Reducing the number of visited states

- La modulación por pulso único y la distribución por comparación con onda sinusoidal, permiten que el desarrollo del inversor se pueda realizar basándose en la frecuencia de operación de manera simple, es decir dividiendo el periodo de la señal de salida requerida para el número de IGBT’s presentes en el sistema, generando etapas o sub-periodos de disparo para nuestros elementos de conmutación, los cuales permitirán la generación de la onda sinusoidal de salida.

2.2. Diseño de la Etapa de Potencia

Para el diseño de la etapa de Potencia del Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas Conectadas en Cascada planteado en el desarrollo presente, existen varios parámetros iniciales o de diseño a considerar.

- Parámetros de diseño para la etapa de potencia. - Selección de las fuentes de alimentación.

- Selección del dispositivo de Potencia.

2.2.1. Parámetro de diseño para la etapa de potencia

Para el diseño de la etapa de Potencia del Inversor Monofásico Multinivel de Tres Etapas Conectadas en Cascada los parámetros de diseño están dados por los valores nominales de la carga.

En tabla 2 se detallan los parámetros de diseño.

Tabla 2: Parámetros de Diseño de la Etapa de Potencia.

[9]

PARÁMETROS DE DISEÑO

PARÁMETRO VALOR NOMINAL

Voltaje Carga 110 VRMS

Potencia 200 Watts

2.2.2. Selección de Fuente de Alimentación

Justificación:

El requerimiento de las fuentes se basa en el tipo de alimentación asimétrica y en la corriente de salida que es de 2 A.

En base a la simulación que se desarrolló para el diseño de las fuentes de alimentación se tomó en cuenta el valor del voltaje pico de 168V, este valor pico será dividido para √2, entonces:

168V/√2 = 118.79 V

El valor de 118.79 V nos indica que es el voltaje RMS que se generó a partir del voltaje pico, en el capítulo I se indicó los métodos para obtener las fuentes de alimentación necesarias, en este caso se tomó en cuenta el método de inversor multinivel en cascada asimétrico de potencia 2, entonces al sumar las fuentes de alimentación en forma simétrica obtenemos el valor pico. Esto se realiza por que la señal es casi sinusoidal.

Para la selección de las fuentes de alimentación se debe tomar en cuenta los parámetros de diseño, por lo que el voltaje necesario es de 120Vrms, en donde el voltaje de la onda generada no es sinusoidal, por lo que esta onda se tomara en cuanta como una aproximación:

A continuación en la figura 15 se detalla la onda con los valores de voltajes necesitados para el diseño de las fuentes de alimentación.

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Figura 15: Onda y valores de voltaje de las fuentes de alimentación. [9]

En la tabla 3 se indica las fuentes de alimentación utilizadas, con una corriente de 6A.

Como se observa en la figura 15, los valores necesarios para la selección de las fuentes están descritos, es por eso que en la tabla 3 se detalla los valores de las fuentes utilizadas.

Tabla 3:Selección de Fuentes de Alimentación.

ALIMENTACIÓN

ETAPA VALOR NOMINAL

DE SALIDA VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN I 24 VDC - 6 A 110V-220V II 48 VDC - 6 A 110V-220V III 96 VDC – 6A 110V-220V [9]

De entre los distintos tipos de fuentes existentes en el mercado se seleccionó la de fuente ATX (“tecnología avanzada extendida”), la selección de este tipo de fuente es por la estabilidad, el bajo consumo eléctrico que presentan por sus características de construcción de fábrica y una de sus funciones es la de suministrar la cantidad de corriente y voltaje que los dispositivos eléctricos y electrónicos requieren, así como protegerlos de problemas en el suministro eléctrico como subidas de voltaje.

El diagrama de conexiones de las fuentes a cada puente H se indica en el Anexo 4.

En la figura 16 se muestra la imagen física de la fuente de alimentación utilizada.

Figura 16: Fuente ATX – 24V. [11] 2.2.3. Selección del dispositivo de potencia

En la figura 17, se indica el esquema de conexiones utilizado para el desarrollo de la selección del dispositivo de potencia. A continuación se detallará el principio de funcionamiento de cada IGBT a seleccionar.

Para la descripción de la operación de un Inversor monofásico multinivel de tres etapas conectadas en cascada la nomenclatura para los interruptores de potencia (IGBT) será: SW1, SW2, SW5, SW6, SW9, SW10 para los conmutadores y SW3, SW4, SW7, SW8, SW11, SW12 para sus complementarios; mientras que para los diodos de circulación serán D1, D2, D5, D6, D9, D10 y D3, D4, D7, D8, D11, D12.

31 Figura 17 : Inv ersor M on o fási co M ul ti ni v el de T re s E tap as C on ectado en C asca da . [9] + - + - + -

Justificación:

La utilización del IGBT como dispositivo de potencia en el proyecto se justifica en base a las características de robustez y velocidad de respuesta, la corriente que se desea que circule por cada IGBT es de 2A, a continuación en la tabla 4 detallaremos los requerimientos para la selección del dispositivo de potencia.

Tabla 4: Requerimientos para el dispositivo de potencia.

REQUERIMIENTOS PARA EL DISPOSITIVO DE POTENCIA

DISPOSITIVO REQUERIMIENTO

IGBT IGBT A UTILIZAR: 12 I máx.: 2 A V: 168 Vmaxdc FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN: 60 HZ TIPO: DE POTENCIA [9]

Los parámetros técnicos específicos del dispositivo se muestran a continuación.

Imáx por IGBT = Imáx carga Imáx carga = 2A

Vmáx por IGBT = ∑ 𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟

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Basado en los parámetros de corriente y voltaje de diseño máximos se procedió a validar las capacidades del IGBT seleccionado FGA40N65SMD, cumpliendo como se muestra las condiciones necesarias para el funcionamiento del inversor.

Vce (Según hoja de datos) = 650 V Imáx C (Según hoja de datos) = 40 A

El IGBT seleccionado cumple con los valores antes mencionados, y además al no existir en el mercado valores justos al necesitado se sobredimensionó, llegando al dispositivo de potencia antes mencionado.

Para el disparo de cada IGBT se utilizó fuentes dc con un voltaje de 20Vdc y una corriente de 2A, debido a que estos dispositivos se activan al inyectar voltaje controlado en su gate el cual puede mantener un nivel con un valor nominal entre 0 y 20Vdc.

Vge (Según hoja de datos) = 20 V Iges (Según hoja de datos) = 400 nA

Tomando en cuenta los parámetros de cada uno de los dispositivos de potencia y llevándolo a la necesidad, se indica en tabla 5 el dispositivo de potencia seleccionado.

Tabla 5:Selección del Dispositivo de Potencia.

DISPOSITIVOS DE POTENCIA

DISPOSITIVO TIPO SERIE FUNCIÓN

Conmutador IGBT FGA40N65SMD Switch

[9]

A continuación en la figura 18 se muestra el IGBT seleccionado de forma real.

Figura 18: IGBT FGA40N65SMD. [12] (Ver Anexo 2)