CAPITULO VIICAPITULO VIITEORIA DE LOS INVERSORES TEORIA DE LOS INVERSORES

DE TENSIONDE TENSION

IntroducciónIntroducciónLos inversores de tensión son Los inversores de tensión son conversoresconversores estáticos, destinados estáticos, destinados a controlar el flujo de energía eléctrica entre una fuente de a controlar el flujo de energía eléctrica entre una fuente de tensión continua tensión continua y una fuente de y una fuente de corriente alternacorriente alterna, , monofasicamonofasica o o polifásica con control de los niveles de tensión y de la frecuencia polifásica con control de los niveles de tensión y de la frecuencia dependiendo de la aplicación.dependiendo de la aplicación.

Las principales aplicaciones de los inversores de tensión son:Las principales aplicaciones de los inversores de tensión son:

--Accionamiento de maquinas eléctricas de corriente alternaAccionamiento de maquinas eléctricas de corriente alterna--Calentamiento inductivoCalentamiento inductivo--Sistemas de alimentación ininterrumpidaSistemas de alimentación ininterrumpida--Transmisión de energía en corriente continúaTransmisión de energía en corriente continúa--Fuentes de respaldo y poderFuentes de respaldo y poder--Instalaciones de energía solar voltaicaInstalaciones de energía solar voltaica--Reactores Reactores electronicoselectronicos para para lamparaslamparas de descargade descarga--etc.etc.

CLASIFICACION:CLASIFICACION:

Los inversores de tensión se clasifican en:Los inversores de tensión se clasifican en: Inversores monofasicosInversores monofasicos Inversores trifásicosInversores trifásicosSegún el funcionamiento se clasifican enSegún el funcionamiento se clasifican en Autónomos (no están conectados a ninguna fuente de Autónomos (no están conectados a ninguna fuente de

corriente alterna)corriente alterna) No autónomos (conectados a la red eléctrica).No autónomos (conectados a la red eléctrica).

Símbolo del inversor autónomo.

Inversores monofasicosInversores monofasicos a )Inversor monofasico en puentea )Inversor monofasico en puenteLa estructura del inversor esta representado en la figura 7.1, los La estructura del inversor esta representado en la figura 7.1, los

interruptores son comandados en el cierre y en la apertura.interruptores son comandados en el cierre y en la apertura.

a.1) Carga resistivaa.1) Carga resistiva

Figura 7.1 Estructura del inversor puente

Cuando Q1 y Q2, conducen, la tensión de Cuando Q1 y Q2, conducen, la tensión de carga es igual a E, y cuando Q3 y Q4 carga es igual a E, y cuando Q3 y Q4 conducen ella es igual a conducen ella es igual a ––E.E.

Figura 7.2 Formas de ondas de tensión y corriente

El voltaje eficaz en la carga:

T

oeff dtET

V0

21

Entonces:

EVoeff La tensión en series de Fourier sera:

,..5,3,1

)(4n

AB nwtsenn

EV

El valor eficaz para la fundamental será:

24

1EV effAB

Distorsión total armónica (THD).Distorsión total armónica (THD).--Es una medida de la similitud entre la forma de onda y su componente fundamental

effAB

n

VV

THD1

2/12

En función de los voltajes:

effAB

effABoeff

VVV

THD1

122

Factor Armónico de la enésima componente

lfundamentacompeficazValorarmonicacompenesimaeficazValor

VV

HeffAB

nFn ...

....

1

Es una medida de la contribución armónica individual definida por:

Carga inductivaCarga inductiva

Figura 7.3 Estructura Inversor con carga RL

En caso de carga inductiva es necesario adicionar en paralelo con la carga diodos de rueda libre (D1,D2,D3 y D4).

