DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Transcripción

1

2 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

3 ii UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA 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 DIRECTOR Ing. Franklin Silva CODIRECTOR

4 iii UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD Nosotros: RICAURTE CORREA NÉSTOR ANDRÉS SARZOSA ANTE DAVID DE JESÚS 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. Latacunga, Septiembre del 2014 David Sarzosa A. Andrés Ricaurte C. C.C C.C

5 iv UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA AUTORIZACIÓN Nosotros: RICAURTE CORREA NÉSTOR ANDRÉS SARZOSA ANTE DAVID DE JESÚS 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. Latacunga, Septiembre del 2014 David Sarzosa A. Andrés Ricaurte C. C.C C.C

6 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

7 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

8 vii ÍNDICE DE CONTENIDOS PORTADA..... CERTIFICADO. AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD. AUTORIZACIÓN.. DEDICATORIA AGRADECIMIENTO... ÍNDICE DE CONTENIDOS ÍNDICE DE FIGURAS.. ÍNDICE DE TABLAS RESUMEN.... ABSTRACT... OBJETIVOS.. i ii iii iv v vi vii x xiii xiv xv xvi CAPÍTULO CONCEPTOS GENERALES Interruptores de estado sólido de potencia Diodo Tiristores Rectificador controlado de silicio (SCR) Transistores Transistor de unión bipolar (BJT) Transistor de efecto de campo metal óxido semiconductor (MOSFET) Transistor bipolar de puerta de salida(igbt) Microcontrolador INVERSORES MULTINIVEL Tipos de inversores multinivel Inversor multinivel por fijación de diodos npc Inversor multinivel con capacitores votantes Inversor multinivel en cascada.. 19

9 viii CAPÍTULO 2 2. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN CARACTERÍSTICA DE DISEÑO DISEÑO DE LA ETAPA DE POTENCIA Parámetros de diseño para la etapa de potencia Selección de fuentes de alimentación Selección del dispositivo de potencia DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL Selección del ángulo de disparo para minimizar la distorsión armónica Selección del microcontrolador IMPLEMENTACIÓN DE LA ETAPA DE POTENCIA IMPLEMENTACIÓN DE LA ETAPA DE CONTROL ENSAMBLADO DEL SISTEMA DE LA ETAPA DE CONTROL CON LA ETAPA DE POTENCIA. 68 CAPÍTULO 3 3. ANÁLISIS Y PRUEBAS DE RESULTADOS INTRODUCCIÓN PRUEBAS DEL INVERSOR Forma de onda ideal y real del inversor Forma de onda de salida de voltajes de fase del inversor Pulsos de los IGBT obtenidos por el módulo de adquisición de datos (LV DAM EMS) Resultado del TDH adquirido por el módulo de adquisición de datos (LV DAM EMS) Resultado de los ángulos de disparo de cada nivel adquirido por el módulo de adquisición de datos (LV DAM EMS) Resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio con 84 carga resistiva en el generador ALCANCE Y LIMITACIONES Alcance

10 ix Limitaciones Costo económico del inversor multinivel monofásico 87 CAPÍTULO 4 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES RECOMENDACIONES.. 91 Bibliografía Linkgrafía Anexos

11 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 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 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 Figura 11 Esquema de inversor acoplado por diodo de cinco niveles Figura 12 Esquema de Inversor con Capacitores Flotantes de cinco niveles Figura 13 Inversor Puente Completo Figura 14 Inversor Multinivel simétrico, asimétrico de potencia Figura 15 Onda y valores de voltaje de las fuentes de alimentación Figura 16 Fuente ATX 24V Figura 17 Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas Conectado en Cascada Figura 18 IGBT FGA40N65SMD Figura 19 Forma de onda e(wt) con los diferentes niveles de voltaje 36 a la salida del inversor multinivel en cascada.. Figura 20 Forma de onda ideal con los pulsos de cada IGBT Figura 21 Onda generada por el principio básico de operación de cada IGBT Figura 22 Microcontrolador Atmel 164P Figura 23 Diagrama de Flujo Etapa de Control. 62

