Caracterización de un inversor multinivel SVPWM de lazo cerrado

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(1)PROYECTO FIN DE CARRERA Presentado a. LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Para obtener el título de. INGENIERO ELÉCTRICO Por. Mitchell Alexander Moreno Vargas. CARACTERIZACIÓN DE UN INVERSOR MULTINIVEL SVPWM DE LAZO CERRADO. Sustentado el 7 diciembre del 2011 frente al jurado:. Composición del jurado -. Asesor:. Gustavo Ramos López, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes. -. Jurados :. Gustavo Ramos López, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes Fredy Segura Quijano, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes. -. Invitados:.

(2) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 2. Contenido INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 6 1 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 7 1.1 Objetivo General ...................................................................................................... 7 1.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 7 1.3 Alcance y productos finales ..................................................................................... 7 2 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................ 8 3 TIPOS DE MODULACIÓN ................................................................................................. 9 3.1 Modulación por Ancho de Pulsos (PWM) ............................................................... 9 3.2 Modulación por Ancho de Pulso Sinusoidal (SPWM) ............................................ 9 3.3 Modulación por Ancho de Pulso Vectorial (SVPWM) ......................................... 11 4 TOPOLOGIA DE LOS INVERSORES ................................................................................. 13 4.1 Inversor Monofásico Puente H .............................................................................. 13 4.1.1 Simulación de un Inversor Monofásico Puente H .......................................... 14 4.2 Inversor Trifásico ................................................................................................... 16 4.2.1 Simulación de un Inversor Trifásico .............................................................. 18 5 ANALISIS E IMPLEMENTACION DEL INVERSOR TRIFASICO MULTINIVEL MEDIANTE SVPWM ................................................................................................................................. 20 5.1 Operación del Inversor Trifásico Multinivel ......................................................... 20 5.2 Modulación Vectorial (SVPWM) Multinivel ........................................................ 23 5.3 Simulación del Inversor Trifásico Multinivel (SVPWM) en Matlab/Simulink..... 26 5.4 Implementación del Inversor Trifásico (SVPWM) en Real-Time......................... 28 5.4.1 Modelo del Controlador en LabVIEW ........................................................... 29 5.4.2 6. Modelo Matemático del Inversor en LabVIEW .............................................. 30. VALIDACIÓN DEL TRABAJO ........................................................................................... 32 6.1 Metodología de prueba .......................................................................................... 32 6.2 Validación de los resultados del trabajo ................................................................ 33 7 DISCUSIÓN .................................................................................................................... 34 8 CONCLUSIONES............................................................................................................. 35 9 REFERENCIAS ................................................................................................................ 36 RESUMEN EJECUTIVO ...................................................................................................... 38.

(3) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 3. Índice de Tablas Tabla 1. Alcance y Productos Finales. ................................................................................... 8 Tabla 2. Valores de los Vectores de Voltaje que Forman el Hexágono de Voltajes [2]. ..... 12 Tabla 3. Estados de Conmutación para un Inversor Monofásico Puente H. ........................ 14 Tabla 4. Estados de Conmutación para un Inversor Trifásico a 180°. ................................. 17 Tabla 5. Definición de los Estados de Conmutación de un Inversor de Tres Niveles para una sola fase. ............................................................................................................................... 22 Tabla 6. Comparación del Número de Dispositivos Necesarios en cada Topología con m: número de niveles en el inversor [14]. ................................................................................. 23 Tabla 7. Tiempos de Conmutación para el Sector A. ........................................................... 25 Tabla 8. Resumen THD de Voltaje. ..................................................................................... 33 Tabla 9. Resumen THD de Corriente. .................................................................................. 33 Tabla 8. Resumen THD de Voltaje. ..................................................................................... 40 Tabla 9. Resumen THD de Corriente. .................................................................................. 40.

(4) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 4. Índice de Figuras Figura 1. Señal Modulada con un Ciclo de Trabajo del 50%. ................................................ 9 Figura 2. Señal Modulada con un Ciclo de Trabajo del 10%. ................................................ 9 Figura 3. Esquema de Modulación SPWM. ......................................................................... 10 Figura 4. Esquema de Modulación SVPWM [2].................................................................. 12 Figura 5. (a) Representación del Vector de Referencia en el sector 1. (b) Descomposición del vector de referencia sobre los vectores U1 y U2 [2]. ..................................................... 13 Figura 6. Diagrama Inversor Monofásico Puente H. ............................................................ 14 Figura 7. Inversor Monofásico Puente H Implementado en Matlab/Simulink..................... 14 Figura 8. Módulo de control SPWM para un Inversor Monofásico Puente H. .................... 15 Figura 9. a) THD de Voltaje de Línea. b) THD Voltaje Filtrado. c) THD de la Corriente Filtrada en la Carga............................................................................................................... 15 Figura 10. Módulo de control SVPWM para un Inversor Monofásico Puente H. ............... 15 Figura 11. a) THD de Voltaje de Línea. b) THD Voltaje Filtrado. c) THD de la Corriente Filtrada en la Carga............................................................................................................... 16 Figura 12. Diagrama Inversor Trifásico. .............................................................................. 16 Figura 13. Secuencia de las Señales de Excitación de los Transistores a 180°. [4]. ............ 17 Figura 14. Secuencia de las Señales de Excitación de los Transistores a 120° [4]. ............. 18 Figura 15. Inversor Trifásico Implementado en Matlab/Simulink. ...................................... 18 Figura 16. Módulo de control SPWM para un Inversor Trifásico. ...................................... 19 Figura 17. a) THD de Voltaje de Línea. b) THD Voltaje Filtrado. c) THD de la Corriente en la Carga. Para la fase A. ....................................................................................................... 19 Figura 18. Módulo de control SVPWM para un Inversor Trifásico. .................................... 19 Figura 19. a) THD de Voltaje de Línea. b) THD Voltaje Filtrado. c) THD de la Corriente en la Carga. Para la fase A. ....................................................................................................... 20 Figura 20. Inversor Trifásico de Tres Niveles. ..................................................................... 21 Figura 21. Fase del Inversor Trifásico de Tres Niveles: a) Circuito de Potencia; b) Interruptor Equivalente. ........................................................................................................ 21 Figura 22. Voltaje en la carga de una fase del inversor trifásico de tres niveles [14]. ......... 22 Figura 23. Diagrama del SVPWM en Inversor de Tres Niveles. ......................................... 23 Figura 24. Sector A y los Estados de Conmutación para un Inversor de Tres Niveles. ....... 24 Figura 25. Diagrama Vectorial para m_1 y m_2en el Sector A. .......................................... 25 Figura 26. Secuencia de Conmutación para un Inversor de Tres Niveles SVPWM. ........... 26 Figura 27. Diagrama de un Inversor Trifásico de Tres Niveles Controlado mediante SVPWM. .............................................................................................................................. 26 Figura 28. Módulo General de control SVPWM para un Inversor Trifásico de Tres Niveles. .............................................................................................................................................. 27 Figura 29. Módulo Sector-Región del control SVPWM para un Inversor Trifásico de Tres Niveles. ................................................................................................................................. 27 Figura 30. a) THD de Voltaje de Línea. b) THD Voltaje Filtrado. c) THD de la Corriente en la Carga. Para la fase A. ....................................................................................................... 28 Figura 31. Definición Hardware in the Loop. ...................................................................... 28 Figura 32. Modelo del Control en LabVIEW (Block Diagram). ......................................... 29 Figura 33. Modelo del Control en LabVIEW (FrontPanel).................................................. 30.

