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Inversor Multinivel

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REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITCNICOSANTIAGO MARIOESCUELA DE INGENIERA ELECTRNICAEXTENSIN MATURN

ELECTRNICA DE POTENCIAS II

DISEO DE INVERSOR DC AC DE ALTA POTENCIA

Profesor: Realizado por:

Ing. Gabriel PatioBr. Adrian M. Carreo T.

Semestre:IX

Seccin:Nocturno - D

Maturn, Enero de 2015

NDICE

INTRODUCCIN1DESARROLLO TERICO2Teoras2Inversores multinivel2Inversores multinivel con condensadores flotantes5Inversores multinivel con inversores en cascada7Estrategias PWM7Anlisis del inversor13Seleccin del dispositivo de potencia19Asignacin de seales de disparo20Formulas y Clculos22Seleccin de los dispositivos de potencia23REFERENCIA BIBLIOGRFICA25ANEXOS27

18

INTRODUCCIN

Los inversores multinivel son inversores de ltima tecnologa que pueden generar corrientes o incluso voltajes sinusoidales con mucho menor contenido armnico que los inversores convencionales de dos niveles. Si el nmero de niveles es lo suficientemente alto, se puede obtener un voltaje y corriente casi perfecto. La tecnologa multinivel permite generar seales de corriente y voltaje de mejor calidad que las obtenidas con tcnicas de modulacin por ancho de pulso.

Se calcularan los componentes para alimentar 3 bombas de cincuenta hp cada una. El inversor constara con una entrada en corriente continua de 48 voltios y una salida de 460 voltios a 60 hercios de frecuencia.

DESARROLLO TERICO

Teoras

Inversores multinivel

El inversor en la electrnica de potencia tiene la funcin de convertir una tensin de entrada de CD en una tensin de CA, con la magnitud y frecuencia deseadas. Sin embargo, en aos recientes las aplicaciones de electrnica de potencia en generacin, transmisin y distribucin de energa han comenzado a demandar equipos que alcanzan niveles de potencia de megawatts [7]. Esto lleva al desarrollo de nuevas topologas que empleen dispositivos capaces de operar en rangos de frecuencias medias y soporten niveles de tensin y corriente elevados. En la figura I.1 se muestran algunas de las aplicaciones de los dispositivos de potencia y su intervalo de operacin.

Como una respuesta a las necesidades arriba mencionadas, se desarroll la topologa multinivel. Esta incluye arreglos de dispositivos de potencia (IGBT o MOSFET) alimentados con fuentes de energa de CD. Estos arreglos se agrupan en mdulos, que en conjunto y mediante un adecuado patrn de conmutacin generan niveles de tensin que asemejan una seal de tensin de CA, tal como se observa en la figura I.2. Las ventajas que presenta el utilizar esta topologa son: menores esfuerzos de tensin en los dispositivos, una estructura modular y la disminucin en el contenido armnico de la forma de onda de tensin generada.

Figura I.1. Aplicaciones de los dispositivos de potencia [8].

Hasta el momento, se han reportado en la literatura tcnica tres topologas bsicas de inversores multinivel: 1) inversores multinivel de diodos de enclavamiento; 2) inversores multinivel de condensadores flotantes; 3) inversores en cascada [7], [9], [10], [11]. En general estas topologas se emplean en sistemas de bombeo, compresores, traccin elctrica, compensacin de potencia reactiva y armnicos [7], [11]. Adems, de fuentes de respaldo y de poder, accionadores de mquinas elctricas, entre otras.

I.6.1.1Inversores multinivel de diodos de enclavamiento

Esta topologa aparece reportada en la literatura tcnica en el ao de 1991 en aplicaciones relacionadas con prototipos de laboratorio, debido a los problemas de desequilibrio en los condensadores [7], [13]. Este inversor consiste de (m-1) condensadores en el bus de CD, donde cada condensador debe mantener una tensin de VCD/(m-1). Adems, requiere de (m-1)*(m-2) diodos de enclavamiento, los cuales deben bloquear la tensin del condensador. En la figura I.3 se muestra la estructura de un inversor multinivel con diodos de enclavamiento de 3 niveles.

Figura I.2. Forma de onda caracterstica de un inversor multinivel.

donde:m= nmero de niveles de tensinVCD= tensin de alimentacin en CD

Las ventajas y desventajas que presenta esta topologa son las siguientes:

Ventajas

Y La eficiencia puede ser alta si se consigue que los dispositivos conmuten a la frecuencia de la fundamental.

Y El flujo de potencia reactiva puede ser controlado.

Y Los mtodos para la secuencia de activacin de los interruptores son simples.

Desventajas

Y Si el nmero de niveles es elevado, la cantidad de diodos aumenta de forma tal que el inversor se torna muy complejo de construir.