12 xi Figura 24 Inversor monofásico multinivel de tres etapas conectado en cascada Figura 25 Tarjeta de potencia Figura 26 Diagrama eléctrico de la etapa de control Figura 27 Tarjeta de Control 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 71 conectado en cascada... Figura 32 Forma de Onda Ideal a la salida del inversor.. 72 Figura 33a Pulso del IGBT Figura 33b Pulso del IGBT Figura 33c Pulso del IGBT Figura 33d Pulso del IGBT Figura 33e Pulso del IGBT Figura 33f Pulso del IGBT Figura 33g Pulso del IGBT Figura 33h Pulso del IGBT Figura 33i Pulso del IGBT Figura 33j Pulso del IGBT Figura 33k Pulso del IGBT Figura 33l Pulso del IGBT 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

13 xii Figura 36 Modelo de conexión para la prueba de laboratorio 84 Figura 37 Módulo real de cargas resistivas.. 85

14 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 Tabla 7.3 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 48V 45 Tabla 7.4 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 72V 46 Tabla 7.5 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 96V. 47 Tabla 7.6 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 120V. 48

15 xiv Tabla 7.7 Tabla 7.8 Tabla 7.9 Tabla 7.10 Tabla 7.11 Tabla 7.12 Tabla 7.13 Tabla 7.14 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 144V.. 49 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 168V. 50 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.. 51 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 -48V. 52 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 -72V 53 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 -96V.. 54 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 -120V. 55 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 -144V. 56

16 xv Tabla 7.15 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 -168V Tabla 8 Requerimientos del microcontrolador 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 Tabla 14 Rubros financiados. 88

17 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.

18 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.

19 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.

20 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

21 2 que ofrecen mayores ventajas, por lo que se hará un pequeño resumen de los mismos 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.

22 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]

23 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] 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

24 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] 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.

25 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 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 colectoremisor 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).

26 7 Figura 4: a) Símbolo del BJT, b) Característica del BJT v-i y c) Característica ideal v-i [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]

27 8 Figura 5: a) Símbolo del Mosfet, b) Característica i-v, c) Característica idealizada. [3] 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

28 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]

29 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] 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

30 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

31 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

32 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),

33 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]

34 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 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 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]

35 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.

36 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 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]

37 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.

38 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 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.

39 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.

40 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

41 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.

42 23 (a) Figura 14: Inversor Multinivel a) simétrico b) asimétrico de potencia 2 [1] (b) 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)

43 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 = 2 Ns+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.

44 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.

45 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.

46 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 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 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. PARÁMETROS DE DISEÑO PARÁMETRO Voltaje Carga Potencia Frecuencia VALOR NOMINAL 110 VRMS 200 Watts 60Hz [9]

47 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 = V El valor de 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.

48 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]

49 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] 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.

50 Figura 17: Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas Conectado en 31 Cascada. [9]

51 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

52 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] real. A continuación en la figura 18 se muestra el IGBT seleccionado de forma

53 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.

54 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.

55 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. e (wt) [V] T[rad] 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.

56 37 e(wt) = A 0 + (A n cos nwt + B n sin nwt) n=1 (2. 1 ) A 0 = 1 T T e(t)dt 0 T A n = 2 e(t) cos nwt dt T 0 T B n = 2 e(t) sin nwt dt T 0 (2. 2 ) (2. 3 ) (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: A 0 = 0; Porque el valor medio es igual a 0 (2. 5 ) A n = 0; Porque e(wt) es una función impar (2. 6 ) = 2 2π 2π e(wt) sin nwt dwt 0 (2. 7 ) B n B n = 1 α1 α2 4 [ 0 sin nwt dwt + E sin nwt dwt π 7 B n = 0 α3 + 2E 7 α2 α5 + 4E 7 α4 α7 + 6E 7 α6 α1 sin nwt dwt sin nwt dwt sin nwt dwt α4 + 3E 7 α3 α6 + 5E 7 α5 π 2 + 7E 7 α7 sin nwt dwt sin nwt dwt sin nwt dwt 4E 7n. π [cos(n. α 1) + cos(n. α 2 ) + cos(n. α 3 ) + cos(n. α 4 ) + cos(n. α 5 ) + cos (n. α 6 ) + cos (n. α 7 )] (2. 8) ]

