DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INVERSOR TRIFASICO MULTINIVEL DE 4 ETAPAS

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO MULTINIVEL

DE CUATRO ETAPAS PARA COMPENSACIÓN ARMÓNICA Y DE

REACTIVOS

ALBERTO ANDRES BRETÓN SCHUWIRTH

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Industrial, con Diploma en Ingeniería Eléctrica

Profesor Supervisor: JUAN W. DIXON ROJAS

Santiago de Chile, 2003

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA Departamento de (departamento)

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO MULTINIVEL

DE CUATRO ETAPAS PARA COMPENSACIÓN ARMÓNICA Y DE

REACTIVOS

ALBERTO ANDRÉS BRETÓN SCHUWIRTH

Memoria presentada a la Comisión integrada por los profesores:

JUAN DIXON R.

MAURICIO ROTELLA M.

LUIS MORAN T.

Para completar las exigencias del título de Ingeniero Civil Industrial, con Diploma en Ingeniería Eléctrica

Santiago de Chile, 2003

ii

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

iii

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer especialmente a mi Familia por todo el apoyo y cariño brindado durante estos años de estudio. Gracias por su paciencia.

Una especial mención merece el profesor Juan Dixon por su ayuda y apoyo incondicional, permitiendo desarrollar y terminar con éxito este proyecto.

También agradezco la colaboración a tantas otras personas que me ayudaron e hicieron posible que esto se concretara. Entre ellos quiero mencionar a Micah Ortúzar y a los funcionarios del Departamento de Ingeniería Eléctrica, especialmente Eduardo Cea. Gracias por su apoyo incondicional.

iv

INDICE GENERAL

Pág.

DEDICATORIA................................................................................................................ ii

AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................iii

INDICE GENERAL......................................................................................................... iv

INDICE DE TABLAS.....................................................................................................vii

INDICE DE FIGURAS .................................................................................................... ix

RESUMEN.....................................................................................................................xiv

ABSTRACT.................................................................................................................... xv

I. Introduccion ............................................................................................................. 1 1.1. Objetivos de la Memoria................................................................................. 1

1.1.1. Origen de la Memoria ........................................................................... 1 1.1.2. Cobertura de la Memoria ...................................................................... 1 1.1.3. Organización de la Memoria................................................................. 2

1.2. Inversores Multinivel ...................................................................................... 2 1.2.1. Inversor Acoplado por Diodo (Diode-Clamped Inverter)..................... 5 1.2.2. Inversor Acoplado por Condensador (Capacitor Clamped Inverter) .... 8 1.2.3. Inversor Multietapa con Puentes H e Inversores en Cascada ............. 10 1.2.4. Inversor Multietapa en Cascada con Fuente Común .......................... 16

II. Características del Inversor Multinivel de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Común........................................................................................................ 19 2.1. Inversor Multinivel de Cuatro Etapas en Cascada con Fuentes

Independientes............................................................................................... 19 2.1.1. Modulación de Voltaje........................................................................ 21 2.1.2. Distribución de Potencia..................................................................... 23

2.2. Inversor Multinivel de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Común......... 25 2.2.1. Modulación de Voltaje........................................................................ 26

v

2.2.2. Distribución de Potencia..................................................................... 30 2.2.3. Forma de la Corriente. ........................................................................ 31

2.3. Comparación de Inversores ........................................................................... 32

III. Diseño y Construcción........................................................................................... 37 3.1. Circuito de Potencia ...................................................................................... 38 3.2. Descripción de los IGBTs Utilizados............................................................ 39 3.3. Circuitos Impresos del Inversor .................................................................... 40

3.3.1. Tarjeta de Potencia.............................................................................. 40 3.3.2. Tarjeta de Disparo............................................................................... 44 3.3.3. Circuito Impreso de Interconexión ..................................................... 49

3.4. Fuente de Poder............................................................................................. 50 3.5. Transformadores............................................................................................ 51 3.6. Disipador de Calor ........................................................................................ 54

3.6.1. Diseño Térmico del Disipador............................................................ 55 3.6.2. Montaje del Disipador ........................................................................ 57

3.7. Armazón y Disposición de los Componentes ............................................... 59 3.8. Conexiones Eléctricas. .................................................................................. 63

3.8.1. Conexiones de Alimentación. ............................................................. 64 3.8.2. Conexiones de Potencia...................................................................... 65 3.8.3. Conexiones de Disparo ....................................................................... 68

3.9. Montaje del Inversor. .................................................................................... 68 3.10. Inversor Construido....................................................................................... 70

IV. Resultados Experimentales.................................................................................... 73 4.1. Tensión de Salida del Inversor. ..................................................................... 74 4.2. Corriente de Salida del Inversor.................................................................... 76 4.3. Comparación con Inversor PWM.................................................................. 77

V. Conclusiones y Trabajo Futuro.............................................................................. 79

BIBLIOGRAFIA............................................................................................................. 80

ANEXO A: Diagramas Esquemáticos Utilizados con el Software “Power Electronics Simulator”........................................................................................... 83

vi

ANEXO B: Datos Técnicos ............................................................................................ 87

ANEXO C: Detalles Circuito Impreso de Potencia. ..................................................... 119

ANEXO D: Detalles Circuito Impreso de Disparo. ...................................................... 125

ANEXO E: Detalles Circuito Impreso de Interconexion. ............................................. 127

ANEXO F: Detalles de la Fuente de Poder................................................................... 130

ANEXO G: Calculos Térmicos.................................................................................... 133

ANEXO H: Fotogracias de las Vistas Superior e Inferior del Inversor. ....................... 139

ANEXO I: Programa de Control del Inversor............................................................... 142

vii

INDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla 1.1 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(a) ............................. 6

Tabla 1.2 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(b)............................. 7

Tabla 1.3 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (a) ............................ 9

Tabla 1.4 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (b)............................ 9

Tabla 1.5 Secuencia de encendido para puente H de la figura 1.6.................................. 12

Tabla 1.6 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.7 ............................... 13

Tabla 1.7 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(a) ........................... 15

Tabla 1.8 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(b)........................... 15

Tabla 1.9 Número de niveles de tensión para inversores Simétricos y Asimétricos de diferente número de etapas. .............................................................................. 16

Tabla 2.1 Potencias suministradas por cada puente (Inversor con Fuentes Independientes). ..................................................................................................... 25

Tabla 2.2 Potencias suministradas por cada puente (Inversor de Fuente Común).......... 31

Tabla 3.1 Voltajes en los secundarios de cada etapa....................................................... 52

Tabla 3.2 Relación de voltaje entre primarios y secundarios por etapa .......................... 53

Tabla 3.3 Potencia para los transformadores de cada etapa ............................................ 54

Tabla E.1 Descripción terminales figura E.2 ................................................................ 129

Tabla F.1 Corrientes que debe suministrar la Fuente de Poder..................................... 130

Tabla F.2 Corrientes de diseño para la Fuente de Poder. .............................................. 131

viii

Tabla G.1 Datos para cálculos térmicos........................................................................ 135

Tabla G.2 Resistencias térmicas del disipador original y el utilizado........................... 138

ix

INDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura 1.1: Inversor de (a) 2 niveles, (b) 3 niveles, (c) m niveles.................................... 3

Figura 1.2 Esquema de Inversor Acoplado por Diodo. (a) Tres niveles. (b) Cinco niveles. ..................................................................................................................... 6

Figura 1.3 Esquema Inversor con Condensador de Acople. (a) Tres niveles. (b) Cinco niveles. .......................................................................................................... 8

Figura 1.5 Configuración de un puente H de tres niveles. ............................................. 11

Figura 1.6 Inversor en Cascada Simétrico de dos Etapas................................................ 13

Figura 1.7 Inversor en Cascada Asimétrico de dos Etapas (a) operando con cinco niveles (b) operando con siete niveles. .................................................................. 14

Figura 1.8 Inversor en Cascada Simétrico de dos Etapas con fuente común. ................. 17

Figura 1.9 Inversor en Cascada Asimétrico de dos Etapas. ............................................ 18

Figura 2.1 Una fase de Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuentes Independientes ....................................................................................................... 20

Figura 2.3 Voltaje Modulado en cada Etapa del Inversor. .............................................. 23

Figura 2.4 Distribución de Potencia Activa. ................................................................... 24

Figura 2.5 Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Común. .......................... 26

Figura 2.6 Voltaje Modulado en primarios y secundarios en cada etapa del inversor .................................................................................................................. 27

Figura 2.7 Tensión de salida del Inversor comparada con una sinusoide de referencia. .............................................................................................................. 29

Figura 2.8 Distribución de Potencia a) Carga R b) Carga RL......................................... 30

x

Figura 2.9 Corriente y Voltaje de salida para cargas R y RL. ......................................... 32

Figura 2.10 Corriente para carga RL en Inversor Multinivel y PWM ............................ 33

Figura 2.11 Voltajes de salida para Inversores Multinivel y PWM ................................ 34

Figura 2.12 Señal de disparo de uno los IGBT de la etapa del 3er Auxiliar .................... 35

Figura 3.1 Circuito esquemático de una fase del inversor. ............................................. 38

Figura 3.2 Dibujo del encapsulado en puente H, modelo P503-F-PM ........................... 39

Figura 3.3 Esquemático del encapsulado y asignación de pines del P503-F-PM ........... 40

Figura 3.4 Diseño del Circuito Impreso de la Tarjeta de Potencia.................................. 42

Figura 3.5 Fotografía Tarjeta de Potencia ....................................................................... 43

Figura 3.6 Diagrama esquemático del Circuito de Disparo. ........................................... 45

Figura 3.7 Diseño del Circuito Impreso de la Tarjeta de Disparo................................... 46

Figura 3.8 Fotografía Tarjeta de Disparo ........................................................................ 47

Figura 3.9 Interconexión de la Tarjeta de Potencia con las de Disparo. ......................... 48

Figura 3.10 a) Circuito Impreso b) Foto de la Tarjeta de Interconexión......................... 49

Figura 3.11 Diseño del Circuito Impreso de la Fuente de Poder .................................... 50

Figura 3.12 Fotografía Fuente de Poder.......................................................................... 51

Figura 3.13 Modelo térmico básico................................................................................. 55

Figura 3.14 Modelo térmico utilizado para los cálculos ................................................. 56

Figura 3.15 Disipador de Calor. ...................................................................................... 57

Figura 3.16 Distribución de los puentes en la base del Disipador .................................. 58

xi

Figura 3.17 Corte transversal por el Disipador ............................................................... 58

Figura 3.18 (a) Planta del armazón estructural (b) Detalle esquinas.............................. 59

Figura 3.19 Esquema vista superior del Inversor. ........................................................... 60

Figura 3.20 Esquema vista inferior del inversor. ............................................................ 61

Figura 3.21 Esquema corte por la fase central del inversor. ........................................... 62

Figura 3.22 Grupo de transformadores. .......................................................................... 63

Figura 3.23 Diagrama eléctrico conexiones de alimentación de alta tensión. ................ 64

Figura 3.24 Cableado de baja tensión a) Saliendo desde la Fuente de Poder b) Entrando a las Tarjetas de Potencia................................................................... 65

Figura 3.25 Diagrama eléctrico Alimentación DC de Potencia ...................................... 66

Figura 3.26 Conexión primarios Etapas 1er y 2do Auxiliar.............................................. 66

Figura 3.27 Diagrama eléctrico de Interconexión de Transformadores .......................... 67

Figura 3.28 Inversor Trifásico Multinivel de cuatro Etapas ........................................... 70

Figura 3.29 Sistema Integrado AC-AC con dos Inversores Multinivel .......................... 71

Figura 4.1 Esquema conexiones de pruebas.................................................................... 73

Figura 4.2 Tensión trifásica a la salida del inversor........................................................ 74

Figura 4.3 Simulación de señal de voltaje trifásico del inversor. ................................... 75

Figura 4.4 Onda de voltaje de un semiciclo .................................................................... 75

Figura 4.5 Simulación de la onda de voltaje de un semiciclo ......................................... 76

Figura 4.6 Voltaje y corriente de salida del inversor....................................................... 77

Figura 4.7 Simulación de voltaje y corriente de salida del inversor ............................... 77

xii

Figura 4.8 a)Voltaje inversor multinivel. b) Voltaje inversor PWM. ............................. 78

Figura 4.9 a) Corriente inversor multinivel. b) Corriente inversor PWM....................... 78

Figura A.1 Diagrama simulación Inversor con Fuentes Independientes......................... 84

Figura A.2 Diagrama simulación Inversor con Fuente Común....................................... 85

Figura A.3 Diagrama simulación Inversor PWM. .......................................................... 86

Figura C.1 Capacidad de líneas..................................................................................... 119

Figura C.2 Identificación de IGBTs dentro de cada puente H ...................................... 120

Figura C.3 Detalle Conectores de Potencia................................................................... 121

Figura C.4 Detalle conectores de control. ..................................................................... 122

Figura C.5 Detalle conectores de disparo...................................................................... 123

Figura D.1 Detalle Tarjeta de Disparo .......................................................................... 125

Figura D.2 Detalle ampliado terminales de disparo. ..................................................... 126

Figura D.3 Detalle conector de señales de disparo ....................................................... 126

Figura E.1 Detalle Tarjeta de Interconexión. ................................................................ 127

Figura E.2 Fotografía del conector para las señales de control ..................................... 128

Figura F.1 Diagrama esquemático Fuente de Poder...................................................... 131

Figura F.2 Detalles conectores Fuente de Poder ........................................................... 132

Figura G.1 Modelo térmico utilizado para los cálculos ................................................ 134

Figura H.1 Fotografía vista superior del inversor ......................................................... 139

Figura H.2 Fotografía vista inferior del inversor .......................................................... 140

xiii

Figura H.3 a) Conector de alimentación. b) Interruptor general ................................... 140

Figura H.4 a) Bornes de entrada de tensión continua. (b) Bornes de salida de tensión alterna...................................................................................................... 141

Figura H.5 Interconexión de transformadores............................................................... 141

xiv

RESUMEN

Los inversores multinivel son inversores de última tecnología que pueden generar corrientes o incluso voltajes sinusoidales con mucho menor contenido armónico que los inversores convencionales de dos niveles. Si el número de niveles es lo suficientemente alto, se puede obtener un voltaje y corriente casi perfecto. La tecnología multinivel permite generar señales de corriente y voltaje de mejor calidad que las obtenidas con técnicas de modulación por ancho de pulso. Esto ha motivado el desarrollo y construcción de un inversor de 4 etapas y 81 niveles de voltaje con esta tecnología.

En este trabajo se detallan todos los procesos realizados durante el período de diseño y construcción del inversor, comenzando con una presentación de algunos tipos de inversores multinivel, siguiendo con una profundización sobre el que se utilizará en esta memoria, para finalmente hacer una descripción completa del proceso de construcción propiamente tal y de las características del inversor construido.

Dada la topología utilizada en la implementación del inversor (fuente común y uso de transformadores), éste no está pensado para aplicaciones en frecuencia variable. Por esta razón, está pensado para la implementación de rectificadores de corrientes sinusoidales, filtros activos de potencia, compensadores estáticos de reactivos o inversores conectados a la red trifásica.

El inversor construido es capaz se soportar un corriente de aproximadamente 5A por fase con un voltaje de salida de 220Vac, con lo cual es capaz de suministrar una potencia de 1.1kVA por fase.

xv

ABSTRACT

Multilevel inverters are one of the latest technologies in inverters, which can generate sinusoidal currents and voltages with much less harmonic content than conventional two level inverters. If the number of levels is high enough, it is possible to obtain almost perfect voltages and currents. Multilevel technology allows generating current and voltage signals of much better quality that the ones obtained with modulation by wide-of-pulse techniques. This motivated the development and construction of a 4 stage inverter (81 voltage levels) with this technology.

Every step involved in the inverter’s design and construction processes are detailed in this work, beginning with a presentation of some types of multilevel inverters, following with a deepening on the one that will be used in this memory, and finally a detailed description of the construction process and the inverter’s characteristics.

Given the topology used in the implementation of the inverter (common source and the use of transformers), this one is not designed for applications of variable frequency. Therefore, it is designed for the implementation of sinusoidal current rectifiers, active power filters, static VAR compensators or inverters connected to the three-phase network.

The constructed inverter is capable of delivering currents up to 5A per phase with a voltage output of 220Vac, by which it’s able to provide power up to 1.1kVA per phase.