(5) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 5. Figura 34. Modelo del Inversor, Voltajes de Línea-Línea y Voltajes de Línea-Neutro (Block Diagram). .............................................................................................................................. 31 Figura 35. Modelo del Inversor, Voltajes de Línea-Línea y Voltajes de Línea-Neutro (FrontPanel). ......................................................................................................................... 31 Figura 36. CompactRIO en Hardware in the Loop .............................................................. 32 Figura 37. CompactRIO en Hardware in the Loop. ............................................................. 33 Figura 38. Calculo THD de Voltaje para un Inversor Trifásico SVPWM en LabVIEW. .... 34 Figura 38. Calculo THD de Voltaje para un Inversor Trifásico SVPWM en LabVIEW. .... 40.

(6) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 6. INTRODUCCIÓN Un inversor de fuente de tensión (VSI) se utiliza para convertir un voltaje DC fijo a tres fases de voltaje de AC. Actualmente existen dos categorías en las que los inversores se pueden clasificar: los inversores de dos niveles y los inversores multinivel. Una de las ventajas es que los inversores multinivel tienen un nivel de distorsión armónica total mínima comparada con la de dos niveles. Además un inversor multinivel puede ser utilizado para aplicaciones de usos múltiples, tales como un filtro de potencia activa, un compensador de VAR estáticos y fuentes para aplicaciones de corriente sinusoidal y trapezoidal. Algunos inconvenientes con los inversores multinivel son la necesidad de fuentes de alimentación aisladas para cada una de las etapas, son mucho más difíciles de construir, son más caros, y son más difíciles de controlar en el software. Este proyecto de grado se centra en el análisis de un inversor de tres niveles. Un análisis completo en voltaje y frecuencia, sin embargo, la distorsión armónica debe tenerse presente durante la operación del inversor de tres niveles. Cuando las cargas de AC se alimenta a través de inversores, una tensión de salida de la magnitud y la frecuencia programada se genera del inversor, pero un voltaje de salida variable puede ser obtenido por la variación del voltaje de entrada DC y el manteniendo la ganancia constante en el inversor. Por otro lado, si la tensión de entrada es fija y no es controlable, una tensión de salida variable puede ser obtenida mediante la variación de la ganancia del inversor, que se realiza normalmente por pulsos (PWM) con ancho de pulso controlado dentro del inversor. En aplicaciones de alta potencia y alta tensión, los inversores de dos niveles tienen algunas limitaciones en el funcionamiento a alta frecuencia, principalmente debido a las pérdidas de conmutación y las limitaciones de la clasificación del dispositivo. Aquí es donde el inversor multinivel es mejor. El aumento del número de niveles de voltaje en el inversor puede aumentar el nivel de potencia. El ancho de pulso (PWM) es la estrategia más eficaz para el control de inversores multinivel. A pesar de que la modulación por espacio vectorial (SVPWM) es más compleja, es el método preferido para reducir las pérdidas de energía por la disminución en las perdidas de conmutación presentes en los dispositivos de electrónica de potencia. Diferentes topologías de inversores multinivel se discutirán más adelante, al igual que el estado del arte de la operación de los mismos y por último la modulación de espacio vectorial de ancho de pulso..

(7) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 1. 7. OBJETIVOS 1.1 Objetivo General Caracterizar e implementar un inversor multinivel mediante la modulación de SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation), el cual tenga sincronía con la red y tenga un sistema de control realimentado o de lazo cerrado para mejorar la conexión de fuentes de energía alternativas a redes eléctricas de generación distribuida y resolver problemas respecto a la calidad del suministro de energía. Además de lograr tener una distorsión armónica menor comparada con las otras estrategias de control.. 1.2 Objetivos Específicos •. Desarrollar el estado del arte acerca de la electrónica de potencia donde se evidencien las aplicaciones de un Inversor DC-AC.. •. Analizar las diferentes topologías existentes para la implementación de un inversor de uno o más niveles, tanto monofásico como trifásico. •. Analizar y desarrollar el estado del arte de los diferentes tipos de modulación existentes para la generación de los pulsos de conmutación del inversor.. •. Hacer una comparación teórica entre los diferentes inversores y tipos de modulación, de acuerdo a las simulaciones obtenidas teniendo en cuenta la distorsión armónica como fenómeno de comparación.. •. Analizar el control de lazo cerrado utilizado en un conversor DC-AC y desarrollar un circuito equivalente que represente el lazo de control, así como el lazo de seguimiento de fase o PLL por sus siglas en inglés (Phase-locked loop) de un conversor DC-AC.. •. Desarrollar un prototipo de un inversor DC-AC monofásico mediante SVPWM, que permita sincronía con la red y control de lazo cerrado.. 1.3 Alcance y productos finales Los objetivos del problema son caracterizar el inversor VSC trifásico que logre una sincronía perfecta con la red y tengo un control optimo que logre reducir la presencia de armónicos en el nivel de tensión deseado. Para llevar a cabo los objetivos se propone el desarrollo de un protocolo que cuente con tres etapas principales, las cuales se evidencian en la siguiente tabla..

(8) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica ETAPA TEÓRICA Documentación acerca de los inversores VSC y sus diferentes topologías. Estado del arte de la electrónica de potencia involucrada en el desarrollo de un inversor VSC y la sincronía del mismo con la red. Estado del arte de los diferentes tipos de control necesarios para el encendido y apagado del inversor VSC. PRÁCTICA Planteamiento del modelo computacional de un inversor VSC trifásico multinivel y su controlador ON/OFF. Planteamiento del modelo computacional del PLL necesario para la sincronía del inversor con la red. Simulación y análisis de los modelos computacionales Planteamiento de un prototipo físico de un inversor VSC. Implementación y caracterización del prototipo inicial. PRUEBAS Y VALIDACIÓN Pruebas del prototipo inicial para validación de su funcionamiento. Comparación de los resultados del prototipo con los resultados teóricos. Análisis de los resultados experimentales. Conclusiones y desarrollo final del proyecto.. ACEPTABLE. 8. DESEADO X X. X. X X X X X X X X X. Tabla 1. Alcance y Productos Finales.. 2. JUSTIFICACIÓN Los inversores VSC con sincronía con la red eléctrica son cada vez más comunes como se puede observar en aplicaciones tales como conexiones de plantas de energías nuevas y renovables (eólica o solar) a la red de transmisión. Igualmente se están introduciendo en la transmisión eléctrica HVDC y dispositivos FACTS. Algunos beneficios de la utilización de estos inversores es que poseen un grana ancho de banda de gran intensidad, potencia reactiva controlable que a su vez ayuda a regular el factor de potencia o nivel de tensión, además de minimizar las resonancias entre y el inversor debido al control realimentado. Estas características son altamente deseadas en aplicaciones que involucren sincronía con la red, y se pueden obtener gracias al alto desempeño del control del inversor VSC..