57 38 Siendo las ecuaciones mostradas a continuación las correspondientes a cada una de las armónicas con componentes de mayor magnitud (3 o, 5 o, 7 o, 9 o, 11 o, 13 o, 15 o ), que son las que se minimizaran con el proceso. B 3 = 4E 7 3π [cos(3. α 1) + cos(3. α 2 ) + cos (3. α 3 ) + cos(3. α 4 ) + cos(3. α 5 ) + cos (3. α 6 ) + cos (3. α 7 )] (2. 9) B 5 = 4E 7 5π [cos(5. α 1) + cos(5. α 2 ) + cos (5. α 3 ) + cos(5. α 4 ) + cos(5. α 5 ) + cos (5. α 6 ) + cos (5. α 7 )] (2. 10) B 7 = 4E 7 7π [cos(7. α 1) + cos(7. α 2 ) + cos (7. α 3 ) + cos(7. α 4 ) + cos(7. α 5 ) + cos (7. α 6 ) + cos (7. α 7 )] (2. 11) B 9 = 4E 7 9π [cos(9. α 1) + cos(9. α 2 ) + cos (9. α 3 ) + cos(9. α 4 ) + cos(9. α 5 ) + cos (9. α 6 ) + cos (9. α 7 )] (2. 12) B 11 = 4E 7 11π [cos(11. α 1) + cos(11. α 2 ) + cos(11. α 3 ) + cos(11. α 4 ) + cos(11. α 5 ) + cos(11. α 6 ) + cos (11. α 7 )] (2. 13) B 13 = 4E 7 13π [cos(13. α 1) + cos(13. α 2 ) + cos (13. α 3 ) + cos(13. α 4 ) + cos(13. α 5 ) + cos (13. α 6 ) + cos (13. α 7 )] (2. 14) B 15 = 4E 7 15π [cos(15. α 1) + cos(15. α 2 ) + cos (15. α 3 ) + cos(15. α 4 ) + cos(15. α 5 ) + cos (15. α 6 ) + cos (15. α 7 )] (2. 15) Para eliminar las componentes que provocan distorsión, se iguala las ecuaciones trascendentales no lineales anteriores a cero. 0 = [cos(3. α 1 ) + cos(3. α 2 ) + cos (3. α 3 ) + cos(3. α 4 ) + cos(3. α 5 ) + cos (3. α 6 ) + cos (3. α 7 )] (2. 16)

58 0 = [cos(5. α 1 ) + cos(5. α 2 ) + cos (5. α 3 ) + cos(5. α 4 ) + cos(5. α 5 ) + cos (5. α 6 ) + cos (5. α 7 )] (2. 17) 39 0 = [cos(7. α 1 ) + cos(7. α 2 ) + cos (7. α 3 ) + cos(7. α 4 ) + cos(7. α 5 ) + cos (7. α 6 ) + cos (7. α 7 )] (2. 18) 0 = [cos(9. α 1 ) + cos(9. α 2 ) + cos (9. α 3 ) + cos(9. α 4 ) + cos(9. α 5 ) + cos (9. α 6 ) + cos (9. α 7 )] (2. 19) 0 = [cos(11. α 1 ) + cos(11. α 2 ) + cos(11. α 3 ) + cos(11. α 4 ) + cos(11. α 5 ) + cos(11. α 6 ) + cos (11. α 7 )] (2. 20) 0 = [cos(13. α 1 ) + cos(13. α 2 ) + cos (13. α 3 ) + cos(13. α 4 ) + cos(13. α 5 ) + cos (13. α 6 ) + cos (13. α 7 )] (2. 21) 0 = [cos(15. α 1 ) + cos(15. α 2 ) + cos (15. α 3 ) + cos(15. α 4 ) + cos(15. α 5 ) + cos (15. α 6 ) + cos (15. α 7 )] (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. α 1 α 2 α 3 α 4 α 5 α 6 α (ms) 0.466(ms) 1.190(ms) 1.461(ms) 1.983(ms) 2.310(ms) 3.054(ms) rd rd rd rd rd rd rd [9] La ubicación de los ángulos se indica en la figura 20.

59 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 Cálculo del TDH I TDH = n 1 E n 2 2 E 1 = E t 2 2 E % (2. 23) E 1 Cálculo del valor RMS de la Fundamental (Figura 19) e 1 = Una vez calculado el termino Bn en la ecuación 2.7 remplazamos n=1; obteniendo así la amplitud de la fundamental. 4E 7 1. π [cos(1. α 1) + cos(1. α 2 ) + cos(1. α 3 ) + cos(1. α 4 ) + cos(1. α 5 ) + cos (1. α 6 ) + cos (1. α 7 )] (2. 24) II E 1 = e 1 2 Y su valor RMS es: (2. 25) E 1 = 2( 2)E [cos(α1) + cos(α2) + cos(α3) + cos(α4) + cos(α5) + cos(α6) 7π + cos(α7)] (2. 26) III E 2 1 = 8E2 [cos(α1) + cos(α2) + cos(α3) + cos(α4) + cos(α5) + cos(α6) 49π2 + cos(α7)] 2 (2. 27) 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 2 T E t = 1 T e 2 (wt) d(wt) 0 (2. 28) CONTINÚA