1

I. INTRODUCCION

1.1. Objetivos de la Memoria

En el presente trabajo se presenta el diseño y construcción de un Inversor Trifásico Multinivel de Cuatro Etapas utilizando semiconductores de potencia del tipo IGBT para la conmutación.

1.1.1. Origen de la Memoria

Esta memoria nace como respuesta a la necesidad de realizar proyectos de investigación con aplicaciones prácticas, donde se puedan obtener resultados reales del comportamiento de los Inversores Multinivel. Es parte de una serie de proyectos, con los cuales en conjunto, se pretende construir un sistema rectificador-inversor, que conectado a la red, pueda controlar un motor de inducción trifásico regulando el voltaje y la frecuencia de alimentación. Este trabajo ha desarrollado el lado rectificador, el cual podrá funcionar como compensador estático de reactivos y como filtro activo de potencia (rectificador activo).

1.1.2. Cobertura de la Memoria

El trabajo abarcó todo lo que se refiere a la construcción del inversor propiamente tal, incluyendo, a grandes rasgos, los transformadores de potencia de salida, la electrónica de potencia (IGBT) y los circuitos de disparo necesarios para integrar el control con los elementos de potencia.

Se dejó para un trabajo futuro el diseño del control del inversor, el que será específico para la aplicación ya definida en 1.1.1.

2

1.1.3. Organización de la Memoria

En el presente capítulo se presenta una introducción del trabajo realizado, además se muestra una descripción de los Inversores Multinivel, sus aplicaciones, ventajas y desventajas y su comparación con otros tipos de inversores que existen, como aquellos de dos niveles modulados en ancho de pulso (PWM).

En un segundo capítulo se describe el Inversor Multinivel desarrollado, basado en una configuración de cuatro etapas. Se muestran sus características de operación y se simula su comportamiento. Todos las simulaciones se realizaron utilizando el programa de simulación computacional Power Electronics Simulator (PSIM) [1].

En el tercer capítulo se describen los procesos de diseño y construcción del Inversor, detallándose cada una de las partes que lo componen y las funciones de estas.

En el cuarto capítulo se muestran los resultados experimentales obtenidos con el inversor, los que son comparados con una simulación bajo características de operación similares.

Finalmente, en el quinto capítulo, se presentan las conclusiones del presente trabajo y se hace una descripción del trabajo futuro.

1.2. Inversores Multinivel

La función general de un Inversor Multinivel es generar un voltaje alterno a partir de diferentes niveles de voltaje continuo [2]. Estos inversores multinivel pueden ser conectados en serie (con fuentes DC flotantes galvánicamente aisladas) o en paralelo (con fuente DC común y galvánicamente aislados con transformadores de potencia en la carga).

Un inversor multinivel individual se caracteriza por generar cierto número de niveles de tensión en la salida. Un inversor de dos niveles genera dos

3

niveles voltaje de salida, uno de tres niveles generará tres niveles de tensión y así sucesivamente. En la figura 1.1 se muestra un esquema básico de inversores con (a) dos (b) tres y (c) m niveles, donde los semiconductores de potencia están representados por interruptores ideales de varias posiciones.

VC

(a)

+

Va

a

0(b)

+

Va

a

0

+

(c)

+ Va

a

0

+VC

(m-1)

+VC

(m-2)

VC(1)VC

(1)

VC(2)

Figura 1.1: Inversor de (a) 2 niveles, (b) 3 niveles, (c) m niveles.

Generalizando, para este tipo de configuración, el número de niveles de la onda de voltaje de salida m de un inversor con n fuentes de voltaje queda determinado por la siguiente fórmula:

1+= nm (1.1)

Mientras mayor es el número de niveles de un inversor, mayor será el número de componentes y más complicado resulta el control para éste, pero por otro lado, el voltaje de salida tendrá mayor cantidad de pasos, formando una sinusoide escalonada con menor distorsión armónica. En la figura 1.2 se muestra la señal obtenida con distintos números de niveles de tensión de salida (3, 11, 31 y 81) y sus respectivas distorsiones armónicas, las que claramente disminuyen con el aumento del números de niveles.

4

Figura 1.2 Número de niveles y su distorsión armónica

Por otro lado, para aumentar el número de niveles es necesario incorporar mayor número de componentes, tanto en la electrónica de potencia como en la de control, lo que influye en la confiabilidad del equipo.

Entre las principales ventajas de los Inversores Multinivel se pueden destacar [3]:

a) Pueden generar voltajes de salida con distorsión extremadamente pequeña.

b) Las corrientes de salida son de muy baja distorsión.

c) Pueden operar con baja frecuencia de conmutación.

Además de lo anterior, los inversores multinivel son muy adecuados en accionamientos, pues solucionan los problemas presentados por los variadores de velocidad para motores con inversores de 2 niveles, controlados por modulación por ancho de pulso (PWM) [4]. Debido a la alta frecuencia de conmutación y los grandes dv/dt que genera la PWM, los motores sufren daños principalmente en los

5

rodamientos y en la aislación de los enrollados. Por esto es necesario utilizar motores especialmente diseñados, con aislaciones reforzadas y rodamientos aislados, para evitar el envejecimiento prematuro de la aislación y la corriente a través de los rodamientos. Además, las altas frecuencias de conmutación (10 kHz a 100 kHz) producen interferencia en los sistemas de comunicaciones y equipos electrónicos.

Otro problema que presentan los variadores de velocidad convencionales es la eficiencia. Debido a que el inversor debe conmutar a altas frecuencias (supersónicas), las pérdidas asociadas a la conmutación son normalmente más altas que las pérdidas por conducción. Además, un mayor contenido armónico de corriente genera mayores pérdidas en el motor, ya que aumenta su tempera de trabajo. Esto se traduce en una pérdida de eficiencia en la transformación de continua en alterna.

A continuación es describen algunas de las topologías más comunes para inversores multinivel.

1.2.1. Inversor Acoplado por Diodo (Diode-Clamped Inverter)

Este inversor se caracteriza por dividir el voltaje de la barra DC en una cierta cantidad de niveles por medio de condensadores conectados en serie. La cantidad de diferentes niveles de voltaje caracteriza al inversor. En la figura 1.3(a) se muestra un Inversor de tres niveles, obtenidos con los condensadores C1 y C2 conectados en serie y en la 1.2(b) uno de cinco niveles.

6

(a)

2dcV

dcV

2dcV−

1C

2C

n a

0

1D

'1D

'1S

'2S

1S

2S

(b)

4dcV

dcV

2dcV−

3C

4C

n a

0

3D

'3D

'1S

'2S

3S

4S

2dcV

4dcV−

1C

2C

1D

'1D

'3S

'4S

1S

2S

2D

'2D

van

Figura 1.3 Esquema de Inversor Acoplado por Diodo. (a) Tres niveles. (b) Cinco niveles.

El punto medio n entre los dos condensadores se puede definir como punto neutro. El voltaje de salida van se caracteriza por tener tres estados o niveles:

Vdc/2, 0, y –Vdc/2 con respecto al punto neutro. En la tabla 1.1 se muestra la secuencia de encendido de los semiconductores que se debe utilizar para generar los diferentes voltajes de salida para el inversor de la figura 1.3(a).

Tabla 1.1 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(a)

Van S1 S2 S1’ S2

’ Vdc / 2 1 1

0 1 1

- Vdc / 2 1 1

7

En este tipo de inversor, los diodos (D1 y D1’) son componentes clave que

no se encuentran en los inversores de dos niveles comunes. Estos diodos acoplan el voltaje de conmutación para dividir el nivel de voltaje de la barra DC. Cuando S1 y S2 están simultáneamente cerrados, el voltaje entre a y 0 es Vdc. En este caso, D1

’ balancea el voltaje entre S1

’ y S2’ haciendo que S1

’ bloquee el voltaje en C1 y que S2’

bloquee el voltaje en C2.

La figura 1.3(b) representa un Inversor de cinco niveles, generados por los condensadores C1, C2, C3 y C4 conectados en serie. Para una barra DC de voltaje Vdc, el voltaje de cada condensador será Vdc/4.

Considerando el punto n como referencia del voltaje, se puede explicar mediante la tabla 1.2 como se forman los diferentes nivel de tensión para el Inversor de la figura 1.3(b).

Tabla 1.2 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.3(b)

Van S1 S2 S3 S4 S1’ S2

’ S3’ S4

’

Vdc / 2 1 1 1 1

Vdc / 4 1 1 1 1

0 1 1 1 1

- Vdc / 4 1 1 1 1

- Vdc / 2 1 1 1 1

Asumiendo que el voltaje inverso de cada diodo es el mismo que el de los semiconductores, el número de diodos que se requiere para una fase del inversor será: (m-1)*(m-2). Este número crece cuadráticamente a medida que aumenta m y por lo tanto, cuando m se hace suficientemente grande, el número de diodos necesarios para implementar el inversor lo hacen impracticable.

8

1.2.2. Inversor Acoplado por Condensador (Capacitor Clamped Inverter)

(a)

2dcV

dcV

2dcV−

1C

2C

n a

0

1C

'1S

'2S

1S

2S

(b)

4dcV

dcV

2dcV−

4C

4C

n a

0

3C

'1S

'2S

3S

4S

2dcV

4dcV−

4C

4C

1C

'3S

'4S

1S

2S

2C

2C

3C

3C

van

Figura 1.4 Esquema Inversor Acoplado por Condensador. (a) Tres niveles. (b) Cinco niveles.

En la figura 1.4 se muestra el diagrama esquemático de un inversor acoplado por Condensador. El inversor de la figura 1.4 (a) corresponde a uno de tres niveles, el cual genera entre los terminales a y n los siguientes voltajes: Vdc/2, 0, –Vdc/2. En la tabla 1.3 se pueden ver las combinaciones de los semiconductores que deben estar conduciendo para generar los diferentes niveles de tensión.

9

Tabla 1.3 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (a)

Van S1 S2 S1’ S2

’

Vdc / 2 1 1

0 1 1

0 1 1

- Vdc / 2 1 1

La forma de conseguir los diferentes niveles de tensión en el inversor acoplado por condensador es más flexible comparado con el Inversor acoplado por diodo. Esto se nota aún más en el caso del inversor de cinco niveles, en el cual existen diferentes combinaciones de encendido para obtener un mismo nivel de tensión. Utilizando como ejemplo la figura 1.4(b), el voltaje del inversor de cinco niveles, van, puede ser obtenido con las combinaciones de la tabla 1.4.

Tabla 1.4 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.4 (b)


’ S3’ S4

’ Vdc / 2 1 1 1 1

Vdc / 4 1 1 1 1

Vdc / 4 1 1 1 1

Vdc / 4 1 1 1 1

0 1 1 1 1

0 1 1 1 1

0 1 1 1 1

0 1 1 1 1

0 1 1 1 1

0 1 1 1 1

- Vdc / 4 1 1 1 1

- Vdc / 4 1 1 1 1

- Vdc / 4 1 1 1 1

- Vdc / 2 1 1 1 1

10

Similarmente a como ocurre con el inversor acoplado por diodo, el inversor acoplado por condensador requiere un gran número de condensadores para hacer flotar el voltaje. De esta forma, un Inversor de m-niveles requerirá un total de (m-1)x(m-2)/2 condensadores de flotación, además del condensador de alto voltaje que seguramente se requerirá como filtro de entrada. Este último deberá ser implementado con una cadena de condensadores en serie si el voltaje continuo es demasiado alto. En la figura 1.4(b) se observan cadenas de condensadores en serie, esto se debe a que los tensión continua obligan hacer esto para aumentar la tensión soportada por los condensadores.

1.2.3. Inversor Multietapa con Puentes H e Inversores en Cascada

Se puede casi duplicar el número de niveles de las topologías anteriores sin hacer crecer el número de fuentes de voltaje, utilizando la estrategia de los Puentes H. Estos puentes se construyen utilizando dos inversores multinivel idénticos, de alguno de los tipos mostrados en la figura 1.1. Esto permite a la carga evitar el retorno directo hacia las fuentes de tensión continua y elevar el número de niveles de n+1 a 2n+1. Una configuración generalizada de un puente H como el mencionado se ilustra en la figura 1.5.

11

CARGA

Figura 1.5 Puente H Generalizado, con n fuentes y m=2n+1 niveles.

El puente H más sencillo es aquél formado por ramas de dos niveles cada una, como el mostrado en la figura 1.6. Puede observarse que este puente genera tres niveles con sólo una fuente de tensión continua. La configuración de este puente H se muestra en la figura 1.6.

ndcV

aS1

S2

S3 S4

anV+

-

Figura 1.6 Configuración de un puente H de tres niveles.

12

El puente H de la Figura 1.6, genera tres voltajes de salida (Van) diferentes, +Vdc, 0 y –Vdc, conectando el voltaje de entrada al de salida con diferentes combinaciones de los cuatro semiconductores S1, S2, S3 y S4. Para obtener +Vdc, los semiconductores S1 y S4 se ponen en conducción (1), mientras que S2 y S3 están en estado de no conducción (0). Encendiendo los semiconductores S2 y S3 y apagando S1 y S4, se obtiene –Vdc. Con las combinaciones (S1 y S2) ó (S3 y S4) en estado encendido se obtiene un voltaje de salida de amplitud Cero. Cualquier otra combinación no es permitida pues provocará un corto circuito en la fuente DC del módulo. El funcionamiento de este puente H se resume en la tabla 1.5:

Tabla 1.5 Secuencia de encendido para puente H de la figura 1.6

Van S1 S2 S3 S4

Vdc 1 1

0 1 1

0 1 1

- Vdc 1 1

Estos puentes H pueden conectarse en cascada (serie o paralelo), y dependiendo del número de puentes (etapas) que se conecten, se podrá obtener un número diferente de niveles de tensión. La relación que existe entre el número de niveles de tensión y el de etapas se verá más adelante.

Este tipo de inversores se puede separar en simétricos y asimétricos. Los simétricos tienen todas las fuentes independientes con la misma tensión, en cambio los asimétricos poseen fuentes de diferentes tensiones.

En la figura 1.7 se muestra el diagrama de conexión para un Inversor en Cascada Simétrico de dos etapas. Este inversor puede generar voltajes de salida que van desde –2Vdc a +2Vdc con cinco niveles diferentes (dos en el semiciclo positivo, dos en el semiciclo negativo y el cero, con escalones iguales a Vdc). Para conseguir los diferentes niveles de tensión se debe utilizar la secuencia de conmutación que se muestra en la tabla 1.6, la que se construyó siguiendo la secuencia de la sinusoide de

13

la figura 1.7. Además, se puede apreciar que para generar los diferentes niveles de tensión hay más de una combinación posible.

ndcV

a

dcV2

dcV2−

dcV

dcV−

dcV

dcV−

dcVBS1

'1BS '

2BS

BS2

AS1

'1AS '

2 AS

AS2

Figura 1.7 Inversor en Cascada Simétrico de dos Etapas.

Tabla 1.6 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.7

Van S1A S2A S1A’ S2A

’ S1B S2B S1B’ S2B

’ 0 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

2 Vdc 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

0 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

-2 Vdc 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

14

En la figura 1.8 se muestra el diagrama de conexión para un Inversor en Cascada Asimétrico de dos etapas. Este inversor puede generar voltajes de salida que van desde –1.5Vdc a +1.5Vdc con cinco niveles diferentes (dos en el semiciclo positivo, dos en el semiciclo negativo y el cero) de la misma forma que para el Inversor Simétrico, según se muestra en la figura 1.8(a).

ndcV

a

dcV

dcV−

2dcV

dcV

dcV−

2dcV−

2dcV BS1

'1BS '

2BS

BS2

AS1

'1AS '

2 AS

AS2

dcV

dcV−

2dcV

dcV

dcV−

2dcV−

(a) (b)

Figura 1.8 Inversor en Cascada Asimétrico de dos Etapas (a) operando con cinco niveles (b) operando con siete niveles.

Para conseguir los diferentes niveles de tensión se debe utilizar la misma secuencia de conmutación que la mostrada en la tabla 1.6, pero con una diferencia en los niveles de tensión. En la tabla 1.7 se pueden apreciar los niveles de tensión correspondientes al Inversor en Cascada Asimétrico.

