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TEMA 6 Convertidores continua-alterna
Lección 16: Introducción
Lección 17: Inversores
16.1 Introducción y clasificación de inversores
16.2 Diagrama de bloques
16.3 Parámetros característicos de un inversor
TEMA 6 Convertidores continua-alterna
Lección 16: Introducción
CONTINUA
Lección 16: Introducción
16.1 Introducción a los inversores
Definición
REGULADORES CA
frecuencia constante
CICLOCONVERTIDORES
frecuencia variable
RECTIFICADORES
•Controlados (tiristores)
•No controlados (diodos)
•Semicontrolados (mixtos)
INVERSORES
INTERRUPTORES ESTÁTICOS
•De continua
•De alterna
CONTINUA
CONVERTIDORES
CC/CC
Fuente de tensión
continua
Carga de alterna
•Motores de alterna
•Lámparas
•Red eléctrica
•Antenas
•Etc.
Inversor
Convertidor
continua-alterna
Dispositivos semiconductores:
-No controlados (diodos)
-Controlados (tiristores, transistores)
Dispositivos pasivos:
-Bobinas/transformadores
-Condensadores
Control:
-analógico
-digital
Tipos de Inversores:
Monofásicos
•De onda cuadrada o senoidales
•Salida en tensión o en corriente
Generalidades
Lección 16: Introducción
16.1 Introducción a los inversores
Trifásicos
•Derivados de los monofásicos o
inversor trifásico en puente.
uS
iS
Lección 16: Introducción
16.2 Diagrama de bloques
Inversor Filtro Carga
Para aplicaciones de alta potencia, son necesarias las formas de onda
senoidales de baja distorsión. También es posible reducir el contenido
armónico entregado a la carga mediante las técnicas de conmutación.
En aplicaciones de baja y media potencia, se aceptan las tensiones de salida
cuadrada o cuasi-cuadrada.
El filtro suele ser necesario para reducir el contenido armónico de la tensión
de salida y entregar una forma de onda senoidal a la carga.
Cuadrantes
Lección 16: Introducción
16.3 Características de los inversores
En general, existirán intervalos de tiempo en los cuales el inversor cede
energía a la carga. En otros intervalos, la carga devuelve energía a la fuente
primaria de energía.
uS
iS
Convertidor de
4 cuadrantes
uS
iS
pS
1n
nn0
S t··nsen·Bt··ncosA2
A)t(u
Inversores senoidales
Lección 16: Introducción
16.3 Características de los inversores
Un inversor se caracteriza por la calidad de su forma de onda de salida (que puede ser
una tensión o una corriente); Cuanto menor sea el contenido armónico de la forma de
onda de salida, más próxima será ésta a una forma de onda senoidal.
Sea uS(t) la tensión de salida del inversor Descomponemos en series de Fourier
1
KK
M
MDA
2
K
2
KK BAM
Distorsión del armónico K-ésimo Distorsión armónica total
100·M
...M...MMTHD
1
2n
23
22
12
KK
M·K
MFDA
Factor de distorsión del armónico K-ésimo Factor de distorsión armónica total
100·M
K
M
F1
2
2i
2
K
THD
TEMA 6 Convertidores continua-alterna
Lección 16: Introducción
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
17.1.1 Topologías: medio puente, push-pull y puente completo
17.1.2 Inversores alimentados en corriente
17.1.3 Filtro de salida
17.2 Regulación de un inversor
17.2.1 Control por medio de la tensión de salida
17.2.2 Control por deslizamiento de fase
17.2.3 Control por modulación de ancho de pulso (PWM)
17.2.4 Circuitos comerciales integrados
17.2.5 Circuitos autooscilantes
17.3 Inversores trifásicos
17.3.1 Implementación a partir de inversores monofásicos
17.3.2 Inversor trifásico en puente
TEMA 6 Convertidores continua-alterna
Lección 17: Inversores
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente Inversor en push-pull
Inversor en puente
completo
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga resistiva)
Ug
Q1
Q2
C1
C2
D1
D2
R iR iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uR
uR
iR
iBQ1
iBQ2
Inicialmente, suponemos carga resistiva y forma de
onda de salida cuadrada.
