Nuevo algoritmo PWM híbrido de desempeño armónico superior

A novel hybrid PWM algorithm having superior harmonic performance

Este artículo presenta el diseño y validación de un nuevo algoritmo de modulación por ancho de pulso (PWM) híbrido que supera el desempeño armónico de varios algoritmos de modulación empleados en procesos de conversión de potencia en accionamientos eléctricos AC. A partir del análisis armónico de los algoritmos PWM más comunes en la literatura, se establece una metodología para diseñar un esquema de modulación híbrido que ofrece un desempeño armónico superior; este desempeño es verificado teórica y experimentalmente utilizando el factor de distorsión armónica total FDIST y el índice de distorsión armónica de corriente V_WTHD.

Introducción

Los accionamientos eléctricos de baja y mediana potencia se construyen con base en inversores VSI (Voltage Source Inverter) trifásicos de dos niveles, como el presentado en la Figura 1 (Murphy et ál., 1998). Mediante conmutación continua de los interruptores de potencia de este esquema, se generan señales seno de amplitud y frecuencia variable. La secuencia de conmutación se origina a partir de un proceso de modulación PWM.

Las señales generadas por el inversor son pulsos de ancho variable donde el valor medio de cada pulso corresponde al valor que to  ma la señal seno de referencia en  el  tiempo,  como  se observa en  la Figura 2a).

El voltaje línea a línea a la salida de los inversores PWM presenta    un espectro de frecuencias con componentes de distorsión armónica en los múltiplos enteros de la frecuencia fundamental (f_m), alrededor de la frecuencia de conmutación (fs ) y sus múltiplos enteros (Figura 2b).

La relación f_s / f_m se conoce como índice de frecuencias (N). En accionamientos de baja y mediana potencia se emplean altos índices de frecuencia, por tanto los voltajes armónicos se ubican en altas frecuencias, donde no afectan el comportamiento funcional del sistema. Sin embargo, estos armónicos provocan efectos indeseables en la máquina (Murphy et ál., 1998), como incremento de pérdidas, sobrecalentamientos, vibraciones, generación de pares parásitos y reducción del par útil (Van der  Broeck  y  Skudelny,  1988; Rodriguez, 2005). En consecuencia, analizar el desempeño armónico de alternativas de modulación  PWM es un factor decisivo en el campo de accionamientos eléctricos, especialmente en aplicaciones que no usen filtros pasivos o activos en la carga.

Para medir el desempeño armónico se define el índice de distorsión armónica de corriente (VWTHD ):

Un índice alternativo para medir el desempeño armónico es el factor de distorsión armónica total (FDIST ), el cual se basa en la  definición del rizado de flujo del estator y resulta útil en la  evaluación de es-quemas de modulación basados en vectores espaciales (SV-PWM) (Narayanan y Ranganathan,  2005),  (Narayanan et ál., 2006).