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5. Inversores (CD/AC) y Cicloconvertidores
(AC/AC )
5.1 Inversores y Cicloconvertidores por modulación de ancho de pulso
Inversores
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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°.
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
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
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Principio de funcionamiento de los cicloconvertidores monofásicos:
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.
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.
Cicloconvertidores trifásicos
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.
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.