Analizando el caso del Inversor Asimétrico, es posible generar mayor número de niveles de tensión de salida con esta misma configuración. Para ello es necesario agregar más combinaciones a las que se mostró anteriormente. Como se muestra en la figura 1.8(b), con este inversor se pueden generar hasta siete niveles de tensión diferentes, los que se mantienen dentro del mismo rango antes mencionado. En la tabla 1.8 se agregan los niveles adicionales y sus respectivas combinaciones de conmutación.

15

Tabla 1.7 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(a)

Van S1A S2A S1A’ S2A

’ S1B S2B S1B’ S2B

’ 0 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

1.5 Vdc 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

0 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

-1.5 Vdc 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

Tabla 1.8 Secuencia de encendido para el inversor de la figura 1.8(b)


’ S3’ S4

’ 0 1 1 1 1

0.5 Vdc 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

1.5 Vdc 1 1 1 1

Vdc 1 1 1 1

0.5 Vdc 1 1 1 1

0 1 1 1 1

- 0.5 Vdc 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

-1.5 Vdc 1 1 1 1

- Vdc 1 1 1 1

- 0.5 Vdc 1 1 1 1

Se puede apreciar que el Inversor Asimétrico permite generar una sinusoide escalonada que se asemeja mejor a una sinusoide real que el Inversor Simétrico. Esto porque un inversor Asimétrico, como el la figura 1.8 puede generar

16

un número mayor de niveles que uno Simétrico. En la tabla 1.9 se muestra una comparación entre utilizar el esquema simétrico frente al asimétrico, aquí se puede observar que el aumento del número de niveles es considerablemente importante.

Tabla 1.9 Número de niveles de tensión para inversores Simétricos y Asimétricos de diferente número de etapas.

Nº Etapas Simétrico Asimétrico 2 5 7

3 7 15

4 9 31

5 11 63

Es necesario mencionar que en el ejemplo de la tabla 1.9, las fuentes de voltaje que se agregan en el caso del Inversor Asimétrico, son la mitad del valor de la anterior. Es decir, la fuente adicional que se le agrega al Inversor Asimétrico de 3 etapas con respecto al de dos etapas es de 0.25Vdc, por lo tanto este inversor tendría las siguientes fuentes independientes: Vdc, 0.5Vdc y 0.25Vdc. De esta forma, los niveles de tensión de salida para este inversor serian: 0, 0.25Vdc, 0.5Vdc, 0.75Vdc, Vdc, 1.25Vdc, 1.5Vdc, 1.75Vdc y los respectivos valores negativos. Más adelante se verá que el número de niveles puede aumentarse aún más, escogiendo relaciones de tensión entre las fuentes independientes diferentes de una reducción a la mitad.

1.2.4. Inversor Multietapa en Cascada con Fuente Común

Utilizando un esquema similar al del inversor con fuentes independientes, pero poniendo transformadores en la salida, se puede construir un Inversor Multietapa con Fuente Común. En la figura 1.9 se puede observar el diagrama de un inversor de este tipo de dos etapas. Como puede observarse, a diferencia del inversor con fuentes independientes, ambos puentes están alimentados desde una misma fuente DC, y además los transformadores utilizados poseen la

17

misma razón de transformación. Este inversor sería equivalente al Inversor Multietapa en Cascada con Fuentes Independientes y Simétrico y por lo tanto, es capaz de generar cinco niveles de tensión (dos positivos, dos negativos y el cero). Para generar estos niveles de tensión se debe utilizar la misma secuencia de combinación que la mostrada en la tabla 1.6.

n

a

dcV2

dcV2−

dcV

dcV−

dcV

dcV−

BS1

'1BS '

2BS

BS2

AS1

'1AS '

2AS

AS2

1:1

1:1

dcV

Figura 1.9 Inversor en Cascada Simétrico de dos Etapas con fuente común.

La ventaja de esta configuración frente a la que no utiliza transformadores es que con una sola fuente DC se pueden alimentar todos los puentes del inversor. Esta ventaja es más evidente al aumentar el número de etapas del inversor. Por ejemplo, en un inversor trifásico de cuatro etapas con fuentes independientes, se necesitan doce fuentes DC para construir un inversor de las mismas características que uno de fuente común, que sólo utiliza una fuente DC. No obstante hay que mencionar que la topología de fuente común no es muy práctica en aplicaciones en frecuencia variable. Por esta razón ella está pensada para la implementación de rectificadores, filtros activos de potencia, compensadores estáticos de reactivos o inversores conectados a la red trifásica.

18

Utilizando transformadores de distinta razón de transformación se puede construir un inversor Asimétrico de Fuente común, como el de dos etapas mostrado en la figura 1.10. Para generar los diferentes niveles de tensión se deben utilizar las mismas combinaciones que las mostradas anteriormente en las tablas 1.7 y 1.8. Dependiendo del número de niveles de tensión de salida utilizados, se obtienen las formas mostradas en las figuras 1.10(a) y 1.10(b), con 5 o 7 niveles respectivamente.

dcV

dcV−

2dcV

dcV

dcV−

2dcV−

dcV

dcV−

2dcV

dcV

dcV−

2dcV−

(a) (b)

n

dcV

aBS1

'1BS '

2BS

BS2

AS1

'1AS '

2 AS

AS2

1:2

1:1

Figura 1.10 Inversor en Cascada Asimétrico de dos Etapas.

En el siguiente capítulo de profundizará en este tipo de inversor, Cascada Asimétrico de fuente común y con transformadores de salida, que es el que se desarrolló y construyó en este trabajo. Particularmente, se describirá el multinivel de cuatro etapas, capaz de generar con un número reducido de semiconductores, 81 niveles de voltaje.

19

II. CARACTERÍSTICAS DEL INVERSOR MULTINIVEL DE CUATRO ETAPAS EN CASCADA CON FUENTE COMÚN

El inversor en Cascada con Fuente Común corresponde a una modificación del Inversor en Cascada con Fuentes Independientes. Es por esto que se comenzará describiendo al de Fuentes Independientes, para continuar con el de Fuente Común.

2.1. Inversor Multinivel de Cuatro etapas en Cascada con Fuentes Independientes

En la figura 1.6 se mostró el módulo básico utilizado para la implementación del Inversor Multietapa, cada etapa del inversor está constituida por uno de estos módulos, los que también son conocidos como puentes H. Como se dijo anteriormente, cada uno de estos módulos es capaz de generar tres niveles distintos de tensión (Vdc, 0, - Vdc), los que combinados con los de las demás etapas del Inversor generan la tensión de salida del inversor.

El Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuentes Independientes se caracteriza por utilizar cuatro etapas conectadas en serie por cada fase, lo que significa que para implementar un inversor trifásico de este tipo, se requieren doce fuentes DC independientes para alimentar las secciones de potencia del inversor.

Utilizar diferentes niveles de tensión en cada una de las etapas del inversor mejora la calidad de la forma de onda obtenida con este. Además, si los niveles de tensión de las diferentes etapas del inversor son obtenidos de acuerdo a la ecuación (2.1), se puede maximizar el número de niveles del inversor [5].

)1...( ,2 ,1 )1(

1)(

1)1( −=⋅

−⋅−

=−

− pivnn

nv idc

ii

iidc (2.1)

donde vdc(i) es el voltaje de la etapa i, ni el número de niveles de voltaje que la i-ésima etapa del inversor es capaz de producir y p el número de etapas. Como

20

los puentes H utilizados en las diferentes etapas del inversor generan 3 niveles de tensión, se obtiene que:

ini ∀= 3 (2.2)

Reemplazando (2.2) en (2.1) se obtiene la relación que se muestra a continuación:

)1( )( 3 −⋅= ixdcixdc vv (2.3)

Con el resultado de (2.3) se deduce que para maximizar el número de niveles de tensión del inversor se debe utilizar voltajes escalonados en potencia de 3 para las diferentes etapas.

dcV×3

dcV×27

dcV×9

dcV3er Auxiliar

2er Auxiliar

1er Auxiliar

Principal

CA

RG

A

Figura 2.1 Una fase de Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuentes Independientes

21

En la figura 2.1 se muestra un diagrama esquemático de una de las fases de un inversor de estas características. Como se puede apreciar, las cuatro fuentes DC de las diferentes etapas están aisladas y los niveles de tensión están escalados en potencia de tres, dejando la fuente de mayor tensión (27·Vdc) para alimentar la etapa correspondiente al inversor denominado “Principal” (por poseer la más alta tensión de alimentación) y las tres restantes para los denominados “Auxiliares”. Por lo tanto, este inversor corresponde a uno del tipo asimétrico, ya que las fuentes que alimentan cada una de las etapas poseen diferentes niveles de tensión.

2.1.1. Modulación de Voltaje

Al escalar en potencia de 3 se obtienen 81 (34) (niveles por etapa elevado al número de etapas) niveles de tensión con solo cuatro etapas, generando una forma de onda sinusoidal de manera muy precisa, como se puede apreciar en la simulación de la figura 2.2, donde se muestra el semiciclo positivo. De estos 81 niveles, 40 son para los valores positivos, 40 para los negativos y uno para el cero [6].

Figura 2.2 Voltaje modulado en amplitud

22

En la simulación de la figura 2.2 se pueden observar diferentes niveles de tensión, los cuales se obtienen controlado los disparos de los semiconductores de potencia. De este modo, el inversor se comporta como un dispositivo de Modulación por Amplitud. Para el caso del 100% se utilizan todos los niveles que posee el inversor, el resto de los voltajes posee menor número de niveles, manteniendo la misma diferencia de tensión entre niveles.

Todas las simulaciones realizadas al Inversor con Fuentes Independientes fueron ejecutadas con el programa de simulación “PSIM” mencionado en el capítulo anterior. En el Anexo A se muestra el diagrama utilizado para este efecto.

Para obtener un voltaje de salida sinusoidal de 220Vac (RMS), se deben utilizar fuentes dc tales que:

8

222040

22202793

≈

⋅=⋅

⋅=⋅+⋅+⋅+

dc

dc

dcdcdcdc

V

V

VVVV

(2.4)

Con la relación obtenida en (2.4) se pueden obtener los voltajes para las diferentes etapas del inversor, siendo estos los siguientes: La Principal debe estar alimentada con 216Vdc, el 1er Auxiliar con 72Vdc, el 2do Auxiliar con 24Vdc y finalmente el 3er Auxiliar con 8Vdc.

En la figura 2.3 se muestra una simulación de la modulación de voltaje en cada una de las etapas del Inversor, donde se pueden apreciar los diferentes voltajes de cada etapa, obtenidos anteriormente con la relación (2.4). En este caso, la figura muestra la modulación en los diferentes puentes para un voltaje de salida del 100%. Se puede observar que la frecuencia de la etapa Principal es la más baja, coincidiendo con la frecuencia fundamental del voltaje de salida del inversor. En este caso, las válvulas se abren y cierran solo una vez por ciclo, por lo tanto, la frecuencia de conmutación del Principal es de 50Hz. El Auxiliar más rápido opera a 54 veces la frecuencia fundamental, es decir, 2700 Hz.

23

Figura 2.3 Voltaje Modulado en cada Etapa del Inversor.

2.1.2. Distribución de Potencia

En la figura 2.4 se muestra una simulación de la distribución de potencia, para una fase, entre las diferentes etapas del inversor, alimentando una carga resistiva pura de 3Ω con tensión sinusoidal de 220V. El 80% de la potencia activa la suministra el Principal y solo el 20% restante lo aportan todos los Auxiliares en conjunto.

Como se puede apreciar en la figura 2.4, la etapa correspondiente al Principal es la que toma la mayor parte de la potencia, pero por otro lado es la que opera a menor frecuencia. Esto es una ventaja, la que permite utilizar en aplicaciones de elevada potencia, semiconductores “lentos” en esta etapa, los que pueden soportar

24

mayores potencias. Por ejemplo el Principal puede ser implementado con GTOs o IGCTs y los Auxiliares con IGBTs.

Figura 2.4 Distribución de Potencia Activa.

Para calcular la distribución de potencia, en la figura 2.4 se graficó el producto de la corriente que circula en cada puente por su voltaje de alimentación respectivo y luego se obtuvo el valor promedio en cada gráfico. En la tabla 2.1 se muestran los valores de las potencias suministradas por cada puente.

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Tabla 2.1 Potencias suministradas por cada puente (Inversor con Fuentes Independientes).

Carga R (P en kW)

Auxiliar 3 0,072

Auxiliar 2 0,487

Auxiliar 1 2,711

Principal 13,813

TOTAL 17,084

2.2. Inversor Multinivel de Cuatro etapas en Cascada con Fuente Común

Como se adelantó en el Capítulo I, este tipo de Inversores utiliza una sola fuente DC de la cual se abastece toda la sección de potencia del inversor. El inversor en cascada con fuente común se caracteriza por utilizar cierto número de etapas conectadas en paralelo, las que determinan el número de niveles del inversor.

Utilizando el mismo módulo básico que el inversor de fuentes independientes (figura 1.6), y una conexión similar a la de éste, pero agregando transformadores en la salida, se obtiene un Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Común. En la figura 2.5 se puede observar el esquema de conexión de este Inversor.

26

dcV

3er Auxiliar

2er Auxiliar

1er Auxiliar

Principal

CA

RG

A

1 : 1

3 : 1

9 : 1

27 : 1

Figura 2.5 Inversor de Cuatro Etapas en Cascada con Fuente Común.

2.2.1. Modulación de Voltaje

Como se puede observar, los primarios de los transformadores están todos alimentados con la misma tensión, debido a que todas la etapas se alimentan desde la misma fuente. Esto hace necesario que la relación de transformación de los transformadores de cada etapa sea tal que los secundarios mantengan la misma relación de la ecuación (2.3), para maximizar el número de niveles del inversor. Por esto es que las razones de transformación están escalonadas en potencia de tres. Así, conectando los secundarios en serie, se suman sus tensiones de modo similar a como se suman en los puentes del inversor de fuentes independientes.

Además de la ventaja que representa el utilizar solo una fuente de tensión continua para el inversor (para las tres fases), se elimina el problema de requerir bidireccionalidad individual para esas fuentes.

27

En la figura 2.6 se muestra una simulación de la modulación de voltaje en las diferentes etapas del inversor, para un voltaje de salida del 100%. En este caso se muestran los voltajes antes y después de los transformadores de salida. Como se puede apreciar en la figura, las respectivas formas de onda del Principal y los Auxiliares son las mismas que para el Inversor de fuentes independientes, pero el voltaje de los puentes (en los primarios de los transformadores) es de la misma magnitud para todas las etapas. Una vez que se transforman (voltaje en los secundarios) estos quedan escalados en potencias de tres, y como están conectados en serie se suman obteniendo el voltaje de salida del inversor.

Igualmente como se hizo con el inversor de fuentes independientes, las simulaciones realizadas al inversor con fuente común fueron ejecutadas con el programa de simulación “PSIM”. En el Anexo B se muestra el diagrama utilizado para este efecto.

Figura 2.6 Voltaje Modulado en primarios y secundarios en cada etapa del inversor

28

Para determinar el voltaje de la fuente DC necesaria para obtener un voltaje de salida de 220 Vac (RMS) se procedió de la siguiente forma. Se utilizó una razón de transformación 1:1 en el transformador correspondiente a la etapa Principal, con lo que las razones de los transformadores de las etapas Auxiliares fueron: 3:1, 9:1 y 27:1. En otras palabras, se utilizó a=27 en la figura 2.5. Dado que el transformador Principal tiene razón 1:1 y que las razones de transformación están escalonadas en potencias de tres, se puede hacer el siguiente cálculo:

210

22202740

22202793

≈

⋅⋅=⋅

⋅=+++

dc

dc

dcdcdcdc

V

V

VVVV

(2.4)

Por lo tanto, para obtener los gráficos de la figura 2.6 se simuló utilizando una fuente de 210Vdc y generando un voltaje de salida del 100%, vale decir 220Vac (RMS). En la figura 2.7 se muestra el voltaje de salida en las condiciones antes descritas. En la figura superior se muestra el voltaje escalonado generado por el inversor y una sinusoide de referencia, los que se confunden en la misma curva. Para poder comparar mejor, en la figura inferior se han separado las dos señales sumándole una componente continua de 20Vdc a la sinusoide de referencia (curva azul), con lo que se consigue desplazar hacia arriba la señal. Aquí se puede observar que con los 81 niveles del inversor se puede generar que la señal escalonada con forma sinusoidal muy precisa, con bajo contenido armónico. En la figura 2.8 se muestra el contenido armónico del voltaje generado por el inversor, donde se puede apreciar que es muy bajo.