(si es carga resistiva, podemos prescindir de los diodos)
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga resistiva)
Ug
Q1
Q2
C1
C2
R iR iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uR
uR
iR
iBQ1
iBQ2
Intervalo 1: Q1 ON, Q2 OFF
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga resistiva)
Ug
Q1
Q2
C1
C2
R iR iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uR
uR
iR
iBQ1
iBQ2
Intervalo 2: Q2 ON, Q1 OFF
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga resistiva)
Ug
Q1
Q2
C1
C2
R iR iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uR
uR
iR
iBQ1
iBQ2
Forma de onda cuadrada ideal.
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga resistiva)
Ug
Q1
Q2
C1
C2
R iR iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uR
uR
iR
iBQ1
iBQ2
Conmutación:
Peligrosa. Si ambas están conduciendo simultáneamente se tiene un
cortocircuito
uR
iR
iBQ1
iBQ2
Se añaden tiempos muertos (δ) mucho menores que T, para evitar
solapamientos
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga reactiva)
Ug
Q1
Q2
C1
C2
D1
D2 Z iZ
iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uZ
uZ
iZ
iBQ1
iBQ2
Si suponemos carga reactiva (por ejemplo inductiva),
hay forzosamente que colocar los diodos.
El primer armónico de la tensión está desfasado con
respecto a la corriente.
iS
uS
Q1
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga reactiva)
Ug
Q2
C1
C2
D1
D2 Z iZ
iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uZ
iBQ1
iBQ2
En el intervalo de conducción de Q1, la corriente
evoluciona de forma senoidal.
Si la carga es inductiva, la corriente será mayor que
cero cuando los transistores conmuten.
iS
C1
uS
uZ
iZ
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga reactiva)
Ug
Q1
Q2
C1
C2
D1
D2 Z iZ
iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uZ
iBQ1
iBQ2
Ahora conduce Q2, pero la corriente es positiva durante
un subintervalo.
Esta corriente se cierra por D2.
Se devuelve energía a la entrada.
iS
C4
uS
uZ
iZ
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga reactiva)
Ug
Q1
Q2
C1
C2
D1
D2 Z iZ
iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uZ
iBQ1
iBQ2
Se repite el estado de conducción normal, pero ahora a
través de Q2. iS
C3
uS
uZ
iZ
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga reactiva)
Ug
Q1
Q2
C1
C2
D1
D2 Z iZ
iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uZ
iBQ1
iBQ2
Finalmente, tenemos conducción en el segundo
cuadrante (tensión positiva, corriente negativa).
Se devuelve también energía a la entrada.
uS
iS
C2
uZ
iZ
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga reactiva)
Ug
Q1
Q2
C1
C2
D1
D2 Z iZ
iQ2
iQ1
ig
uQ1
uQ2
uC1
uC2
uZ
iBQ1
iBQ2
Los diodos en antiparalelo son necesarios para permitir la circulación de
corriente en los cuadrantes 2º y 4º. En un transistor MOSFET estos diodos son
inherentes al dispositivo. En transistores bipolares es necesario poner
componentes discretos.
El desfase φ indica lo reactiva que es la carga.
