Pwm Inversores

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Salesianos Instituto Técnico Ricaldone TRABAJO DE INVESTIGACION Tema: Inversores Catedrático: Ing. Buruca Asignatura: Electrónica de Potencia Presentado por: Diana Beatriz Funes Oyuela Edwin Alfredo López Aguirre Juan Ramón Reyes Ramírez

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Salesianos

Instituto Técnico Ricaldone

TRABAJO DE INVESTIGACION

Tema: Inversores

Catedrático: Ing. Buruca

Asignatura: Electrónica de Potencia

Presentado por:

Diana Beatriz Funes Oyuela Edwin Alfredo López Aguirre Juan Ramón Reyes Ramírez

San Salvador 03/05/2013

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ContenidoIntroducción:..................................................................................................................................3

Objetivos:.......................................................................................................................................4

CONTENIDO....................................................................................................................................5

INVERSORES MONOFÁSICOS CONTROLADOS POR VOLTAJE........................................................11

1. Modulación por ancho de un solo pulso..................................................................................11

2. Modulación por ancho de pulsos múltiples.............................................................................11

3. Modulación por ancho de pulso sinusoidal.............................................................................11

4. Modulación por ancho de pulso sinusoidal modificado...........................................................11

5. Control por desplazamiento de fase........................................................................................11

Modulación por ancho de pulso único.........................................................................................11

TÉCNICAS AVANZADAS DE MODULACIÓN....................................................................................19

Conclusión:...................................................................................................................................27

Bibliografía...................................................................................................................................28

Anexos..........................................................................................................................................29

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Introducción:Un inversor o convertidor DC/AC como su nombre lo indica es un circuito donde se introduce un voltaje de corriente directa a la entrada y se obtiene un voltaje de corriente alterna de magnitud y frecuencia variables.

Cuando surge la necesidad de variar una tensión alterna, con el objetivo de entregar mayor o menor potencia en una carga particular, es donde aparecen los controles de potencia monofásicos, con los cuales se logra recortar partes de la onda senoidal, variando la potencia entregada a la carga. Las técnicas convencionales empleadas, son por control de fase, estas generan armónicas cercanas a la armónica fundamental, lo cual hace que los filtros utilizados para eliminarlas sean complejos y poco económicos. Es por esto, que aparecen técnicas como la que se utiliza en este proyecto para que las primeras armonicas se vean desplazadas a frecuencias más altas, lo cual hace que los filtros empleados para la eliminación de las armónicas contaminanes sean de diseño mas simple

El funcionamiento consiste en la rectificación de las señales de voltaje trifásicas para obtener un voltaje de corriente directa, posteriormente filtrado para disminuir el rizado; con dicho voltaje de CD se alimenta la etapa de potencia, la cual en este caso es un puente inversor empleando transistores IGBT’s, los cuales son controlados mediante señales de disparo generadas por un microcontrolador PIC de la etapa digital con base a una referencia provista por el usuario a través de un potenciómetro conectado a la entrada del convertidor analógico a digital (ADC) del microcontrolador; las señales generadas por el PIC se adecuan para introducirlas al puente inversor cuya salida se aplica a la carga.

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Objetivos:Conocer sin los inversores son circuitos de tienen como finalidad suministrar tensión o corriente alterna, variable en magnitud y frecuencia a partir de una fuente de corriente continua

Demostrar que las principales aplicaciones de los inversores son el control de velocidad y posición de las máquinas de corriente alterna, la fabricación de fuentes interrumpidas de potencia (UPS) para cargas trifásicas y dispositivos de corriente alterna que funciones a partir de una batería.

Determinar la modulación del PWM

Explicar EL PWM proporciona un método para disminuir el factor de distorsión armónica THDF en la corriente que suministra el inversor a la carga.

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CONTENIDOLa función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para controlar alta potencia. Los inversores también se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas.

Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular.Esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores.

Los inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida. También se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de potencia (cos Φ).

La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM)

De una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

Los inversores se ubican en la electrónica de potencia en el campo de la conversión energética, en concreto en la conversión continua – alterna (DC/AC).