29

Figura 2.7 Tensión de salida del Inversor comparada con una sinusoide de referencia.

Figura 2.8 Contenido armónico de la señal de voltaje

30

2.2.2. Distribución de Potencia.

La distribución de potencia en este Inversor es la misma que en el de Fuentes Independientes, es decir, el 80% de la potencia la suministra la etapa Principal y solo el 20% restante lo aportan las etapas de los Auxiliares en conjunto.

La simulación de la figura 2.9 muestra la distribución para una carga resistiva pura y una carga resistiva inductiva. Las mediciones se realizaron con la corriente instantánea consumida por cada puente, la que se multiplicó por los 210Vdc de los que están alimentados y a esta curva se le tomó el valor medio. En la figura 2.9(a) se muestra la simulación utilizando la misma carga que la de la figura 2.4 (carga resistiva de 3Ω), en la figura 2.9(b) se muestra la distribución de potencia para una carga inductiva (3Ω y 6mH).

Figura 2.9 Distribución de Potencia a) Carga R b) Carga RL.

31

Al alimentar una carga resistiva pura o una resistiva inductiva, la distribución de potencia se mantiene. En la tabla 2.2 se muestran las potencias suministradas por los puentes en cada caso.

Tabla 2.2 Potencias suministradas por cada puente (Inversor de Fuente Común).

Carga R (P en kW)

Carga RL (P en kW)

% de Carga

Auxiliar 3 0,069 0,049 0,4

Auxiliar 2 0,461 0,331 2,9

Auxiliar 1 2,563 1,839 15,9

Master 13,056 9,375 80,9

TOTAL 16,148 11,594 100%

2.2.3. Forma de la corriente.

Este tipo de inversor, por generar el voltaje de salida por modulación de amplitud, genera corrientes muy limpias en la carga. En la figura 2.10 se muestran las corrientes y el voltaje para dos tipos de carga diferente (las mismas utilizadas en la figura 2.9), donde se puede observar que estas son prácticamente puras.

32

Figura 2.10 Corriente y Voltaje de salida para cargas R y RL.

2.3. Comparación de Inversores

A continuación se hace una comparación entre los inversores multinivel con los de dos niveles (PWM) y se compara el inversor multinivel de fuente común con el de fuentes independientes.

El inversor multinivel, sea de fuentes independientes o de fuente común, posee ciertas ventajas frente al inversor PWM. Las corrientes generadas por los inversores multinivel son bastante más puras que las de los inversores PWM y están libres de armónicas. En la figura 2.11 se muestra una simulación con las corrientes en una carga RL para los dos tipos de inversor, donde se puede apreciar que la corriente del inversor PWM posee rizado, y la del inversor multinivel es prácticamente sinusoidal.

33

Figura 2.11 Corriente para carga RL en Inversor Multinivel y PWM

Los inversores PWM modulan el voltaje por ancho de pulso, lo que hace que el voltaje de salida no sea perfectamente sinusoidal y se mueva bruscamente, generando grandes dV/dt. Esto puede causar problemas en las aislaciones, y en el caso de los motores, producir daños a los rodamientos. Por el contrario, como los inversores multinivel generan la tensión modulando la amplitud del voltaje de salida, éste varía desde cero al valor máximo de la sinusoide de forma suave y escalonada. En la figura 2.12 se muestra los voltajes de salida para estos inversores, para el caso del inversor PWM se ha utilizado uno de dos niveles operando a 10kHz, con el esquema que se muestra en el Anexo C.

34

Figura 2.12 Voltajes de salida para Inversores Multinivel y PWM

Por otro lado, la frecuencia de conmutación de los inversores multinivel es bastante más baja que la frecuencia de conmutación de los inversores PWM. Estos últimos utilizan frecuencias de conmutación desde 10kHz a 100kHz, en cambio el inversor multinivel desarrollado en este trabajo en la etapa más lenta (Principal) conmuta a la frecuencia fundamental (50 Hz) y el más rápido (3er Auxiliar) lo hace a un promedio 54 veces más rápido que la frecuencia fundamental (2,7 kHz), con la ventaja adicional de que esta etapa es la que aporta la menor potencia del inversor (alrededor del 1%).

La etapa del 3er Auxiliar opera a una frecuencia promedio de 2,7 kHz, pero alcanza una frecuencia máxima de 4,3 kHz. La obtención de este valor se realizó midiendo la señal de disparo, en un período fundamental del Inversor, de uno de los IGBT de la etapa del 3er Auxiliar. En la figura 2.13 se muestra esta señal (figura superior), junto con una ampliación (figura inferior), donde se realizó la medición del periodo más corto de esta señal. En la figura superior se puede apreciar

35

que la frecuencia de los disparos varía, alcanzado el máximo en su centro, el que se encuentra ampliado en la parte inferior de la figura 2.13.

Figura 2.13 Señal de disparo de uno los IGBT de la etapa del 3er Auxiliar

Comparando entre los inversores multinivel, los de fuentes independientes con los de fuente común, el de fuentes independientes tiene la ventaja de poder generar tensiones sinusoidales de salida desde cero Hz en adelante. En cambio, como el Inversor de Fuente Común utiliza transformadores para escalar la tensión, al operar a bajas frecuencias se comienzan a saturar sus núcleos, impidiendo llegar a cero Hz. Por lo tanto, este inversor esta diseñado para operar a una frecuencia fija. Además, los transformadores son componentes pesados y voluminosos, sobre todo si se trata de altas potencias.

36

Por otro lado, la construcción e implementación del inversor de fuentes independientes es bastante más compleja, debido a que este requiere un gran número de fuentes independientes (12 para un inversor trifásico de 81 niveles), las que además pueden, como se mencionó, pueden requerir características de operación bidireccionales.

37

III. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

Una vez hecho el estudio previo y las simulaciones, se comenzó el diseño y construcción del inversor, para lo cual se hizo una división de las etapas de construcción. En una primera instancia se realizó el diseño de los circuitos impresos que se requerirían y se especificaron los transformadores. La construcción definitiva del inversor se basó en la utilización de un disipador especial de muy baja resistencia térmica, el cual fue definiendo la forma y tamaño del sistema completo.

Una vez montados estos elementos se procedió a realizar las conexiones eléctricas entre los diferentes componentes y a emplazar los terminales de entrada y salida del inversor. En el diagrama secuencial de la figura 3.1 se muestra la forma de proceder para la construcción del inversor.

Diseño Circuitos Impresos

Estudio Previo y Simulaciones

Ensamble del Disipador

Calculo de Transformadores

Conexiones y Terminales Eléctricos

Diseño del Armazón

Figura 3.1 Diagrama secuencial de las etapas de construcción

En los siguientes puntos de este capítulo se detallan la etapas recién mencionadas.

38

3.1. Circuito de potencia

El circuito de potencia de este inversor se construyó en base al diagrama para una fase mostrado en la figura 2.5, el cual es nuevamente mostrado en la figura 3.2. Cada fase del Inversor está montada sobre un disipador, el cual es común a las tres fases. Los cuatro módulos IGBT en puente H de cada fase, van conectados a una tarjeta común, en la que se disponen todos los elementos de potencia, y que además posee los terminales necesarios para el control de los IGBTs.

dcV

3er Auxiliar

2er Auxiliar

1er Auxiliar

Principal

CA

RG

A

1 : 1

3 : 1

9 : 1

27 : 1

Figura 3.2 Circuito esquemático de una fase del inversor.

39

3.2. Descripción de los IGBTs utilizados

Como se dijo anteriormente, para construir el inversor se utilizaron semiconductores de potencia del tipo IGBT. Específicamente se utilizó un módulo integrado fabricado por Tyco Electronics (modelo P503-F-PM), que corresponde a un arreglo de cuatro IGBTs en configuración puente H, con los que se construyó cada etapa del inversor. Estos IGBTs soportan 30A y un voltaje de 600V, otras características se pueden encontrar en las hojas datos técnicos de este componente, incluida en el Anexo B de esta memoria.

En la figura 3.3 se muestran dos fotos del módulo IGBT utilizado, con los que se formará cada una de las tapas del inversor. Como el inversor es de tres fases y de cuatro etapas, se requieren 12 de estos módulos para su construcción. Para simplicidad del diseño y para unificar el material utilizado, se utilizaron puentes de la misma potencia en todas las etapas del inversor.

Figura 3.3 Dibujo del encapsulado en puente H, modelo P503-F-PM

En la figura 3.4 se muestra una vista de los pines de conexión, codificados por números, y un diagrama esquemático de las conexiones internas de este encapsulado.

40

Figura 3.4 Esquemático del encapsulado y asignación de pines del P503-F-PM

3.3. Circuitos Impresos del Inversor

El inversor consta de dos circuitos impresos básicos: la “Tarjeta de Potencia” y la “Tarjeta de Disparo”. En la primera se disponen los IGBT con sus conexiones de control y potencia de acuerdo a los pines del módulo, mientras que en la segunda se localizan todos los componentes para activar y desactivar los IGBT.

3.3.1. Tarjeta de Potencia

En la figura 3.5 se muestra el diseño realizado para la Tarjeta de Potencia, viéndola desde su parte superior, es decir, por el lado donde se montan los componentes. Lo que se ve en color rojo corresponde a la capa superior de la tarjeta y lo que está en color azul es la capa inferior. Los dibujos que figuran en color negro representan los componentes que se soldarán a la tarjeta. Esta misma simbología se utilizará en el resto de los circuitos impresos que se muestren en la presente memoria. El diseño fue realizado con el software “Traxmaker”, y la tarjetas se mandaron a hacer con el archivo generado por este software.

41

En la parte superior de la figura 3.5 se puede observar que hay siete terminales, los que cumplen las funciones que se describen a continuación (ordenados de izquierda a derecha):

MASTER: Terminal para el transformador de la etapa Principal.

SLAVE 3: Terminal para el transformador de la etapa del 3er Auxiliar.

POWER A, POWER B, POWER C: Terminales para alimentar la parte de potencia en tensión continua del Inversor (corresponde a Vdc de la figura 2.5)



En la parte central de la figura 3.5 están representados los cuatro encapsulados de los puentes H, con los que se forman las cuatro etapas de una fase del inversor. El que está en la parte superior en disposición horizontal corresponde a la etapa del 1er Auxiliar, luego de izquierda a derecha se encuentran los que corresponden a las etapas Principal, 3er Auxiliar y 2do Auxiliar. Finalmente, en la parte inferior de esta figura hay cuatro conectores: dos grandes dispuestos en forma horizontal y dos pequeños en forma vertical. Los grandes son para interconectar la Tarjeta de Potencia a la Tarjeta de Disparo y los pequeños son para conectar la alimentación de esta última tarjeta, la que se transmite a través del conector grande. Cabe mencionar que por cada Tarjeta de Potencia se utilizan dos Tarjetas de Disparo, lo que se explicará más adelante. En el Anexo C se muestran con mayor detalle las características del Circuito Impreso de Potencia.

42

Figura 3.5 Diseño del Circuito Impreso de la Tarjeta de Potencia

43

En la figura 3.6 se muestra una fotografía de la Tarjeta de Potencia con sus componentes definitivos instalados.

Figura 3.6 Fotografía Tarjeta de Potencia

44

La disposición física de los puentes H en esta tarjeta obedece a la necesidad de aprovechar el disipador de calor común que ya se ha mencionado. Con esta distribución se consiguió que todos los puentes H cupieran dentro del área del disipador. Lo detalles del disipador se muestran más adelante en este capítulo.

3.3.2. Tarjeta de Disparo

Para que los IGBTs conduzcan es necesario generar una señal de voltaje de alrededor de 15V entre la puerta y el emisor. Como se puede observar en la figura 3.2, en cada puente hay tres referencias de disparo diferentes (los dos IGBTs inferiores del puente H tienen la misma referencia). Por lo tanto, al cambiar de estado los IGBTs generan tierras flotantes en las fuentes de disparo, lo que hace necesaria la implementación de un circuito de disparo que sea capaz de generar los 15V independientemente para cada uno [7].

Para solucionar esto se utilizó el circuito integrado IR2113 de International Rectifier. Este circuito es capaz de manejar dos válvulas utilizando una sola fuente de voltaje, sin tener la preocupación de aislación de tierras flotantes. Por lo tanto, por cada etapa se utilizaron dos de estos circuitos, sumando un total de ocho en cada fase del inversor. En el Anexo B se encuentran las hojas de datos técnicos de este circuito integrado.

En la figura 3.7 se muestra un diagrama esquemático del circuito de disparo. Como puede verse, el circuito posee una aislación de tierras entre el lado de control y el de disparo, lo que se nota por el cambio de simbología entre las dos tierras. Esta aislación tiene por objeto mantener el lado de potencia en corriente continua del inversor aislado de los circuitos de control. El elemento que genera la aislación galvánica es la optocupla digital modelo 6N137, de las cuales se ha ocupado una por cada IGBT del inversor. Para mayor información, en el Anexo B se agregan las hojas de datos técnicos de este circuito integrado. En este circuito se han destacado las fuentes de voltaje que se utilizan, a las que se hará mención más adelante.

45

Además de los componentes mencionados anteriormente, el circuito utiliza dos negadores, para lo cual se utilizó el circuito integrado 74LS04, que consta de seis negadores independientes (ver Anexo B).

Opt

ocup

la

6N13

7

Opt

ocup

la

6N13

7

680

680

10k

10k

5V

DriverIR-2113

10k

15V10u

10u

0.1u

0.1u

47u

150p

150p

Vcc

IGBTHID

IGBTLOD

CONTROL DISPARO POTENCIA

HIC

LOC

Figura 3.7 Diagrama esquemático del Circuito de Disparo.

Como se puede observar, con el circuito de disparo de la figura 3.7 se pueden controlar solo dos IGBTs, por lo que se requieren dos de estos circuitos por cada etapa, sumando un total de ocho por cada fase del inversor.

Utilizando el diagrama esquemático de la figura 3.7 se diseñó la Tarjeta de Disparo para disponer los componentes necesarios para implementar el Circuito de Disparo. Como se dijo anteriormente, por cada fase del inversor se requieren ocho circuitos como los mostrados en la figura 3.7. Para reducir el tamaño de la tarjeta, se diseño un circuito impreso que contiene solo cuatro de estos circuitos. Por lo tanto, cada fase del inversor utiliza dos Tarjetas de Disparo para controlar todos los IGBTs.

En la figura 3.8 se muestra el diseño realizado en Traxmaker de la Tarjeta de Disparo, la simbología utilizada es la misma que la explicada anteriormente.

46

Figura 3.8 Diseño del Circuito Impreso de la Tarjeta de Disparo

En la parte superior de la figura 3.8 se puede observar que hay un conector de 16 pines, en el cual se agrupan los terminales del lado de control de esta tarjeta en donde deben conectarse las señales de control del inversor. En la parte inferior se observa una serie de líneas gruesas, las que se utilizan para interconectar esta tarjeta directamente a la Tarjeta de Potencia. Por estas líneas se transmiten las señales de disparo hacia la Tarjeta de Potencia, y desde esta se alimenta la Tarjeta de Disparo. En el Anexo D se pueden encontrar mayores detalles del Circuito Impreso de Disparo.

A continuación, en la figura 3.9, se muestra una fotografía de esta tarjeta con todos sus elementos.

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Figura 3.9 Fotografía Tarjeta de Disparo

Ambos circuitos impresos (Tarjeta de Potencia y Tarjeta de Disparo) se conectan directamente en forma perpendicular gracias a un conector para este propósito, el cual puede observarse en la figura 3.10. Con este sistema se eliminan cables y conectores minimizando las probabilidades de falla por malas conexiones. Además, de esta forma se aprovecha el espacio físico, ya que las Tarjetas de disparo, ubicadas en forma vertical en la figura 3.10, quedan a un costado del Disipador que se ubicará sobre los puentes H (que no aparece en la figura).

48

Figura 3.10 Interconexión de la Tarjeta de Potencia con las de Disparo.

