DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO MULTINIVEL DE CUATRO ETAPAS PARA COMPENSACIÓN ARMÓNICA Y DE REACTIVOS

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1 PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO MULTINIVEL DE CUATRO ETAPAS PARA COMPENSACIÓN ARMÓNICA Y DE REACTIVOS ALBERTO ANDRES BRETÓN SCHUWIRTH Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Industrial, con Diploma en Ingeniería Eléctrica Profesor Supervisor: JUAN W. DIXON ROJAS Santiago de Chile, 2003

2 PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA Departamento de (departamento) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO MULTINIVEL DE CUATRO ETAPAS PARA COMPENSACIÓN ARMÓNICA Y DE REACTIVOS ALBERTO ANDRÉS BRETÓN SCHUWIRTH Memoria presentada a la Comisión integrada por los profesores: JUAN DIXON R. MAURICIO ROTELLA M. LUIS MORAN T. Para completar las exigencias del título de Ingeniero Civil Industrial, con Diploma en Ingeniería Eléctrica Santiago de Chile, 2003

3 A mi familia, especialmente a mis Padres, Hermanos y Abuelos, que siempre confiaron en mi. ii

4 AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer especialmente a mi Familia por todo el apoyo y cariño brindado durante estos años de estudio. Gracias por su paciencia. Una especial mención merece el profesor Juan Dixon por su ayuda y apoyo incondicional, permitiendo desarrollar y terminar con éxito este proyecto. También agradezco la colaboración a tantas otras personas que me ayudaron e hicieron posible que esto se concretara. Entre ellos quiero mencionar a Micah Ortúzar y a los funcionarios del Departamento de Ingeniería Eléctrica, especialmente Eduardo Cea. Gracias por su apoyo incondicional. iii

5 INDICE GENERAL Pág. DEDICATORIA...ii AGRADECIMIENTOS...iii INDICE GENERAL...iv INDICE DE TABLAS...vii INDICE DE FIGURAS...ix RESUMEN...xiv ABSTRACT... xv I. Introduccion Objetivos de la Memoria Origen de la Memoria Cobertura de la Memoria Organización de la Memoria Inversores Multinivel Inversor Acoplado por Diodo (Diode-Clamped Inverter) Inversor Acoplado por Condensador (Capacitor Clamped Inverter) Inversor Multietapa con Puentes H e Inversores en Cascada Inversor Multietapa en Cascada con Fuente Común II. Características del Inversor Multinivel de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Común Inversor Multinivel de Cuatro Etapas en Cascada con Fuentes Independientes Modulación de Voltaje Distribución de Potencia Inversor Multinivel de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Común Modulación de Voltaje iv

6 Distribución de Potencia Forma de la Corriente Comparación de Inversores III. Diseño y Construcción Circuito de Potencia Descripción de los IGBTs Utilizados Circuitos Impresos del Inversor Tarjeta de Potencia Tarjeta de Disparo Circuito Impreso de Interconexión Fuente de Poder Transformadores Disipador de Calor Diseño Térmico del Disipador Montaje del Disipador Armazón y Disposición de los Componentes Conexiones Eléctricas Conexiones de Alimentación Conexiones de Potencia Conexiones de Disparo Montaje del Inversor Inversor Construido IV. Resultados Experimentales Tensión de Salida del Inversor Corriente de Salida del Inversor Comparación con Inversor PWM V. Conclusiones y Trabajo Futuro BIBLIOGRAFIA ANEXO A: Diagramas Esquemáticos Utilizados con el Software Power Electronics Simulator v

7 ANEXO B: Datos Técnicos ANEXO C: Detalles Circuito Impreso de Potencia ANEXO D: Detalles Circuito Impreso de Disparo ANEXO E: Detalles Circuito Impreso de Interconexion ANEXO F: Detalles de la Fuente de Poder ANEXO G: Calculos Térmicos ANEXO H: Fotogracias de las Vistas Superior e Inferior del Inversor ANEXO I: Programa de Control del Inversor vi