La evolución que han experimentado los semiconductores, en términos de frecuencia de conmutación, pérdidas en conducción y facilidad de gobierno ha contribuido en gran medida a la popularización de este tipo de convertidores y de su evolución. En este tipo de equipos, de mediana / alta potencia, la

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tendencia es disminuir los costes y aumentar la eficiencia, (frente a la tendencia en la línea de baja potencia, en la cual se prima la miniaturización), objetivo que pasa por la optimización de los dispositivos semiconductores empleados; por otro lado, el auge experimentado en el campo de la electrónica digital, ha permitido que los procesadores estén al alcance de los diseñadores a muy bajo coste y con potentes herramientas de depuración y desarrollo. De esta manera, se pueden plantear estrategias de control complejas sin aumento apreciable en los costes finales del equipo.

Este tipo de convertidores se ha visto fuertemente impulsado en su desarrollo gracias a una de sus aplicaciones: el control de velocidad, par etc. de los motores de inducción. De hecho, los inversores han venido a sustituir los tradicionales reductores mecánicos en el campo del control de motores, con indudables ventajas con respecto a estos: mejor rendimiento, ausencia de elementos mecánicos de desgaste, vibraciones, mayor versatilidad en el control, etc.

Este aspecto cobra especial importancia al tratar de motores trifásicos asíncronos con rotor con jaula de ardilla, los cuales presentan indudables ventajas, como son:

- La ausencia del colector y escobillas de carbón facilitan de forma notable el mantenimiento de los mismos, además de una prolongación de su vida media.

- No producen chispas, por lo que no generan parásitos.

- Cuentan con un par de arranque y máximo de valores elevados.

- Soportan sobrecargas típicas sin demasiados problemas.

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- Tienen unas dimensiones realmente compactas.

El precio que hay que pagar por estas buenas características es quizás que la velocidad de estos motores depende de características constructivas (número de pares de polos) y de la frecuencia de la tensión de alimentación (50 Hz típica), lo cual obliga al empleo de reductores mecánicos, con los inconvenientes anteriormente aludidos.

Este inconveniente desaparece con el empleo de inversores, debido a que estos ofrecen la posibilidad de variar tanto la frecuencia de la tensión alterna obtenida así como su amplitud. En estas condiciones, se pueden gobernar la velocidad de rotación, par e incluso frenar e invertir el sentido de giro sin mayores problemas y de una forma precisa. Como ejemplo típico de aplicación de control de velocidad de motores, lo constituyen los vehículos impulsados de forma eléctrica: trenes carretillas industriales, etc.

Los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) son otros de las sistemas que emplean inversores como topología utilizada en la etapa de potencia: en este caso la aplicación es más clara si cabe ya que el funcionamiento básico de estos equipos consiste en almacenar energía eléctrica en baterías o acumuladores, para que, cuando el suministro eléctrico falle, se obtenga la alimentación de los equipos conectados a la red sin que el usuario advierta la falta de fluido eléctrico.

Son muchos los puntos de vista desde los cuales se pueden clasificar los circuitos inversores; en esta lección nos centraremos en los inversores realizados con dispositivos semiconductores, dejando de lado los realizados por medio de elementos vibradores electromecánicos.

En este sentido, una posible clasificación que se puede realizar de los inversores según con que semiconductor se implementen los interruptores: tiristores o transistores. Los primeros se pueden subdividir a su vez en inversores de bloqueo natural o forzado (con fuente inversa de tensión o de corriente); los segundos es posible a su vez subdividirlos en autoexcitados o con excitación independiente.

Es posible establecer otra clasificación en función de las características de salida –configuraciones en medio puente, puente completo monofásico y puente completo trifásico- o en sus características de entrada: inversor alimentado en tensión o en corriente, según de que tipo sea la fuente primaria

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de entrada. La inclusión o no de un transformador de aislamiento introduce una característica más a la hora de clasificar este tipo de convertidores.

Para el caso de los inversores con transistores, se puede establecer otra clasificación basándose en el método de excitación de la base de los transistores que configuran la topología de potencia: de esta forma tenemos los inversores de onda cuadrada, PWM de alta frecuencia, con control de desplazamiento de fase.

Aplicaciones de inversores utilizando el equipo Phoenix basado en la conversión de energía DC a AC. Con la técnica del PWM.

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Modulación de ancho de pulso

Como su nombre indica, esta técnica consiste en generar pulsos de frecuencia determinada y hacer variar el ciclo de trabajo de los mismos (duty cycle) Para el caso de convertidores CC/CC, se obtiene dicha forma de onda mediante la comparación de una señal triangular de frecuencia fija con un nivel de tensión continua; dicho nivel de continua aporta la información de la referencia a conseguir

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Esta tensión PWM si se filtrase, se obtendría un valor medio proporcional a la referencia –onda moduladora- ya que el ancho de pulso de la misma es proporcional a la misma y para este tipo de forma de onda –cuadrada y de amplitud constante- el valor medio depende sólo del ciclo de trabajo: este es el principio de la modulación de ancho de pulso y del funcionamiento de los convertidores CC/CC conmutados PWM.