(9) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 3. 9. TIPOS DE MODULACIÓN 3.1 Modulación por Ancho de Pulsos (PWM) En la técnica de modulación se genera una señal con frecuencia fija y tiempos de encendido y apagado variables. En otras palabras, el período de la señal se mantendrá constante, pero la cantidad de tiempo que se mantiene en ON y OFF dentro de un período puede variar. El ciclo de trabajo del total del período ( tiempo que se mantiene en alto. 𝑡𝑂𝑁. ) es. , es decir el. 𝑡𝑂𝐹𝐹. 𝑡 Figura 1. Señal Modulada con un Ciclo de Trabajo del 50%.. La Figura 5 muestra una onda cuadrada. Que cuando es vista como una señal de PWM, su ciclo de trabajo es del 50%. En otras palabras, está en ON la mitad del tiempo. 𝑡𝑂𝑁. 𝑡𝑂𝐹𝐹. 𝑡 Figura 2. Señal Modulada con un Ciclo de Trabajo del 10%.. La Figura 6 muestra otra señal MAP, con un ciclo de trabajo del 10%. Variando el ciclo de trabajo el voltaje promedio de la salida puede ser controlado. Por ejemplo, una señal PWM que tiene 10V de amplitud y un 50% de ciclo de trabajo, provee 5V de salida promedio. Cuando se incrementa o disminuye el ciclo de trabajo de una señal PWM, la salida promedio se incrementa o disminuye respectivamente.. 3.2 Modulación por Ancho de Pulso Sinusoidal (SPWM) En la técnica de modulación SVPWM la amplitud de la señal de salida se controla a través del índice de modulación M..

(10) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 10. Donde y representan las amplitudes de las señales moduladora y portadora respectivamente. La frecuencia de salida se define por medio de la frecuencia la señal moduladora. De esta manera, las características del voltaje por fase se regulan modificando los parámetros . En el esquema general del SPWM, el patrón de conmutación se genera al comparar una señal triangular (portadora) con 3 señales sinusoidales , y , las cuales están desfasadas 120° entre si [3], [5], [6], tal y como se muestra en la Figura 7 y según el criterio:. Figura 3. Esquema de Modulación SPWM.. El atractivo de la técnica SPWM es la facilidad con la que la amplitud y frecuencia pueden ser variadas además de su implementación física, sin embargo tiene algunas.

(11) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 11. características no deseadas, ya que existen demasiadas transiciones por ciclo. Cada transición implica pérdidas de alta frecuencia que involucran un incremento en temperatura, ruido, y distorsión armónica. En SPWM la amplitud de la portadora siempre es mayor que la componente fundamental. Más allá, cada transición es en realidad una transición ON/OFF doble con el interruptor superior e inferior. Usualmente, el número de transiciones por ciclo es totalmente independiente de la amplitud de salida. Así que las amplitudes bajas generan pérdidas considerables lo cual no es deseable para el propósito del proyecto.. 3.3 Modulación por Ancho de Pulso Vectorial (SVPWM) En la modulación vectorial el inversor es controlado por ocho estados de conmutación. La generación de voltaje con la modulación SVPWM se logra seleccionando por un tiempo determinado los estados de los interruptores del inversor en cada periodo de conmutación. [7], [8]. En un sistema trifásico los voltajes de fase , y se representan por un vector rotatorio de amplitud constante que gira en el plano complejo con frecuencia angular (frecuencia señal de salida). √ Dónde:. (. ⁄ ). ⁄. ⁄. ⁄. De forma equivalente, cada uno de los vectores de voltaje se puede obtener de la transformación de Clarke [7], [8], la cual permite pasar de un sistema trifásico a uno bifásico ortogonal como se indica a continuación: [. ]. [. ][. ⁄ [. ]. [. √ ⁄. ]. ⁄ √ ⁄ ][. ]. Dependiendo del estado de conducción de los transistores se generan los vectores , los cuales de encuntran espaciados 60° entre si Figura 8. El vector se obtiene al hacer conducir los transistores S1, S4 y S6, con lo cual la fase a se conecta.

(12) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 12. al potencial positivo y las fases b y c al negativo (ground). Esto se representa mediante (+--), los vectores de voltaje que se muestran en la Tabla 4. Las combinaciones (+++) y (---) no producen voltaje a la salida por lo tanto los denominamos vectores nulos. La circunferencia dentro del hexágono corresponde a una operación sinusoidal lineal, y como resultado los voltajes a la salida son voltajes sinusoidal, el sentido de rotación del vector de voltaje determina la secuencia de fase en la salida del inversor [9].. Figura 4. Esquema de Modulación SVPWM [2].. Conmutación (---). Vector de Voltaje. ⁄. (+--). (++-) (-+-). ⁄ ⁄. Conmutación (-++) (--+). √ ⁄ √ ⁄. (+-+). Vector de Voltaje ⁄ ⁄ ⁄. √ ⁄ √ ⁄. (+++). Tabla 2. Valores de los Vectores de Voltaje que Forman el Hexágono de Voltajes [2].. Para un voltaje determinado a la salida del inversor se tendrá un vector de magnitud y ángulo en el hexágono, el cual se desplazara por cada uno de los sectores en que se divide el hexágono. La generación del vector de referencia se obtiene mediante la aplicación sucesiva de dos vectores adyacentes y un vector nulo durante un periodo Figura 9, en este intervalo se considera que el vector de referencia se encuentra constante y estacionario. La expresión que relaciona los voltajes de fase-neutro con se presenta a continuación:.

(13) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 13. En general será el ángulo entre y , donde n será el sector activo. El máximo voltaje de fase-neutro sinusoidal se obtiene con la modulación vectorial cuando es igual a 30° y está dado por: ⁄ √ El cual corresponde a un voltaje de 15.5% mayor al máximo obtenible con técnicas PWM convencionales [9], [10].. Figura 5. (a) Representación del Vector de Referencia en el sector 1. (b) Descomposición del vector de referencia sobre los vectores U1 y U2 [2].. Los tiempos de conmutación de cada uno de los vectores de voltaje se encuentran según. Donde corresponde al tiempo en el cual se aplica a la salida el vector de voltaje , corresponde al tiempo en el cual se aplica a la salida el vector de volyaje y corresponde al tiempo en el cual se aplica a la salida el vector de volyaje o vector nulo.. 4. TOPOLOGIA DE LOS INVERSORES 4.1 Inversor Monofásico Puente H La configuración de un inversor monofásico de puente completo se muestra en la Figura 1. Cuando S1 y S2 están conectados, el voltaje de entrada aparece en la carga. Si S3 y S4 están conectados el voltaje en la carga es . La Tabla 2. Muestra el principio de conmutación del inversor..