8 INDICE DE TABLAS Pág. Tabla 1.1 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(a)... 6 Tabla 1.2 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(b)... 7 Tabla 1.3 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (a)... 9 Tabla 1.4 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (b)... 9 Tabla 1.5 Secuencia de encendido para puente H de la figura Tabla 1.6 Secuencia de encendido para el inversor de la figura Tabla 1.7 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(a) Tabla 1.8 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(b) Tabla 1.9 Número de niveles de tensión para inversores Simétricos y Asimétricos de diferente número de etapas Tabla 2.1 Potencias suministradas por cada puente (Inversor con Fuentes Independientes) Tabla 2.2 Potencias suministradas por cada puente (Inversor de Fuente Común) Tabla 3.1 Voltajes en los secundarios de cada etapa Tabla 3.2 Relación de voltaje entre primarios y secundarios por etapa Tabla 3.3 Potencia para los transformadores de cada etapa Tabla E.1 Descripción terminales figura E Tabla F.1 Corrientes que debe suministrar la Fuente de Poder Tabla F.2 Corrientes de diseño para la Fuente de Poder vii

9 Tabla G.1 Datos para cálculos térmicos Tabla G.2 Resistencias térmicas del disipador original y el utilizado viii

10 INDICE DE FIGURAS Pág. Figura 1.1: Inversor de (a) 2 niveles, (b) 3 niveles, (c) m niveles... 3 Figura 1.2 Esquema de Inversor Acoplado por Diodo. (a) Tres niveles. (b) Cinco niveles... 6 Figura 1.3 Esquema Inversor con Condensador de Acople. (a) Tres niveles. (b) Cinco niveles Figura 1.5 Configuración de un puente H de tres niveles Figura 1.6 Inversor en Cascada Simétrico de dos Etapas Figura 1.7 Inversor en Cascada Asimétrico de dos Etapas (a) operando con cinco niveles (b) operando con siete niveles Figura 1.8 Inversor en Cascada Simétrico de dos Etapas con fuente común Figura 1.9 Inversor en Cascada Asimétrico de dos Etapas Figura 2.1 Una fase de Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuentes Independientes Figura 2.3 Voltaje Modulado en cada Etapa del Inversor Figura 2.4 Distribución de Potencia Activa Figura 2.5 Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Común Figura 2.6 Voltaje Modulado en primarios y secundarios en cada etapa del inversor Figura 2.7 Tensión de salida del Inversor comparada con una sinusoide de referencia Figura 2.8 Distribución de Potencia a) Carga R b) Carga RL ix

11 Figura 2.9 Corriente y Voltaje de salida para cargas R y RL Figura 2.10 Corriente para carga RL en Inversor Multinivel y PWM Figura 2.11 Voltajes de salida para Inversores Multinivel y PWM Figura 2.12 Señal de disparo de uno los IGBT de la etapa del 3 er Auxiliar Figura 3.1 Circuito esquemático de una fase del inversor Figura 3.2 Dibujo del encapsulado en puente H, modelo P503-F-PM Figura 3.3 Esquemático del encapsulado y asignación de pines del P503-F-PM Figura 3.4 Diseño del Circuito Impreso de la Tarjeta de Potencia Figura 3.5 Fotografía Tarjeta de Potencia Figura 3.6 Diagrama esquemático del Circuito de Disparo Figura 3.7 Diseño del Circuito Impreso de la Tarjeta de Disparo Figura 3.8 Fotografía Tarjeta de Disparo Figura 3.9 Interconexión de la Tarjeta de Potencia con las de Disparo Figura 3.10 a) Circuito Impreso b) Foto de la Tarjeta de Interconexión Figura 3.11 Diseño del Circuito Impreso de la Fuente de Poder Figura 3.12 Fotografía Fuente de Poder Figura 3.13 Modelo térmico básico Figura 3.14 Modelo térmico utilizado para los cálculos Figura 3.15 Disipador de Calor Figura 3.16 Distribución de los puentes en la base del Disipador x