Si ahora planteamos una referencia de tipo senoidal, cuya frecuencia sea notablemente menor que la de la triangular –portadora-, la tensión que obtendremos, una vez filtrada la onda modulada, será también senoidal, con mayor o menor contenido en armónicos de alta frecuencia; en la figura 3.1.2 se puede observar un ejemplo de una onda PWM con referencia senoidal y su espectro en frecuencia

Los inversores se usan mucho en aplicaciones industriales, como por ejemplo impulsores ("variadores", "reguladores" o "controles") de motor de ca y velocidad variable, o en calentamiento por inducción, fuentes de alimentación de reserva y fuentes de alimentación ininterrumpibles. La entrada puede ser una batería, una celda de combustible, celda solar u otra fuente de cd.

Las salidas normales monofásicas son 1) 120 Ya 60 Hz, 2) 220 Ya 50 Hz y 3) 115 Y a 400 Hz. Para sistemas trifásicos de gran potencia, las salidas normales son 1) de 220 a 380 Ya 50 Hz, 2) 120 a 208 y a 60 Hz Y 3) de 115 a 200Y a 400 Hz

Los inversores se pueden clasificar en el sentido amplio en dos tipos: 1) inversores monofásicos y 2) inversores trifásicos. Cada uno puede usar dispositivos controlados de encendido y apagado (como transistores bipolares de unión [BJT], transistores de efecto de campo, de metal óxido semiconductor [MOSFET], transistores bipolares de compuerta aislada [IGBT], tiristores controlados por compuerta [GTO]). Estos inversores usan en general señales de control por modulación por ancho de pulso (PWM) para producir un voltaje de salida de ca. Un inversor se llama inversor alimentado por voltaje (VFI, de voltage-fed inverter) si el voltaje de entrada permanece constante; inversor alimentado por corriente (CFI, de current-fed in verter) si la corriente de entrada se mantiene constante, y convertidor enlazado con cd variable si el voltaje de entrada es controlable. Si se hacen pasar el voltaje o la corriente de salida del inversor por cero, creando un circuito resonante Le, a esta clase de inversor se

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le llama inversor de pulso resonante, y tiene muchas aplicaciones en la electrónica de potencia.

La modulación por ancho de pulso se representa gráficamente como:

INVERSORES MONOFÁSICOS CONTROLADOS POR VOLTAJE En muchas aplicaciones industriales, para controlar el voltaje de salida de los inversores, se '1ecesita con frecuencia 1) hacer frente a las variaciones del voltaje de entrada de cd, 2) regula. El voltaje de los inversores y 3) satisfacer los requisitos de control de voltaje y frecuencia constantes. Hay varias técnicas para variar la ganancia del inversor. El método más eficiente de controlar la ganancia (y el voltaje de salida) es incorporar control por modulación por ancho de pulso

(PWM) en los inversores. Las técnicas que se usan con frecuencia son:

1. Modulación por ancho de un solo pulso.

2. Modulación por ancho de pulsos múltiples.

3. Modulación por ancho de pulso sinusoidal.

4. Modulación por ancho de pulso sinusoidal modificado.

5. Control por desplazamiento de fase.

Modulación por ancho de pulso único En el control de modulación por ancho de un solo pulso sólo hay un pulso por cada medio ciclo, y se hace variar su ancho para controlar el voltaje de salida del inversor. La figura 6.11 muestra la generación de señales de control y el

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voltaje de salida de los puentes inversores monofásicos completos. Las señales de disparo se generan comparando una señal de referencia rectangular, de amplitud Ar con una onda portadora triangular de amplitud Ac La frecuencia de la señal de referencia determina la frecuencia fundamental del voltaje de salida.