60 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. E 2 t = 1 2π 2π e 2 (wt) d(wt) 0 (2. 29) π 2 E 2 t = 4 2π e 2 (wt) d(wt) 0 (2. 30) E 2 t = 2 α1 α2 π [ (0)2. d(wt) + ( E 2 α3 2 7 ) 2. E. d(wt) + ( 7 ). d(wt) 0 α1 α4 2 α E + ( 7 ) 4. E. d(wt) + ( 7 ). d(wt) α3 α4 α2 α6 2 α7 2 π/ E + ( 7 ) 6. E. d(wt) + ( 7 ) 7. E. d(wt) + ( 7 ). d(wt) ] α5 α6 α7 E 2 t = 2 E2 π [ π 2 1α 1 3α 2 5α 3 7α 4 9α 5 11α 6 13α 7 ] (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%

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

62 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 INVERSOR MONOFÁSICO MULTINIVEL DE TRES ETAPAS EN CASCADA NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 B D1 SC SW2 B D2 SC SW3 ASC D3 C SW4 AC D4 SC SW5 B D5 SC SW6 B D6 SC OPERACIÓN 0 V 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 B= EN BLOQUEO AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C= EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

63 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. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 AC D1 SC SW2 B D2 SC SW3 B D3 SC SW4 AC D4 SC SW5 B D5 SC SW6 B D6 SC OPERACIÓN 24 V 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

64 45 Tabla 7.3: 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 48 V. NIVEL DESCRIPCIÓN 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 OPERACIÓN 48 V 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIONES [9]

65 46 Tabla 7.4: 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 72 V NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 AC D1 SC SW2 B D2 SC SW3 B D3 SC SW4 AC D4 SC SW5 AC D5 SC SW6 B D6 SC OPERACIÓN 72 V 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

66 47 Tabla 7.5: 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 96 V NIVEL DESCRIPCIÓN 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 OPERACIÓN 96 V 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

67 48 Tabla 7.6: 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 120 V. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 AC D1 SC SW2 B D2 SC SW3 B D3 SC SW4 AC D4 SC SW5 B D5 SC SW6 B D6 SC OPERACIÓN 120 V. 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 = V SW=IGBT, D=DIODO B= EN BLOQUEO AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

68 49 Tabla 7.7: 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 144 V. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 B D1 SC SW2 B D2 SC SW3 ASC D3 C SW4 AC D4 SC SW5 AC D5 SC SW6 B D6 SC OPERACIÓN 144 V. 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 = V SW=IGBT, D=DIODO B= EN BLOQUEO AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

69 50 Tabla 7.8: 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 168 V. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 AC D1 SC SW2 B D2 SC SW3 B D3 SC SW4 AC D4 SC SW5 AC D5 SC SW6 B D6 SC OPERACIÓN 168 V. 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 = V SW=IGBT, D=DIODO B= EN BLOQUEO AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

70 51 A continuación, los tiempos del ciclo negativo serán los siguientes: Tabla 7.9: 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. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 B D1 SC SW2 AC D2 SC SW3 AC D3 SC SW4 B D4 SC SW5 B D5 SC SW6 B D6 SC OPERACIÓN -24 V. 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

71 52 Tabla 7.10: 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 - 48 V. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 B D1 SC SW2 B D2 SC SW3 AC D3 SC SW4 ASC D4 C SW5 B D5 SC SW6 AC D6 SC OPERACIÓN - 48 V. 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

72 53 Tabla 7.11: 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 -72V. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 B D1 SC SW2 AC D2 SC SW3 AC D3 SC SW4 B D4 SC SW5 B D5 SC SW6 AC D6 SC OPERACIÓN -72 V. 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCION C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

73 54 Tabla 7.12: 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 -96 V. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 B D1 SC SW2 B D2 SC SW3 AC D3 SC SW4 ASC D4 C SW5 B D5 SC SW6 B D6 SC OPERACIÓN -96 V 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