49

3.3.3. Circuito Impreso de Interconexión

Como se dijo anteriormente, el inversor utiliza dos Tarjetas de Disparo por fase, lo que implica que en cada fase quedan dos conectores por los que deberían llegar las señales de control. Para hacer más fácil la interconexión entre el control y el inversor se diseñó la Tarjeta de Interconexión, la que tiene por finalidad agrupar los conectores de las dos Tarjetas de Disparo de cada fase en uno solo. En la figura 3.11(a) se muestra el diseño realizado de la Tarjeta de Interconexión y en la figura 3.11(b) se muestra una fotografía de esta misma, una vez soldados sus componentes y con los cables con los que se conectará a cada una de las Tarjetas de Disparo. El conector que se ve a la derecha de esta figura (sin cables conectados) es el que finalmente tiene agrupadas todas las señales de control de cada fase.

Figura 3.11 a) Circuito Impreso b) Foto de la Tarjeta de Interconexión.

Para mayores detalles del Circuito Impreso de Interconexión, referirse al Anexo E de esta memoria.

50

3.4. Fuente de Poder

Como se pudo observar en la figura 3.7, el circuito de disparo requiere una alimentación de 5 y 15 Vdc, para lo cual fue necesario diseñar una fuente que suministrara estas tensiones. Esta fuente alimenta los consumos de las tarjetas de disparo de las tres fases del inversor. En la figura 3.12 se muestra el diseño realizado en Traxmaker de la Fuente de Poder.

Figura 3.12 Diseño del Circuito Impreso de la Fuente de Poder

El diseño de esta fuente se hizo en base a rectificadores puente de diodos, filtrados con condensador y regulados con los siguientes circuitos integrados: LM7805, LM7812 y LM7815. Las hojas de datos técnicos de estos circuitos integrados se pueden ver en el Anexo B. En la figura 3.13 se muestra una fotografía de la Fuente de Poder lista para ser instalada en el inversor.

51

Figura 3.13 Fotografía Fuente de Poder

En el Anexo F de esta memoria se encuentra información adicional de la Fuente de Poder.

3.5. Transformadores

Como se dijo anteriormente, los IGBTs utilizados para la construcción del inversor son de 30A y por lo tanto, para sacarles el máximo provecho, los primarios de los transformadores (lado conectado a los puentes H) de la etapa Principal deberían ser diseñados para esta misma corriente. Sin embargo, para disminuir los costos del inversor, se utilizaron transformadores de menor corriente, que por un lado son de menor tamaño y más bajo costo, pero por otro impiden aprovechar al máximo la capacidad de los IGBTs.

52

Los transformadores requeridos deben tener una razón de transformación y potencia específica para cada etapa del inversor. Para dimensionar las tensiones se determinaron las relaciones de voltaje en cada etapa del inversor, utilizando un raciocinio similar al de la ecuación 2.4. En la ecuación 3.1 se muestra el cálculo utilizado para obtener el voltaje que debe aportar el transformador de la etapa de tensión mas pequeña, es decir, del 3er Auxiliar. Como el inversor de cuatro etapas diseñado es de 81 niveles (cuarenta positivos, cuarenta negativos y el cero), para generar una tensión de salida de 220Vac, se tiene que

5,5

22040

3

3

=

=⋅

Auxiliarer

Auxiliarer

V

V (3.1)

Cifra que se ha redondeado a un valor de 6 V en el 3er Auxiliar. Por lo tanto, como los voltajes deben estar escalados en potencia de 3, los voltajes de los secundarios de los transformadores (lado de salida del inversor) deben ser los que se muestran en la tabla 3.1

Tabla 3.1 Voltajes en los secundarios de cada etapa

Voltaje Secundario (Vac)

3er Auxiliar 6

2er Auxiliar 18

1er Auxiliar 54

Principal 162

Ahora, la relación de voltaje entre primarios y secundarios dependerá del valor de tensión asignado a la barra continua de alimentación de los inversores, la cual es común a todos ellos. Como se muestra en la ecuación 3.2, basta que los primarios de los transformadores soporten 220Vac. Por lo tanto, las relaciones de voltaje de los transformadores deben ser las que se muestran en la tabla 3.2.

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Tabla 3.2 Relación de voltaje entre primarios y secundarios por etapa

Transformador Relación de Voltajes

3er Auxiliar 220:6

2er Auxiliar 220:18

1er Auxiliar 220:54

Principal 220:162

El voltaje de alimentación continua que es necesario utilizar para que el inversor genere una tensión de salida de 220 Vac se obtiene con la ecuación 3.2

28561854162

2220220

22202206

22018

22054

220162

≈

+++⋅⋅=

⋅=

+++

dc

dc

dc

V

V

V

(3.2)

Como los secundarios de los transformadores están conectados en serie, la corriente que pasa por esos enrollados es la misma para los cuatro. Así, definiendo la potencia de uno de los transformadores se puede determinar la de los otros tres. Lo que se hizo fue, considerando esencialmente los costos, definir arbitrariamente la potencia para el transformador más grande (el de la etapa Principal) y luego calcular la potencia de los otros tres en base a la corriente y voltaje del secundario.

Así, se fijó la potencia aparente del transformador de la etapa Principal en 800VA, y utilizando el voltaje de su secundario (162Vac) se calculó la corriente de diseño para este enrollado, la cual es la misma para todos los secundarios de los transformadores, pues ellos están conectados en serie. De esta forma se obtuvo la potencia aparente requerida para cada transformador, las que se muestran en la tabla 3.3.

54

Tabla 3.3 Potencia para los transformadores de cada etapa

Transformador Potencia (VA)

3er Auxiliar 30

2er Auxiliar 90

1er Auxiliar 265

Principal 800

La potencia de los transformadores en definitiva es la que define la potencia del inversor. Como los cálculos se hicieron en base a la corriente de los enrollados secundarios (aproximadamente 5A) y un voltaje de salida de 220 Vac, el inversor puede suministrar 1.1kVA por cada fase.

Por cada fase se requiere de un paquete de transformadores compuesto por uno de cada uno de los de la tabla 3.3. Por lo tanto, para la construcción del inversor fue necesario mandar a hacer tres transformadores de cada tipo (uno para cada fase del inversor).

Así, cada paquete de transformadores está compuesto por un grupo de cuatro transformadores, todos distintos, los que poseen sus secundarios interconectados en serie.

3.6. Disipador de Calor

El disipador de calor en los circuitos de electrónicos es una pieza clave, sobre todo si se trata de electrónica de potencia, donde las elevadas corrientes por los semiconductores, IGBTs en este caso, pueden causar su destrucción. Tanto así, que en muchas aplicaciones, la potencia máxima de un circuito de potencia está limitada por el diseño térmico del sistema.

55

3.6.1. Diseño Térmico del Disipador

Durante la operación de los IGBTs se generan pérdidas por conducción y por conmutación, las que se transforman en calor, el que debe ser evacuado para no dañarlos. Este calor generado debe ser conducido desde la juntura del semiconductor hacia el ambiente en forma adecuada, para no sobrepasar el límite máximo de temperatura de los IGBTs.

La temperatura máxima de juntura especificada por el fabricante para los IGBTs utilizado es de 150ºC. Para asegurar un funcionamiento correcto y sin interrupciones, se ha considerado que bajo condiciones normales de operación, la temperatura de juntura no deberá sobrepasar los 125ºC.

En la figura 3.14 se muestra un modelo térmico básico, donde PDIS representa la potencia de pérdida disipada en cada IGBT, RJC representa la resistencia térmica entre la juntura y la carcasa del IGBT, RCD la resistencia térmica entre la carcasa del IGBT y el disipador de calor y RDA la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente. Además, TJ representa la temperatura de la juntura del IGBT, TC la temperatura de la carcasa, TD la temperatura del disipador y TA la temperatura ambiente.

RTH (JC) RTH (DA)RTH (CD)

TA

TDTCTJ

PDIS

Figura 3.14 Modelo térmico básico.

56

Este modelo se aplica para una configuración en la que hay un semiconductor montado en un disipador, pero en este caso son varios los semiconductores montados sobre un mismo disipador. Como se vio anteriormente, en cada módulo “P-503” hay cuatro IGBTs, por lo que para los cálculos se utilizó el modelo térmico que se muestra en la figura 3.15.

RTH (DA)

TAPDIS

PDIS

RTH (JC+CD)PDIS

PDIS

RTH (JC+CD)

RTH (JC+CD)

RTH (JC+CD)

12 IGBTsMaestros

36 IGBTsAuxiliares

Figura 3.15 Modelo térmico utilizado para los cálculos

Así, con este modelo se obtuvo que la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente (RTH(DA)) debía ser menor que 0.077 ºC/W, lo que se cumple, ya que este valor para el disipador utilizado es de 0.064 ºC/W. En el Anexo G se muestran los cálculos y supuestos realizados para determinar los valores de las resistencia térmica, tanto del circuito térmico como del disipador propiamente tal.

57

3.6.2. Montaje del Disipador

El disipador utilizado, mencionado en el párrafo anterior, fue el punto de partida para el diseño del inversor trifásico. Sus características térmicas eran excelentes, y sus dimensiones útiles, 40,5cm x 10,5cm (largo y ancho), eran suficientes para lograr ubicar dentro de esta área los puentes H de las tres fases del Inversor. En la figura 3.16 se muestra un dibujo esquemático del disipador. Este disipador corresponde a un fragmento de uno utilizado en un proyecto anterior realizado por el memorista Mauricio Rotella [8]. En el Anexo B se muestra la hoja de datos técnicos de este disipador. La altura de sus aletas disipadoras es de 13cm.

Figura 3.16 Disipador de Calor.

Dado el tamaño y solidez del Disipador, este se transformó en pieza clave, ya que a él se adosaron los puentes H y a su vez las Tarjetas de Potencia. Para Aprovechar de mejor forma el área del Disipador, se dispuso los puentes H en tres grupos de a cuatro, uno para cada fase, bajo la base del Disipador, y de tal manera que quedaran repartidos en forma simétrica. Así, se llegó finalmente a la disposición que se muestra en la figura 3.17, en que hay tres puentes en sentido vertical y uno horizontal por fase (la figura esta mirada desde arriba, con las aletas de disipador hacia abajo).

58

Fase A

1º Auxiliar

2º Auxiliar 3º Auxiliar Maestro

Fase B

1º Auxiliar


Fase C

1º Auxiliar


Figura 3.17 Distribución de los puentes en la base del Disipador

Tarjetas deDisparo

Tarjeta dePotencia Puentes “H”

Conectoresde Potencia

Disipador

Figura 3.18 Corte transversal por el Disipador

Como se dijo anteriormente, el disipador, aparte de cumplir su función como disipador de calor, resultó ser una estructura fundamental del inversor. En la figura 3.18 se muestra un corte de éste de tal forma que se pueden observar los puentes H adosados a la parte inferior. Además se muestran las Tarjetas de Potencia

59

y Disparo, observándose la disposición física con respecto al disipador. Así, con el disipador se construyó un módulo que agrupa prácticamente todas las partes de la electrónica de potencia y disparo del inversor, quedando fuera solamente las Tarjetas de Interconexión, las que se montan directamente sobre el Armazón. Esto tiene la gran ventaja de que para ensamblar el inversor, este bloque se puede armar como una unidad compacta e independiente, la cual posteriormente es instalada y conectada a los terminales correspondientes.

3.7. Armazón y Disposición de los Componentes

El armazón del inversor se construyó sobre una base cuadrada de perfiles de aluminio, formando una estructura sobre la cual posteriormente se montan todas las partes del inversor. Los perfiles utilizados en esta parte de la estructura fueron del tipo U de 24x75x24mm con un espesor de 1mm y las dimensiones externas del armazón son de 45,0x52,5cm. En la figura 3.19(a) se muestra un dibujo de la planta, con sus dimensiones totales en centímetros.

52,5

45,0

16,0

(a)

(b)

Figura 3.19 (a) Planta del armazón estructural (b) Detalle esquinas.

60

Todas las uniones de los perfiles se realizaron utilizando remaches “pop”, reforzando interiormente con un perfil L, también de aluminio, de 25x25mm. Además, en las esquinas se puso un refuerzo de forma triangular, que se puede observar en la figura 3.18(b).

Como se dijo anteriormente, sobre este armazón se dispusieron todas partes que conforman el inversor. Para lograr esto se organizaron los diferentes componentes para aprovechar de la mejor forma el espacio disponible, y conseguir que el equipo quede lo más compacto posible. Así, se dejaron a un lado del inversor todos los transformadores, agrupados por fase, y al otro el disipador con toda la circuitería de Potencia y Disparo. En la figura 3.20 se muestra un dibujo esquemático de la vista superior del inversor, donde se puede ver la disposición de los componentes recién mencionados.

Disipador

Transformadores MaestrosTransformadores 1er Auxiliar

Ventilador

Tarjetas dePotencia

Tarjetas deDisparo

Tarjetas deInterconexión

Figura 3.20 Esquema vista superior del Inversor.

61

Como se puede observar en esta figura, los componentes de cada fase se han ordenado en el sentido vertical de la figura. Así cada fase queda perfectamente agrupada, permitiendo una construcción ordenada y compacta del inversor. En la figura H.1 del Anexo H se encuentra una fotografía de la parte superior del Inversor, donde se pueden observar todos los componentes descritos anteriormente.

Por la parte inferior del inversor se han ubicado los transformadores de las etapas 2do y 3er Auxiliar, y la Fuente de Poder para los circuitos de Disparo. En la figura 3.21 se muestra un dibujo esquemático de esta parte del inversor.

Disipador

Transformadores 2er AuxiliarTransformadores 3er Auxiliar

Fuente dePoder

Tarjetas dePotencia

Figura 3.21 Esquema vista inferior del inversor.

Nuevamente, se puede ver que se ha mantenido el orden en la construcción del equipo, los nuevos transformadores que se ven en la figura 3.21 con respecto a la 3.19 (transformadores 2do y 3er Auxiliares) están justo debajo de sus respectivos Principales y 1er Auxiliar de cada fase. La Fuente de Poder, que es una

62

sola para todo el inversor, se ha ubicado en la parte central bajo las Tarjetas de Potencia. En la figura H.2 del Anexo H se encuentra una fotografía de la parte inferior del inversor, donde se pueden observar estos componentes.

Finalmente, en la figura 3.22 se muestra un dibujo esquemático de un corte transversal del inversor, la idea es poder mostrar agrupados todos los elementos de una de las fases, se eligió hacer el corte por la fase central de modo que también aparezca la Fuente de Poder.

Tarjeta deInterconexión

TransformadorMaestro

Transformador1er Auxiliar



Tarjetas deDisparo

Disipador

Fuentede Poder

Tarjeta dePotencia

Conectorde Control

BarrasTransversales

Figura 3.22 Esquema corte por la fase central del inversor.

El corte por las otras fases (las de los extremos), es exactamente igual al mostrado en la figura 3.22, pero con la diferencia de que bajo éstas no se encuentra la Fuente de Poder. En la figura también se pueden ver una barras transversales, las superiores son utilizadas para montar los transformadores a la estructura de aluminio y las inferiores para darle mayor rigidez al Armazón del inversor.

Sobre las barras transversales superiores se montaron los transformadores correspondientes a las etapas Principal, 1er y 2do Auxiliar, formando una unidad compacta e independiente para cada fase. Los transformadores de la Etapa del 3er

63

Auxiliar quedaron montados directamente sobre el perfil U de aluminio de la estructura. En la Figura 3.23 se muestra un dibujo esquemático del conjunto de los tres transformadores de mayor potencia de cada fase, los que se montan y desmontan del inversor como módulos independientes, formando un “grupo de transformadores”.

TransformadorPrincipal



BarraTransversal

Figura 3.23 Grupo de transformadores.

3.8. Conexiones Eléctricas.

Las conexiones eléctricas del inversor se pueden dividir en tres grupos diferentes: Conexiones de Alimentación, de Potencia y de Disparo, las que se detallarán a continuación.

64

3.8.1. Conexiones de Alimentación.

El inversor esta diseñado para ser conectado directamente a la red de 220Vac, la cual suministra la alimentación a todos los circuitos que la requieran. Para ser más específico, los ventiladores y la Fuente de Poder, a través de la cual se alimentan los Circuitos de Disparo.

La alimentación de 220V se realiza a través de un conector, el que se encuentra a un costado del inversor (ver figura H.3 del Anexo H), y un interruptor general. Este interruptor posee una luz piloto para indicar funcionamiento (luz encendida indica inversor operativo). En la figura 3.24 se muestra un diagrama eléctrico de las conexiones de alimentación de 220Vac.

Conector deAlimentación

InterruptorGeneral

~~

Tierra220 Vac

Conectadoal Armazón Conector

Ventilador 1

ConectorVentilador 2

Conector Fuentede Poder

Figura 3.24 Diagrama eléctrico conexiones de alimentación de 220V.

