Simulación del inversor multinivel de fuente común como variador de frecuencia para motores de inducción

Simulation of a common source multilevel inverter as frequency variator for induction motors

En el presente artículo se muestra la simulación de un convertidor multinivel trifásico de fuente común de 15 escalones por línea, como variador de frecuencia para la alimentación de un motor de inducción. Este variador de frecuencia adopta modulaciones optimizadas en los primeros 50 armónicos; el algoritmo de optimización fue desarrollado en Matlab. Los resultados de la simulación permiten validar los beneficios que tiene este tipo de alimentación del motor de inducción en cuanto a calidad de la energía, tanto en el voltaje como en la corriente.

1. INTRODUCCIÓN

El control de velocidad de motores de inducción, por lo general, utiliza como elemento final de control un convertidor de potencia que permite variar la frecuencia de la tensión de alimentación, con el fin de variar la velocidad síncrona y porende la velocidad de la máquina (Castro-Galeano, Pinto-Salamanca, & Amaya-Quitián, 2014; Mora, 2005). Los variadores utilizados en estas aplicaciones, por lo general, son inversores convencionales que utilizan técnicas de modulación de ancho de pulso, PWM por sus siglas en inglés (Araque- Gallardo, Díaz-Rodríguez, & Guerrero, 2016; Torres- Barahona, León-Medina, & Torres-Díaz, 2012). Además, la técnica de control utilizada, como el control vectorial por campo orientado o el control escalar, dependerá de los requerimientos específicos de cada aplicación (Bermeo et al., 2016; Vas, 1998).

Sin embargo, estos convertidores tienen un problema en lo referente a la calidad de la energía (Díaz-Rodríguez, Pabón-Fernández, & Torres-Chávez, 2012; Sánchez, 2009), ya que por sus formas de onda cuadrada, generan gran cantidad de contenido armónico que provoca problemas como calentamiento de los devanados y generación de pares parásitos opuestos (Yumurtaci, Vakkas-Ustiin, Varbak-Nese, & Cimen, 2008).

En los controles de velocidad de motores de inducción, los convertidores deben, además de variarla frecuencia, controlarelvalordela magnitud de la tensión eficaz, RMS por sus siglas en inglés, con el fin de que a bajas velocidades la máquina no se sature y provoque corrientes excesivas (Mora, 2005; Restrepo-Chaustre, Becerra-Vargas, & Pardo-García, 2015); este control el variador lo realiza mediante el aumento o disminución de la duración de los pulsos (Fitzgerald, Kingsley, & Umans, 2003; Pinzón-Ardila, 2015). Esto hace que la forma de onda de la tensión a la salida del convertidor dependa de la frecuencia y el valor de la tensión que se desea; de esta forma el THD, Total Harmonic Distortion, dependerá de la tensión yfrecuencia de la salida del variador de frecuencia; es decir, el THD será una función THD (V, f) (Barbera, Mayer, & Issouribehere, 2009).

En la actualidad, la implementación de convertidores de potencia multinivel es una alternativa para la reducción del contenido armónico a la salida de las etapas de inversión DC/AC  (Araque-Gallardo, Díaz-Rodríguez, & Gualdrón-Guerrero, 2013), como las requeridas en aplicaciones de energías alternativas, en equipos de descargas de alta tensión o en el control de velocidad de motores (Shimi, Tilak, & Jagdish, 2016; Mora-Mendoza, Sarmiento-Santos, & Casallas-Caicedo, 2014); esto debido a que el THD que presentan es mucho menor que el de los convertidores convencionales (Malinowski, Gopakumar, Rodríguez, & Pérez, 2010; Pradeep & Jaseerali, 2015; Taleba, Benyoucefa, Helaimia, & Boudje, 2015).