Estudio y análisis de inversor multinivel DC-AC de 7 niveles para el accionamiento de motor de inducción monofásico y su reducción del THD

Abstract

El desarrollo de esta investigación se centra en el análisis de la generación de una onda sinusoidal mediante la conversión DC-AC de un inversor multinivel. Explora fundamentos matemáticos como el análisis de funciones reales, análisis de Fourier, y la utilización de matemáticas avanzadas mediante el uso del algoritmo de Newton-Raphson multivariable. Se plantean las ecuaciones y se calculan los ángulos de conmutación e índices de modulación existentes. El documento plantea que los ángulos de conmutación son aquellos ángulos donde la onda a generar pasa al próximo “nivel o escalón”, mientras que los índices de modulación establecen la relación entre la onda generada y la onda base de referencia (onda sinusoidal pura). Se relata también de forma breve las diferentes topologías y estrategias de conmutación que forman parte de la teoría desarrollada hasta el momento de inversores multinivel. La topología elegida es aquella que se implementa en forma de “cascada” gracias a su ventaja modular, facilidad de mantenimiento, robustez y menor costo. Para el caso de la estrategia de conmutación se elige la relacionada a la frecuencia fundamental y la eliminación selectiva de armónicos. Se utilizó Matlab como software de análisis numérico, para el desarrollo del método de NewtonRaphson, la obtención de los ángulos de conmutación y el índice de modulación. Para la verificación del THD que nos otorga la combinación de diferentes ángulos de conmutación e índices de modulación se utilizó el software de simulación electrónica Psim.

----- The development of this research focuses on the analysis of the generation of a sine wave through the DC-AC conversion of a multilevel inverter. Explores mathematical foundations such as the analysis of real functions, Fourier analysis, and the use of advanced mathematics through the use of the multivariate Newton-Raphson algorithm. The equations are set out and the existing switching angles and modulation indices are calculated. The document states that the switching angles are those angles where the wave to be generated goes to the next “level or step”, while the modulation indices establish the relationship between the generated wave and the reference base wave (pure sine wave). The different topologies and switching strategies that are part of the theory developed to date of multilevel inverters are also briefly reported. The chosen topology is one that is implemented in a “cascade” manner thanks to its modular advantage, ease of maintenance, robustness and lower cost. In the case of the switching strategy, the one related to the fundamental frequency and the selective elimination of harmonics is chosen. Matlab was used as numerical analysis software to develop the Newton-Raphson method, obtain the switching angles and the modulation index. To verify the THD given by the combination of different switching angles and modulation indices, the electronic simulation software Psim was used.