El voltaje rms de salida se puede determinar con:

Secuencia de disparo. El algoritmo para generar las señales de disparo es el siguiente:

1. Generar una señal portadora triangular Ver de periodo de conmutación Ts = T/2. Comparar Vcr con una señal de referencia Vr para producir la diferencia Ve = Vcr - Vr que debe pasar por un limitador de ganancia para producir una onda cuadrada de ancho d con un periodo de conmutación Ts'

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2. Para producir la señal de disparo g¡, 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'

Modulación por ancho de pulso múltiple

Se puede reducir el contenido de armónicas usando varios pulsos en cada medio ciclo del voltaje de salida. La generación de señales de disparo (en la Fig. 6.13b) para encender y apagar los transistores se ve en la figura 6.13a, comparando una señal de referencia contra una onda portadora triangular. Las señales de disparo se ven en la figura 6.13b. 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. A esta clase de modulación se le llama modulación por ancho de pulso uniforme (UPWM, de uniform pulse-width modulation).

La cantidad de pulsos por medio ciclo se determina con:

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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 [2]. El DF Y la LO H se reducen en forma apreciable. Las señales de control, como se ven en la figura 6.15a, se generan comparando a una señal sinusoidal de referencia con una onda portadora triangular de frecuencia fe' Esta modulación por ancho de pulso sinusoidal (SPWM) es la que se suele usar en las aplicaciones industriales. La frecuencia fr de la señal de referencia determina la frecuencia fo de la salida del inversor, y su amplitud pico Ar controla el índice de modulación M, y en consecuencia el voltaje rms de salida Vo.

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Al comparar la señal portadora bidireccional Vcr con dos señales de referencia, vr y -vr que se ven en la figura 6.15a, se producen las señales de disparo g1 y g4, respectivamente, como se ve en la figura 6.15b. El voltaje de salida es Vs = Vs(g1 - g4). Sin embargo, g1 y g4 no se pueden liberar al mismo tiempo. La cantidad de pulsos por medio ciclo depende de la frecuencia de la portadora. Dentro de la restricción de que dos transistores de la misma rama (Q1 y Q4) no pueden conducir al mismo tiempo, el voltaje instantáneo de salida se ve en la figura 6.15c. Se pueden generar las mismas señales de disparo con una onda portadora triangular unidireccional como se ve en la figura 6.15d.

En esta modulación se utiliza una señal sinusoidal como referencia pero la portadora se modifica a fin de disminuir el número de conmutaciones del puente inversor

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El funcionamiento básico de la modulación por ancho de pulso es simple, una serie de pulsos cuyo ancho es controlado por la variable de control. Es decir, que si la variable de control se mantiene constante o varía muy poco, entonces el ancho de los pulsos se mantendrá constante o variará muy poco respectivamente.

Si hacemos que el ancho de pulso no varíe linealmente con la variable de control, de modo que el ancho de los pulsos puede ser diferentes unos de otros, entonces sería posible seleccionar el ancho de los pulsos de forma que ciertas armónicas sean eliminadas

En la práctica se puede observar:

Modulación por ancho de pulso sinusoidal modificada

La figura 6.15c indica que los anchos de los pulsos más cercanos al pico de la onda sinusoidal no cambian mucho al variar el índice de modulación. Esto se debe a las características de una onda sinusoidal, y la 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 0° a 60° y de 120° a 180°). Esta modulación por ancho de pulso sinusoidal modificada (MSPWM, de modified sinusoidal pulse-width modulation) se ve en la figura 6.18. Aumenta la componente fundamental, y mejora sus características de armónicas. Reduce la cantidad de conmutación

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de los dispositivos de potencia, y también reduce las pérdidas por conmutación.

En la anterior figura se muestra El Perfil de armónicas con modulación por ancho de pulso sinusoidal modificado.

Control por desplazamiento de fase

Se puede tener control de voltaje usando varios inversores y sumando los voltajes de salida de los inversores individuales. Se puede concebir que un puente inversor monofásico completo, como el de la figura 6.2a, sea la suma

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de dos puentes inversores en medios como el de la figura 6.1a. Un desplazamiento de fase de 180° produce un voltaje de salida como el que se ve en la figura 6.20c, mientras que un ángulo de retardo ( o desplazamiento) de a produce una salida como la de la figura 6.20e

El voltaje rms de salida es:

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TÉCNICAS AVANZADAS DE MODULACIÓN La SPWM (modulación por ancho de pulso sinusoidal), que es la que más se usa, padece de inconvenientes, como por ejemplo el bajo voltaje fundamental de salida. Otras técnicas que permiten un mejor funcionamiento son:

Modulación trapezoidal

Modulación por escalera

Modulación por pasos

Modulación por inyección de armónica

Modulación delta

Modulación trapezoidal.

