Clase 4 - Inversores_2011_1

8/7/2019 Clase 4 - Inversores_2011_1

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Electrnica de Potencia I

Inversores


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INTRODUCCION

Se conocen como inversoresinversores. Cambia un voltaje CD a un voltaje CA, con la

magnitud y frecuencia deseadas. El voltaje de salida y la frecuencia pueden ser

fijos o variables.

Entrada de CD variable con Ganancia constante salida variable.

Entrada en CD fijo con Ganancia variable salida variable ( PWM)


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Ganancia del inversor: Voltaje de salida en CA entre Voltaje de entrada en CD.

Inversor ideal: Formas de onda del voltaje senoidales.

Inversor real: Contienen ciertas armnicas.

Con respecto a las armnicas:

Mediana y baja potencia:Aceptable

Alta potencia: Necesario onda senoidales de baja distorsin.

Es posible minimizar o reducir significativamente el contenido de armnico del

voltaje de salida mediante las tcnicas de conmutacin.

INTRODUCCION


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Aplicaciones: Propulsin de motores de CA de velocidad variable, Calefaccin

por induccin. Fuentes de respaldo y las de poder Alimentaciones

ininterrumpibles de potencia (UPS)

Entradas: Batera, celda solar, fuente de cd.

Salidas monofsicas tpicas son (1) 120 V a 60 Hz, (2) 220 V a 50 Hz y (3) 115

V a 400 Hz.

Salida trifsica: 220/380 V a 50 Hz, 120/208 V a 60 Hz y 115/200 V a 400 Hz.

Tipos: Inversores monofsicos e inversores trifsicos.

Compuesto por: BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO o tiristores de

conmutacin forzada

Segn el circuito intermedio: inversor alimentado por voltaje (VFI) inversor

alimentado por corriente (CFI) inversor enlazado en cd variable.

INTRODUCCION


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PRINCIPIO DE OPERACION

InversoresInversores monofsicosmonofsicos:

Cuando Q1 est activo durante el tiempo To/2, el voltaje instantneo a travs de

la carga Vo es Vs/2. Si slo el transistorQ2est activo durante un tiempo To/2,aparece el voltaje -Vs/2 a travs de la carga. El circuito lgico debe disearse de

tal forma que Q1y Q2no estn activos simultneamente.

Este inversor requiere de una fuente de cd de tres conductores, cuando un

transistor est inactivo, su voltaje inverso es Vs. Conocido como IInversornversor dede

mediomedio puentepuente.


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El voltaje rms de salida se puede encontrar a partir de:

El voltaje instantneo en series de Fourier es:

El voltaje de la componente fundamental es:

Con carga inductiva, si Q1 es desactivado en t = To/2,

Icarga fluir por D2, la carga y la mitad inferior de la fuente

de CD, hasta que la corriente llegue a cero. Cuando Q2se

desactiva en t=To, Icarga fluir a travs de D1, la carga y la

mitad superior de la fuente de CD. Si D1 o D2conducen,

la energa es retroalimentada a la fuente de cd (diodos de

retroalimentacin). Para una carga puramente inductiva,

un transistor conduce nicamente durante To/2 (es decir

90). Dependiendo del factor de potencia de la carga, el

.perodo de conduccin de un transistor vara desde 90

hasta 180.

Los transistores requieren de un cierto tiempo de

activacin y desactivacin.


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Para una carga RL:

Para la componente fundamental:

Parmetrosde Rendimiento:Parmetrosde Rendimiento:

La calidad de un inversor se evala por:

Factor armnico de la ensima componente (HFn):

Contribucin armnica individual:

Distorsin total armnica (THD): Medida de la similitudentre la forma de onda y su componente fundamental.

Armnica de menor orden LOH. Componente ms cercana a la fundamental, cuya amplitud

es mayor que o igual al 3% de la componente fundamental


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INVERSORES MONOFASICOSEN PUENTE

Est formado por cuatro pulsadores. Cuando los transistores Q1 y Q2se activan

simultneamente, el voltaje de entrada Vs aparece a travs de la carga. Si los

transistores Q3 y Q4, se activan al mismo tiempo, el voltaje a travs de la carga seinvierte, y adquiere el valor-Vs.


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Voltaje rms de salida:

Voltaje de salida en forma de Fourier:

El valor de la fundamental:

Corriente instantnea:

INVERSORES MONOFASICOSEN PUENTE

)(R

LnArcTan

n

[U !


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Para aplicaciones de alta potencia. Tres inversores monofsicos de medio puente

(o de puente completo) pueden conectarse en paralelo. Las seales estan

desfasadas 120 uno con respecto al otro. Los embobinados primarios del

transformador deben aislarse unos de otros, en tanto que los embobinados

secundarios pueden quedar conectados en estrella (que elimina armnicas

mltiplos de tres) o en delta. Este dispositivo requiere de tres transformadores

monofsicos, 12 transistores y 12 diodos.

INVERSORESTRIFASICOS


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Se puede obtener una salida trifsica con seis transistores y seis diodos. A los

transistores se les puede aplicar dos tipos de seales de control: conduccin a

180 o conduccin a 120.

INVERSORESTRIFASICOSConduccina 180

ConduccinConduccin aa 180180

Cada TR conduce 180. Tres transistores se mantienen

activos durante cada instante. Cuando Q1 est activado,

a se conecta con la terminal positiva. Cuando Q4, est

activado a se lleva a la terminal negativa. En cada ciclo

existen seis modos de operacin, de 60. Los transistoresse numeran segn su secuencia de excitacin (por

ejemplo 123, 234, 345, 456, 561, 612). Las seales de

excitacin mostradas en la figura 10-5b estn

desplazadas 60 unas de otras, para obtener voltajes

trifsicos balanceados (fundamentales).


