de altos voltajes y corrientes.

Es por eso que los inversores multinivel han atraído mucho interés en el

campo de la electrónica de potencia. Presentan un conjunto nuevo de

propiedades que son muy adecuadas para usarse en compensación de

potencia reactiva. Es más fácil producir un inversor de alta potencia y alto

voltaje con la estructura multinivel, por lo que se los controla en la estructura

los esfuerzos dieléctricos del dispositivo. Es por eso que al aumentar la

cantidad de niveles de voltaje en el inversor sin la necesidad de mayores

cambios o especificaciones nominales de los dispositivos individuales, se

puede aumentar la potencia nominal. La estructura única de fuente de voltaje

de los inversores multiniveles permite alcanzar altos voltajes con pocas

armónicas, sin el uso de transformadores o de dispositivos de conmutación

sincronizada conectados en serie. [1]

Concepto de nivel

“El termino nivel (m), es la cantidad de nodos al que el inversor puede

acceder”. [1]

A medida que aumenta la cantidad de niveles de voltaje, se reduce en

forma importante el contenido de armónicas en la forma de onda de voltaje de

salida. La Figura 9 muestra el esquema de un polo en un inversor multinivel,

donde Va indica el voltaje de salida de fase, que puede asumir cualquier nivel

de voltaje, dependiendo de la selección de voltaje (cd) de nodo, Vc1, Vc(m-1),

14

etc. Así, un polo en un inversor multinivel se puede considerar como un

interruptor de un polo y varios polos.

Figura 9: Esquema de un Inversor de m niveles. [1]

Al conectar el interruptor a un nodo a la vez, se puede obtener la salida

que se desee.

En la siguiente Figura 10, muestra el voltaje de salida típico de un inversor

de cinco niveles.

Figura 10: Voltaje típico en la salida de un inversor multinivel de cinco

niveles. [1]

15

La estructura topológica del inversor multinivel debe:

1. Tener el mínimo de dispositivos de conmutación que sea posible;

2. Ser capaz de resistir voltajes muy altos para aplicaciones de alta potencia,

y

3. Tener menor frecuencia de conmutación para cada dispositivo de

conmutación.

1.2.1. Tipos de Inversores Multinivel

Existen varias topologías para el desarrollo de Inversores Multinivel entre

las cuales destacan tres que son las más utilizadas en el campo industrial y

del control.

A continuación se muestran dichas topologías haciendo referencia a sus

principales características, ventajas y desventajas.

1.2.1.1. Inversor Multinivel por Fijación de Diodos

Un inversor multinivel con diodo fijador consiste, en forma típica, en (m -

1) capacitores en el canal de cd y produce m niveles en el voltaje de fase. La

Figura 11 muestra una rama. La numeración de los interruptores será en el

orden, S1, S2, S3, S4, S'1, S'2, S'3 y S'4.

El canal de cd consiste en cuatro capacitores en el orden, C1, C2, C3 y

C4 conectados en serie. Para un canal Vcd de voltaje cd, el voltaje a través

de cada capacitor es Vcd/4, y el esfuerzo dieléctrico de cada dispositivo se

limita, mediante diodos fijadores, a un nivel de voltaje de capacitor, Vcd/4. El

número de diodos que se requiere para una fase del inversor será (m – 1)*(m

- 2). [5]

16

Figura 11: Esquema de Inversor Acoplado por Diodo de Cinco Niveles. [5]

A continuación se citará las ventajas y desventajas del inversor acoplados

por diodo fijador.

Ventajas

- Si la cantidad de niveles es alta, los armónicos son bajos

- La eficiencia del inversor es alta, por la conmutación

- El control de este método es sencillo.

17

Desventajas

- Cuando la cantidad de diodos es demasiado, aumenta los niveles de

voltaje

- Se hace dificultoso controlar el flujo de potencia real del convertidor

individual.

1.2.1.2. Inversor multinivel con capacitores volantes

Cada rama de fase tiene una estructura idéntica. Suponiendo que cada

capacitor tenga el mismo voltaje nominal, la conexión de los capacitores en

serie indica el nivel de voltaje entre los puntos de fijación. Tres capacitores de

balanceo de lazo interno (Ca1, Ca2 y Ca3) para el ramal a de fase son

independientes de la rama a de fase. Todas las ramas de fase comparten los

mismos capacitores de enlace de cd, C1 a C4.

El nivel de voltaje en el convertidor con capacitores volantes es parecido

al del convertidor tipo con diodo fijador. Esto es, el voltaje de fase Va0 de un

convertidor en m niveles, tiene m niveles (incluyendo el nivel de referencia), y

el voltaje de línea Vab tiene (2m - 1) niveles.

Suponiendo que cada capacitor tiene la misma especificación de voltaje

que la del dispositivo de conmutación, el canal de cd necesita (m - 1)

capacitores si el convertidor es de m niveles.

Para producir un voltaje de salida en escalera se examinará, como

ejemplo, una rama del inversor en cinco niveles de la Figura 12.

El canal 0 de cd es el punto de referencia del voltaje de fase de salida. [6]

18

Figura 12: Esquema De Inversor con Capacitores Volantes de cinco niveles.

[6]

A continuación se citará las ventajas y desventajas del inversor con

capacitores volantes.

19

Ventajas

- La gran cantidad de capacitores de almacenamiento pueden

proporcionar que siga en funcionamiento durante cortes de energía.

- El contenido de armónicos es sumamente bajo.

- El flujo de potencia se puede controlar tanto real como reactiva.

Desventajas

- Se requiere muchos capacitores de almacenamiento cuando la

cantidad de niveles es grande.

- El control de este inversor es complicado.

- La frecuencia de conmutación y las perdidas por conmutación son

altas para la transmisión de potencia real.

1.2.1.3. Inversor Multinivel en Cascada.

En el inversor multinivel en cascada se puede casi duplicar el número de

niveles de las topologías anteriores sin hacer crecer el número de fuentes de

voltaje.

Este consiste en una serie de unidades inversoras de medio puente

(monofásicas, puente completo). La función general de este inversor multinivel

es sintetizar un determinado voltaje a partir de varias fuentes separadas de cd

(SDCS, de several separate dc sources), que pueden ser baterías, celdas de

combustible o celdas solares. La Figura 13(a) muestra la estructura básica de

un inversor monofásico en cascada con SDCS. Cada SDCS está conectado

a un inversor de medio puente. Los voltajes ca de terminal de los inversores

en distintos niveles se conectan en serie.

A diferencia del inversor con diodo fijador, o de capacitores volantes, el

inversor en cascada no requiere diodos fijadores de voltaje, ni capacitores de

balanceo de voltaje.

20

Principio de operación

La Figura 13(b) muestra la forma de onda de voltaje de fase de un inversor

en cascada de cinco niveles con cuatro SDCS. El voltaje de fase de salida se

sintetiza con la suma de cuatro salidas de inversor, Van = Va1 + Va2 + Va3 +

Va4. Cada nivel de inversor puede generar tres salidas distintas de voltaje,

+Vcd, 0 y - Vcd, conectando la fuente cd con el lado de salida ac mediante

combinaciones diferentes de los cuatro interruptores S1, S2, S3 y S4.

Tomando como ejemplo el nivel superior, al activar S1 y S4 se obtiene Va4

= +Vcd. Al activar S2 y S3 se obtiene Va4 = - Vcd, y al desactivar todos los

interruptores se obtiene Va4 = 0. De igual modo se puede obtener el voltaje

de salida de ca en cada nivel. [7]

Si (Ns) es la cantidad de fuentes de cd, (m) el nivel de voltaje de fase de

salida, tenemos la ecuación (1.1):

m=Ns+1 (1.1)

Así, un inversor en cascada en cinco niveles necesita cuatro SDCS y

cuatro puentes completos. Si se controlan los ángulos de conducción en

distintos niveles de inversor se puede minimizar la distorsión armónica del

voltaje de salida.

El voltaje de salida del inversor es casi senoidal, y tiene menos que 5% de

distorsión armónica total (THD), y cada uno de los medios puentes sólo

conmuta a la frecuencia fundamental.

21

(a) (b)

Figura 13: a) Inversor Puente Completo. b) Formas de onda a la salida.

[1]

Propiedades del inversor en cascada

Las propiedades principales del inversor en cascada son las siguientes:

Para conversiones de potencia real, de ca a cd y después de cd a ca, los

inversores en cascada, necesitan fuentes separadas de cd. La estructura

de las fuentes separadas de cd es adecuada para diversas fuentes de

22

energía renovable, como celdas de combustible, energías renovables y

biomasa.

Entre dos convertidores no es posible conectar las fuentes de cd una a

continuación de otra, porque puede introducirse un cortocircuito cuando

dos convertidores seguido no conmutan en forma sincrónica.

A continuación se citara las ventajas y desventajas del inversor multinivel en

cascada.

Ventajas

- Requiere mínima cantidad de componentes en comparación con los

anteriores inversores para obtener la misma cantidad de niveles.

- Se puede utilizar técnicas de conmutación suave para reducir las

pérdidas por conmutación.

Desventajas

- Se necesita fuentes cd separadas para conversiones de potencia real,

por ello se limita sus aplicaciones.

Una característica que vale la pena mencionar es que, debido a su

estructura, se puede aumentar fácilmente el número de niveles agregando

etapas en cascada, sin tener que rediseñar la etapa de potencia.

El CMLI (Cascade Multilevel Inverter) se clasifica en simétrico y asimétrico.

En la Figura 14(a), se muestra un inversor multinivel simétrico, mientras

que en la Figura 14(b) se muestra un inversor asimétrico de potencia 2.

23

(a) (b)

Figura 14: Inversor Multinivel a) simétrico b) asimétrico de potencia 2 [1]

Inversor multinivel en cascada simétrico

En esta configuración los niveles de alimentación de cada una de sus

etapas son de la misma magnitud, tal y como se muestra en la Figura 14(a);

Cada etapa proporciona tres niveles de tensión que son: +VCD, 0 y -VCD,

el número de niveles (n) generados en la tensión de salida depende del

número de fuentes (Ns) y está dado por la ecuación (1.2).

n = 2Ns + 1 (1.2)

24

Inversor multinivel en cascada asimétrico

Esta clasificación posee la misma configuración que el CMLIS (Cascade

Multilevel Inverter Symmetric), pero en este caso los niveles de tensión de CD

de cada fuente del inversor son de valores diferentes, como se observa en la

Figura 14(b). Con esta característica se pueden obtener más niveles en la

onda de salida con el mismo número de elementos utilizados en un CMLIS.

Inversor multinivel en cascada asimétrico de potencia 2

El CMLIA (Cascade Multilevel Inverter Asymmetric) de potencia 2 es

alimentado con fuentes de tensión diferentes, en cada fuente es VCD, 2VCD,

4VCD, y así sucesivamente hasta alimentar todas las fuentes que integran el

inversor; en la Figura 14(b), se muestra un ejemplo, donde el número máximo

de niveles se calcula mediante la ecuación (1.3).

n = 2Ns+1 – 1 (1.3)

Donde:

n = Cantidad de niveles que se obtienen en la onda de salida.

Ns = Cantidad de fuentes que integran el inversor.

25

CAPÍTULO 2

2. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN

Como se trató en el capítulo anterior, el inversor monofásico multinivel en

cascada nos permite evitar el uso de transformadores para elevar la tensión

por lo que se puede hacer uso de fuentes de corriente continua.

En este capítulo se presenta el diseño y construcción de un inversor

monofásico multinivel asimétrico de potencia 2 en cascada de tres etapas.

El trabajo de divide en 6 partes, los cuales se citarán a continuación:

- Característica de Diseño.

- Diseño de la Etapa de Potencia.

- Diseño de la Etapa de Control.

- Implementación de la Etapa de Potencia.

- Implementación de la Etapa de Control.

- Ensamble de la Etapa de Control con la Etapa de Potencia

2.1. Característica de diseño.

En la tabla 1 se indica las características de diseño que se tomó en cuenta

para la realización del diseño del inversor multinivel.