74 55 Tabla 7.13: 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 -120 V. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 B D1 SC SW2 AC D2 SC SW3 AC D3 SC SW4 B D4 SC SW5 B D5 SC SW6 B D6 SC OPERACIÓN -120 V. 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

75 56 Tabla 7.14: 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 -144 V. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 B D1 SC SW2 B D2 SC SW3 AC D3 SC SW4 ASC D4 C SW5 B D5 SC SW6 AC D6 SC OPERACIÓN -144 V 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

76 57 Tabla 7.15: 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 -168 V. NIVEL DESCRIPCIÓN SW1 B D1 SC SW2 AC D2 SC SW3 AC D3 SC SW4 B D4 SC SW5 B D5 SC SW6 AC D6 SC OPERACIÓN -168 V 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 AC=ACTIVO CON CONDUCCIÓN ASC = ACTIVO SIN CONDUCCIÓN C=EN CONDUCCIÓN SC=SIN CONDUCCIÓN [9]

77 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. e (wt) t (s) s 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.

78 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 CONTROLADOR REQUERIMIENTO 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

79 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.

80 61 Tabla 9: Características del microcontrolador. CARACTERÍSTICAS DEL MICROCONTROLADOR PARÁMETRO VALOR NOMINAL 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 [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.

81 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.

82 63 Tabla 10: Tiempos de activación de cada IGBT. (Ver figura 21) TIEMPO IGBT IGBT IGBT IGBT IGBT IGBT IGBT IGBT IGBT IGBT (us) IGBT 11 IGBT 12 t1= t2= t3= t4= t5= t6= t7= t8= t9= t10= t11= t12= t13= t14= t15= t16= t17= t18= t19= t20= t21= t22= t23= t24= t25= t26= t27= t28= t29= t30= [9]

83 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.

84 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.

85 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]

86 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]

87 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 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]

88 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 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 PARÁMETRO Voltaje Carga Corriente Carga Frecuencia Carga [9] VALOR NOMINAL 110 VRMS 2 A 60Hz Monofásica 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.

89 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]

90 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.

91 72 e(wt) t(s) Figura 32: Forma de Onda Ideal a la salida del inversor. [9]

92 Pulsos de los IGBT obtenidos por el módulo de adquisición de datos (LV DAM EMS) 73 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]

93 74 Figura 33c: Pulso del IGBT 3. [10] Figura 33d: Pulso del IGBT 4. [10]

94 75 Figura 33e: Pulso del IGBT 5. [10] Figura 33f: Pulso del IGBT 6. [10]

95 76 Figura 33g: Pulso del IGBT 7. [10] Figura 33h: Pulso del IGBT 8. [10]

96 77 Figura 33i: Pulso del IGBT 9. [10] Figura 33j: Pulso del IGBT 10. [10]

97 78 Figura 33k: Pulso del IGBT 11. [10] Figura 33l: Pulso del IGBT 12. [10]

98 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 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]

99 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 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. VALOR VALOR ERROR (%) CALCULADO OBTENIDO [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.

100 81 ÁNGULOS DE DISPARO Ángulo de disparo 1 (α1) [ms] Figura 35a. Ángulo de Disparo 1 (α1). [10] Ángulo de disparo 2 (α2) [ms] Figura 35b. Ángulo de Disparo 2 (α2). [10]

101 82 Ángulo de disparo 3 (α3) [ms] Figura 35c. Ángulo de Disparo 3 (α3). [10] Ángulo de disparo 4 (α4) [ms] Figura 35d. Ángulo de Disparo 4 (α4). [10]

102 83 Ángulo de disparo 5 (α5) [ms] Figura 35e. Ángulo de Disparo 5 (α5). [10] Ángulo de disparo 6 (α6) [ms] Figura 35f. Ángulo de Disparo 6 (α6). [10]

103 84 Ángulo de disparo 7 (α7) [ms] Figura 35g. Ángulo de Disparo 7 (α7). [10] 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]

104 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] de laboratorio. A continuación se presenta los valores obtenidos en las pruebas Tabla 13: Tabla Comparativa de Resultados. CARGA RESISTIVA EN EL GENERADOR (A) SALIDA AL MOTOR VOLTAJE CORRIENTE (V) (A) , , , , , , ,1 0, ,1 0, ,1 0, ,1 [9]

105 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 Alcance y Limitaciones 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 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.

