INVERSORES Y CICLOCONVERTIDORES MODULADOS POR ANCHO DE PULSO

VELARDE PADILLA DAVID OCTAVIO

OROZCO VÁZQUEZ VÍCTOR RAFAEL

MONROY OCHOA CARLOS ALBERTO

SOTO MÁRQUEZ JOSÉ JONATHAN

INVERSORES CD/AC

SIMBOLOGIA

INVERSOR MONOFASICO

INVERSOR TRIFASICO

DEFINICION Y CLASIFICACION• Definición: Es un dispositivo electrónico que convierte la energía

eléctrica de corriente directa a corriente alterna. En algunos casos podemos encontrar el mismo término para equipos que convierten la corriente alterna a directa aunque en este caso el término correcto es rectificador.

• Clasificación: Se clasifican básicamente por su potencia nominal de salida, sin embargo existen otros parámetros a conciderar como son:

• el tipo de onda: cuadrada, senoidal, senoidal modificada (cuasi - senoidal),

• voltaje para protecciones,

• opciones como la de inversor - cargador, etc.

CARACTERISTICAS

• Los inversores se fabrican considerando dos etapas convertidoras:

La etapa sintetizadora produce una onda de impulsos a partir de una tensión DC.

La etapa filtradora se ocupa de eliminar los armónicos indeseados de la onda de impulsos para tener a la salida de esta etapa una señal totalmente senoidal.

FORMAS DE ONDA EN CA

INVERSORES DE ONDA SENOIDAL MODIFICADA

• Son más sofisticados y caros.

• Utilizan técnicas de modulación de ancho de impulso.

• El ancho de la onda es modificada para acercarla lo más posible a una onda senoidal.

• La salida no es todavía una auténtica onda senoidal, pero está bastante próxima.

• El contenido de armónicos es menor que en la onda cuadrada.

• Son los que mejor relación calidad/precio ofrecen para la conexión de iluminación, televisión o variadores de frecuencia.

INVERSORES DE ONDA CUADRADA.

FUNCIONAMIENTO:

• La corriente continua se hace pasar a través de un transformador, primero en una dirección y luego en la otra, mediante un sistema de conmutación.

• El dispositivo de conmutación que cambia la dirección de la corriente debe actuar con rapidez.

• A medida que la corriente pasa a través de la cara primaria del transformador, la polaridad cambia 120 veces cada segundo.

• Como consecuencia,

• la corriente que sale del secundario del transformador va alternándose, con una frecuencia de 60 ciclos completos por segundo.

Generalidades

Generalidades sobre modulación:

VD

+

-

VR

Generalidades sobre modulación:

VD

+

-

VR VD

Generalidades

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

VD

+

-

VR

T

VD

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

VD

+

-

VR

T

VD

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

VD

+

-

VR

T T

VD

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

VD

+

-

VR

T T

VD

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

VD

+

-

VR

T T T

VD

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

VD

+

-

VR

T T T

VD

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

VD

+

-

VR

T T T T

VD

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

VD

+

-

VR

T T T T

VD

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

VD

+

-

VR

T T T T T

tiempo

VR media

VD

VD

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

VD

+

-

VR

tiempo

VD

Valores medios muy aproximados

Valores medios muy aproximados

¿Pueden obtenerse señales senoidales?

Sólo valores positivos

VD>VR>0

Sólo valores positivos

VD>VR>0

VR media

VD

0

Generalidades sobre modulación:

Generalidades

Modulación senoidal-triangular

TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

¿Cuál cerramos?