12 Figura 3.17 Corte transversal por el Disipador Figura 3.18 (a) Planta del armazón estructural (b) Detalle esquinas Figura 3.19 Esquema vista superior del Inversor Figura 3.20 Esquema vista inferior del inversor Figura 3.21 Esquema corte por la fase central del inversor Figura 3.22 Grupo de transformadores Figura 3.23 Diagrama eléctrico conexiones de alimentación de alta tensión Figura 3.24 Cableado de baja tensión a) Saliendo desde la Fuente de Poder b) Entrando a las Tarjetas de Potencia Figura 3.25 Diagrama eléctrico Alimentación DC de Potencia Figura 3.26 Conexión primarios Etapas 1 er y 2 do Auxiliar Figura 3.27 Diagrama eléctrico de Interconexión de Transformadores Figura 3.28 Inversor Trifásico Multinivel de cuatro Etapas Figura 3.29 Sistema Integrado AC-AC con dos Inversores Multinivel Figura 4.1 Esquema conexiones de pruebas Figura 4.2 Tensión trifásica a la salida del inversor Figura 4.3 Simulación de señal de voltaje trifásico del inversor Figura 4.4 Onda de voltaje de un semiciclo Figura 4.5 Simulación de la onda de voltaje de un semiciclo Figura 4.6 Voltaje y corriente de salida del inversor Figura 4.7 Simulación de voltaje y corriente de salida del inversor xi

13 Figura 4.8 a)voltaje inversor multinivel. b) Voltaje inversor PWM Figura 4.9 a) Corriente inversor multinivel. b) Corriente inversor PWM Figura A.1 Diagrama simulación Inversor con Fuentes Independientes Figura A.2 Diagrama simulación Inversor con Fuente Común Figura A.3 Diagrama simulación Inversor PWM Figura C.1 Capacidad de líneas Figura C.2 Identificación de IGBTs dentro de cada puente H Figura C.3 Detalle Conectores de Potencia Figura C.4 Detalle conectores de control Figura C.5 Detalle conectores de disparo Figura D.1 Detalle Tarjeta de Disparo Figura D.2 Detalle ampliado terminales de disparo Figura D.3 Detalle conector de señales de disparo Figura E.1 Detalle Tarjeta de Interconexión Figura E.2 Fotografía del conector para las señales de control Figura F.1 Diagrama esquemático Fuente de Poder Figura F.2 Detalles conectores Fuente de Poder Figura G.1 Modelo térmico utilizado para los cálculos Figura H.1 Fotografía vista superior del inversor Figura H.2 Fotografía vista inferior del inversor xii

14 Figura H.3 a) Conector de alimentación. b) Interruptor general Figura H.4 a) Bornes de entrada de tensión continua. (b) Bornes de salida de tensión alterna Figura H.5 Interconexión de transformadores xiii

15 RESUMEN Los inversores multinivel son inversores de última tecnología que pueden generar corrientes o incluso voltajes sinusoidales con mucho menor contenido armónico que los inversores convencionales de dos niveles. Si el número de niveles es lo suficientemente alto, se puede obtener un voltaje y corriente casi perfecto. La tecnología multinivel permite generar señales de corriente y voltaje de mejor calidad que las obtenidas con técnicas de modulación por ancho de pulso. Esto ha motivado el desarrollo y construcción de un inversor de 4 etapas y 81 niveles de voltaje con esta tecnología. En este trabajo se detallan todos los procesos realizados durante el período de diseño y construcción del inversor, comenzando con una presentación de algunos tipos de inversores multinivel, siguiendo con una profundización sobre el que se utilizará en esta memoria, para finalmente hacer una descripción completa del proceso de construcción propiamente tal y de las características del inversor construido. Dada la topología utilizada en la implementación del inversor (fuente común y uso de transformadores), éste no está pensado para aplicaciones en frecuencia variable. Por esta razón, está pensado para la implementación de rectificadores de corrientes sinusoidales, filtros activos de potencia, compensadores estáticos de reactivos o inversores conectados a la red trifásica. El inversor construido es capaz se soportar un corriente de aproximadamente 5A por fase con un voltaje de salida de 220Vac, con lo cual es capaz de suministrar una potencia de 1.1kVA por fase. xiv

16 ABSTRACT Multilevel inverters are one of the latest technologies in inverters, which can generate sinusoidal currents and voltages with much less harmonic content than conventional two level inverters. If the number of levels is high enough, it is possible to obtain almost perfect voltages and currents. Multilevel technology allows generating current and voltage signals of much better quality that the ones obtained with modulation by wide-of-pulse techniques. This motivated the development and construction of a 4 stage inverter (81 voltage levels) with this technology. Every step involved in the inverter s design and construction processes are detailed in this work, beginning with a presentation of some types of multilevel inverters, following with a deepening on the one that will be used in this memory, and finally a detailed description of the construction process and the inverter s characteristics. Given the topology used in the implementation of the inverter (common source and the use of transformers), this one is not designed for applications of variable frequency. Therefore, it is designed for the implementation of sinusoidal current rectifiers, active power filters, static VAR compensators or inverters connected to the three-phase network. The constructed inverter is capable of delivering currents up to 5A per phase with a voltage output of 220Vac, by which it s able to provide power up to 1.1kVA per phase. xv

