R
esumen
A
bstract
19
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE INVERSOR
MULTINIVEL MONOFÁSICO EN CASCADA
David Sarzosa *) Jorge Mírez **)
*) Departamento de Eléctrica y Electrónica
Universidad de las Fuerzas Armadas, Latacunga, Ecuador.
e-mail: djsa18@yahoo.com
**) Facultad de Ciencias
Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú.
e-mail: jmirez@uni.edu.pe
Los inversores multinivel pueden generan corrientes y/o voltajes sinusoidales con mucho menor
contenido armónico. Si el número de niveles es lo suficientemente alto, se puede obtener un voltaje
(o corriente) casi sinusoidal. Más aún, se puede modular en amplitud en vez de ancho de pulso
(PWM) al voltaje, por lo que las pérdidas generadas por las armónicas de corriente pueden mi-
nimizar. Dentro del contexto de utilizar los inversores multinivel para obtener un bajo contenido
armónico, se diseñó y construyó un prototipo de inversor monofásico de 8 niveles para operar un
motor de corriente alterna. Este inversor consta de tres puentes completos tipo H, con sus voltajes
escalados, lo que permite obtener el número de niveles ya mencionado. El inversor diseñado es
capaz de soportar corrientes de aproximadamente 2 A, con un voltaje de salida de 110 Vac, dando
una potencia nominal de 220 W. Para llevar a cabo este proceso, se diseñó un sistema de potencia
modular con inversores individuales aislados galvánicamente, con sus sistemas de control de en-
cendido y fuentes de alimentación independientes.
Palabras Claves: Inversor multinivel, armónicos, IGBT, control.
Multilevel converters, which can generate almost perfect currents, and sinusoidal voltages with
better harmonics, if the number of levels is high enough; a voltage almost sinusoidal can be got.
Even more it is possible to inflect in width instead of pulse width (PWM) to the voltage so the
generated losses by the harmonic current can be minimized. Moreover, the switching frequency and
the power level of the semiconductor are reduced considerably. In the context of using multilevel
converters to get a low harmonic content, a monostatic converter prototype of eight levels was
designed and built to operate an AC motor. This converter consists of three full bridges type H,
with its scaled voltages; it allows getting the mentioned levels. The designed converter is able to
endure currents of approximately of 2A, with an output voltage of 110 Vac, giving a nominal power
of 220 W. A modular power system with individual converters galvanically isolated was designed
to achieve this process, with its control systems of ignition and independent power supply.
Keywords: multilevel inverter, harmonics, IGBT, control.
INTRODUCCIÓN
La función principal de un Inversor es
cambiar un voltaje de entrada de corriente
continua a un voltaje de salida de corriente alterna con la
magnitud y la frecuencia deseada por el usuario, por lo que
este tipo de equipos tiene amplia aplicación desde pequeñas
fuentes de alimentación para computadoras, pasando por
Sarzosa, Mírez
Fecha de recepción: 30/08/2016
Fecha de aceptación: 15/05/2017
20
aplicaciones automotrices hasta grandes aplicaciones industria-
les de potencia (1). Los inversores producen un voltaje o una co-
rriente de salida cuyos niveles son 0, + Vdc y - Vdc (2). Estos in-
versores con fuente de voltaje son conocidos como inversores de
tres niveles. Para obtener la forma de onda de voltaje o corriente
con un mínimo de armónicos se requiere una conmutación en
alta frecuencia, junto con diversas modulaciones por ancho de
pulso (3).
En el campo de la electrónica de potencia los inversores multi-
nivel han atraído mucho interés porque presentan un conjunto
nuevo de propiedades adecuadas que sirve para usarse en com-
pensación de potencia reactiva (4). Es por esto que, al aumen-
tar la cantidad de niveles de voltaje en el inversor multinivel sin
cambiar mayores especificaciones nominales de los dispositi-
vos individuales, se puede aumentar la potencia nominal (5).
La función general de este inversor multinivel es sintetizar un
determinado voltaje a partir de varias fuentes separadas de co-
rriente continua que pueden ser baterías, celdas de combustible
o celdas solares (6). Los inversores multinivel son también un
tema de estudio en los países de la región como se reporta en (7)
y (8) que reportan una mínima distorsión armónica con señal
sinusoidal casi perfecta. Por lo tanto siendo un tema bastante
interesante y con mucha perspectiva de múltiples aplicaciones a
futuro y con el adecuado uso de microcontroladores (9) es que
se ha diseñado y construido un inversor multinivel monofásico.
