Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, V Edición 2016, No. 12 (15)
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 5 Vol. 1 / 2016 (15) ISSN 1390 - 7395 (12/15)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
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SARZOSA D., PROTOTIPO DE INVERSOR MULTINIVEL MONOFÁSICO EN CASCADA
PROTOTIPO DE INVERSOR MULTINIVEL MONOFÁSICO EN CASCADA
PROTOTYPE INVERTER SINGLE-PHASE MULTILEVEL IN CASCADE
David de Jesús Sarzosa Ante
1
1
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Unidad de Gestión de Tecnologías - ESPE
Quijano y Ordóñez S/N y Hermanas Páez
Email: sadavid@espe.edu.ec
RESUMEN
Se expone y prueba el diseño, construcción,
e implementación de un inversor multinivel
monofásico en cascada. El cual tiene la
nalidad de generar corriente alterna a
partir de fuentes de corriente continua con
valores a la salida del inversor de 120Vac y
2A.
La obtención de la corriente alterna se realiza
mediante la conmutación de los IGBT´s
generando así una señal casi sinusoidal a la
salida del inversor.
Palabras Clave:
Inversor multinivel, prototipo, armónicos,
igbt, etapa de control, etapa de potencia.
Abstract
This paper presents the design, construction
and implementation of an inverter single-
phase multilevel in cascade. Which has the
purpose of generating alternating current
from current sources continues with values
to the exit of the investor of 120Vac and 2A.
The obtaining of the alternating current from
by means of the commutation of the IGBT’s
generating this way an almost sinusoidal
sign to the exit of the inverter.
Keywords:
Armonics, igbt, multilevel converters,
prototype, stage control, stage power.
1. INTRODUCCIÓN
Los inversores multinivel son inversores
de última tecnología que pueden generar
corrientes o incluso voltajes sinusoidales
con mucho menor contenido armónico.
[1] Si el número de niveles es lo
sucientemente 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.
[4] 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
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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.
La investigación se basa en un inversor
multinivel en cascada que consiste en una
serie de unidades inversoras de medio
puente (monofásicas, puente completo).
[5]. 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. [2]
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Requerimientos para la implementación
del inversor monofásico.
En la tabla 1 se indica las características
de diseño que se tomó en cuenta para el
inversor multinivel.
Tabla 1: Características de diseño seleccionado.
CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO DEL
INVERSOR SELECCIONADO
PARÁMETRO ELECCIÓN
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
Etapa de potencia
Para la etapa de potencia del inversor
monofásico multinivel de tres etapas
conectadas en cascada planteado en la
investigación, existen varios parámetros
iniciales a considerar:
Parámetros para la etapa de potencia
Para 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 VALOR NOMINAL
Voltaje Carga 110 VRMS
Potencia 200 Watts
Frecuencia 60Hz
Selección de fuente de alimentación
El requerimiento de las fuentes se basa en
el tipo de alimentación asimétrica y en la
corriente de salida que es de 2 A.
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 no es sinusoidal, por lo que esta
es solo una aproximación, 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:
.Vrms
Vm x
Ec
2
1
á
=
.V
V
168
2
118 79
==
Esto se realiza por que la señal es casi
sinusoidal.
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En la tabla 3 se indica las fuentes de
alimentación utilizadas, con una corriente
de 6A, esta corriente nos ayudará en el
arranque del motor por que la corriente
arranque es 5 – 6 veces la corriente nominal.
Los valores necesarios para la selección de
las fuentes se detallan a continuación.
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
Selección del dispositivo de potencia
En la gura 1, se indica el esquema de
conexiones utilizado para el desarrollo de la
selección del dispositivo de potencia.
Figura 1. Inversor monofásico multinivel de tres
etapas conectado en cascada.
La utilización del IGBT como dispositivo
de potencia en el proyecto se justica 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 se detalla
los requerimientos para la selección del
dispositivo de potencia.
REQUERIMIENTOS PARA EL DISPOSITIVO
DE POTENCIA
DISPOSITIVO REQUERIMIENTO
IGBT
IGBT A UTILIZAR: 12
Iarranque: 6 A
V: 168 Vmaxdc
FRECUENCIA DE
CONMUTACIÓN: 60
HZ
TIPO: DE POTENCIA
Los parámetros técnicos especícos del
dispositivo se muestran a continuación.
Imáx por IGBT = Imáx carga
Imáx carga = 2A
∑Fuentes de alimentación Inversor = 168
Vdc.