106 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 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.

107 88 Tabla 14: Rubros financiados. CANT. DESCRIPCIÓN VALOR UNIT. TOTAL 12 IGBT Microcontrolador Atmel 164P Opto acoplador 4N Caja Metálica m Cable conductor AWM número m Cable macho-hembra arduino Resistencias ,48 6 Fusibles de protección 2A ,50 10m Estaño Disipador Fuente de alimentación lineal Fuente de alimentación ATX 6A Interruptor On/Of Pulsador Tomacorrientes Conector de 2 pines para ,50 1 Conector de 12 pines para los IGBT s ,50 12 Borneras ,80 6 Porta fusibles Terminales tipo ojo ,40 4 Condensador Cortapicos 110V - 30A Baquelita A Osciloscopio portátil 5M Punta de prueba para osciloscopio1/ Plug hembra Mica de plástico 6mm TOTAL [9]

108 89 Sumando los rubros a financiar y los gastos varios se obtiene: Inversión total: G. Rubros a financiar + G. varios. Inversión total = 1543, Inversión total = $ 1943,58

109 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

110 91 contenido armónico mejor será la calidad de la señal a la salida del inversor 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.

111 92 BIBLIOGRAFÍA [1] Rashid, M. H. Electrónica de potencia, Tercera ed., Pearson Educacion, S.A [2] Hart, D. W. Introducción a la Electrónica de Potencia, Primera ed., Madrid, Pearson Educacion, S.A., [3] Mohan. N. Electrónica de potencia, Tercera ed., Monterrey, Mc Graw Hill [4] Angulo Usategu J. M. i, Microcontroladores PIC. Diseño práctico de aplicaciones, 3ra ed., Madrid: McGraw-Hill, [5] A. Bretón, Diseño y Construcción de un Inersor Trifasico Multinivel, Chile, [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 [7] Ross J. N., The Power of Electronics, Benavent, Electrónica de Potencia, Teoría y Aplicaciones, México: Alfaomega, [8] L. A. T. Grisales, Diseño e implementación de un inversor trifasico multinivel con fijacion de diodos, Pereira, [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 [11] Electronic components datasheet search. FGA40N65SMD Datasheets. [Citado el 05/02/2013]

112 93 [12] Electronic components datasheet search. ATMEGA164P Datasheets, [Citado el 15/05/2013] [13] Lopez C. Electricidad. [Citado el 15/05/2013] [14] Clasificación de los transistores. [Citado el 24/ 01/2013] [15] Gaitan D. Electrónica de potencia. [Citado el 18/09/2013] [16] H.S. Electrónica de potencia. [Citado el 20/10/2013] [17] Calderon. Introducción a los microcontroladores. [Citado el 20/10/2013]

113 Anexos 94

114 Anexo 1 CÓDIGO DEL MICROCONTROLADOR

115 A1 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE 1/5 CÓDIGO DEL MICROCONTROLADOR ATMEGA164P $regfile = "m164pdef.dat" $crystal = Dim Onoff As Byte Config Int0 = Falling On Int0 Encender Enable Int0 microcontrolador a utilizar 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 velocidad del oscilador interno (MHz) variable para encendido apagado configuración de la interrupción externa pulsador on/off rutina donde se ejecuta la interrupción habilito interrupción Wait 1 Enable Interrupts Do Onoff = 0 Do Reset Portb.0 tiempo de espera de 1 segundo Habilito todas las interrupciones inicio de lazo infinito empiezo apagado el equipo Si no he presionado apago el led indicador

116 A1 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE 1/5 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 = &B : Porta = &B Valor de t1 Waitus 400 Portc = &B : Porta = &B Valor de t2 Waitus 70 Portc = &B : Porta = &B Valor de t3 Waitus 720 Portc = &B : Porta = &B Valor de t4 Waitus 270 Portc = &B : Porta = &B Valor de t5 Waitus 520 Portc = &B : Porta = &B Valor de t6 Waitus 330 Portc = &B : Porta = &B Valor de t7 Waitus 740

117 A1 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE 1/5 Portc = &B : Porta = &B Valor de t8 Waitus 2540 Portc = &B : Porta = &B Valor de t9 Waitus 740 Portc = &B : Porta = &B Valor de t10 Waitus 330 Portc = &B : Porta = &B Valor de t11 Waitus 520 Portc = &B : Porta = &B Valor de t12 Waitus 270 Portc = &B : Porta = &B Valor de t13 Waitus 720 Portc = &B : Porta = &B Valor de t14 Waitus 70 Portc = &B : Porta = &B Valor de t15 Waitus 400 Portc = &B : Porta = &B Valor de t16 Waitus 400

