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<journal-title><![CDATA[Revista Lasallista de Investigación]]></journal-title>
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<article-title xml:lang="es"><![CDATA[Implementación de un inversor trifásico multinivel con fijación por diodos]]></article-title>
<article-title xml:lang="en"><![CDATA[Implementation of a three-phase multilevel inverter with diode clamped]]></article-title>
<article-title xml:lang="pt"><![CDATA[Implementação de um Inversor Trifásico Multinível com diodo de montagem]]></article-title>
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<abstract abstract-type="short" xml:lang="en"><p><![CDATA[Introduction. Since its origin multilevel inverter has been characterized as a competitive option in the range of medium voltage for applications such as motor drive, power quality and compensation and connection of renewable sources to the grid. Objective: To present the development of the design and implementation of a multilevel three-phase inverter relying on simulation to compare its performance with a conventional two-level inverter in terms of harmonic content of voltage and current signals and the electric stress of power switches. Materials and Methods: From the simulation results, using Simu-link of Matlab®, some criteria design are established for the implementation of the inverter in which power switches, power diodes, trigger circuits (drivers), power supplies and a digital signal processor are used. The modulation strategy is an extension of the strategy used in conventional two-level inverters which has been widely studied and applied according to the referenced literature. Results: The prototype presented in practice an equivalent behavior to the obtained by simulation in terms of waveform and values of phase and line voltages. The obtained harmonic content of load voltage and current was better compared to the two-level inverter. Likewise, it has been obtained a reduction in the level of electric stress endured by the power switches. Conclusions: The implemented inverter allowed confirming why the multilevel technology improves the systems performance proving its competitiveness and applicability.]]></p></abstract>
<abstract abstract-type="short" xml:lang="pt"><p><![CDATA[Introdução. Desde os inícios o inversor multinivel tem se caracterizado no rango de meia tensão para aplicações como o arranque de motores, qualidade da energia e conexões na rede de fontes renováveis. Objetivo: Apresentar o desenvolvimento do desenho e a implementação de um inversor trifásico multinivel o qual foi desenvolvido com o apoio da simulação para comparar o desempenho com o inversor convencional de dois níveis em termos do conteúdo harmónicos do sinal de tensão e corrente e do estresse elétrico suportado pelos interruptores de potencia. Materiais y métodos: Com os resultados da simulação feita no Simulink do Matlab®, estabelecessem alguns critérios de desenho para a montagem do inverso no qual se utilizam interruptores de potencia, diodos de potencia, circuitos de dis paro (drivers), fontes de alimentação e um processador digital de sinal. A estratégia de modulação é urna extensão da estratégia utilizada em inversores convencionais de dois níveis a qual tem sido amplamente estudada conforme a literatura consultada. Resultados: O protótipo apresentou na pratica um comportamento equivalente ao obtido mediante a simulação conforme a forma da onda e os valores das tensões de fase e da línea. Obtiveram-se valores do conteúdo harmónico da tensão e da corrente na carga, melhores em comparação com o inversor de dois níveis. Igualmente obtive-se urna redução dos níveis de estresse elétrico suportado pelos interruptores. conclusões: O inversor implementado permitiu confirmar porque a tecnología multinivel melhora a qualidade das características elétricas na carga, demonstrando assim a sua competitividade e possibilidade de aplicação.]]></p></abstract>
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</front><body><![CDATA[  <font size="2" face="Verdana">      <p><b>Art&iacute;culo original / Review article / Artigo de revis&atilde;o</b></p>     <p align="center"><font size="4"><b>Implementaci&oacute;n de un inversor trif&aacute;sico multinivel con fijaci&oacute;n por diodos</b></font><sup>*</sup></p>     <p align="center"><font size="3"><b>Implementation of a three-phase multilevel inverter with diode clamped</b></font></p>     <p align="center"><font size="3"><b>Implementa&ccedil;&atilde;o de um Inversor Trif&aacute;sico Multin&iacute;vel com diodo de montagem</b></font></p>       <p align="center">Luz Adriana Trejos Grisales<sup>**</sup>, Alfonso Alzate G&oacute;mez<sup>***</sup></p>     <br>     <p><sup>*</sup>Art&iacute;culo derivado del trabajo de maestr&iacute;a &quot;Dise&ntilde;o e implementaci&oacute;n de un inversor trif&aacute;sico multinivel con fijaci&oacute;n por diodos", realizada a partir del proyecto de investigaci&oacute;n "Dise&ntilde;o e implementaci&oacute;n de un prototipo de un D-Statcom&quot; financiado por Colciencias y la Universidad Tecnol&oacute;gica de Pereira entre 2010 y 2011.    <br> <sup>**</sup>MSc. Docente Investigadora, Grupo de Investigaci&oacute;n en Materiales Avanzados y Energ&iacute;a del Instituto Tecnol&oacute;gico Metropolitano -Medell&iacute;n    <br> <sup>***</sup>MSc. Director del Grupo de Investigaci&oacute;n en Electr&oacute;nica de Potencia. Profesor Titular Universidad Tecnol&oacute;gica de Pereira - Pereira</p>     ]]></body>