φ
uZ
iZ
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en medio puente (carga reactiva)
iBQ1
iBQ2
φ
Tt2T2
U
2Tt0 2
U
)t(ug
g
S
Corriente media por los transistores
Tensión de
salida:
Esfuerzo en Q1,
Q2
g2QmaxCE
1QmaxCE
UU
U
cos12
ii
PKS
AVGQ
Valor medio de la corriente entregada por cada condensador del medio puente
cos12
ii
PKS
AVGD
Corriente media por los diodos
coscos12
ii
PKS
AVGCMP
uZ
iZ
D2
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en push-pull (carga resistiva)
Ug
Q1
Q2
D1
R
iR
iQ2
ig
uQ1
uQ2
uR
uR
iR
iBQ1
iBQ2
Se requiere un transformador de toma media que se considerará ideal (intensidad
magnetizante nula, resistencia de los devanados nula, inductancias de dispersión
nulas) Para cargas inductivas, los diodos de libre circulación son necesarios para permitir
la circulación de la corriente en los cuadrantes 2º y 4º (análogamente al caso
anterior)
D2
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en push-pull (carga resistiva)
Ug
Q1
Q2
D1
R
iR
iQ2
ig
uQ1
uQ2
uR
uR
iR
iBQ1
iBQ2
Cuando el transistor Q1 conduce, Q2 está
cortado. Sobre la carga aparece la tensión de
entrada (multiplicada por la relación de
transformación).
D2
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en push-pull (carga resistiva)
Ug
Q1
Q2
D1
R
iR
iQ2
ig
uQ1
uQ2
uR
uR
iR
iBQ1
iBQ2
En el otro subintervalo, los transistores
intercambian sus estados.
La tensión en la carga es simétrica.
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en push-pull (carga resistiva)
uR
iR
iBQ1
iBQ2
Si la carga tuviese componente inductiva o capacitiva, sería
necesario utilizar los diodos de libre circulación.
Nuevamente, el comportamiento reactivo de la carga se
caracterizaría por el desfase φ entre el primer armónico de
tensión y de corriente.
D2
Ug
Q1
Q2
D1
R
iR
iQ2
ig
uQ1
uQ2
uR
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en push-pull (carga resistiva)
uR
iR
iBQ1
iBQ2
Esfuerzos de tensión
en semiconductores
Tensión de la carga:
La corriente de entrada es
perfectamente continua:
2N
N
L
g
g
2
1R
U)t(I
gN
N
S U·U1
2
gmaxCE U2U
(configuración no adecuada
para tensiones de alimentación
altas).
El transformador de toma media tiene un grado de utilización bajo en el primario
y empeora bastante en los circuitos prácticos, por lo que no es aconsejable para
más de 10kV.
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en push-pull (carga resistiva)
uR
iR
iBQ1
iBQ2
En el caso de solapamiento, idealmente la tensión reflejada en
la salida es nula (ambos devanados de entrada soportan
tensiones opuestas).
Los solapamientos no implican cortocircuito.
D2
Ug
Q1
Q2
D1
R
iR
iQ2
ig
uQ1
uQ2
uR
En la realidad, el transformador (no ideal) no será simétrico, y
por tanto habrá problemas de saturación.
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en push-pull (carga resistiva)
D2
Ug
Q1
Q2
D1
R
iR
iQ2
ig
uQ1
uQ2
uR
Problema de la saturación:
Si se controla en modo tensión (control
Duty), es muy probable que los periodos de
encendido de los dos transistores no sean
exactamente iguales (o que los devanados
del primario no sean exactamente iguales)
A la larga, el punto medio de
funcionamiento se desplaza
hasta que el núcleo se satura
H
B
iQ3
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en puente completo (carga resistiva)
Inicialmente, suponemos carga resistiva y forma de onda de salida cuadrada.
(si es carga resistiva, podemos prescindir de los diodos)
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1 uQ4 Q4
Q3 uQ3
Q2 uQ2
iQ2
iQ4
iR
R
uR
uR
iR
iBQ1,iBQ2
iBQ3,iBQ
4
Como en el caso del medio puente, los solapes producen cortocircuitos
Se controlan 4 interruptores (en principio
dos a dos, en concreto las parejas Q1-Q2
y Q3-Q4)
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en puente completo (carga resistiva)
En la carga aparece la tensión de
entrada
En el primer subintervalo, conducen
simultáneamente Q1 y Q2 (los otros
permanecen cortados)
uR
iR
iQ3
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1 uQ4 Q4
Q3 uQ3
Q2 uQ2
iQ2
iQ4
iR
R
uR
iBQ1,iBQ2
iBQ3,iBQ
4
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en puente completo (carga resistiva)
En la carga aparece la tensión de
entrada, pero con signo contrario.