Basado en los parámetros de corriente y
voltaje de diseño máximos se procedió
a validar las capacidades del IGBT
seleccionado FGA40N65SMD, que cumple
las condiciones necesarias para el
funcionamiento del inversor.
Diseño de la etapa de control
Antes de la selección del dispositivo de
control se detallará las señales que este
entregará para el funcionamiento del
inversor multinivel, es por esto 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 es los pulsos que el microcontrolador
debe entregar al inversor multinivel para su
funcionamiento.
Selección del ángulo de disparo para
minimizar la distorsión armónica.
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
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voltaje de salida.
Cálculo del TDH
.TDH
E
EE
Ec100 2
t
1
2
2
1
2
$
=
-
La relación de las armónicas existentes está
dada en función de los ángulos posibles de
la siguiente forma.
() ()
()
() () ()
()].
E
E
CosCos
Cos
CosCos Cos
CosEc
49
8
12
3
456
73
1
2
2
2
r
aa
a
aaa
a
=
+
+
+++
+
6
].
E
E
Ec
49
2
2
49
11 32 53
74 95 11 6137 4
t
2
2
2
r
r
aaa
a aaa
=
----
-- -
:
En la tabla 5 se indica los ángulos obtenidos
luego de igualar a cero cada una de las
ecuaciones son los siguientes:
Tabla 5. Ángulos
α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7
8.57° 10.08 25.72° 31.56° 42.85° 49.92° 66.01°
0.397
(ms)
0.466
(ms)
1.190
(ms)
1.461
(ms)
1.983
(ms)
2.310
(ms)
3.054
(ms)
Entonces el TDH obtenido al reemplazar en
la ecuación 1 es:
TDH=7.94%
Basado en los datos anteriores para el diseño
del inversor multinivel, se requiere que
el microcontrolador opere de la siguiente
manera, es por esto que se indicará los
pulsos y su manera de activación. En la
gura 2 se indica los pulsos de cada uno de
los IGBT´s con su forma de onda ideal.
La forma de onda ideal de voltaje de salida
del inversor monofásico multinivel de tres
etapas conectadas en cascada mediante las
señales de control se muestra en la gura 2.
Selección del microcontrolador
A continuación, en la tabla 6 se citará
los requerimientos y la justicación del
microcontrolador seleccionado.
Tabla 6: Requerimientos para el microcontrolador.
REQUERIMIENTOS PARA EL
MICROCONTROLADOR
DISPOSITIVO REQUERIMIENTO
CONTROLADOR
PUERTOS DIGITALES DE
SALIDA:
12 SALIDAS POR IGBT
1 SALIDA PARA UN LED
TEMPORIZADOR
FRECUENCIA
SEÑAL DE RELOG
ESPACIO DE MEMORIA
Puertos digitales con
interrupción: 1 Salida
para switch on/off,
1 Salida para pulsador
arranque
Figura 2 Forma de Onda Ideal
con los Pulsos de cada IGBT
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Implementación de la etapa de
potencia
Para la elaboración de las placas gura
3, se realiza un modelo puesto que los
dos restantes son iguales, tiene el mismo
circuito y funcionalidad cambiando nada
más sus conexiones entre sí.
Figura 3. Tarjeta de potencia
Implementación de la etapa de control
En la gura 4 se muestra el diagrama
eléctrico de conexiones de la etapa de
control del inversor multinivel monofásico.
Figura 4. Figura 4: Diagrama eléctrico de la
etapa de control.
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 gura 5 se observa el resultado del
módulo nal del prototipo didáctico de
inversor multinivel monofásico en cascada.
Figura 5. Módulo nal del Inversor
Multinivel Didáctico Monofásico en
Cascada
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se analizó los resultados obtenidos durante
el proceso de desarrollo de la investigación
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 7 de muestra los
valores ideales del inversor.
Tabla 7: Valores ideales del inversor.
VALORES IDEALES DEL INVERSOR
PARÁMETRO VALOR NOMINAL
Voltaje Carga 110 VRMS
Corriente Carga 2 A
Frecuencia 60Hz
Carga Monofásica
A. Forma de onda ideal y real del
inversor
Tomando en cuenta el prototipo realizado y
llevándolo a simulación, en la gura 6, se
generó el tipo de onda, esta onda es la ideal
generada.
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Figura 6. Forma de onda ideal generada
La forma de onda generada en el prototipo
se indica en la gura 7, cumpliendo así
con los niveles, tiempos y corrientes antes
mencionadas para su diseño.