26

Tabla 1: Características de Diseño Seleccionado.

CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO DEL

INVERSOR SELECCIONADO

PARÁMETRO SELECCIÓN

Tipo Multinivel en cascada

Etapas 3

Fase Monofásico

Carga Inductiva

Tipo de alimentación Asimétrica

# Fuentes de entrada 3

Niveles de tensión 8

Modulación Pulso Único

Conmutadores IGBT

Salida Aprox. onda sinusoidal

[9]

Las características de diseño se seleccionaron basándose en que:

- Un inversor multinivel en cascada permite elevar niveles de voltaje sin el

uso de transformadores lo cual representa ahorro en tamaño y peso del

sistema.

- Se utilizó 3 etapas debido a que este valor nos permite generar 8 niveles

de voltaje diferentes lo cual es aceptable para la activación de una carga

inductiva y permite la generación de una onda sinusoidal de muy buena

calidad.

- El hecho de que se haya seleccionado un inversor monofásico

simplemente se reduce al tipo de carga usada, en este caso un motor

igualmente monofásico existente en los laboratorios del campus

universitario.

- El uso de fuentes de voltaje asimétricas para las entradas de nuestro

inversor permite generar hasta 8 niveles de voltaje distintos en el semiciclo

positivo, que como se mencionó es muy adecuado para el tipo de carga a

utilizar.

27

- La modulación por pulso único y la distribución por comparación con onda

sinusoidal, permiten que el desarrollo del inversor se pueda realizar

basándose en la frecuencia de operación de manera simple, es decir

dividiendo el periodo de la señal de salida requerida para el número de

IGBT’s presentes en el sistema, generando etapas o sub-periodos de

disparo para nuestros elementos de conmutación, los cuales permitirán la

generación de la onda sinusoidal de salida.

2.2. Diseño de la Etapa de Potencia

Para el diseño de la etapa de Potencia del Inversor Monofásico Multinivel

de Tres Etapas Conectadas en Cascada planteado en el desarrollo presente,

existen varios parámetros iniciales o de diseño a considerar.

- Parámetros de diseño para la etapa de potencia.

- Selección de las fuentes de alimentación.

- Selección del dispositivo de Potencia.

2.2.1. Parámetro de diseño para la etapa de potencia

Para el diseño de la etapa de Potencia del Inversor Monofásico Multinivel

de Tres Etapas Conectadas en Cascada los parámetros de diseño están

dados por los valores nominales de la carga.

En tabla 2 se detallan los parámetros de diseño.

Tabla 2: Parámetros de Diseño de la Etapa de Potencia.

[9]

PARÁMETROS DE DISEÑO

PARÁMETRO VALOR NOMINAL

Voltaje Carga 110 VRMS

Potencia 200 Watts

Frecuencia 60Hz

28

2.2.2. Selección de Fuente de Alimentación

Justificación:

El requerimiento de las fuentes se basa en el tipo de alimentación

asimétrica y en la corriente de salida que es de 2 A.

En base a la simulación que se desarrolló para el diseño de las fuentes de

alimentación se tomó en cuenta el valor del voltaje pico de 168V, este valor

pico será dividido para √2, entonces:

168V/√2 = 118.79 V

El valor de 118.79 V nos indica que es el voltaje RMS que se generó a

partir del voltaje pico, en el capítulo I se indicó los métodos para obtener las

fuentes de alimentación necesarias, en este caso se tomó en cuenta el método

de inversor multinivel en cascada asimétrico de potencia 2, entonces al sumar

las fuentes de alimentación en forma simétrica obtenemos el valor pico. Esto

se realiza por que la señal es casi sinusoidal.

Para la selección de las fuentes de alimentación se debe tomar en cuenta

los parámetros de diseño, por lo que el voltaje necesario es de 120Vrms, en

donde el voltaje de la onda generada no es sinusoidal, por lo que esta onda

se tomara en cuanta como una aproximación:

A continuación en la figura 15 se detalla la onda con los valores de voltajes

necesitados para el diseño de las fuentes de alimentación.

29

Figura 15: Onda y valores de voltaje de las fuentes de alimentación. [9]

En la tabla 3 se indica las fuentes de alimentación utilizadas, con una

corriente de 6A.

Como se observa en la figura 15, los valores necesarios para la selección

de las fuentes están descritos, es por eso que en la tabla 3 se detalla los

valores de las fuentes utilizadas.

Tabla 3: Selección de Fuentes de Alimentación.

ALIMENTACIÓN

ETAPA VALOR NOMINAL

DE SALIDA

VOLTAJE DE

ALIMENTACIÓN

I 24 VDC - 6 A 110V-220V

II 48 VDC - 6 A 110V-220V

III 96 VDC – 6A 110V-220V

[9]

30

De entre los distintos tipos de fuentes existentes en el mercado se

seleccionó la de fuente ATX (“tecnología avanzada extendida”), la selección de

este tipo de fuente es por la estabilidad, el bajo consumo eléctrico que

presentan por sus características de construcción de fábrica y una de sus

funciones es la de suministrar la cantidad de corriente y voltaje que los

dispositivos eléctricos y electrónicos requieren, así como protegerlos de

problemas en el suministro eléctrico como subidas de voltaje.

El diagrama de conexiones de las fuentes a cada puente H se indica en el

Anexo 4.

En la figura 16 se muestra la imagen física de la fuente de alimentación

utilizada.

Figura 16: Fuente ATX – 24V. [11]

2.2.3. Selección del dispositivo de potencia

En la figura 17, se indica el esquema de conexiones utilizado para el

desarrollo de la selección del dispositivo de potencia. A continuación se

detallará el principio de funcionamiento de cada IGBT a seleccionar.

Para la descripción de la operación de un Inversor monofásico multinivel

de tres etapas conectadas en cascada la nomenclatura para los interruptores

de potencia (IGBT) será: SW1, SW2, SW5, SW6, SW9, SW10 para los

conmutadores y SW3, SW4, SW7, SW8, SW11, SW12 para sus

complementarios; mientras que para los diodos de circulación serán D1, D2,

D5, D6, D9, D10 y D3, D4, D7, D8, D11, D12.

31

Fig

ura

17

: In

ve

rso

r M

onofá

sic

o M

ultin

ive

l de T

res E

tapa

s C

one

cta

do e

n

Ca

scad

a. [9

]

+ -

+ -

+ -

32

Justificación:

La utilización del IGBT como dispositivo de potencia en el proyecto se

justifica en base a las características de robustez y velocidad de respuesta, la

corriente que se desea que circule por cada IGBT es de 2A, a continuación en

la tabla 4 detallaremos los requerimientos para la selección del dispositivo de

potencia.

Tabla 4: Requerimientos para el dispositivo de potencia.

REQUERIMIENTOS PARA EL DISPOSITIVO DE

POTENCIA

DISPOSITIVO REQUERIMIENTO

IGBT IGBT A UTILIZAR: 12

I máx.: 2 A

V: 168 Vmaxdc

FRECUENCIA DE

CONMUTACIÓN: 60 HZ

TIPO: DE POTENCIA

[9]

Los parámetros técnicos específicos del dispositivo se muestran a

continuación.

Imáx por IGBT = Imáx carga

Imáx carga = 2A

Vmáx por IGBT = ∑ 𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟

∑ 𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 168 Vdc

33

Basado en los parámetros de corriente y voltaje de diseño máximos se

procedió a validar las capacidades del IGBT seleccionado FGA40N65SMD,

cumpliendo como se muestra las condiciones necesarias para el

funcionamiento del inversor.

Vce (Según hoja de datos) = 650 V

Imáx C (Según hoja de datos) = 40 A

El IGBT seleccionado cumple con los valores antes mencionados, y

además al no existir en el mercado valores justos al necesitado se

sobredimensionó, llegando al dispositivo de potencia antes mencionado.

Para el disparo de cada IGBT se utilizó fuentes dc con un voltaje de 20Vdc

y una corriente de 2A, debido a que estos dispositivos se activan al inyectar

voltaje controlado en su gate el cual puede mantener un nivel con un valor

nominal entre 0 y 20Vdc.

Vge (Según hoja de datos) = 20 V

Iges (Según hoja de datos) = 400 nA

Tomando en cuenta los parámetros de cada uno de los dispositivos de

potencia y llevándolo a la necesidad, se indica en tabla 5 el dispositivo de

potencia seleccionado.

Tabla 5: Selección del Dispositivo de Potencia.

DISPOSITIVOS DE POTENCIA

DISPOSITIVO TIPO SERIE FUNCIÓN

Conmutador IGBT FGA40N65SMD Switch

[9]

A continuación en la figura 18 se muestra el IGBT seleccionado de forma

real.

34

Figura 18: IGBT FGA40N65SMD. [12]

(Ver Anexo 2)

2.3. Diseño de la etapa de control

Siendo la figura 17 el esquema electrónico de conexión para los

conmutadores de potencia IGBT´s, se tomó en cuenta dicha figura para el

diseño de la etapa de control del inversor monofásico multinivel de tres etapas

conectadas en cascada que se plantea para el desarrollo del presente

proyecto.

Antes de la selección del dispositivo de control se indicará las señales que

este entregará para el funcionamiento del inversor multinivel, puesto que un

parámetro de diseño del inversor multinivel es minimizar la distorsión

armónica, para aquello se calculará los ángulos de disparo, otro parámetro de

diseño de esta etapa de control son los pulsos que el microcontrolador debe

entregar al inversor multinivel para su funcionamiento.

A continuación se desarrollará la selección del ángulo de disparo para

minimizar la distorsión armónica, este es uno de los parámetros antes

mencionados.

35

2.3.1. Selección del ángulo de disparo para minimizar la distorsión

armónica.

El cálculo de la distorsión armónica también conocida como TDH, es un

cálculo utilizado para comparar una forma de onda con su componente

fundamental compuesta por E1 que hace referencia al valor cuadrático (RMS)

de la componente fundamental y Et que es el valor RMS de la forma de onda

total.

El estudio de la distorsión armónica se realiza con el objetivo de reducir el

contenido armónico de la señal de salida del Inversor a diseñar, procurando

que la forma de onda a comparar sea lo más sinusoidal posible, es decir que

entre más pequeño sea el TDH calculado mejor será la calidad de señal que

tengamos a la salida del Inversor. El contenido armónico de un sistema que

posee inversores tipo puente completo en cascada se reduce de manera

considerable solo por el hecho de incrementar las etapas, proceso que incluso

permite obtener mayor voltaje de salida.

Según lo mencionado en el párrafo anterior para el caso de un inversor

monofásico multinivel de tres etapas conectadas en cascada, para nuestro

proyecto, existen siete ángulos, como se indica en la figura 19, lo que hace

mención al tiempo en que el Inversor pasa de un nivel de tensión a otro; cada

ángulo se puede escoger para el disparo de los elementos de potencia del

circuito de forma que al hacerlo se puede variar los niveles de amplitud y

contenido armónico de la señal de salida de dicho Inversor. La distorsión

armónica de una señal de salida de un inversor monofásico multinivel de tres

etapas conectadas en cascada se calcula utilizando la ecuación de distorsión

armónica TDH que se indica en la tabla 6, mientras que la amplitud de la

fundamental se obtiene aplicando una serie de Fourier para una onda

cuadrada.

Para la normalización sobre la distorsión armónica total el CONELEC se

basa en recomendaciones de la norma IEEE 519.

36

Según CONELEC el TDH permitido es hasta 8%, en la tabla 6 se detalla

el proceso de obtención de la distorsión armónica y de la amplitud de la

fundamental tomando como base un Inversor de 8 niveles de voltaje, de forma

ordenada y sistemática.

La Figura 19 nos indica los voltajes a la salida de nuestro inversor

multinivel en cascada, generado los 8 niveles de voltaje con sus respectivos

ángulos de disparo, de esta manera obtenemos nuestro voltaje e(wt) entre 0 y

2π.