Etapas de funcionamientoEtapas de funcionamientoEste inversor tiene cuatro etapas de funcionamientoEste inversor tiene cuatro etapas de funcionamiento

S1 y S4 en conducciónS1 y S4 en conducciónS2 y S3 en corteS2 y S3 en corte→→ Vc=E, D1 y D4 en corteVc=E, D1 y D4 en corte

S1 y S4 en corteS1 y S4 en corteS2 y S3 en conducciónS2 y S3 en conducción→→ Vc = Vc = --E, D2 y D3 en conducciónE, D2 y D3 en conducción

S1 y S4 en corteS1 y S4 en corteS2 y S3 en conducciónS2 y S3 en conducción→→ Vc = Vc = --E, D2 y D3 en corteE, D2 y D3 en corte

S1 y S4 en conducciónS1 y S4 en conducciónS2 y S3 en corte, Vc = E, D1 y D4 en conducciónS2 y S3 en corte, Vc = E, D1 y D4 en conducción

Como la carga es inductiva la corriente debe continuar Como la carga es inductiva la corriente debe continuar circulando en el mismo sentido, para que esto ocurra D2, D3 circulando en el mismo sentido, para que esto ocurra D2, D3 conducen hasta que la corriente sea cero, cuando la conducen hasta que la corriente sea cero, cuando la corriente se anula entonces se invierte la polaridad de la corriente se anula entonces se invierte la polaridad de la tensión en la carga y la corriente circula por S2 y S3. Para tensión en la carga y la corriente circula por S2 y S3. Para que el circuito funcione correctamente es necesario que la que el circuito funcione correctamente es necesario que la fuente E sea reversible en corriente.fuente E sea reversible en corriente.

Figura 7.4 Formas de ondas de tensión y corriente

Inversor con punto medioInversor con punto medio

Figura 7.5 Inversor con punto medio

Figura 7.6 Formas de onda

Inversor Push Inversor Push –– PullPull

Este circuito es uno de los primeros Este circuito es uno de los primeros empleados industrialmente, se adapta a empleados industrialmente, se adapta a bajas frecuencias y bajas potencias, bajas frecuencias y bajas potencias, presenta las siguientes características:presenta las siguientes características:

Emplea un transformador con punto medioEmplea un transformador con punto medio Emplea una fuente de corriente continuaEmplea una fuente de corriente continua Emplea dos InterruptoresEmplea dos Interruptores La carga esta aislada de la fuenteLa carga esta aislada de la fuente

Carga resistivaCarga resistiva

Figura 7. 8 Formas de ondas tensión y corriente

Figura 7. 7 Inversor Push Pull carga resistiva

Carga inductivaCarga inductiva

Figura 7.9 Inversor Push Pull carga RL

Figura 7.10 Formas de ondas de tensión y corriente

Inversores trifásicosInversores trifásicosEstos Estos conversoresconversores se utilizan en se utilizan en

aplicaciones de alta potencia, con la aplicaciones de alta potencia, con la característica de que los secundarios de característica de que los secundarios de los transformadores se conectan los transformadores se conectan normalmente en estrella para de esta normalmente en estrella para de esta forma eliminar los armónicos de orden 3 forma eliminar los armónicos de orden 3 (n=3, 6,9…), de la tensión de salida.(n=3, 6,9…), de la tensión de salida.Se tiene dos modos diferentes de Se tiene dos modos diferentes de

operación:operación: Conducción de dos interruptores Conducción de dos interruptores ( conducción a 120( conducción a 120°°)) Conducción de tres interruptores Conducción de tres interruptores ( conducción a 180( conducción a 180°°))

Pueden alcanzar frecuencias de hasta Pueden alcanzar frecuencias de hasta 50 50 KhzKhz, y en , y en monofasicosmonofasicos hasta 500 hasta 500 Khz.Khz.

Conducción de dos interruptoresConducción de dos interruptoresEn cada instante existen dos interruptores en conducción, uno En cada instante existen dos interruptores en conducción, uno en el brazo positivo y el otro en el brazo negativo, cada en el brazo positivo y el otro en el brazo negativo, cada interruptor es habilitado durante 120interruptor es habilitado durante 120°°..

a) Carga en estrella

Secuencia de disparo S1S5, S1S6, S6S2, S2S4, S4S3, S3S5

Tensiones de fase

Para la tensión de línea:

EEEVVV BNANAB

22

b) Carga conectada en triangulob) Carga conectada en trianguloSecuencia de disparo de los interruptores:

S1S5, S1S6, S6S2, S2S4, S4S3, S3S5

Estructura del inversor a 120º carga en triangulo

Voltaje de línea carga conectada en triangulo

Conducción de tres interruptoresConducción de tres interruptoresa) Carga en estrellaLa secuencia de disparo es:S1S5S3, S6S5S1, S1S2S6, S2S6S4, S3S4S2 y S4S5S3

Estructura Inversor a 180º carga en estrella

Primera etapa de funcionamientoDel circuito obtenemos:

CNAN VE

RR

ER

V

3

2

23

2EVBN

Analizando las seis etapas de funcionamiento del inversor obtenemos las Analizando las seis etapas de funcionamiento del inversor obtenemos las siguientes curvas para la tensión de línea y de fase para carga resistiva.siguientes curvas para la tensión de línea y de fase para carga resistiva.