Las conexiones de alimentación de baja tensión son las que llevan la tensión continua generada por la Fuente de Poder a las Tarjetas de Potencia, para pasar a través de ellas a las de Disparo. Por lo tanto, estas conexiones son

65

básicamente tres grupos de cables, un grupo para cada fase, de tres conductores cada uno. Por cada uno de estos conductores se suministra los 5 y 15 Vdc además de la referencia para estas tensiones. En la figura 3.25(a) se muestra una fotografía de este cableado saliendo desde la Fuente de poder, y en la figura 3.25(b) se muestra el cableado llegando a las Tarjetas de Potencia.

Figura 3.25 Cableado de baja tensión a) Saliendo desde la Fuente de Poder b) Entrando a las Tarjetas de Potencia.

3.8.2. Conexiones de Potencia

Las conexiones de Potencia se dividen es tres grupos separados: Alimentación DC de Potencia, Conexión de los Primarios de los Transformadores e Interconexión de Transformadores.

La Alimentación DC de Potencia se refiere al cableado utilizado para conectar los bornes de tensión continua del inversor con los conectores de continua de cada una de las Tarjetas de Potencia (ver figura H.4(a) del Anexo H). En la figura 3.26 se muestra un diagrama eléctrico de estas conexiones.

66

Conector DC dePotencia Fase 2



Bornes deTensiónContinua

Figura 3.26 Diagrama eléctrico Alimentación DC de Potencia

La Conexión de los Primarios de los Transformadores se realiza mediante conectores, ubicados en los cables de cada enrollado primario de cada transformador, los que se conectan a las Tarjetas de Potencia. Es necesario tener cuidado en estas conexiones, ya que todos los conectores utilizados son del mismo tipo, pero se debe conectar cada transformador con su correspondiente terminal en la Tarjeta de Potencia.

1er Auxiliar

2er Auxiliar

Figura 3.27 Conexión primarios Etapas 1er y 2do Auxiliar

67

El terminal que esté puesto en los cables provenientes del transformador Principal debe ir conectado con el terminal correspondiente de la Tarjeta de Potencia y así sucesivamente con cada uno. En la fotografía de la figura 3.27 se muestra la conexión de los primarios de los transformadores correspondientes a las Etapas del 1er y 2do Auxiliar.

La Interconexión de Transformadores se refiere a las conexiones realizadas en los enrollados secundarios de los transformadores, para ello se utilizó una regleta de conexión para cada fase, la cual se fijó a cada uno de los transformadores de la Etapa del 1er Auxiliar. Es importante destacar que en estas conexiones es imprescindible conocer la polaridad de los transformadores, para que la suma y resta de las tensiones se haga en forma adecuada. Por lo anterior, antes de interconectar los transformadores, se determinó la polaridad de cada uno de ellos, marcando con una cinta distintiva los terminales “punto” de cada transformador.

Luego se procedió a realizar la interconexión respetando la polaridad, de modo de conectar los enrollados secundarios en serie, un terminal “punto” de un transformador con uno “no punto” de otro. Luego, una vez conectados todos los transformadores, los extremos de esta interconexión se deben conectar a los bornes de salida AC de cada fase del Inversor (ver figura H.4(b) del Anexo H). En la figura 3.28 se muestra un diagrama eléctrico de estas conexiones.

Secundario TrafoPrincipal

Secundario Trafo1er Auxiliar



DistintivosTerminales “punto”

Bornes deTensiónAlterna

Regleta deConexión

Figura 3.28 Diagrama eléctrico de Interconexión de Transformadores

68

El diagrama que se muestra en la figura 3.28 corresponde a la interconexión de los cuatro transformadores de una de las fases del inversor. Para el resto de ellas se procede de la misma forma, repitiéndose las mismas conexiones. En el Anexo G, en la figura G.5, se muestra una fotografía de esta interconexión para una de las fases.

3.8.3. Conexiones de Disparo

Las Conexiones de Disparo son las que se realizan entre las Tarjetas de Disparo y las Tarjetas de Interconexión, para ello se utilizó un cable plano de 16 conductores. En la figura 3.11(b) se mostró una Tarjeta de Interconexión con sus respectivos cables, uno para cada Tarjeta de Disparo.

En la conexión de estos cables se debe tener en cuenta que cada conector de la Tarjeta de Interconexión debe estar conectado con su respectiva tarjeta de Disparo. Para esto hay que leer en la propias tarjetas a qué terminal se están conectando los cables.

3.9. Montaje del Inversor.

Ya que se han detallado todas las partes del inversor, ahora se puede hacer una descripción de los pasos y secuencia de montaje a seguir para armar y desarmar el inversor. Para mayor claridad, el proceso de ensamble del inversor se describe con el diagrama de flujos de la figura 3.29 (para desarmar el inversor se debe procede de forma inversa).

69

Armazón

Cableado de Alimentación de alta Tensión

Montaje Transformadores 3er Auxiliar

Montaje Grupo de Transformadores

Interconexión de Transformadores

Montaje Tarjeta de Interconexión

Montaje Disipador

Alimentación DC Potencia y Conexiones Primarios Transformadores

Conexiones de Disparo

Montaje Ventiladores

Montaje Fuente de Poder

Figura 3.29 Diagrama de flujo del proceso de ensamble del inversor

El montaje de los Grupos de Transformadores debe hacerse desde el centro del Inversor hacia fuera, es decir, primero debe montarse el Grupo de la fase central y luego los de las laterales.

El montaje del Disipador se refiere a todo el grupo formado por el propio Disipador, los IGBT, las Tarjetas de Potencia y Disparo, tal como se muestra en el corte de la figura 3.18.

Durante todo el proceso de construcción se fueron realizando diferentes pruebas para ir determinando que todas las partes funcionaban por separado, de manera que al hacer el ensamble se tuviera a certeza de que todo funcionaría como se

70

esperaba. Como el control definitivo no estaba terminado, cosa que se explica en el próximo capítulo, para estas pruebas se utilizó un control monofásico, con el que se probaron independientemente las tres fases del inversor (ver Anexo I).

3.10. Inversor construido.

En la figura 3.30 se muestra una fotografía del inversor construido, donde se le están haciendo algunas mediciones de prueba. En la parte superior de la figura se puede observar el control provisorio utilizado para las pruebas realizadas (mencionado en el próximo capítulo).

Figura 3.30 Inversor Trifásico Multinivel de cuatro Etapas

71

La Figura 3.31 muestra el inversor instalado en una estructura especialmente diseñada para ser acoplado con otro inversor multinivel de 4 etapas y 81 niveles, diseñado por el memorista Felipe Ríos [9] (el que aparece en la parte superior de la figura), con el fin de implementar un sistema integrado AC-AC.

Figura 3.31 Sistema Integrado AC-AC con dos Inversores Multinivel

Este sistema consiste en conectar el inversor construido en esta memoria a la red alterna operando como rectificador de corriente sinusoidal, el cual no ensucia la red como lo hace un rectificador de onda completa convencional. La salida continua de este inversor (operando como rectificador), servirá como entrada DC al inversor multinivel construido por Felipe Ríos, entregando, gracias al control, una onda de voltaje alterna de frecuencia variable que será utilizada en el control de

72

motores de corriente alterna. Como se dijo anteriormente, la característica del inversor construido en esta memoria es que trabaja a frecuencia fija (debido a los transformadores de salida), por lo que no puede ser usado en la etapa de inversión del sistema AC-AC, mientras que el inversor construido por Felipe Ríos no presenta este tipo de limitaciones. El sistema puede operar en los cuatro cuadrantes de P y Q.

73

IV. RESULTADOS EXPERIMENTALES

Una de las razones para construir el inversor fue la realización de pruebas prácticas que demostraran y comprobaran las características de este tipo de inversores. En el presente capitulo se muestra una serie de pruebas realizadas al inversor, junto con sus respectivas simulaciones, de modo de poder hacer un paralelo entre la teoría y práctica.

Debido a que el control definitivo para este inversor, que corresponde a otro trabajo que se está desarrollando en forma paralela, aún no está terminado, las pruebas realizadas son preliminares. Se pudo probar con buenos resultados el sistema operando las tres fases simultáneamente, pero a baja tensión, debido a que el control no se comportaba del todo confiable para seguir aumentando la tensión DC de alimentación del inversor. El trabajo del control corresponde al memorista Carlos Schwartz [10].

MotorInducción

Resistencia deProtección

INVERSOR

Control

FuenteDC

Figura 4.1 Esquema conexiones de pruebas.

Para realizar las pruebas al inversor, se conectó a una Fuente de 60Vdc ajustable por medio de una resistencia de protección de 2Ω, para limitar la corriente en el inversor en caso de fallas en el control. Así, la máxima corriente que circula en caso de falla es de 30A (en el caso de que la fuente esté a 60Vdc). Por otro lado, la

74

salida de tensión alterna del inversor se conectó a un motor de inducción trifásico de enrollados independientes de 3,7kW. En la Figura 4.1 se muestra un esquema de la configuración utilizada para las pruebas.

Las pruebas realizadas al inversor consistieron principalmente en mediciones de la forma de onda del voltaje y la corriente de salida del inversor.

4.1. Tensión de Salida del Inversor.

En la figura 4.2 se muestran los voltajes trifásicos generados por el inversor, donde se puede apreciar que la tensión de salida es bastante limpia, corroborando la teoría explicada anteriormente.

Figura 4.2 Tensión trifásica a la salida del inversor

En la señal se pueden observar pequeños “peaks” que ensucian la señal, los que se deben a que el sistema de control que se utilizó aún estaba en su fase de prueba. Estos errores en la señal probablemente son debido a ruidos en el control y a un mal manejo de los tiempos muertos, lo que puede producir que dos o mas puentes H no generen sus voltajes en los momentos adecuados. En la Figura 4.3 se muestra una simulación de esta misma señal, en la que se puede ver que la señal obtenida con el inversor es muy parecida a la experimental.

75

Figura 4.3 Simulación de señal de voltaje trifásico del inversor.

Para apreciar en mayor detalle la onda de voltaje, se midió un semiciclo. En la figura 4.4 se puede observar esta señal, donde nuevamente aparecen los ”peaks” antes mencionados.

Figura 4.4 Onda de voltaje de un semiciclo

Para comparar esta señal medida en el inversor con la señal teórica, en la figura 4.5 se muestra una simulación de esta misma señal, la que coincide

76

perfectamente con la obtenida en las pruebas prácticas. Claro está que en la simulación no están presentes los ruidos descritos anteriormente.

Figura 4.5 Simulación de la onda de voltaje de un semiciclo

4.2. Corriente de Salida del Inversor.

La medición de corriente se hizo con el motor trifásico mencionado al principio de este capítulo, el que fue alimentado con el inversor, y se midió la tensión y el voltaje en una de las fases. En la figura 4.6 se muestra esta medición, en la que se puede observar el atraso de la corriente con respecto al voltaje. Como se puede ver, la corriente resulta ser prácticamente sinusoidal, lo que comprueba las simulaciones mostradas anteriormente en esta memoria. Como en los casos anteriores, en la figura 4.7 se muestra una simulación con las misma características de la figura 4.6, comprobando nuevamente que los resultados prácticos se ajustan a las simulaciones.

77

Corriente

Voltaje

Figura 4.6 Voltaje y corriente de salida del inversor

Corriente

Voltaje

Figura 4.7 Simulación de voltaje y corriente de salida del inversor

En resumen, se puede apreciar que las curvas de voltaje y corriente obtenidas en las pruebas prácticas y en las simulaciones, son de características similares, lo que nos demuestra la veracidad de las simulaciones realizadas en esta memoria.

4.3. Comparación con Inversor PWM.

La Figura 4.8 muestra, aunque no a la misma escala, una comparación cualitativa entre el voltaje generado por un inversor PWM, y el generado por el inversor multinivel desarrollado en esta memoria. Se puede observar claramente que

78

la onda generada por el inversor multinivel es prácticamente perfecta comparada con la del inversor PWM.

Figura 4.8 a)Voltaje inversor multinivel. b) Voltaje inversor PWM.

Por su parte, en la figura 4.9 se muestra esta misma comparación, pero para la corriente en los dos tipos de inversores, donde nuevamente se ven las buenas propiedades de la corriente generada con el inversor multinivel.

Figura 4.9 a) Corriente inversor multinivel. b) Corriente inversor PWM.

Con estas comparaciones queda claro el gran aporte de la tecnología multinivel al perfeccionamiento de los convertidores estáticos.

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V. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

Se diseñó y construyó un inversor trifásico Multinivel de Cuatro Etapas, obteniéndose un equipo de potencia de estructura compacta y robusta gracias al disipador de calor utilizado que posee una resistencia térmica teórica menor que 0.064 ºC/W. Una vez construido el equipo, este fue sometido a pruebas prácticas con resultados exitosos.

El inversor construido está basado en la utilización de cuatro puentes H por fase, los cuales se interconectan por medio de transformadores, y junto a un sistema de control permiten obtener una señal sinusoidal de tensión de ochenta y un niveles (40 valores positivos, 40 negativos y el cero). Aunque el sistema de control no era parte de esta memoria, fue necesario programar un software de disparo básico para realizar las pruebas. Los puentes H se han formado empleando IGBTs como semiconductores de potencia.

Los resultados obtenidos en las pruebas realizadas fueron satisfactorios en todo sentido, pudiéndose comprobar prácticamente las buenas propiedades de la tecnología de los inversores multinivel, comparado con los tradicionales inversores de dos niveles con modulación por ancho de pulso. Este efecto se nota tanto en las señales de voltaje como en las de corriente, lo que se puede observar en el capítulo IV de esta memoria.

Actualmente se está trabajando en un control para operar el inversor como un filtro activo de potencia, el que será conectado directamente a la red trifásica. Además, existen planes para realizar un sistema integrado AC-AC como el mencionado en el punto 3.10 de esta memoria, con el que se pretende controlar un motor de inducción trifásico controlando la frecuencia y el voltaje de alimentación. En este sistema, el inversor estaría siendo utilizado como un rectificador de corrientes sinusoidales. Otra aplicación de este inversor es como compensador estático de reactivos.

80

BIBLIOGRAFIA

[1] Powersim Technologies. PSIM Version 4.1, for Power Electronics Simulations. User Manual. Powersim Technologies, Vancouver, Canada, Web: http://www.powersimtech.com.

[2] Leon M. Tolbert, Fang Z. Peng (2000) Multilevel Converters as a Utility Interface for Renewable Energy Systems. IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, July 15-20, 2000, Seattle, Washington, pp. 1271-1274

[3] J. Rodríguez, J.-S. Lai, and F. Z. Peng (2002) Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications. IEEE Transactions on, Industrial Electronics, August 2002 Vol. 49 Num. 4.

[4] Leon M. Tolbert, Fang Z. Peng (1999) Multilevel Converters for Large Electric Drives. IEEE Transactions on Industry Applications. vol. 35, no. 1, pp. 36-44, Jan/Feb 1999.

[5] Keith Corzine, Yakov Familiant (2002) A New Cascaded Multilevel H-Bridge Drive. IEEE Transactions on Power Electronics, January 2002 Vol. 17, Num. 1.

[6] Dixon, J; Morán, L; Bretón, A; Ríos, F; (2002) Multilevel Inverter, Based on Multi-Stage Connection of Three-Level Converters, Scaled in Power of Three. IEEE Industrial Electronics Conference, IECON'02, 5-8 Nov. 2002

[7] Contardo, José; (1997) Filtro activo Paralelo con Control Difuso en la Barra Continua, Memoria para optar al Título de Ingeniero Civil de Industrias, con Mención en Electricidad, Pontificia Universidad Católica de Chile.

[8] Rotella, Mauricio; (1999) Diseño Asistido por Computador para la Construcción de un Inversor Compacto de Alta Potencia, Memoria

81

para optar al Título de Ingeniero Civil de Industrias, con Mención en Electricidad, Pontificia Universidad Católica de Chile.

[9] Ríos, Felipe; (2003) Diseño y Construcción de un Inversor Trifásico Multinivel, Memoria para optar al Título de Ingeniero Civil Industrial, con Diploma en Ingeniería Eléctrica, Pontificia Universidad Católica de Chile.