Figura 19: Forma de onda e(wt) con los diferentes niveles de voltaje a la salida

del inversor multinivel en cascada. [9]

Analizamos el voltaje de salida del inversor multinivel en la figura 19

mediante las Series de Fourier que nos indica que toda función periódica se

puede representar mediante la sumatoria infinita de senos y cosenos, así

tenemos nuestro voltaje e(wt) expresado en la siguiente ecuación.

[V]

T[rad]

e(wt)

37

𝑒(𝑤𝑡) = 𝐴0 + ∑(𝐴𝑛 cos 𝑛𝑤𝑡 + 𝐵𝑛 sin 𝑛𝑤𝑡)

∞

𝑛=1

(𝟐. 𝟏 )

𝐴0 =1

𝑇∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡

𝑇

0

(𝟐. 𝟐 )

𝐴𝑛 =2

𝑇∫ 𝑒(𝑡) 𝑐𝑜𝑠 𝑛𝑤𝑡 𝑑𝑡

𝑇

0

(𝟐. 𝟑 )

𝐁𝐧 =𝟐

𝐓∫ 𝐞(𝐭) 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐭

𝐓

𝟎

(𝟐. 𝟒 )

Donde:

n = un número entero (1, 2, 3, …)

w = frecuencia angular

Resolviendo la Serie de Fourier de las ecuaciones 2.2, 2.3 y 2.4 tenemos:

𝐴0 = 0; Porque el valor medio es igual a 0 (𝟐. 𝟓 )

𝐴𝑛 = 0; 𝑃𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑒(𝑤𝑡) 𝑒𝑠 𝑢𝑛𝑎 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑚𝑝𝑎𝑟 (𝟐. 𝟔 )

𝐁𝐧

=𝟐

𝟐𝛑∫ 𝒆(𝐰𝐭) 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭

𝟐𝛑

𝟎

(𝟐. 𝟕 )

𝐁𝐧 =𝟏

𝛑∗ 𝟒 [∫ 𝟎 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭

𝛂𝟏

𝟎

+ ∫𝐄

𝟕 𝐬𝐢𝐧 𝐧𝐰𝐭 𝐝𝐰𝐭

𝛂𝟐

𝛂𝟏

+ ∫𝟐𝐄


𝛂𝟑

𝛂𝟐

+ ∫𝟑𝐄


𝛂𝟒

𝛂𝟑

+ ∫𝟒𝐄


𝛂𝟓

𝛂𝟒

+ ∫𝟓𝐄


𝛂𝟔

𝛂𝟓

+ ∫𝟔𝐄


𝛂𝟕

𝛂𝟔

+ ∫𝟕𝐄


𝛑 𝟐⁄

𝛂𝟕

]

𝐵𝑛 =4𝐸

7𝑛. 𝜋[cos(𝑛. 𝛼1) + cos(𝑛. 𝛼2) + cos(𝑛. 𝛼3) + cos(𝑛. 𝛼4)

+ cos(𝑛. 𝛼5) + cos (𝑛. 𝛼6) + cos (𝑛. 𝛼7)] (𝟐. 𝟖)

38

Siendo las ecuaciones mostradas a continuación las correspondientes a

cada una de las armónicas con componentes de mayor magnitud (3o, 5o, 7o,

9o, 11o, 13o, 15o), que son las que se minimizaran con el proceso.

𝐵3 =4𝐸

7 ∗ 3𝜋[cos(3. 𝛼1) + cos(3. 𝛼2) + cos (3. 𝛼3) + cos(3. 𝛼4) + cos(3. 𝛼5)

+ cos (3. 𝛼6) + cos (3. 𝛼7)] (𝟐. 𝟗)

𝐵5 =4𝐸


+ cos (5. 𝛼6) + cos (5. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟎)

𝐵7 =4𝐸


+ cos (7. 𝛼6) + cos (7. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟏)

𝐵9 =4𝐸


+ cos (9. 𝛼6) + cos (9. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟐)

𝐵11 =4𝐸

7 ∗ 11𝜋[cos(11. 𝛼1) + cos(11. 𝛼2) + cos(11. 𝛼3) + cos(11. 𝛼4)

+ cos(11. 𝛼5) + cos(11. 𝛼6) + cos (11. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟑)

𝐵13 =4𝐸

7 ∗ 13𝜋[cos(13. 𝛼1) + cos(13. 𝛼2) + cos (13. 𝛼3) + cos(13. 𝛼4)

+ cos(13. 𝛼5) + cos (13. 𝛼6) + cos (13. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟒)

𝐵15 =4𝐸

7 ∗ 15𝜋[cos(15. 𝛼1) + cos(15. 𝛼2) + cos (15. 𝛼3) + cos(15. 𝛼4)

+ cos(15. 𝛼5) + cos (15. 𝛼6) + cos (15. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟓)

Para eliminar las componentes que provocan distorsión, se iguala las

ecuaciones trascendentales no lineales anteriores a cero.

0 = [cos(3. 𝛼1) + cos(3. 𝛼2) + cos (3. 𝛼3) + cos(3. 𝛼4) + cos(3. 𝛼5) + cos (3. 𝛼6)

+ cos (3. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟔)

39


+ cos (5. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟕)


+ cos (7. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟖)

0 = [𝑐𝑜𝑠(9. 𝛼1) + 𝑐𝑜𝑠(9. 𝛼2) + 𝑐𝑜𝑠 (9. 𝛼3) + 𝑐𝑜𝑠(9. 𝛼4) + 𝑐𝑜𝑠(9. 𝛼5) + 𝑐𝑜𝑠 (9. 𝛼6)

+ 𝑐𝑜𝑠 (9. 𝛼7)] (𝟐. 𝟏𝟗)

0 = [cos(11. 𝛼1) + cos(11. 𝛼2) + cos(11. 𝛼3) + cos(11. 𝛼4) + cos(11. 𝛼5)

+ cos(11. 𝛼6) + cos (11. 𝛼7)] (𝟐. 𝟐𝟎)

0 = [cos(13. 𝛼1) + cos(13. 𝛼2) + cos (13. 𝛼3) + cos(13. 𝛼4) + cos(13. 𝛼5)

+ cos (13. 𝛼6) + cos (13. 𝛼7)] (𝟐. 𝟐𝟏)

0 = [cos(15. 𝛼1) + cos(15. 𝛼2) + cos (15. 𝛼3) + cos(15. 𝛼4) + cos(15. 𝛼5)

+ cos (15. 𝛼6) + cos (15. 𝛼7)] (𝟐. 𝟐𝟐)

Para la resolución de este sistema de ecuaciones trascendentales no

lineales de 7 incógnitas utilizamos el software “MATLAB & Simulink Release

2011” utilizando la función ‘fsolve’ nos permite resolver ecuaciones

trascendentales no lineales, obteniendo los ángulos de disparo, como se

muestra en la tabla 6.

Tabla 6: Ángulos de disparo de las fuentes de voltaje.

𝜶𝟏 𝜶𝟐 𝜶𝟑 𝜶𝟒 𝜶𝟓 𝜶𝟔 𝜶𝟕

8.57° 10.08° 25.72° 31.56° 42.85° 49.92° 66.01°

0.397(ms) 0.466(ms) 1.190(ms) 1.461(ms) 1.983(ms) 2.310(ms) 3.054(ms)

0.1496 rd 0.1759 rd 0.4489 rd 0.5508 rd 0.7479 rd 0.8713 rd 1.1521 rd

[9]

La ubicación de los ángulos se indica en la figura 20.

40

Una vez calculados los ángulos de disparo se procede con el cálculo del

TDH, como se indica en la tabla 7.

Tabla 7: Proceso para el cálculo de la Distorsión Armónica (THD).

DISTORSIÓN ARMÓNICA

I

Cálculo del TDH

𝑇𝐷𝐻 = √∑ 𝐸𝑛

2𝑛≠1

𝐸12 = √

𝐸𝑡2 − 𝐸1

2

𝐸12 ∗ 100% (𝟐. 𝟐𝟑)

II

Cálculo del valor RMS de la Fundamental (Figura 19)

Una vez calculado el termino Bn en la ecuación 2.7 remplazamos n=1;

obteniendo así la amplitud de la fundamental.

𝑒1 =4𝐸

7 ∗ 1. 𝜋[cos(1. 𝛼1) + cos(1. 𝛼2) + cos(1. 𝛼3) + cos(1. 𝛼4) + cos(1. 𝛼5)

+ cos (1. 𝛼6) + cos (1. 𝛼7)] (𝟐. 𝟐𝟒)

Y su valor RMS es:

𝐸1 =𝑒1

√2 (𝟐. 𝟐𝟓)

𝐸1 =2(√2)𝐸

7𝜋[cos(𝛼1) + cos(𝛼2) + cos(𝛼3) + cos(𝛼4) + cos(𝛼5) + cos(𝛼6)

+ cos(𝛼7)] (𝟐. 𝟐𝟔)

𝐸12 =

8𝐸2

49𝜋2 [cos(𝛼1) + cos(𝛼2) + cos(𝛼3) + cos(𝛼4) + cos(𝛼5) + cos(𝛼6)

+ cos(𝛼7)]2 (𝟐. 𝟐𝟕)

III

Obtención del valor efectivo (RMS) de la forma de onda de la tensión de salida

del Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas conectadas en cascada y

moduladas por Pulso Único mostrada a continuación

𝐸𝑡 = √1

𝑇∫ 𝑒(𝑤𝑡)

2 𝑑(𝑤𝑡)𝑇

0

2

(𝟐. 𝟐𝟖)

CONTINÚA

41

Obtención del valor efectivo (RMS) de la forma de onda de la tensión de salida

del Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas conectadas en cascada y

moduladas por Pulso Único.

𝐸𝑡2 =

1

2𝜋∫ 𝑒(𝑤𝑡)

2 𝑑(𝑤𝑡)2𝜋

0

(𝟐. 𝟐𝟗)

𝐸𝑡2 =

4

2𝜋∫ 𝑒(𝑤𝑡)

2 𝑑(𝑤𝑡)

𝜋2

0

(𝟐. 𝟑𝟎)

𝐸𝑡2 =

2

𝜋[∫ (0)2. 𝑑(𝑤𝑡)

𝛼1

0

+ ∫ (𝐸

7)

2

. 𝑑(𝑤𝑡)𝛼2

𝛼1

+ ∫ (2. 𝐸

7)

2


𝛼2

+ ∫ (3. 𝐸

7)

2

. 𝑑(𝑤𝑡) + ∫ (4. 𝐸

7)

2


𝛼4

𝛼4

𝛼3

+ ∫ (5. 𝐸

7)

2

. 𝑑(𝑤𝑡) + ∫ (6. 𝐸

7)

2


𝛼6

+ ∫ (7. 𝐸

7)

2

. 𝑑(𝑤𝑡)𝜋/2

𝛼7

𝛼6

𝛼5

]

𝐸𝑡2 =

2 𝐸2

49. 𝜋[49. 𝜋

2− 1𝛼1 − 3𝛼2 − 5𝛼3 − 7𝛼4 − 9𝛼5 − 11𝛼6 − 13𝛼7] (𝟐. 𝟑𝟏)

Donde:

TDH: Distorsión armónica total

e1: primer armónico fundamental

E1: Hace referencia al valor cuadrático (RMS) de la componente fundamental

Et: Es el valor RMS de la forma de onda total

T: Período de la onda sinusoidal

t: tiempo

n: enésimo término

E: 168V

w: Frecuencia angular

α: Ángulo de disparo para cada IGBT

[9]

Para la obtención del THD remplazamos las ecuaciones 2.27 y 2.31 en la

ecuación 2.23 con los respectivos ángulos de disparo obtenidos anteriormente

en la tabla 7, teniendo el siguiente resultado:

𝑇𝐷𝐻 = 7,94%

42

Basados en los datos anteriores para el diseño del inversor multinivel, se

requiere que el microcontrolador opere como se indica en las tablas de la 7.1

a la 7.15, es por esto que se indicarán los pulsos y su manera de activación.