<body><![CDATA[<p>Correspondencia: Luz Adriana Trejos Grisales, e- mail: <a href="mailto:luztrejos@itm.edu.co">luztrejos@itm.edu.co</a></p>     <p>Art&iacute;culo recibido: 02/02/2012; Art&iacute;culo aprobado 10/05/2013</p>  <hr>     <p><font size="3"><b>Resumen</b></font></p>     <p><b>Introducci&oacute;n. </b>Desde sus inicios el inversor multinivel se caracteriz&oacute; por ser una opci&oacute;n competitiva en el rango de media tensi&oacute;n para aplicaciones como accionamiento de motores, calidad de la energ&iacute;a y conexi&oacute;n de fuentes renovables. <b>Objetivo. </b>Presentar el desarrollo del dise&ntilde;o y la implementaci&oacute;n de un inversor trif&aacute;sico multinivel apoy&aacute;ndose en la simulaci&oacute;n para comparar su desempe&ntilde;o frente al inversor convencional de dos niveles, en t&eacute;rminos del contenido arm&oacute;nico de las se&ntilde;ales de tensi&oacute;n y corriente, y del estr&eacute;s el&eacute;ctrico soportado por los interruptores de potencia. <b>Materiales y m&eacute;todos. </b>A partir de los resultados de la simulaci&oacute;n, realizada en Simulinkde Matlab&reg;, se establecen algunos criterios de dise&ntilde;o para el montaje del Inversor en el cual se utilizan interruptores de potencia, diodos de potencia, circuitos de disparo (drivers), fuentes de alimentaci&oacute;n y un procesador digital de se&ntilde;al. La estrategia de modulaci&oacute;n es una extensi&oacute;n de la estrategia utilizada en inversores convencionales de dos niveles la cual ha sido ampliamente estudiada y aplicada seg&uacute;n la literatura consultada. <b>Resultados. </b>El prototipo present&oacute; en la pr&aacute;ctica un comportamiento equivalente al obtenido mediante simulaci&oacute;n en cuanto a forma de onda y valores de las tensiones de fase y l&iacute;nea. Se obtuvieron valores del contenido arm&oacute;nico de la tensi&oacute;n y la corriente en la carga, mejores en comparaci&oacute;n con el inversor de dos niveles. De igual forma se obtuvo una reducci&oacute;n del nivel del estr&eacute;s el&eacute;ctrico soportado por los interruptores. <b>Conclusiones. </b>El inversor implementado permiti&oacute; confirmar por qu&eacute; la tecnolog&iacute;a multinivel mejora la calidad de las caracter&iacute;sticas el&eacute;ctricas en la carga, demostrando as&iacute; su competitividad y posibilidad de aplicaci&oacute;n.</p>     <p><b>Palabras clave: </b>inversor, multinivel, modulaci&oacute;n, contenido arm&oacute;nico, PWM.</p> <hr>     <p><font size="3"><b>Abstract</b></font></p>     <p><b>Introduction. </b>Since its origin multilevel inverter has been characterized as a competitive option in the range of medium voltage for applications such as motor drive, power quality and compensation and connection of renewable sources to the grid. <b>Objective: </b>To present the development of the design and implementation of a multilevel three-phase inverter relying on simulation to compare its performance with a conventional two-level inverter in terms of harmonic content of voltage and current signals and the electric stress of power switches. <b>Materials and Methods: </b>From the simulation results, using Simu-link of Matlab&reg;, some criteria design are established for the implementation of the inverter in which power switches, power diodes, trigger circuits (drivers), power supplies and a digital signal processor are used. The modulation strategy is an extension of the strategy used in conventional two-level inverters which has been widely studied and applied according to the referenced literature. <b>Results: </b>The prototype presented in practice an equivalent behavior to the obtained by simulation in terms of waveform and values of phase and line voltages. The obtained harmonic content of load voltage and current was better compared to the two-level inverter. Likewise, it has been obtained a reduction in the level of electric stress endured by the power switches. <b>Conclusions: </b>The implemented inverter allowed confirming why the multilevel technology improves the systems performance proving its competitiveness and applicability.</p>     <p><b>Keywords: </b>inverter, multilevel, modulation, harmonic content, PWM.</p> <hr>     <p><font size="3"><b>Resumo</b></font></p>     <p><b>Introdu&ccedil;&atilde;o. </b>Desde os in&iacute;cios o inversor multinivel tem se caracterizado no rango de meia tens&atilde;o para aplica&ccedil;&otilde;es como o arranque de motores, qualidade da energia e conex&otilde;es na rede de fontes renov&aacute;veis. <b>Objetivo</b>: Apresentar o desenvolvimento do desenho e a implementa&ccedil;&atilde;o de um inversor trif&aacute;sico multinivel o qual foi desenvolvido com o apoio da simula&ccedil;&atilde;o para comparar o desempenho com o inversor convencional de dois n&iacute;veis em termos do conte&uacute;do harm&oacute;nicos do sinal de tens&atilde;o e corrente e do estresse el&eacute;trico suportado pelos interruptores de potencia. <b>Materiais y m&eacute;todos: </b>Com os resultados da simula&ccedil;&atilde;o feita no Simulink do Matlab&reg;, estabelecessem alguns crit&eacute;rios de desenho para a montagem do inverso no qual se utilizam interruptores