17 1 I. INTRODUCCION 1.1. Objetivos de la Memoria En el presente trabajo se presenta el diseño y construcción de un Inversor Trifásico Multinivel de Cuatro Etapas utilizando semiconductores de potencia del tipo IGBT para la conmutación Origen de la Memoria Esta memoria nace como respuesta a la necesidad de realizar proyectos de investigación con aplicaciones prácticas, donde se puedan obtener resultados reales del comportamiento de los Inversores Multinivel. Es parte de una serie de proyectos, con los cuales en conjunto, se pretende construir un sistema rectificadorinversor, que conectado a la red, pueda controlar un motor de inducción trifásico regulando el voltaje y la frecuencia de alimentación. Este trabajo ha desarrollado el lado rectificador, el cual podrá funcionar como compensador estático de reactivos y como filtro activo de potencia (rectificador activo) Cobertura de la Memoria El trabajo abarcó todo lo que se refiere a la construcción del inversor propiamente tal, incluyendo, a grandes rasgos, los transformadores de potencia de salida, la electrónica de potencia (IGBT) y los circuitos de disparo necesarios para integrar el control con los elementos de potencia. Se dejó para un trabajo futuro el diseño del control del inversor, el que será específico para la aplicación ya definida en

18 Organización de la Memoria En el presente capítulo se presenta una introducción del trabajo realizado, además se muestra una descripción de los Inversores Multinivel, sus aplicaciones, ventajas y desventajas y su comparación con otros tipos de inversores que existen, como aquellos de dos niveles modulados en ancho de pulso (PWM). En un segundo capítulo se describe el Inversor Multinivel desarrollado, basado en una configuración de cuatro etapas. Se muestran sus características de operación y se simula su comportamiento. Todos las simulaciones se realizaron utilizando el programa de simulación computacional Power Electronics Simulator (PSIM) [1]. En el tercer capítulo se describen los procesos de diseño y construcción del Inversor, detallándose cada una de las partes que lo componen y las funciones de estas. En el cuarto capítulo se muestran los resultados experimentales obtenidos con el inversor, los que son comparados con una simulación bajo características de operación similares. Finalmente, en el quinto capítulo, se presentan las conclusiones del presente trabajo y se hace una descripción del trabajo futuro Inversores Multinivel La función general de un Inversor Multinivel es generar un voltaje alterno a partir de diferentes niveles de voltaje continuo [2]. Estos inversores multinivel pueden ser conectados en serie (con fuentes DC flotantes galvánicamente aisladas) o en paralelo (con fuente DC común y galvánicamente aislados con transformadores de potencia en la carga). Un inversor multinivel individual se caracteriza por generar cierto número de niveles de tensión en la salida. Un inversor de dos niveles genera dos

19 3 niveles voltaje de salida, uno de tres niveles generará tres niveles de tensión y así sucesivamente. En la figura 1.1 se muestra un esquema básico de inversores con (a) dos (b) tres y (c) m niveles, donde los semiconductores de potencia están representados por interruptores ideales de varias posiciones. V C (m-1) + V C (m-2) + V C + a V a V C (2) V C (1) + + a V a V C (1) a + V a (a) 0 (b) 0 (c) 0 Figura 1.1: Inversor de (a) 2 niveles, (b) 3 niveles, (c) m niveles. Generalizando, para este tipo de configuración, el número de niveles de la onda de voltaje de salida m de un inversor con n fuentes de voltaje queda determinado por la siguiente fórmula: m = n +1 (1.1) Mientras mayor es el número de niveles de un inversor, mayor será el número de componentes y más complicado resulta el control para éste, pero por otro lado, el voltaje de salida tendrá mayor cantidad de pasos, formando una sinusoide escalonada con menor distorsión armónica. En la figura 1.2 se muestra la señal obtenida con distintos números de niveles de tensión de salida (3, 11, 31 y 81) y sus respectivas distorsiones armónicas, las que claramente disminuyen con el aumento del números de niveles.