En la figura 20 se indica los pulsos de cada uno de los IGBT´s con su forma

de onda ideal.

Figura 20: Forma de Onda Ideal e(wt) con los Pulsos de cada IGBT. [9]

e(wt)

t(s)

43

A continuación en las siguientes tablas de la 7.1 a la 7.15, se indica los pulsos

que el microcontrolador tendrá que entregar al inversor multinivel.

Tabla 7.1: Señales de control para obtener los voltajes de operación del

inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en cascada, nivel

de Operación 0 V

[9]

INVERSOR MONOFÁSICO MULTINIVEL DE TRES ETAPAS EN CASCADA

NIVEL DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

0 V

SW1 B D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 ASC D3 C

SW4 AC D4 SC

SW5 B D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 ASC D7 C

SW8 AC D8 SC

SW9 B D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 ASC D11 C

SW12 AC D12 SC

Vab = 0 V

SW=IGBT, D=DIODO SC=SIN CONDUCCIÓN

B= EN BLOQUEO

AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN

ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN

C= EN CONDUCCIÓN

44

Tabla 7.2: Continuación de las señales de control para obtener los voltajes de

operación del inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en

cascada, nivel de operación 24 V.

[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

24 V

SW1 AC D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 B D3 SC

SW4 AC D4 SC

SW5 B D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 ASC D7 C

SW8 AC D8 SC

SW9 B D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 ASC D11 C

SW12 AC D12 SC

Vab = + 24 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

45




[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

48 V

SW1 B D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 ASC D3 C

SW4 AC D4 SC

SW5 AC D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 B D7 SC

SW8 AC D8 SC

SW9 B D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 ASC D11 C

SW12 AC D12 SC

Vab = + 48 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIONES

46



cascada, nivel de operación 72 V

[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

72 V

SW1 AC D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 B D3 SC

SW4 AC D4 SC

SW5 AC D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 B D7 SC

SW8 AC D8 SC

SW9 B D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 ASC D11 C

SW12 AC D12 SC

Vab = + 72 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

47



cascada, nivel de operación 96 V

[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

96 V

SW1 B D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 ASC D3 C

SW4 AC D4 SC

SW5 B D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 ASC D7 C

SW8 AC D8 SC

SW9 AC D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 B D11 SC

SW12 AC D12 SC

Vab = + 96 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

48




[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

120 V.

SW1 AC D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 B D3 SC

SW4 AC D4 SC

SW5 B D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 ASC D7 C

SW8 AC D8 SC

SW9 AC D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 B D11 SC

SW12 AC D12 SC

Vab = + 120 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

49




[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

144 V.

SW1 B D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 ASC D3 C

SW4 AC D4 SC

SW5 AC D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 B D7 SC

SW8 AC D8 SC

SW9 AC D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 B D11 SC

SW12 AC D12 SC

Vab = + 144 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

50




[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

168 V.

SW1 AC D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 B D3 SC

SW4 AC D4 SC

SW5 AC D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 B D7 SC

SW8 AC D8 SC

SW9 AC D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 B D11 SC

SW12 AC D12 SC

Vab = + 168 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

51

A continuación, los tiempos del ciclo negativo serán los siguientes:



cascada, nivel de operación -24 V.

[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

-24 V.

SW1 B D1 SC

SW2 AC D2 SC

SW3 AC D3 SC

SW4 B D4 SC

SW5 B D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 AC D7 SC

SW8 ASC D8 C

SW9 B D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 AC D11 SC

SW12 ASC D12 C

Vab = - 24 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

52



cascada, nivel de operación - 48 V.

[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

- 48 V.

SW1 B D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 AC D3 SC

SW4 ASC D4 C

SW5 B D5 SC

SW6 AC D6 SC

SW7 AC D7 SC

SW8 B D8 SC

SW9 B D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 AC D11 SC

SW12 ASC D12 C

Vab = - 48 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

53



cascada, nivel de operación -72V.

[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

-72 V.

SW1 B D1 SC

SW2 AC D2 SC

SW3 AC D3 SC

SW4 B D4 SC

SW5 B D5 SC

SW6 AC D6 SC

SW7 AC D7 SC

SW8 B D8 SC

SW9 B D9 SC

SW10 B D10 SC

SW11 AC D11 SC

SW12 ASC D12 C

Vab = -72 V.

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO


ASC = ACTIVO SIN CONDUCCION

C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

54




[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

-96 V

SW1 B D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 AC D3 SC

SW4 ASC D4 C

SW5 B D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 AC D7 SC

SW8 ASC D8 C

SW9 B D9 SC

SW10 AC D10 SC

SW11 AC D11 SC

SW12 B D12 SC

Vab = -96 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

55




[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

-120 V.

SW1 B D1 SC

SW2 AC D2 SC

SW3 AC D3 SC

SW4 B D4 SC

SW5 B D5 SC

SW6 B D6 SC

SW7 AC D7 SC

SW8 ASC D8 C

SW9 B D9 SC

SW10 AC D10 SC

SW11 AC D11 SC

SW12 B D12 SC

Vab = -120 V.

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

56




[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

-144 V

SW1 B D1 SC

SW2 B D2 SC

SW3 AC D3 SC

SW4 ASC D4 C

SW5 B D5 SC

SW6 AC D6 SC

SW7 AC D7 SC

SW8 B D8 SC

SW9 B D9 SC

SW10 AC D10 SC

SW11 AC D11 SC

SW12 B D12 SC

Vab = -144 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

57




[9]

NIVEL

DESCRIPCIÓN

OPERACIÓN

-168 V

SW1 B D1 SC

SW2 AC D2 SC

SW3 AC D3 SC

SW4 B D4 SC

SW5 B D5 SC

SW6 AC D6 SC

SW7 AC D7 SC

SW8 B D8 SC

SW9 B D9 SC

SW10 AC D10 SC

SW11 AC D11 SC

SW12 B D12 SC

Vab = -168 V

SW=IGBT, D=DIODO

B= EN BLOQUEO



C=EN CONDUCCIÓN

SC=SIN CONDUCCIÓN

58

La forma de onda de voltaje de salida del inversor monofásico multinivel

de tres etapas conectadas en cascada mediante las señales de control se

muestra en la siguiente figura.

Figura 21: Onda generada por el principio básico de operación de cada

IGBT. [9]

Luego de realizar los parámetros de diseño para la selección del

dispositivo de control de esta etapa, se procede a la selección del

microcontrolador.

A continuación se detallará la selección, los requerimientos y justificación

del microcontrolador.

t(s)

e(wt)

s

)

59

2.3.2. Selección del Microcontrolador.

A continuación se citará los requerimientos y la justificación del

microcontrolador seleccionado.

En la tabla 8 se indica los requerimientos para el microcontrolador.

Tabla 8: Requerimientos para el microcontrolador.

REQUERIMIENTOS PARA EL MICROCONTROLADOR

DISPOSITIVO REQUERIMIENTO

CONTROLADOR PUERTOS DIGITALES DE SALIDA:

1 SALIDA POR CADA IGBT

1 SALIDA PARA UN LED

TEMPORIZADOR

FRECUENCIA

SEÑAL DE RELOJ

ESPACIO DE MEMORIA

Puertos digitales con interrupción:

1 Salida para switch on/off,

1 Salida para pulsador arranque

[9]

Se requiere 15 bits de salida, entonces para la selección del

microcontrolador se tomó en cuenta los requerimientos, es por esto que

podemos justificar el microcontrolador ATMEGA164P seleccionado, en lugar

de los micro controladores comparados en la teoría del capítulo uno y también

en comparación de otro tipo de dispositivos de control como FPGA’s (es un

dispositivo semiconductor que posee bloques lógicos interconectados para

que puedan ser programados), PLC’s, microprocesadores, debido a

parámetros estudiados previamente como costo, memoria, velocidad de

http://www.alegsa.com.ar/Dic/semiconductor.php

http://www.alegsa.com.ar/Dic/programar.php

60

procesamiento, robustez, capacidad de cobertura de requerimientos entre

otros.

Este dispositivo con respecto a los demás es eficiente para los

requerimientos del proyecto debido a que su capacidad de almacenamiento y

velocidad de respuesta permiten realizar un control eficiente y eficaz sobre la

etapa de control del inversor y constituye un elemento de costo adecuado y

para nada sobredimensionado al proyecto con respecto por ejemplo a un PLC

que en costos supera al microcontrolador escogido en relación 100/1 y evita

el desperdicio de recursos internos.

Entre los principales beneficios del uso de un microcontrolador para el

control de un inversor tenemos los siguientes puntos:

- Velocidad adecuada de procesamiento.

- Robustez aceptable.

- Capacidades de almacenamiento perfectamente adecuadas para el

almacenamiento del programa necesario para los disparos de los IGBT’S.

- Simplicidad de uso.

- Adaptabilidad a periféricos externos sin la necesidad del uso de módulos

adicionales.

- Bajo costo.

- Durabilidad.

En el Anexo 3 se describe las características del microcontrolador

seleccionado

En la tabla 9 se señala las características de diseño del microcontrolador

seleccionado.

61

Tabla 9: Características del microcontrolador.

[9]

En la figura 22, se muestra el microcontrolador Atmel 164P utilizado en la

etapa de diseño.

Figura 22: Microcontrolador Atmel 164P. [13]

A continuación en la figura 23 y mediante un diagrama de flujo se indica

los pasos realizados para la lectura y asignación de disparos de cada uno de

los IGBT´s, programados en el microcontrolador para la etapa de control.

CARACTERÍSTICAS DEL MICROCONTROLADOR


Voltaje 5 VDC

Número E/S 32

Puerto de E/S 4x8 bits

Memoria RAM 1024 bytes

Oscilador interno RC 8 MHz

Flash programable 16 bytes

62

La programación para la activación de los IGBT se realiza con el diagrama

de flujo de la figura 23 y con la tabla 10 los tiempos de activación para cada

IGBT, cuya programación está en el Anexo 1.

Figura 23: Diagrama de Flujo Etapa de Control.

63

Tabla 10: Tiempos de activación de cada IGBT. (Ver figura 21) TIEMPO

(us)

IGBT

1

IGBT

2

IGBT

3

IGBT

4

IGBT

5

IGBT

6

IGBT

7

IGBT

8

IGBT

9

IGBT

10

IGBT

11

IGBT

12

t1= 400 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

t2= 70 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1

t3= 720 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1

t4= 270 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1

t5= 520 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1

t6= 330 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1

t7= 740 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1

t8=2230 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1

t9= 740 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1

t10= 330 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1

t11= 520 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1

t12= 270 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1

t13= 720 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1

t14= 70 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1

t15= 400 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

t16= 400 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

t17= 70 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1

t18= 720 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1

t19= 270 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1

t20= 520 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0

t21= 330 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0

t22= 740 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0

t23=2240 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0

t24= 740 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0

t25= 330 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0

t26= 520 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0

t27= 270 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1

t28= 720 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1

t29= 70 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1

t30= 400 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

[9]

64

2.4. Implementación de la Etapa de Potencia

Siendo la figura 24 el esquema eléctrico de conexión para los

conmutadores de potencia, IGBT´s, para la construcción e implementación de

la etapa de potencia del inversor monofásico multinivel de tres etapas

conectadas en cascada que se plantea para el desarrollo del presente

proyecto, existen varios parámetros y características de los diferentes

elementos los cuales se tuvo que considerar.

Es por eso que para la elaboración de las placas donde se ubicaría cada

una de las etapas del inversor se realizará un solo modelo puesto que las

otras dos restantes placas tienen el mismo circuito y funcionalidad cambiando

nada más sus conexiones entre sí, por lo que utilizando las borneras de acople

tipo tornillo se unirán las fuentes de alimentación con las GATES de cada uno

los IGBT´s ayudando así a recibir mejor la señal del dispositivo de la placa de

control.