de potencia, diodos de potencia, circuitos de dis paro (drivers), fontes de alimenta&ccedil;&atilde;o e um processador digital de sinal. A estrat&eacute;gia de modula&ccedil;&atilde;o &eacute; urna extens&atilde;o da estrat&eacute;gia utilizada em inversores convencionais de dois n&iacute;veis a qual tem sido amplamente estudada conforme a literatura consultada. <b>Resultados: </b>O prot&oacute;tipo apresentou na pratica um comportamento equivalente ao obtido mediante a simula&ccedil;&atilde;o conforme a forma da onda e os valores das tens&otilde;es de fase e da l&iacute;nea. Obtiveram-se valores do conte&uacute;do harm&oacute;nico da tens&atilde;o e da corrente na carga, melhores em compara&ccedil;&atilde;o com o inversor de dois n&iacute;veis. Igualmente obtive-se urna redu&ccedil;&atilde;o dos n&iacute;veis de estresse el&eacute;trico suportado pelos interruptores. <b>conclus&otilde;es</b>: O inversor implementado permitiu confirmar porque a tecnolog&iacute;a multinivel melhora a qualidade das caracter&iacute;sticas el&eacute;tricas na carga, demonstrando assim a sua competitividade e possibilidade de aplica&ccedil;&atilde;o.</p>     ]]></body>
<body><![CDATA[<p><b>Palavras importantes: </b>inversor, multinivel, modula&ccedil;&atilde;o, conte&uacute;do harm&oacute;nicos, PWM.</p>  <hr>     <p><font size="3"><b>Introducci&oacute;n</b></font></p>     <p>Las tendencias recientes en aplicaciones industriales y redes el&eacute;ctricas de media tensi&oacute;n apuntan a la utilizaci&oacute;n de equipos que disminuyan las p&eacute;rdidas y mejoren la calidad de la energ&iacute;a; para alcanzar tal objetivo se han planteado diversas alternativas entre las que han sido de gran aplicaci&oacute;n aquellas basadas en dispositivos semiconductores y electr&oacute;nica de potencia. Uno de los equipos que ha despertado inter&eacute;s en la &uacute;ltima d&eacute;cada es el inversor multinivel. Presentado en 1980 por Nabae, Takahashi y Akagi, el inversor multinivel se ha convertido con el tiempo en una opci&oacute;n competitiva para la conversi&oacute;n de energ&iacute;a en el rango de media y alta potencia<sup>1</sup>. El desarrollo de la tecnolog&iacute;a multinivel se ha visto impulsada debido a dos factores principales: el progreso de la tecnolog&iacute;a de materiales semiconductores y la evoluci&oacute;n de sistemas de c&oacute;mputo y de procesadores digitales de se&ntilde;al como microprocesadores, procesadores de se&ntilde;ales digitales (Digital Signal Processors -DSP-) y arreglos de compuertas programables (Field Programmable Gate Array <b>- </b>FPGA-)<sup>2</sup>. Un inversor es un dispositivo basado en semiconductores o interruptores de potencia (IGBT, MOSFET) que se alimenta con una tensi&oacute;n de caracter&iacute;stica continua, y su respuesta es una tensi&oacute;n de caracter&iacute;stica alterna.</p>     <p>Los inversores convencionales de dos niveles (<a href="#fig1">figura 1</a>) son una alternativa vigente, sin embargo, presentan desventajas en cuanto a la eficiencia y a los niveles de contenido arm&oacute;nico en las se&ntilde;ales de tensi&oacute;n y corriente: ello implica el uso de filtros activos para la correcci&oacute;n de este &uacute;ltimo efecto, lo que incrementa los costos del montaje<sup>3</sup>. La forma m&aacute;s general de entender el funcionamiento de un inversor multinivel es considerarlo como un sintetizador de tensi&oacute;n; la tensi&oacute;n alterna de salida de valor elevado se sintetiza a partir de diferentes niveles de tensi&oacute;n continua que se encuentran disponibles en la entrada y se modifican a trav&eacute;s de las ramas de conmutaci&oacute;n de valor m&aacute;s peque&ntilde;o<sup>1</sup>. B&aacute;sicamente existen tres tipolog&iacute;as de inversor multinivel que han sido ampliamente estudiados: inversor con fijaci&oacute;n por diodos o fijaci&oacute;n de punto neutro, inversor con capacitores flotantes e inversor con conexi&oacute;n en cascada de puentes monof&aacute;sicos<sup>6</sup>. El objeto de investigaci&oacute;n de este art&iacute;culo es el inversor con fijaci&oacute;n por diodos; sin embargo, se resaltan algunas caracter&iacute;sticas de las otras dos topolog&iacute;as mencionadas anteriormente, y en la <a href="#tab1">tabla 1</a> se presenta una comparaci&oacute;n entre dichas topolog&iacute;as. En cuanto a la conmutaci&oacute;n, existe un amplio rango de posibilidades entre las que se encuentran la modulaci&oacute;n por ancho de pulso (Pulse Wide Modulation -PWM-)</p>     <p>    <center><a name="fig1"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f1.jpg"></a></center></p>     <p>    <center><a name="tab1"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13t1.jpg"></a></center></p>      <p>y la modulaci&oacute;n por vector de espacio (Space Vector Modulation -SVM-), la modulaci&oacute;n por hist&eacute;resis, eliminaci&oacute;n selectiva de arm&oacute;nicos, entre otras<sup>4</sup>.</p>      <p>De la mano de la estrategia de conmutaci&oacute;n se encuentra la t&eacute;cnica de control que complementa la acci&oacute;n del inversor en un sistema, especialmente si este requiere de niveles de precisi&oacute;n altos; sin embargo, para efectos de comprobaci&oacute;n de dise&ntilde;o, pruebas preliminares para establecer niveles de funcionamiento y evaluaci&oacute;n de la estrategia de modulaci&oacute;n, es aceptable su funcionamiento en lazo abierto<sup>5</sup>, como se realiz&oacute; en este trabajo.</p>     ]]></body>