Las señales de compuerta se generan comparando una onda portadora triangular con una onda moduladora trapezoidal [3] como se ve en la figura 6.21. La onda trapezoidal se puede obtener con una onda triangular

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Modulación por escalera. La señal de modulación es una onda escalonada como se ve en la figura 6.22. La escalera no es una aproximación muestreada de una onda sinusoidal. Los niveles de los escalones se calculan para eliminar armónicas específicas. La relación de frecuencias de modulación mfi y la cantidad de escalones, se seleccionan para obtener la calidad deseada del voltaje de salida.

Observándose en la práctica:

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Modulación por pasos.

La señal moduladora es una onda en escalera como se ve en la figura 6.23. Esta onda no es una aproximación muestreada de la onda sinusoidal. Se divide en intervalos especificados, por ejemplo de 200, y cada intervalo es controlado en forma individual para controlar a su vez la magnitud de la componente fundamental y eliminar armónicas específicas. Esta clase de control produce poca distorsión, y una mayor amplitud de la fundamental, en comparación con la del control PWM normal.

Y se observa en la práctica como:

Modulación por inyección de armónica.

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La señal moduladora se genera inyectando, a la onda sinusoidal, armónicas seleccionadas. Da como resultado una forma de onda con una cresta plana, y reduce la cantidad de sobre modulación.

Demostrando en la practica:

En la siguiente imagen se comprenderá la inyección por armónica.

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La señal moduladora se puede generar a partir de 2Tr/3 segmentos, como se ve en la figura 6.25. Es igual que inyectar armónicas 3n-ésimas a la onda sinusoidal. El voltaje de línea a línea es sinusoidal modulado por ancho de pulso (PWM) y la magnitud aproximada del componente fundamental es 15% mayor que en una PWM sinusoidal normal.

INVERSORES MONOFÁSICOS CONTROLADOS POR VOLTAJE

Se puede considerar que un inversor trifásico es tres inversores monofásicos, y que la salida de cada inversor monofásico está desplazada 120°. Son aplicables, a los inversores trifásicos, las técnicas de control de voltaje descritas anteriormente Sin embargo, las técnicas que se usan con más frecuencia para los inversores trifásicos son las siguientes:

PWM sinusoidal

PWM con tercera armónica

PWM a 60°

PWM sinusoidal

La generación de disparo de compuerta con PWM se ven en la figura 6.27a. Hay tres ondas sinusoidales de referencia, vrw Vrb Y VrC separadas 120° entre sí. Se compara una onda portadora con la señal de referencia que

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corresponde a una fase, para generar las señales de compuerta para esa fase.

La PWM a 60° es parecida a la PWM modificada de la figura 6.18. El concepto de la PWM a 60° es "aplanar" la onda desde 60° hasta 120°, y desde 240°

hasta 300°. Los dispositivos de potencia se mantienen encendidos durante un tercio del ciclo (a pleno voltaje) y tienen menores pérdidas de conmutación.

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PWM con tercera armónica

La PWM con tercera armónica es parecida al método de inyección de armónica seleccionada que se muestra en la figura 6.24, y se implementa de la misma forma que la PWM sinusoidal.

La diferencia es que la forma de onda de ca de referencia no es sinusoidal, sino consiste en una componente fundamental y una componente de tercera armónica, como se ve en la figura 6.30.

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Técnicas de modulación en un inversor trifásico

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Conclusión:Los inversores pueden proporcionar voltajes de ca, monofásicos y trifásicos, a partir de voltaje de cd fijo o variable. Hay varias técnicas de control de voltaje, y producen un intervalo de armónicas en el voltaje de salida.

La evolución que han experimentado los semiconductores, en términos de frecuencia de conmutación, pérdidas en conducción y facilidad de gobierno ha contribuido en gran medida a la popularización de este tipo de convertidores y de su evolución

La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular.

Esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal deberían ser sinusoidales. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores.

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Bibliografíawww.electronica /potencia.com_ar

Material de apoyo pdf:

Controladores de potencia (Prof. Shanman H hilbert)

PWM inverters Dr Adel H benned

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AnexosAplicaciones de circuitos para aprovechar las técnicas trifasicas

Diagrama de la función de un inversor

En el que enuncia que la corriente y el voltaje DC de entrada, va a tener un control con variaciones para lograr una señal AC

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Inversor Trifasico.

Ejemplos

En la imagen siguiente se muestra un inversor Trifásico.

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