Electronica de Potencia Rashid 3Ed cap 6

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Electronica de Potencia Rashid 3Ed

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  • 6.2 Principio de operacin 227

    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 calenta-miento por induccin, fuentes de alimentacin de reserva y fuentes de alimentacin ininterrum-pibles. La entrada puede ser una batera, una celda de combustible, celda solar u otra fuente de cd. Las salidas normales monofsicas son 1) 120 Ya 60 Hz, 2) 220 Ya 50 Hz y 3) 115 Y a 400 Hz. Para sistemas trifsicos 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 mono-fsicos y 2) inversores trifsicos. Cada uno puede usar dispositivos controlados de encendido y apagado (como transistores bipolares de unin [BJT], transistores de efecto de campo, de metal xido semiconductor [MOSFET], transistores bipolares de compuerta aislada [IGBT], tiristores controlados por compuerta[GTO]). Estos inversores usan en general seales de control por modu-lacin 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 en-trada 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 le llama inversor de pulso resonante, y tiene muchas aplicaciones en la electrnica de potencia. El captulo 8 se dedicar slo a los inversores de pulso resonante.

    6.2 PRINCIPIO DE OPERACiN El principio de los inversores monofsicos [1] se puede explicar con la figura 6.1a. El circuito del inversor consiste en dos pulsadores. Cuando slo enciende el transistor Ql durante el tiempo T e/2, el voltaje instantneo Va a travs de la carga es Vs/2. Si el transistor Q2 se enciende durante un tiempo T e/2, aparece - V)2 a travs de la carga. El circuito lgico se debe disear de tal mo-do que Q y Q2 no estn activos al mismo tiemp

  • 228 Captulo 6 Inversores modulados por ancho de pulso

    Corriente Vs Vao = Vo fundamenta l, io l 2

    O _ Vs

    2

    La ~ i l

    C I DI 2R

    + R io O Vs - v ao = Vo + a il ~ il

    Cz D I La 2R O Tu

    To 2

    (a) Circuito (b) Formas de onda con carga resistiva

    FIGURA 6.1

    V io _ s

    4fL O~--~~---r--~~---'r---~~

    I 1

    DI 1 QI 1 O2 1 Q2 DI 1 cerrado cerrado cerrado cerrado cerrado

    (e) Co rriente e n una carga altamente inductiva

    Inversor monofsico de medio pue nte.

    por lo que el voltaje instantneo de salida Va es 00

    Vo = 2: 2Vs ,, = 1,3,5, . .

    --- sen nwt n'TT

    = O para n = 2,4, .,. (6.2) donde w = 2'TTfo es la frecuencia del voltaje de salida, en radianes por segundo. Por la simetra de cuarto de onda del voltaje de salida respecto al eje x, los voltajes armnicos pares estn ausentes. Para n = 1, la ecuacin (6.2) da como resultado el valor rms de la componente fundamental:

    (6.3)

    Para una carga inductiva, su corriente no puede cambiar de inmediato al cambiar el volta -je de salida. Si Ql se apaga cuando t = T 012, la corriente de carga continuar pasando por D2, la carga y la mitad inferior de la fuente de cd, hasta que llega a cero. De igual modo, cuando se en -ciende Q2 en el momento t = TQ, la corriente de carga pasa por D, la carga y la mitad superior de la fuente de cd. Cuando el diodo D 1 o D2 conducen, la energa se regresa a la fuente de cd, y a esos diodos se les llama diodos de retroalimentacin. La figura 6.1c muestra la corriente de carga y los intervalos de conduccin de los dispositivos, con una carga puramente inductiva. Se puede

    O LegaspiCuadro de texton es la n-sima componente armnica.

  • t I

    ~ , i

    I t I I f

    I I

    6.2 Princip.io de operacin 229

    ver que en este caso el transistor slo conduce durante T 012 (o 90). Dependiendo del ngulo de impedancia de la carga, el periodo de conduccin de un transistor podra variar de 90 a 180.

    Cualquier dispositivo de conmutacin puede sustituir a los transistores. Si toff es el tiempo de apagado de un dispositivo, debe haber un tiempo mnimo de retardo td ( =tof) entre el dispo-sitivo a la salida y el disparo del siguiente dispositivo en la entrada. De no ser as, se producira una condicin de cortocircuito a travs de los dos dispositivos. En consecuencia, el tiempo mxi-mo de conduccin de un dispositivo sera ton = To/2 - td' Todos los dispositivos prcticos requie-ren cierto tiempo de encendido y de apagado. Para que el funcionamiento de los inversores sea adecuado, el circuito lgico los debe tener en cuenta.