t

TA+ si VControl>VTriangularTA- si VControl<VTriangular

Generalidades sobre modulación:Modulación continua-triangular

TA +

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

+-

t

VControl

VA0 VD/2

-VD/2

+ + +

- - -

El valor medio de la tensión es positivo

El valor medio de la tensión es positivo

TA -

Generalidades

Generalidades sobre modulación:Modulación continua-triangular

TA +

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

+-

t

VControl

VA0 VD/2

-VD/2

El valor medio de la tensión es nulo

El valor medio de la tensión es nulo

TA -

+ +

- - -

Generalidades

Generalidades sobre modulación:Modulación continua-triangular

TA +

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

+-

t

VControl

VA0 VD/2

-VD/2

El valor medio de la tensión es negativo

El valor medio de la tensión es negativo

TA -

- - -

+ + +

Generalidades

INVERSORES MONOFÁSICOS CONTROLADOS POR VOLTAJEMODULACIÓN POR ANCHO DE UN SOLO PULSO.

MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS MÚLTIPLES.

MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO SINUSOIDAL.

MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO SINUSOIDAL MODIFICADO.

MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO ÚNICO

• Solo hay un pulso por cada medio ciclo.

• Se hace variar el ancho del pulso para controlar el voltaje de salida.

• Las señales de disparo se generan comparando una señal de referencia rectangular (Ar) con una onda portadora triangular (Ac).

• La frecuencia de la señal de referencia determina la frecuencia fundamental de Vs.

• El voltaje instanteo de salida:

• La relación en Ar y Ac es la variable de control, la cual se define como el índice de modulación de amplitud:

• Voltaje rms:

• Variando Ar de 0 hasta Ac se puede modificar el ancho de pulso de 0° a 180°, y Vs rms de Vo a Vs.

• El tiempo y los angulos de interseccion se pueden determinar con:

que determinan el siguiente ancho d de pulso:

donde

1. Generar una señal portadora triangular Ver de periodo de conmutación Ts = T/2. Comparar Ver con una señal de referencia Vr para producir la diferencia Ve = Ver - Vp que debe pasar por un limitador de ganancia para producir una onda cuadrada de ancho d con un periodo de conmutación Ts.

2. Para producir la señal de disparo g1, multiplicar la onda cuadrada que resulta por una señal unitaria V2, que debe ser un pulso unitario de ciclo de trabajo 50%, a un periodo T.

3. Para producir la señal g2 de compuerta, multiplicar la onda cuadrada por una señal lógica inversa de V2.

SECUENCIA DE DISPARO:

MODULACION POR ANCHO DE PULSO MULTIPLE

• La frecuencia de la señal de referencia establece la frecuencia de salida fo, y la frecuencia de la portadora fe determina la cantidad de pulsos p por cada medio ciclo.

• El índice de modulación controla el voltaje de salida y se le denomina modulación por ancho de pulso uniforme (UPWM).

• La cantidad de pulsos por medio ciclo se determina con

donde se define como la relación de frecuencia.

• Si es el ancho de cada pulso, el voltaje rms de salida se calcula con:

• La variación del índice de modulación M de 0 a 1 hace variar el ancho de pulso d desde 0 hasta T/2p (0 a π/p), y al voltaje rms de salida de Vo hasta Vs.

• El m-ésimo tiempo tm y ángulo m de intersección se pueden determinar con:

para m = 1, 3, …, 2p

para m = 2, 4, …, 2p

• Como todos los anchos son iguales, el ancho de pulso d (O el ángulo de pulso ) es:

donde p

MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO SINUSOIDAL

• Se hace variar el ancho de cada pulso en proporción con la amplitud de una onda sinusoidal evaluada en el centro del mismo pulso.

• El Factor de distorsión (DF) Y la Harmónica de orden mas bajo (LOH) se reducen.

• la frecuencia de la señal de referencia determina la frecuencia de salida del inversor

•El voltaje de salida:V= Vs (g1-g4)

•La cantidad de pulsos por medio ciclo depende de la frecuencia de la portadora.

•Se puede modificar el voltaje rms de salida, variando el índice de modulación M

•Se pueden generarlas mismas señales de disparo con una onda portadora triangular unidireccional

MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO SINUSOIDAL MODIFICADA

• Técnica de SPWM se puede modificar para que se aplique la onda portadora durante los primeros y últimos intervalos de 60° por medio ciclo (es decir, de 00 a 60° y de 1200 a 180°).

