Deducción de Pérdidas de Potencia por Conducción en Inversores Modulación Senoidal de Ancho de Pulso, SPWM
Deducción de Pérdidas de Potencia por Conducción en Inversores Modulación Senoidal de Ancho de Pulso, SPWM
Deduction of Power Losses by Conduction in Sinusoidal Pulse Width Modulation Inverters, SPWM
Juan D. Gallego-Gomez, Juan B. Cano-Quintero y Nicolas Muñoz-Galeano
Fac. de Ingeniería, Depto Ing. Eléctrica, Grupo de Manejo Eficiente de la Energía - GIMEL, Universidad de Antioquia, Calle 67 No. 53-108, Oficina 19-437, Medellín-Colombia (e-mail: , , )
Resumen
Este artículo presenta la deducción matemática de las pérdidas de potencia por conducción en inversores monofásicos de puente H controlados mediante Modulación Senoidal de Ancho de Pulso (SPWM). Se presenta el desarrollo matemático de las ecuaciones de voltaje y corriente a través de los semiconductores durante su estado de conducción y se calcula su disipación de potencia. Las ecuaciones de pérdidas de potencia encontradas dependen de las características de la modulación empleada y de los parámetros de la carga. Mediante validación experimental y de simulaciones se obtuvieron curvas que muestran la validez de las ecuaciones y sus aproximaciones.
Palabras clave: pérdidas de potencia por conducción, semiconductores, modulación SPWM, inversor de potencia
Abstract
This paper presents the mathematical derivation of the power losses by conduction in single phase H-bridge inverters controlled by Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). The development of the mathematical equations for voltage and current through the semiconductor in its conducting state is presented and the power dissipation is calculated. The power loss equations found depend on the characteristics of the modulation used and on the parameters of the load. Through simulations and experimental validation, curves showing the validity of the equations and their approaches in accordance with the conditions of the test were obtained.
Keywords: power losses by conduction, semiconductors, SPWM modulation, power inverter
INTRODUCCIÓN
Los inversores de potencia de puente H sirven para transformar el voltaje, la frecuencia, la potencia, y el número de fases de acuerdo a los requerimientos de las cargas eléctricas. Están compuestos por interruptores de potencia controlados mediante técnicas de modulación. Las técnicas de modulación más usadas son la modulación senoidal de ancho de pulso (Senoidal Pulse Width Modulation, SPWM) y la modulación de espacio vectorial (Space Vector Modulation, SVM) Rus et al. (2010), aunque existen múltiples modulaciones derivadas de las modulaciones SPWM y SVM. Las principales aplicaciones de los inversores de potencia de puente H son: variadores de frecuencia Kojabadi (2011), compensadores activos Orts et al. (2010), sistemas de alimentación ininterrumpida Komurcugil (2012), convertidores de una fase a tres fases Kim et al. (2002) y Jacobina et al. (2010), entre otras.
La eficiencia y la potencia disipada en los inversores de potencia son parámetros de diseño primordiales para la determinación de los sistemas de disipación de calor y del consumo de energía en general en los inversores. En este sentido, es necesario un modelo matemático que permita calcular las pérdidas de potencia. Las pérdidas de potencia en inversores se dividen en las perdidas dinámicas debidas a la conmutación de los interruptores y en las perdidas por conducción. Las pérdidas por conmutación dependen principalmente de la frecuencia de conmutación y de características físicas de los semiconductores. Mientras que las pérdidas por conducción dependen de la carga del inversor y de las caídas de voltaje en régimen estático en los semiconductores de los interruptores de potencia. En el presente artículo se presentarán las ecuaciones que modelan las pérdidas de potencia por conducción en semiconductores para la modulación SPWM presentada en Gallego et al. (2014) en inversores monofásicos. Las pérdidas por conducción para otras modulaciones pueden deducirse fácilmente a partir del procedimiento utilizado en este artículo. Los resultados pueden extrapolarse fácilmente a convertidores trifásicos.
Existen diferentes maneras de implementar la modulación SPWM para inversores monofásicos en configuración puente H. Usando cuatro señales digitales características de la modulación unipolar(Xiao et al., 2011). También se puede generar una señal SPWM bipolar en la carga mediante dos señales digitales Wang et al. (2012). De acuerdo con la forma en que se generan las señales digitales a través de dispositivos electrónicos de control, se puede generar una modulación SPWM a través de FPGAs M. N. Md Isa (2007) o usando un microcontrolador Ismail et al. (2006). Para los estudios de este artículo, se usara la modulación SPWM reportada en Gallego et al. (2014), la cual está basada en el uso de cuatro interruptores cuyas señales digitales se obtienen al comparar una señal triangular con una señal senoidal.
Las pérdidas de potencia por conducción en inversores SPWM han sido estudiadas en detalle en distintas obras, a continuación se mencionan las más representativas: Xiao et al. (2011) realiza una comparación de pérdidas de potencia para varias topologías moduladas mediante SPWM unipolar. En Perantzakis et al. (2007) se propone una nueva topología de convertidor con referencia a un NPC de cuatro niveles basado en la distribución de pérdidas de potencia por conducción y por conmutación. Bazzi et al. (2012) realiza la estimación de las pérdidas por conducción mediante la medida de las variables de voltaje y corriente en los conductores. También se han usado modelos basados en funciones de transferencia y funciones de conmutación para el cálculo de las perdidas por conducción Hosseini Aghdam et al. (2005). El cálculo de las perdidas por conducción en inversores modulados mediante SPWM ha sido estudiado mediante métodos analíticos en Casanellas (1994), Dahono et al., (1995), Bierhoff et al. (2004), algunas ecuaciones presentadas en estos artículos se tomaron como base para la deducción del nuevo modelo. A partir de los parámetros del inversor, de los parámetros de la carga, y las características de la modulación se proponen expresiones matemáticas para elmodelo que pueden ser corroboradas a través de simulaciones y experimentos. Las expresiones deducidas a través de la deducción teórica no han sido reportadas hasta ahora en la literatura técnica. Su conocimiento permite ampliar la construcción de herramientas teóricas para el estudio energético de los inversores controlados mediante modulaciones SPWM, sus variantes y modulaciones similares.
La deducción de las pérdidas de potencia por conducción se lleva a cabo mediante la deducción de ecuaciones de corriente y voltaje a través de los semiconductores. Estas ecuaciones se determinan a partir de las formas de onda típicas propias de la modulación. En la determinación de las ecuaciones debe incluirse el ciclo de servicio, los tiempos de conducción y el índice de modulación. Obtenidas las ecuacion (...truncated)