(14) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 14. Figura 6. Diagrama Inversor Monofásico Puente H.. Estados de Conmutación S1 S2 S3 S4 ON ON OFF OFF OFF OFF ON ON ON OFF ON OFF OFF ON OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF. Vout. 0 0. Tabla 3. Estados de Conmutación para un Inversor Monofásico Puente H.. 4.1.1 Simulación de un Inversor Monofásico Puente H A continuación se presenta la simulación de un inversor monofásico en Matlab/Simulink, en el cual podemos validar las diferentes estrategias de control anteriormente desarrolladas y evidenciar el correcto funcionamiento del inversor. Además se asumió una carga RL con R=10 ohm y L=10mH.. Figura 7. Inversor Monofásico Puente H Implementado en Matlab/Simulink..

(15) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 15. a. Mediante SPWM. Figura 8. Módulo de control SPWM para un Inversor Monofásico Puente H.. Figura 9. a) THD de Voltaje de Línea. b) THD Voltaje Filtrado. c) THD de la Corriente Filtrada en la Carga.. b. Mediante SVPWM. Figura 10. Módulo de control SVPWM para un Inversor Monofásico Puente H..

(16) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 16. Figura 11. a) THD de Voltaje de Línea. b) THD Voltaje Filtrado. c) THD de la Corriente Filtrada en la Carga.. 4.2 Inversor Trifásico Comúnmente los inversores trifásicos son implementados en la industria en aplicaciones que requiere ajustar la frecuencia de la fuente de alimentación, además de ser más utilizados que los monofásicos. El voltaje necesario para la alimentación del inversor es tomado usualmente de un banco de baterías o de un rectificador. Estos inversores se dividen según su forma de operar en: conducción a 180° de cada elemento, con lo cual habrá 3 elementos en conducción al mismo tiempo y conducción a 120°, con 2 elementos por vez. Además pueden alimentar dos tipos de cargas trifásicas simétricas: conexión delta o estrella.. Figura 12. Diagrama Inversor Trifásico..

(17) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 17. Un inversor trifásico de seis pulsos utiliza seis conmutadores, dos por cada fase. Cada paso es definido por el cambio en el tiempo de operación de un transistor a otro en una secuencia apropiada. Para un ciclo de 360°, cada pulso ocurre cada 60°, logrando así seis pulsos. En la Figura 2 se puede observar el diagrama más común de un inversor trifásico. Igualmente existen inversores de doce pulsos los cuales son muy comunes en la industria, sin embargo su funcionamiento es el mismo al de seis pulsos, lo único que varía es el intervalo de conmutación, el cual ahora se hace cada 30°. a. Conducción a 180° Cada transistor conducirá durante 180°. Tres transistores se mantienen activos durante cada instante del tiempo. Cuando el transistor S1 está activado, la fase a se conecta con la terminal positiva del voltaje de entrada. Cuando se activa el transistor S4, la fase a se lleva a la terminal negativa de la fuente DC. En cada ciclo existen seis modos de operación, cuya duración es de 60°. Los transistores se numeran según su secuencia de excitación por ejemplo (123, 234, 345, 456, 561, 612). Las señales de excitación mostradas en la Figura 3 están desplazadas 60° unas de otras, para obtener voltajes trifásicos balanceados [3].. Figura 13. Secuencia de las Señales de Excitación de los Transistores a 180°. [4].. Estado 1 2 3 4 5 6 7 8. S1 ON ON OFF OFF OFF ON ON OFF. Estados de Conmutación S2 S3 S4 S5 ON OFF OFF OFF ON ON OFF OFF ON ON ON OFF OFF ON ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF OFF ON OFF ON OFF ON ON OFF ON OFF. S6 ON OFF OFF OFF ON ON OFF ON. Vab. Vbc. Vca. 0 0 0 0 0 0 0. Tabla 4. Estados de Conmutación para un Inversor Trifásico a 180°.. 0 0. 0 0 0.

(18) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 18. b. Conducción a 120° En este tipo de control, cada transistor conduce durante 120°. En cualquier instante del tiempo, sólo conducen dos transistores. Las señales de excitación se muestran en la Figura 4. La secuencia de conducción de los transistores es S1, S2, S3, S4, S5, S6, S1.. Figura 14. Secuencia de las Señales de Excitación de los Transistores a 120° [4].. 4.2.1 Simulación de un Inversor Trifásico A continuación se presenta la simulación de un inversor trifásico en Matlab/Simulink, en el cual podemos validar las diferentes estrategias de control anteriormente desarrolladas y evidenciar el correcto funcionamiento del inversor. Además se asumió una carga delta RL con R=10 ohm y L=10mH.. Figura 15. Inversor Trifásico Implementado en Matlab/Simulink..

(19) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 19. a. Mediante SPWM. Figura 16. Módulo de control SPWM para un Inversor Trifásico.. Figura 17. a) THD de Voltaje de Línea. b) THD Voltaje Filtrado. c) THD de la Corriente en la Carga. Para la fase A.. b. Mediante SVPWM. La modulación SVPWM aplicada al inversor trifásico se implementó en una función embebida de Matlab en Simulink, en la cual se desarrolla las ecuaciones de dicha modulación presentadas anteriormente.. Figura 18. Módulo de control SVPWM para un Inversor Trifásico..

(20) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 20. Figura 19. a) THD de Voltaje de Línea. b) THD Voltaje Filtrado. c) THD de la Corriente en la Carga. Para la fase A.. 5. ANALISIS E IMPLEMENTACION DEL INVERSOR TRIFASICO MULTINIVEL MEDIANTE SVPWM Esta parte del documento se centra en el análisis completo de un inversor de tres niveles teniendo en cuenta el voltaje y la frecuencia deseada en la salida del inversor, teniendo la distorsión armónica como principal parámetro a optimizar. La modulación PWM es la más común y de fácil implementación para los inversores multinivel, pero a pesar que la modulación SVPWM es más compleja de implementar, es el método preferido para reducir las pérdidas de energía por la disminución de los dispositivos de electrónica de potencia y frecuencia de conmutación, que se ven limitados por PWM. A continuación se discutirá muy brevemente las diferentes topologías multinivel existentes centrándose en la que se implementara, así como el estado del arte de la modulación SVPWM aplicado a inversores multinivel y la correspondiente simulación e implementación del inversor bajo esta modulación.. 5.1 Operación del Inversor Trifásico Multinivel Con el inversor multinivel diodo Clamped, se pueden sintetizar las formas de ondas deseadas a partir de los diferentes niveles de voltaje DC. Su estructura permite manejar altos voltajes sin el uso de transformadores. Están compuestos de una alta eficiencia debido a que la frecuencia fundamental de conmutación puede ser utilizada por los dispositivos individuales y son apropiados para accionamientos de motores de altos valores nominales (VA). Este tipo de inversor utiliza capacitores en serie para dividir el bus DC en paquetes de niveles de tensiones. Para producir m niveles en la tensión de fase, el inversor multinivel con diodo Clamped necesita m-1 capacitores en el bus de DC. Estos niveles se definen como el número de valores de potencial posibles a la salida del inversor referido a un punto común [11], [12] y [13]. Un ejemplo sencillo para analizar este tipo de inversor puede ser, el inversor trifásico de tres niveles Figura 20, el cual va a ser el que se va a implementar..