<body><![CDATA[<p><b><i>Inversor con capacitores flotantes (Flying Capacitor)</i></b></p>     <p>En este inversor se bloquea la tensi&oacute;n de cada interruptor a trav&eacute;s de capacidades (<a href="#fig2">figura 2</a>). Una de las ventajas m&aacute;s significativa de este inversor es que no se utilizan diodos de potencia lo cual reduce la problem&aacute;tica asociadas a estos dispositivos; sin embargo, el n&uacute;mero de condensadores utilizados es alto, y se deben tomar del mismo valor, debido a que por ellos circula la misma corriente y, de esta forma, se pueden obtener valores similares en la tensi&oacute;n de rizado; adem&aacute;s, existe el peligro de obtener efectos de resonancia debido a la cantidad de condensadores<sup>1</sup>.</p>     <p>    <center><a name="fig2"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f2.jpg"></a></center></p>      <p><b><i>Convertidor con conexi&oacute;n en cascada de puentes monof&aacute;sicos</i></b></p>     <p>Esta topolog&iacute;a se basa en la conexi&oacute;n de inversores monof&aacute;sicos con fuentes de continua independientes. La <a href="#fig3">figura 3</a> muestra un convertidor en cascada de tres niveles.</p>     <p>    <center><a name="fig3"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f3.jpg"></a></center></p>      <p>Los inversores multinivel en cascada se caracterizan por ser pr&aacute;cticos, ya que su forma de construcci&oacute;n modular reduce la complejidad del montaje y, adem&aacute;s, requieren menor n&uacute;mero de componentes que otras topolog&iacute;as para alcanzar el mismo n&uacute;mero de niveles; sin embargo, requieren fuentes independientes para cada puente para lo que se puede utilizar un trasformador con m&uacute;ltiples secundarios (taps), o varios transformadores; esto puede incrementar los costos del montaje<sup>13</sup>.</p>     <p><b><i>Inversor con fijaci&oacute;n por diodos</i></b></p>     ]]></body>
<body><![CDATA[<p>Tambi&eacute;n es conocido como <i>Neutral Point Clamped Converter </i>(NPC) (<a href="#fig4">figura 4</a>); este inversor se puede considerar como el origen del inversor multinivel reciente, y a&uacute;n es objeto de</p>     <p>    <center><a name="fig4"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f4.jpg"></a></center></p>      <p>estudio, lo que consolida esta topolog&iacute;a como una de las m&aacute;s aplicadas en la actualidad, por tal motivo se ha elegido para este trabajo en su versi&oacute;n de tres niveles. En esta clase de inversor, la tensi&oacute;n del bus de continua est&aacute; dividido por dos condensadores donde el punto medio "O" se define como el punto neutro. La tensi&oacute;n de salida en cada una de las fases puede tomar tres niveles, V<sub>pn</sub>/2, 0 y -V<sub>pn</sub>/2. </i>Los diodos conectados al punto medio son los elementos que fijan las tensiones de bloqueo de los interruptores a una fracci&oacute;n de la tensi&oacute;n del bus de continua; por lo tanto, son el elemento clave de esta topolog&iacute;a<sup>7</sup>. Esta topolog&iacute;a puede extenderse a m&aacute;s niveles pero se aumenta considerablemente el n&uacute;mero de dispositivos interruptores utilizados. Las principales ventajas de esta clase de inversor son:</p> <ol type="a">    <li>    <p>La tensi&oacute;n a la que est&aacute; sometido cada interruptor es igual a V /(n-1), donde n es la cantidad de niveles del inversor, evitando as&iacute; someter los interruptores a altas tensiones y deteriorando su funcionamiento.</p></li>     <li>    <p>Utiliza pocos condensadores en comparaci&oacute;n a otras topolog&iacute;as existentes.</p></li>     <li>    <p>Cambio de estado accionando solo un interruptor.</p></li>    ]]></body>
<body><![CDATA[</ol>      <p>Sin embargo, con esta topolog&iacute;a se pueden presentar los siguientes inconvenientes:</p> <ol type="a">    <li>    <p>Se requiere que los diodos sean de recuperaci&oacute;n r&aacute;pida y que soporten la corriente nominal del inversor.</p></li>     <li>    <p>Es importante que las tensiones en los condensadores se mantengan equilibradas durante la operaci&oacute;n del inversor; de otro modo se pueden obtener tensiones de salidas desequilibradas. A medida que se aumentan los niveles, aumenta en forma considerable la cantidad de elementos necesarios para el montaje del inversor.</p></li>    </ol>     <p><b><i>Estrategias de conmutaci&oacute;n para inversores multinivel</i></b></p>     <p>La estrategia de conmutaci&oacute;n es la encargada de generar los pulsos de disparo de los interruptores de potencia; tambi&eacute;n a trav&eacute;s de ella se puede minimizar el contenido arm&oacute;nico de las tensiones y corrientes de salida del inversor, y dependiendo de la topolog&iacute;a, se debe encargar de mantener el equilibrio de los condensadores en el bus de continua. Las t&eacute;cnicas de conmutaci&oacute;n m&aacute;s utilizadas para inversores multinivel son: modulaci&oacute;n por ancho de pulso <i>(Pulse Width Modulation </i>-PWM-) multiportadora, modulaci&oacute;n por vector de espacios, eliminaci&oacute;n selectiva de arm&oacute;nicos y modulaci&oacute;n h&iacute;brida<sup>6</sup>.</p>     <p><b><i>Modulaci&oacute;n PWM</i></b></p>     ]]></body>