Figura 24: Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas Conectado en Cascada.

[9]

El opto acoplador es de gran importancia porque aísla eléctricamente la

etapa de control con la etapa de potencia, esto ayudará así, a evitar la

saturación de los IGBT´s y los cortocircuitos.

+

-

+

-

+

-

65

La placa de Cobre (Cu) ruteada será utilizada en cada una de las etapas

del inversor multinivel.

En la figura 25 está la fotografía final de la placa de la etapa de potencia

terminada.

Figura 25: Tarjeta de Potencia. [9]

2.5. Implementación de la Etapa de Control

Este capítulo describe la implementación del inversor multinivel en

cascada. Para ello se muestra el diagrama que permite describir su estructura

y funcionamiento.

Para construir el prototipo de inversor multinivel se debe tener en cuenta

tanto los aspectos teóricos como las características de los elementos

seleccionados.

66

En la figura 26 se muestra el diagrama eléctrico de conexiones de la etapa

de control del inversor multinivel monofásico, en donde: J1 representa al

interruptor de encendido o apagado del microcontrolador; J2 representa la

alimentación al microcontrolador

Figura 26: Diagrama Eléctrico de la Etapa de Control. [9]

67

Aquí se puede observar la utilización del microcontrolador seleccionado

ATMEL ATMEGA164P, el cual se programó para dar las señales de activación

de cada uno de los IGBT´s (La programación se muestra en el Anexo1),

ubicados en la etapa de potencia.

En la etapa de control se colocó un interruptor con el objetivo de encender

o apagar dicha etapa logrando también una protección cuanto se energice al

módulo.

Por su parte la figura 27 muestra la fotografía de la placa con los

elementos ya ubicados, obteniendo así la tarjeta de la etapa de control del

inversor multinivel monofásico.

Figura 27: Tarjeta de Control. [9]

68

La ubicación de los componentes en el circuito impreso de la etapa de

potencia como de la etapa de control se indica en el Anexo 5.

2.6. Ensamblado del sistema de la Etapa de Control con la Etapa de

Potencia.

Para la integración de la etapa de control con la etapa de potencia se

realizó con el conductor AWG número 20, esto permite estar comunicados

y así enviar los pulsos de la placa de control a cada uno de los IGBT´s

implementados en las placas de potencia.

En la figura 28 está como resultado el módulo final del prototipo

didáctico de inversor multinivel monofásico en cascada.

Figura 28: Módulo final del Inversor Multinivel Didáctico Monofásico en

Cascada. [9]

69

CAPÍTULO 3

3. ANÁLISIS Y PRUEBAS DE RESULTADOS

3.1. Introducción

El presente capítulo analiza los resultados obtenidos durante el proceso

de desarrollo del proyecto de titulación enfocando dicho análisis a pruebas

sobre los dispositivos implementados.

3.2. Pruebas del Inversor

Las pruebas fueron realizadas tomando en cuenta los valores ideales del

inversor multinivel. En la tabla 11 se muestra los valores ideales del inversor.

Tabla 11: Valores ideales del inversor.

VALORES IDEALES DEL INVERSOR


Voltaje Carga 110 VRMS

Corriente Carga 2 A

Frecuencia 60Hz

Carga Monofásica

[9]

3.2.1. Forma de Onda Ideal y Real del Inversor

Tomando en cuenta el diseño ya realizado y llevándolo a simulación en la

figura 29, se generó el tipo de onda, esta onda es la ideal generada para

nuestro proyecto.

70

Figura 29: Forma de onda Ideal Generada. [9]

La forma de onda generada ya construido el prototipo se indica en la figura

30, cumpliendo así con los niveles, tiempos y corrientes antes mencionadas

para su diseño.

Figura 30: Forma de onda Real Generada. [10]

71

3.2.2. Forma de onda de salida de voltajes de fase del inversor

A continuación en la figura 31 se indica el esquema eléctrico de

conexiones de cada puente H, esto ayudará a la realización de los pulsos de

cada IGBT.

Figura 31: Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas Conectado en Cascada.

[9]

Las formas de onda de forma ideal se indican en la figura 32 siendo estas

correspondientes a cada IGBT con el voltaje de sus fuentes.

+ -

+ -

+ -

72

Figura 32: Forma de Onda Ideal a la salida del inversor. [9]

e(wt)

t(s)

73

3.2.3. Pulsos de los IGBT obtenidos por el módulo de adquisición de

datos (LV DAM EMS)

A continuación en las siguientes figuras de la 33a, a la 33l, se indica los

pulsos generados (color morado) en forma práctica por cada IGBT a través

del módulo de adquisición de datos (LV DAM EMS), en comparación con su

onda fundamental (color rojo).

Figura 33a: Pulso del IGBT 1. [10]

Figura 33b: Pulso del IGBT 2. [10]

74

Figura 33c: Pulso del IGBT 3. [10]

Figura 33d: Pulso del IGBT 4. [10]

75

Figura 33e: Pulso del IGBT 5. [10]

Figura 33f: Pulso del IGBT 6. [10]

76

Figura 33g: Pulso del IGBT 7. [10]

Figura 33h: Pulso del IGBT 8. [10]

77

Figura 33i: Pulso del IGBT 9. [10]

Figura 33j: Pulso del IGBT 10. [10]

78

Figura 33k: Pulso del IGBT 11. [10]

Figura 33l: Pulso del IGBT 12. [10]

79

Como se puede observar los pulsos generados en la práctica

corresponden a los pulsos generados en la simulación, con un margen de

error inferior a la unidad esto se debe a la captura de las imagines en tiempo

real.

3.2.4. Resultado del TDH Adquirido por el Módulo de Adquisición de

Datos (LV DAM EMS)

En la figura 34 se observa que el valor TDH obtenido en forma práctica del

módulo de adquisición de datos (LV DAM ES), es menor al calculado,

cumpliendo así de manera correcta el diseño para el TDH.

Figura 34: Valor obtenido en la práctica del TDH. [10]

80

El valor obtenido en esta práctica es de 7.8%, esto significa que el valor

corresponde al calculado en el capítulo anterior, cumpliendo así con uno de

los objetivos del proyecto.

3.2.5. Resultado de los ángulos de disparo de cada nivel adquirido por el

módulo de adquisición de datos (LV DAM EMS)

En la tabla 12 se indica los valores obtenidos en el diseño y en la práctica

en milisegundos (ms), para su respectiva comparación de resultados.

Tabla 12: Valores calculados y obtenidos en la práctica.

[9]

Los valores obtenidos en esta práctica están dentro del margen del error,

lo que quiere decir que lo diseñado a lo obtenido satisface a uno de los

objetivos del presente proyecto.

A continuación en las siguientes figuras visualizaremos los tiempos (ms)

de disparo de cada nivel comparando con la parte de diseño correspondiente

a los ángulos.

VALOR

CALCULADO

VALOR

OBTENIDO

ERROR (%)

0.397 0.40 0.75

0.466 0.47 0.85

1.190 1.20 0.83

1.461 1.47 0.61

1.983 2.00 0.85

2.310 2.33 0.85

3.054 3.07 0.50

81

ÁNGULOS DE DISPARO

Figura 35a. Ángulo de Disparo 1 (α1). [10]

Figura 35b. Ángulo de Disparo 2 (α2). [10]

Ángulo de disparo 1 (α1) [ms]


82

Figura 35c. Ángulo de Disparo 3 (α3). [10]

Figura 35d. Ángulo de Disparo 4 (α4). [10]



83

Figura 35e. Ángulo de Disparo 5 (α5). [10]

Figura 35f. Ángulo de Disparo 6 (α6). [10]



84

Figura 35g. Ángulo de Disparo 7 (α7). [10]

3.2.6. Resultados Obtenidos en las Pruebas de Laboratorio con Carga

resistiva en el generador.

En la tabla 13 se muestran los valores obtenidos en las pruebas de

laboratorio, esto se realizó con la ayuda de un motor, los valores

representados son a la salida del generador conectado a este un módulo de

cargas resistivas (figura 36).

Figura 36: Modelo de conexión para la prueba de laboratorio. [9]


85

En la figura 37 se indica el módulo carga resistiva de manera real.

Figura 37: Módulo real de cargas resistivas. [Módulo resistencias

laboratorio UFA-ESPE]

A continuación se presenta los valores obtenidos en las pruebas

de laboratorio.

Tabla 13: Tabla Comparativa de Resultados.

[9]

CARGA

RESISTIVA

EN EL

GENERADOR

(A)

SALIDA AL MOTOR

VOLTAJE

(V)

CORRIENTE

(A)

0 110 2

0,1 110 2

0,2 110 2

0,3 110 2

0,4 110 2

0,5 110 2

0,6 110 2,1

0,7 110 2,1

0,8 110 2,1

0,9 110 2,1

86

En esta práctica se obtuvo los valores esperados en la parte de diseño, con

un voltaje de 110V y una corriente menor a 2,1A.

Cabe recalcar que para la suma de la carga resistiva se debe subir cada

uno de los interruptores del módulo de carga resistiva según corresponda por

obtener los valores establecidos en dicha práctica.

3.3. Alcance y Limitaciones

3.3.1. Alcance

El Inversor obtenido durante el desarrollo del proyecto de tesis es del tipo

multinivel en cascada, haciendo uso de tecnología digital, analógica y de

herramientas de software y hardware, las cuales permitirán cumplir con las

tareas de inversión y visualización planteadas.

Cabe mencionar que por las características de diseño, el sistema queda

abierto a cambios o mejoras modificando el código de programación de los

controladores y el hardware de potencia del mismo y haciendo uso de los

puertos libres en el hardware correspondiente.

El sistema está diseñado para trabajar dentro del perímetro

correspondiente a un laboratorio de prácticas estudiantiles de la ESPE-L.

Para trabajar fuera del perímetro mencionado es necesario un estudio

previo y modificaciones estructurales del sistema.

3.3.2. Limitaciones

El presente proyecto presenta como limitaciones los siguientes

puntos:

- Capacidad de aplicación limitada a las características de diseño como es:

Voltaje de 110V, corriente de 2.1A.

87

- Maniobrabilidad en entornos fuera del laboratorio establecido para su uso

sin previo estudio y adaptación del mecanismo del sistema.

- Toma de muestras del entorno fuera del rango de operación de los

dispositivos encargados del proceso.

- Las modificaciones y adecuaciones de hardware y software se encuentran

limitadas para los usuarios convencionales y hábiles solo para las

personas consideradas como administradoras del sistema.

- El sistema no realizará análisis exhaustivos de las señales producidas, ya

está diseñado como prototipo didáctico para la demostración de un

inversor multinivel en cascada.

3.4. Costo Económico del Inversor Multinivel Monofásico

A continuación se detallan los costos, gastos e inversión, que se utilizaron

en la elaboración del proyecto. Durante la realización del proyecto se necesita

financiar el capital de trabajo para operar en el tiempo crítico.

Los puntos financiados son:

- Herramientas para montar un sistema

- Equipo de oficina para el levantamiento de información y desarrollo

- Servicios básicos

El proyecto se lo financió al 100% por las personas que desarrollaron el

proyecto.

En la tabla 14 se detalla los rubros financiados.

88

Tabla 14: Rubros financiados.