(21) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 21. Figura 20. Inversor Trifásico de Tres Niveles.. En este caso la tensión a través de los capacitores es igual entre ellos e iguales a ⁄ , (siendo. el voltaje total aplicado al inversor). Este circuito de potencia. cuenta con 12 interruptores semiconductores (S1 a S11) y 6 diodos Clamped. Con esta configuración se puede aumentar hasta al doble la tensión total en el enlace de voltaje DC y con ello se aumenta el voltaje aplicado al motor. El funcionamiento de una de las fases del inversor es análogo a un interruptor de tres posiciones Figura 21.. Figura 21. Fase del Inversor Trifásico de Tres Niveles: a) Circuito de Potencia; b) Interruptor Equivalente.. Para explicar cómo se sintetiza la tensión, se consideró la carga conectada a entre el punto de referencia O y la fase A. Como es un inversor de tres niveles, pues habrán 3 combinaciones posibles para generar 3 niveles de tensión en la fase A..

(22) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 22. Según la magnitud de la tensión de referencia se distinguen estas tres condiciones lógicas, a cada una de las cuales corresponde un estado de conmutación distinto. Es válido aclarar que la forma de onda del voltaje de referencia es sinusoidal y las formas de ondas de las portadoras son triangulares y desfasadas 180° entre ellas.  La tensión de referencia es mayor que la tensión de la onda portadora para el semiciclo positivo.  Se debe aplicar tensión positiva a la carga. T1 = ON, T2= ON, T3= OFF, T4 = OFF.  La tensión de referencia es mayor que la tensión de la onda portadora para el semiciclo negativo, y menor que la tensión de la onda portadora para el semiciclo positivo.  Se debe aplicar tensión cero a la carga.  T1= OFF, T2= ON, T3 = ON, T4 = OFF.  La tensión de referencia es menor que la tensión de la onda portadora para el semiciclo negativo.  Se debe aplicar tensión negativa a la carga.  T1= OFF, T2 = OFF, T3 = ON, T4 = ON. En la Figura 22 puede observarse el voltaje en la carga de una fase del inversor trifásico de tres niveles.. Figura 22. Voltaje en la carga de una fase del inversor trifásico de tres niveles [14].. Los estados de conmutación del inversor de tres niveles se pueden observar en la Tabla 5, en la que el estado “1”, indica que los dos interruptores de la parte superior de cada fase están conectados a + , igualmente el estado “-1” denota que los dos interruptores de la parte inferior de cada fase están conectados a – y el estado “0” indica que los dos interruptores del medio están conectado a tierra a través del diodo de Clamp, dependiendo de la dirección de la corriente de la carga. Estado 1 0 -1. Estados de Conmutación (Fase A) S1 S2 S3 S4 ON ON OFF OFF OFF ON ON OFF OFF OFF ON ON. VA out. Tabla 5. Definición de los Estados de Conmutación de un Inversor de Tres Niveles para una sola fase..

(23) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 23. En la Tabla 6 se realiza una comparación entre las componentes de potencia necesarias para generar igual cantidad de niveles con las distintas estructuras. Los diodos Clamped solo son necesarios en uno solo de los tres tipos descritos, mientras que los diodos de balance solo son necesarios en la estructura Flying Capacitor. Resulta fácil apreciar que se necesita menor cantidad de componentes en los del tipo cascada. Otras de las ventajas de este tipo de esquema son su estructura modular y que el número de niveles puede ser ajustado fácilmente agregando o eliminando celdas completas (puentes en H) [14]. Topología Dispositivos de Conmutación Diodos libres camino Diodos Clamped Capacitores Entrada Capacitores de Balance. Diodo-Clamped 2(m-1) 2(m-1) (m-1)*(m-2) m-1 0. Flying Capacitor 2(m-1) 2(m-1) 0 m-1 (m-1)*(m-2)/2. Cascada 2(m-1) 2(m-1) 0 (m-1)/2 0. Tabla 6. Comparación del Número de Dispositivos Necesarios en cada Topología con m: número de niveles en el inversor [14].. 5.2 Modulación Vectorial (SVPWM) Multinivel Un inversor de tres niveles se caracteriza por estados de conmutación, como se indica en la Figura 23, donde el diagrama de vectores para el inversor de tres niveles se divide en seis sectores (A, B, C, D, E y F). Hay 24 estados activos, y tres estados que se encuentran en cero o el centro del hexágono. Cada sector tiene cuatro regiones (1, 2, 3, 4) [15].. Figura 23. Diagrama del SVPWM en Inversor de Tres Niveles.. El principio de la modulación SVPWM es que el vector de voltaje se calcula utilizando tres vectores adyacentes. La duración de cada uno de los vectores de voltaje es obtenido por cálculos vectoriales..

(24) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 24. Donde , y son vectores que definen la región del triángulo en el que se encuentra . , y equivale a la duración correspondiente de cada vector de voltaje y es el tiempo de muestreo. Un inversor de tres niveles es similar a un inversor de dos niveles, dado que el diagrama de espacio vectorial se divide en 6 sectores (hexágono). Por simplicidad sólo se calcula los patrones de conmutación necesarios para el sector A dado que para los demás sectores se hace de una manera similar. El Sector A se divide en cuatro regiones, como se muestra en la Figura 24, donde se evidencia los posibles estados de conmutación en esa región. El SVPWM de tres niveles, se puede implementar mediante el uso de los siguientes pasos:  Determinación del sector.  Determinación de la región en el sector.  Cálculo de los tiempos de conmutación .  Estados de conmutación del inversor.. Figura 24. Sector A y los Estados de Conmutación para un Inversor de Tres Niveles.. a. Determinación del Sector. Se calcula α de acuerdo al siguiente algoritmo y logramos identificar el sector en que se encuentra .  Si , entonces está en el sector A.  Si , entonces está en el sector B.  Si , entonces está en el sector C.  Si , entonces está en el sector D.  Si , entonces está en el sector E.  Si , entonces está en el sector F. b. Determinación de la región en el sector. De acuerdo a la Figura 25 tenemos que y. ⁄ (. √. se pueden calcular como:. √. √ ⁄ ). (. √. ).

(25) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica Con    . y Si Si Si Si. 25. calculamos en que región del sector se encuentra , y , entonces están en la región 1. , entonces están en la región 2. , entonces están en la región 3. , y , entonces están en la región 4.. Figura 25. Diagrama Vectorial para m_1 y m_2en el Sector A.. c. Cálculo de los tiempos de conmutación. Los tiempos de conmutación para el sector A están dados en la Tabla 7. Región 1 ⁄. Región 2 ⁄ ⁄ ( ⁄ Región 4. Región 3 ⁄. ). ⁄ ⁄. ⁄. Tabla 7. Tiempos de Conmutación para el Sector A.. d. Estados de Conmutación del Inversor. Teniendo en cuenta la transición de conmutación de un solo dispositivo en cualquier momento, los cambios de los vectores obtenidos para cada región situada en el Sector A, se muestran a continuación.  Región 1: -1-1-1, 0-1-1. 00-1, 000, 100, 110, 111.  Región 2: 0-1-1, 1-1-1, 10-1, 100.  Región 3: 0-1-1, 11-1, 10-1, 100, 110.  Región 4: 00-1, 10-1, 11-1, 110..