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Las carga pueden conectarse en estrella o

en delta.


Hay tres modos de operacin: Estrella.

TR: 561, 612, 123, 234, 345, 456


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El voltaje instantneo lnea a lnea Vab se puede expresar en una serie de Fourier,

reconociendo que Vab est desplazada en /6 y las armnicas pares son cero

Observamos queenlosvoltajeslneaalnealasarmnicasmltiplosdetresObservamos queenlosvoltajeslneaalnealasarmnicasmltiplosdetres(n =(n = 3, 9, 15,...) soncero.3, 9, 15,...) soncero.

El voltaje rms lnea a lnea:

El voltaje rms lnea a lnea ensimo:

El voltaje rms lnea a lnea fundamental:

El voltaje rms de fase:



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Inversor Trifsico con carga RL

Con cargas resistivas, los diodos no tienen funcin. Si la carga es inductiva,

Cuando el transistorQ4 est desactivado, la nica trayectoria para la corriente

de lnea negativa ia es a travs de D1 hasta que se invierta la polaridad de la

corriente de la carga en el tiempo t = t1. El tiempo de conduccin de los

transistores y de los diodos depende del factor de potencia de la carga.

La corriente de lnea ia para una carga RL est dada por



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Cada transistor conduce durante 120. En cualquier instante del tiempo, slo

conducen dos transistores 61, 12, 23, 34, 45, 56, 61. Hay tres modos de

operacin en un medio ciclo (estrella).

Modo 1: 0< t< /3, conducen los transistores 1 y 6.

Modo 2: /3 < t< 2/3, conducen los transistores 1 y 2.

Modo 3: 2/3 < t< , conducen los transistores 2 y 3.


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La tensin de entrada al inversor es Ud, que la proporciona el rectificador de entrada. El

inversor acta como un conmutador va comunicando esta tensin a las diversas ramas a

travs de sus semiconductores que responden a las rdenes de los dispositivos de control

de encendido. Permanecen cerrados o abiertos durante unos lapsos temporalesdeterminados funcin de la frecuencia de salida y de la secuencia de fases necesaria para

obtener un sistema trifsico.

Para explicar el proceso de la generacin de las tensiones de salida, suponemos que la

conmutacin es ideal, es decir que las ondas de salida tienen frente escarpado, esto no es

fsicamente posible y depende de lo semiconductores empleados. Por otro lado las

tensiones que intervienen son las siguientes:

Ud = Tensin cc del circuito intermedio.

Regulacindelatensindesalida


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Regulacindelatensindesalida

tenemos las siguientes formas de regular el valor de las tensiones a la salida del

inversor:

Modificar el valor de la tensin Uden el circuito intermedio, con un rectificador

de entrada que ha de ser controlado.

Variar el ancho de conduccin de la tensin de salida retrasando y

adelantando la conduccin y bloqueo de los semiconductores respecto de sus

pasos por 0 y 180.

Conmutar los semiconductores del ondulador varias veces por cada ciclo de la

frecuencia fundamental, de modo que la proporcin entre los tiempos de

encendido ton y de apagado toff, d el valor medio de la tensin de salida

mediante la relacin ton/(ton + toff).


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Usamos rectificador controlado y tensin continua de valor:

VARIACIN DEL VALOR DELA TENSIN EN ELCIRCUITO INTERMEDIO

El puente de entrada tiene un consumo de reactivacreciente con el ngulos de control . Las ondas en el

motor se ven en la figura.

Las tensiones que se aplican al motor, son ms

escalonadas, y su contenido en armnicos es menor que

el de las ondas cuadradas. Aun as las corrientes que

absorbe el motor dan los efectos indeseados


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Si el rectificador de entrada no es controlable, se puede variar el ancho de la

zona de conduccin de cada semionda de salida desde sus valores extremos

tericos de 0 y 180. El armnico fundamental vara por este mtodo entre O ysu valor mximo de (4/) Ud. Sin embargo, los armnicos que se generan son

muy importantes, incluso los de rdenes bajos y son malamente filtrados por el

motor con lo que ste absorbe una intensidad muy distorsionada. Este mtodo

se emplea poco.

VARIACIN DELANCHO DELA TENSIN DESALIDA

CONMUTACIN PULSADA VARIAS VECES POR CICLO. MTODOS PWM

El acrnimo que designa comercialmente a este mtodo de regulacin de

tensin de salida viene de su designacin inglesa Pulse Width Modulation. Se

pueden emplear en la etapa de entrada rectificadores no controlados de tensin

c/c fija y con bajo consumo de reactiva de la red. La proporcin entre los tiempos

de conexin y desconexin de los semiconductores de potencia, da el valor

mximo de la tensin entre fases en el lado de salida de acuerdo con la frmula

aproximada:


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Con PWM se regula la salida y genera ondas con alto componente de la

fundamental y reducido armnicos superiores. El motor acta como filtro.Los sistemas PWM ms usuales son :

1. Nmero variable de pulsos por ciclo fijo.

2. Nmero fijo de pulsos por ciclo variable. Comprende:

Modulacin senoidal.

Sobremodulacin.Cancelacin selectiva de armnicos.

Estos mtodos cumplen simultneamente dos objetivos:

Regulan el valor de la tensin de salida.

Minimizan los armnicos de la onda de tensin de salida



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Aplicaciones


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Ejercicios


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Ejercicio 1


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Ejercicio 2


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Ejercicio 3


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Solucin 1Solucin 1


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Solucin 2

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