[9]

CANT. DESCRIPCIÓN VALOR UNIT. TOTAL

12 IGBT 20 240

1 Microcontrolador Atmel 164P 10 10

12 Opto acoplador 4N25 2 24

1 Caja Metálica 40 40

10m Cable conductor AWM número 18 4 40

12m Cable macho-hembra arduino 0.50 6

24 Resistencias 0.02 0,48

6 Fusibles de protección 2A 0.25 1,50

10m Estaño 4 4

12 Disipador 5 60

14 Fuente de alimentación lineal 5 70

7 Fuente de alimentación ATX – 6A 100 700

1 Interruptor On/Of 5 5

1 Pulsador 3 3

2 Tomacorrientes 4 8

6 Conector de 2 pines para 0.25 1,50

1 Conector de 12 pines para los IGBT´s 0.50 0,50

12 Borneras 0.40 4,80

6 Porta fusibles 1 6

12 Terminales tipo ojo 0.20 2,40

4 Condensador 0.10 0.40

3 Cortapicos 110V - 30A 6 18

4 Baquelita A4 8 32

1 Osciloscopio portátil 5M 200 200

1 Punta de prueba para osciloscopio1/10 20 20

12 Plug hembra 0.50 6

1 Mica de plástico 6mm 40 40

TOTAL 1519.18

89

Sumando los rubros a financiar y los gastos varios se obtiene:

Inversión total: G. Rubros a financiar + G. varios.

Inversión total = 1543,58 + 400

Inversión total = $ 1943,58

90

CAPÍTULO 4

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1. Conclusiones

- Se diseñó y construyó un inversor multinivel monofásico de tres etapas,

obteniendo un equipo de potencia de estructura compacta y robusta.

- Una vez construido el equipo, éste fue sometido a pruebas prácticas con

resultados exitosos los mismos que corresponde al voltaje de salida de

110V con una corriente de 2,1 A y una frecuencia de 60Hz.

- La utilización de los opto acopladores, es importante porque nos permite

separar y aislar las tierras entre el circuito de control y el circuito de

potencia con el objetivo de proteger la parte de control en caso de

presentarse problemas con la respuesta del sistema en la parte de

potencia del Inversor.

- El inversor multinivel construido a partir de puentes “H” los cuales deben

conectarse en cascada para obtener la máxima cantidad de niveles

posibles. De esta forma con muy pocas etapas se pueden tener un gran

número de niveles; en este caso con 3 etapas se obtuvieron 8 niveles.

- Se lograron todos los objetivos planteados para el desarrollo de este

equipo, en cuanto a tamaño, potencia y operación. Por otro lado, los

resultados experimentales obtenidos muestran un excelente

comportamiento.

- Los Igbts de la misma rama no pueden trabajar al mismo tiempo porque

se puede generar un corto circuito.

- En el sistema cascada debe existir circulación de corriente en los IGBT´s

en todo momento, para así generar el voltaje deseado a la salida del

inversor.

- Con el diseño y construcción del inversor multinivel se logró reducir el

contenido armónico, porque es importante que mientras menor sea el

91

contenido armónico mejor será la calidad de la señal a la salida del

inversor.

4.2. Recomendaciones

- El estudio sobre este tipo de inversores debe seguir realizándose debido

a que la utilización en el control de motores de inducción es útil ya que

provoca una disminución del impacto (armónicos) que otros tipos de

control.

- Antes de la utilización del inversor multinivel, se debe revisar las

conexiones respectivas para evitar cortocircuitos o sobrecargas.

- En caso de suscitarse la destrucción de algún fusible, revisar de forma

inmediata cada uno de los IGBT´s, para así poder corregirlo o en caso

contrario sustituirlo.

- Tener precaución al momento de trasladar el módulo para evitar

desconexiones internas o daños en los dispositivos electrónicos.

92

BIBLIOGRAFÍA

[1] Rashid, M. H. Electrónica de potencia, Tercera ed., Pearson Educacion,

S.A. 2004.

[2] Hart, D. W. Introducción a la Electrónica de Potencia, Primera ed.,

Madrid, Pearson Educacion, S.A., 2001.

[3] Mohan. N. Electrónica de potencia, Tercera ed., Monterrey, Mc Graw Hill.

2009.

[4] Angulo Usategu J. M. i, Microcontroladores PIC. Diseño práctico de

aplicaciones, 3ra ed., Madrid: McGraw-Hill, 2003.

[5] A. Bretón, Diseño y Construcción de un Inersor Trifasico Multinivel, Chile,

2003.

[6] M. O. Gonzáles, Estudio de un inversor monofásico basado en

inversores puente completo conectados en cascada para la realización

de un compensador sincrónico estático (Statcom). Valparaíso 2006.

[7] Ross J. N., The Power of Electronics, 1997.

Benavent, Electrónica de Potencia, Teoría y Aplicaciones, México:

Alfaomega, 2001.

[8] L. A. T. Grisales, Diseño e implementación de un inversor trifasico

multinivel con fijacion de diodos, Pereira, 2010.

[9] A. Ricaurte & D. Sarzosa. “Diseño y Construcción de un Prototipo Didáctico de Inversor Multinivel en Cascada, Monofásico de tres etapas para el laboratorio de control eléctrico Espe – Latacunga”, 2014

[10] Módulo y gestión de adquisición de datos para los sistemas

electromecánicos (LV DAM EMS) modelo 9062 de Lab-Volt.

LINKGRAFÍA

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http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Fga40n65smd.

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93

[12] Electronic components datasheet search. ATMEGA164P Datasheets,

http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=ATMEGA164P.

[Citado el 15/05/2013]

[13] Lopez C. Electricidad. http://lopez-211.blogspot.com. [Citado el

15/05/2013]

[14] Clasificación de los transistores.

http://perseverantesutpl.wordpress.com/2013/01/24/clasificacion-de-los-

transistores/. [Citado el 24/ 01/2013]

[15] Gaitan D. Electrónica de potencia. http://elecdepotencia-

dispositivos.blogspot.com/2011_12_01_archive.html. [Citado el

18/09/2013]

[16] H.S. Electrónica de potencia.

http://temporizadoressebastian.blogspot.com/. [Citado el 20/10/2013]

[17] Calderon. Introducción a los microcontroladores.

http://es.scribd.com/doc/208564217/Aa-Intropic. [Citado el 20/10/2013]

94

Anexos

Anexo 1

CÓDIGO DEL MICROCONTROLADOR

CÓDIGO DEL MICROCONTROLADOR ‘ATMEGA164P ‘microcontrolador a utilizar’

$regfile = "m164pdef.dat"

$crystal = 8000000 ‘velocidad del oscilador interno (MHz)’

Dim Onoff As Byte ‘variable para encendido apagado’

Config Int0 = Falling ‘configuración de la interrupción

externa pulsador on/off’

On Int0 Encender ‘rutina donde se ejecuta la interrupción’

Enable Int0 habilito interrupción’

‘declaración de pines de salida y entrada’

‘DDR registro de entrada salida; 0 entrada y 1 salida’

‘PORT registro de salda’

‘PIN registro de entrada’

Ddrd.2 = 0

Portd.2 =1

Ddrb.0 = 1

Portb.0 =0

Ddrc.0 = 1

Ddrc.1 = 1

Ddrc.2 = 1

Ddrc.3 = 1

Ddrc.4 = 1

Ddrc.5 = 1

Ddra.0 = 1

Ddra.1 = 1

Ddra.2 = 1

Ddra.3 = 1

Ddra.4 = 1

Ddra.5 = 1

Wait 1 ‘tiempo de espera de 1 segundo’

Enable Interrupts ‘Habilito todas las interrupciones’

Do ‘inicio de lazo infinito’

Onoff = 0 “empiezo apagado el equipo’

Do

Reset Portb.0 ‘Si no he presionado apago el led indicador’

1/5 A1

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS

ARMADAS-ESPE

‘si presiono el pulsador enciendo el equipo y se prende led indicador’

Loop Until Onoff = 1

Set Portb.0 ‘Prendo el led indicador’

Espero 500 milisegundos para eliminar rebotes de pulsador mecánico

Waitms 500

Habilito la interrupción externa

Enable Int0

Onoff = 0

Do

‘envío los datos de ángulos a los pórticos de salida de los IGBT´s’

Portc = &B00110011 : Porta = &B00001100

“Valor de t1”

Waitus 400

Portc = &B00110011 : Porta = &B00001001

“Valor de t2”

Waitus 70

Portc = &B00110010 : Porta = &B00011100

“Valor de t3”

Waitus 720

Portc = &B00110010 : Porta = &B00011001

“Valor de t4”

Waitus 270

Portc = &B00100111 : Porta = &B00001100

“Valor de t5”

Waitus 520

Portc = &B00100111 : Porta = &B00001001

“Valor de t6” Waitus 330

Portc = &B00100110 : Porta = &B00011100 “Valor de t7” Waitus 740

1/5 A1


ARMADAS-ESPE

Portc = &B00100110 : Porta = &B00011001 “Valor de t8” Waitus 2540 Portc = &B00100110 : Porta = &B00011100 “Valor de t9” Waitus 740 Portc = &B00100111 : Porta = &B00001001 “Valor de t10” Waitus 330 Portc = &B00111001 : Porta = &B00001100 “Valor de t11” Waitus 520 Portc = &B00110010 : Porta = &B00011001 “Valor de t12” Waitus 270 Portc = &B00110010 : Porta = &B00011100 “Valor de t13” Waitus 720 Portc = &B00110011 : Porta = &B00001001 “Valor de t14”

Waitus 70

Portc = &B00110011 : Porta = &B00001100

“Valor de t15”

Waitus 400

Portc = &B00110011 : Porta = &B00001100

“Valor de t16”

Waitus 400

1/5 A1


ARMADAS-ESPE

Portc = &B00110011 : Porta = &B00000110

“Valor de t17”

Waitus 70

Portc = &B00110001 : Porta = &B00101100

“Valor de t18”

Waitus 720

Portc = &B00110001 : Porta = &B00100110

“Valor de t19”

Waitus 270

Portc = &B00011011 : Porta = &B00001100

“Valor de t20”

Waitus 520

Portc = &B00110011 : Porta = &B00000110

“Valor de t21”

Waitus 330

Portc = &B00011001 : Porta = &B00101100 “Valor de t22” Waitus 740 Portc = &B00011001 : Porta = &B00100110 “Valor de t23” Waitus 2240 Portc = &B00011001 : Porta = &B00101100

“Valor de t24” Waitus 740 Portc = &B00110011 : Porta = &B00000110 “Valor de t25” Waitus 330

1/5 A1


ARMADAS-ESPE

Portc = &B00011011 : Porta = &B00001100 “Valor de t26” Waitus 520 Portc = &B00110001 : Porta = &B00100110 “Valor de t27” Waitus 270 Portc = &B00110001 : Porta = &B00101100 “Valor de t28” Waitus 720 Portc = &B00110011 : Porta = &B00000110 “Valor de t29” Waitus 70 Portc = &B00110011 : Porta = &B00001100 “Valor de t30” Waitus 400

Loop Until Onoff = 1 ‘si presiono el pulsador apago el motor’

Waitms 500 ‘eliminador de rebotes’

Enable Int0

Loop

End 'fin del programa’

‘rutina de interrupción’

Encender:

‘deshabilito la interrupción onoff = 1 para apagar motor’

Disable Int0

Onoff = 1

Return

1/5 A1


ARMADAS-ESPE

Anexo 2

HOJA DE DATOS DEL IGBT FGA 40N65SMD

2/5 A2


ARMADAS-ESPE

Anexo 3

MICROCONTROLADOR ATMEL 164P

MICROCONTROLADOR ATMEL 164P

3/5 A3


ARMADAS-ESPE

Anexo 4

DIAGRAMA DE CONEXIONES DE LAS FUENTES A CADA PUENTE H

DIAGRAMA DE CONEXIONES DE LAS FUENTES A CADA PUENTE H

4/5 A4


ARMADAS-ESPE

Anexo 5

UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES EN EL CIRCUITO IMPRESO DE

LA ETAPA DE CONTROL Y POTENCIA

UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES EN EL CIRCUITO IMPRESO

ETAPA DE POTENCIA.

UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES EN EL CIRCUITO IMPRESO

ETAPA DE CONTROL

5/5 A5


ARMADAS-ESPE

ANEXO 6

PRÁCTICA


INVERSOR MONOFÁSICO MULTINIVEL DE

TRES ETAPAS CONECTADAS EN CASCADA

PRÁCTICA

CIRCUITO DE CONTROL DEL INVERSOR

MULTINIVEL.