118 A1 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE 1/5 Portc = &B : Porta = &B Valor de t17 Waitus 70 Portc = &B : Porta = &B Valor de t18 Waitus 720 Portc = &B : Porta = &B Valor de t19 Waitus 270 Portc = &B : Porta = &B Valor de t20 Waitus 520 Portc = &B : Porta = &B Valor de t21 Waitus 330 Portc = &B : Porta = &B Valor de t22 Waitus 740 Portc = &B : Porta = &B Valor de t23 Waitus 2240 Portc = &B : Porta = &B Valor de t24 Waitus 740 Portc = &B : Porta = &B Valor de t25 Waitus 330

119 A1 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE 1/5 Portc = &B : Porta = &B Valor de t26 Waitus 520 Portc = &B : Porta = &B Valor de t27 Waitus 270 Portc = &B : Porta = &B Valor de t28 Waitus 720 Portc = &B : Porta = &B Valor de t29 Waitus 70 Portc = &B : Porta = &B Valor de t30 Waitus 400 Loop Until Onoff = 1 si presiono el pulsador apago el motor Waitms 500 Enable Int0 Loop End eliminador de rebotes 'fin del programa rutina de interrupción Encender: deshabilito la interrupción onoff = 1 para apagar motor Disable Int0 Onoff = 1 Return

120 Anexo 2 HOJA DE DATOS DEL IGBT FGA 40N65SMD

121 A2 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE 2/5

122 Anexo 3 MICROCONTROLADOR ATMEL 164P

123 A3 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE 3/5 MICROCONTROLADOR ATMEL 164P

124 Anexo 4 DIAGRAMA DE CONEXIONES DE LAS FUENTES A CADA PUENTE H

125 A4 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE 4/5 DIAGRAMA DE CONEXIONES DE LAS FUENTES A CADA PUENTE H

126 Anexo 5 UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES EN EL CIRCUITO IMPRESO DE LA ETAPA DE CONTROL Y POTENCIA

127 A5 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE 5/5 UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES EN EL CIRCUITO IMPRESO ETAPA DE POTENCIA. UBICACIÓN DE LOS COMPONENTES EN EL CIRCUITO IMPRESO ETAPA DE CONTROL

128 ANEXO 6 PRÁCTICA

129 CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA INVERSOR MONOFÁSICO MULTINIVEL DE TRES ETAPAS CONECTADAS EN CASCADA PRÁCTICA CIRCUITO DE CONTROL DEL INVERSOR MULTINIVEL.

130 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

131 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

132 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.) 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]

133 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]

134 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 = 2 Ns+1 1 (1.2)

135 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, D Figura H.4.: Configuración de un puente H de tres niveles. [9]

136 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]

137 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) 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]

138 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. 1 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,

139 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. 1 2 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 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.

140 POWER LED LOW POWER INPUT 24V - AC COMPUTER I/O I I I I I I IGBT S FUSIBLES CONTROL AC L AC N PM + PM MÓDULO - FUENTE MOTOR/GENERADOR CC MOTOR/GENERADOR CC ON 1 2 MAD (Módulo de adquisición OFF M + M V - AC V - AC 120 V - 3A 120 V - 3A de datos LV DAM EMS) GND ON BANDA BANDA 1 2 CARGA RESISTIVA DATA ACQUISITION INTERFACE VOLTAGE CURRENT ANALOG ANALOG T INPUTS N 1 OUTPUTS 2 E1 I1 E2 I2 AUXILIARY ANALOG INPUTS E3 I SYNC INPUT ESPE DEPARTAMENTO 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 OFF 2 3 N 2 3 N V - DC 1 2 N N LAB - VOLT 3 4 3A SERIE V- 0.4A SHUNT REOSTATO DE CAMPO 7 8 LAB - VOLT 3 4 3A SERIE V- 0.4A SHUNT REOSTATO DE CAMPO 7 8 LAB - VOLT 0 0.1A 1200O 0.2A 600O 0 0.4A 300O 0 0.1A 1200O 0.2A 600O 0 0.4A 300O 0 0.1A 1200O 0.2A 600O 0 0.4A 300O Figura H.10.: Diagrama de Conexión de los equipos. [9]