En el segundo subintervalo, los
transistores que conducen son Q3 y Q4.
uR
iR
iQ3
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1 uQ4 Q4
Q3 uQ3
Q2 uQ2
iQ2
iQ4
iR
R
uR
iBQ1,iBQ2
iBQ3,iBQ
4
iQ3
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en puente completo (carga resistiva)
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1 uQ4 Q4
Q3 uQ3
Q2 uQ2
iQ2
iQ4
iR
R
uR
Hay que evitar los solapes de los pulsos de
control (tendríamos cortocircuitada la fuente de
entrada a través de ambas ramas)
uR
iR
iBQ1,iBQ2
iBQ3,iBQ
4
iQ3
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en puente completo (carga inductiva)
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1 uQ4 Q4
Q3 uQ3
Q2 uQ2
iQ2
iQ4
iR
R
uR
Los diodos en antiparalelo son necesarios para permitir la circulación de
corriente en los cuadrantes 2º y 4º. En un transistor MOSFET estos diodos son
inherentes al dispositivo. En transistores bipolares es necesario poner
componentes discretos.
El desfase φ indica lo reactiva que es la carga.
φ
uZ
iZ
iBQ1,iBQ2
iBQ3,iBQ
4
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Inversor en puente completo (carga inductiva)
φ
uZ
iZ
Tt2TU
2Tt0 U)t(u
g
g
S
Corriente media por los transistores
Tensión de
salida:
g2QmaxCE
1QmaxCE
UU
U
cos12
ii
PKS
AVGQ
Valor medio de la corriente entregada por la fuente
cos12
ii
PKS
AVGD
Corriente media por los diodos
coscos1i
iPKS
AVGCMP
iBQ1,iBQ2
iBQ3,iBQ
4
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos: inversores alimentados en corriente
Cargas alternas en corriente
•Alimentación de motores CA mediante una fuente de
intensidad de frecuencia controlada que permita variar la
velocidad.
•Lámparas de descarga
•Caldeo por inducción
•Algunos actuadores industriales Fuente
de
corriente
continua
Cargas que funcionan con corriente alterna
Inversor
alimentado
en corriente
Fuente
de
corriente
alterna
Fuente
de
tensión
continua
+
Inductanci
a
=
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos: inversores alimentados en corriente
Puente completo en corriente
La corriente de entrada es continua.
Siempre debe poder circular, por tanto los
solapamientos son, en este caso,
obligatorios.
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1
uQ2
iZ Z
uZ
L
uR
iR
iBQ
1
D1
Q4
iQ4
uQ4 D4
Q3
iQ3
uQ3 D3
Q2
iQ2
uQ2 D2
Los diodos en serie soportan picos de
tensión en las conmutaciones.
iBQ
2
iBQ
3
iBQ
4
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos: inversores alimentados en corriente
Puente completo en corriente
Inicialmente, la corriente se cierra por la
carga.
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1
uQ2
iZ Z
uZ
L
uR
iR
iBQ
1
D1
Q4
iQ4
uQ4 D4
Q3
iQ3
uQ3 D3
Q2
iQ2
uQ2 D2
iBQ
2
iBQ
3
iBQ
4
Q1 y Q2 conducen; Q3 y
Q4 apagados
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos: inversores alimentados en corriente
Puente completo en corriente
Q1 y Q4 intercambian sus estados; Q2
permanece conduciendo. La corriente se
cierra a través de Q2 y Q4.
Por la carga no circula corriente.
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1
uQ2
iZ Z
uZ
L
uR
iR
iBQ
1
D1
Q4
iQ4
uQ4 D4
Q3
iQ3
uQ3 D3
Q2
iQ2
uQ2 D2
iBQ
2
iBQ
3
iBQ
4
Q1 y Q3 conducen; Q2 y
Q4 apagados
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos: inversores alimentados en corriente
Puente completo en corriente
Q2 y Q3 conmutan; la corriente se cierra a
través de Q3 y Q4; por la carga pasa
corriente negativa.