    Para una carga RL, la corriente instantnea de carga io se puede determinar dividiendo el voltaje instantneo de salida entre la impedancia de carga, Z = R + jnwL. De este modo se obtiene

    00 2V, l' sen(nwt - en)

    mrV R2 + (nwL)2 (6.4) lO = L

    n=1,3,5 ...

    donde en = tan - l(nwLl R). Si lO! es la corri nte rms fundamental por la carga, la potencia funda-mental de salida (para n = 1) es

    (6.5)

    (6.5a)

    Nota: en la mayor parte de las aplicaciones (por ejemplo, impulsores de motor elctrico), la potencia de salida debida a la corriente fundamental es, en general, la potencia til, y la poten-cia debida a las corrientes armnicas se disipa en forma de calor, y aumenta la temperatura de la carga.

    Corriente de aJimentacin de cd. Suponiendo un inversor sin prdidas, la potencia pro-medio absorbida por la carga debe ser igual a la potencia promedio suministrada por la fuente de cd. Entonces, se puede escribir:

    donde T es el periodo del voltaje de salida de ca. Para una carga inductiva, y una frecuencia de conmutacin relativamente alta, la corriente io en la carga es casi sinusoidal, y en consecuencia slo el componente fundamental del voltaje de salida de ca suministra potencia a la carga. Ya que el voltaje de alimentacin de cd permanece constante, vs(t) = Vs , se puede escribir

    T 1 T is(t)dt = - v2Vo1sen(wt)v2losen(wt - eddt = 1; o V s o

    en donde Vol es el voltaje rms fundamental de salida, lo es la corriente rms fundamental de carga, el es el ngulo de la carga de la frecuencia fundamental.

  • 230 Captulo 6 Inversores modulados por ancho de pulso

    As, la corriente de alimentacin de cd, 1" se puede simplificar a

    (6.6)

    Secuencia de disparo. La secuencia de disparo para el control de los dispositivos de con-mutacin es la siguiente:

    1. Generar una seal de disparo cuadrada, Vgb con una frecuencia fa y ciclo de trabajo de 50%. La seal de disparo Vg2 debe ser una inversa lgica de Vgl.

    2. La seal VgI controla al interruptor QJ a travs de un circuito aislador de compuerta, y Vg2 puede controlar a Q2 sin circuito alguno de aislamiento.

    Puntos clave de la seccin 6.2

    Se puede obtener un voltaje alterno de salida conectando, alternativamente, las terminales positiva y negativa de la fuente de cd a travs de la carga y encendiendo y apagando en for-ma correspondiente los dispositivos de conmutacin. La componente fundamental rms, Vol> del voltaje de salida, es 0.45 Vs.

    Se requieren diodos de retroalimentacin para regresar a la fuente de cd la energa alma-cenada en la inductancia de carga.

    6.3 PARMETROS DE RENDIMIENTO La salida de los inversores prcticos contiene armnicas, y la calidad de un inversor se suele eva-luar en trmjnos de los siguientes parmetros de rendimiento.

    Factor armnico de la n-sima armnica (HFn). El factor armnico (de la n-sima arm-nica), que es una medida de la contribucin individual de esa armnica, se define como

    HF = Van n Vol

    para n > 1 (6.7) donde VI es el valor rms de la componente fundamental, y Van es el valor rms de la n-sima com-ponente armnica.

    Distorsin armnica total (THD). La distorsin armnica total, que es una medida de la coincidencia de formas entre una onda y su componente fundamental, se define como

    (6.8)

    Factor de distorsin (DF). La THD expresa el contenido total de armnicas, pero no in-dica el nivel de cada componente armnico. Si se usa un filtro a la salida de los inversores, las ar-mnicas de orden mayor se atenan con ms eficacia. Por consiguiente, es importante conocer tanto la frecuencia como la magnitud de cada armnica. El DF indica la cantidad de distorsin armnica que queda en determinada forma de onda despus de someter a las armnicas de esa onda a una atenuacin de segundo orden, es decir, dividirlas entre n2. As, el factor de distorsin

  • I ~ I ,

    r

    6.3 Parmetros de rendimiento 231

    es una medida de la eficacia de reduccin de armnicas no deseadas, sin tener que especificar los valores de un filtro de carga de segundo orden, y se define como sigue:

    1 [ 00 (V )2]112 DF=- L: ~ Vol 11=2,3,.. . n2

    (6.9)

    El DF de un componente armnico individual (o el n-simo) se define como

    DF = V on 11 V 2

    oln (6.10) para n > 1

    Armnica de orden ms bajo (LOH). La LOR es aquel componente armnico cuya fre-cuencia se acerca ms a la de la fundl!-mental, y su amplitud es mayor o igual a13% de la compo-nente fundamental.

    Ejemplo 6.1 Determinacin de los parmetros de un inversor monofsico de medio puente El inversor monofsico de medio puente en la figura 6.1a tiene una carga resistiva de R = 2.5 n y el voltaje directo de entrada es V s = 48 Y. Determinar a) el voltaje rms de salida a la frecuencia fundamental Vol, b) la potencia de salida Po, c) las corrientes promedio y pico en cada transistor, d) el voltaje pico de bloqueo inverso VER de cada transistor, e) la T