(26) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 26. En la Figura 26 se ilustra la dirección de los vectores de voltaje para cada región en todos los sectores.. Figura 26. Secuencia de Conmutación para un Inversor de Tres Niveles SVPWM.. 5.3 Simulación del Inversor Trifásico Multinivel (SVPWM) en Matlab/Simulink A continuación se presenta la simulación de un inversor trifásico multinivel en Matlab/Simulink, en el cual podemos validar la estrategia de control anteriormente analizada y evidenciar el correcto funcionamiento del inversor. Además se asumió una carga delta RL con R=10 ohm y L=10mH.. Figura 27. Diagrama de un Inversor Trifásico de Tres Niveles Controlado mediante SVPWM..

(27) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 27. Figura 28. Módulo General de control SVPWM para un Inversor Trifásico de Tres Niveles.. Dentro de la función embebida de Matlab (Calculo Tiempos de Conmutación) se presenta el código necesario para generar los diferentes tiempos en los que interactúan los vectores de voltaje en cada región y sector de acuerdo a lo explicado en la sección anterior. Igualmente en el bloque (Sector-Región) se encuentra la otra parte del control el cual hace referencia a la posición del vector de referencia y el sincronismo de frecuencia con la red (PLL) como se puede evidenciar en la Figura 29.. Figura 29. Módulo Sector-Región del control SVPWM para un Inversor Trifásico de Tres Niveles.. Finalmente implementamos esta modulación y obtuvimos los siguientes resultados:.

(28) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 28. Figura 30. a) THD de Voltaje de Línea. b) THD Voltaje Filtrado. c) THD de la Corriente en la Carga. Para la fase A.. 5.4 Implementación del Inversor Trifásico (SVPWM) en Real-Time En esta parte del documento se pretende implementar en Real Time (RT) el Inversor Trifásico haciendo Hadware in the Loop mediante la utilización de una NI CompactRIO, la cual es un sistema reconfigurable de control y adquisición a bajo costo diseñado para aplicaciones que requieren alto rendimiento y fiabilidad. El sistema combina una arquitectura embebida abierta con un tamaño pequeño, extrema robustez y módulos industriales de E/S intercambiables en vivo. CompactRIO es alimentado por la tecnología de arreglo de compuertas programables en campo (FPGA) de E/S reconfigurable (RIO). Hardware in the loop (HIL), es una forma de simulación en tiempo real. Esta se diferencia de una simulación real, mediante la adición de un componente real en el circuito. Este componente puede ser una unidad de control electrónica (inversor) o un motor real. La definición actual de la industria de hardware in the loop se muestra en la Figura 31. Esto demuestra que el control es simulado y el inversor es real. El propósito de un hardware in the loop es proporcionar a los estímulos eléctricos necesarios para el pleno ejercicio del inversor. En efecto, engañando al controlador en el pensamiento de que sí es conectado a inversor real.. Figura 31. Definición Hardware in the Loop.. En este caso el HIL que se implementara tiene en cuenta los siguientes aspectos:.

(29) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 29.     . Un modelo matemático del Inversor (es decir, del modelo real a implementar). Modelo del controlador del inversor Tiempo real del equipo de destino (s) con I / O. Cargas reales o simuladas, Un ordenador anfitrión con enlace de comunicaciones al equipo de destino y de enlace de diagnóstico del Inversor.  Una interfaz gráfica de usuario (GUI) para descargar y controlar el proceso en tiempo real.  Una aplicación de automatización de pruebas para automatizar todos los aspectos de la prueba. Para el desarrollo del modelo matemático del inversor y del modelo del controlador se utilizó el programa LabVIEW, dado que la CompactRIO al ser un producto de National Instruments es necesario utilizar este software para el correcto funcionamiento del sistema.. 5.4.1. Modelo del Controlador en LabVIEW. En la implementación del control SVPWM necesario para el funcionamiento del inversor se siguió la misma metodología planteada en el numeral 5.2 del presente documento, en las siguientes figuras se evidencia este modelo en el lenguaje de programación grafica el cual es utilizado por LabVIEW.. Figura 32. Modelo del Control en LabVIEW (Block Diagram)..

(30) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 30. Figura 33. Modelo del Control en LabVIEW (FrontPanel).. 5.4.2. Modelo Matemático del Inversor en LabVIEW. Para modelar de una manera sencilla el inversor trifásico se tomó como referencia lo estipulado en [21], el cual establece una relación de voltaje de línea- línea y líneaneutro a partir de los pulsos que controlan el inversor de la siguiente manera.. Donde son los pulsos de conmutaciones necesarios para el correcto funcionamiento del inversor, dado que no pueden estar en ON al mismo tiempo al igual que , , se puede llegar a la siguiente relación. De igual forma el voltaje de línea-línea se obtiene a partir de los pulsos con la siguiente relación:.

(31) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. (. 31. ). Figura 34. Modelo del Inversor, Voltajes de Línea-Línea y Voltajes de Línea-Neutro (Block Diagram).. Figura 35. Modelo del Inversor, Voltajes de Línea-Línea y Voltajes de Línea-Neutro (FrontPanel)..

(32) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 6. 32. VALIDACIÓN DEL TRABAJO 6.1 Metodología de prueba Para este numeral, primero se implementó en la CompactRIO tanto el modelo del controlador como el modelo matemático del inversor, cabe aclarar que para poder hacer hardware in the loop fue necesario la utilización de dos CompactRIO, una que era encarga del control del inversor y la otra del modelo de inversor como tal. En las siguientes fotografías se evidencia lo anteriormente dicho, así como el correcto funcionamiento del inversor y su etapa de control.. Figura 36. CompactRIO en Hardware in the Loop.

(33) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 33. Figura 37. CompactRIO en Hardware in the Loop.. 6.2 Validación de los resultados del trabajo Como primera medida se presenta en la Tabla 8 y 9, la comparación de los diferentes tipos de inversores controlados mediante diferentes modulaciones, teniendo como parámetro de comparación la distorsión armónica presente en la onda de voltaje y corriente, esto con el fin de evidenciar cual combinación Topología-Modulación es la mejor para crear un inversor DC-AC. INVERSOR / TIPO MODULACION SPWM SVPWM. MONOFASICO LINEA FILTRADO % % 59.53 1.06 46.64 6.63. TRIFASICO LINEA % FILTRADO % 69.68 0,54 25,53 0,11. MULTINIVEL LINEA % FILTRADO % 30.77 0.45 10.59 0.38. Tabla 8. Resumen THD de Voltaje.. INVERSOR / TIPO MODULACION SPWM SVPWM. MONOFASICO FILTRADO % 2.9 1.09. TRIFÁSICO %. MULTINIVEL %. 8,11 6,11. 6.92 1.58. Tabla 9. Resumen THD de Corriente.. Igualmente se calculó el THD de voltaje para la señal modulada mediante SVPWM en un inversor trifásico implementado en LabVIEW logrando el siguiente resultado:.