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1
uQ2
iZ Z
uZ
L
uR
iR
iBQ
1
D1
Q4
iQ4
uQ4 D4
Q3
iQ3
uQ3 D3
Q2
iQ2
uQ2 D2
iBQ
2
iBQ
3
iBQ
4
Q3 y Q4 conducen; Q1 y
Q2 apagados
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos: inversores alimentados en corriente
Puente completo en corriente
Nuevo solapamiento; la corriente se cierra a
través de Q1 y Q3. LA corriente por la carga
es nula.
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1
uQ2
iZ Z
uZ
L
uR
iR
iBQ
1
D1
Q4
iQ4
uQ4 D4
Q3
iQ3
uQ3 D3
Q2
iQ2
uQ2 D2
iBQ
2
iBQ
3
iBQ
4
Q1 y Q3 conducen; Q2 y
Q4 apagados
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos: inversores alimentados en corriente
Puente completo en corriente
La corriente de entrada es continua.
Siempre debe poder circular, por tanto los
solapamientos son, en este caso,
obligatorios.
Ug
Q1
iQ1
ig
uQ1
uQ2
iZ Z
uZ
L
uR
iR
iBQ
1
D1
Q4
iQ4
uQ4 D4
Q3
iQ3
uQ3 D3
Q2
iQ2
uQ2 D2
Los diodos en serie soportan picos de
tensión en las conmutaciones.
iBQ
2
iBQ
3
iBQ
4
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos: inversores alimentados en corriente
Push-pull alimentado en corriente
La corriente de entrada es continua.
Siempre debe poder circular, por
tanto los solapamientos son, en este
caso, obligatorios.
iQ1
L
Los diodos en serie soportan picos
de tensión en las conmutaciones. D2
Ug
Q1
Q2
D1
R
iR
iQ2
ig
uQ1
uQ2
uR
Si el control es también en modo
corriente, se soluciona el problema
de la saturación del núcleo.
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
El inversor clase E
El circuito está pensado para que el ciclo
de trabajo sea D=0,5
El circuito resonante LRES-CRES hace que la
corriente de salida sea senoidal (filtro
resonante). Además, la frecuencia de
conmutación se hace igual a la resonante
iR
uC
La bobina de entrada, Lg, es muy grande;
(inversor alimentado en corriente): ig es
continua
ig
iQ iD
iC
C
CRES LRES
Lg
Ug Q D
T/2
T
ig
iR
it
iC
iD
uC
R
¡¡No vale cualquier valor de R!!
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
El inversor clase E
iR
uC
Inicialmente, el transistor está encendido
(se sincroniza este instante con el que
hace iT=0
ig
iQ iD
iC
C
CRES LRES
Lg
Ug Q D
T/2
T
ig
iR
iQ
iC
iD
uC
R
La corriente por el transistor evoluciona
como la senoide más la continua de
entrada.
Al cabo de T/2, el transistor se corta (ciclo
de trabajo fijado a 50%)
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
El inversor clase E
iR
uC
La corriente que antes circulaba por el
transistor pasa a circular por el
condensador
ig
iQ iD
iC
C
CRES LRES
Lg
Ug Q D
T/2
T
ig
iR
iQ
iC
iD
uC
R
La evolución de la tensión del condensador
es como se representa en la figura (se
parte de una tensión inicial nula en el
condensador) La carga óptima es aquella que hace que
justo tras otros T/2 la tensión en el
condensador se haga nula.
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
El inversor clase E
iR
uC
ig
iQ iD
iC
C
CRES LRES
Lg
Ug Q D R
T/2
T
ig
iR
iQ
iC
iD
uC
Para carga subóptima (R menor que la
óptima), la tensión se hace nula en el
condensador ANTES de T/2;
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
El inversor clase E
iR
uC
ig
iQ iD
iC
C
CRES LRES
Lg
Ug Q D R
T/2
T
ig
iR
iQ
iC
iD
uC
Desde que la tensión se hace cero,
comienza a conducir el diodo D.