Figura7. Forma de onda real generada
Resultado de distorsión armónica
total (tdh) adquirido por el módulo
de adquisión de datos (lv dam ems)
En la gura 8 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 8: Valor obtenido en la práctica del TDH.
El valor obtenido en esta práctica es de
7.9%, esto signica que el valor corresponde
al calculado.
Resultado de los ángulos de disparo
de cada nivel adquirido por el
módulo de adquisión de datos (lv
dam ems).
En la tabla 8 se indica los valores obtenidos
en el diseño y en la práctica en milisegundos
(ms), para su respectiva comparación de
resultados.
Tabla 8. Valores para el TDH obtenidos de forma
práctica
VALOR
CALCULADO
VALOR
OBTENIDO
ERROR (%)
0.397 0.40 0.75
0.466 0.47 0.85
1.190 1.20 0.83
1.461 1.47 0.61
1.983 2.00 0.85
2.310 2.33 0.85
3.054 3.07 0.50
Los valores que se detallan en la tabla 8, se
pueden apreciar de manera ilustrativa en la
gura 9.
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Figura 9: Vericación de los valores calculados y
obtenidos en la práctica.
Los valores obtenidos en esta práctica
están dentro del margen del error, lo que
quiere decir que lo diseñado a lo obtenido
se cumplió satisfactoriamente.
Resultados de las pruebas de
laboratorio.
En la tabla 9 se muestra los valores
obtenidos en las pruebas de laboratorio,
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 (gura 10).
A continuación, se presenta los valores
obtenidos en la prueba de laboratorio.
Tabla 9: Valores obtenidos en la prueba de
laboratorio.
CARGA
RESISTIVA
EN EL
GENERADOR
(A)
SALIDA MOTOR
VOLTAJE (V)
CORRIENTE
(A)
0 110 2
0,1 110 2
0,2 110 2
0,3 110 2
0,4 110 2
0,5 110 2
0,6 110 2,1
0,7 110 2,1
0,8 110 2,1
0,9 110 2,1
1,0 110 2,2
1,1 110 2,2
1,2 110 2,2
1,3 110 2,2
1,4 110 2,2
2,1 110 2,2
2,8 110 2,2
3,5 110 2,3
4,1 110 2,3
Los valores que se detallan en la tabla 9, se
pueden apreciar de manera ilustrativa en la
gura 11.
Figura 11: Vericación de los valores en la prueba
de laboratorio.
Figura 10: Módulo real de cargas resistivas
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En esta experimentación se obtuvo los
valores esperados en la parte de diseño, con
un voltaje de 110V y una corriente menor a
2.5A.
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.
4. CONCLUSIONES
• Se investigó la utilidad del inversor
multinivel monofásico de tres etapas,
obteniendo un equipo de potencia de
estructura compacta y robusta.
• Una vez construido el equipo, este
fue sometido a pruebas prácticas con
resultados exitosos.
• 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 puente “H” debe 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 obtuvimos 8 niveles.
• Las pruebas realizadas en el laboratorio
cumple satisfactoriamente con los
parámetros de diseño señalados al
inicio del segundo capítulo, pudiéndose
comprobar prácticamente las buenas
propiedades de la tecnología de los
inversores multinivel.
5. REFERENCIAS
[1] Benavent. (2001). Electrónica de
Potencia, Teoría y Aplicaciones.
México: Alfaomega.
[2] Hart, D. W. (2001). Introducción a
la Electrónica de Potencia. Madrid,
España: PEARSON EDUCACION, S.A.
[3] Mohan, N. (2009). Electrónica de
potencia (Tercera ed.). MONTERREY,
MEXICO.
[4] Rashid, M. H. (2004). Electrónica de
potencia (TERCERA ed.).
[5] Ross. (1997). The Power of
Electronics.
[6] Sarzosa D. (2015). Tesis diseño
y construcción de un prototipo
didáctico de inversor multinivel en
cascada, monofásico de tres etapas.
6. BIOGRAFÍA
1
David Sarzosa, nació
en Latacunga en
1986. Es Ingeniero
Electromecánico de
la Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE
en 2015. Su experiencia
laboral incluye
Sistemas Eléctricos,
Mantenimiento Industrial,
Control Industrial, Docencia desde el 2012
y a partir del 2015 es Docente de la Unidad
de Gestión de Tecnologías – ESPE. Su campo
de interés es la Automatización industrial,
Energías Alternativas, Optimización,
Robótica.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 16 junio 2016
Fecha aceptación 15 septiembre 2016
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