INVERSORES MULTINIVEL

La idea de estos inversores consiste en sumar las ondas cuasi cuadradas de salida obtenidas con varios inversores. Para esto se conectan en serie las salidas de dichos inversores.

Fig.1 – El principio de funcionamiento de los inversores multinivel. En este caso se usaron 2 inversores, pero la idea es acoplar una cantidad mayor y al hacerlo se logrará una mayor semejanza con una onda senoidal.

El principio de funcionamiento

En la Fig.1 se ilustra de manera esquemática la idea básica de los inversores multinivel. Como se puede apreciar, se genera en cada inversor una onda cuasi cuadrada, con diferentes ángulos de disparo y de conducción y luego se suman dichas ondas en el secundario del transformador, consiguiéndose así una onda resultante más parecida a una onda sinusoidal.

Las ondas generadas en los diferentes inversores están centradas en el pico de la onda sinusoidal que se quiere construir. A medida que se aumenta la cantidad de inversores, con sus salidas conectadas en serie, irá aumentando la cantidad de escalones, consiguiéndose una forma de onda cada vez más semejante a una onda sinusoidal.

Cada inversor por dentro

Cada inversor incluye un circuito puente completo en su interior (Full-bridge o “H-bridge”), donde los interruptores S1, S2, S3 y S4 en la práctica serán reemplazados por MOS-FET o por igbt. E es la tensión contínua (dc) de salida de los paneles solares. La carga (Load) es la representativa de las cargas de alterna, locales y de la red.

Fig.2 – Circuito puente completo, también llamada “Puente – H” (Full-bridge o “H-bridge”)

Mediante la combinación de apertura y cierre de los 4 interruptores, se podrán obtener 3 niveles de tensión posibles entre A and B: +E, -E y 0. Durante la operación del inversor mostrado en la  Fig.2, los interruptores S1 and S4 son cerrados (on) al mismo tiempo para proporcionar  un valor VAB positivo y un camino para la corriente Io. Los interruptores S2 and S4 son cerrados (on) para proporcionar un valor negativo para VAB con un camino para Io.Para obtener el nivel cero, hay dos posibilidades: 1) S1 y S2 on, S3 y S4 off, and 2) S1 and S2 off and S3 and S4 on.

Fig.3 – Forma de onda obtenida a la salida del circuito puente completo para una secuencia de operación de los interruptores como se indica en el digrama, donde se ha representado para los interruptores el estado off con 0 y el estado on con 1.

En la Fig.3 se ha representado la forma de onda cuasi cuadrada de salida del circuito puente completo, obtenida con la secuencia de operación elegida para los interruptores mostrada.

La suma de la salida de 4 puentes H

Vamos a sumar las ondas cuasi cuadradas de salida de 4 celdas H. La diferencia con la idea de la Fig.1 es que no usaremos transformador y que usaremos una fuente de alimentación de contínua (paneles) para cada uno de los puentes.

Pero antes vamos a hacer una generalización, yendo de lo particular a lo general: observemos que la onda cuasi cuadrada de la Fig.3 consta de 3 niveles diferentes de tensión: +E, -E y 0. También sabemos que la cantidad de fuentes de contínua necesarias fue 1 (una).

En general, el número de niveles que obtendremos en la onda que resulte de la suma, vendrá dado por:

m = 2s +1 (1)

Donde s es el número de fuentes.

Si verificamos esta fórmula para el caso de un solo puente: m = 2x 1 + 1 = 3 niveles diferentes, que verifica lo que habíamos visto.

Cuando conectemos 4 puentes en serie, cada uno con su fuente de dc, tendremos 4 fuentes en total y aplicando la formula (1), tendremos: 9 niveles diferentes.

Veamos ahora un circuito eléctrico generalizado para la suma de puentes:

Fig.3 – Circuito generalizado para S fuentes y m niveles en la forma de onda resultante

La tensión resultante de la suma de los S puentes vendrá dada por:

VAN =Vdc1 +Vdc2 +….. +Vdc(S -1) +VdcS    (2)

Supondremos que las fuentes serán todas iguales:

Vdc1 =Vdc2 =…..=Vdc(S -1) =VdcS =Vdc                 (3)

Vamos a sumar la salida de 4 puentes y vamos a representar esto en el gráfico de la Fig.4.

Fig.4 – Representación de la onda resultante de la suma de la salida de 4 puentes. Como habíamos anticipado, la onda resultante tiene 9 niveles diferentes de tensión. Se usaron 4 fuentes de contínua  iguales.

¿Porqué es necesaria una fuente para cada puente?

Vamos a conectar dos puentes en serie con una sola fuente y veamos que ocurre (Fig.5):

Fig.5 – Dos puentes conectados en serie con una única fuente de contínua.

Sin usamos una sola fuente, cuando cierren al mismo tiempos S11 y S24, se producirá un cortocircuito en los bornes de la fuente. En la Fig.6 se ha indicado el camino del cortocircuito.

Fig.6 – Cuando se cierran simultaneamente S11 y S24, se pone en cortocircuito la fuenete de contínua

Esta posibilidad no se presenta en la conexión de la Fig.1, porque la conexión en serie se realiza en el secundario del transformador, pudiendo usarse en ese caso una sola fuente.

Estructura Trifásica

Todo lo visto hasta ahora fue el conexionado mono fásico. Cuando se tiene que invertir la tensión contínua de paneles solares para alimentar una carga trifásica, se generan 3 tensiones monofásicas, desfasadas 120º una con respecto a la otra.

En la Fig.7, VAN es el voltaje de la fase A, que es la suma de Va1, Va2 y Va3. N es el neutro.

La misma idea se aplica a la fase B y a la fase C. Para sintetizar la tensión de fase de siete niveles, se requieren tres ángulos de disparo. Se pueden usar los mismos tres ángulos de conmutación en las tres fases con retardo de 0º, 120º y 240 grados eléctricos para la fase A, B y C, respectivamente.

Fig. 7 – Inversor trifásico de 7 niveles por fase

En la Fig, 8 se han representado las tres tensiones de fase generadas por el inversor trifásico.

Fig.8 - Las tres tensiones de fase generadas por el inversor trifásico