La corriente sigue evolucionando a través
del diodo (el filtro LRES-CRES obliga a que
sea senoidal)
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
El inversor clase E
iR
uC
Tanto el encendido como el apagado del
transistor se producen a tensión cero.
Además, el encendido se produce a
corriente cero. Muy buenas conmutaciones,
poco ruido EMI
ig
iQ iD
iC
C
CRES LRES
Lg
Ug Q D
T/2
T
ig
iR
iQ
iC
iD
uC
R
Para que todo funcione bien, los márgenes
posibles de valores de R son muy
estrechos. LRES y CRES soportan esfuerzos grandes.
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Filtros resonantes
Forma de onda a
la salida de un
inversor
Forma de onda
necesaria en algunas
cargas
+
=
Filtro resonante
(Inductancias y
condensadores)
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Filtros resonantes
Inversor
ZSER
ZPAR
ZC
AR
GA
El filtrado final depende de la carga. Por ello, suele diseñarse el filtro en
vacío Interesa que los
armónicos superiores
sean muy pequeños, es
decir:
uSI uCARG
A
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Filtros resonantes
Filtro LC serie
uSI uCARG
A
L C
Filtro LC paralelo
uSI uCARG
A
L C
|A| dB
|A| dB
log(f)
log(f)
Vacío
Carga
Vacío
Carga
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Filtros resonantes
Filtro LCC serie-paralelo
uSI uCARG
A
L CS
Filtro LLC serie-paralelo
uSI uCARG
A
LS
C
|A| dB
|A| dB
log(f)
log(f)
Vacío
Carga
Vacío
Carga
CP
LP
Lección 17: Inversores
17.1 Inversores monofásicos
Filtros resonantes
Filtro LCLC serie-paralelo
uSI uCARG
A
CS LS
|A| dB
log(f)
Vacío
Carga
CP
LP
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Control de la tensión de entrada al inversor mediante etapa intermedia
1.- Desde continua (batería, paneles solares…)
2.- Desde alterna (monofásica o trifásica)
Control en tensión del inversor
1.- Deslizamiento de fase (phase shift)
2.- Modulación de ancho de pulso (Pulse Width Modulation, PWM)
2.1.- PWM unipolar
2.2.- PWM bipolar
3.- Circuitos integrados específicos
Inversores autooscilantes
1.- Principio de funcionamiento
2.- Arranque
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Control de la tensión de entrada: desde continua (batería, paneles solares…)
El inversor trabaja a frecuencia fija y con ancho de pulso constante. Variamos
la tensión de entrada en el inversor actuando en un convertidor CC-CC entre
la entrada y el propio inversor (en el ejemplo, un reductor).
Inversor
Control
Driver
Así, se tiene un buen comportamiento dinámico
(respuesta del sistema ante variaciones en la
referencia o en la carga.
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Control de la tensión de entrada: desde alterna (monofásica o trifásica)
El inversor trabaja a frecuencia fija y con ancho de pulso constante. Variamos
la tensión de entrada en el inversor actuando en un rectificador totalmente
controlado (más un filtro LC).
Inversor
Así, se tiene un buen comportamiento dinámico
(respuesta del sistema ante variaciones en la
referencia o en la carga.
Control
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Control por desplazamiento de fase (phase shift; clamped mode)
Ug
Q1
ig
Q4
Q3
A
Q2
iR
R
uR
uR
iBQ2
iBQ4
B
iBQ1
iBQ3
uA
uB
φ
Al variar el valor del desfase, φ, varía el valor
de la amplitud del primer armónico de la
tensión de salida (aunque no su frecuencia)
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Control por desplazamiento de fase (phase shift; clamped mode)
Ug
Q1
ig
Q4
Q3
A
Q2
iR
R
uR
uR
iBQ2
iBQ4
B
iBQ1
iBQ3
uA
uB
φ
Valor eficaz de la
tensión de
salida:
·Uu gRMSR
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Control PWM bipolar
uAB
iBQ2
iBQ1 Filtro
Señal de
control
uR
Ug
Q1
Q2
A
R
B
2
Ug
2
Ug
uRE
F
uTRI
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Control PWM bipolar
uR
uAB
Filtro
uR
Ug
Q1
Q2
A
R
B
2
Ug
2
Ug
La onda de referencia (senoidal), se
compara con una onda triangular de
alta frecuencia.