Y Es difcil controlar el flujo de potencia real para inversores individuales. Debido a que slo se obtiene energa de los condensadores, esto provoca un desequilibrio en el bus de CD.

Figura I.3. Inversor multinivel con diodos de enclavamiento

Inversores multinivel con condensadores flotantes

En esta topologa, los diodos de enclavamiento se sustituyen por condensadores, los cuales a travs de las posibles combinaciones de conexin generan la tensin de salida, lo que permite obtener un sistema redundante. Sin embargo, los problemas para mantener equilibradas las tensiones asociadas a los condensadores evitan que la topologa

se desarrolle en aplicaciones de potencia media. El bus de CD consta de (m-1) condensadores y requiere de (m-1)(m-2)/2 condensadores auxiliares por fase, donde cada condensador debe mantener una tensin de VCD/(m-1), al igual que en la topologa anterior. En la figura I.4 se presenta la estructura de un inversor multinivel con condensadores flotantes de 3 niveles.

Las ventajas y desventajas de esta topologa son las siguientes:

Ventajas

Y Posee una gran cantidad de condensadores de almacenamiento que pueden servir de respaldo cuando se tiene un corte de energa.

Y Provee diferentes combinaciones de conmutacin para balancear los niveles de tensin. Con esto tambin se obtiene un balance en las prdidas de conmutacin y conduccin en los interruptores.

Y El flujo de potencia activa y reactiva puede controlarse, lo cual hace al inversor candidato para aplicaciones bidireccionales en corriente.

Y La eficiencia puede ser alta debido a que los interruptores pueden conmutar a la frecuencia de la componente fundamental del patrn PWM.

Figura I.4. Inversor multinivel con condensadores flotantes.

Desventajas

El nmero excesivo de condensadores hace al inversor muy voluminoso cuando el nmero de niveles es grande.

El control del inversor es complicado debido al desequilibrio presente en los condensadores, siendo un problema serio en aplicaciones como filtro activo, ya que debe compensar armnicos.

Inversores multinivel con inversores en cascada

Los inversores multinivel en cascada estn constituidos por inversores puente completo conectados en serie, lo cual permite a los interruptores de potencia manejar slo una porcin de la tensin total del sistema. Esta topologa se utiliz en un principio como accionador de motores y en la compensacin de energa reactiva y armnicos. En la actualidad su mayor aplicacin se encuentra en la traccin elctrica y en la generacin de tensiones de CA a partir de fuentes de energa de CD. En la figura I.5 se muestra el esquema de un inversor multinivel en cascada de 5 niveles.

Figura I.5. Inversor multinivel con inversores en cascada.

Una de las principales desventajas que presenta la topologa multinivel con inversores en cascada es el utilizar fuentes de tensin aisladas. Una solucin a este problema se plantea en [17], la cual consiste en una sola fuente de tensin y agregar transformadores a la salida de cada inversor, como se muestra en la figura I.6. Con esto se evita el uso de fuentes de tensin aisladas. Esta solucin es adecuada para filtros activos serie en donde estos transformadores de salida pueden utilizarse como el punto de conexin entre la lnea y el convertidor.

Estrategias PWM

En electrnica de potencia, la modulacin del ancho de pulso se utiliza como una seal de control para el encendido o apagado de los interruptores de potencia que conforman al convertidor. Una de las estrategias de modulacin ms utilizadas es el PWM senoidal, la cual opera en sincrona con la lnea de alimentacin y facilita su implementacin. Esta estrategia presenta el inconveniente de producir componentes armnicas de alta frecuencia y una atenuacin en la componente fundamental. Adems, slo se aplica en inversores que generan dos o tres niveles de tensin en la forma de onda de salida.

Figura I.6. Variante de la topologa de inversores multinivel en cascada.

Por lo tanto, para la aplicacin de inversores multinivel, se han realizado modificaciones a la estrategia PWM senoidal, PWM programado [18] y a la estrategia vectorial [12] con la finalidad de generar los patrones de conmutacin de los interruptores de potencia. Las variantes obtenidas de stas han permitido realizar una serie de clasificaciones, esto se puede observar en la figura I.7, donde se tienen cuatro grupos constituidos por: estrategia multipasos, PWM senoidal, PWM programado y PWM vectorial [32]. A su vez el PWM senoidal se subdivide en dos grupos: portadoras desfasadas y disposicin de portadoras.

Figura I.7. Clasificacin de las estrategias PWM en inversores multinivel.

Una ramificacin ms completa de las diferentes estrategias PWM aplicadas en inversores multinivel se presenta en la figura I.8. Las consideraciones tomadas para realizar la clasificacin se basan en dos tipos: modulacin del ancho de pulso y la estrategia escalonada o programada.

Figura I.8. Clasificacin de las estrategias de modulacin multinivel.Si bien existen muchas clasificaciones en las estrategias PWM, slo se revisar la basada en multiportadora por se