(34) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 34. Figura 38. Calculo THD de Voltaje para un Inversor Trifásico SVPWM en LabVIEW.. Como se puede observar en la gráfica anterior se obtuvo un THD de voltaje del 27,72%, lo cual es consistente con la simulación hecha en Matlab/Simulink para este inversor y esta metodología de control, lo cual es un resultado esperado, además de servirnos como indicativo del buen funcionamiento del inversor en Real-Time HIL.. 7. DISCUSIÓN Dentro del cronograma establecido en la propuesta del proyecto de grado estaba la implementación física de un inversor trifásico, este ítem fue cambiado por la implementación del mismo inversor pero en Real-Time, esto llevo a que generara un mayor esfuerzo, dado el lenguaje de programación exigido por la compactRIO. Un punto importante que cabe destacar es como LabVIEW permite la importación de modelos de Matlab/Simulink, sin embargo dada la capacidad de la compactRIO, estos modelos están limitados a que su frecuencia de muestreo debe ser inferior a 500Hz, lo cual para el modelo de control SVPWM es una frecuencia muy baja, por lo tanto fue necesario la implementación completa del SVPWM en el lenguaje de LabVIEW. Otro problema o limitación, es el hecho que los módulos de voltaje de salida de la compactRIO únicamente admiten hasta +10 y -10 V, lo cual hace que no se pueda mirar como es el funcionamiento del inversor a un voltaje mayor. Como trabajo futuro, quedaría la implementación de un inversor multinivel en realtime y lograr disminuir la distorsión armónica lo máximo posible, al igual que hacer un análisis completo del filtro necesario para el uso comercial o industrial del inversor junto con el control realimentado del mismo..

(35) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 8. 35. CONCLUSIONES . Con este proyecto se pretende dar una introducción a las diferentes estrategias de control de un inversor. Se presentaron de una manera general las ventajas de cada estrategia de control, permitiendo así tener un panorama más amplio sobre que técnica de control utilizar al momento de priorizar perdidas, contenido armónico o eficiencia de conversión.. . Igualmente se presentó las diferentes topologías existentes en inversores trifásicos en los que se pueden implementar cualquier técnica de control desarrollada en este proyecto, teniendo como parámetro de comparación el número de elementos de electrónica de potencia necesarios para la creación de uno de estos inversores.. . La técnica de SVPWM ha logrado tener un gran impacto tanto en la literatura como en la industria, debido a su gran aprovechamiento del bus DC, lo que garantiza una eficiencia mayor en el proceso de conversión en el inversor. El hecho de ser una estrategia basada en vectores espaciales hace que su implementación este más orientada en el control de máquinas AC, sin embargo esto solo se logra gracias a la implementación en procesadores de alta velocidad, dada la complejidad de los cálculos necesarios para lograr esta estrategia, además de lograr un nivel bajo de armónicos en relación con las otras estrategias y la disminución por perdidas de conmutación.. . Con el objeto de validar el algoritmo de control propuesto se ha modelado, diseñado, simulado e implementado un prototipo de un inversor trifásico. Para analizar el funcionamiento global de los inversores se han realizado simulaciones utilizando la herramienta Matlab/Simulink.. . Para estudiar el comportamiento del sistema en distintas condiciones de operación se implementó una interfaz en Real-Time Hadware in the Loop, utilizando LabVIEW y una CompactRIO para corroborar el correcto funcionamiento de la estrategia de control en este nuevo esquema de simulación.. . Por ultimo existe dos manera de minimizar aún más las perdidas en los inversores: una es en el mejoramiento físico de los elementos de electrónica de potencia que conforman el inversor, el cual depende de la construcción de los mismo y la otra forma es encontrando una técnica de modulación que realice menos conmutaciones a la hora de crear un nivel de tensión deseado, además se tiene que llegar a un balance entre el nivel de armónicos deseado y las perdidas por conmutación..

(36) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 9. 36. REFERENCIAS [1] Abd Almula G.: “Simulation and Implementation of Two-Level and Three-Level Inverters by Matlab and RT-Lab”. Thesis for the Degree Master of Electrical and Computer Science in the Graduate School of the Ohio State University 2011. [2] Posada. J.: Modulación por ancho de pulso (PWM) y modulación vectorial (SVM). Una introducción a las técnicas de modulación. El hombre y la máquina, juliodiciembre, No. 025. pp. 70-83. Universidad Autónoma de Occidente. [3] Muhammad H., Electrónica de Potencia, Prentice Hall. México, 1996. [4] Torres C., Murillo D. y Restrepo C.”Diseño y Construcción de in Inversor Trifásico”. Scientia et Technica Año XIV, No 40, Diciembre de 2008. [5] J.M. Benavent García, A. Abellán G., E. Figueres A. “Electrónica de Potencia, teoría y aplicaciones”, 1ª ed. Alfaomega, 2000. [6] T.J. Maloney. “Electrónica Industrial Moderna”, Prentice Hall, 1997. [7] S.A.Nasar, I Boldea: Maquinas Eléctricas (Dinámica y Control). Editorial CECSA. 1ª. Edicion en Español Mexico 1995. [8] Iwaji, Y. Fukuda, S: A pulse frequency modulated PWM inverter for induction motor drives. IEEE Transactions on Power Electronics. Volume 7. Issue 2. P.p 404-410. April 1992 [9]Richard Valentine: AC Induction Motor Control. Motor Control electronics Hand Book, McGraw-Hill 1999. [10] H. W. Van Der Broeck, H Skundelny, G. V. Stanke: Analysis and realization of a Pulsewidth Modulator Base on Voltage Space Vectors. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 24, no. 1, pp. 142-150., Jan./Feb. 1988. [11] Power Induction Motors. IEEE Transactions on Power Electronics. Volume 13, No. 5. September, 1998. [12] Nabae, A.; I. Takahashi and H. Akagi: "A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter", IEEE Trans. Industry Applications, Vol. IA-17, No. 5, pp. 518-523, Sept., 1981, [13] Ohno, E.: "Introduction to Power Electronics", Oxford Science Publications, 1998. [14] Yznaga, I.; Corral, B. y Costa A.: “Inversores Multinivel para Aplicaciones de Gran Potencia. Estado del Arte”, Aplicaciones Industriales Energética, Vol XXv, No. 3/2004. [15] S.K. Mondal, J.O.P Pinto, B.K. Bose, “A Neural-Network-Based Space Vector PWM Controller for a Three-Level Voltage-Fed Inverter Induction Motor Drive”, IEEE Trans. on I.A., Vol. 38, no. 3, May/June 2002, pp.660-669. [16] S.K. Mondal, B.K. Bose, V. Oleschuk and J.O.P Pinto, “Space Vector Pulse Width Modulation of Three-Level Inverter Extending Operation Into Overmodulation Region”, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, no. 2, March 2003, pp.604-611..