La tensión media en cada periodo de
conmutación de la onda modulada
de salida es igual al valor
instantáneo de la tensión que se
desea obtener.
El valor medio del valor instantáneo
de salida uS(t) es proporcional a la
onda de referencia uREF(t):
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Control PWM bipolar
CT
1t 2t
uTRI
uRE
F
PEAKTRIU
uAB 2
Ug
2
Ug
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Control PWM bipolar
CT
1t 2t
uTRI
uRE
F
PEAKTRIU
uAB 2
Ug
2
Ug
Factor de
modulación de
frecuencia: fC = frecuencia de conmutación de
los interruptores.
f1 = frecuencia de la onda de
referencia, que coincide con la del
primer armónico de la onda de
salida.
Factor de
modulación de
amplitud: UREF<PEAK> = Valor de pico de la onda
senoidal de referencia.
UTRI<PEAK> = Valor de pico de la
onda triangular. (Normalmente se
mantiene constante).
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Control PWM unipolar
uAB
iBQ2
iBQ1 Filtro
uR
Ug
Q3
Q2
A
R
B
gU
gU
uA
uB
Q1
Q4
Con un inversor en puente completo, se
pueden controlar las dos ramas de forma
independiente para generar una onda de
salida unipolar.
La frecuencia de la onda cuadrada es el
doble de la que se obtiene con el método
bipolar (filtro más pequeño).
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Circuitos integrados
específicos
IR2110
14 pines.
Tensión flotante máxima: 600V.
Salidas sup. e inf. en fase con la
entrada.
Salida: 10-20V.
Tiempo de propagación: 120ns.
Aplicación: Inversores en puente
completo.
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Circuitos integrados
específicos
IR2111
8 pines.
Tensión flotante máxima: 600V.
Salidas sup. e inf. en oposición de
fase con la entrada.
Salida: 10-20V.
Tiempo muerto: 700ns.
Aplicación: Inversores en medio
puente.
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
Circuitos integrados
específicos
IR2153
8 pines.
Tensión flotante máxima: 600V.
Salidas sup. e inf. en oposición de
fase con la entrada.
Salida: 10-20V.
Tiempo muerto: 1,2 ms.
Oscilador interno 20-100 kHz (tipo
555).
Aplicación: Inversores en medio
puente.
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Control en modo tensión (control de la tensión de salida del inversor)
El problema de la alimentación de los interruptores no referidos a masa (técnica
Boot-Strap)
IR211
1
IR211
1
¿Cómo se alimentan los interruptores no referidos a masa? (La fuente / emisor
de estos interruptores está referido a una referencia flotante, que puede variar
entre masa y unos cientos de voltios)
15V 15V
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Inversores autooscilantes
•Solución autoexcitada a partir de devanados auxiliares.
•Todas las bobinas están acopladas en el mismo núcleo magnético.
•Muy económico para aplicaciones de baja potencia (p.e. fluorescentes).
•Tensión de salida no regulada.
Q1
Q2
VCC
RB2
RB1
R
H
B
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Inversores autooscilantes
Principio de funcionamiento
Q2
Q1
Ug
RB1
RB2
Z
ZEQ
’
Lµ
Ug
Sea Q1 saturado;
Se aplica una tensión continua (Ug) a la
inductancia magnetizante (Lµ); Aparece una
corriente por la base de Q1 que crece
linealmente, y que asegura la conducción.
t·U·L
1)0(idt·U·
L
1)t(i g
t
0g
(ZEQ’ representa RB1 y Z reducidas al
devanado del circuito de colector).
El flujo magnético también variará
linealmente.
H
B iB1
iC1
uT
R
1
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Inversores autooscilantes
Principio de funcionamiento
La corriente por la magnetizante aumenta
linealmente (µ = µL).