Indica que los anchos de los pulsos más cercanos al pico de la onda sinusoidal nocambian mucho al variar el índice de modulación.

Esto se debe a las características de una onda sinusoidal

BENEFICIOS DE LA MSPWM

• Reduce la cantidad de conmutación de los dispositivos de potencia.

• Reduce las perdidas por conmutacion

CICLOCONVERTIDORESCONVERSORES DIRECTOS DE FRECUENCIA

INTRODUCCIÓN

• Objetivo: Obtener una tensión alterna a partir de otra,

modificando la frecuencia a otra inferior.

• Aplicaciones: Accionamiento de motores síncronos y asíncronos. Frecuencia de red cambiada a otra variable. Obtención de una tensión con frecuencia

constante a partir de un alternador de velocidad variable.

NOTA* Una ventaja es que reside en su funcionamiento

con bloqueo de tiristores de forma natural.

Trabaja con motores que funcionan de 0 a 20Hz

Un cicloconvertidor es un cambiador directo de frecuencias, que convierte CA con una determinada frecuencia, en CA con otra frecuencia, en una conversión CA a CA sin un enlace intermedio de conexión CC.

El control se realiza regulando el ángulo de disparo de ambos convertidores para que las tensiones de salida sean iguales pero de sentido contrario.

Uo = UP = - UN

aP + aN = 180º

FUNCIONAMIENTO DE UN CICLOCONVERTIDOR

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS CICLOCONVERTIDORES MONOFÁSICOS

En el primer periodo αp = α, esto es, disparando TI y T2 en α y disparando T3 y T4 en π + α.

En le segundo periodo con un

ángulo de retardo αN = π - α; esto es, disparando T ‘1 y T

’2 en π - α y disparando T ’3

y T´4 en 2 π - απ + απ – α2π – α

Son los ángulos de retardos

EJEMPLO: CICLOCONVERTIDOR DE MEDIA ONDA

EJEMPLO SIN INTENSIDAD CIRCULATORIA (MODO BLOQUEO)

EJEMPLO CON INTENSIDAD CIRCULATORIA

MODELO MATEMÁTICO

Para la ecuación del voltaje de salida rms :

Para la corriente rms de la carga tenemos que:

Donde YPara: ω = 2πf0

La corriente rms a través de cada convertidor esta dada por:

La corriente rms a través de cada tiristor es:

La corriente rms de entrada es :

Para el factor de potencia de entrada es:

La potencia de salida se obtiene mediante:

CICLOCONVERTIDOR TRIFÁSICO - MONOFÁSICO

El principio de operación es el mismo que el anterior solo que los convertidores + y - pueden ser del tipo rectificador de media onda o de onda completa.

(A) media onda (B) onda completa

Formas de onda para carga resistiva en cicloconvertidor trifásico de onda completa

La síntesis de la forma de onda corresponde para una frecuencia de salida de 12 Hz, para una frecuencia de la tensión trifásica de 60 Hz.

TRIFÁSICO - TRIFÁSICO

utilizados en el control de velocidad de motores de inducción trifásicos

cicloconvertidor trifásico de media onda

Se hace necesario el empleo de sistemas microprogramados para el control de disparo por puerta debido a la gran cantidad de tiristores que componen el circuito.

cicloconvertidor trifásico de onda completa

COMPARACIÓN CON LOS INVERSORES

Un inversor es más sencillo tanto en la etapa de potencia como en el control que un cicloconvertidor.

Un inversor puede regular una tensión en amplitud y en frecuencia sin que la entrada(de CC) limite la frecuencia superior.

La regeneración de energía es natural en un cicloconvertidor, mientras que en un inversor supone una gran complejidad en el control.

Un cicloconvertidor realiza la regulación en una sola etapa, mientras que el inversor necesita de un etapa previa de rectificación.