<body><![CDATA[<p>Las t&eacute;cnicas PWM tradicionales han sido extendidas a inversores multinivel, con resultados exitosos. Este m&eacute;todo compara una se&ntilde;al de referencia o moduladora con una se&ntilde;al de tipo triangular o diente de sierra llamada portadora, la cual debe ser de alta frecuencia con el fin de generar las se&ntilde;ales de encendido y apagado para los interruptores del inversor<sup>8 9</sup>. Para un inversor de n niveles, se debe disponer de n-1 se&ntilde;ales portadoras con la misma frecuencia y la misma amplitud, para que las bandas que ocupen sean contiguas<sup>10</sup>. El n&uacute;mero de conmutaciones por ciclo de modulaci&oacute;n en cada nivel del inversor depende de la frecuencia de la se&ntilde;al portadora y del tiempo de duraci&oacute;n de la se&ntilde;al de referencia en dicho nivel<sup>1</sup>. En general la estrategia de conmutaci&oacute;n PWM se caracteriza por:</p> <ol type="a">    <li>    <p>Simplicidad.</p></li>     <li>    <p>Contenido arm&oacute;nico reducido.</p></li>     <li>    <p>Algunos niveles del inversor no se emplean cuando el &iacute;ndice de modulaci&oacute;n es bajo.</p></li>     <li>    <p>Ofrece buenos resultados en operaci&oacute;n con sobre modulaci&oacute;n.</p></li>    </ol>     ]]></body>
<body><![CDATA[<p>En este trabajo se utiliz&oacute; esta t&eacute;cnica apoy&aacute;ndose en su amplio uso en diversos trabajos y buenos resultados.</p>     <p><font size="3"><b>Materiales y m&eacute;todos</b></font></p>     <p>Se realiz&oacute; un an&aacute;lisis preliminar mediante la simulaci&oacute;n del circuito en Simulink de Matlab&reg;. En la <a href="#fig5">figura 5</a> se muestra el esquem&aacute;tico del circuito utilizado. Mediante los resultados de simulaci&oacute;n se pudieron establecer par&aacute;metros como los niveles de corriente y tensi&oacute;n eficaz obtenida que se tuvieron en cuenta en la implementaci&oacute;n para la selecci&oacute;n de los instrumentos de medici&oacute;n. Adicionalmente, los resultados obtenidos en las simulaciones representan un punto de comparaci&oacute;n con los resultados de la validaci&oacute;n experimental.</p>     <p>    <center><a name="fig5"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f5.jpg"></a></center></p>      <p>La implementaci&oacute;n del inversor trif&aacute;sico de tres niveles con fijaci&oacute;n por diodos en este trabajo consta de los siguientes elementos:</p>     <p>3 tarjetas de potencia (una por rama).    <br> 3 tarjetas de disparo (una por rama).    <br> 1 tarjeta con los condensadores del bus de    <br> continua.    ]]></body>
<body><![CDATA[<br> 1 tarjeta fuente para las tarjetas de disparo.    <br> 1 Procesador de Se&ntilde;al Digital DSP    <br> Accesorios (Disipadores, pel&iacute;culas de mica,    <br> conectores, cables tipo ribbon, etc)</p>     <p><b><i>Tarjetas de potencia</i></b></p>     <p>La <a href="#fig6">figura 6</a> muestra la apariencia f&iacute;sica de una de las tarjetas. Los dispositivos de potencia seleccionados son MOSFET de referencia IRFP450, fabricados por Fairchild Semiconductor Corporation, los cuales cuentan con una capacidad de tensi&oacute;n y corriente de 500 V y 14 A, respectivamente; su encapsulado es tipo TO-247<sup>11</sup>. El diodo seleccionado para fijar las tensiones en los MOSFET es de recuperaci&oacute;n ultra r&aacute;pida de referencia FMLG22 con capacidad de 300 V y 10 A, encapsulado TO-220 y un tiempo de recuperaci&oacute;n de 40 ns<sup>12</sup>. La red snubber para la protecci&oacute;n de los MOSFET se dise&ntilde;&oacute; de acuerdo con los siguientes criterios de<sup>13</sup>; los valores del capacitor y la resistencia utilizados fueron 0.1 uF y 68 Q, respectivamente.</p>     <p>    <center><a name="fig6"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f6.jpg"></a></center></p>      <p><b><i>Tarjetas de disparo</i></b></p>     <p>Los pulsos para la conmutaci&oacute;n de los MOSFET son generados a trav&eacute;s de un Procesador de Se&ntilde;al Digital (Digital Signal Processor -DSP-) que al salir de este llegan a la tarjeta de disparo, tambi&eacute;n conocida como driver, la cual se encarga de separar la parte de control de la parte de potencia del inversor<sup>7</sup>. La tarjeta dise&ntilde;ada (<a href="#fig7">figura 7</a>) permite garantizar la tensi&oacute;n necesaria del pulso entre la compuerta y el drenador del MOSFET, para que este sea disparado correctamente sin afectar los elementos que est&aacute;n conectadas en serie en la rama. Uno de los elementos importantes en la tarjeta es un transformador de impulsos que se utiliza con el fin de acoplar impedancias.</p>     ]]></body>