(37) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 37. [17] M. Manjrekar and G. Venkataramanan, “Advanced Topologies and Modulation Strategies for Multilevel Inverters”, Power Electronics Specialists Conference, Vol. 2, 23-27 June 1996, pp. 1013- 1018. [18] A. Nabae, I. Takahashi and H. Akagi, “A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter”, IEEE Trans. on I.A., Vol. 17, No.5, September/October 1981, pp.518-523. [19] Yo-Han Lee, Burn-Seok Suh, Chang-Ho Choi, Dong-Seok Hyun, “A New Neutral Point Current Control for a 3-level Converter/Inverter Pair System”, IEEE Trans on I.A., Vol. 3, 1999, pp. 1528-1534. [20] A. Kocalmis, “Modelling and Simulation of A Multilevel Inverter Using SVPWM”, MSc Thesis, Institute of Science, Firat University, 2005. [21] S. A. Saleh and M. A. Rahman, “An Introduction to Wavelet Modulated Inverters”, IEEE Press Series on Power Engineering, Wiley 2011..

(38) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 38. RESUMEN EJECUTIVO - Título del Proyecto de Grado. CARACTERIZACIÓN DE UN INVERSOR MULTINIVEL SVPWM DE LAZO CERRADO - Autor del Proyecto de Grado. Mitchell Alexander Moreno Vargas - Asesor del Proyecto de Grado. Gustavo Ramos Lopez OBJETIVOS Objetivo General Caracterizar e implementar un inversor multinivel mediante la modulación de SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation), el cual tenga sincronía con la red y tenga un sistema de control realimentado o de lazo cerrado para mejorar la conexión de fuentes de energía alternativas a redes eléctricas de generación distribuida y resolver problemas respecto a la calidad del suministro de energía. Además de lograr tener una distorsión armónica menor comparada con las otras estrategias de control.. Objetivos Específicos •. Desarrollar el estado del arte acerca de la electrónica de potencia donde se evidencien las aplicaciones de un Inversor DC-AC.. •. Analizar las diferentes topologías existentes para la implementación de un inversor de uno o más niveles, tanto monofásico como trifásico. •. Analizar y desarrollar el estado del arte de los diferentes tipos de modulación existentes para la generación de los pulsos de conmutación del inversor.. •. Hacer una comparación teórica entre los diferentes inversores y tipos de modulación, de acuerdo a las simulaciones obtenidas teniendo en cuenta la distorsión armónica como fenómeno de comparación..

(39) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 39. •. Analizar el control de lazo cerrado utilizado en un conversor DC-AC y desarrollar un circuito equivalente que represente el lazo de control, así como el lazo de seguimiento de fase o PLL por sus siglas en inglés (Phase-locked loop) de un conversor DC-AC.. •. Desarrollar un prototipo de un inversor DC-AC monofásico mediante SVPWM, que permita sincronía con la red y control de lazo cerrado.. DESARROLLO DEL PROYECTO DE GRADO Procesos Realizados      . Realización del estado dl arte involucrado en el correcto funcionamiento de inversores tipo VSC. Caracterización de las diferentes técnicas de modulación existentes, como lo son SPWM y SVPWM. Caracterización de las diferentes topologías existentes para la creación de inversores trifásicos, monofásicos y de múltiples niveles. Simulación de los diferentes inversores mediante diferentes técnicas de modulación en la herramienta de Matlab/Simulink. Simulación de un inversor trifásico controlado por SVPWM en la herramienta LabVIEW. Implementación en Real-Time Hadware in the Loop de un inversor trifásico controlado mediante SVPWM.. Recursos Involucrados   . Material de referencia para realizar el estado del arte de las topologías de los inversores y de las técnicas de modulación. Herramientas de simulación como lo es Matlab/Simulink y LabVIEW. Tarjetas de simulación en Real-Time, CompactRIO, para hacer la implementación en RT-HIL.. Decisiones Tomadas . . Se tomó la decisión de hacer la implementación del inversor en RT-HIL dado el interés por desarrollar nuevos esquemas en esta topología dejando a un lado la implementación física como tal del inversor. Dado la limitante de tiempo, se decisión implementar un inversor trifásico de dos niveles en vez de tres niveles en RT-HIL, sin embargo se mantuvo la técnica de control del inversor..

(40) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica . 40. Se decidió no realizar una caracterización del filtro de salida del inversor debido a que el esquema de control necesario para esto es bastante complejo y robusto y no se tenía con el tiempo suficiente para desarrollar este ítem, sin embargo se propone como trabajo futuro.. RESULTADOS DEL PROYECTO DE GRADO Caracterización de los Resultados Como primera medida se presenta en la Tabla 8 y 9, la comparación de los diferentes tipos de inversores controlados mediante diferentes modulaciones, teniendo como parámetro de comparación la distorsión armónica presente en la onda de voltaje y corriente, esto con el fin de evidenciar cual combinación Topología-Modulación es la mejor para crear un inversor DC-AC. INVERSOR / TIPO MODULACION SPWM SVPWM. MONOFASICO LINEA FILTRADO % % 59.53 1.06 46.64 6.63. TRIFASICO LINEA % FILTRADO % 69.68 0,54 25,53 0,11. MULTINIVEL LINEA % FILTRADO % 30.77 0.45 10.59 0.38. Tabla 10. Resumen THD de Voltaje.. INVERSOR / TIPO MODULACION SPWM SVPWM. MONOFASICO FILTRADO % 2.9 1.09. TRIFÁSICO %. MULTINIVEL %. 8,11 6,11. 6.92 1.58. Tabla 11. Resumen THD de Corriente.. Igualmente se calculó el THD de voltaje para la señal modulada mediante SVPWM en un inversor trifásico implementado en LabVIEW logrando el siguiente resultado:. Figura 39. Calculo THD de Voltaje para un Inversor Trifásico SVPWM en LabVIEW..

(41) Caracterización de un Inversor SVPWM de Lazo Cerrado a la Red Eléctrica. 41. Como se puede observar en la gráfica anterior se obtuvo un THD de voltaje del 27,72%, lo cual es consistente con la simulación hecha en Matlab/Simulink para este inversor y esta metodología de control, lo cual es un resultado esperado, además de servirnos como indicativo del buen funcionamiento del inversor en Real-Time HIL.. Grado de Cumplimiento Respecto a los Objetivos Planteados Dentro de los objetivos específicos se cumplió en un 90% con ellos y el 10% restante se cambió para desarrollar algo innovador, que no tiene ninguna referencia local, como lo es la implementación del inversor en Real-Time haciendo Hadware in the Loop, lo cual es un primer paso en el desarrollo de este tipo de esquemas, logrando así generar nuevos proyectos que pueden mejorar de manera significativa lo que se hizo hasta el momento..

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