Tensiones de fase

Tensiones de línea

Carga en trianguloCarga en trianguloLa secuencia de disparo es:S1S5S3, S6S5S1, S1S2S6, S2S6S4, S3S4S2 y S4S5S3

Inversor a 180º carga en triangulo

Voltajes de línea carga conectada en triangulo

oAoBBA VVV

BoAoAB VVV

CoBoBC VVV

AoCoCA VVV

oNoAAN VVV

NoANAo VVV

NoBNBo VVV

NoCNCo VVV

3CoBoAo

NoVVV

V

332 CoBo

AoANVV

VV

332 AoCo

BoBNVV

VV

332 BoAo

CoCNVVVV

Análisis de ecuaciones conducción a 180º carga en estrella

Sumando:

Del diagrama tenemos:

Del diagrama:

sennwtn

EVn

Ao

..5,3,1 2

4

)120(24

..5,3,1

wtsennn

EVn

Bo

)120(24

..5,3,1

wtsennn

EVn

Co

6/6

cos4..5,3,1

wtsennnn

Evn

AB

2/6

cos4..5,3,1

wtsennnn

Evn

BC

6/76

cos4..5,3,1

wtsennnn

Evn

AC

Del grafico:Combinando ecuaciones:

BoAoAB VVv

Obtenemos:

wtsennnnEv

nAN

..5,3,1 6cos

34

3/26

cos34

..5,3,1

wtsennnnEv

nBN

3/26

cos34

..5,3,1

wtsennnnEv

nCN

nwtsennn

nwCnwljRn

Eian ..5,3,1

2/122

6cos

13

4

RnwC

nwlarctgn

1

Voltajes de fase:

Corriente carga RCL:

Con:

3

2

0

22

22

dwtEV ABef

EV ABef 32

32

3EV

V ABefANef

EEVV ABMAX

ABef 7797,02

322

11

EV

V ABefANef 450,0

31

1

Voltaje eficaz de línea

Voltaje de fase

Voltaje eficaz de línea de la fundamental

Voltaje eficaz de fase de la fundamental

66cos2

..5,3,1

wtsennnn

Evn

AN

26cos2

..5,3,1

wtsennnn

Evn

BN

67

6cos2

..5,3,1

wtsennnn

Evn

CN

3/6

cos32..5,3,1

wtsennnnEv

nAB

3/6

cos32..5,3,1

wtsennnnEv

nBC

wtsennnnEv

nAC

..5,3,1 6cos32

CONDUCCION A 120º

Voltaje de fase Voltaje de línea

SimulaciónSimulación Inversor con punto medio con Inversor con punto medio con carga RLcarga RL

Estructura de simulación

Formas de onda tensión y corriente

M1

IRF640

M2

IRF640

M3

IRF640

M4

IRF640

M5

IRF640

M6

IRF640

V1220

V2220

V3

TD = 0

TF = 0PW = 15MPER = 30M

V1 = 0

TR = 0

V2 = 50

V4

TD = 15M

TF = 0PW = 15MPER = 30M

V1 = 0

TR = 0

V2 = 50

V5

TD = 10M

TF = 0PW = 15MPER = 30M

V1 = 0

TR = 0

V2 = 50

V6

TD = 25M

TF = 0PW = 15MPER = 30M

V1 = 0

TR = 0

V2 = 50V7

TD = 5M

TF = 0PW = 15MPER = 30M

V1 = 0

TR = 0

V2 = 50

V8

TD = 20M

TF = 0PW = 15MPER = 30M

V1 = 0

TR = 0

V2 = 50 R1

10R2

10R3

10

I

V-V+

R4

100

R5

100

R6

100

R7

100

R8

100

R9

100

0

L1

100mh

1 2

L2

100mH

1 2

L3

100mH

1 2

Inversor a 180 carga RL conectada ven estrella.

Time

0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms 180msV(M4:d,L3:2) I(L1)

-300

-200

-100

-0

100

200

300Voltaje de fase y corriente por la carga