[10] Schwartz, Carlos; (2003) Sistema de Control para Inversor Multinivel de Cuatro Etapas, Memoria para optar al Título de Ingeniero Civil Eléctrico, Pontificia Universidad Católica de Chile.

[11] PCB-SHOP (Current at different temperature rises for 35µ Cu external conductors) http://www.isbiel.ch/E/Laboratories/Telematic/ PCBShop/route-pcb/standards.htm

82

A N E X O S

83

ANEXO A : DIAGRAMAS ESQUEMATICOS UTILIZADOS CON EL SOFTWARE “POWER ELECTRONICS SIMULATOR”

En este Anexo se incluyen los diagramas esquemáticos utilizados en Power Electronics Simulator para realizar las simulaciones presentadas en este trabajo:

• Diagrama para simular Inversor con Fuentes Independientes, ver figura A.1

• Diagrama para simular Inversor con Fuente Común, ver figura A.2

• Diagrama para simular Inversor PWM, ver figura A.3

84

Diagrama para Simular Inversor con Fuentes Independientes.

Figura A.1 Diagrama simulación Inversor con Fuentes Independientes.

85

Diagrama para Simular Inversor con Fuente Común.

Figura A.2 Diagrama simulación Inversor con Fuente Común.

86

Diagrama para Simular Inversor PWM.

Figura A.3 Diagrama simulación Inversor PWM.

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ANEXO B: DATOS TÉCNICOS

En este anexo se presentan todas las hojas de datos técnicos de los Circuito Integrados utilizados para la implementación del Inversor. A continuación se muestra una lista de las hojas de datos técnicos incluidos en este Anexo.

• P503-F-PM (IGBT de Potencia)

• IR2113 (Controladores de Compuerta)

• 6N137 (Optocupla)

• 74LS04 (Negador)

• LM7805, LM7812, LM7815 (Reguladores de 5, 12 y 15 volts)

• Disipador 0.024Cº/W (AABID Engineering)

88

P503-F-PM (IGBT de Potencia)

95

IR2113 (Controladores de Compuerta)

101

6N137 (Optocupla)

106

74LS04 (Negador)

109

LM7805, LM7812, LM7815 (Reguladores de 5, 12 y 15 volts)

115

Disipador 0.024Cº/W (AABID Engineering)

119

ANEXO C: DETALLES CIRCUITO IMPRESO DE POTENCIA.

Este circuito impreso, como se dijo anteriormente, se utiliza para disponer los IGBTs de potencia del inversor, por lo tanto por el circulan grandes corrientes, para las cuales las líneas de este deben estar diseñadas de tal forma que las soporten sin sufrir daños.

Dado que el espacio disponible entre los terminales de los diferentes IGBTs y que el software utilizado permite un ancho máximo de líneas de 255mills, se resolvió diseñar las líneas de mayor corriente en esta medida. En la figura C.1 se muestra un cálculo, para dos temperaturas diferentes, utilizando un software de libre acceso en internet, que indica la corriente que soportaría una línea de estas características [11].

Figura C.1 Capacidad de líneas

Las líneas diseñadas soportan una corriente de 15A a unos 30ºC de operación, aunque a medida que sube la temperatura aumenta la capacidad de la línea, estas se reforzaron con estaño, de modo de permitir que soporten sin problemas los 20A para los cuales se hicieron los cálculos del diseño térmico (Ver Anexo G).

En este Circuito Impreso se utiliza la misma simbología mostrada en la figura 3.5 en lo que se refiere a los IGBTs, es decir, se les asignó nombres dependiente de su posición en el puente H, tal como se muestra en la figura C.2.

120

Como se puede ver, a los IGBTs de la parte de arriba del puente se los llamó HI1 y HI2, y la los de la parte inferior se los llamó LO1 y LO2, estando alineados verticalmente los con índice 1 y 2. De esta forma quedan perfectamente identificados todos los IGBT del Inversor (determinados por la etapa a la que pertenecen y su ubicación dentro del puente)

HI1 HI2

LO1 LO2

Figura C.2 Identificación de IGBTs dentro de cada puente H

Así, las señales de control para cada uno de los diferentes IGBTs del inversor se identificarán de esta misma forma.

Esta Tarjeta posee diversos conectores a través de los cuales se conectan los componentes del inversor. En la figura C.3 se muestra un detalle de los conectores de potencia. Es importante destacar que estos conectores tienen polaridad, es decir se deben conectar de una sola forma tanto los de alimentación (Suministro de tensión continua) como los que conectan a los transformadores. Esto último es esencial debido a que se debe respetar la polaridad de los transformadores para que la “suma y resta” de tensiones se haga de la forma correcta.

En la figura C.3 se pueden observar los conectores para suministrar la tensión continua para alimentar los cuatro puentes H que forman cada fase del inversor. Nótese que se dejaron 3 terminales en paralelo, lo que fue realizado para permitir cierta flexibilidad en el montaje del inversor. Además se a indicado cuales

121

corresponden a los terminales positivos y negativos de esta alimentación. Para generar una tensión de salida de 220 Vac, se debe suministrar una tensión de 285 Vdc, según lo calculado en la ecuación 3.2.

Como ya se dijo, los conectores para los transformadores tienen polaridad, por lo tanto, para mantener un orden entre todos ellos se diseñó la Tarjeta de manera que en los terminales superiores de cada uno de estos quedó el terminal correspondiente al punto entre los IBGT HI2 y LO2 de la figura C.2 y en el terminal inferior el punto entre los IGBT HI1 y LO1.

Conectores para losTransformadores

Conectores deEntrada DC

Negativo Positivo

Principal

3er Auxiliar 1er Auxiliar

2er Auxiliar

Figura C.3 Detalle Conectores de Potencia.

Por otro lado, esta tarjeta posee los terminales de las puertas para disparar los IGBTs. En la figura C.4 se muestra en detalle esta sección de la tarjeta, como se dijo anteriormente, los terminales para estos efectos (centro de la figura) poseen la

122

misma nomenclatura que la mostrada en la figura C.2, los que se detallarán más adelante. Además, en los extremos de la figura se destacan los terminales por los cuales se suministra la alimentación para la Tarjeta de Disparo, se puede observar que se debe suministrar una tensión de 5Vdc y 15Vdc los que están referidos a la misma tierra que la alimentación de potencia de esta tarjeta. Indistintamente de cual de estos conectores se utilice, la tarjeta queda completamente alimentada.

Conectores de DisparoAlimentación paraTarjeta de Disparo

Alimentación paraTarjeta de Disparo

5 Vdc15 Vdc

Negativo

5 Vdc 15 VdcNegativo

Figura C.4 Detalle conectores de control.

En la tarjeta construida están debidamente señalados todos los terminales, pero para poder observarlos con mayor detalle, en la figura C.5 se muestran solo los conectores de las señales de disparo. Por estos conectores, además de las señales de disparo también se transmiten algunas referencias de voltajes y la alimentación para la Tarjeta de Disparo.

123

Figura C.5 Detalle conectores de disparo

En la figura C.5 se puede ver que los terminales de los conectores están clasificados en cuatro grupo, los que se describen a continuación.

• Master Drivers: Disparo para la etapa Principal

• Slave 1 Drivers: Disparo para la etapa del 1er Auxiliar



Además se utiliza una serie de abreviaciones para cada uno de los terminales, las que se describen a continuación.

• HI1, HI2, LO1, LO2: Estos terminales corresponden a las compuertas de disparo de los IGBTs, con la misma configuración que se muestra en la figura C.2.

• REF: Terminales para transmitir el voltaje de referencia entre los IGBTs HI1 y LO1 y los IGBTs HI2 y LO2 de la figura C.2, Esta referencia es necesaria para la Tarjeta de Disparo, pues con ella

124

logra generar la tensión de 15V para disparar los IGBTs HI1 y HI2.

• GND: Terminal conectado a la tierra de la fuente de potencia y a las fuentes de 5Vdc y 15Vdc de modo que están todas referidas al mismo potencial. Además, esta referencia es utilizada por la Tarjeta de Disparo para generar la tensión de 15V para encender los IGBTs LO1 y LO2.

• 5V, 15V: Terminales por los cuales se transmiten los tensiones de alimentación de la Tarjeta de Disparo.

• T: Terminales a los cuales están conectados los termistores de los diferentes puentes de la Tarjeta de Potencia.

125

ANEXO D: DETALLES CIRCUITO IMPRESO DE DISPARO.

La Tarjeta de Disparo posee dos conectores, uno que empalma directamente con el Conector de Disparo de la Tarjeta de Potencia, y otro para introducir las señales de control a los IGBTs. En la figura D.1 se muestra un detalle de este primer conector, que no es más que una serie de líneas dejadas en el circuito impreso que se introducen en el conector de la Tarjeta de Potencia.

Figura D.1 Detalle Tarjeta de Disparo

En la figura D.2 se muestra este mismo detalle, pero se han dejado solo las líneas que conforman el conector, modo que se pueda apreciar con mayor claridad la caracterización de cada línea de conexión. La nomenclatura utilizada es la misma que la utilizada en el conector de disparo de la figura C.5, en esta tarjeta se han agrupado en dos los contactos (Master con Slave 2 Driver y Slave 1 con Slave 3 Driver). Esto, porque dependiendo en cual ranura de la Tarjeta de Potencia se introduzca la Tarjeta de Disparo, esta controlará diferentes etapas del inversor.

Además, tanto en la figura D.1 como en la D.2, se puede observar que en esta parte de la Tarjeta de Disparo se a dejado una muesca, la que sirve para que se pueda introducir solo de una forma en el conector de la Tarjeta de Potencia.

126

Figura D.2 Detalle ampliado terminales de disparo.

El otro conector de esta tarjeta, que es por el que ingresan las señales a la Tarjeta de Disparo, se muestra detalladamente en la figura D.3. Nuevamente la nomenclatura utilizada en este conector es la misma que la descrita anteriormente.

En esta figura hay cuatro terminales que no poseen descripción, estos corresponden a la tierra de referencia para las señales de control, esta está aislada del resto del circuito de disparo por medio de las optocuplas (ver figura 3.5).

Figura D.3 Detalle conector de señales de disparo

127

ANEXO E: DETALLES CIRCUITO IMPRESO DE INTERCONEXION.

Como se dijo anteriormente, la finalidad de este circuito es agrupar todas las señales de control en cada fase en un solo conector. Dado que para realizar esta labor no se necesitan circuitos integrados, esta tarjeta está compuesta solo por conectores de diferente cantidad de terminales.

Básicamente posee dos conectores de las mismas características a los de la figura D.3, a través de ellos se conectan las dos Tarjetas de Disparo a la Tarjeta de Interconexión. La disposición de las diferentes señales que transmiten estos conectores y la nomenclatura utilizada es equivalente a la del conector de señales de disparo. En la figura E.1 se puede observar la ubicación de estos conectores en el circuito impreso. Además se muestran los conectores para los termistores y el conector de control, que es a través del cual se ingresan las señales de control al inversor.

Conectores paralos Termistores

Conectores paralos Termistores

Conectores paraSeñales de

Disparo

Conector paraSeñales de

Control

Figura E.1 Detalle Tarjeta de Interconexión.

128

Como se puede observar, esta tarjeta posee dos conectores para los termistores, uno al lado derecho y otro al lado izquierdo de la figura E.1. En cada uno de ellos hay dos pares de terminales, que corresponden a cada uno de los puentes. Los dos terminales superiores del conector del lado derecho son los de la etapa del 2do Auxiliar, y los dos inferiores del 1er Auxiliar. Por otro lado, los dos terminales superiores del conector del lado izquierdo son los de la etapa Principal, y los dos inferiores del 3er Auxiliar.

En la parte inferior de la figura E.1 se encuentra el conector principal de esta tarjeta, el conector para las señales de control. En cada fase de inversor se encuentra uno de estos conectores, los que para cada una de ellas poseen todos los terminales de las señales de control de esa fase. La figura E.2 se una fotografía de frente y ampliada de este conector, para detallar cada uno de los terminales que posee. Se prefirió una fotografía para evitar confusiones, ya que este es el único conector externo del inversor y sobre esta se conectarán los diferentes sistemas de control que se diseñen a futuro, aunque en la tarjeta están debidamente indicados todos los terminales.

913 5 1 73 11 15

1014 6 2 84 12 16

Figura E.2 Fotografía del conector para las señales de control

129

Utilizando la misma nomenclatura de siempre, se construyó la tabla E.1, donde se detalla cada uno de los terminales numerados en las figura E.2, por otro lado, todos los terminales que no poseen numeración en la figura están conectados entres sí y corresponden a la referencia de tensión para las señales de control.

Tabla E.1 Descripción terminales figura E.2

LO1 HI1 LO2 HI2

3er Auxiliar 1 2 3 4



Principal 13 14 15 16

130

ANEXO F: DETALLES DE LA FUENTE DE PODER.

La fuente de poder de este inversor alimenta simultáneamente los consumos de las seis Tarjetas de Disparo (dos por cada fase). Como se dijo anteriormente, estas tarjetas requieren una tensión de alimentación de 5Vdc y 15Vdc.

Para diseñar esta fuente, inicialmente se construyó las Tarjetas de Disparo, las que una vez probadas se sometieron a pruebas para determinar la corriente que consumían. Así, conectadas las dos Tarjetas de Disparo a una de las Tarjetas de Potencia, se determinó que por cada fase del inversor (es decir, para dos Tarjetas de Disparo), la fuente debía suministrar una corriente de 130mA en la alimentación de 5Vdc y una corriente de 2mA en la alimentación de 15Vdc. Multiplicando estos valores por tres (las tres fases del Inversor), se obtuvo la corriente total que debía aportar la Fuente de Poder, lo que se muestra en la tabla F.1

Tabla F.1 Corrientes que debe suministrar la Fuente de Poder.

mA

5Vdc 6

15Vdc 390

Además, la Fuente genera una tensión de 12Vdc, la que se dejó como capacidad ociosa de ésta para otras aplicaciones futuras. Finalmente, la Fuente fue diseñada para soportar corrientes algo superiores a las mostradas en la tabla F.1, de manera de garantizar se buen funcionamiento, estos valores se muestran en la tabla F.2.

131

Tabla F.2 Corrientes de diseño para la Fuente de Poder.

mA

5Vdc 200

12Vdc 200

15Vdc 500

Como se dijo anteriormente, el funcionamiento de esta fuente se basa en puentes rectificadores de diodos y circuito integrados reguladores de tensión. En detalle, para generar la tensión de 5Vdc se utilizó un transformador de 18Vdc con punto medio, el que se conectó a un rectificador de media onda y luego esta tensión fue regulada por el circuito integrado LM7805. Por otro lado, como la tensión de 15Vdc requiere de muy baja corriente, con un transformador de 24Vac, y un puente rectificador de onda completa se alimentó en forma paralela a los reguladores de 12Vdc y 15Vdc (LM7812 y LM7815). En la figura F.1 se muestra un diagrama esquemático de la fuente.

LM7805 5Vdc220Vac 2200uF

LM7815 15Vdc

220Vac

750uF

LM7812 12Vdc

Figura F.1 Diagrama esquemático Fuente de Poder.

132

En la figura F.2 se muestran dos fotografías en las cuales están destacados los terminales de conexión de la fuente. En la imagen de la izquierda se muestra el conector que se utiliza para alimentar la fuente directamente de los 220Vac de la red. Por otro lado, en la imagen de la derecha se aprecian los terminales de salida de la fuente, se puede ver que hay tres conectores de 5Vdc y 15Vdc, los cuales mediante cables se conectan a las Tarjetas de Potencia de cada fase. Finalmente, se observa un conector de 12Vdc, el cual queda disponible para otra aplicaciones. Adicionalmente, se dejó una serie de orificios para poner otros conectores por los cuales se podrían obtener las diferentes tensiones de la fuente.

Conector 220 Vac Conectores 5 y 15 Vdc Conector 12 Vdc

Figura F.2 Detalles conectores Fuente de Poder

133

ANEXO G: CALCULOS TERMICOS.

En este anexo se incluyen los cálculos del modelo térmico y el cálculo de la resistencia térmica del disipador.

I. Cálculos y supuestos del modelo térmico.

El modelo térmico depende de la potencia disipada por los semiconductores, de los valores de las resistencias térmicas del semiconductor, de la superficie de contacto del semiconductor y del disipador propiamente tal.

