Inversores y Cicloconvertidores

34
5. Inversores (CD/AC) y Cicloconvertidores (AC/AC ) 5.1 Inversores y Cicloconvertidores por modulación de ancho de pulso

description

Electrónica de Potencia

Transcript of Inversores y Cicloconvertidores

Page 1: Inversores y Cicloconvertidores

5. Inversores (CD/AC) y Cicloconvertidores

(AC/AC )

5.1 Inversores y Cicloconvertidores por modulación de ancho de pulso

Page 2: Inversores y Cicloconvertidores

Inversores

Page 3: Inversores y Cicloconvertidores

Los convertidores de cd a ca se conocen como

inversores. La función de un inversor es cambiar un

voltaje de entrada en cd a un voltaje simétrico de

salida en ca, con la magnitud y frecuencia deseadas

tanto el voltaje de salida como la frecuencia pueden ser

fijos o variables, si se modifica el voltaje de entrada de

cd y la ganancia del inversor se mantiene constante, es

posible obtener un voltaje variable de salida.

Page 4: Inversores y Cicloconvertidores

Por otra parte, si el voltaje de entrada en cd es fijo y no

es controlable, se puede obtener un voltaje de salida

variable si se varia la ganancia del inversor; esto por lo

general se hace controlando la PWM dentro del

inversor.

La ganancia del inversor se puede definir como la

relación entre el voltaje de salida en ca y el voltaje de

entrada en cd.

Page 5: Inversores y Cicloconvertidores

En los inversores ideales, las formas de onda del voltaje

de salida deberían ser senoidales. Sin embargo, en los

inversores reales no son senoidales y contienen ciertas

armónicas. Para aplicaciones de mediana y baja

potencia, se pueden aceptar los voltajes de onda

cuadrada o casi cuadrada; para aplicaciones de alta

potencia, son necesarias las formas de onda senoidales

de baja distorsión.

Page 6: Inversores y Cicloconvertidores

Los inversores se pueden clasificar básicamente en dos

tipos:

• Inversores monofásicos

• Inversores trifásicos

Cada tipo puede utilizar dispositivos con activación y

desactivación controlada (es decir BJT, MOSFET, IGBT,

MCT, SIT, GTO) o tiristores de conmutación forzada,

según la aplicación.

Page 7: Inversores y Cicloconvertidores

Un inversor se llama inversor alimentado por voltaje

(VFI) si el voltaje de entrada se conserva constante,

inversor alimentado por corriente (CFI) si la corriente

de entrada se conserva constante; e inversor enlazado

en cd variable si el voltaje de entrada es controlable.

Page 8: Inversores y Cicloconvertidores
Page 9: Inversores y Cicloconvertidores

Principio de operación

El circuito inversor está formado por dos pulsadores

(a). Cuando sólo el transistor Q1 está activo durante el

tiempo T0/2, el voltaje instantáneo a través de la

carga v0 es Vs/2. si sólo el transistor Q2 está activo

durante un tiempo T0/2, aparece el voltaje –Vs/2 a

través de la carga.

Page 10: Inversores y Cicloconvertidores

El circuito lógico debe diseñarse de tal forma que Q1 y

Q2 no estén activos simultáneamente. La figura (b)

muestra las formas de onda para los voltajes de salida y

las corrientes de los transistores en el caso de una carga

resistiva. Este inversor requiere de una fuente de cd de

tres conductores, cuando un transistor está inactivo, su

voltaje inverso es Vs, en ves de Vs/2. Este inversor se

conoce como inversor de medio puente.

Page 11: Inversores y Cicloconvertidores

El voltaje rms de salida se puede encontrar a partir de

El voltaje instantáneo de salida se puede expresar en

una serie de Fourier como

Page 12: Inversores y Cicloconvertidores

Donde es la frecuencia del voltaje de salida en

radianes/s. para , la ecuación proporciona el valor rms

de la componente fundamental como

Para una carga inductiva, la corriente de la carga no

puede cambiar inmediatamente con el voltaje de salida.

Si Q1 es desactivado en , la corriente de la carga seguirá

fluyendo a través de , la carga y la mitad inferior de la

fuente de cd, hasta que la corriente llegue a cero.

Page 13: Inversores y Cicloconvertidores

En forma similar, cuando Q2 se desactiva en , la corriente

de la carga fluye a través de D1, la carga y la mitad

superior de la fuente de cd. Cuando el diodo D1 o D2

conducen, la energía es retroalimentada a la fuente de cd

por lo que estos se conocen como diodos de

retroalimentación.

Page 14: Inversores y Cicloconvertidores

La figura (c) muestra la corriente y los intervalos de

conducción de los dispositivos para una carga

puramente inductiva. Se puede notar que para una

carga puramente inductiva, un transistor conduce

únicamente durante (es decir 90°). Dependiendo del

factor de potencia de la carga, el período de conducción

de un transistor varía desde 90 a 180°.

Page 15: Inversores y Cicloconvertidores

Parámetros de rendimiento

La salida de los inversores reales contiene armónicas,

la calidad de un inversor por lo general se evalúan en

términos de los siguientes parámetros de rendimiento.

Factor Armónico de la enésima componente, HFn. El

factor armónico es una medida de la contribución

armónica individual y se define como

Page 16: Inversores y Cicloconvertidores

Donde 1 es el valor rms de la componente fundamental

y n es el valor rms de la enésima componente

armónica.

Distorsión total armónica THD. Es una media de la

similitud entre la forma de onda y su componente

fundamental, se define como

Page 17: Inversores y Cicloconvertidores

Factor de distorsión DF. El valor THD proporcione el

contenido armónico total, pero no indica el nivel de

cada uno de sus componentes. Si en la salida de los

inversores se utiliza un filtro, las armónicas de orden

más alto se atenuaran con mayor eficacia. Por lo tanto,

resulta importante conocer tanto la frecuencia como la

magnitud de cada componente.