ÍNDICE

Contenido

1. Tema

2. Objetivos

2.1 Objetivo general

2.2 Objetivo específico

3. Marco teórico

3.1 Introducción

3.2 Inversores multinivel

4. Procedimiento

5. Análisis de resultado

6. Cuestionario

7. Conclusiones

8. Recomendaciones

1. Tema: Circuito de control del inversor multinivel

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo General

- Analizar el principio de funcionamiento del circuito de control del

inversor multinivel

2.2. Objetivos específicos

- Observar la señal de control en la gate de cada uno de los IGBT's del

circuito del módulo inversor monofásico.

- Comprobar que las formas de onda de disparo de la gate de cada IGBT

permita formar la onda total a la salida del inversor.

- Observar el valor de TDH del módulo del inversor

- Analizar las formas de onda real de los disparos en la gate de cada

IGBT y comparar con la forma de onda ideal del inversor.

3. MARCO TEÓRICO

3.1. Introducción

La función principal de un Inversor es cambiar un voltaje de entrada de

corriente continua a un voltaje de salida de corriente alterna con la magnitud

y la frecuencia deseada por el usuario, por lo que este tipo de equipos tiene

aplicación desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras,

pasando por aplicaciones automotrices hasta grandes aplicaciones

industriales de potencia. Para obtener la forma de onda de voltaje o corriente

con un mínimo de armónicos se requiere una conmutación en alta frecuencia,

junto con diversas modulaciones por ancho de pulso (PWM). En el campo de

la electrónica de potencia los inversores multinivel han atraído mucho interés

por que presentan un conjunto nuevo de propiedades adecuadas que sirve

para usarse en compensación de potencia reactiva.

Los inversores multinivel utilizan técnicas muy variadas para la conversión

de energía, desde topologías básicas como el inversor de medio puente y

puente completo, hasta convertidores con conexión en cascada de puentes

“H”. El uso de estos convertidores aplicado a diferentes áreas en la

industria ha sido de vital importancia, tal es el caso de fuentes de potencia

(UPS'S, calentadores por inducción, soldadores-cortadoras, fuentes de

voltaje conmutadas, etc.), y drivers para motores (activación de robots,

aire acondicionado, elevadores, servos de AC, etc.).

3.2. Inversores Multinivel

Los inversores multinivel, incluyen un arreglo de semiconductores y

fuentes de voltaje, para formar un voltaje de salida escalonado. Las

conmutaciones de los semiconductores permiten la suma o resta de las

distintas fuentes de voltaje de salida continua, generando una onda de voltaje

de amplitud variable. Así también, los semiconductores trabajan con voltajes

más reducidos. La Figura H1, muestra el esquema de un polo en un inversor

multinivel, donde Va indica el voltaje de salida de fase, que puede asumir

valores de voltaje como 0, ±Vcc, dependiendo de la selección de voltaje (cd)

de nodo, Vc..

Figura H.1. Inversor de 3 niveles. [9]

Algunas características de los Inversores Multinivel son:

a) Pueden generar voltajes de salida con muy poca

distorsión armónica.

b) Requieren mínima cantidad de componentes para la

generación de los niveles.

c) Pueden operar con baja frecuencia de conmutación.

Inversor Multinivel en Cascada

En el inversor multinivel en cascada se puede casi duplicar el número de

niveles sin hacer crecer el número de fuentes de voltaje.

Este consiste en una serie de unidades inversoras de medio puente

(monofásicas, puente completo). La función general de este inversor multinivel

es sintetizar un determinado voltaje a partir de varias fuentes separadas de cd

(SDCS, de several separate dc sources), que pueden ser baterías, celdas de

combustible o celdas solares. La Figura H.2(a) muestra la estructura básica

de un inversor monofásico en cascada con SDCS. Cada SDCS está

conectado a un inversor de medio puente. Los voltajes ca de terminal de los

inversores en distintos niveles se conectan en serie.

Principio de operación

La Figura H. 2(b) muestra la forma de onda de voltaje de fase de un

inversor en cascada de cinco niveles con cuatro SDCS. El voltaje de fase de

salida se sintetiza con la suma de cuatro salidas de inversor, Van = Va1 + Va2

+ Va3 + Va4. Cada nivel de inversor puede generar tres salidas distintas de

voltaje, +Vcd, 0 y - Vcd, conectando la fuente cd con el lado de salida ac

mediante combinaciones diferentes de los cuatro interruptores S1, S2, S3 y

S4. Tomando como ejemplo el nivel superior, al activar S1 y S4 se obtiene

Va4 = +Vcd. Al activar S2 y S3 se obtiene Va4 = - Vcd, y al desactivar todos

los interruptores se obtiene Va4 = 0. De igual modo se puede obtener el voltaje

de salida de ca en cada nivel. [3]

Si (Ns) es la cantidad de fuentes de cd, (m) el nivel de voltaje de fase de

salida, tenemos la ecuación (1.1):

m=Ns+1 (1.1)

Así, un inversor en cascada en cinco niveles necesita cuatro SDCS y

cuatro puentes completos. Si se controlan los ángulos de conducción en

distintos niveles de inversor se puede minimizar la distorsión armónica del

voltaje de salida.

(a) (b)

Figura H.2.: a) Inversor Puente Completo. b) Formas de onda a la

salida. [1]

Inversor multinivel en cascada asimétrico de potencia 2

El CMLIA (Cascade Multilevel Inverter Asymmetric) de potencia 2 es

alimentado con fuentes de tensión diferentes, en cada fuente es VCD, 2VCD,

4VCD, y así sucesivamente hasta alimentar todas las fuentes que integran el

inversor; en la Figura H. 3, se muestra un ejemplo, donde el número máximo

de niveles se calcula mediante la ecuación (1.2).

n = 2Ns+1 – 1 (1.2)

Figura H. 3.: Inversor Multinivel asimétrico de potencia 2 [1]

En la figura H.4., se indica el esquema de conexiones utilizado para el

desarrollo de la siguiente práctica. Para la descripción de la operación de un

Inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en cascada la

nomenclatura para los interruptores de potencia (IGBT) será: SW1, SW2,

SW5, SW6, SW9, SW10 para los conmutadores y SW3, SW4, SW7, SW8,

SW11, SW12 para sus complementarios; mientras que para los diodos de

circulación serán D1, D2, D5, D6, D9, D10 y D3, D4, D7, D8, D11, D12

Figura H.4.: Configuración de un puente H de tres niveles. [9]

+

-

+

-

+

-

Para el desarrollo de la presente práctica se ha tomado la topología de un

inversor tipo puente completo con conexión en cascada asimétrico de

potencia 2, debido a sus ventajas y a las características que presenta. Un

Inversor tipo puente completo con conexión en cascada es la conexión de

inversores monofásicos con tensión de entrada continua independientes.

La tensión alterna resultante del inversor es la suma de las tensiones

generadas por cada puente independiente. La tensión de salida alterna toma

ocho valores distintos, incluido el cero, cada etapa es de 24V, 48V y 96V

respectivamente, es decir, Vcc = 24V.

SALIDA DE TENSIÓN DEL INVERSOR

MULTINIVEL EN CASCADA

0, Vcc, +2Vcc,

+3Vcc, +4Vcc, +5Vcc,

+6Vcc, +7Vcc

En la figura H.5 se indica la forma de onda de un inversor multinivel de

ocho niveles.

Figura H.5.: Voltaje típico en la salida de un inversor multinivel de ocho

niveles. [9]

4. Procedimiento

4.1. Identificar las cuatro partes que conforman el módulo didáctico del

inversor monofásico (se indica al final de esta práctica): a) Módulo principal;

b) Fuente de alimentación ATX – Etapa de Potencia; c) Fuente de

alimentación de 12V – Etapa de Control y d) Carga Inductiva (motor/generador

cc).

4.2. Conectar los terminales de alimentación de 110Vac de la fuente fija (no

variable), del Módulo – Fuente (módulo existente en el laboratorio de control

eléctrico ESPE.L), a los terminales ACL Y ACN del módulo principal del

inversor multinivel monofásico en cascada (ver figura H.6), siendo 1 (terminal

color rojo) del módulo-fuente conectado a ACL del módulo del inversor

multinivel y del terminal N (terminal color negro) del módulo-fuente conectado

a ACN del módulo del inversor multinivel, sabiendo que, ACL es la fase del

módulo y ACN es el neutro del módulo.

Las conexiones se las realizará por medio de los cables de conexión o

espigas existentes en el laboratorio.

Figura H.6.: Conexión del módulo-fuente al módulo del inversor

multinivel. [9]

4.3. Conectar el terminal M+ (cable color rojo), del módulo del inversor

multinivel al terminal 3 del primer motor/generador de corriente continua y el

terminal M- (cable color negro), del módulo del inversor multinivel al terminal

2 del primer motor/generador de corriente continua (sabiendo que a la salida

de estos terminales M+ y M- se genera 110V), luego en el motor realizar una

conexión del terminal 1 (cable color negro) al terminal 4 del mismo módulo

del motor (ver figura H.7.),el motor que se utilizará en esta práctica es el motor

universal (motor/generador cc) este tipo de motor puede ser alimentado con

corriente alterna o con corriente continua, es indistinto.

Sus características principales no varían significativamente, sean

alimentados de una forma u otra. Son conocidos también con el sobrenombre

de motor monofásico en serie.

Figura H.7.: Conexión del módulo inversor multinivel al

motor/generador cc número 1. [9]

4.4. Para generar carga al primer motor/generador de corriente continua se

debe conectar un segundo motor de las mismas características por medio de

una banda (esta conexión se lo realiza destapando el acrílico frontal del

módulo motor/generador de cc de los dos motores, de esta manera se

colocará la banda existente en el laboratorio, entre los ejes de los dos motores

quedando así unidos mecánicamente), luego en el segundo motor se debe

realizar la conexión Shunt, es decir, conectar el terminal 1 con el terminal 5,

1

http://www.ecured.cu/index.php?title=Monof%C3%A1sico&action=edit&redlink=1

luego el terminal 6 con el terminal 7 y por último el terminal 8 con el terminal

2 (ver figura H.8., cables color azul), sin desconectar los cables enunciados

en los puntos anteriores.

Figura H.8.: Conexión del motor/generador cc número 1 al

motor/generador cc número 2. [9]

4.5. Conectar la carga resistiva en los terminales 1 y 2 respectivamente del

segundo motor/generador de corriente continua como se indica en la figura

H.9.

Figura H.9.: Conexión del motor/generador cc número 2 al módulo de

resistencias. [9]

4.6. En la figura H.10, se indica cómo deben ir conectados de forma física

los cables a los diferentes equipos.

1 2

1 2

Figura H.10.: Diagrama de Conexión de los equipos. [9]

CONTROL

ON

OFF

AC L AC N 1 2 3 4

PM + PM - 5 6 7 8

M + M - 9 10 11 12

1-2 3-4

5-6 7-8

9-10 11-12

GND

IGBT´S FUSIBLES

ESPEDEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRONICA

CARRERA DE INGENIERIA ELECTROMECANICA

"DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN

PROTOTIPO DIDÁCTICO DE INVERSOR

MULTINIVEL EN CASCADA, MONOFÁSICO

DE TRES ETAPAS PARA EL LABORATORIO

DE CONTROL ELÉCTRICO

ESPE - LATACUNGA"

Andrés Ricaurte

David Sarzosa

2013

MÓDULO - FUENTE

1

2

3

N

N N

ON

OFF

120 V - AC 0 - 120 V - AC

1

2

3

N

1 2

0 - 120 V - DC

LAB - VOLT

E1

E2

E3

I2

I3

I1

1 2 3 4

5 6 7 8

VOLTAGE CURRENT ANALOG

INPUTS

ANALOG

OUTPUTS

DATA ACQUISITION INTERFACE

T N 1 2

SYNC INPUT

AUXILIARY ANALOG INPUTS

POWER LED

LOW POWER INPUT

24V - AC

COMPUTER I/O

MOTOR/GENERADOR CC

1

3

5

120 V - 3A

2

4

6

REOSTATO DE CAMPO

LAB - VOLT

7 8

SERIE

SHUNT

3A

120V- 0.4A

MOTOR/GENERADOR CC

1

3

5

120 V - 3A

2

4

6

REOSTATO DE CAMPO

LAB - VOLT

7 8

SERIE

SHUNT

3A

120V- 0.4A

BANDA

BANDA

CARGA RESISTIVA

1200O

0.1A

600O

0.2A

300O

0.4A

I

0

I

0

1200O

0.1A

600O

0.2A

300O

0.4A

I

0

I

0

1200O

0.1A

600O

0.2A

300O

0.4A

I

0

I

0

MAD (Módulo de adquisición

de datos LV DAM EMS)

1 2

1

4.7. A continuación antes de realizar la toma de datos, se indica en la figura

H.11 los pulsos de cada uno de los IGBT´s con su forma de onda total, de

manera ideal.