La potencia disipada por el semiconductor se debe separar en dos, la disipada en conducción y la disipada por el diodo. La potencia disipada por el semiconductor se calcula de la siguiente forma:

fEECycleDutyIVP

fEEP

CycleDutyIVP

PPP

OFFONDDSConducciónDIS

OFFONnConmutacióDIS

DDStorSemiconducConduccionDIS

nConmutacióDIStorSemiconducConduccionDISConducciónDIS

⋅++⋅⋅=

⋅+=

⋅⋅=

+=

)()(

)(

)(

)(

_

__

___)(

Así, con G.1, G.2 y G.3 se obtiene:

fEECycleDutyIVP OFFONDDSConducciónDIS ⋅++⋅⋅= )()()( (G.4)

Y la potencia disipada por el diodo se obtiene con la ecuación G.5

DDDiodoDIS IVP ⋅=)( (G.5)

El modelo térmico utilizado es el que se muestra en la figura G.1, donde se han dejado 12 IGBTs Principales y 36 IGBTs Auxiliares. Para simplificar los cálculos se consideró que la potencia disipada por los Auxiliares es la misma para todos, considerando la disipada por uno de los 1ros Auxiliares, que es mayor que la

(G.1) (G.2) (G.3)

134

del resto. Así los cálculos resultan más simples y no se cometen errores, debido a que se está sobrestimando la potencia disipada.

RTH (DA)

TA

RTH (JC+CD)

PDISM

RTH (JC+CD)

RTH (JC+CD)

RTH (JC+CD)

12 IGBTsMaestros

36 IGBTsAuxiliares

TJ

TJ

TJ

TJ

TD

PDISM

PDISA

PDISA

Figura G.1 Modelo térmico utilizado para los cálculos

Para realizar los cálculos se consideró que por los IGBTs Principales circulará como máximo una corriente de 20A, por lo tanto por los Auxiliares circulará 3A (15% de la corriente de los Principales). Es importante considerar que el inversor no está diseñado para operar con 20A en los Principales, ya que los transformadores utilizados limitan la potencia. Pero los cálculos se realizaron con este valor para garantizar que el inversor podría operar en el futuro sin problemas térmicos a esa corriente, para lo cual solo se requeriría un cambio de los transformadores de salida.

La variable desconocida en la figura G.1 es RTH(DA), la que se calcula con la ecuación que se muestra a continuación.

( ) MDISCDJCTH

ADIS

MDISDATHAJ PRPPRTT ⋅+++= + )()( (G.6)

135

Con esta ecuación se obtiene el valor de la temperatura de juntura del disipador, la que debe ser menor que 125ºC, para garantizar el buen funcionamiento de los IGBTs. Así, formando la desigualdad antes mencionada, se puede obtener el valor máximo de la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente, este valor se obtiene con la ecuación G.7.

+

⋅−−≤ +

ADIS

MDIS

MDISCDJCTHA

DATHPP

PRTR )(

)(

125 (G.7)

En la tabla G.1 se muestra un resumen con todos los datos utilizados para los cálculos.

Tabla G.1 Datos para cálculos térmicos

Dato Valor

VDS 2.6V

VD 1.26V

EON 0.28mWs

EOFF 0.75mWs

RJCIGBT 0.9ºC/W

RJCDiodo 1.7ºC/W

RCD 0.34ºC/W

ID 20A

TA 40ºC

TJ max 125ºC

fPrincipal 50Hz

fAuxiliar 250Hz

Duty Cycle (Principal) 40%

Duty Cycle (Auxiliar) 37%

136

A continuación se procederá con los cálculos para cuando el IGBTs está en conducción. En este caso, la potencia disipada se calcula con la ecuación G.4, obteniéndose:

8515.20

50)00075.000028.0(4.0206.2

)(

)(

=

⋅++⋅⋅=M

ConducciónDIS

MConducciónDIS

P

P (G.8)

1435.3

250)00075.000028.0(37.036.2

)(

)(

=

⋅++⋅⋅=A

ConducciónDIS

AConducciónDIS

P

P (G.9)

La sumatoria de la potencia disipada se calcula de la siguiente forma:

=⋅=

=⋅=

166.11336

218.25012

)(

)(

AConducciónDIS

ADIS

MConducciónDIS

MDIS

PP

PP (G.10)

Por lo tanto, reemplazando G.8, G.9 y G.10 en G.7 se obtiene el valor máximo de la resistencia térmica para cuando el IGBT está en conducción

WCR ConducciónDATH /º163.0)()( ≤ (G.11)

Ahora se continuará con los cálculos para cuando el diodo esta conduciendo. En este caso, la potencia disipada se calcula con la ecuación G.5, obteniéndose:

2.25

2026.1

)(

)(

=

⋅=M

DiodoDIS

MDiodoDIS

P

P (G.12)

78.3

326.1

)(

)(

=

⋅=A

DiodoDIS

ADiodoDIS

P

P (G.13)

Por su parte, la sumatoria de la potencia disipada se calcula de la siguiente forma:

=⋅=

=⋅=

08.13636

4.30212

)(

)(

ADiodoDIS

ADIS

MDiodoDIS

MDIS

PP

PP (G.14)

137

Por lo tanto, reemplazando G.12, G.13 y G.14 en G.6 se obtiene el valor máximo de la resistencia térmica para cuando el diodo esta en conducción:

WCR DiodoDATH /º0766.0)()( ≤ (G.15)

Los cálculos se realizaron sobre la base de que por el diodo circula la misma corriente que por el IGBT propiamente tal, esta suposición hace que los cálculos sean bastante sobredimensionados, ya que esto supone la operación a un factor de potencia de 0.5.

I. Cálculo de la Resistencia Térmica del Disipador.

El disipador utilizado corresponde a un trozo de un disipador fabricado por AAVID Engineering de 0.024ºC/W. En el Anexo B se muestra la hoja de datos técnicos de este disipador. A continuación se muestran los cálculos realizados para determinar la resistencia térmica del disipador utilizado.

La resistencia térmica del disipador se calcula con la siguiente fórmula:

)()(

)( SAaSurfaceArePFeFactorPerformanc

R DATH = (G.16)

El PF depende de la velocidad del aire por las aletas del disipador y del largo de este, para el caso del disipador utilizado, este tiene un valor de 10.0435. El SA dependen del números de aletas de éste (NF), de la altura de éstas (FH) y del ancho del disipador (W), los que se relacionan de la siguiente forma:

WFHNFSA +⋅⋅= 2 (G.17)

Por lo tanto, reemplazando G17 en G16 se obtiene:

WFHNFPF

R DATH +⋅⋅=

2)( (G.18)

138

Utilizando la relación G.18 se obtuvo la resistencia térmica del disipador original y la del utilizado en la construcción del inversor. Estos valores se resumen en la tabla G.2.

Tabla G.2 Resistencias térmicas del disipador original y el utilizado

Factor Símbolo Original Utilizado Unidades

Performance Factor PF 10.0435 10.0435 -

Numero de Aletas NF 45 17 -

Altura de Aletas FH 4.53 4.53 Pulgadas

Ancho W 10.78 4.13 Pulgadas

Resistencia Térmica RTH(DA) 0.024 0.064 ºC/W

Considerando los resultados obtenidos en G.11 y en G.15 y contrastándolos con el valor de la tabla G.2, se puede concluir que el disipador de calor utilizado es capaz de evacuar todo el calor que generan los IGBTs en las peores condiciones de operación. En resumen, llevando estos datos a ecuaciones, se puede observar que las condiciones se cumplen.

)()()(

)()()(

/º0766.0/º064.0

/º163.0/º064.0

DiodoDATHDATH

ConducciónDATHDATH

RWCWCR

RWCWCR

=≤=

=≤= (G.19)

139

ANEXO H : FOTOGRACIAS DE LAS VISTAS SUPERIOR E INFERIOR DEL INVERSOR.

Figura H.1 Fotografía vista superior del inversor

140

Figura H.2 Fotografía vista inferior del inversor

Figura H.3 a) Conector de alimentación. b) Interruptor general

141

Figura H.4 a) Bornes de entrada de tensión continua. (b) Bornes de salida de tensión alterna

Figura H.5 Interconexión de transformadores

142

ANEXO I: PROGRAMA DE CONTROL DEL INVERSOR.

En este Anexo se hace una pequeña explicación del control que se desarrolló para poner en funcionamiento el inversor. Para esto se programó un DSP (Digital Signal Processor) de Texas Instruments, modelo TMS320F241, el cual se encarga de generar las señales de encendido de los transistores en los puentes H, para sintetizar la onda sinusoidal deseada.

El control se basa en sacar una tabla predeterminada de 16 bits (uno para cada uno de los cuatro transistores de los cuatro puentes H), grabada en la memoria del DSP, por los puertos de salida de éste, a una frecuencia fija, dada por interrupciones de timer. Debido a que los puertos del DSP son de 8 bits, se tuvo que ocupar dos de estos para sintetizar la onda.

A continuación se presenta el código del programa de control usado para las pruebas, escrito en ASSEMBLER. Éste código es válido para los DSP de Texas Instruments modelo TMS320F241. Este programa permitió generar las tensiones escalonadas para el inversor.

******************************************************************************** ; ; Programa de tablas, pruebas de inversor multinivel ; TMS320F241 ; ******************************************************************************** ; Este programa entregará una tabla en secuencia para disparar las compuertas de ; un inversor multinivel. La frecuencia de salida se puede dejar fija (modificable ; en el programa si el pinXXX del puerto XX se encuentra en 0) o se puede modificar ; variando la entrada del conversor Analogo/Digital Nº1. ; ; Para indagar acerca de los detalles de configuración consultar manual: "systems ; and periferals" del TMS320F241 ; ********************************************************************************

.include "243_dsk.h" ; Incluye la librería que contine las definiciones ; de los nombres para este DSP. Con esta el copilador ; interpreta cada nombre o instrucción como el número ; correspondiente.

143

;======================================================================= ; Definición de variables. ; Estas variables se manejarán en la memoria RAM, se ubicarán en la misma posición ; correlativa en que se ponen aquí, pero en la mem RAM, comenzando desde la dirección ; inicial del bloque que les corresponde (B1B2, expresado en el linker), 0202hex en ; este caso.

.bss CONTADOR1, 1 ; El 1 después de la coma indica que ; la variable ocupa un registro (16 bits)

.bss TEMP, 1

.bss TEMP1, 1

.bss TEMP2, 1

.bss ACCBAJO, 1

.bss ACCALTO, 1

.bss ANA0, 1

.bss ANA1, 1

.bss ANA2, 1

.bss ANA3, 1 ;======================================================================= ; Definición de variable global. Esta es visible desde cualquier parte del programa. INICIO ; indica el comienzo del programa de usuario.

.global INICIO ;======================================================================= ; Definición de vectores de reset e interrupciones. ; RSVECT es el vector de reset, cuando se inicia el funcionamiento del DSP, este parte ; en la posición que indica este vector. En este caso la posición 1F00h es la posición ; del punto de partida del bootloader, este detecta el estado del BIO pin y según esto ; pasa al modo de programación de la mem. flash o pasa al punto inicial del programa ; grabado anteriormente. ; Los vectores INIT1..INIT6 inican las posiciones de las rutinas de interrupción de ; cada una de las 6 distintas interrupciones posibles.

.sect "vectors" RSVECT B 1F00h INT1 B PHANTOM INT2 B RUTINA_INT2 INT3 B PHANTOM INT4 B PHANTOM INT5 B PHANTOM INT6 B PHANTOM ;======================================================================= ; Inicio del programa. ;=======================================================================

.text ;======================================================================= ; Configuraciones generales. INIC

LDP #0h CLRC SXM CLRC OVM ; Overflow mode, 0=resultado de overfl va al acc. SPLK #0000h, IMR ; Mascaras de interrupción (1-6). LDP #0E0h

144

SPLK #068h, WDCR ; Desabilita el Watch Dog timer. CLRC XF

;======================================================================= ; Configuración Timers

LDP #0E8h SPLK #00000h, T1CNT ; Inicializo contadores en 1. SPLK #00000h, T2CNT SPLK #00031h, T1PR ; Seteo Período timer a 650 ciclos SPLK #00000h, T2CON ; Seteo de control del contador 2. Deshabilitado SPLK #01540h, T1CON ; Seteo de control del contador 1. SPLK #00000h, GPTCON ; enciendo los pwm.

;======================================================================= ; Bloque de Configuración Puertos I/O

LDP #0E1h SPLK #00000h, OCRA ; Registro de control de puertos de entrada y SPLK #00003h, OCRB ; salida. SPLK #0FF00h, PBDATDIR SPLK #0FF00h, PCDATDIR

;======================================================================= ; Bloque de Configuración Conversores A/D

LDP #00E0h SPLK #00000h, ADCTRL2 SPLK #3910h, ADCTRL1 ; Se inicia conversión de datos 0 y 1

ESPERA10 BIT ADCTRL1, 7 BCND ESPERA10, NTC LACL ADCFIFO1 ; Clear ADC FIFOs LACL ADCFIFO1 LACL ADCFIFO2 ; Clear ADC FIFOs LACL ADCFIFO2

;======================================================================= ; Seteo de interrupciones

LDP #0h LACC IFR ; Load ACC with Interrupt flags SACL IFR ; Clear all pending interrupt flags CLRC INTM ; Enable interrupts SPLK #000010b, IMR ; Desenmascaro INT2 LDP #0E8h SPLK #080h, EVIMRA ; habilita interrupción de periodo1.

;======================================================================= ; Loop principal.

LDP #04h SPLK #0FDh, CONTADOR1 SPLK #00, TEMP

LOOP B LOOP

;======================================================================= ; Rutina de iterrupción de timer 1. RUTINA_INT2

MAR *,AR0 ; Almacenaje de datos para la int. lAR AR0,#0200h SST #1, *+ ; save ST1

145

SST #0, * ; save ST0 LDP #04h SACL ACCBAJO SACH ACCALTO LDP #0E1h LDP #0E8h SPLK #00031h, T1PR B FINRUT

MANUAL NEXT1 LDP #0E0h

SPLK #00000h, ADCTRL2 SPLK #3910h, ADCTRL1 ; Se inicia conversión de datos 0 y 1

ESPERA1 BIT ADCTRL1, 7 BCND ESPERA1, NTC SPLK #3934h, ADCTRL1 ; Se inicia conversión de datos 2 y 3

ESPERA2 BIT ADCTRL1, 7 BCND ESPERA2, NTC LACC ADCFIFO1, 10 ; Se guardan datos 0 y 2 LDP #04h SACH ANA0 LDP #0E0h LACC ADCFIFO1, 10 LDP #04h SACH ANA2 LDP #0E0h LACC ADCFIFO2, 10 ; Se guardan datos 1 y 3 LDP #04h SACH ANA1 LDP #0E0h LACC ADCFIFO2, 10 LDP #04h SACH ANA3 LACL ANA0 ADD #09h LDP #0E8h SACL T1PR

FINRUT LDP #04h LACL CONTADOR1 SUB #1 BCND RESET, NC SACL CONTADOR1 B NORESET

RESET SPLK #0FDh, CONTADOR1 NORESET LACC #TABLA

ADD CONTADOR1 TBLR TEMP LACL TEMP1 XOR TEMP XOR #0FFFFh AND TEMP1 SACL TEMP1

146

OR #0FF00h LDP #0E1h SETC XF SACL PBDATDIR LDP #04h LACL TEMP1 RPT #07 SFR OR #0FF00h LDP #0E1h SACL PCDATDIR LDP #04h LACL TEMP OR #0FF00h SACL TEMP1 LACL TEMP RPT #07 SFR OR #0FF00h SACL TEMP2 LACC TEMP2,16 OR TEMP1 LDP #0E1h CLRC XF SACL PBDATDIRDIR SACH PCDAT LDP #04 LACL TEMP SACL TEMP1 LDP #0E8h ; este pedacito de rutina es el que finaliza LACL EVIFRA ; la interrupción, borra los flags y ese SACL EVIFRA ; tipo de cosas. LDP #04h LACL ACCBAJO ; recupera el acumulador y los registros LACC ACCALTO, 16 ; de estado MAR *,AR0 LAR AR0,#0201h LST #0, *- LST #1, * CLRC INTM RET

TABLA .word 39321 .word 39321 .word 39321 .word 39321 .word 39321 .word 39321 .word 39321 .word 39317 .word 39317

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;======================================================================= PHANTOM RET

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INVERSOR TRIFASICO MULTINIVEL DE 4 ETAPAS

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