<body><![CDATA[<p>    <center>   <a name="fig7"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f7.jpg"></a> </center></p>      <p>Normalmente, en esta clase de aplicaciones se suelen utilizar circuitos integrados tipo drivers como el IR2110 que permiten obtener las se&ntilde;ales para, al menos, 2 interruptores conectados en la parte alta y baja del bus; debido a que en este caso se tienen 4 interruptores por rama, se realizaron algunos ensayos preliminares con 2 circuitos integrados IR2110 pero se encontraron problemas con los puntos emisores y drenadores flotantes, y las se&ntilde;ales perd&iacute;an su forma. En esta aplicaci&oacute;n se opt&oacute; por una soluci&oacute;n que, aunque utiliza m&aacute;s componentes, es competitiva con las soluciones basadas en circuitos integrados tipo drivers. En la etapa inicial la tarjeta de disparo tiene un aislamiento de la se&ntilde;al poroptacopladores; posteriormente hay una etapa de separaci&oacute;n de se&ntilde;ales para obtener finalmente cada se&ntilde;al con correspondiente tierra, con lo cual se asegura que no habr&aacute; dificultades con los puntos flotantes dentro de la rama.</p>     <p><b><i>Tarjeta con los condensadores del bus de continua</i></b></p>     <p>En esta tarjeta, mostrada en la <a href="#fig8">figura 8</a>, se encuentran la entrada de tensi&oacute;n continua y los dos condensadores en serie que dividen dicho bus. Se conectaron en paralelo con cada condensador un par de varistores con capacidad de 250 V cada uno con el fin de proteger los condensadores. Se utilizaron bornes de tornillo en la salida para facilitar la conexi&oacute;n de las tres ramas a la alimentaci&oacute;n de continua al punto positivo, medio y negativo.</p>     <p>    <center><a name="fig8"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f8.jpg"></a></center></p>     <p><b><i>Generaci&oacute;n de pulsos de disparo</i></b></p>     <p>La generaci&oacute;n de los pulsos se hizo a trav&eacute;s de un procesador de se&ntilde;al digital (Digital Signal Processor -DSP-) modelo TMS320F2812 de Texas Instruments. Este DSP tiene como plataforma de programaci&oacute;n el software Code Composer Studio, en el cual se utiliza C++ como lenguaje de programaci&oacute;n. La estrategia de conmutaci&oacute;n empleada para generar los pulsos del inversor es la modulaci&oacute;n PWM multi portadora. Como se mencion&oacute; anteriormente, este m&eacute;todo utiliza n-1 se&ntilde;ales portadoras, donde n es el n&uacute;mero de niveles del inversor; por lo tanto, en este caso se utilizaron 2 se&ntilde;ales moduladoras de forma triangular con una frecuencia de 180 kHz, es decir, 3000 veces la frecuencia fundamental<sup>14</sup> <sup>15</sup>; la se&ntilde;al portadora fue la se&ntilde;al fundamental de 60 Hz. La estrategia en s&iacute; consiste en la comparaci&oacute;n de las amplitudes de la se&ntilde;al portadora en su semiciclo positivo con una se&ntilde;al moduladora superior y la comparaci&oacute;n de la se&ntilde;al portadora en su semiciclo negativo con una se&ntilde;al moduladora inferior; luego, los pulsos obtenidos se codifican para obtener los pulsos complementarios y, de esta forma, se utilizan dos se&ntilde;ales iguales para dos de los interruptores de la rama. Para obtener las se&ntilde;ales de las dem&aacute;s ramas, se utilizan las mismas se&ntilde;ales moduladoras, pero se desfasan las portadoras 120&deg; y 240&deg; para la fase B y C, respectivamente. El DSP es conectado a los drivers a trav&eacute;s de un bloque conector conformado por un cable tipo ribbon que se conecta a una bornera de la cual se desprenden cinco puertos que van conectados a la entrada del driver. En las <a href="#fig9">figuras 9(a)</a> y <a href="#fig8">8(b)</a> se muestran las formas de onda de la estrategia de modulaci&oacute;n utilizada y los pulsos generados para una de las fases. En la <a href="#fig10">figura 10</a> se muestra una imagen del montaje realizado.</p>     <p>    ]]></body>
<body><![CDATA[<center><a name="fig9"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f9.jpg"></a></center></p>     <p>    <center><a name="fig10"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f10.jpg"></a></center></p>      <p><font size="3"><b>Resultados</b></font></p>     <p>Para la realizaci&oacute;n de esta prueba se conect&oacute; una carga en Y compuesta por una carga resistiva en serie con una inductiva. La carga resistiva utilizada fue de 400 W por fase y la inductiva por fase fue: fase A= 27.87 mH, fase B= 27.36 mH y fase C=29.04 mH. La tensi&oacute;n de alimentaci&oacute;n fue 200 V, aproximadamente, obtenidos mediante la rectificaci&oacute;n de la tensi&oacute;n de salida de un variac. En la <a href="#fig11">figura 11</a> se muestra la forma de onda de la tensi&oacute;n de fase obtenida a trav&eacute;s del osciloscopio y obtenida en la simulaci&oacute;n; se puede observar la similitud de las ondas lo que comprueba que el inversor construido cumple en primera instancia con el comportamiento de voltaje esperado.</p>     <p>    <center><a name="fig11"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f11.jpg"></a></center></p>     <p>En las <a href="#fig11">figuras 11</a> y <a href="#fig12">12</a> se muestra la comparaci&oacute;n de la forma de onda de tensi&oacute;n de l&iacute;nea obtenida a trav&eacute;s del osciloscopio y obtenida en la simulaci&oacute;n donde, al igual que en la figura anterior, se nota la similitud de las ondas lo que implica el buen comportamiento de la tensi&oacute;n del inversor construido; esto tambi&eacute;n indica un buen funcionamiento de la estrategia de conmutaci&oacute;n programada en el DSP. Las <a href="#fig13">figuras 13</a> y <a href="#fig14">14</a> muestran los niveles de tensi&oacute;n y corriente obtenidos, con su respectivo porcentaje de contenido arm&oacute;nico (%THD <b>- </b>Total Harmonic Distortion) y su comparaci&oacute;n con el del inversor de dos niveles. Los valores de contenido arm&oacute;nico del inversor de dos niveles fueron obtenidos a trav&eacute;s de simulaci&oacute;n mientras que los valores de contenido arm&oacute;nico del inversor de tres niveles fueron obtenidos con al analizador Fluke&reg; 41B. En las <a href="#tab2">tablas 2</a> y <a href="#tab3">3</a> se hace un consolidado de los resultados del THD obtenido. Es evidente c&oacute;mo se reduce el contenido arm&oacute;nico al utilizar el inversor NPC propuesto y verificar una de las ventajas mencionadas anteriormente.</p>     <p>    <center><a name="fig12"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f12.jpg"></a></center></p>      ]]></body>