20 4 Figura 1.2 Número de niveles y su distorsión armónica Por otro lado, para aumentar el número de niveles es necesario incorporar mayor número de componentes, tanto en la electrónica de potencia como en la de control, lo que influye en la confiabilidad del equipo. Entre las principales ventajas de los Inversores Multinivel se pueden destacar [3]: a) Pueden generar voltajes de salida con distorsión extremadamente pequeña. b) Las corrientes de salida son de muy baja distorsión. c) Pueden operar con baja frecuencia de conmutación. Además de lo anterior, los inversores multinivel son muy adecuados en accionamientos, pues solucionan los problemas presentados por los variadores de velocidad para motores con inversores de 2 niveles, controlados por modulación por ancho de pulso (PWM) [4]. Debido a la alta frecuencia de conmutación y los grandes dv/dt que genera la PWM, los motores sufren daños principalmente en los

21 5 rodamientos y en la aislación de los enrollados. Por esto es necesario utilizar motores especialmente diseñados, con aislaciones reforzadas y rodamientos aislados, para evitar el envejecimiento prematuro de la aislación y la corriente a través de los rodamientos. Además, las altas frecuencias de conmutación (10 khz a 100 khz) producen interferencia en los sistemas de comunicaciones y equipos electrónicos. Otro problema que presentan los variadores de velocidad convencionales es la eficiencia. Debido a que el inversor debe conmutar a altas frecuencias (supersónicas), las pérdidas asociadas a la conmutación son normalmente más altas que las pérdidas por conducción. Además, un mayor contenido armónico de corriente genera mayores pérdidas en el motor, ya que aumenta su tempera de trabajo. Esto se traduce en una pérdida de eficiencia en la transformación de continua en alterna. A continuación es describen algunas de las topologías más comunes para inversores multinivel Inversor Acoplado por Diodo (Diode-Clamped Inverter) Este inversor se caracteriza por dividir el voltaje de la barra DC en una cierta cantidad de niveles por medio de condensadores conectados en serie. La cantidad de diferentes niveles de voltaje caracteriza al inversor. En la figura 1.3(a) se muestra un Inversor de tres niveles, obtenidos con los condensadores C 1 y C 2 conectados en serie y en la 1.2(b) uno de cinco niveles.

22 6 V dc 2 S 1 C 1 D 1 S 2 V dc 4 v an ' D 1 D 2 S 3 C 2 S 4 V dc n D 3 a V dc 2 S 1 ' S 1 V dc C 1 n D 1 ' D 1 S 2 ' S 1 a C 3 V dc 4 ' D 2 ' D 3 ' S 2 ' S 3 C 2 C 4 V dc 2 ' S 2 0 V dc 2 ' S 4 0 (a) (b) Figura 1.3 Esquema de Inversor Acoplado por Diodo. (a) Tres niveles. (b) Cinco niveles. El punto medio n entre los dos condensadores se puede definir como punto neutro. El voltaje de salida v an se caracteriza por tener tres estados o niveles: V dc /2, 0, y V dc /2 con respecto al punto neutro. En la tabla 1.1 se muestra la secuencia de encendido de los semiconductores que se debe utilizar para generar los diferentes voltajes de salida para el inversor de la figura 1.3(a). Tabla 1.1 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(a) V an S 1 S 2 S 1 V dc / S 2 - V dc / 2 1 1

23 7 En este tipo de inversor, los diodos (D 1 y D 1 ) son componentes clave que no se encuentran en los inversores de dos niveles comunes. Estos diodos acoplan el voltaje de conmutación para dividir el nivel de voltaje de la barra DC. Cuando S 1 y S 2 están simultáneamente cerrados, el voltaje entre a y 0 es V dc. En este caso, D 1 balancea el voltaje entre S 1 y S 2 haciendo que S 1 bloquee el voltaje en C 1 y que S 2 bloquee el voltaje en C 2. La figura 1.3(b) representa un Inversor de cinco niveles, generados por los condensadores C 1, C 2, C 3 y C 4 conectados en serie. Para una barra DC de voltaje V dc, el voltaje de cada condensador será V dc /4. Considerando el punto n como referencia del voltaje, se puede explicar mediante la tabla 1.2 como se forman los diferentes nivel de tensión para el Inversor de la figura 1.3(b). Tabla 1.2 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(b) V an S 1 S 2 S 3 S 4 S 1 V dc / V dc / S 2 S 3 S V dc / V dc / Asumiendo que el voltaje inverso de cada diodo es el mismo que el de los semiconductores, el número de diodos que se requiere para una fase del inversor será: (m-1)*(m-2). Este número crece cuadráticamente a medida que aumenta m y por lo tanto, cuando m se hace suficientemente grande, el número de diodos necesarios para implementar el inversor lo hacen impracticable.