RESULTADOS
Los criterios de diseño del inversor son del tipo multinivel en
cascada, de tres etapas, monofásico, de carga inductiva, con
tipo de alimentación asimétrica, con tres fuentes de entrada,
con ocho niveles de tensión, con modulación de pulso único,
con conmutadores IGBT y de salida aproximadamente de onda
sinusoidal.
Los parámetros de diseño de la etapa de potencia son de 110
Vrms de voltaje de carga, 200 W, 60 Hz y lograr el esquema
de conexiones de la Figura 1.
Figura 1. Esquema de conexiones
Para el diseño de las fuentes de alimen-
tación se ha considerado un voltaje pico
de 168 V que dividido entre √2 resulta
118.79 Vrms, valor cercano al parámetro
de diseño de 110 Vrms. Para las diferen-
tes etapas se hizo una selección de fuen-
tes de alimentación que son mostrados
en la Tabla 1, cada fuente de alimenta-
ción tiene 6 A de capacidad para com-
pensar el arranque del motor.
Tabla 1. Selección de fuentes
de Alimentación
La utilización del IGBT se justifica por
las características de robustez y veloci-
dad de respuesta. El inversor multinivel
posee doce IGBT’s FGA40N65SMD, los
cuales son del tipo potencia con corrien-
te de arranque de 6 A, 168 Vmaxdc, 60
Hz de frecuencia de conmutación, con
carga máxima de carga de 2 A y que
cumple con los criterios de diseño del
inversor.
En el diseño de la etapa de control se ha
considerado calcular los ángulos de dis-
paro de los IGBT, así mismo, se ha reali-
zado la programación de los pulsos que
el microcontrolador debe entregar para
el funcionamiento adecuado del inver-
sor multinivel.
El contenido armónico de un sistema
que posee inversores tipo puente com-
pleto en cascada se reduce de manera
considerable solo por el hecho de incre-
mentar las etapas, proceso que incluso
permite obtener mayor voltaje de salida.
Etapa
Valor Nominal
de Salida
Voltaje de
Alimentación
I 24 Vdc 6 A 110 V – 220 V
II 48 Vdc 6 A 110 V – 220 V
III 96 Vdc 6 A 110 V – 220 V
ISSN 1390-5740 Número 17 Vol. 1 (2017)
ISSN 2477-9105
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Cálculo del TDH, Ángulos y Tiempos
de Disparo.
Con las ecuaciones 1, 2 y 3 se ha calcu-
lado del TDH del inversor en donde y
están en función de los ángulos de dis-
paro.
(1)
(2)
(3)
La Tabla 2 muestra los ángulos de disparo obtenidos al
igualar a cero las ecuaciones 2 y 3; lográndose un TDH
igual a 7.94%, tiempos de disparo de los IGBT’s mostrados
en la Tabla 3 lográndose una forma de onda de voltaje de
salida del inversor monofásico multinivel de tres etapas
conectadas en cascada mediante las señales de control.
Tabla 2. Ángulos y Tiempos de Disparo (td)
Tabla 3. Tiempos de activación de cada IGBT’s
Sarzosa, Mírez
Ángulo α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7
°
8.57 10.08 25.72 31.56 42.85 49.92 66.01
t
d
[ms]
0.397 0.466 1.190 1.461 1.983 2.310 3.054
Tiempo
(µs)
IGBT
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
t
1
=400
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
t
2
= 70
1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1
t
3
= 720
0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1
t
4
= 270
1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1
t
5
= 520
0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1
t
6
= 330
1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1
t
7
= 740
0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1
t
8
=2230
1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
t
9
= 740
0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1
t
10
= 330
1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1
t
11
= 520
0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1
t
12
= 270
1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1
t
13
= 720
0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1
t
14
= 70
1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1
t
15
=400
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
t
16
=400
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
t
17
= 70
0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1
t
18
= 720
0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1
t
19
= 270
0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
t
20
= 520
0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0
t
21
= 330
0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0
t
22
= 740
0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0
t
23
=2240
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
t
24
= 740
0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0
t
25
= 330
0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0
t
26
= 520
0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0
t
27
= 270
0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
t
28
= 720
0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1
t
29
= 70
0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1
t
30
=400
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
100
2
1
2
1
2
=
E
EE
TDH
t
[ ]
)7cos()6cos()5cos()4cos()3cos()2cos()1cos(
49
8
2
2
2
1
++++++=
E
E
[ ]
)7cos()6cos()5cos()4cos()3cos()2cos()1cos(
49
8
2
2
2
1
++++++=
E
E
=
7654321
2
2
2
13119753
2
49
49
2
E
E
t
22
El microcontrolador seleccionado fue el ATMEGA164P
con 12 salidas por IGBT, 1 salida para un PED, tempo-
rizador, frecuencia, señal de reloj, espacio de memoria,
y; en puertos digitales con interrupción: 1 salida para
switch on/off, 1 salida para pulsador de arranque.