Page 18: Inversores y Cicloconvertidores

El factor de distorsión indica la cantidad de distorsión

armónica que queda en una forma de onda particular

después de que las armónicas de esa forma de onda

hayan sido sujetas a una atenuación de segundo orden

(es decir divididas por ). Por lo tanto, el valor DF es una

medida de la eficacia en la reducción de las

componentes armónicas no deseadas, sin necesidad de

especificar valores de un filtro de carga de segundo

orden, y se define como

Page 19: Inversores y Cicloconvertidores

El factor de distorsión de una componente armónica

individual (o de orden n) se define como

Armónica de menor orden LOH. La armónica de menor

orden es aquella componente cuya frecuencia es mas

cercana a la fundamental, y cuya amplitud es mayor que

o igual al 3% de la componente fundamental.

Page 20: Inversores y Cicloconvertidores

Ejemplo:

Un inversor monofásico de medio puente como el de la

figura tiene una carga resistiva R=2.4 ohm y un voltaje

de entrada en cd Vs= 48V. Determine (a) el voltaje rms

de salida a la frecuencia fundamental V1, (b) la

potencia de salida P0, (c) las corrientes promedio y de

pico de cada transistor, (d) el voltaje de bloqueo inverso

pico Vbr de cada transistor, (e) la distorsión armónica

total THD, (f) el factor de distorsión DF.

Page 21: Inversores y Cicloconvertidores

Cicloconvertidores

Page 22: Inversores y Cicloconvertidores

Los controladores de voltaje de ca (Los convertidores de

ca a ca), proporcionan un voltaje eficaz de salida

variable, pero la frecuencia se mantiene constante.

Tienen alto contenido de armónicas especialmente con

valores bajos de voltaje.

Por otra parte, existen aplicaciones para los

convertidores de ca en donde además de la exigencia de

variar el voltaje de salida, también es necesario variar la

frecuencia.

Page 23: Inversores y Cicloconvertidores

Por ejemplo para variar la velocidad de los motores de

ca, una de las variables del control, es la frecuencia del

voltaje de alimentación. Se puede obtener un voltaje

eficaz variable, con una frecuencia variable, mediante

conversiones en dos etapas:

• Una primera conversión de ca de frecuencia constante

en voltaje continuo variable, mediante rectificador

controlado.

• La segunda conversión, el voltaje continuo variable a

la salida del rectificador, se lo convierte en voltaje de

alterna, con frecuencia variable, mediante un inversor.

También se puede utilizar la combinación de un

rectificador no controlado con un inversor con PWM,

en sus distintas variantes.

Page 24: Inversores y Cicloconvertidores

Con los cicloconvertidores, es posible eliminar la

necesidad de uno o mas convertidores intermedios.

Un cicloconvertidor es un cambiador directo de

frecuencias, que convierte corriente alterna con una

determinada frecuencia, en corriente alterna con otra

frecuencia, en una conversión ca a ca sin un enlace

intermedio de conexión.

Page 25: Inversores y Cicloconvertidores

La mayor parte de los cicloconvertidores tienen

conmutación natural, y la frecuencia máxima de salida

se limita a un valor que solo es una fracción de la

frecuencia de la fuente.

En consecuencia, las aplicaciones principales de los

cicloconvertidores son en excitadores de motores de ca

de velocidad, hasta 15.000 KW, con frecuencias de 0 a

20 Hz.

Page 26: Inversores y Cicloconvertidores

Principio de funcionamiento de los cicloconvertidores monofásicos:

Page 27: Inversores y Cicloconvertidores
Page 28: Inversores y Cicloconvertidores

Como vemos tenemos dos rectificadores controlados en

puente T1, T2, T3, T4 y T1’, T2’, T3’ T4’, con sus salidas

conectadas en extremos opuestos de la carga, para

suministrar voltajes en oposición.

Durante el primer periodo (To/2) de la frecuencia de

salida, solamente esta activo el primer rectificador

controlado, suministrando una tensión positiva a la

carga.

Page 29: Inversores y Cicloconvertidores

Durante el segundo periodo, se desactiva el primer

rectificador y se activa el segundo, suministrando una

tensión negativa a la carga. Los pulsos de disparo a los

tiristores, se realizan de tal manera que ambos

rectificadores suministren el mismo voltaje pero en

oposición, por la forma como están conectados.

Vo1 = -Vo2.

Page 30: Inversores y Cicloconvertidores

Cicloconvertidores trifásicos

Page 31: Inversores y Cicloconvertidores
Page 32: Inversores y Cicloconvertidores

El esquema anterior muestra un ciclo convertidor

trifásico / monofásico. Para ello se utiliza dos

rectificadores controlados conectados en oposición, en

los extremos de la carga.

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. El rectificador controlado

positivo, cuando esta activado, suministra el semiciclo

positivo de la tensión de salida, mientras que el otro,

suministra el semiciclo negativo.

Page 33: Inversores y Cicloconvertidores

Para el control de grandes motores de ca, se requiere

un voltaje de alimentación trifásico con frecuencia

variable. Para ello, el cicloconvertidor anterior se puede

ampliar para dar una salida trifásica, teniendo

mediante 6 rectificadores controlados.

Si utilizamos rectificadores controlados trifásicos de

media onda, se requerirán 18 tiristores y si utilizamos

rectificadores controlados en puente, necesitaremos 36

tiristores. La estrategia de control deberá ser tal que en

cada fase se suministre una tensión alterna sin

componente continua y a su vez el defasaje entre fases

sea de 120º.

Page 34: Inversores y Cicloconvertidores