<body><![CDATA[<p>    <center><a name="fig13"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f13.jpg"></a></center></p>      <p>    <center><a name="fig14"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13f14.jpg"></a></center></p>      <p>    <center><a name="tab2"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13t2.jpg"></a></center></p>      <p>    <center><a name="tab3"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13t3.jpg"></a></center></p>     <p>Con el fin de validar una de las ventajas de esta clase de inversor, mencionada anteriormente, se hicieron mediciones de la tensi&oacute;n que soporta cada interruptor entre drenador y fuente. La prueba se hizo con carga resistiva y carga resistiva-inductiva, y se lleg&oacute; a la conclusi&oacute;n de que la tensi&oacute;n obtenida en cada interruptor es independiente de la carga conectada, ya que se obtuvieron valores similares. La tensi&oacute;n del bus de continua, utilizada en la prueba, fue de 120 V. En la <a href="#tab4">tabla 4</a> se muestra el resultado de las tensiones soportadas por los interruptores de potencia en el inversor implementado y en uno convencional. Los resultados muestran que los dispositivos semiconductores en un inversor de tres niveles son sometidos a menor tensi&oacute;n que en un inversor convencional, avalando la ventaja se&ntilde;alada anteriormente en este documento donde se se&ntilde;ala que por este hecho en un inversor de tres niveles se puede trabajar a mayores potencias.</p>     <p>    ]]></body>
<body><![CDATA[<center><a name="tab4"><img src="img/revistas/rlsi/v10n1/v10n1a13t4.jpg"></a></center></p>     <p><font size="3"><b>Discusi&oacute;n</b></font></p>     <p>Los resultados obtenidos de las pruebas realizadas con el prototipo implementado permiten resaltar dos aspectos principales:</p> <ul>    <li>    <p>Analizando los datos de las tablas 1 y 2, se pueden obtener los promedios de la reducci&oacute;n en el %THD de cada medici&oacute;n. El promedio de reducci&oacute;n %THD de la tensi&oacute;n de fase fue de 41.46%, y el promedio de reducci&oacute;n %THD de la corriente de carga fue de 12.35%.</p></li>     <li>    <p>De la <a href="#tab2">tabla 3</a> se puede evidenciar que hay una notable reducci&oacute;n del nivel de tensi&oacute;n soportado por los dispositivos, al encontrar una reducci&oacute;n de 40.7% y 64.6%, respectivamente, en los dispositivos S1 y S11.</p></li>     <li>    <p>Este &uacute;ltimo hecho implica una duraci&oacute;n m&aacute;s prolongada del dispositivo semiconductor y, por consiguiente, una vida &uacute;til mayor del inversor.</p></li>     <li>    ]]></body>
<body><![CDATA[<p>La estrategia de modulaci&oacute;n aplicada en el inversor mostr&oacute; un buen comportamiento, dados los resultados de contenido arm&oacute;nico y de formas de onda.</p></li>    </ul>     <p><font size="3"><b>Conclusiones</b></font></p>      <p>El prototipo present&oacute; en la pr&aacute;ctica un comportamiento equivalente al obtenido mediante simulaci&oacute;n en cuanto a forma de onda y valores de las tensiones de fase y l&iacute;nea. Se evidenci&oacute; de los resultados de las pruebas la disminuci&oacute;n del contenido arm&oacute;nico y del estr&eacute;s el&eacute;ctrico de los interruptores, lo que consolida esta t&eacute;cnica de conversi&oacute;n DC/AC como una opci&oacute;n competitiva de gran aplicaci&oacute;n. El buen funcionamiento de la estrategia de conmutaci&oacute;n utilizada en este proyecto (PWM Multi portadora) permite afirmar la efectividad de la extensi&oacute;n de las t&eacute;cnicas de conmutaci&oacute;n convencionales a inversores de m&aacute;s de dos niveles. En cuanto a la tarjeta de disparo, los resultados experimentales validan el dise&ntilde;o de esta, en la cual se utilizaron transformadores de impulso, que son de bajo costo y que ocupan menor espacio, comparados con los convencionales, cualidades que lo hacen funcional para este tipo de aplicaciones. Como trabajo futuro se plantea la realizaci&oacute;n del lazo de control y la integraci&oacute;n con la estrategia de modulaci&oacute;n que permitan mejorar a&uacute;n m&aacute;s la eficiencia y tener la posibilidad de aumentar el n&uacute;mero de niveles. Ser&iacute;a interesante tambi&eacute;n tener en cuenta este tipo de inversor para la implementaci&oacute;n de la interfaz de potencia para la conexi&oacute;n a la red de una fuente de energ&iacute;a renovable y, de esta forma, aumentar las opciones de implementar sistemas de generaci&oacute;n distribuida, veh&iacute;culos el&eacute;ctricos y dem&aacute;s desarrollos orientados a las nuevas tendencias en redes energ&eacute;ticas como lo son las smart grids.</p> <HR>     <p><font size="3"><b>Referencias bibliogr&aacute;ficas</b></font></p>     <!-- ref --><p>1. ALEPUZ, Salvador. Control del convertidor CC/ CA de tres niveles. Tesis Doctoral. Barcelona: Universidad Polit&eacute;cnica de Catalunya, Departamento de Ingenier&iacute;a Electr&oacute;nica, 2004. 