Figura H.11.: Forma de Onda Ideal a la salida del inversor. [9]

t(s)

e(wt)

En la tabla 1., se indica el valor de los ángulos que forma la onda total.

Tabla 1. Ángulos de disparo

𝜶𝟏 𝜶𝟐 𝜶𝟑 𝜶𝟒 𝜶𝟓 𝜶𝟔 𝜶𝟕

8.57° 10.08° 25.72° 31.56° 42.85° 49.92° 66.01°

0.397(ms) 0.466(ms) 1.190(ms) 1.461(ms) 1.983(ms) 2.310(ms) 3.054(ms)

0.1496 rd 0.1759 rd 0.4489 rd 0.5508 rd 0.7479 rd 0.8713 rd 1.1521 rd

4.8. Para la medición de los pulsos en la gate de cada IGBT se realizara las

siguientes conexiones: Con la ayuda del módulo y gestión de adquisición de

datos para los sistemas electromecánicos (LV DAM EMS) modelo 9062 de

Lab-Volt (que en adelante lo llamaremos MAD) existente en el laboratorio,

conectar los terminales E1, de tal forma que el terminal E (terminal de color

negro del MAD-E1), se conecta al terminal GND del módulo principal del

inversor multinivel, mientras que el otro terminal E (terminal color rojo del

MAD-E1), se conecta uno por uno en los terminales numerados

1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 respectivamente por cada IGBT del módulo

principal del inversor multinivel como se indica en la figura H.12.

Figura H.12.: Conexión del módulo del inversor multinivel al módulo y

gestión de adquisición de datos para los sistemas electromecánicos (LV

DAM EMS). [9]

CONTROL

ON

OFF

AC L AC N 1 2 3 4

PM + PM - 5 6 7 8

M + M - 9 10 11 12

1-2 3-4

5-6 7-8

9-10 11-12

GND

IGBT´S FUSIBLES








ESPE - LATACUNGA"

Andrés Ricaurte

David Sarzosa

2013

MÓDULO - FUENTE

1

2

3

N

N N

ON

OFF

120 V - AC 0 - 120 V - AC

1

2

3

N

1 2

0 - 120 V - DC

LAB - VOLT

E1

E2

E3

I2

I3

I1

1 2 3 4

5 6 7 8


INPUTS

ANALOG

OUTPUTS


T N 1 2

SYNC INPUT


POWER LED

LOW POWER INPUT

24V - AC

COMPUTER I/O

TE

RM

INA

LE

S C

ON

EC

TA

DO

S A

3 Y

2

RE

SP

EC

TIV

AM

EN

TE

DE

L

MO

TO

R/G

EN

ER

AD

OR

DE

CO

RR

IEN

TE

CO

NT

INU

A

3

2

MAD (Módulo de adquisición de

datos LV DAM EMS)

4.9. De este modo obtenemos la señal de la gate por cada uno de los

IGBT´s. Las señales de los IGBT´s (señal de color morado ubicado sobre la

onda sinusoidal señal de color rojo), se visualizan en las siguientes figuras

H13a, H13b, H13c, H13d, H13e, H13f, H13g, H13h, H13i, H13j, H13k, H13l,

respectivamente.

Señales de los pulsos en la gate de cada IGBT obtenidas por el

MAD

Figura H 13a: Pulso del IGBT 1. [10]

Figura H 13b: Pulso del IGBT 2. [10]

Figura H 13c: Pulso del IGBT 3. [10]

Figura H 13d: Pulso del IGBT 4. [10]

Figura H 13e: Pulso del IGBT 5. [10]

Figura H 13f: Pulso del IGBT 6. [10]

Figura H 13g: Pulso del IGBT 7. [10]

Figura H 13h: Pulso del IGBT 8. [10]

Figura H 13i: Pulso del IGBT 9. [10]

Figura H 13j: Pulso del IGBT 10. [10]

Figura H 13k: Pulso del IGBT 11. [10]

Figura H 13l: Pulso del IGBT 12. [10]

4.10. Para la medición de la forma de onda total a la salida del inversor se

realizara las siguientes conexiones: Con la ayuda del módulo y gestión de

adquisición de datos modelo 9062 de Lab-Volt (MAD) existente en el

laboratorio, conectar los terminales E2, de tal forma que el terminal E (terminal

de color negro del MAD-E2), se conecta al terminal PM- del módulo principal

del inversor multinivel, mientras que el otro terminal E (terminal color rojo del

MAD-E2), se conecta al terminal PM+ del módulo principal del inversor

multinivel como se indica en la figura H.14.

Figura H.14.: Conexión del módulo del inversor multinivel al módulo y

gestión de adquisición de datos (LV DAM EMS) – E2.

CONTROL

ON

OFF

AC L AC N 1 2 3 4

PM + PM - 5 6 7 8

M + M - 9 10 11 12

1-2 3-4

5-6 7-8

9-10 11-12

GND

IGBT´S FUSIBLES








ESPE - LATACUNGA"

Andrés Ricaurte

David Sarzosa

2013

MÓDULO - FUENTE

1

2

3

N

N N

ON

OFF

120 V - AC 0 - 120 V - AC

1

2

3

N

1 2

0 - 120 V - DC

LAB - VOLT

E1

E2

E3

I2

I3

I1

1 2 3 4

5 6 7 8


INPUTS

ANALOG

OUTPUTS


T N 1 2

SYNC INPUT


POWER LED

LOW POWER INPUT

24V - AC

COMPUTER I/O

TE

RM

IN

AL

ES

CO

NE

CT

AD

OS

A 3

Y 2

RE

SP

EC

TIV

AM

EN

TE

DE

L

MO

TO

R/G

EN

ER

AD

OR

DE

CO

RR

IE

NT

E

CO

NT

IN

UA

3

2

MAD (Módulo de adquisición de

datos LV DAM EMS)

4.11. De esta forma en la figura H.15, se observa de manera práctica la onda

resultante a la salida del inversor multinivel.

Figura H.15.: Onda generada por el inversor multinivel monofásico. [10]

A continuación en la figura de la H. 16a, a la H. 16g, se observa de manera

práctica los ángulos obtenidos en la tabla 1.

ÁNGULOS DE DISPARO

Figura H 16a. Ángulo de Disparo 1 (α1). [10]


Figura H 16b. Ángulo de Disparo 2 (α2). [10]

Figura H 16c. Ángulo de Disparo 3 (α3). [10]



Figura H 16d. Ángulo de Disparo 4 (α4). [10]

Figura H 16e. Ángulo de Disparo 5 (α5). [10]



Figura H 16f. Ángulo de Disparo 6 (α6). [10]

Figura H 16g. Ángulo de Disparo 7 (α7). [10]



4.12. Para visualizar la distorsión armónica total (TDH) del inversor multinivel,

se aprovecha la conexión antes realizada puesto que, la única variación se lo

hace seleccionando la opción en el programa del MAD y no en las conexiones

físicas de los módulos. A continuación nos dirigimos a la ventana principal del

MAD, nos ubicamos en la barra de herramientas y seleccionamos la opción

de Analizador de Armónicos (Ver figura H.17), de esta manera se visualizara

el resultado el cual es 7,8%, este valor se encuentra dentro del rango,

recomendado por CONELEC que es del 8% de TDH.

Figura H.17: Onda generada por el inversor multinivel monofásico.

4.13. A continuación en la figura H.18, se muestra el valor (TDH), obtenido

por el MAD.

Figura H.18: Onda generada por el inversor multinivel monofásico. [10]

Analizador de armónicos

5. Análisis de resultados

- Los pulsos obtenidos por la gate de cada IGBT, al igual que su onda total

son muy idénticas a las ideales, sin embargo tienen su distorsión debido a

la velocidad de frecuencia de conmutación, y a que los elementos no son

ideales.

- La distorsión armónica total (TDH) obtenido, está dentro del límite permitido,

que es del 8%.

6. Cuestionario

6.1. Cuál es la función principal del inversor multinivel?

La función principal de un inversor es minimizar las pérdidas y armónicos

en grandes potencias.

6.2. Que característica posee el inversor multinivel en cascada?

a) Pueden generar voltajes de salida con muy poca distorsión

armónica.

b) Requieren mínima cantidad de componentes para la generación de

los niveles.

7. Conclusión

- Se analizó el principio de funcionamiento del circuito de control del

inversor multinivel

- Se observo la señal de control en la gate de cada uno de los IGBT's del

circuito del módulo inversor monofásico

- Se comprobó que las formas de onda de disparo de la gate de cada

IGBT permita formar la onda total a la salida del inversor.

- Se observó el valor de TDH del módulo del inversor

- Se analizó las formas de onda real de los disparos en la gate de cada

IGBT y comparar con la forma de onda ideal del inversor.

8. Recomendación

- Antes de la utilización del inversor multinivel, se debe revisar las conexiones

respectivas para evitar cortocircuitos.

- Tener precaución al momento de trasladar el módulo para evitar

desconexiones internas o daños en los dispositivos electrónicos.

PARTES QUE COMPONEN EL MÓDULO DIDÁCTICO DEL INVERSOR

MULTINIVEL.

PARTES QUE COMPONEN EL MÓDULO DIDÁCTICO DEL INVERSOR

MULTINIVEL.

Fuente de alimentación ATX – Etapa de Potencia: Utilizadas para

alimentar el circuito de potencia. Figura H.19.

Figura H.19.: Fuente ATX

Fuente de alimentación de 12V – Etapa de Control: Utilizadas para

alimentar el circuito de control. Figura H.20.

Figura H.21.: Fuente de alimentación

Módulo principal: El módulo principal es propiamente el Inversor

Multinivel Monofásico, contiene los circuitos de control y de potencia los cuales

se encargan de generar la señal alterna. Por ello la caja es bastante pesada

por lo que se debe tener el debido cuidado respectivo cuando se transporte

de un lugar a otro. El módulo principal está construido con una base de metal

y a su alrededor con acrílico transparente que permite ver los diferentes

elementos y partes principales del Inversor por lo cual se recomienda que

durante su utilización; tener la precaución de no golpear el acrílico por que se

podría quebrar. También el inversor contiene bornes de salida en las cuales

se pueden medir diferentes señales que son importantes para el análisis y

comprensión del funcionamiento del mismo. Figura H.22.

Figura H.22.: Módulo Principal

Carga Inductiva: Motor de CC para la realización de las pruebas. Figura

H.23.

Figura H.23: Carga Inductiva.

Módulo de adquisición de datos LV DAM EMS (MAD): Es un sistema

basado en la computadora que permite la medición, observación y análisis de

los parámetros eléctricos y mecánicos en los sistemas de potencia eléctrica y

en los circuitos de electrónica de potencia. Figura 24.

Figura H.24.: Módulo de adquisición de datos LV DAM EMS (MAD).

Documents

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA …repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/9401/1/T-ESPEL-EMI-0277.pdf · departamento de elÉctrica y electrÓnica carrera de ingenierÍa