24 Inversor Acoplado por Condensador (Capacitor Clamped Inverter) V dc 2 S 1 C 4 C 3 S 2 v an V dc 4 C 2 S 3 C 4 S 4 V dc n C 3 C 1 a V dc 2 S 1 ' S 1 C 1 C 4 C 2 S 2 ' S 2 V dc n C 1 ' S 1 a V dc 4 C 3 ' S 3 C 2 C 4 V dc 2 ' S 2 0 V dc 2 ' S 4 0 (a) (b) Figura 1.4 Esquema Inversor Acoplado por Condensador. (a) Tres niveles. (b) Cinco niveles. En la figura 1.4 se muestra el diagrama esquemático de un inversor acoplado por Condensador. El inversor de la figura 1.4 (a) corresponde a uno de tres niveles, el cual genera entre los terminales a y n los siguientes voltajes: V dc /2, 0, V dc /2. En la tabla 1.3 se pueden ver las combinaciones de los semiconductores que deben estar conduciendo para generar los diferentes niveles de tensión.

25 9 Tabla 1.3 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (a) V an S 1 S 2 S 1 V dc / S V dc / La forma de conseguir los diferentes niveles de tensión en el inversor acoplado por condensador es más flexible comparado con el Inversor acoplado por diodo. Esto se nota aún más en el caso del inversor de cinco niveles, en el cual existen diferentes combinaciones de encendido para obtener un mismo nivel de tensión. Utilizando como ejemplo la figura 1.4(b), el voltaje del inversor de cinco niveles, v an, puede ser obtenido con las combinaciones de la tabla 1.4. Tabla 1.4 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (b) V an S 1 S 2 S 3 S 4 S 1 V dc / V dc / S 2 S 3 S 4 V dc / V dc / V dc / V dc / V dc / V dc /

26 10 Similarmente a como ocurre con el inversor acoplado por diodo, el inversor acoplado por condensador requiere un gran número de condensadores para hacer flotar el voltaje. De esta forma, un Inversor de m-niveles requerirá un total de (m-1)x(m-2)/2 condensadores de flotación, además del condensador de alto voltaje que seguramente se requerirá como filtro de entrada. Este último deberá ser implementado con una cadena de condensadores en serie si el voltaje continuo es demasiado alto. En la figura 1.4(b) se observan cadenas de condensadores en serie, esto se debe a que los tensión continua obligan hacer esto para aumentar la tensión soportada por los condensadores Inversor Multietapa con Puentes H e Inversores en Cascada Se puede casi duplicar el número de niveles de las topologías anteriores sin hacer crecer el número de fuentes de voltaje, utilizando la estrategia de los Puentes H. Estos puentes se construyen utilizando dos inversores multinivel idénticos, de alguno de los tipos mostrados en la figura 1.1. Esto permite a la carga evitar el retorno directo hacia las fuentes de tensión continua y elevar el número de niveles de n+1 a 2n+1. Una configuración generalizada de un puente H como el mencionado se ilustra en la figura 1.5.

27 11 CARGA Figura 1.5 Puente H Generalizado, con n fuentes y m=2n+1 niveles. El puente H más sencillo es aquél formado por ramas de dos niveles cada una, como el mostrado en la figura 1.6. Puede observarse que este puente genera tres niveles con sólo una fuente de tensión continua. La configuración de este puente H se muestra en la figura 1.6. V dc S 1 S 2 S 3 S 4 a n + V an - Figura 1.6 Configuración de un puente H de tres niveles.