El transistor está saturado; en la carga aparece la tensión U1 (depende de Ug y de
la rt)
iC1
iµ
uC1
uZ
La corriente por el colector será la suma de
una corriente constante más la magnetizante
(aumenta linealmente con el tiempo).
U1
iB1
uTR
1
H
B iC1
uC1
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Inversores autooscilantes
Principio de funcionamiento iC1
iµ
uC1
uZ
U1
iB1
uTR
1
H
B iC1
uC1
Cuando la corriente magnetizante aumenta
mucho, el núcleo se satura (la µ efectiva
disminuye).
La inductancia magnetizante disminuye mucho
iµ crece mucho más
todavía (entramos
en zona activa)
Disminuye el
acoplamiento:
uTR1 disminuye
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Inversores autooscilantes
Principio de funcionamiento iC1
iµ
uC1
uZ
U1
iB1
uTR
1
H
B iC1
uC1
Cuando uTR1 disminuye mucho, la corriente
por la base del transistor es tan pequeña que
este se corta
La corriente que circulaba por el colector
provoca una sobretensión en la inductancia
magnetizante que pone en conducción el
transistor Q2
Se repite el ciclo con polaridad opuesta.
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Inversores autooscilantes
Cálculo de la frecuencia de
oscilación
H
B
dt
dNUg
)0(dt·U·
N
1A)t(B)t(
t
0ge
esatBe ABt·U·N
1A)·t(B
Si partimos desde la saturación negativa (-
Bsat):
El flujo magnético será:
Al cabo de T/2 se alcanza la saturación positiva
(+Bsat): esatgesat A·B
2
T·U·
N
1A·B
Operando:
esat
g
ANB4
U
T
1f
Lección 17: Inversores
17.2 Control de inversores
Inversores autooscilantes
Se tiene el problema del arranque.
Q1
Q2
VCC
RB2
RB1
R
Inicialmente, los dos transistores están
cortados y no aparece tensión en los
devanados del transformador, con lo
que la salida es nula
permanentemente.
El arranque inicial suele ser
problemático.
Existen muchas soluciones basadas en
hacer conducir ligeramente uno de los
transistores (como la mostrada en la
figura).
A veces las propias diferencias de los
transistores pueden producir el
arranque espontáneo del inversor.
RARRANQU
E
Lección 17: Inversores
17.3 Inversores trifásicos
Implementación a partir de inversores monofásicos
Lo más sencillo es colocar 3 inversores independientes, decalarlos 120º y
conectarlos según el tipo de carga, en Δ o Y.
Carga en Y: El terminal de menos
tensión de las salidas se conecta a un
punto común y los inversores
proporcionan (UR, US, y UT).
Inversor
DC/AC
Inversor
DC/AC
Inversor
DC/AC
Inversor
DC/AC
Inversor
DC/AC
Inversor
DC/AC
Carga en Δ: Las salidas se colocan en
serie. Tendríamos URS, UST, UTR (La
conmutación de los interruptores debe
coordinarse adecuadamente para evitar
cortocircuitar la tensión de entrada, que es
común).
Lección 17: Inversores
17.3 Inversores trifásicos
Implementación a partir de inversores monofásicos
Inversor puente completo trifásico en serie (carga en Δ).
Hay 6 interruptores redundantes, que se pueden quitar (el circuito
funcionaría igual). De hecho este circuito da lugar al inversor trifásico en
puente.
Lección 17: Inversores
17.3 Inversores trifásicos
Inversor en puente trifásico
La conmutación de cada una de las
ramas, desfasada 120º permite obtener
un sistema trifásico de tensiones.
Básicamente para cargas en Δ. Pero,
también es válido para cargas en Y si son
equilibradas.
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q1 ON Q2 OFF
Q1 OFF Q2 ON
Q3 ON Q4 OFF
Q3 OFF Q4 ON
Q5 ON Q6 OFF
Q5 OFF Q6 ON
UR
UR
US
US
UT
UT
UR
S
US
T
UT
R