360 p.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000138&pid=S1794-4449201300010001300001&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>2. &Aacute;LZATE, Alfonso y TREJOS, Adriana. Simulaci&oacute;n de un inversor trif&aacute;sico multinivel con fijaci&oacute;n por diodos usando Simulink de Matlab&reg; En: Scientia et Technica. Agosto 2010. Vol. 16, No. 45, p. 227-232.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000140&pid=S1794-4449201300010001300002&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>3. PIETZSCH, M&oacute;nica. Convertidores CC/CA para la conexi&oacute;n directa a la red de sistemas foto-volta&iacute;cos: comparaci&oacute;n entre topolog&iacute;as de dos y tres niveles. Tesis de Maestr&iacute;a. Barcelona: Universidad Polit&eacute;cnica de Catalunya, Departamento de Ingenier&iacute;a Electr&oacute;nica, 2004. 101 p.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000142&pid=S1794-4449201300010001300003&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>4. BUM- SEOK, Suh; <i>et al. </i>Multilevel Power Conversion - An Overview Of Topologies and Modulations Strategies. Ejt Optimization of Electrical and Electronic Equipments. 1998. Vol. 6, No. 2, p. 1-14.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000144&pid=S1794-4449201300010001300004&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>5. BERIST&Aacute;IN, Jos&eacute;. Inversores bidirecionales con aislamiento en alta frecuencia para aplicaciones de energ&iacute;as renovables. Tesis Doctoral. Barcelona: Universidad Polit&eacute;cnica de Catalunya, Departamento de Ingenier&iacute;a Electr&oacute;nica, 2005. 328 p.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000146&pid=S1794-4449201300010001300005&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>6. OSTOJIC, Darko. A Multilevel Converter structure for grid-connected pv plants. Tesis Doctoral. Bologna: Universit&aacute; Di Bologna, Facolt&aacute; Di Ingegneria, Dipartimento Ingegneria Elettrica, 2010. 153 p.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000148&pid=S1794-4449201300010001300006&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>7. RASHID, Muhammad Power Electronics Handbook. Florida: Academic Press, 2001. 895 p.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000150&pid=S1794-4449201300010001300007&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>8. SOURKOUNIS, Constantinos. y ALDIAB, Ahmad. A comprehensive analysis and comparison between multilevel space - vector modulation and multilevel carrier - based PWM Err 13th International Power Electronics and Motion Control Conference (13:1-3, septiembre). Memorias. Polonia: IEEE, 2008. p. 1710-1715.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000152&pid=S1794-4449201300010001300008&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>9. MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore y ROBBINS, William. Power electronics converters, applications and design. New York: John Wiley &amp; Sons Inc, 1995. 824 p.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000154&pid=S1794-4449201300010001300009&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>10. LAI, Jih-Sheng y PENG, Fang Zheng. Multilevel converters - a new breed of power converters. En: IEEE Transactions on Industry Applications. 1996. Vol. 32, No. 3, p. 509-517.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000156&pid=S1794-4449201300010001300010&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>11. FAIRCHILD SEMICONDUCTOR CORPORATION IRFP460 Data Sheet. 2002.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000158&pid=S1794-4449201300010001300011&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>12. SANKEN ELECTRIC FMLG22 Data Sheet. 2009.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000160&pid=S1794-4449201300010001300012&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>13. TORRES, Carlos Andres; MURILLO, Duberney y RESTREPO, Carlos Alberto. dise&ntilde;o y construcci&oacute;n de un inversor trif&aacute;sico. Ejx. Scientia et Technica. 2008. Vol. 14, No. 40, p. 37-42.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000162&pid=S1794-4449201300010001300013&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>14. ERICKSON, Robert y MAKSIMOVIC, Dragan. Fundamentals of Power Electronics. New York: Kluwer Academic Publishers, 2001. 871 p.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000164&pid=S1794-4449201300010001300014&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p>     <!-- ref --><p>15. DU, Zhong; <i>et al. </i>Reduced switching-frequency active harmonic elimination for multilevel converters. Ejx. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2008. Vol. 55, No. 4, p. 1761-1770.    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;[&#160;<a href="javascript:void(0);" onclick="javascript: window.open('/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000166&pid=S1794-4449201300010001300015&lng=','','width=640,height=500,resizable=yes,scrollbars=1,menubar=yes,');">Links</a>&#160;]<!-- end-ref --></p> </font>      ]]></body><back>
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<ref id="B1">
<label>1</label><nlm-citation citation-type="">
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