141 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. e(wt) t(s) Figura H.11.: Forma de Onda Ideal a la salida del inversor. [9]

142 INPUTS ANALOG OUTPUTS AUXILIARY ANALOG INPUTS SYNC INPUT POWER LED LOW POWER INPUT 24V - AC COMPUTER I/O En la tabla 1., se indica el valor de los ángulos que forma la onda total. Tabla 1. Ángulos de disparo α 1 α 2 α 3 α 4 α 5 α 6 α (ms) 0.466(ms) 1.190(ms) 1.461(ms) 1.983(ms) 2.310(ms) 3.054(ms) rd rd rd rd rd rd 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. IGBT S FUSIBLES CONTROL AC L AC N PM + PM MÓDULO - FUENTE ON MAD (Módulo de adquisición de OFF M + M V - AC V - AC VOLTAGE CURRENT ANALOG T N 1 2 E1 I1 E2 I2 E3 I3 datos LV DAM EMS) DATA ACQUISITION INTERFACE ESPE DEPARTAMENTO 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 GND ON OFF N N V - DC 1 2 N N LAB - VOLT 2 3 TERMINALES CONECTADOS A 3 Y 2 RESPECTIVAMENTE DEL MOTOR/GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA 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]

143 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]

144 Figura H 13b: Pulso del IGBT 2. [10] Figura H 13c: Pulso del IGBT 3. [10]

145 Figura H 13d: Pulso del IGBT 4. [10] Figura H 13e: Pulso del IGBT 5. [10]

146 Figura H 13f: Pulso del IGBT 6. [10] Figura H 13g: Pulso del IGBT 7. [10]

147 Figura H 13h: Pulso del IGBT 8. [10] Figura H 13i: Pulso del IGBT 9. [10]

148 Figura H 13j: Pulso del IGBT 10. [10] Figura H 13k: Pulso del IGBT 11. [10]

149 INPUTS A NA LOG OUTP UTS AUXILIARY ANALOG INPUTS SYNC INPUT POWER LED LOW POWER INPUT 24V - AC COMPUTER I/O Figura H 13l: Pulso del IGBT 12. [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. IGBT S FUSIBLES CONTROL AC L AC N PM + PM MÓDULO - FUENTE ON MAD (Módulo de adquisición de datos LV DAM EMS) VOLTAGE CURRENT A NA LOG T N 1 2 E1 I1 E2 I2 E3 I3 DATA ACQUISITION INTERFACE M + M OFF ON GND ESPE DEPARTAMENTO 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 Figura H.14.: Conexión del módulo del inversor multinivel al módulo gestión de adquisición de datos (LV DAM EMS) E2. OFF 120 V - AC V - AC V - DC N N N N LAB - VOLT 2 3 T ERMINALES CONECT ADOS A 3 Y 2 RESPECTIVAMENTE DEL MOTOR/GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA y

150 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 Ángulo de disparo 1 (α1) [ms] Figura H 16a. Ángulo de Disparo 1 (α1). [10]

151 Ángulo de disparo 2 (α2) [ms] Figura H 16b. Ángulo de Disparo 2 (α2). [10] Ángulo de disparo 3 (α3) [ms] Figura H 16c. Ángulo de Disparo 3 (α3). [10]

152 Ángulo de disparo 4 (α4) [ms] Figura H 16d. Ángulo de Disparo 4 (α4). [10] Ángulo de disparo 5 (α5) [ms] Figura H 16e. Ángulo de Disparo 5 (α5). [10]

153 Ángulo de disparo 6 (α6) [ms] Figura H 16f. Ángulo de Disparo 6 (α6). [10] Ángulo de disparo 7 (α7) [ms] Figura H 16g. Ángulo de Disparo 7 (α7). [10]

154 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. Analizador de armónicos Figura H.17: Onda generada por el inversor multinivel monofásico 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]

155 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 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

156 - 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.

157 PARTES QUE COMPONEN EL MÓDULO DIDÁCTICO DEL INVERSOR MULTINIVEL.

158 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

159 se pueden medir diferentes señales que son importantes para el análisis y comprensión del funcionamiento del mismo. Figura H.22. H.23. Figura H.22.: Módulo Principal Carga Inductiva: Motor de CC para la realización de las pruebas. Figura 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).