Un solo modelo de placa (ver Figura 2 y 3) fue necesario
para las tres etapas dado que son el mismo circuito y fun-
cionalidad, por lo que utilizando las borneras de acople
tipo tornillo se unirán las fuentes de alimentación con
las GATES de cada uno los IGBT´s y que permite recibir
mejor la señal del dispositivo de la placa de control.
Figura 2. Tarjeta de potencia.
Figura 3. Placa del circuito de la etapa de potencia
La Figura 4 muestra el diagrama eléctrico de conexiones
de la etapa de control.
Figura 4. Diagrama eléctrico de la
etapa de control.
La integración de las etapas de control
y de potencia se realizó con conductor
AWG N° 20 para enviar las señales de
control a cada uno de los IGBT´s. La
Figura 5 muestra el prototipo final del
inversor con acabados para el uso didác-
tico del mismo en el laboratorio.
Figura 5. Módulo final del inversor multi-
nivel didáctico monofásico en cascada.
Las pruebas de laboratorio fueron reali-
zadas tomando en cuenta los valores de
diseño del inversor y los datos fueron
obtenidos desde el módulo de adquisi-
ción de datos LV DAM ES. La forma de
onda real obtenida se aprecia en la Figu-
ra 6 y la Fig. 7 muestra que el valor TDH
real es 7.9 %, lo cual es menor al calcu-
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ISSN 2477-9105
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lado cumpliendo así de manera correcta
el diseño para el TDH y en la Tabla 4 se
muestra el valor medido de los ángulos
de disparo de cada nivel.
Figura 6. Forma de onda generada real
Figura 7. Valor real del TDH.
Tabla 4. Valor ideal, valor real y error de
tiempo de disparo de cada nivel.
La Tabla 5 muestra los resultados de las pruebas de la-
boratorio obtenidas conectando un motor a la salida del
inversor multinivel. Los resultados obtenidos son los es-
perados en el diseño para 110 Vrms y corriente menor a
2.5 A.
Tabla 5. Voltaje y Corriente a salida de motor.
CONCLUSIONES
Un inversor multinivel monofásico de tres etapas ha sido
diseñado y construido usando 12 IGBT’s y el microcon-
trolador ATMEGA164P con lo cual se ha logrado un va-
lor de TDH igual a 7.9 %. El inversor multinivel ha sido
implementado en un módulo funcional, didáctico y prác-
tico para su estudio, de estructura compacta y robusta.
Los opto acopladores permiten separar y aislar las tierras
entre el circuito de control y el circuito de potencia del in-
versor multinivel para proteger la parte de control en caso
Sarzosa, Mírez
Valor ideal Valor real Error (%)
0.397 0.40 0.75
0.466 0.47 0.85
1.190 1.20 0.83
1.461 1.47 0.61
1.983 2.00 0.85
2.310 2.33 0.85
3.054 3.07 0.50
Carga Resistiva en el
Generador (A)
Salida Motor
Voltaje [V] Corriente [A]
0 110 2
0.1 110 2
0.2 110 2
0.3 110 2
0.4 110 2
0.5 110 2
0.6 110 2.1
0.7 110 2.1
0.8 110 2.1
0.9 110 2.1
1.0 110 2.2
1.1 110 2.2
1.2 110 2.2
1.3 110 2.2
1.4 110 2.2
2.1 110 2.2
2.8 110 2.2
3.5 110 2.3
4.1 110 2.3
R
eferencias
24
de presentarse problemas con la respuesta del sistema en
la parte de potencia del inversor.
Los inversores multinivel construidos a partir de puen-
te “H” conectados en cascada permiten en pocas etapas,
muchos niveles de tensión. El inversor construido tiene 3
etapas del que se obtuvo 8 niveles.
Las pruebas de laboratorio concluyen
que el inversor multinivel cumple con
los parámetros de diseño predetermina-
dos y además se comprueba las buenas
propiedades de la tecnología de inverso-
res multinivel.
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