28 12 El puente H de la Figura 1.6, genera tres voltajes de salida (V an ) diferentes, +V dc, 0 y V dc, conectando el voltaje de entrada al de salida con diferentes combinaciones de los cuatro semiconductores S 1, S 2, S 3 y S 4. Para obtener +V dc, los semiconductores S 1 y S 4 se ponen en conducción (1), mientras que S 2 y S 3 están en estado de no conducción (0). Encendiendo los semiconductores S 2 y S 3 y apagando S 1 y S 4, se obtiene V dc. Con las combinaciones (S 1 y S 2 ) ó (S 3 y S 4 ) en estado encendido se obtiene un voltaje de salida de amplitud Cero. Cualquier otra combinación no es permitida pues provocará un corto circuito en la fuente DC del módulo. El funcionamiento de este puente H se resume en la tabla 1.5: Tabla 1.5 Secuencia de encendido para puente H de la figura 1.6 V an S 1 S 2 S 3 S 4 V dc V dc 1 1 Estos puentes H pueden conectarse en cascada (serie o paralelo), y dependiendo del número de puentes (etapas) que se conecten, se podrá obtener un número diferente de niveles de tensión. La relación que existe entre el número de niveles de tensión y el de etapas se verá más adelante. Este tipo de inversores se puede separar en simétricos y asimétricos. Los simétricos tienen todas las fuentes independientes con la misma tensión, en cambio los asimétricos poseen fuentes de diferentes tensiones. En la figura 1.7 se muestra el diagrama de conexión para un Inversor en Cascada Simétrico de dos etapas. Este inversor puede generar voltajes de salida que van desde 2V dc a +2V dc con cinco niveles diferentes (dos en el semiciclo positivo, dos en el semiciclo negativo y el cero, con escalones iguales a V dc ). Para conseguir los diferentes niveles de tensión se debe utilizar la secuencia de conmutación que se muestra en la tabla 1.6, la que se construyó siguiendo la secuencia de la sinusoide de

29 13 la figura 1.7. Además, se puede apreciar que para generar los diferentes niveles de tensión hay más de una combinación posible. 2V dc S 1B S 2B V dc a 2V dc ' S 1B ' S 2B V dc V dc S 1A ' S 1A S 2A ' S 2 A n V dc V dc V dc Figura 1.7 Inversor en Cascada Simétrico de dos Etapas. Tabla 1.6 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.7 V an S 1A S 2A S 1A S 2A S 1B S 2B S 1B V dc V dc V dc V dc V dc V dc S 2B

30 14 En la figura 1.8 se muestra el diagrama de conexión para un Inversor en Cascada Asimétrico de dos etapas. Este inversor puede generar voltajes de salida que van desde 1.5V dc a +1.5V dc con cinco niveles diferentes (dos en el semiciclo positivo, dos en el semiciclo negativo y el cero) de la misma forma que para el Inversor Simétrico, según se muestra en la figura 1.8(a). Vdc 2 S 1 B S 2B a V dc V dc ' S 1B ' S 2B V dc V dc V dc 2 V dc 2 S 1A S 2 A V dc 2 V dc 2 V dc n V dc V dc ' S 1A ' S 2 A V dc V dc (a) (b) Figura 1.8 Inversor en Cascada Asimétrico de dos Etapas (a) operando con cinco niveles (b) operando con siete niveles. Para conseguir los diferentes niveles de tensión se debe utilizar la misma secuencia de conmutación que la mostrada en la tabla 1.6, pero con una diferencia en los niveles de tensión. En la tabla 1.7 se pueden apreciar los niveles de tensión correspondientes al Inversor en Cascada Asimétrico. Analizando el caso del Inversor Asimétrico, es posible generar mayor número de niveles de tensión de salida con esta misma configuración. Para ello es necesario agregar más combinaciones a las que se mostró anteriormente. Como se muestra en la figura 1.8(b), con este inversor se pueden generar hasta siete niveles de tensión diferentes, los que se mantienen dentro del mismo rango antes mencionado. En la tabla 1.8 se agregan los niveles adicionales y sus respectivas combinaciones de conmutación.

31 15 Tabla 1.7 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(a) V an S 1A S 2A S 1A S 2A S 1B S 2B S 1B V dc V dc V dc V dc V dc V dc S 2B Tabla 1.8 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(b) V an S 1 S 2 S 3 S 4 S 1 S 2 S 3 S V dc V dc V dc V dc V dc V dc V dc V dc V dc V dc Se puede apreciar que el Inversor Asimétrico permite generar una sinusoide escalonada que se asemeja mejor a una sinusoide real que el Inversor Simétrico. Esto porque un inversor Asimétrico, como el la figura 1.8 puede generar

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